DE102018101924A1

DE102018101924A1 - Arbeitsmaschine mit Hydraulik zur Energierekuperation

Info

Publication number: DE102018101924A1
Application number: DE102018101924.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard MEITINGER; Manuel WIRTHENSOHN
Original assignee: Liebherr Hydraulikbagger GmbH
Current assignee: Liebherr Hydraulikbagger GmbH
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2019-08-01
Also published as: ES2845206T3; CN110094377B; US10927867B2; RU2019102201A; EP3517790B1; EP3517790A1; CN110094377A; RU2019102201A3; US20190234049A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit wenigstens einem hydraulischen Aktor zur Betätigung eines Arbeitsgerätes und einer durch ein Antriebsaggregat der Arbeitsmaschine angetriebenen ersten Verdrängereinheit, die den hydraulischen Aktor aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist, wobei wenigstens eine durch das Antriebsaggregat angetriebene zweite Verdrängereinheit vorgesehen ist, die im Arbeitsbetrieb den hydraulischen Aktor und/oder weitere hydraulische Verbraucher aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist und die während eines Rekuperationsbetriebs durch das von dem wenigstens einen hydraulischen Aktor oder einem hydraulischen Verbraucher verdrängte Hydraulikvolumen antreibbar ist, um kinetische Energie an das Antriebsaggregat zurückzuspeisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit wenigstens einem hydraulischen Aktor zur Betätigung eines Arbeitsgerätes und einer durch einen Antriebsaggregat der Arbeitsmaschine angetriebenen ersten Verdrängereinheit, die den hydraulischen Aktor aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist.
Ein Beispiel für eine entsprechende Arbeitsmaschine ist ein hydraulischer Bagger, dessen Auslegerarm mittels eines hydraulischen Linearaktors wie einer Kolbenzylindereinheit betätigbar ist. Üblicherweise muss für das Absenken des Auslegers keine hydraulische Energie aufgebracht werden, da sich der Ausleger lastbedingt absenken kann. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, die dabei frei werdende potentielle Energie in das System zurückzuspeisen.
Aus dem Stand der Technik sind bisher diverse Lösungsansätze für die Energierekuperation bekannt. Ein Teil dieser Lösungsansätze setzt auf einen geschlossenen Hydraulikkreis für die Energierekuperation, was jedoch vergleichsweise teuer und komplex ist. Gemäß alternativen Lösungen wird bei einer Senkbewegung ein Verdränger mit dem zurückgespeisten Hydraulikmedium gefördert. Das dadurch erzeugte Drehmoment treibt einen angeschlossenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie an. Die dazu benötigte Elektrik macht auch diese Lösung vergleichsweise aufwändig und teuer, insbesondere da die zurückgewonnene Energie zunächst zwischengespeichert werden muss.
Gesucht wird daher nach einer alternativen Lösung, die vergleichsweise einfach ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Arbeitsmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Arbeitsmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird demzufolge eine gattungsgemäße Arbeitsmaschine um wenigstens eine durch das Antriebsaggregat angetriebene zweite Verdrängereinheit erweitert, die in einem Arbeitsbetrieb den hydraulischen Aktor und/oder weitere separate hydraulische Verbraucher aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist. Während eines Rekuperationsbetriebs wird die zweite Verdrängereinheit durch das von dem wenigstens einen hydraulischen Aktor oder einem weiteren hydraulischen Verbraucher verdrängte Hydraulikvolumen angetrieben. Die hierdurch erzeugte kinetische Energie wird über die Antriebswelle an das Antriebsaggregat zurückgespeist, wodurch das Antriebsaggregat während des Rekuperationsbetriebes entlastet wird.
Die zusätzliche zweite Verdrängereinheit dient demzufolge nicht nur für die Energierückgewinnung, sondern agiert im regulären Arbeitsbetrieb als zusätzliche Arbeitspumpe, die entweder die erste Verdrängereinheit unterstützt oder alternativ separate Verbraucher mit Energie versorgt.
Bezeichnend für die erfindungsgemäße Lösung ist, dass sowohl die erste Verdrängereinheit als auch die zweite Verdrängereinheit Teil eines offenen Hydraulikreislaufes sind, d.h. der hydraulische Aktor wird über einen offenen Hydraulikkreislauf mit Energie versorgt. Dadurch wird die Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung deutlich einfacher im Vergleich zu bestehenden Lösungen des Standes der Technik.
