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Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem mit einem von einer Pumpe im offenen Kreislauf betriebenen doppeltwirkenden Verbraucher, wobei die Pumpe zum Antrieb mit einem Antriebsmotor in trieblicher Verbindung steht und wobei zur Steuerung des Verbrauchers ein Wegeventil vorgesehen ist, das mit einer Förderleitung der Pumpe, einer zu einem Behälter geführten Behälterleitung und zwei zu dem Verbraucher geführten Verbraucherleitungen in Verbindung steht, wobei zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers während einer Bremsphase des Verbrauchers ein Rekuperationseinrichtung vorgesehen ist.
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Derartige Antriebssysteme mit im offenen Kreislauf von einer Pumpe versorgten Verbrauchern werden in mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise Baggern, eingesetzt, bei denen die Pumpe von einer als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmaschine angetrieben wird. Zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und/oder zur Einhaltung von Abgasvorschriften der Arbeitsmaschine ist zunehmend eine Energierückgewinnung erforderlich, mit der Bewegungsenergie beim Abbremsen eines Verbrauchers beispielsweise in einem hydraulischen Speicher zurückgewonnen werden kann, um diese bei einem Beschleunigungsvorgang zum Antrieb des Verbrauchers zu verwenden.
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Insbesondere bei einem Drehwerksmotor eines Drehwerksantriebs einer mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Baggers, mit dem ein Oberwagen, der eine zur Lasthandhabung dienende Arbeitsausrüstung der Arbeitsmaschine trägt, gegenüber einem mit einem Fahrwerk versehenen Unterwagen verschwenkt werden kann, dient der Drehwerksantrieb der in der Regel dazu, den Oberwagen mit der Arbeitsausrüstung um einen Drehwinkel zwischen 90° und 180° zu verschwenken. In etwa über die erste Hälfte des Drehwinkels erfolgt eine Beschleunigung des Oberwagens, in der aufgrund der hohen Massenträgheit des zu beschleunigenden Oberwagens eine hohe Energiemenge benötigt wird. Die zweite Hälfte des Drehwinkels bildet bereits eine Bremsphase, in der der Oberwagen abgebremst wird. In der Bremsphase wird das den Drehwerksmotor steuernde Wegeventil in eine als Sperrstellung ausgebildete Neutralstellung beaufschlagt, in der die Verbraucherleitungen abgesperrt sind. Aufgrund der Massenträgheit des Oberwagens wird der Drehwerksmotor in der Bremsphase weiter angetrieben, wodurch sich die Druckverhältnisse umkehren. In der Ablaufseite des Verbrauchers baut sich hierbei ein Bremsdruck auf, der an einer Druckbegrenzungsventileinrichtung abgesichert wird. Beim Ansprechen und Öffnen der Druckbegrenzungseinrichtung wird in der Bremsphase des Verbrauchers die Bremsenergie in Wärme umgewandelt, so dass eine hohe Energiemenge in der Bremsphase vernichtet wird.
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Aus der
DE 10 2011 106 715 A1 ist ein gattungsgemäßes Antriebssystem für einen Drehwerkantrieb eines Baggers mit einer Energierückgewinnung bekannt. Bei der
DE 10 2011 106 715 A1 umfasst die Rekuperationseinrichtung einen hydraulischen Speicher, wobei die in dem hydraulischen Speicher zurückgewonnene Bremsenergie des Drehwerks in die Förderleitung der Pumpe zwischen der Pumpe und den Wegeventilen der Verbraucher eingespeist wird. Je nach Betriebsbedingungen kann es hierbei vorkommen, dass der Druck in der Förderleitung der Pumpe höher ist wie der Druck in dem hydraulischen Speicher bzw. der beim Abbremsen des Verbrauchers entstehende Bremsdruck, so dass die in dem aufgeladenen hydraulischen Speicher enthaltende Energie bzw. in der Bremsphase des Drehwerks die zurückgewinnbare Energie nicht genutzt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, das eine Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers unabhängig von dem in der Förderleitung der Pumpe anstehenden Druck ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rekuperationseinrichtung eine Rekuperationsleitung aufweist, die mittels einer Rekuperationsventileinrichtung mit der mit der Ablaufseite des Verbrauchers in Verbindung stehenden Verbraucherleitung zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers in Verbindung bringbar ist, und mit der Rekuperationseinrichtung aus der während einer Bremsphase und somit im Bremsbetrieb des Verbrauchers zurückgewonnenen Bremsenergie eine den Antriebsmotor antreibende Antriebsenergie erzeugbar ist. Bei der Erfindung wird somit die in der Bremsphase des Verbrauchers zurückgewonnene Energie bzw. zurückgewonnene Leistung derart genutzt, dass mit dieser Energie bzw. Leistung eine den Antriebsmotor antreibende Antriebsenergie bzw. Antriebsleistung des Antriebssystems erzeugt wird. Die von dem Antriebsmotor aufzubringende Leistung kann somit um denjenigen Betrag verringert werden, wie durch die zurückgewonnene Leistung im Bremsbetrieb des Verbrauchers eine entsprechende Antriebsleitung im Antriebssystem erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist hierbei eine Energierückgewinnung im Bremsbetrieb des Verbrauchers und eine Nutzung der zurückgewonnenen Energie unabhängig von den in der Förderleitung der Pumpe anstehenden Druckverhältnissen möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einer mit einem Behälter verbundenen Ansaugleitung der Pumpe ein in