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Die Erfindung betrifft eine lastabhängige Regelung von Hydraulikmotoren, die parallel zueinander in einem geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislauf angeordnet sind und deren hydraulische Leistungsbereitstellung über eine bevorzugt in ihrem Fördervolumen variabel einstellbare Hydraulikpumpe erfolgt, welche ihrerseits von einem Antriebsmotor angetrieben wird. Der Erfindungsgedanke betrifft Zwei- bzw. Mehr-Motorenantriebe für hydrostatische Antriebsstränge, wobei zumindest ein Hydraulikmotor ein elektrisch-proportional verstellbarer, durchflussregulierter Hydraulikmotor ist, der proportional zu einem elektrischen Steuersignal von einer Steuerelektronik in seinem Schluck- bzw. Hubvolumen einstellbar ist. Die im Antriebsstrang angeordneten Hydraulikmotoren sind dabei bevorzugt in beide Drehrichtungen betreibbar und für beide Drehrichtungen in ihrem Hub- bzw. Schluckvolumen variabel einstellbar.
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Zwei- oder Mehrmotorenantriebe werden in vielen Anwendungsfällen für hydrostatische Antriebe verwendet, wenn breite Drehzahlspektren bei gleichzeitig großen Drehmomentspannen gefordert werden, wobei die zur Verfügung stehende Leistung begrenzt ist. Solch breite Drehzahl- und Drehmomentspektren, auch Wandlungsbereiche genannt, sollen zudem in den verschiedensten Betriebssituationen mit einem minimalen Steuer- bzw. Regelaufwand lastabhängig und/oder abhängig von der Betriebssituation abrufbar sein. So wird beispielsweise bei hydrostatischen Fahrantrieben zum Beschleunigen aus dem Stillstand oder bei Bergauffahrten ein hohes Drehmoment benötigt, welches jedoch mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit abnimmt. Zum Erreichen einer möglichst hohen Fahrgeschwindigkeit werden dann hohe Drehzahlen an der Abtriebswelle eines hydrostatischen Antriebs gefordert. Solch hohe Anforderungen an den Wandel- bzw. Übersetzungsbereich – ein hohes Drehmoment einerseits und eine hohe Drehzahl anderseits – sind oftmals mit einem einzigen Hydraulikmotor im hydrostatischen Antrieb nicht zufriedenstellend darstellbar. Zudem werden vom Markt immer höhere maximale Drehzahlen bzw. Fahrgeschwindigkeiten gefordert, die den Übersetzungsbereich eines hydrostatischen Antriebs vergrößern. Dem wird im Stand der Technik mit so genannten Mehr-Motoren-Antrieben begegnet, wobei, beispielsweise zum Beschleunigen aus dem Stillstand, anfänglich zwei oder mehr Motoren für die Bereitstellung eines hohen Drehmoments vorgesehen sind, und die Anzahl der antreibenden Hydraulikmotoren mit Zunahme der Fahrgeschwindigkeit reduziert wird, bis beispielsweise zum Erreichen der Maximalgeschwindigkeit, meist nur noch ein Hydraulikmotor im Antrieb verbleibt.
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In solchen hydrostatischen meist Zwei-Motorenantrieben, wird für das Bereitstellen eines hohen Drehmoments bevorzugt der Hydraulikmotor, der hydraulisch zu- bzw. abschaltbar ist, in seinem maximalen Hubvolumen größer gewählt als der im Antriebsstrang permanent arbeitende Hydraulikmotor. Der Grund hierfür liegt in der Regel darin, dass ein Hydraulikmotor mit einem kleinen maximalen Schluckvolumen zwar eine höhere Drehzahl erreichen kann, jedoch ist sein maximal abgebbares Drehmoment – entsprechend dem relativ kleineren maximalen Schluckvolumen – niedriger. In solchen Zwei- oder auch Mehr-Motoren-Antrieben kommen sowohl Radialkolben- als auch Axialkolbenmotoren zum Einsatz.
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Im Rahmen der Erfindungsbeschreibung wird als Beispiel für die Erläuterung der Erfindung ein hydrostatischer Fahrantrieb mit zwei Hydraulikmotoren herangezogen, was jedoch lediglich zur Vereinfachung der Darstellung des Erfindungsgedankens dient. Vom Erfindungsgedanken sind sämtliche hydrostatische Antriebe umfasst, die einen, wie oben dargelegten, prinzipiellen Aufbau haben, egal ob diese als Fahrantriebe, Lastenhub-Antriebseinrichtungen oder in anderen hydrostatischen Antrieben zum Einsatz kommen.
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Angetrieben werden die Hydraulikmotoren über Hydraulikpumpen, die bevorzugt in ihrem Fördervolumen verstellbar sind. Diese Hydraulikpumpen werden wiederum von einem Antriebsmotor mit mechanischer Leistung versorgt werden, was oftmals ein Verbrennungsmotor ist, bevorzugt ein Dieselmotor. Der Antriebsmotor kann jedoch auch ein Elektromotor oder jede andere Art eines Antriebsmotors sein, der gewährleistet, dass die Hydraulikpumpe ausreichend hydraulische Leistung für die Hydraulikmotoren zur Verfügung stellen kann. In der derzeitigen Praxis kommen hierbei zumeist Diesel- oder Elektromotoren als Antriebsmotoren zur Anwendung.
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Die (äußeren) Lasten, welche auf einen hydrostatischen (Mehr-Motoren-)Antrieb wirken, sind in der Regel nicht konstant und ändern sich je nach Betriebssituation, Einsatzbedingungen und Einsatzzweck. Die zum Einsatz kommenden Hydraulikmotoren müssen daher in ihrer Drehzah- bzw. Drehmomentabgabe anpassbar sein (Sekundärregelung). Steigt beispielsweise die äußere Last, so muss das vom hydrostatischen Antrieb bereitgestellte Drehmoment erhöht werden, damit der hydrostatische Antrieb nicht zum Stillstand kommt. Mit der Zunahme der Drehmomentbereitstellung nimmt jedoch – bei begrenzter hydraulischer Leistung – die Drehzahl ab, was beispielsweise für einen Fahrantrieb bedeutet, dass dieser langsamer wird. Im Stand der Technik werden die zum Einsatz kommenden Hydraulikmotoren jeder für sich einzeln angesteuert und einzeln bedarfs- und situationsgerecht in ihren jeweiligen Schluckvolumen gesteuert bzw. eingestellt, um die Veränderungen in der äußeren Last auszugleichen (Sekundärregelung). Dabei kommen herkömmlich sowohl elektroproportional als auch druckproportional verstellbare Hydraulikmotoren zum Einsatz.
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Ein einschlägiger hydrostatischer Antrieb in einem Baufahrzeug ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 11 2006 002 950 T5 beschrieben. Der Antrieb verfügt über eine von einem Dieselmotor angetriebene Hydropumpe, die zwei parallel angeordnete Hydromotoren mit Druckfluid versorgt. Die Hydromotoren sind jeweils über eine zugeordnete Servoverstelleinheit verstellbar, die über eine Steuerelektronik ansteuerbar ist. Je nach Größe der zu bewältigenden Last, werden die Hydromotoren in ihrer Leistungsabgabe verstellt, wobei einer dem Antriebsstrang zugeschaltet oder von diesem abgekoppelt werden kann. Dies geschieht lastabhängig, wobei ein Beschleunigungssensor als Komponente der eingesetzten Steuer-/Regeleinheit verwendet wird.
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Bei Mehr-Motoren-Antrieben stellt insbesondere die Sekundärregelung, d. h. die optimale Einstellung der Schluckvolumina der einzelnen Hydraulikmotoren sowie die hydraulische Synchronisierung und die Betriebssituations-bedingte rechtzeitige Zu- und Abschaltbarkeit der einzelnen Hydraulikmotoren, insbesondere bei Laständerungen, den Fachmann vor große Herausforderungen. Diesen Herausforderungen wird herkömmlich mit Einsatz von Mikrocomputern und einer Vielzahl von Sensoren und Signalleitungen und/oder BUS-Systemen begegnet. Mit zunehmender Anzahl elektronischer Bauteile und Komponenten zum Steuern, Regeln und Überwachen hydrostatischer Antriebe steigen jedoch nicht nur die Kosten und die Komplexität der Antriebe, sondern auch deren Störanfälligkeit, was zwangsläufig die Zuverlässigkeit und Robustheit eines hydrostatischen Antriebs schmälert und somit die Wirtschaftlichkeit negativ beeinträchtigt.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein einfaches Verfahren zur lastabhängigen Regelung der Schluckvolumina von Hydraulikmotoren in hydrostatischen Mehr-Motoren-Antrieben bereitzustellen und insbesondere die zur Regelung der Motoren notwendigen Elemente, wie Sensoren, elektrische Leistungen, etc. auf ein Minimum zu reduzieren. Dabei ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine robuste und zuverlässige Regelung der Hydraulikmotoren bereitzustellen, die insbesondere die Synchronisation der eingesetzten Hydraulikmotoren optimal steuert und die Anzahl der am Antrieb des hydrostatischen Antriebs beteiligten Hydraulikmotoren selbsttätig der jeweiligen Betriebssituation anpasst, ohne den Antriebsmotor des hydrostatischen Antriebs zu überlasten. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine solche Regelung kostengünstig bereitzustellen, wobei auch bereits vorhandene hydrostatische Antriebe mit einer solchen regelbar sein sollen.