Gemäß vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuerblock vorgesehen, über den die ausgehenden Druckleitungen der ersten als auch der zweiten Verdrängereinheit mit dem hydraulischen Aktor und ggf. mit weiteren Verbrauchern verbindbar sind. Ein entsprechender Steuerblock umfasst zumindest wenigstens einen Steuerschieber für den hydraulischen Aktor bzw. weitere Steuerschieber für zusätzliche optionale Verbraucher. Ein entsprechender Steuerschieber kann vorzugsweise mehrere Schaltzustände vorsehen, bspw. jeweils eine Schaltstellung pro Bewegungsrichtung des Aktors und gegebenenfalls eine Neutralstellung für die Trennung der Druckleitung vom Aktoreingang. Selbiges gilt vorzugsweise für den wenigstens einen weiteren Steuerschieber für optionale Verbraucher.
Gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung ist wenigstens ein erstes Ventil, insbesondere Wegeventil, mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen, das zwischen zweiter Verdrängereinheit und Steuerblock angeordnet ist. Über die wenigstens zwei Schaltstellungen kann die Verbindung zwischen zweiter Verdrängereinheit und Steuerblock freigegeben bzw. unterbrochen werden. Demzufolge ist also eine erste Schaltstellung vorgesehen, die einen Volumenstrom von der zweiten Verdrängereinheit zum Steuerblock freigibt, während eine zweite Schaltstellung einen Volumenstrom zwischen zweiter Verdrängereinheit und Steuerblock unterbricht.
Zusätzlich kann wenigstens ein zweites Ventil, insbesondere Wegeventil, vorgesehen sein, dass eine direkte Verbindung zwischen dem wenigstens einem hydraulischen Aktor und der zweiten Verdrängereinheit schaltet bzw. unterbricht. Insbesondere ist das zweite Wegeventil mit dem Ausgang des hydraulischen Aktors verbunden, an dem beim lastbedingten Absenken für die Energierekuperation ein entsprechender Volumenstrom erzeugbar ist. Bei einer Kolben-Zylindereinheit kann dies bevorzugt der bodenseitige Anschluss sein. Das zweite Wegeventil umfasst idealerweise wenigstens zwei Schaltstellungen, wobei eine erste Schaltstellung einen Volumenstrom vom hydraulischen Aktor zur zweiten Verdrängereinheit schaltet, während die zweite Schaltstellung einen Volumenstrom vom Aktor zur zweiten Verdrängereinheit sperrt.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn wenigstens eine Maschinensteuerung der Arbeitsmaschine vorgesehen ist, die das erste und zweite Wegeventil entsprechend für den Rekuperationsbetrieb bzw. den regulären Arbeitsbetrieb ansteuert. Die entsprechende Ansteuerung kann in Abhängigkeit der Stellung eines für die Aktorbetätigung vorgesehenen Bedienhebels erfolgen. Diese Maschinensteuerung kann als separate Maschinensteuerung ausgestaltet sein, es bietet sich jedoch deren Integration in eine ohnehin vorgesehene Maschinensteuerung an.
Bevorzugt ist es, wenn das erste Wegeventil für den Rekuperationsbetrieb von der Maschinensteuerung in seine Sperrstellung gebracht wird, während das zweite Wegeventil in seine Durchflussstellung geschaltet wird. Insbesondere werden die Ventile entsprechend durch die Maschinensteuerung geschaltet, wenn der Bedienhebel in eine Stellung zum lastbedingten Absenken verbracht wird. In diesem Zustand kann der durch das Absenken des Aktors erzeugte Volumenstrom über das zweite Wegeventil die als Hydraulikmotor arbeitende zweite Verdrängereinheit speisen.
Für den regulären Arbeitsbetrieb, vorzugsweise sobald mittels des Bedienhebels eine der lastbedingten Senkbewegung gegenläufige Bewegung ausgelöst wird, schaltet die Maschinensteuerung das erste Wegeventil in seine Durchflusssteuerung, während das zweite Wegeventil in seiner Sperrstellung verbleibt. Die als Hydraulikpumpe arbeitende zweite Verdrängereinheit saugt in diesem Fall Hydraulikmedium aus dem Tank an und speist den Volumenstrom über das erste Wegeventil in die Druckleitung des Arbeitskreises bzw. in die Druckleitung des Steuerblocks ein. Gleiches kann auch für eine Neutralstellung des Bedienhebels gelten.
Bevorzugt ist der wenigstens eine hydraulische Aktor eine Kolbenzylindereinheit, die vorzugsweise zur Betätigung eines Auslegers der Arbeitsmaschine dient. Beim Absenken des Auslegers schaltet die Arbeitsmaschine demzufolge in den Rekuperationsbetrieb, sodass die abgegebene potenzielle Energie mittels der zweiten Verdrängereinheit in das Gesamtsystem zurückgespeist werden kann. Denkbar ist es jedoch ebenfalls, wenn wenigstens ein hydraulischer Aktor ein rotatorischer Verbraucher ist, bspw. ein hydraulischer Fahrantrieb der Arbeitsmaschine.