Richtung zum Behälter sperrendes Sperrventil, insbesondere ein in Richtung zum Behälter sperrendes Rückschlagventil, angeordnet, und ist die Rekuperationsleitung zwischen dem Sperrventil und der Saugseite der Pumpe an die Ansaugleitung angeschlossen. Bei einer Energierückgewinnung im Bremsbetrieb des Verbrauchers wird somit das unter Druck stehende Druckmittel in der Rekuperationsleitung der Saugseite der Pumpe zugeführt. Das in der Ansaugleitung angeordnete Sperrventil verhindert hierbei, dass das Druckmittel aus der Rekuperationsleitung ungenutzt in den Behälter abströmen kann. Das unter Druck stehende Druckmittel in der Rekuperationsleitung, das der Pumpe an der Ansaugleitung zugeführt wird, treibt somit die Pumpe an, so dass mit der zurückgewonnenen Energie bzw. Leistung eine die Pumpe und somit den Antriebsmotor antreibende Antriebsenergie bzw. Antriebsleistung des Antriebssystems erzeugt wird.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein mit der Pumpe oder dem Antriebsmotor in trieblicher Verbindung stehender Hydromotor vorgesehen, wobei die Rekuperationsleitung mit einer Einlassseite des Hydromotors verbunden ist und eine Auslassseite des Hydromotors mit einem Behälter verbunden ist. Bei einer Energierückgewinnung im Bremsbetrieb des Verbrauchers wird somit das unter Druck stehende Druckmittel in der Rekuperationsleitung der Einlassseite eines Hydromotors zugeführt, beispielsweise eines Zahnradmotors. Das unter Druck stehende Druckmittel in der Rekuperationsleitung, das dem Hydromotor an der Einlassseite zugeführt wird, treibt somit den Hydromotor an, so dass mit der zurückgewonnenen Energie bzw. Leistung eine die Pumpe bzw. den Antriebsmotor antreibende Antriebsenergie bzw. Antriebsleistung des Antriebssystems erzeugt wird.
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Um in Betriebszuständen, in denen keine Energierückgewinnung und somit keine Rekuperation von Energie erfolgt, die Verlustleistung zu minimieren, die der mitangetriebene Hydromotor verursacht, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Umgehungsleitung vorgesehen, die die Einlassseite des Hydromotor mit der Auslassseite des Hydromotors verbindet, wobei in der Umgehungsleitung ein in Richtung zur Auslassseite sperrendes Sperrventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist. Über die Umgehungsleitung und das Sperrventil kann der Hydromotor in Betriebszuständen, in denen keine Energierückgewinnung erfolgt, in einem nahezu drucklosen Umlauf betrieben werden, so dass der mitangetriebene Hydromotor in diesen Betriebszuständen nur geringe zusätzliche Verluste verursacht.
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Um in Betriebszuständen, in denen keine Energierückgewinnung und somit keine Rekuperation von Energie erfolgt, die Verlustleistung zu vermeiden, die der mitangetriebene Hydromotor verursacht, ist gemäß einer alternativen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dem Hydromotor eine Kupplungseinrichtung zugeordnet, mit der die triebliche Verbindung des Hydromotors mit der Pumpe oder dem Antriebsmotor trennbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kupplungseinrichtung als schaltbare Trennkupplung oder als Freilaufkupplung ausgebildet ist. Mit einer Trennkupplung bzw. einer Freilaufkupplung kann auf einfache Weise der Hydromotor von dem Antriebsmotor in Betriebszuständen abgekoppelt werden, in denen keine Energierückgewinnung erfolgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein mit der Rekuperationsleitung in Verbindung stehender hydraulischer Speicher vorgesehen, wobei in der Rekuperationsleitung zwischen der Rekuperationsventileinrichtung und dem hydraulischen Speicher ein in Richtung zum Speicher öffnendes Sperrventil, insbesondere ein Rückschlagventil, angeordnet ist. Mit einem zusätzlichen hydraulischen Speicher, dem im Bremsbetrieb des Verbrauchers das unter Druck stehende Druckmittel aus der Ablaufseite des Verbrauchers zugeführt wird, kann die Energierückgewinnung und die Nutzung der zurückgewonnenen Energie zur Entlastung des Antriebsmotors über einen längeren Zeitraum ausgedehnt werden. Das in der Rekuperationsleitung angeordnete Sperrventil stellt hierbei sicher, dass das unter Druck stehende Druckmittel im Entladebetrieb des hydraulischen Speichers der Ansaugleitung der Pumpe bzw. dem Hydromotor zuströmt.
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Vorteile ergeben sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in der Rekuperationsleitung zwischen dem hydraulischen Speicher und dem Anschluss der Rekuperationsleitung an die Ansaugleitung der Pumpe oder dem Anschluss der Rekuperationsleitung an die Einlassseite des Hydromotors eine Drosseleinrichtung, insbesondere eine Blende, angeordnet ist. Mit einer derartigen Blende kann die Nutzung der gespeicherten Bremsenergie zum Antrieb der Pumpe bzw. des Hydromotors auf einfache Weise über einen längeren Zeitraum ausgedehnt werden
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Besondere Vorteile sind erzielbar, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in der Rekuperationsleitung ein Schaltventil zum Ein- und Ausschalten der Rekuperationseinrichtung angeordnet ist. Mit einem derartigen Schaltventil kann auf einfache Weise die in dem hydraulischen Speicher gespeicherte Bremsenergie gezielt und bewusst zum Antrieb der Pumpe bzw. des Hydromotors zugeschalten werden.