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Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelung für hydrostatische Mehr-Motoren-Antriebe bereitzustellen, die auch in bereits vorhandene hydrostatische Mehr-Motoren-Antriebe eingesetzt werden kann, um diese mit einem einfachen und robusten Regelverfahren kostengünstig erweitern bzw. nachrüsten zu können, speziell dann, wenn nur eine begrenzte Anzahl an elektrischen Steuersignalen zur Verfügung steht. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung soll es auch erlauben, bereits existierende Ein-Motoren-Antriebe auf Mehr-Motoren-Antriebe umzurüsten bzw. zu erweitern, ohne dass dabei substantielle Änderungen an der elektronischen Steuerung der Arbeitsmaschine vorgenommen werden müssen.
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Die Aufgaben, die sich die Erfindung stellt, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lastabhängigen Regelung eines hydrostatischen Antriebes gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei direkt oder indirekt von Anspruch 1 abhängige Unteransprüche auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gerichtet sind. Die Aufgaben, die sich die Erfindung stellt, werden ferner durch einen hydrostatischen Antrieb gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 gelöst, wobei auch hier direkt oder indirekt von Anspruch 9 abhängige Unteransprüche auf bevorzugte Ausführungsbeispiele gerichtet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur lastabhängigen Regelung eines hydrostatischen Antriebs findet Anwendung auf einen hydrostatischen Antrieb mit geschlossenem Hydraulikflüssigkeitskreislauf, in welchem eine Hydraulikpumpe über eine Hochdruckleitung einen ersten Hydraulikmotor und zumindest einen weiteren, zum ersten Hydraulikmotor parallel angeordneten, zweiten Hydraulikmotor antreiben kann. Zu Zwecken der Vereinfachung der Erfindungsbeschreibung beschränkt sich die Erläuterung der erfindungswesentlichen Einzelheiten auf hydrostatische Zwei-Motoren-Antriebe, was den Erfindungsgedanke jedoch nicht auf solche Zwei-Motoren Antriebe begrenzt. Bei der Lektüre der Erfindungsbeschreibung wird der einschlägige Fachmann schnell feststellen, dass sich das hier beschriebene Verfahren erfindungsgemäß auch bei Drei- oder Mehr-Motoren-Antrieben einsetzen lässt.
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Üblicherweise werden im Stand der Technik bei Mehr-Motoren-Antrieben die Schluckvolumina der Hydraulikmotoren elektroproportional gesteuert eingestellt. Vereinzelt gibt es auch Lösungen mit elektroproportional und druckproportional verstellbaren Hydraulikmotoren, jedoch werden die Hydraulikmotoren dieser Hydraulikantriebe üblicherweise separat, d. h. unabhängig voneinander in ihrem Schluckvolumen gesteuert. Erfindungsgemäß wird nun ein abhängiges Zusammenspiel der beiden Steuerungsarten in einem hydrostatischen Antrieb mit zumindest zwei Hydraulikmotoren eingesetzt. Weiter erfindungsgemäß muss einer der (beiden) Hydraulikmotoren elektroproportional steuerbar sein und der zweite (oder die weiteren) Hydraulikmotor(en) ist (sind) druckgesteuert verstellbar auszuführen.
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Weiter sind bei den erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieben der erste elektroproportional verstellbare Hydraulikmotor und der zumindest eine zum ersten Hydraulikmotor parallel angeordnete zweite druckproportional verstellbare Hydraulikmotor mit ihren jeweiligen Abtriebswellen, beispielsweise über ein Getriebe, mit einer gemeinsamen Abtriebswelle des hydrostatischen Antriebs mechanisch miteinander gekoppelt. Das bedeutet, dass die Drehzahlen der Hydraulikmotoren über das Übersetzungsverhältnis miteinander in Beziehung stehen. Erhöht oder verringert sich die Drehzahl an der Abtriebswelle eines Hydraulikmotors, so erhöht oder verringert sich auch die Drehzahl an der Abtriebswelle des anderen Hydraulikmotors sowie an der gemeinsamen Abtriebswelle. Vom Erfindungsgedanken sind hierbei sowohl feste als auch veränderbare Übersetzungsverhältnisse umfasst, beispielsweise in Art eines Schaltgetriebes oder eines Planetengetriebes.
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Anhand einer beispielhaften Anwendung eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs als Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine soll im Folgenden das erfindungsgemäße lastfühlige bzw. lastabhängige Zusammenspiel der beiden Steuerungsarten der beiden Hydraulikmotoren dargestellt werden. Weiter beispielhaft treibt der hydrostatische Antrieb in einer beispielhaft gewählten Ausgangssituation den Fahrantrieb mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Ebene an, wobei der Druck in der Hochdruckleitung des hydrostatischen Antriebs niedriger ist als ein Öffnungsdruck bzw. ein Grenzdruck, der ein Betätigen der druckproportionalen Verstelleinrichtung des zweiten Hydraulikmotors bewirken würde. Der Fahrantrieb wird in dieser Betriebssituation allein von dem ersten, elektroproportional verstellbaren Hydraulikmotor angetrieben. Der zweite, druckproportionale Hydraulikmotor ist nicht am Antrieb beteiligt, da die Druckverhältnisse in seiner Servoverstelleinheit derart ausgebildet sind, dass der zweite Hydraulikmotor einen Schwenkwinkel aufweist, an dem sein Schluckvolumen null bzw. minimal ist. Das Triebwerk des zweiten Hydraulikmotors wird über das Getriebe, das die beiden Hydraulikmotoren verbindet, mitgedreht.
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Im Allgemeinen gilt, dass eine Erhöhung der äußeren Last auf einen hydrostatischen Antrieb eine Hochdruckerhöhung verursacht, beispielsweise dann, wenn ein mit einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb ausgerüstetes Fahrzeug von der zuvor geschilderten Fahrt in der Ebene in eine Bergauffahrt wechselt oder das Fahrzeug beschleunigt werden soll. Geht man von der oben geschilderten Ausgangssituation aus, bei der nur der elektroproportional steuerbare Hydraulikmotor am Vortrieb eines hydrostatischen Antriebs beteiligt ist, und geht man weiter davon aus, dass primärseitig die über den Antriebsmotor der Hydraulikpumpe zur Verfügung gestellte Leistung nicht erhöht werden soll oder kann, muss, bei steigender äußerer Last auf die gemeinsame Abtriebswelle des hydrostatischen Antriebs, das Drehmoment an der gemeinsame Abtriebswelle des hydrostatischen Antriebs erhöht werden, damit der hydrostatische Antrieb nicht zum Stillstand kommt. Das bedeutet weiter, dass zumindest eines der von den Hydraulikmotoren abgegebenen Drehmomente erhöht werden muss. Oftmals auch beide, um der Drehmomentanforderung durch die erhöhte äußere Last gerecht zu werden. Zum Erhöhen des Drehmoments eines Hydraulikmotors ist sein Schluckvolumen zu erhöhen. Dies kann für den erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb in zweierlei Art und Weise erfolgen: (i) elektroproportional am ersten Hydraulikmotor, wenn die Hochdruckerhöhung den Hochdruck in der Hochdruckleitung nicht über einen Grenzdruck anhebt, bei dem die druckproportionale Steuerung des zweiten Hydraulikmotors anspricht, oder (ii) druckproportional am zweiten Hydraulikmotor und nachfolgend elektroproportional am ersten Hydraulikmotor, wenn der Hochdruck in der Hochdruckleitung eben diesen Grenzdruck überschreitet.
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Bei der ersten Alternative (i) wird der zweite Hydraulikmotor in seinem Schluckvolumen nicht verändert und eine aus dem Stand der Technik bekannte elektroproportionale Verstellung des Schluckvolumens des ersten Hydraulikmotors kommt zur Anwendung, beispielsweise die in
DE 10 2007 003 800 B3 beschriebene.