Die zweite Verdrängereinheit kann ein verstellbarer Pumpenmotor sein. Denkbar ist auch eine elektrisch geregelte Pumpe mit Rückschlagventil in der Ansaugung. Letztere würde den Einsatz des vorgenannten ersten Wegeventils zwischen Verdrängerpumpe und Steuerblock unnötig machen.
Bei Verwendung des verstellbaren Hydromotors bzw. der elektrisch geregelten Pumpe ist vorgesehen, dass die Maschinensteuerung der Arbeitsmaschine den Schwenkwinkel des verstellbaren Hydromotors bzw. der elektrisch geregelten Pumpe im Rekuperationsbetrieb in Abhängigkeit einer gewünschten Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des hydraulischen Aktors, insbesondere der Kolbenzylindereinheit einstellt, d.h. in Abhängigkeit der gewünschten Senkgeschwindigkeit des Hydraulikaktors, bevorzugt des Auslegerarms. Die gewünschte Senkgeschwindigkeit kann bevorzugt anhand der Ist-Stellung eines Bedienhebels zur Betätigung des Aktors ermittelt werden. Demzufolge ist die Maschinensteuerung mit dem Bedienhebel zur Ermittlung deren Ist-Stellung verbunden. Über den eingestellten Schwenkwinkel lässt sich der maximale, durch den Aktor im Rekuperationsbetrieb hervorgerufene Volumenstrom einstellen.
Ist der hydraulische Aktor ein Rotationsantrieb und erfolgt die Rekuperation im Bremsbetrieb des Rotationsantriebes, so kann der Schwenkwinkel in Abhängigkeit der Geberstellung eines Gebers zur Steuerung des Rotationsantriebs und/oder in Abhängigkeit der sensorisch erfassten Drehzahl des Rotationsantriebes erfolgen.
Idealerweise ist wenigstens ein weiterer hydraulischer Verbraucher während des Rekuperationsbetriebes durch die erste Verdrängereinheit mit hydraulischer Energie versorgbar. Es arbeitet lediglich die zweite Verdrängereinheit im Motorbetrieb, der reguläre Arbeitsbetrieb der ersten Verdrängereinheit bleibt hiervon unberührt.
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem zweiten Wegeventil und der zweiten Verdrängereinheit zusätzlich eine Drossel, insbesondere eine variable Messblende, vorzugsweise in Form eines Proportionalwegeventils mit einer geöffneten und einer sperrenden Endstellung, eingebracht ist. Über den Öffnungsgrad der Drossel kann die ausgelöste Drehzahl der zweiten Verdrängereinheit durch Drosselung des durch den Aktor erzeugten Volumenstroms gesteuert werden. Insbesondere soll hierdurch eine Drehzahlerhöhung des Antriebsaggregates durch die abgegebene kinetische Energie der zweiten Verdrängereinheit reduziert bzw. unterbunden werden.
Ferner ist es möglich, am Ausgang des zweiten Wegeventils wenigstens ein proportional steuerbares Bypassventil anzuordnen, dessen Öffnungsgrad durch die Maschinensteuerung erhöht wird, falls die gewünschte Bewegungsgeschwindigkeit des Aktors im Rekuperationsbetrieb aufgrund der Volumenstrombegrenzung der zweiten Verdrängereinheit nicht erreicht werden kann, d.h. der benötigte Volumenstrom am Ausgang des Aktors würde den maximal möglichen Volumenstrom der zweiten Verdrängereinheit übersteigen. Mit Hilfe des Bypass-Ventils kann der überschüssige Volumenstrom über den Bypass in den Hydrauliktank geleitet werden, so dass ein Erreichen der gewünschten Bewegungsgeschwindigkeit des Aktors sichergestellt ist.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1: ein hydraulisches Schaltbild zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Funktionsweise der Arbeitsmaschine in Form eines Hydraulikbaggers;
2: ein hydraulisches Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3: ein weiteres Hydraulikschaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel,
4: ein weiteres Hydraulikschaltbild für ein drittes Ausführungsbeispiel,
5: ein Hydraulikschaltbild einer Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 4 und
6: ein hydraulisches Schaltbild zur Verdeutlichung einer Abwandlung aller Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5.

Die grundlegende Funktionsweise der vorliegenden Erfindung soll anhand des skizzierten Hydraulikschaltbildes der 1 erläutert werden. Hierbei ist der Steuerblock 90 für die Ansteuerung des hydraulischen Aktors 80 nicht weiter dargestellt, sondern davon unabhängig soll der Kerngedanke der Erfindung anhand des Schaltbildes erläutert werden.