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Mit besonderem Vorteil ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung den Verbraucherleitungen jeweils eine Druckbegrenzungsventileinrichtung zugeordnet ist, wobei die Druckbegrenzungsventileinrichtungen die Rekuperationsventileinrichtung bilden. Bei gattungsgemäßen Antriebssystemen ist zur Absicherung des Verbraucherdruckes den Verbraucherleitungen jeweils eine Druckbegrenzungsventileinrichtung zugeordnet. Sofern die Druckbegrenzungsventileinrichtungen die Funktion der Rekuperationsventileinrichtung aufweist und das der entsprechenden Ablaufseite des Verbrauchers zugeordnete Druckbegrenzungsventileinrichtung die Rekuperationsventileinrichtung bildet, um in der Bremsphase unter Druck stehendes Druckmittel aus der Ablaufseite des Verbrauchers in die Rekuperationsleitung zu führen, werden die bereits vorhandenen Druckbegrenzungsventileinrichtungen für die Verbindung der Ablaufseite des Verbrauchers mit der Rekuperationsleitung verwendet, so dass keine zusätzlichen Rekuperationsventile erforderlich sind. Hierdurch werden der schaltungstechnische Aufbau und der Bauaufwand für die erfindungsgemäße Energierückgewinnung durch die Verwendung der bereits vorhandenen Druckbegrenzungsventileinrichtungen als Rekuperationsventileinrichtung weiter vereinfacht.
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Zweckmäßigerweise sind hierzu die Druckbegrenzungsventileinrichtungen ausgangsseitig an die Rekuperationsleitung angeschlossen.
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Die Druckbegrenzungsventileinrichtungen weisen hierzu jeweils eine Sperrstellung und eine Durchflussstellung auf und sind mittels einer Federeinrichtung in Richtung der Sperrstellung sowie dem in der zugeordneten Verbraucherleitung anstehenden Druck in Richtung der Durchflussstellung beaufschlagt, wobei in der Durchflussstellung ein Strömungszweig zu der Rekuperationsleitung und ein Strömungszweig zu einem Überströmventil herstellbar ist. Sofern die Druckbegrenzungsventileinrichtungen in der Durchflussstellung einen Strömungszweig zu der Rekuperationsleitung und einen Strömungszweig zu einem Überströmventil herstellen, kann über den Strömungszweig zu der Rekuperationsleitung auf einfache Weise die Rekuperationsleitung in einer Bremsphase mit der Ablaufseite des Verbrauchers zur Energierückgewinnung verbunden werden. Die der Ablaufseite zugeordnete Druckbegrenzungsventileinrichtung wird hierbei in einer Bremsphase von dem an der Ablaufseite des Verbrauchers anstehenden ablaufseitigen Druck in die eine Rekuperationsstellung bildende Durchflussstellung beaufschlagt, so dass eine einfache Steuerung der Energierückgewinnung ohne zusätzliche Sensoren erzielt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist in dem Strömungszweig zu der Rekuperationsleitung und/oder in dem Strömungszweig zu dem Überströmventil eine Drosseleinrichtung wirksam. Durch entsprechende Gestaltung und Wahl der Durchflussquerschnitte in den Strömungszweigen, beispielsweise durch entsprechende Wahl der Steuerkanten bzw. Steuerkantenüberdeckung der beiden Strömungskanäle, kann auf einfache Weise die Rekuperationsmenge und der dabei herrschende Druck für die Energierückgewinnung in der Rekuperationsleitung während einer Bremsphase des Verbrauchers variiert und eingestellt werden.
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Das Überströmventil steht gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung mit der mit der Zulaufseite des Verbrauchers in Verbindung stehenden Verbraucherleitung in Verbindung und ist als Sperrventil, insbesondere als ein in Richtung zur Zulaufseite des Verbrauchers öffnendes Rückschlagventil, ausgebildet. Die während einer Rekuperation überschüssige Ablaufmenge kann somit auf einfache Weise in einer Bremsphase über das geöffnete Sperrventil zur Zulaufseite des Verbrauchers strömen. Zudem kann durch die paarweise Anordnung der Druckbegrenzungsventileinrichtungen und der Überströmventile in einer Antriebsphase mittels des der Zulaufseite zugeordneten Druckbegrenzungsventileinrichtung der Druck in der Zulaufseite abgesichert werden, wobei bei geöffneter Druckbegrenzungsventileinrichtung das aus der Zulaufseite abströmende Druckmittel über das Überströmventil zur Ablaufseite des Verbrauchers abströmen kann.
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Gemäß einer Ausgestaltungsform der Erfindung kann das Überströmventil in einer Überströmleitung angeordnet ist, die von der der Ablaufseite des Verbrauchers zugeordneten Druckbegrenzungsventileinrichtung zu der mit der Zulaufseite des Verbrauchers in Verbindung stehenden Verbraucherleitung geführt ist. Die Überströmventile sind somit in Überströmleitungen angeordnet, die die entsprechende Druckbegrenzungsventileinrichtung umgehen, wodurch die die Funktion der Rekuperationsventileinrichtung aufweisenden Druckbegrenzungsventileinrichtungen von einfach aufgebauten Druckbegrenzungsventilen mit zwei Strömungszweigen in der Durchflussstellung gebildet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Überströmventil in der der Zulaufseite des Verbrauchers zugeordneten Druckbegrenzungsventileinrichtung integriert. Mit der Integration der Überströmventile in die entsprechende Druckbegrenzungsventileinrichtung kann der Bauaufwand weiter verringert werden, da die die Funktion der Rekuperationsventileinrichtung aufweisenden Druckbegrenzungsventileinrichtungen von einfach aufgebauten kombinierten Druckbegrenzungs- und Nachsaugeventilen gebildet werden können.