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Ganz allgemein ergibt sich aus der Drehzahl und der kommandierten/eingestellten Auslenkung, d. h. dem eingestellten Schluck- bzw. Hubvolumen des Hydraulikmotors, der Durchflussvolumenstrom durch den Hydraulikmotor.
DE 10 2007 003 800 B3 beschreibt eine durchflussregulierte elektroproportionale Steuerung eines Hydraulikmotors, welche in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für die Steuerung des ersten, elektroproportionalen Hydraulikmotors eingesetzt wird. Bei der in
DE 10 2007 003 800 B3 gezeigten Steuerung wird über die Überwachung der Hydraulikmotor-Drehzahl und das kommandierte Schluckvolumen des Hydraulikmotors der Durchflussvolumenstrom durch den ersten Hydraulikmotor ermittelt und mit einer Sollwertvorgabe verglichen. Je nach Abweichung von der Sollwertvorgabe wird das Schluckvolumen elektroproportional mittels eines veränderten Steuerstroms auf ein neues Schluckvolumen kommandiert, sodass sich bei aktuell vorliegender Drehzahl der gewünschte Durchflussvolumenstrom einstellt. Auch erfindungsgemäß wird der Durchflussvolumenstrom durch den ersten Hydraulikmotor bevorzugt über eine solche Steuerelektronik gesteuert, wobei bevorzugt ein Steuerstrom als Steuersignal an eine fachübliche elektroproportionale Verstelleinrichtung übermittelt wird. Für eine elektroproportionale Steuerung ist fachüblich je Hydraulikmotor ein separates Steuersignal notwendig.
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Zur Erzeugung des Steuersignals bedient man sich herkömmlicherweise einer Steuerelektronik, die Steuersignale, bspw. in Form eines Steuerstroms aus Signalen ermittelt, die ihr von Druck-, Drehzahl- und/oder Schwenkwinkelsensoren übermittelt werden. Die Steuerelektronik wertet die Sensorsignale aus und ermittelt geeignete Steuersignale/Steuerströme und sendet/leitet diese dann beispielsweise an einen elektrisch arbeitenden Aktuator, der elektroproportional auf ein Steuerventil einwirkt. Der Aktuator, beispielsweise ein Proportionalmagnet, verstellt wiederum das Steuerventil derart, dass eine Verstelleinheit, bevorzugt eine Servoverstelleinheit, über ein Verstellelement das Hubvolumen/Schluckvolumen des Hydraulikmotors an das ermittelte Steuersignal anpasst. Letztendlich bestimmt die Höhe des Steuersignals die elektro-proportionale Verstellung des Schluckvolumens des Hydraulikmotors. Eine derartige elektroproportionale Verstellung eines Hydraulikmotors ist dem Fachmann geläufig und soll an dieser Stelle daher nicht in weiteren Einzelheiten erörtert werden. Diese Abläufe sind bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindungsbeschreibung sollen daher nur die erfindungsgemäßen Verfahrensabläufe für den zweiten Fall, bei dem der Druck in der Hochdruckleitung einen vorgegebenen Grenzdruck überschreitet, im Detail erläutert werden.
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In dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb sind, wie oben bereits erwähnt, zumindest ein elektroproportional und ein druckproportional verstellbarer Hydraulikmotor parallel zueinander angeordnet und mit ihren Abtriebswellen über ein Getriebe mechanisch verbunden. Übersteigt der Druck in der Hydraulikflüssigkeit in der Hochdruckleitung einen vorgegebenen Grenzdruck (Alternative (ii)), weil die äußere Last zunimmt oder der hydrostatische Antrieb beschleunigt werden soll, so schwenkt der druckproportional gesteuerte Hydraulikmotor weiter aus, um seine Drehmomentabgabe zu erhöhen. Dies hat Folgen auf den Betriebszustand des ersten elektroproportional gesteuerten Hydraulikmotors, da dieser sowohl mechanisch als auch hydraulisch mit dem zweiten, druckgesteuerten Hydraulikmotor verbunden ist. Mit der Drehmomentzunahme an der Abtriebswelle des zweiten Hydraulikmotors reduziert sich gleichzeitig die Drehzahl an der gemeinsamen Abtriebswelle. Über die mechanische Verbindung der beiden Abtriebswellen reduziert sich damit auch die Drehzahl der Abtriebswelle und des Triebwerks des ersten, elektroproportional gesteuerten Hydraulikmotors. Mit der Drehzahlabnahme des hydrostatischen Antriebs und der Durchfluss-Volumenstromzunahme am zweiten Hydraulikmotor verringert sich ebenfalls der Ist-Wert für das Durchflussvolumen am elektroproportional steuerbaren ersten Hydraulikmotor, womit er von einer Sollwertvorgabe für das Durchflussvolumen abweicht. Die Steuerelektronik, welche beispielsweise über die Drehzahl und den kommandierten Schwenkwinkel das Durchflussvolumen des ersten Hydraulikmotors überwacht, erkennt die Abweichung von der Sollwertvorgabe und erhöht das Durchflussvolumen durch den ersten Hydraulikmotor, indem sie den Schwenkwinkel des ersten Hydraulikmotors mittels eines geeigneten Steuersignals auf einen höheren Wert kommandiert. Damit steigt das Schluckvolumen am ersten Hydraulikmotor an, bis dieser bei der neuen (niedrigeren) Drehzahl wieder das Durchflussvolumen zeigt, das durch den Sollwert vorgegeben ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt also die Schluckvolumen-Anpassung des ersten, elektroproportionalen Hydraulikmotors in Folge einer Veränderung des Schluckvolumens des zweiten, druckproportional gesteuerten Hydraulikmotors. Aufgrund der Durchfluss-Volumenstromabnahme am ersten Hydraulikmotor kommandiert die Steuerelektronik über das elektroproportionale Steuerventil den ersten Hydraulikmotor auf ein höheres Schluckvolumen, um die Vorgabe für den Durchfluss-Volumenstrom wieder zu erfüllen und so der höheren Drehmomentanforderung am Abtrieb des hydrostatischen Antriebs entgegenzuwirken.
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In weiterer Folge sinkt in dem beispielhaft gewählten hydrostatischen Antrieb der Hockdruck in der Hochdruckleitung aufgrund der Zunahme der Schluckvolumina beider Hydraulikmotoren wieder ab. Durch die Druckabnahme in der Hochdruckleitung nimmt der Steuerdruck auf das zweite druckproportionale Steuerventil ebenfalls ab, wodurch der zweite Hydraulikmotor durch die zugehörige Servoverstelleinrichtung in seinem Hub- bzw. Schluckvolumen reduziert wird. Mit abnehmenden Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors nimmt jedoch auch sein Beitrag am Drehmoment des hydrostatischen Antriebs ab. Gleichzeitig wird durch die mechanische Kopplung der beiden Abtriebswellen der Hydraulikmotoren verhindert, dass der zweite Hydraulikmotor bei einem Rückschwenken eine Drehzahlzunahme zeigt. Nach Abnahme/Zurücknahme des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors nimmt der Druck in der Hochdruckleitung wieder zu, gegebenenfalls erneut auf Werte oberhalb des Grenzdruckes. Ein Druckanstieg in der Hochdruckleitung bei einem Druckniveau oberhalb des Grenzdrucks hat wiederum ein Erhöhen des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors zu Folge, dessen Ausschwenkung wegen des zunehmenden Steuerdrucks (erneut) erhöht wird.
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Das erneute erfindungsgemäße Ausschwenken/Erhöhen des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors hat – wie oben bereits ausgeführt – ein nachfolgendes Erhöhen des Schluckvolumens des ersten Hydraulikmotors zur Folge, solange dieser nicht an seinem maximalen Schluckvolumen angekommen ist. Aus dieser Regelschleife erkennt der Fachmann, dass der zweite, druckgesteuerte Hydraulikmotor mit Ansteigen der Drehmomentanforderung an den hydrostatischen Antrieb mit ausgleichender Schwenkwinkel-Zunahme und -Abnahme den ersten Hydraulikmotor bei der Bereitstellung des Drehmomentes unterstützt. Dabei hängt die Höhe der Änderung der Auslenkung, d. h. die Höhe der Änderung des Drehmoments, das vom zweiten Hydraulikmotor bereitgestellt wird, vom Anstieg des an der gemeinsamen Abtriebswelle geforderten Drehmoments ab. Je größer der Anstieg des geforderten Drehmoments an der gemeinsamen Antriebswelle desto deutlicher sind diese Ausgleichsbewegungen des Verstellelementes des zweiten Hydraulikmotors.