Ersichtlich ist hier ein Linearaktor in Form der Kolbenzylindereinheit 80, der zur Betätigung des Baggerauslegers der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine dient. Der erforderliche Hydraulikdruck wird durch die Hauptpumpe 20 bereitgestellt, die über das zentrale Antriebsaggregat 10 angetrieben wird. Die Pumpe 20 ist als Verstellpumpe ausgeführt. Der Hydraulikkreis ist als offener Hydraulikkreislauf ausgestaltet, da die Hydraulikpumpe 20 das notwendige Hydraulikmedium aus dem Tank ansaugt und über den Steuerblock 90 den Linearaktor 80 mit hydraulischer Energie versorgt. Über den Block 90 kann der Speisedruck wahlweise dem bodenseitigen oder stangenseitigen Anschluss des Aktors zugeführt werden, um die Betätigungsrichtung des Kolbens zu steuern.
Erfindungsgemäß ist eine zweite Verdrängereinheit 30 montiert, die über dieselbe Ausgangswelle des Antriebsaggregats 10 gemeinsam der mit ersten Verdrängereinheit 20 durch das Antriebsaggregat 10 angetrieben wird. Diese zweite Verdrängereinheit ist als verstellbarer Pumpenmotor ausgestaltet, dessen Schwenkwinkel von der zentralen Maschinensteuerung 60 eingestellt wird. Die Verdrängereinheit 30 ist zum einen mit dem Hydrauliktank verbunden und stellt im regulären Arbeitsbetrieb in Abhängigkeit des eingestellten Schwenkwinkels einen entsprechenden Volumenstrom an ihrem Ausgang zur Verfügung. Diese Druckleitung steht über ein erstes Wegeventil 40 mit dem Steuerblock 90 in Verbindung, wobei der Ausgang des Wegeventils 40 mit der Druckausgangsleitung der Hauptpumpe 20 zusammengeführt wird.
Das Wegeventil 40 umfasst zwei Schaltstellungen. In der ersten Schaltstellung ist das Ventil in Richtung des Steuerblockes 90 durchlässig, so dass der Ausgangsdruck des Hydromotors 30 zusammen mit der Druckleitung der Hauptpumpe 20 am Druckeingang des Steuerblockes 90 anliegt. In der zweiten Schaltstellung sperrt das Ventil. Die Schaltstellung des Wegeventils wird durch die Steuerung 60 betätigt.
Darüber hinaus steht die Verdrängereinheit 30 über denselben Anschluss mittels des Wegeventils 50 mit dem Linearaktor 80 in Verbindung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ventileingang mit dem bodenseitigen Anschluss des Linearaktors verbunden, da dort im Rekuperationsbetrieb, d.h. beim Absenken des Baggerauslegers, ein Volumenstrom durch bodenseitig austretendes Hydrauliköl erzeugt wird.
Das Ventil 50 umfasst ebenfalls zwei Schaltstellungen, von denen eine den Durchfluss vom Aktor 80 zum Hydromotor 30 freigibt und die zweite den Durchfluss sperrt. Auch dieses Wegeventil 50 wird über die zentrale Steuereinheit 60 angesteuert.
Über den Steuerblock 90 lassen sich weitere hydraulische Verbraucher 100, 110 mit dem notwendigen Druckniveau durch die Pumpen 20, 30 versorgen. Über den Bedienhebel 70 wird der Aktor 80 bedient.
Die Stellung des Bedienhebels wird von der Steuerung erkannt. In der Neutralstellung des Bedienhebels 70 bzw. in seiner Stellung zum Anheben des Auslegers (nachfolgend Arbeitsbetrieb genannt) sorgt die Steuerung 60 dafür, dass das Ventil 40 in seiner Durchlassstellung und das Ventil 50 in der Sperrstellung verbleibt. Die Verdrängereinheit 30 arbeitet in diesem Fall als zusätzliche Arbeitspumpe und der erzeugte Volumenstrom wird über das Ventil 40 am Druckeingang des Steuerblocks 90 bereitgestellt. Aufgrund der Sperrstellung des Ventils 50 ist der bodenseitige Anschluss des Aktors nur mit dem Steuerblock 90 verbunden. Neben dem Aktor 80 können weitere Verbraucher 100, 110 von den Arbeitspumpen 20, 30 mit Öl versorgt werden.