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Die Druckbegrenzungsventileinrichtungen sind hierbei mittels der Federeinrichtung in Richtung der Sperrstellung beaufschlagt und in der Funktion als Rekuperationsventileinrichtung von dem in der Ablaufseite des Verbrauchers anstehenden Druck in Richtung der Durchflussstellung angesteuert. Durch entsprechende Wahl und Auslegung der Federkennlinie und somit der Steifigkeit der Federeinrichtung kann auf einfache Weise die Rekuperationsmenge und der dabei herrschende Druck für die Energierückgewinnung während einer Bremsphase des Verbrauchers variiert und eingestellt werden.
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Sofern gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Federeinrichtung von einem mindestens zwei Federn umfassenden Federpaket gebildet ist, wobei die Federn stufenweise an dem Druckbegrenzungsventileinrichtung wirksam werden, kann der Ansprechpunkt der Druckbegrenzungsventile in der Funktion als Rekuperationsventileinrichtung auf einfache Weise eingestellt und vorgegeben werden.
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Gemäß einer zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein weiterer von der Pumpe im offenen Kreislauf betriebener Verbraucher vorgesehen ist, wobei zur Steuerung jedes Verbrauchers ein Wegeventil vorgesehen ist, das an eine Förderleitung der Pumpe angeschlossen ist. Durch die erfindungsgemäße Nutzung der im Bremsbetrieb zurückgewonnenen Energie unabhängig von den Druckverhältnissen in der Förderleitung der Pumpe ergeben sich bei einem Antriebssystem mit mehreren Verbrauchern besondere Vorteile.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine, insbesondere Bagger, mit einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem, wobei der Verbraucher, bei dem eine Rückgewinnung der Bremsenergie erfolgt, als Drehwerk oder als Fahrantrieb oder als Ausleger ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Energierückgewinnung kann bei einer mobilen Arbeitsmaschine mit einer von einem Antriebsmotor, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, angetriebenen Pumpe des hydrostatischen Antriebssystems eine Kraftstoffreduzierung und eine Verringerung der Abgasemissionen mit geringem Bauaufwand erzielt werden. Mit der von der Rekuperationsleitung gebildeten Schaltung kann hierbei eine Energierückgewinnung an Verbrauchern erfolgen, bei denen im Bremsbetrieb eine ziehende bzw. antreibende Last auftritt und somit Bremsenergie auftritt, beispielsweise an einem Drehwerk oder an einem Fahrantrieb in einer Bremsphase oder an einem Ausleger in einer Bremsphase (Senkenbetrieb).
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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2 eine Weiterbildung der 1,
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3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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4 eine Weiterbildung der 2,
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5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems,
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6 eine Weiterbildung der 5 und
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7 eine Weiterbildung der Erfindung.
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In den 1 bis 7 ist jeweils ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystems einer mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Baggers, dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Das Antriebssystem der 1 bis 7 umfasst eine Pumpe 1, die im offenen Kreislauf betrieben ist und saugseitig mit einem Behälter 2 in Verbindung steht. Zum Antrieb der Pumpe 1 ist ein Antriebsmotor 3 vorgesehen, der bevorzugt von einem Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Dieselmotor, gebildet ist.
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Die Pumpe 1 dient zur Versorgung mehrerer im offenen Kreislauf betriebener doppeltwirkender Verbraucher 6, 106. Die Pumpe 1 fördert hierzu in eine Förderleitung 4, an die ein Wegeventil 5 zur Steuerung des im offenen Kreislauf betriebenen doppeltwirkenden Verbrauchers 6 angeschlossen ist und ein Wegeventil 105 zur Steuerung des im offenen Kreislauf betriebenen doppeltwirkenden Verbrauchers 6 angeschlossen ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verbraucher 6 als Drehwerksmotor eines Drehwerksantriebs oder Fahrmotor eines Fahrantriebs der mobilen Arbeitsmaschine ausgebildet.
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Das Wegeventil 5 und das Wegeventil 105 ist weiterhin an eine zu dem Behälter 2 geführte Behälterleitung 7 angeschlossen. Das Wegeventil 5 ist weiterhin an zwei mit dem Verbraucher 6 in Verbindung stehende Verbraucherleitungen 8a, 8b angeschlossen. Entsprechend ist das Wegeventil 105 an zwei mit dem Verbraucher 106 in Verbindung stehende Verbraucherleitungen 108a, 108b angeschlossen.
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Das Wegeventil 5 ist als in Zwischenstellungen drosselndes Closed-Center-Steuerventil mit einer als Sperrstellung ausgebildeten Neutralstellung 5a, einer ersten Steuerstellung 5b für eine erste Bewegungsrichtung des Verbrauchers 6 und einer zweiten Steuerstellung 5c für eine zweite Bewegungsrichtung des Verbrauchers 6 ausgebildet. In der Neutralstellung 5a sind die Förderleitung 4, die Behälterleitung 7 und die Verbraucherleitungen 8a, 8b abgesperrt. In der ersten Steuerstellung 5b ist die Förderleitung 4 an die Verbraucherleitung 8a und die Verbraucherleitung 8b an die Behälterleitung 7 angeschlossen. Die Verbraucherleitung 8a bildet somit die Zulaufseite des Verbrauchers 6 und die Verbraucherleitung 8b die Ablaufseite des Verbrauchers 6. In der zweiten Steuerstellung 5c ist die Förderleitung 4 an die Verbraucherleitung 8b und die Verbraucherleitung 8a an die Behälterleitung 7 angeschlossen. Die Verbraucherleitung 8b bildet somit die Zulaufseite des Verbrauchers 6 und die Verbraucherleitung 8a die Ablaufseite des Verbrauchers 6. Das Wegeventil 5 ist mittels Federeinrichtungen 9a, 9b in die Neutralstellung 5a beaufschlagt und kann mittels entsprechender Ansteuersignale, die in Ansteuerleitungen 10a, 10b geführt sind, in Richtung der Steuerstellungen 5b bzw. 5c betätigt werden.