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Solange die Drehmomentanforderung an den hydrostatischen Antrieb steigt, wird der zweite Hydraulikmotor, nach einem anfänglichen Auslenken aus einer Nullstellung, ein betriebsbedingtes, Hochdruck-abhängiges Unterstützungsdrehmoment bzw. Anschubdrehmoment für den ersten Hydraulikmotor bereitstellen, mit dem der erste Hydraulikmotor über seine elektroproportionale, durchflussgesteuerte Steuerung zu einer Vergrößerung seiner Auslenkung gezwungen wird. Solange sich der Systemdruck in der Hochdruckleitung des hydrostatischen Antriebs auf oder kurz oberhalb des Grenzdruckniveaus befindet und der erste Hydraulikmotor noch nicht am seinem maximalen Schluckvolumen angelangt ist, wird der zweite Hydraulikmotor selbstregelnd mehr oder minder zur Drehmomentbereitstellung des hydrostatischen Antriebs beitragen, was sich in einem betriebsangepassten variierenden Verhalten der Auslenkung des Verstellelements des zweiten Hydraulikmotors zeigt. Der zweite Hydraulikmotor wird erst dann auf größere Schluckvolumina ausschwenken, wenn der erste, elektroproportional verstellbare Hydraulikmotor an seinem maximalen Schluckvolumen angekommen ist, die Drehmomentanforderung an den hydrostatischen Antrieb aber weiterhin steigt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann der zweite, druckproportionale Hydraulikmotor auch vollständig auf Schluckvolumen gleich null eingestellt werden. Er ist dann nicht mehr am Antrieb des hydrostatischen Antriebs beteiligt. In diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs kann der zweite Hydraulikmotor bei Erreichen eines Schluckvolumens gleich null von der mechanischen Verbindung zum ersten Hydraulikmotor abgekuppelt werden, sodass Leistungsverluste, wie beispielsweise Planschverluste, durch Mitdrehen des zweiten Hydraulikmotors über das gemeinsame Getriebe vermieden werden. Grundvorrausetzung hierfür ist jedoch das sichere Erreichen eines Null-Schluckvolumens, damit der zweite Hydraulikmotor, wenn eine Kupplung zum Abkoppeln des zweiten Hydraulikmotors geöffnet wird, nicht lastfrei angetrieben wird und Gefahr läuft, überdreht zu werden. Ein lastfrei angetriebener Hydraulikmotor kommt, da ungebremst angetrieben, sehr schnell in Überdrehzahl, wodurch Beschädigungen am Hydraulikmotor nicht ausgeschlossen sind. Ein solches Abkoppeln ist u. a. dann bevorzugt, wenn der hydrostatische Antrieb seine Maximaldrehzahl bzw. seine Maximalgeschwindigkeit erreichen soll, bei der der zweite Hydraulikmotor ggf. nicht (mehr) beschädigungsfrei mitgedreht werden kann. Zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit eines hydrostatischen Antriebs sind in der Regel Hochdrücke ausreichend, die unterhalb des Wertes für den Grenzdruck liegen.
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Überschreitet der Hochdruck in einem hydrostatischen Antrieb mit ausgekuppelten zweiten Hydraulikmotor (erneut) den vorgegebenen/eingestellten Grenzdruck in der Hochdruckleitung, so muss der zweite Hydraulikmotor wieder eingekuppelt werden, bevor er ausgeschwenkt wird, damit ein lastfreies Hoch-/Überdrehen vermieden wird.
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Im Allgemeinen wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antrieb somit ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, bei dem die für den hydrostatischen Antrieb (vor-)eingestellte Leistung, welche durch die Hydraulikpumpe in einem geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislauf eingebracht wird, selbststätig, lastabhängig und angepasst an die Betriebssituation auf einen, zwei oder mehr Hydraulikmotoren verteilt wird. Die an der Hydraulikpumpe eingestellte Leistung kann erfindungsgemäß, je nach Drehmomentanforderung, die an den hydrostatischen Antrieb gestellt wird, entweder alleine durch den durchflussgesteuerten elektroproportional verstellbaren Hydraulikmotor an die gemeinsame Abtriebswelle des hydrostatischen Antriebs abgegeben werden oder in Zusammenarbeit mit einem weiteren oder mehreren druckgesteuert verstellbaren Hydraulikmotor(en). Dabei entscheidet ein – bevorzugt einstellbarer – Betätigungsdruck eines druckproportionalen Steuerventils, ob ein weiterer druckgesteuerter Hydraulikmotor am Antrieb des hydrostatischen Antriebs aktiv mitwirken soll.
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Der Betätigungsdruck entspricht dabei einem Schwellen- oder Grenzdruck auf der Hochdruckseite des hydrostatischen Antriebs. Dieser Grenzdruck entspricht in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung dabei dem Druck, ab dem der Antriebsmotor des hydrostatischen Antriebs durch die äußere Last mehr als zulässig gedrückt werden würde, was im Extremfall zu einem Abwürgen oder gar zu einer Beschädigung des Antriebsmotors führen könnte. Die erfindungsgemäße Hydraulikmotorensteuerung greift hierbei allerdings lediglich sekundärseitig in die Verstellung der hydraulischen Übersetzung ein und geht zur Vereinfachung der Erfindungsbeschreibung von einer primärseitigen konstanten Leistungsversorgung durch den Antriebsmotor aus. Der einschlägige Fachmann ist sich jedoch bewusst, dass eine Zu- oder Abnahme der Drehmomentanforderung auch primärseitig durch Verstellen der Hydraulikpumpenleistung oder Antriebsmotorleistung begegnet werden kann. Oftmals soll jedoch ein optimaler Betrieb der primärseitigen Aggregate soweit möglich beibehalten werden und nur sekundärseitig auf den Abtrieb des hydrostatischen Antriebs Einfluss genommen werden, was Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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Mit der Festlegung eines Grenzdrucks für die Betätigung des druckproportionalen Steuerventils wird gewährleistet, dass der zweite (druckgesteuerte) Hydraulikmotor erst dann ausschwenkt und am Antrieb des hydrostatischen Antriebs aktiv beteiligt ist, wenn eine Drehmomentanforderung an der gemeinsamen Abtriebswelle derart zunimmt, dass der dadurch ansteigende Hochdruck beispielsweise den Antriebsmotor des hydrostatischen Antriebs mehr als zulässig in seiner Drehzahl drücken würde. Durch Vorgabe eines Betätigungsdrucks/Grenzdruckes wird jedoch auch erreicht, dass der druckgesteuerte Hydraulikmotor bei einem Druckniveau in der Hochdruckleitung unterhalb des Grenzdruckes hydraulisch aus dem Antrieb des hydrostatischen Antriebs herausgenommen werden kann, beispielsweise durch (selbsttätiges) Rückschwenken in Richtung auf seine Minimal- oder Nullstellung.
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Übersteigt der Druck in der Hochdruckleitung den vorgegebenen Grenzdruck, so öffnet das Steuerventil des zweiten Hydraulikmotors aufgrund der auf das Steuerventil wirkenden (erhöhten) Druckkraft. Hierzu ist erfindungsgemäß das druckgesteuerte Steuerventil des zweiten Hydraulikmotors bevorzugt mit einer Verbindungsleitung zur Hochdruckleitung des hydrostatischen Antriebs derart verbunden, dass der Hochdruck in der Hochdruckleitung den Steuerventilschieber mit einer das Steuerventil betätigenden Druckkraft beaufschlägt. Weiter bevorzugt kann bei betätigtem Steuerventil, also wenn der Hochdruck einen vorgegebenen Grenzdruck überschreitet, der Druck in der Servoverstelleinrichtung des zweiten Hydraulikmotors so geregelt werden, dass das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors druckproportional zum Druck in der Hochdruckleitung angepasst wird. Weiter bevorzugt erfolgt dies auf nur einer Seite einer zweiseitig mit unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbaren Servoverstelleinheit. Durch diese bedarfsgerechte Regelung des Drucks in der Servoverstelleinheit des zweiten Hydraulikmotors ist eine weitergehende Regelung bzw. Steuerung des zweiten Hydraulikmotors nicht erforderlich, da das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors selbststätig den Betriebsanforderungen des hydrostatischen Antriebs angepasst wird. Eine solche druckproportionale bzw. druckgesteuerte Verstellmöglichkeit eines Hydraulikmotors ist dem Fachmann beispielsweise für hydrostatische Ein-Motoren-Antriebe jedoch geläufig und braucht hier nicht weiter im Detail erläutert werden.