Wird der Bedienhebel 70 in die entsprechende Stellung zum Absenken des Baggerauslegers verbracht, so wird dies durch die Steuerung 60 erkannt und die Hydraulik in den Rekuperationsbetrieb geschaltet. Dazu wird das Ventil 40 von der Steuerung 60 in seine Sperrstellung geschaltet, wodurch der Volumenstrom von der zweiten Verdrängereinheit 30 zum Steuerblock 90 unterbrochen wird. Gleichzeitig schaltet die Steuerung 60 das zweite Wegeventil 50 in seine Durchflussstellung und der Schwenkwinkel des Hydromotors 30 wird auf einen negativen Schwenkwinkel eingestellt. Hierdurch kann der Hydraulikdruck der Bodenseite des Aktors 80 über das Wegeventil 50 an die als Motor arbeitende Verdrängereinheit abgegeben werden, wodurch diese ein Drehmoment erzeugt, das die Antriebswelle des Antriebsmotors 10 entlastet.
Der konkrete Schwenkwinkel des Pumpenmotors 30 wird von der Steuerung 60 in Abhängigkeit der tatsächlichen Auslenkung des Gebers 70 festgelegt, denn dieser ist letztendlich entscheidend für die erzielbare Senkgeschwindigkeit des Auslegerarms. Die weiteren Verbraucher 100, 110 können im Rekuperationsbetrieb weiterhin von der Arbeitspumpe 20 mit Hydrauliköl versorgt werden.
2 zeigt Einzelheiten des Steuerblocks 90 für die Ansteuerung des Aktors 80 sowie weiterer Verbraucher 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die sonstigen Komponenten entsprechen dem Aufbau der 1. Die gemeinsame Druckleitung der Verdrängereinheiten 20, 30 steht mit einem ersten Steuerschieber 91 in Form eines proportionalen Wegeventils in Verbindung. Dieser umfasst insgesamt drei Schaltstellungen a, b sowie d. Mit a ist die Neutralstellung gekennzeichnet, in der das Ventil vollständig sperrt. In der Schaltstellung b ist die Druckleitung der Verdrängereinheiten 20, 30 mit der Bodenseite des Aktors 80 verbunden, die ausfahrende Kolbenstange führt vorzugsweise zum Anheben des Auslegers. In der Schaltstellung d wird die Druckleitung hingegen mit der Stangeseite des Aktors 80 verbunden, der durch die Verdrängereinheiten 20, 30 bereitgestellte Volumenstrom drückt den Kolben aktiv in die Zylindereinheit und der Ausleger wird „aktiv“ gesenkt.
Für den Rekuperationsbetrieb wird das Ventil 40 in seine Sperrstellung verbracht, so dass kein Öl von der Verdrängereinheit 30 zum Steuerschieber 91 fließen kann. Der Steuerschieber 91 bleibt in Neutralstellung a und das Ventil 50 wird geöffnet.
Die Verdrängereinheit 30 wird in Abhängigkeit von der Auslenkung des Gebers 70, der die Senkgeschwindigkeit vorgibt, auf einen bestimmten negativen Schwenkwinkel gestellt. Dadurch senkt sich die Ausrüstung mit der gewünschten Geschwindigkeit ab. Bei dem Absenkvorgang wird auf der Stangenseite des Zylinders 80 Öl benötigt, das über das Nachsaugventil 93 des Steuerblocks 90 aus dem Tank bereitgestellt wird. Die Verdrängereinheit 30 erzeugt ein Moment, das durch den Druck, der im Zylinderboden des Aktors 80 herrscht, und den eingestellten Schwenkwinkel der Verdrängereinheit 30 bestimmt wird. Durch dieses Moment wird das Antriebsaggregat 10 entlastet.
Sobald auf der Stangenseite Druck benötigt wird, um die Senkbewegung aufrecht zu erhalten, muss in den Modus „aktives senken“ umgeschaltet werden. Hierzu wird das Ventil 40 in seine Durchflussstellung geschaltet, während das Ventil 50 in Sperrstellung geht. Öl kann nun von der Verdrängereinheit 30 zum Steuerschieber 91 fließen, der in der Stellung 91d steht. Der Steuerschieber 91 muss das Öl von den Pumpen 20, 30 zur Stangenseite des Hubzylinders 80 weiterleiten. Das Öl aus der Bodenseite muss über den Steuerschieber 91 zum Tank zurückfließen, das Ventil 50 bleibt gesperrt. Die Verdrängereinheit 30 agiert in diesem Betriebszustand als zweite Arbeitspumpe oder als Pumpe für weitere Verbraucher 100.
Für den regulären Arbeitsbetrieb, d.h. zum Anheben des Auslegers wird das Ventil 40 geöffnet, Öl kann von der Verdrängereinheit 30 zum Steuerschieber 91 fließen. Das Ventil 50 bleibt geschlossen. Die Verdrängereinheit 30 ist in diesem Betriebszustand eine zweite Arbeitspumpe oder eine Pumpe für weitere Verbraucher 100.