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Das Wegeventil 105 zur Steuerung des weiteren Verbrauchers 106 weist einen analogen Aufbau auf.
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Zur Absicherung des Verbrauchers 6 gegen eine Drucküberlastung ist den Verbraucherleitungen 8a, 8b jeweils eine Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a, 15b zugeordnet. Die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b sind von zwei gegenseitig verschalteten Druckbegrenzungsventilen gebildet, die in einer die Verbraucherleitungen 8a, 8b verbindenden Verbindungsleitung 14 angeordnet sind. Die Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a ist der Verbraucherleitung 8a zugeordnet und von einer Federeinrichtung 16a in eine die Verbindungsleitung 14 absperrende Sperrstellung beaufschlagt sowie von dem in der Verbraucherleitung 8a anstehenden Druck in eine die Verbindungsleitung 14 freigebende Durchflussstellung beaufschlagt. Hierzu ist an eine entsprechende Steuerfläche der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a eine den Druck in der Verbraucherleitung 8a führende Steuerleitung 17a angeschlossen. Die Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a ist als kombiniertes Druckbegrenzungs- und Nachsaugeventil ausgebildet, das in der Sperrstellung mit einem ein in Richtung zu der Verbraucherleitung 8a öffnenden Überströmventil 18a, insbesondere einem als Rückschlagventil ausgebildeten Sperrventil, versehen ist, das in der geöffneten Stellung eine Strömung in der Verbindungsleitung 14 von der Verbraucherleitung 8b zur Verbraucherleitung 8a ermöglicht. Entsprechend ist die Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b der Verbraucherleitung 8b zugeordnet und von einer Federeinrichtung 16b in eine die Verbindungsleitung 14 absperrende Sperrstellung beaufschlagt sowie von dem in der Verbraucherleitung 8b anstehenden Druck in eine die Verbindungsleitung 14 freigebende Durchflussstellung beaufschlagt. Hierzu ist an eine entsprechende Steuerfläche der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b eine den Druck in der Verbraucherleitung 8b führende Steuerleitung 17b angeschlossen. Die Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b ist ebenfalls als kombiniertes Druckbegrenzungs- und Nachsaugeventil ausgebildet, das in der Sperrstellung mit einem ein in Richtung zu der Verbraucherleitung 8b öffnenden Überströmventil 18b, insbesondere einem als Rückschlagventil ausgebildeten Sperrventil, versehen ist, das in der geöffneten Stellung eine Strömung in der Verbindungsleitung 14 von der Verbraucherleitung 8a zur Verbraucherleitung 8b ermöglicht. Übersteigt bei in der Steuerstellung 5b bzw. 5c betätigtem Wegeventil 5 der an der entsprechenden Zulaufseite (Verbraucherleitung 8a bzw. 8b) des Verbrauchers 6 anstehende Druck in der Verbraucherleitung 8a bzw. 8b den an der Federeinrichtung 16a bzw. 16b der der Zulaufseite zugeordneten Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a bzw. 15b eingestellten Ansprechdruck, öffnet die der Zulaufseite des Verbrauchers 6 zugeordnete Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a bzw. 15b, wobei Druckmittel aus der Zulaufseite über die Verbindungsleitung 14 und das geöffnete Überströmventil 18b bzw. 18a der der Ablaufseite zugeordneten Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b bzw. 15a in die Ablaufseite (Verbraucherleitung 8b bzw. 8a) strömen kann.
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Erfindungsgemäß ist zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers 6 während einer Bremsphase und somit im Bremsbetrieb des Verbrauchers 6 eine Rekuperationseinrichtung 19 vorgesehen, die eine Rekuperationsleitung 20 aufweist, die mittels einer Rekuperationsventileinrichtung 21 mit der mit der Ablaufseite des Verbrauchers 6 in Verbindung stehenden Verbraucherleitung 8a bzw. 8b zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers 6 in Verbindung bringbar ist.
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Gemäß den 1 bis 7 weisen die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b die Funktion der Rekuperationsventileinrichtung 21 auf, so dass die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b mit der Rekuperationsventileinrichtung 21 zu einem Bauteil kombiniert sind. Die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b sind hierzu ausgangsseitig an die Rekuperationsleitung 20 angeschlossen. Zur Steuerung der Verbindung mit der Rekuperationsleitung 20 sind die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b in der Durchflussstellung mit einem Strömungszweig 23a, 23b versehen, der eine Verbindung der ablaufseitigen Verbraucherleitung 8b bzw. 8a mit der Rekuperationsleitung 20 herstellt. In der Durchflussstellung sind die Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b für die Funktion zur Absicherung des Verbrauchers 6 gegen eine Drucküberlastung mit einem Strömungszweig 24a, 24b versehen, der die Verbindungsleitung 14 öffnet und die Verbindung zu dem Überströmventil 18b, 18a der jeweils anderen Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b, 15a herstellt. In dem Strömungszweig 24a, 24b ist eine Drosseleinrichtung 25a, 25b, beispielsweise eine Blende, wirksam. In der Sperrstellung der Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b ist der Strömungszweig 23a, 23b und somit die Verbindung der Verbindungsleitung 14 zur Rekuperationsleitung 20 abgesperrt.