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Überschreitet der Hochdruck den vorgegebenen Grenzdruck so wird erfindungsgemäß jedoch zuerst nur das druckgesteuerte Steuerventil betätigt, womit das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors, druckgesteuert erhöht wird. In der Folge wird erfindungsgemäß auch das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors elektroproportional (nach-)gesteuert und erhöht, bevorzugt durch ein entsprechendes Steuersignal einer Steuerelektronik auf einen Proportionalmagneten des elektroproportionalen Steuerventils des ersten Hydraulikmotors. Damit wird über eine Sekundärregelung eines hydrostatischen Mehr-Motoren-Antriebs erreicht, dass sich eine Druckerhöhung in der Hochdruckleitung des geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislaufs in einem geringeren Maße primärseitig auf die Hydraulikpumpe und den Antriebsmotor überträgt. Der Antriebsmotor des hydrostatischen Antriebs kann so bevorzugt (weiter) an oder nahe seinem optimalen Betriebspunkt gehalten werden. Die sekundärseitige Selbstregulierung des hydrostatischen Antriebs verhindert eine für den Antriebsmotor des hydrostatischen Antriebs große (ggf. unzulässige) Drehzahldrückung aufgrund einer Hochdruckzunahme solange, bis beide Hydraulikmotoren ihr maximales Schluckvolumen erreicht haben. Erst dann wird sich eine weiterhin über Grenzdruckniveau befindlicher Hochdruck primärseitig auf die Drehzahl des Antriebsmotor des hydrostatischen Antrieb auswirken. Die erfindungsgemäße durchflussgesteuerte und elektroproportional regulierte Nachführung des ersten Hydraulikmotors an die Schluckvolumenzunahme des zweiten druckgesteuerten Hydraulikmotors ermöglicht, ohne Eingreifen in das primärseitige Leistungsniveau des hydrostatischen Antriebs eine selbsttägige Anpassung des Drehmoments des hydrostatischen Antriebs an die Betriebssituation, in der er sich befindet. Hierbei wird mit minimalem Steueraufwand eine optimale Drehmoment- bzw. Drehzahlabgabe an der gemeinsamen Abtriebswelle des hydrostatischen Antriebs erreicht.
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In einer Weiterbildung der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung kann der Betätigungsdruck für das druckgesteuerte Steuerventil sowohl statisch bei Inbetriebnahme des hydrostatischen Antriebs, beispielsweise durch eine Einstellschraube für die Federspannung der Ventilfeder des druckgesteuerten Steuerventils, als auch dynamisch, während des Betriebs einstellbar sein. Dies kann beispielsweise durch einen von der Steuerelektronik des hydrostatischen Antriebs angesteuerten Proportionalmagneten erfolgen, dessen Kraft beispielsweise der Ventilfeder des druckgesteuerten Steuerventils entgegenwirkt. Je geringer die Gegenkraft des Proportionalmagneten, desto höher kann der Grenzdruck hochdruckseitig im hydrostatischen Antrieb sein, bevor der zweite Hydraulikmotor druckgesteuert an der Drehmomentbereitstellung mitwirkt. Der Betätigungsdruck, welcher in der Verbindungsleitung zwischen dem druckgesteuerten Steuerventil und der Hochdruckleitung herrscht und ab dessen Überschreiten der Steuerventilschieber bewegt wird, kann so beispielsweise spezifisch und dynamisch an die Einsatz- und Betriebsbedingungen des hydrostatischen Antriebs angepasst werden. So ist weiter vorzugsweise der Betätigungsdruck auch während des Betriebs eines hydrostatischen Antriebs anpassbar bzw. einstellbar und ist an den Betriebszustand oder die äußeren Bedingungen, in der sich der hydrostatische Antrieb bzw. die Arbeitsmaschine befindet, anpassbar. Beispielsweise kann so der vorgebbare Grenzdruck in Abhängigkeit der Drehzahl, bei dem der Steuerventilschieber für die Druckregelung in der Servoverstelleinrichtung bewegt wird, dynamisch angepasst werden. Dabei umfasst ein solches Anpassen erfindungsgemäß auch ein Betriebsbereit-Schalten eines druckgesteuerten Steuerventils, um beispielsweise zu verhindern, dass der druckgesteuerte Hydraulikmotor bei Drehzahlen aktiviert wird, die höher sind als seine maximal zulässige Grenzdrehzahl.
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Bei hydrostatischen Antrieben mit einer Vielzahl von druckgesteuerten Hydraulikmotoren können durch Bestromung dieser beispielsweise an den jeweiligen druckgesteuerten Steuerventilen angeordneten Proportionalmagnete, die zugehörigen Hydraulikmotoren über das zugeordnete druckgesteuerte Steuerventil einsatzbedingt einzeln aktiviert werden, bzw. durch Abschalten der Bestromung bei Bedarf wieder deaktiviert werden. Der einschlägige Fachmann erkennt hierbei, dass es für die Aktivierung und Deaktivierung eines erfindungsgemäß angeordneten druckgesteuerten Hydraulikmotors in einem hydrostatischen Antrieb weitere fachüblich äquivalente elektronische, hydraulische und/oder mechanische Möglichkeiten gibt, die daher vom Erfindungsgedanken mit umfasst sind. Auf eine detaillierte Beschreibung dieser Möglichkeiten kann daher an dieser Stelle verzichtet werden. Erfindungsgemäß verbleibt jedoch der erste, elektroproportional verstellbare Hydraulikmotor sowohl hydraulisch als auch mechanisch permanent im Antriebsstrang und gibt im Betrieb des hydrostatischen Antriebs seine mechanische Leistung dementsprechend permanent an die gemeinsame Abtriebswelle ab, vorausgesetzt, die Hydraulikpumpe wird vom Antriebsmotor angetrieben und ist auf ein Fördervolumen größer null ausgeschwenkt.
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Während des Betriebs eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebs wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel das Fördervolumen der Hydraulikpumpe von einer Steuerelektronik immer derart eingestellt, dass der die Hydraulikpumpe antreibende Antriebsmotor an oder kurz unterhalb seines optimalen Betriebspunktes, bzw. an oder unterhalb seiner Nenndrehzahl betrieben wird. Bevorzugt wird der Antriebsmotor im Bereich von ca. 5% bis ca. 15% unterhalb seiner Nenndrehzahl (gedrückt) betrieben, damit Schwankungen in der Drehzahl aufgrund von Lastschwankungen, beispielsweise Überfahren eines Hindernisses, z. B. eines Baumstammes, o. ä., einen möglichst geringen Einfluss auf die Leistungsbereitstellung des Antriebsmotors haben. Die Steuerung des Förderstroms der Hydraulikpumpe wird erfindungsgemäß bevorzugt durch die gleiche Steuerelektronik gesteuert, die auch das elektrische Steuersignal für die elektroproportionale Verstellung des ersten Hydraulikmotors vorgibt. Dazu kann in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel beispielsweise an der Antriebswelle der Hydraulikpumpe ein Drehzahlsensor vorgesehen sein, der zusammen mit einem an der Hydraulikpumpe angeordneten Schwenkwinkelsensor ein Steuersignal für die Einstellung des Fördervolumens der Hydraulikpumpe vorgibt.
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Wie oben bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb in beide Drehrichtungen betrieben werden, wofür fachübliche Hochdruck-Umschaltventile motorseitig im hydrostatischen Antrieb vorzusehen sind. Diese gewährleisten, dass bei Umkehr der Förderrichtung der Hydraulikpumpe, bei der die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite wechselt, sowohl an die elektroproportional steuerbare Servoverstelleinheit als auch an die drucksteuerbare Servoverstelleinheit Hydraulikflüssigkeit mit Hochdruck zugeführt wird, damit das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben beschrieben, ausführbar ist.
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Anhand der folgenden Figuren werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen lastabhängigen und druckgesteuerten Schluckvolumenregelung mehrerer Hydraulikmotoren näher erläutert, ohne dabei den Schutzbereich der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele einzuschränken. Hierbei wird anhand von zwei Hydraulikmotoren die erfindungsgemäße Schluckvolumenregelung von Hydraulikmotoren bei Änderungen der äußeren Last auf die Hydraulikmotoren im Detail beispielhaft für die dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Der einschlägige Fachmann erkennt jedoch, dass die erfindungsgemäße Regelung auf eine Vielzahl von Hydraulikmotoren, die parallel zueinander in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet sind, erweiterbar ist. Dabei ist erfindungsgemäß einer der Hydraulikmotoren ein in seinem Durchflussvolumen elektroproportional regelbarer Hydraulikmotor, der über ein elektrisches Steuersignal einer Steuereinheit bzw. einer Steuerelektronik in seinem Schluckvolumen einstellbar ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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1 zeigt einen hydrostatischen Antriebsstrang 1, der von einem Antriebsmotor 2, beispielsweise von einem Verbrennungsmotor, angetrieben wird. Der Antriebsmotor 2 treibt eine Hydraulikpumpe 3 in einem geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislauf an. Über eine Hydraulikleitung 7, welche in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft eine Hochdruckleitung 7 darstellt, wird ein erster in seinem Schluckvolumen elektroproportional verstellbarer, durchflussregulierter Hydraulikmotor 5 mit hydraulischer Leistung versorgt. Über eine Niederdruck-führende Hydraulikleitung 8 wird vom ersten Hydraulikmotor 5 entspannte Hydraulikflüssigkeit zur Hydraulikpumpe 3 zurückgeführt. Parallel zum ersten Hydraulikmotor 5 ist ein zweiter in seinem Schluckvolumen druckgesteuert verstellbarer Hydraulikmotor 6 in den geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislauf eingebunden, derart, dass die beiden Hydraulikmotoren 5, 6 über dieselbe Hydraulikpumpe 3 antreibbar sind und mit ihren jeweiligen Abtriebswellen 45, 46 auf eine gemeinsame Abtriebswelle 4 wirken, beispielsweise in einem Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine (nicht dargestellt). Sowohl der erste Hydraulikmotor 5 als auch der zweite Hydraulikmotor 6 werden über eine Hydraulikleitung 7 von der Hydraulikpumpe 3 mit Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck versorgt und führen über eine Hydraulikleitung 8 von ihnen entspannte Hydraulikflüssigkeit der Hydraulikpumpe 3 wieder zu.