Die Ansteuerung des weiteren Verbrauchers in Form einer zweiten Kolbenzylindereinheit 100 ist ähnlich mittels eines zweiten baugleichen Steuerschiebers 92 sowie zusätzlichen Nachsaugeventilen verwirklicht.
Eine modifizierte Ausführungsform der Hydraulik ist 3 zu entnehmen. Gleiche Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Gegenüber der Ausführungsvariante der 2 wird stromabwärts nach dem zweiten Wegeventil 50, d.h. zwischen dem Ventil 50 und der zweiten Verdrängereinheit 30, zusätzlich eine variable Messblende 120 eingefügt. Dieses proportional steuerbare Wegeventil 120 nimmt einen Öffnungsgrad zwischen einer Endstellung mit vollem bidirektionalen Durchfluss und einer zweiten Endstellung, in der das Ventil 120 vollständig sperrt, ein. Dadurch lässt sich der Volumenstrom zwischen dem Wegeventil 50 und der Verdrängereinheit 30 auf einen bestimmten Volumenstrom drosseln. Der aktuelle Öffnungsgrad der Drossel 120 wird ebenfalls durch die Steuerung 60 eingestellt. Über die Drossel 120 soll beispielsweise verhindert werden, dass der Motor 10 durch das abgegebene Moment der Verdrängereinheit 30 beschleunigt wird. Hierfür ist eine Reduzierung des Volumenstroms notwendig, was durch die entsprechende Reduzierung des Querschnitts im Ventil 120 erreicht wird.
Als weitere Änderung gegenüber der 2 umfasst der Steuerschieber 91 des Steuerblocks 90 der 3 eine zusätzliche Schaltstellung 91c. Ist der Volumenstrom aufgrund der geforderten Sollgeschwindigkeit des Aktors 80 größer als der mögliche Volumenstrom über die Verdrängereinheit 30, wird der Steuerschieber 91 in die Stellung 91c geschaltet.
Alternativ zur Modifikation des Steuerschiebers 91 mit der zusätzlichen Schaltstellung 91c kann ein zusätzliches Bypassventil 130 stromabwärts am Wegeventil 50 angeordnet werden, wie dies in 4 gezeigt ist. Dieses proportional steuerbare Wegeventil 130 schaltet, je nach Öffnungsgrad, einen Bypass des im Rekuperationsbetrieb erzeugten Volumenstroms in den Hydrauliktank. Ist der Volumenstrom aufgrund der geforderten Sollgeschwindigkeit des Aktors 80 größer als der maximal mögliche Volumenstrom der Verdrängereinheit 30, wird das Bypassventil 130 soweit geöffnet, dass die geforderte Senkgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Die vorgestellten Ausführungsbeispiele der Hydraulikkreise der 1 bis 4 lassen sich nicht nur für die Energierückgewinnung bei Linearantrieben einsetzen, sondern das vorgestellte Funktionsprinzip kann ebenfalls bei Rotationsantrieben zur Anwendung kommen. Gezeigt wird dies am Beispiel der 5. Der Hydraulikaufbau entspricht im Wesentlichem dem Hydraulikschaltbild der 4, gleiche Bestandteile und Komponenten wurden auch in 5 mit denselben Bezugszeichen wir in den 1 bis 4 bezeichnet. Zur diesbezüglichen Beschreibung wird daher auf die vorangegangene Figurenbeschreibung verwiesen.
Im Unterschied zur 4 wird in 5 mittels des Steuerblockes ergänzend zu den Linearaktoren ein Rotationsantrieb 110 angesteuert. Der Rotationsantrieb kann bspw. ein Fahrantrieb der Arbeitsmaschine sein. Dazu ist dieser unter anderem um die zusätzlichen proportionalen Steuerventile 95, 96 ergänzt worden, die für die notwendige Hydraulikversorgung des Antriebes 110 sorgen. Auch hier soll beim Abbremsen des rotatorischen Verbrauchers 110 Energie zurückgewonnen werden, um mittels der Verdrängereinheit 30 ein Moment an den Verbrennungsmotor 10 abzugeben.
Im regulären Arbeitsbetrieb des Verbrauchers 110 wird das Ventil 40 in die offene Stellung geschaltet, wodurch Öl von der Verdrängereinheit 30 zum Steuerschieber 90 fließen kann. Das Ventil 50 muss geschlossen sein. Die Ventile 95, 96 des Steuerblockes 90 geben in Abhängigkeit der Stellung des nun vorgesehenen Gebers 114 einen Öffnungsquerschnitt frei, wodurch die geforderte Geschwindigkeit und/oder Drehzahl des Motors 110 eingestellt werden kann. Zudem kann durch die Schaltposition der Ventile 95, 96 die Drehrichtung vorgegeben werden. Der Rotationsantrieb 110 kann beschleunigt bzw. die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit gehalten werden.