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In den 1 bis 7 sind an den Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b zwei verschiedenen Varianten von Federeinrichtung 16a, 16b gezeigt. Die Federeinrichtung 16b der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b ist von einer einzelnen Feder gebildet, deren Kennlinie und Steifigkeit das Ansprechen der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b in die Durchflussstellung bestimmt. Die Federeinrichtung 16a der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a ist von einem mehrere parallel angeordnete Federn umfassenden Federpaket gebildet, deren Federn stufenweise an der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a wirksam werden.
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In den 1 bis 7 ist weiterhin eine Nachsaugeeinrichtung 40 dargestellt, die eine mit dem Behälter 2 in Verbindung stehende Nachsaugeleitung 41 umfasst, die in den dargestellten Ausführungsbeispielen mit der Verbraucherleitungen 8b verbunden ist. In der Nachsaugeleitung 41 ist ein Nachsaugeventil 42 angeordnet. Das Nachsaugeventil 42 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als in Richtung zur Verbraucherleitung 8b öffnendes Rückschlagventil 43 ausgebildet.
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Mit der Rekuperationseinrichtung 19 ist erfindungsgemäß aus der während einer Bremsphase des Verbrauchers 6 und somit aus der beim Bremsen des Verbrauchers 6 zurückgewonnenen Bremsenergie eine den Antriebsmotor 1 antreibende Antriebsenergie erzeugbar.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 ist hierzu die Rekuperationsleitung 20 an eine Ansaugleitung 30 der Pumpe 1 angeschlossen, mittels der die Pumpe 1 saugseitig mit dem Behälter 2 verbunden ist. In der mit einem Behälter 2 verbundenen Ansaugleitung 30 der Pumpe 1 ist weiterhin ein in Richtung zum Behälter 2 sperrendes Sperrventil 31 angeordnet. Das Sperrventil 31 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel, als ein in Richtung zum Behälter 2 sperrendes Rückschlagventil 32 ausgebildet. Die Rekuperationsleitung 20 ist zwischen dem Sperrventil 31 und der Saugseite der Pumpe 1 an die Ansaugleitung 30 angeschlossen. Sofern mit der Rekuperationseinrichtung 19 eine Rekuperation der Bremsenergie des Verbrauchers 6 erfolgt, wird somit das unter Druck stehende und in der Rekuperationsleitung 20 strömende Druckmittel der Pumpe 1 über die Ansaugleitung 30 zugeführt, so dass die Pumpe 1 von dem unter Druck stehenden und in der Rekuperationsleitung 20 strömenden Druckmittel angetrieben wird und im gleichen Maß der Antriebsmotor 3 beim Antrieb der Pumpe 1 entlastet wird.
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In dem Ausführungsbeispiel der 2, in dem eine Weiterbildung der 1 dargestellt ist, ist ein hydraulischer Speicher 35 vorgesehen, der mit der Rekuperationsleitung 20 in Verbindung steht und mittels dem die in der Bremsphase des Verbrauchers 6 rekuperierbare Bremsenregie speicherbar ist.
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In der Rekuperationsleitung 20 ist zwischen der Rekuperationsventileinrichtung 21 und dem hydraulischen Speicher 35 ein in Richtung zum Speicher 35 öffnendes Sperrventil 36 angeordnet. In dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sperrventil 36 als in Richtung zu der Rekuperationsventileinrichtung 21 sperrendes Rückschlagventil 37 ausgebildet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 kann zusätzlich in der Rekuperationsleitung 20 zwischen dem hydraulischen Speicher 35 und dem Anschluss der Rekuperationsleitung 20 an die Ansaugleitung 30 der Pumpe 1 eine Drosseleinrichtung 38 angeordnet sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Drosseleinrichtung 38 als Blende 39 ausgeführt.
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Um mit der Rekuperationseinrichtung 19 erfindungsgemäß aus der beim Bremsen des Verbrauchers 6 zurückgewonnenen Bremsenergie eine den Antriebsmotor 1 antreibende Antriebsenergie zu erzeugen, ist in den Ausführungsbeispielen der 3 bis 7 ein mit der Pumpe 1 oder dem Antriebsmotor 3 in trieblicher Verbindung stehender Hydromotor 50 vorgesehen. Der Hydromotor 50 ist im offenen Kreislauf betrieben. Die Rekuperationsleitung 20 ist zum Antrieb des Hydromotors 50 mit einer Einlassseite 51 des Hydromotors 5 verbunden. Eine Auslassseite 52 des Hydromotors 50 ist mittels einer Ablaufleitung 53 mit dem Behälter 2 verbunden. Sofern mit der Rekuperationseinrichtung 19 eine Rekuperation der Bremsenergie des Verbrauchers 6 erfolgt, wird somit das unter Druck stehende und in der Rekuperationsleitung 20 strömende Druckmittel dem Hydromotor 50 zugeführt und dieser angetrieben. Der von dem unter Druck stehenden und in der Rekuperationsleitung 20 strömenden Druckmittel angetriebene Hydromotor 50 erzeugt ein zusätzliches Drehmoment zum Antrieb der Pumpe 1, so dass im gleichen Maß der Antriebsmotor 1 beim Antrieb der Pumpe 1 entlastet wird.