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Der erste Hydraulikmotor 5 ist über ein elektroproportionales Steuerventil 10 in seinem Schluckvolumen und somit in seiner Drehmomentabgabe und Drehzahl einstellbar. Ein bevorzugt als Proportionalmagnet ausgebildeter Aktuator 11 kann einen Steuerventilschieber 13 proportional zu einem Steuersignal einer Steuerelektronik 50 verschieben, derart, dass ein Servodruck, der auf die größere Fläche eines beidseitig mit Hydraulikdruck beaufschlagbaren Servokolbens 16 wirkt, in seiner Höhe einstellbar ist. Über die Höhe des Servodrucks bestimmt sich das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors 5. Somit kann das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors 5 proportional zur Höhe des elektrischen Signals auf den Aktuator 11, d. h. proportional zu dessen Bestromung, eingestellt werden. Weiter bevorzugt ist der erste Hydraulikmotor 5 ein Hydraulikmotor, der in beide Drehrichtungen betrieben werden kann.
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Der zweite in 1 dargestellte Hydraulikmotor 6 ist bevorzugt ebenfalls in beide Drehrichtungen betreibbar und ist erfindungsgemäß in seinem Schluckvolumen druckgesteuert einstellbar.
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Zur druckgesteuerten Verstellung des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors 6 ist einer Servoverstelleinrichtung 24 des Hydraulikmotors 6 ein druckproportionales Steuerventil 20 vorgeschaltet. Mittels eines Verstellelements 25, kann die Servoverstelleinrichtung 24 das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors 6 einstellen. Über eine wechselseitig mit der jeweils Hochdruck-führenden Arbeitsleitung 7 verbindbare Verbindungsleitung 9 und Zuleitungen 28 und 29 kann unter Hochdruck stehende Hydraulikflüssigkeit auf beide Seiten eines Servokolbens 26 der Servoverstelleinheit 24 zugeführt werden, wobei die Zuleitung 29 Hydraulikflüssigkeit auf die größere der beiden Servokolbenseiten leitet. Auf der der Steuerventilfeder 22 gegenüberliegenden Seite eines Steuerventilschiebers 23 ist dieser durch einen vom Hochdruck abhängigen Steuerdruck beaufschlagbar, der in einer von der Verbindungsleitung 9 abzweigenden Steuerdruckleitung 21 herrscht. Übersteigt der Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 21 einen vorgegebenen Wert, so kann die dadurch bewirkte Druckkraft den Steuerventilschieber 23 gegen die Kraft der Steuerventilfeder 22 verschieben. Da der Steuerdruck vom Druck in der Hochdruckleitung 7 des hydrostatischen Antriebs 1 abhängig ist, kann über die Steuerventilfeder 22 derjenige Grenzdruck in der Hochdruckleitung 7 vorgegeben werden, beim dem das Steuerventil 20 betätigt werden soll. Ist die Federkraft der Steuerventilfeder 22, wie in 1 beispielhaft dargestellt, einstellbar, so ist auch der Grenzdruck für das Betätigen des Steuerventils 20 einstellbar.
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Das druckgesteuerte Steuerventil 20 ist in der Zuleitung 29 angeordnet, wobei das Steuerventil 20 in einer nicht-betätigten Ausgangsstellung eine Fluidverbindung von der Verbindungsleitung 9 über die Zuleitung 29 zur Servoverstelleinheit 24 ermöglicht. Das Steuerventil 20 verschließt, wenn der Hochdruck in der Hochdruckleitung 7 den vorgegebenen Grenzdruck überschreitet, die Zuleitung 29 für Hydraulikflüssigkeit unter Hochdruck an die Servoverstelleinheit 24. Gleichzeitig öffnet das Steuerventil 20 in dieser betätigten, geschalteten Stellung eine Ableitung zu einem Tank 100 und ermöglicht ein Abfließen von Hydraulikflüssigkeit aus der Servoverstelleinheit 24. Dadurch sinkt der Druck im Servozylinder auf der Seite, die beispielsweise der größeren Servokolbenseite zugewandt ist. Der Hochdruck in der Zuleitung 28, der auf die kleinere Servokolbenseite wirkt, kann dann den Servokolben 26 in der Servoverstelleinheit 24 verschieben, wodurch das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors 6 in Richtung größeres Schluckvolumen verstellt wird.
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In der in 1 dargestellten Ausgangsstellung des Steuerventils 20 ist die Zuleitung 29 zur Servoverstelleinheit 24 vollständig geöffnet. Der Druck im Servozylinder der Servoverstelleinheit 24 ist daher auf beiden Seiten des Servokolbens 26 gleich hoch. Der Servokolben 26 in der 1 ist nach rechts verschoben, da die Kreisringfläche auf der Seite des Servokolbens 26, an dem das Verstellelement 25 angeordnet ist, kleiner ist als die gegenüberliegende Vollkreisfläche. Der zweite Hydraulikmotor 6 befindet sich in der Stellung, in der er kein oder nahezu kein Schluckvolumen aufweist und wird über ein Getriebe 70 und seine Antriebswelle 46 durch den ersten Hydraulikmotor ”leer” mitgedreht.
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Übersteigt der Druck in der Drucksteuerleitung 21 den vorbestimmten Wert für den Grenzdruck, so ist die Druckkraft auf den Steuerventilschieber 23 größer als die Federkraft der Steuerventilfeder 22 und der Steuerventilschieber 23 wird in der Zeichenebene nach rechts verschoben. Dadurch wirkt auf die größere Seite des Servokolbens 26 ein geringerer Druck, weil dieser zu einem Bereich mit geringerem Druck, beispielsweise zu einem Tank hin, entspannt werden kann. Dies bewirkt eine Verschiebung des Servokolbens 26 in der Zeichenebene nach links, wodurch über das Verstellelement 25 die Auslenkung des Hydraulikmotors 6 erhöht wird.
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Aus 1 ist weiter ersichtlich, dass bei einem erneuten Abfallen des Druckes unter den vordefinierten Grenzdruck in der Hochdruckleitung 7 die Steuerventilfeder 22 den Steuerventilschieber 23 wieder in Richtung seiner nicht-betätigten Ausgangslage zurückschiebt und den Öffnungsquerschnitt für die Ableitung von aus der Servoverstelleinrichtung verdrängter Hydraulikflüssigkeit zum Tank 100 reduziert bzw. verschließt, wenn der Druck in der Hochdruckleitung unter den vorgegebenen Grenzdruck abgesunken ist. So kann erneut Druckausgeglichenheit auf beiden Servokolbenseiten des Servokolbens 26 hergestellt werden, wodurch die unterschiedlich großen Servokolbenflächen den Servokolben 26 wieder in Richtung seiner Ausgangsstellung verbringen und das Verstellelement 25 den Hydraulikmotor 6 in Richtung seiner Nullstellung zurückschwenkt.