Im Brems- bzw. Rekuperationsbetrieb des Antriebes 110 wird das Ventil 40 in die geschlossene Stellung geschaltet, daher kann kein Öl von der Verdrängereinheit 30 zum Steuerblock 90 fließen. Das Ventil 50 wird geöffnet. Dreht der Motor 110 im Uhrzeigersinn, so muss das Ventil 95 in der unteren Regelposition sein. Das Ventil 96 ist in der geschlossenen Position. Das zusätzliche Wege-Ventil 112 befindet sich in diesem Fall auf der Ablaufseite des Motors 110 und muss in der offenen Schaltstellung sein, wodurch das ablaufende Öl über die Verdrängereinheit 30 in den Tank geleitet werden kann. Die Verdrängereinheit 30 wird auf einen bestimmten negativen Schwenkwinkel gestellt, der von der ECU 60 vorgegeben wird. Die ECU 60 errechnet den Wert des Schwenkwinkels aus der Antriebs-Drehzahl, die der Sensor 111 vorgibt, und der erfassten Stellung des Gebers 114.
Die Verdrängereinheit 30 erzeugt ein Moment, das sich aus dem erzeugten Hydraulikdruck des Antriebs 110 während des Bremsvorgangs und dem eingestellten Schwenkwinkel der Verdrängereinheit 30 ergibt, und gibt dieses an den Verbrennungsmotor 10 ab. Die weiteren Verbraucher 80, 100 können währenddessen von der Arbeitspumpe 20 mit Öl versorgt werden.
Wird nur der Antrieb 110 angesteuert (z.B. Fahrantrieb bei einem Mobilbagger auf öffentlichen Straßen), dann kann eine Regelung ähnlich einem geschlossenen Kreis erfolgen. Die Arbeitspumpe 20 und eines der Ventile 95 oder 96 (je nach Fahrtrichtung) geben die Geschwindigkeit des Motors 110 in Abhängigkeit von dem Geber 114 vor. Je nach Fahrtrichtung muss immer eines der Ventile 112, 113, das auf der Ablaufseite des Motors 110 ist, in offener Stellung sein. So fließt das ablaufende Öl über das Ventil 120 und über die Verdrängereinheit 30 zurück.
Die Funktionalität der Ventile 120 und 130 entspricht der Funktion, die bereits anhand des Ausführungsbeispiels der 4 erläutert wurde. Sollte der rotatorische Verbraucher 110 über ein Bremsventil verfügen (hier nicht dargestellt), dann muss dieses natürlich auch durch die ECU 60 steuerbar sein. Die Einbindung des Rotationsantriebs könnte selbstverständlich auch, bei entsprechender Erweiterung des Steuerblockes 90, auch in eines der Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 3 erfolgen.
Das hier beschriebene System zur Rekuperation (insbesondere die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 5) kann nicht nur für das hier dargestellte LS-System umsetzbar sein, sondern auch für Systeme mit elektrischer Pumpenregelung.
In 5 ist ein Mischsystem aus LS-Ventilen und getrennten Steuerkanten-Ventilen dargestellt. Wird das Hydrauliksystem als reines System mit getrennten Steuerkanten-Ventilen ausgeführt (ohne Druckwaagen), dann ist eine elektrische Pumpenregelung zwingend erforderlich. Durch ein solches System wird die Rekuperation - wie hier beschrieben - wesentlich vereinfacht, da im Fall der Rekuperation das Ventil im Ablaif geschlossen werden kann und das Ventil im Zulauf nur bei Bedarf geöffnet werden kann.
Alternativ zu 1, in der 30 ein Pumpenmotor ist, könnte die Verdrängereinheit 30 in der Form einer elektrisch geregelten Pumpe mit Rückschlagventil in der Ansaugung ausgeführt sein. Dadurch könnte das Ventil 40 entfallen, was insbesondere in 6 dargestellt ist. Auch ist hier dann das Ventil 50 direkt mit der eigentlichen Saugseite der Pumpe 30 verbunden, die im Rekuperationsbetrieb als Druckeingang agiert.