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Um Verluste durch einen Antrieb des Hydromotors 50 in Betriebszuständen zu vermeiden, in denen keine Rekuperation und somit keine Energierückgewinnung erfolgt, ist in den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 eine Umgehungsleitung 55 vorgesehen, die die Einlassseite 51 des Hydromotor 50 mit der Auslassseite 52 des Hydromotors 50 verbindet. In der Umgehungsleitung 55 ist ein in Richtung zur Auslassseite 52 sperrendes Sperrventil 56 angeordnet. Das Sperrventil 56 ist in den 3 und 4 als in Richtung zur Auslassseite 52 sperrendes Rückschlagventil 57 ausgebildet. Sofern keine Rekuperation erfolgt, wird der Hydromotor 50 von dem Antriebsmotor 3 angetrieben. Mittels der Umgehungsleitung 55 wird der Hydromotor 50 bei geöffnetem Sperrventil 56 in einem Kurzschluss und somit einem nahezu drucklosen Umlauf und somit in einem Kurzschluss betrieben, so dass der mitangetriebene Hydromotor 502 lediglich geringe Verluste verursacht.
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Die 3 entspricht hinsichtlich des Aufbaus der Rekuperationseinrichtung 19 der 1. Die 4 entspricht hinsichtlich des Aufbaus der Rekuperationseinrichtung 19 der 2 und ist zusätzlich mit dem hydraulischen Speicher 35, dem Sperrventil 36 und der gegebenenfalls vorhandenen Drosseleinrichtung 38 versehen.
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Um Verluste durch einen Antrieb des Hydromotors 50 in Betriebszuständen zu vermeiden, in denen keine Rekuperation und somit keine Energierückgewinnung erfolgt, ist in den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 dem Hydromotor 50 eine Kupplungseinrichtung 60 zugeordnet, mit der die triebliche Verbindung des Hydromotors 50 mit der Pumpe 1 oder dem Antriebsmotor 3 trennbar ist. Die Kupplungseinrichtung 60 kann als schaltbare Trennkupplung oder als Freilaufkupplung ausgebildet sein. Sofern keine Rekuperation erfolgt, wird der Hydromotor 50 mittels der Trennkupplung 60 von einer Triebwelle 61 getrennt bzw. abgekuppelt, so dass kein Antrieb des Hydromotors 50 erfolgt.
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Die 5 entspricht hinsichtlich des Aufbaus der Rekuperationseinrichtung 19 der 1 bzw. der 3. Die 6 entspricht hinsichtlich des Aufbaus der Rekuperationseinrichtung 19 der 2 bzw. der 4 und ist zusätzlich mit dem hydraulischen Speicher 35, dem Sperrventil 36 und der gegebenenfalls vorhandenen Drosseleinrichtung 38 versehen.
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In der Weiterbildung der 7 ist in der Rekuperationsleitung 20 ein Schaltventil 65 zum Ein- und Ausschalten der Rekuperationseinrichtung 19 angeordnet ist. Das Schaltventil 65 weist eine Sperrstellung 65a und eine Öffnungsstellung 65b auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltventil 65 elektrisch betätigbar und mit einer elektrischen Betätigungseinrichtung 66, beispielsweise einem Schaltmagnet, zwischen der Sperrstellung 65a und der Öffnungsstellung 65b betätigbar. Das Schaltventil 65 ermöglicht es, bei einer Energierückgewinnung der Bremsenergie die zurückgewonnen Bremsenergie bewusst zum Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 51 zuzuschalten.
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Sofern die Rekuperationseinrichtung 19 mit dem hydraulischen Speicher 35 versehen ist, ist das Schaltventil 65 in der Rekuperationsleitung 20 zwischen dem hydraulischen Speicher 35 und dem Anschluss der Rekuperationsleitung 20 an die Ansaugleitung 30 der Pumpe 1 bzw. dem Anschluss der Rekuperationsleitung 20 an die Einlassseite 51 des Hydromotors 50 angeordnet.
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Die 7 entspricht hierbei im Aufbau der Rekuperationseinrichtung 19 der 4. Es versteht sich, dass das Schaltventil 65 auch in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3, 5 und 6 vorgesehen sein kann, um bei einer Energierückgewinnung der Bremsenergie die zurückgewonnen Bremsenergie bewusst zum Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 51 zuzuschalten.
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Das erfindungsgemäße Antriebssystem arbeitet wie folgt.
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Gelangt bei den 1 bis 7 ausgehend von einem in Richtung der Steuerstellung 5b angesteuerten Wegeventil 5, wobei die Verbraucherleitung 8a die Zulaufseite und die Verbraucherleitung 8b die Ablaufseite des Verbrauchers 6 bildet, der Verbraucher 6 durch eine Ansteuerung des Wegeventils 5 in die Neutralstellung 5a in eine Bremsphase, baut sich in der ablaufseitigen Verbraucherleitung 8b ein Bremsdruck auf. Die der ablaufseitigen Verbraucherleitung 8b zugeordnete Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b bildet hierbei die Rekuperationsventileinrichtung 21, die über die Steuerleitung 17b von dem in der Ablaufseite des Verbrauchers 6 anstehenden Druck gesteuert ist. Übersteigt der Bremsdruck in der Ablaufseite des Verbrauchers 6 den Einstellwert der Federeinrichtung 16b, wird die Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b in die Durchflussstellung beaufschlagt, in der über den Strömungszweig 23b die Ablaufseite des Verbrauchers 6 mit der Rekuperationsleitung 20 verbunden ist.
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In den 1, 3 und 5 erfolgt eine unmittelbare Energierückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers 6 ohne zeitliche Verzögerung, in dem die Pumpe 1 (1) bzw. der Hydromotor 50 (3 und 5) von dem unter Druck stehenden Druckmittel aus der Ablaufseite des Verbrauchers 6, das in der Rekuperationsleitung 20 ansteht, angetrieben wird. Durch den Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 50 mit der beim Bremsen zurückgewonnenen Energie kann die Antriebsleistung des Antriebsmotors 3 zum Antrieb der Pumpe 1 verringert werden.