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In der Praxis wird man jedoch den Grenzdruck, d. h. die Federkraft der Steuerventilfeder 22 so wählen, dass der Steuerventilschieber 23 zwischen der maximalen Offenstellung für eine Ableitung zum Tank und der nicht-betätigten Ausgangsstellung hin- und her verschoben werden kann und so eine lastabhängige Drehmomenterzeugung des zweiten Hydraulikmotors 6 erreicht wird. Folglich kann zum Antrieb der gemeinsamen Abtriebswelle 4 der zweite Hydraulikmotor 6 lastabhängig und druckgesteuert so eingestellt werden, dass dieser bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Druckniveaus in der Hochdruckleitung 7 ein ansteigendes Hubvolumen zeigt und so aktiv am Antrieb des hydrostatischen Antriebs 1 mitwirkt. Dabei erhöht sich das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors 6 solange, bis der Druck in der Hochdruckleitung unter den Grenzdruck gefallen ist und das Steuerventil 20 die Ableitung zum Tank 100 (wieder) verringert oder gar verschließt. Damit kann der Druck auf der größeren Seite des Servokolbens 26 wieder ansteigen und der zweite Hydraulikmotor 6 wird in Richtung kleineres Schluckvolumen verstellt.
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Geht man von einer anfänglichen Betriebssituation aus, in der nur der erste Hydraulikmotor 5 Leistung an die gemeinsame Abtriebswelle 4 abgibt und der zweite Hydraulikmotor 6 in seiner Nullstellung ist, so bleibt dieser Betriebszustand solange erhalten, bis der Druck in Hochdruckleitung 7 einen vorgebaren Schwellendruck/Grenzdruck nicht überschreitet. Bei einem Fahrantrieb tritt ein solcher Betriebszustand beispielsweise bei einer Fahrt in der Ebene mit konstanter Geschwindigkeit auf. Nimmt die äußere Last auf den hydrostatischen Antrieb 1 zu, weil beispielsweise der Fahrantrieb in eine Bergauffahrt übergeht, so steigt der Druck in der den Hochdruckleitung/-en 7 und somit auch in der Verbindungsleitung 9 und in der Drucksteuerleitung 21 vor dem Steuerventil 20. Bei Überschreiten der durch die Steuerventilfeder 22 vorgegebenen Betätigungskraft durch die Druckkraft aus der Drucksteuerleitung 21 auf den Steuerventilschieber 23 wird, wie oben bereits im Detail erläutert, das Schluckvolumen des zweiten Hydraulikmotors 6 vergrößert, so dass dieser zum Überwinden der äußeren Last ein höheres Drehmoment beiträgt. Proportional zur Zunahme seines Hubvolumens nimmt die Drehzahl des Hydraulikmotors 6 ab, was sich durch die mechanische Verbindung der beiden Hydraulikmotoren, beispielsweise über ein Getriebe 60, auch auf den ersten Hydraulikmotor 5 überträgt, der dadurch in seiner Drehzahl ebenfalls abnimmt. Gleichzeitig mit der Schluckvolumenzunahme am zweiten Hydraulikmotor 6 nimmt der Durchflussvolumenstrom durch den ersten Hydraulikmotor 5 ab, weil primärseitig über die Hydraulikpumpe 3 eine möglichst konstante hydraulische Leistung bereitgestellt werden soll.
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Über einen Drehzahlsensor 19 erkennt eine Steuerelektronik 50 die Drehzahl- sowie die Durchflussvolumenstromabnahme am Hydraulikmotor 5 und kommandiert, als Reaktion hierauf, den ersten Hydraulikmotor 5 mittels eines neu berechneten Steuersignals ebenfalls auf einen größeren Ausschwenkwinkel, um einen vorgegebenen Durchflussvolumenstrom-Sollwert wieder zu erreichen. Das Hubvolumen des ersten Hydraulikmotors 5 nimmt zu. Aufgrund dessen, dass beide Schluckvolumina der Hydraulikmotoren 5 und 6 zunehmen, sinkt der Druck in den Hochdruckleitungen 7, was wiederum eine Abnahme der Ausschwenkung, d. h. des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors 6 zur Folge hat. Der Grund hierfür ist, dass die Weiterleitung von Druckfluid aus der Verbindungsleitung 9 über das Steuerventil 20 in die Zuleitung 29 weniger stark unterbunden wird und so der Druck auf der zweiten, größeren Servokolbenseite in der Servoverstelleinheit 24 wieder ansteigen kann und eine Rückschwenkung des zweiten Hydraulikmotors erfolgt. Verbleibt der Druck in Hochdruckleitung 7 jedoch trotz der Rücknahme des Schluckvolumens des zweiten Hydraulikmotors 6 unterhalb des Grenzdrucks, so kann die Rückschwenkung solange erfolgen, bis in der Hochdruckleitung wieder Grenzdruck erreicht ist oder das (minimale) Null-Schluckvolumen für den zweiten Hydraulikmotor 6 erreicht ist. In der Praxis wird daher das Steuerventil 20 lastabhängig betätigt und entlastet, da der Grenzdruck bevorzugt so gewählt ist, dass eine Erhöhung der äußeren Last auf den hydrostatischen Antrieb eine möglichst geringe Auswirkung auf die Drehzahl des Antriebsmotors 2 hat, über den der hydrostatische Antrieb 1 mit Leistung versorgt wird.
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Aus den obigen Schilderungen anhand des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erkennt der Fachmann, dass der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb 1 innerhalb einer durch den Antriebsmotor 2 vorgegebenen Leistung selbstregulierend ist und zwar ohne die Notwendigkeit eines weiteren elektrischen Signals für den zweiten oder weitere Hydraulikmotoren 6. Erfindungsgemäß wird erreicht, dass die Schluckvolumina zweier oder mehrerer Hydraulikmotoren eines hydrostatischen Antriebs sich den Lastverhältnissen selbsttätig anpassen. Die Hydraulikmotoren treiben synchronisiert über ihr jeweiliges Durchflussvolumen eine gemeinsame Antriebswelle 4 an und stellen dort bedarfsgerecht die vom Antriebsmotor 2 über die Hydraulikpumpe 3 zur Verfügung gestellte hydraulische Leistung im jeweils benötigten Drehmoment- und Drehzahlverhältnis bereit, und das ohne, dass dabei einer der beiden Hydraulikmotoren oder der Antriebsmotor überlastet wird. Somit kann in einfacher Art und Weise mit nur einer elektrischen Steuerung zur direkten elektroproportionalen Leistungseinstellung eines Hydraulikmotors in einem hydrostatischen Antrieb die Vorteile von hydrostatischen Mehrmotoren-Antrieben ausgenutzt werden. Hierbei muss die elektrische Steuerung bzw. die Steuerelektronik nicht erweitert werden. Insbesondere können so bereits bestehende hydrostatische Antriebe in einfacher Art und Weise um-, nach- bzw. aufgerüstet werden.
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Erfindungsgemäß wird bei Erreichen eines bestimmten Systemdrucks, bei dem der erste Hydraulikmotor 5 zur Bereitstellung einer mechanischen Leistung nicht mehr ausreichend ist, der zweite Hydraulikmotor 6 selbsttätig druckgesteuert aktiviert und in den Antriebsstrang eingebunden. Dabei wird der erste Hydraulikmotor 5 erfindungsgemäß von der Steuerelektronik 50 in seiner Ausschwenkung nachgeführt, ohne dass ein Maschinenbediener steuernd eingreifen muss. Dies ist für beide Drehrichtungen der gemeinsamen Abtriebswelle 4 möglich und kann bevorzugt über eine Umkehr der Förderrichtung der Hydraulikpumpe 3, bei der die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite vertauscht wird, erfolgen, wobei für die Fahrrichtungsumkehr selbsttätig schaltende oder gesteuert schaltbare Umschaltventile sowohl für den ersten Hydraulikmotor 5 als auch für den Hydraulikmotor 6 vorgesehen sind, die gewährleisten, dass die beiden Servoverstelleinheiten 14 und 24 der Hydraulikmotoren mit unter Hochdruck stehender Hydraulikflüssigkeit versorgt werden. Beispielhaft ist in der 1 für den ersten Hydraulikmotor ein Doppelrückschlagventil 40 angegeben, das selbststätig zur jeweiligen Hochdruckseite öffnet. Für den zweiten Hydraulikmotor 6 ist beispielhaft ein elektrisch betätigbares Umschaltventil 30 vorgesehen, das über einen Umschaltventilaktuator 31 betätigbar ist, beispielsweise ebenfalls gesteuert über die Steuerelektronik 50.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuerung zweier Hydraulikmotoren dargestellt, die parallel in einem geschlossenen Hydraulikflüssigkeitskreislauf angeordnet sind. Dabei wurden für Elemente, die Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, dieselben Bezugszeichen verwendet. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in 1 dadurch, dass am druckgesteuerten Steuerventil 20 auf der druckbeaufschlagbaren Seite des Steuerventilschiebers 23 ein zusätzlicher, beispielsweise elektrischer Aktuator 27 vorgesehen ist. Dieser unterstützt die Druckkraft aus der Drucksteuerleitung 21 auf den Steuerventilschieber 23 gegen die Kraft der Steuerventilfeder 22.