Werden große Energiemengen zurück ins System gespeist, dann ist es sinnvoll eine Energiespeichereinrichtung einzubauen, wie sie zum Beispiel in der EP 2 722 530 A1 beschrieben ist, auf deren Inhalt an dieser Stelle vollumfänglich Bezug genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2722530 A1 [0051]

Claims

Arbeitsmaschine mit wenigstens einem hydraulischen Aktor zur Betätigung eines Arbeitsgerätes und einer durch ein Antriebsaggregat der Arbeitsmaschine angetriebenen ersten Verdrängereinheit, die den hydraulischen Aktor aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine durch das Antriebsaggregat angetriebene zweite Verdrängereinheit vorgesehen ist, die im Arbeitsbetrieb den hydraulischen Aktor und/oder weitere hydraulische Verbraucher aus einem Hydrauliktank mit Hydraulikmedium speist und die während eines Rekuperationsbetriebs durch das von dem wenigstens einen hydraulischen Aktor oder einem hydraulischen Verbraucher verdrängte Hydraulikvolumen antreibbar ist, um kinetische Energie an das Antriebsaggregat zurückzuspeisen.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerblock vorgesehen ist, über den die Druckleitungen der ersten und zweiten Verdrängereinheit mit dem hydraulischen Aktor und gegebenenfalls weiteren Verbrauchern verbindbar sind.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes Wegeventil mit mindestens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, dessen erste Schaltstellung den Durchfluss von der zweiten Verdrängereinheit zum Steuerblock freigibt und dessen zweite Schaltstellung einen Volumenstrom zwischen zweiter Verdrängereinheit und Steuerblock unterbricht.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Wegeventil mit wenigstens zwei Schaltstellungen vorgesehen ist, über das eine direkte Verbindung zwischen dem wenigstens einen hydraulischen Aktor und der zweiten Verdrängereinheit freigebar, insbesondere ein Volumenstrom von dem Aktor zur zweiten Verdrängereinheit freigebar, oder sperrbar ist.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maschinensteuerung zur Ansteuerung des ersten und zweiten Wegeventils vorgesehen ist, die im Rekuperationsbetrieb das erste Wegeventil in seine Sperrstellung und das zweite Wegeventil in seine Durchflussstellung schaltet und im Arbeitsbetrieb das erste Wegeventil in seine Durchflussstellung und das zweite Wegeventil in seine Sperrstellung verbringt.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdrängereinheit ein verstellbarer Pumpenmotor oder eine elektrisch geregelte Pumpe mit Rückschlagventil in der Ansaugung ist
Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinensteuerung der Arbeitsmaschine den Schwenkwinkel des verstellbaren Pumpenmotors bzw. der elektrisch geregelten Pumpe im Rekuperationsbetrieb in Abhängigkeit einer Soll-Bewegungsgeschwindigkeit des hydraulischen Aktors, insbesondere in Abhängigkeit der Ist-Stellung eines Bedienhebels zur Aktorbetätigung, und/oder in Abhängigkeit der erfassten Bewegungsgeschwindigkeit, insbesondere Drehzahl, des Aktors einstellt.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine hydraulische Aktor eine Kolben-Zylindereinheit ist, die vorzugsweise zur Betätigung eines Auslegers der Arbeitsmaschine dient, wobei ein Rekuperationsbetrieb bevorzugt während einer Senkbewegung des Auslegers erfolgt.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Aktor ein rotatorischer Antrieb ist, vorzugsweise ein Fahrantrieb der Arbeitsmaschine, wobei ein Rekuperationsbetrieb bevorzugt während des Abbremsen der Rotationsbewegung erfolgt.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rekuperationsbetrieb weitere hydraulische Verbraucher durch die erste Verdrängereinheit mit hydraulischer Energie versorgbar sind.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Wegeventil und der zweiten Verdrängereinheit wenigstens eine Drossel, insbesondere eine variable Messblende, vorzugsweise in Form eines proportionalen Wegeventils mit einer geöffneten und einer sperrenden Endstellung angeordnet ist, wobei der Öffnungsgrad der Drossel durch die Maschinensteuerung derart wählbar ist, dass durch die zweite Verdrängereinheit rückgespeiste kinetische Energie nicht zu einer Drehzahlerhöhung des Antriebaggregates führt.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des zweiten Wegeventils wenigstens ein proportional steuerbares Bypass-Ventil vorgesehen ist, dessen Öffnungsgrad durch die Maschinensteuerung erhöhbar ist, falls der aufgrund einer im Rekuperationsbetrieb gewünschten Bewegungsgeschwindigkeit des Aktors zu verdrängende Volumenstrom größer ist als der maximal mögliche Volumenstrom zum Antrieb der zweiten Verdrängereinheit ist.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine ein Hydraulikbagger ist und der wenigstens eine hydraulische Aktor eine Kolbenzylindereinheit zur Betätigung des Baggerarms ist,