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In den 2, 4, 6 und 7 wird der hydraulische Speicher 35 mit dem Druckmittel aus der Ablaufseite des Verbrauchers 6 zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers 6 geladen. In Verbindung mit dem Speicher 35 und der gegebenenfalls vorhandenen Drosseleinrichtung 38 kann der Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 50 mit der beim Bremsen zurückgewonnenen Energie über einen längeren Zeitraum ausgedehnt werden und somit zeitlich gestreckt werden.
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Über die Einstellung und Kennlinie der Federeinrichtung 16b und die Querschnitte der Strömungszweige 23b, 24b, insbesondere die Wahl der Drosseleinrichtung 25b, die bevorzugt als Steuerkantenüberdeckung der die Strömungszweige 23b, 24b und somit die Öffnungsquerschnitte bildenden Steuerkanten gebildet ist, der Druckbegrenzungsventileinrichtung 15b, kann die Rekuperationsmenge und der dabei herrschende Druck variiert und eingestellt werden.
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Gelangt entsprechend bei den 1 bis 7 ausgehend von einem in Richtung der Steuerstellung 5c angesteuerten Wegeventil 5, wobei die Verbraucherleitung 8b die Zulaufseite und die Verbraucherleitung 8a die Ablaufseite des Verbrauchers 6 bildet, der Verbraucher 6 durch eine Ansteuerung des Wegeventils 5 in die Neutralstellung 5a in eine Bremsphase, baut sich in der ablaufseitigen Verbraucherleitung 8a ein Bremsdruck auf. Die der ablaufseitigen Verbraucherleitung 8a zugeordnete Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a bildet hierbei die Rekuperationsventileinrichtung 21, die über die Steuerleitung 17a von dem in der Ablaufseite des Verbrauchers 6 anstehenden Druck gesteuert ist und in der Durchflussstellung über den Strömungszweig 23a die Ablaufseite des Verbrauchers 6 mit der Rekuperationsleitung 20 zur Rückgewinnung der Bremsenergie des Verbrauchers 6 verbindet.
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Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf.
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Der Antrieb der Pumpe 1 gemäß den 1 und 2 bzw. der Antrieb des Hydromotors 50 gemäß den 3 bis 7 mit der beim Bremsen des Verbrauchers 6 zurückgewonnenen Energie ermöglicht eine Energierückgewinnung in jedem Betriebspunkt des Antriebssystems unabhängig von dem in der Förderleitung 4 der Pumpe anstehenden Druck. Bei der Erfindung wird die durch eine antreibende Last entstehende Leistung in einer Bremsphase des Verbrauchers 6 rekuperiert und derart in das Antriebssystem eingebracht, dass die Antriebsleistung des Antriebsmotors 3 um den Betrag der rekuperierten Leistung verringert werden kann.
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In den 1, 3 und 5 kann mit geringem Bauaufwand eine direkte Energierückgewinnung ohne zeitliche Verzögerung erzielt werden.
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In den 2, 4, 6 und 7 wird in Verbindung mit dem Speicher 35 und der gegebenenfalls vorhandenen Drosseleinrichtung 38 erzielt, dass in der Bremsphase des Verbrauchers 6 der Speicher 35 mit der Bremsenergie geladen wird und der Speicher 35 die gespeicherte Energie zum Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 50 zeitlich gestreckt abgeben kann.
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In den 3 bis 7 wird mit dem Antrieb des Hydromotors 50 erzielt, dass für die Energierückgewinnung die Ansaugverhältnisse der Pumpe 1 nicht verändert werden und kein Sperrventil 31 in der Ansaugleitung der Pumpe 1 erforderlich ist. Mit der Umgehungsleitung 55 in den 3, 4 und 7 bzw. der Kupplungseinrichtung 60 in den 5 und 6 kann auf einfache Weise der Hydromotor 50 abgeschalten werden, um in Betriebszuständen, in denen keine Energierückgewinnung erfolgt, eine Verlustleistung durch den mitangetrieben Hydromotor 50 zu vermeiden.
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Mit dem Schaltventil 65 gemäß der 7 wird es ermöglicht, die im Speicher 35 zurückgewonnene und gespeicherte Bremsenergie je nach Bedarf zu einem beliebigen Zeitpunkt zum Antrieb der Pumpe 1 bzw. des Hydromotors 50 einzusetzen. Hierdurch wird es ermöglicht, die im hydraulischen Speicher 35 gespeicherte Bremsenergie des Verbrauchers 6 in Betriebszuständen zu nutzen, in denen der Antriebsmotor 3 stark belastet ist und eine hohe Drehzahldrückung aufweist.
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Durch die Integration der Funktion des Rekuperationsventileinrichtung 21 in die der Ablaufseite des Verbrauchers 6 zugeordnete, bereits vorhandene Druckbegrenzungsventileinrichtung 15a bzw. 15b ergibt sich bei den 1 bis 7 ein einfacher Aufbau für die Energierückgewinnung. Für die Energierückgewinnung sind lediglich entsprechend angepasste Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a bzw. 15b erforderlich.
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Bei einem Antriebssystem mit als Closed-Center-Ventilen ausgebildeten Wegeventilen 5, 105 kann die erfindungsgemäße Schaltung zur Energierückgewinnung auf einfache Weise ergänzt bzw. nachgerüstet werden.
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Bei den in den 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen werden durch die Integration der Funktion der Rekuperationsventileinrichtung 21 in die bereits vorhandene Druckbegrenzungsventileinrichtungen 15a, 15b vorhandene Bauteile für die Rekuperation der Bremsenergie genutzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011106715 A1 [0004, 0004]