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Das Steuerventil 20 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist so ausgebildet, dass die Druckkraft, die auf den Steuerventilschieber 23 wirkt, alleine nicht ausreicht, um diesen bewegen zu können. Mit der Höhe der Bestromung des Aktuators 27, also mit der Höhe der Kraft, die die Druckkraft auf den Steuerventilschieber 23 unterstützt, kann die Höhe des Grenzdrucks in der Hochleitung 7 einstellbar vorgegeben werden. Bei Erreichen dieses Grenzdrucks soll der zweite Hydraulikmotor 6 aktiv am Antrieb des hydrostatischen Antriebs 1 mitwirken. D. h. mit anderen Worten auch, dass mit Aktivierung des Aktuators 27 das Steuerventil 20 betriebsbereit geschaltet werden kann und umgekehrt. So kann beispielsweise eine Grenzdrehzahl vorgegeben werden, bei deren Überschreiten zum Schutz des zweiten Hydraulikmotors 6 das Steuerventil 20 inaktiv geschaltet wird, indem man dessen Bestromung abgeschaltet. Ist die Kraft des Aktuators 27 einstellbar bzw. steuerbar, kann dies zudem dynamisch erfolgen, je nach Betriebssituation, in der sich der hydrostatische Antrieb 1 befindet. Der Fachmann erkennt dabei, dass der Aktuator 27 bevorzugt über die Steuerelektronik 50 ansteuerbar bzw. mit einem Steuerstrom entsprechend beaufschlagbar ist. Jedoch erkennt der Fachmann auch, dass der Aktuator 27 genauso mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder anderweitig elektrisch ansteuer- bzw. betätigbar ist.
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Darüber hinaus unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß 2 von dem der 1, durch eine Kupplung 60, die in der Abtriebswelle 46 des zweiten Hydraulikmotors 6 angeordnet ist. Die Kupplung 60 ist dafür vorgesehen den zweiten Hydraulikmotor 6 auch mechanisch vom Antrieb des hydrostatischen Antriebs 1 trennen zu können, falls dieser hydraulisch nicht am Antrieb beteiligt ist. Ist der Hydraulikmotor 6 in seiner Ausgangsstellung, d. h. fließt kein Hydraulikflüssigkeitsvolumenstrom durch den Hydraulikmotor 6, so erzeugt der Hydraulikmotor 6 kein Drehmoment und wird über ein Getriebe 70, das die beiden Abtriebswellen 45 und 46 der beiden Hydraulikmotoren 5 und 6 miteinander verbindet, „leer” mitgedreht. Dieses Mitdrehen erzeugt Reibungs- und Planschverluste und erhöht zudem die Trägheit des hydrostatischen Antriebs 1, insbesondere bei Drehzahlveränderungen. Diese negativen Einflüsse können vermieden werden, wenn der zweite Hydraulikmotor 6 auch mechanisch aus dem Antrieb herausgenommen werden kann. Vorrausetzung hierfür ist jedoch, dass sein Hubvolumen null ist, da er sonst lastfrei und nahezu widerstandslos vom Hochdruck angetrieben wird, was zu einem unkontrollierten Hochdrehen führt und ein Überdrehen des Hydraulikmotors zur Folge haben könnte. Eine solche Kupplung 60, beispielsweise eine Lamellenkupplung, kann auch für das Ausführungsbeispiel der 1 vorgesehen werden, jedoch ist dann eine Sicherheitsvorkehrung empfehlenswert, die verhindert, dass das Steuerventil 20 aktiviert wird, wenn die Kupplung 60 geöffnet ist. Im Ausführungsbeispiel der 2 kann dies, wie oben geschildert, dadurch erfolgen, dass der Aktuator 27 stromlos geschaltet wird, wodurch gewährleistet wird, dass die Servoverstellung 24 im Zusammenspiel mit dem Steuerventil 20 und insbesondere der Steuerventilfeder 22 den zweiten Hydraulikmotor 6 in seine Nullstellung verbringt.
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Desweiteren sind im Ausführungsbeispiel der 2 beispielhaft Schwenkwinkelsensoren 18 am ersten, elektroproportional verstellbaren Hydraulikmotor 5 vorgesehen, die für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch nicht zwingend notwendig sind. Mit diesen Schwenkwinkelsensoren 18 können die eingestellten Verfahrensparameter an den jeweiligen Hydraulikmaschinen überprüft werden und ggf. Korrekturen an der Einstellung der Schwenkwinkel der Hydraulikmaschinen vorgenommen werden. Für den zweiten, druckgesteuerten Hydraulikmotor 6 erübrigt sich ein derartiger Schwenkwinkelsensor 18 für seine Steuerung, da dieser lastfühlig, nach Überscheiten eines Grenzdrucks in der Hochdruckleitung 7 in seinem Schluckvolumen bedarfsgerecht ein- bzw. verstellt wird. Jedoch kann für die Kontrolle seiner Drehzahl beispielsweise ein Drehzahlsensor 19 an seiner Abtriebswelle 46 vorgesehen sein.
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Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Steuerung zweier oder mehrerer Hydraulikmotoren, die parallel zueinander in einem geschlossenen Hydraulikkreislauf angeordnet sind, ein einfacher zuverlässiger und robuster Regelkreis verwirklicht, der mit einer minimalen Anzahl an elektrischen Steuersignalen lastabhängig, selbsttätig eine Drehmoment- und Drehzahleinstellung an den zur Verfügung stehenden Hydraulikmotoren vornimmt, wobei ein hochdruckseitig vorgebbarer Grenzdruck bestimmt, ob ein oder mehrere Hydraulikmotoren aktiv am Antrieb eines hydrostatischen Antriebs beteiligt sind und wie hoch deren Anteil am angeforderten Drehmoment ist. Die erfindungsgemäße selbsttätige (automotive) Steuerungsvorrichtung für zwei oder mehrere Hydraulikmotoren ist zudem robust, da sie mit einer minimalen Anzahl elektronischer Bauteile auskommt. Zudem kann die Erfindung in bereits existierende hydrostatische Antriebe in einfacher Art und Weise Einsatz finden, da eine bereits existierende Steuerelektronik weiterhin verwendet werden kann, ohne dass eine solche erweitert werden muss. Ein hinzugefügter druckgesteuerter Hydraulikmotor kann so einfach und ohne aufwendige Maßnahmen in einen bereits existierenden Antrieb eingebunden werden. So kann erfindungsgemäß ein hydrostatischer Mehr-Motoren-Antrieb mit nur einem elektrisch-proportionalen Steuerventil bedarfsgerecht elektroproportional reguliert und gesteuert werden, wobei zumindest ein zweiter Hydraulikmotor druckgesteuert und lastabhängig aktivierbar ist und dieser veranlasst, dass der elektroproportionale Hydraulikmotor durchflussgesteuert nachgeregelt wird. Dabei wird der elektrisch proportional einstellbare Hydraulikmotor selbsttätig in seinem Schluckvolumen von der Steuerelektronik nachgeführt, ohne dass es hierfür einer Erweiterung der Durchfluss-Steuerelektronik für den ersten Hydraulikmotor bedarf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hydrostatischer Antrieb
- 2
- Antriebsmotor
- 3
- Hydraulikpumpe
- 4
- gemeinsame Abtriebswelle
- 5
- erster Hydraulikmotor (elektroproportional gesteuert)
- 6
- zweiter Hydraulikmotor (druckgesteuert)
- 7
- erste Hydraulikleitung (Hochdruckleitung)
- 8
- zweite Hydraulikleitung (Niederdruckleitung)
- 9
- Verbindungsleitung
- 10
- elektroproportionales Steuerventil
- 11
- Aktuator (Elektromagnet)
- 12
- Steuerventilfeder
- 13
- Steuerventilschieber
- 14
- erste Servoverstellung
- 15
- Verstellelement
- 16
- Servokolben
- 17
- Rückstellfeder
- 18
- Schenkwinkelsensor
- 19
- Drehzahlsensor
- 20
- druckproportionales Steuerventil
- 21
- Druckleitung
- 22
- Steuerventilfeder
- 23
- Steuerventilschieber
- 24
- zweite Servoverstellung
- 25
- Verstellelement
- 26
- Servokolben
- 27
- Aktuator
- 28
- Zuleitung
- 29
- Zuleitung
- 30
- Umschaltventil
- 31
- Umschaltventilaktuator
- 32
- Umschaltventilfeder
- 33
- Umschaltventilschieber
- 40
- Doppelrückschlagventil
- 45
- Abtriebswelle
- 46
- Abtriebswelle
- 50
- Steuerelektronik
- 51
- Steuersignalleitung
- 60
- Kupplung
- 70
- Getriebe
- 100
- Tank
