DE102019123993A1 - Hydraulic system - Google Patents
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Abstract
Hydraulikanlage mit einem zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit eingerichteten Vorratsbehälter, einer Mehrzahl von mit dem Vorratsbehälter kommunizierend verbundenen Pumpeinheiten, die jeweils eine Niederdruckpumpe, eine Hochdruckpumpe und einen die Niederdruckpumpe und die Hochdruckpumpe antreibenden Elektromotor aufweisen, einer mit den Niederdruckpumpen und mit den Hochdruckpumpen verbundenen hydraulischen Sammelleitung, einer Mehrzahl von mit jeweils einem Ventil an die Sammelleitung angeschlossenen Aktuatoren, wenigstens einer die Aktuatoren mit dem Vorratsbehälter kommunizierend verbindenden Rückführleitung zur Rückführung von Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsbehälter, und einer auf die Drehzahl der Elektromotoren und das Ventil wirkenden Steuerung zum Bewirken eines zur Betätigung wenigstens eines Aktuators vorbestimmten Volumenstroms unter der Bedingung, dass die Leistungsaufnahme aller Pumpen minimal ist.Hydraulic system with a reservoir set up to receive a hydraulic fluid, a plurality of pump units communicating with the reservoir, each having a low-pressure pump, a high-pressure pump and an electric motor driving the low-pressure pump and the high-pressure pump, a hydraulic collecting line connected to the low-pressure pumps and to the high-pressure pumps, a plurality of actuators connected to the collecting line, each with a valve, at least one return line connecting the actuators with the reservoir in a communicating manner for returning hydraulic fluid to the reservoir, and a control acting on the speed of the electric motors and the valve for causing one to actuate at least one Actuator predetermined volume flow under the condition that the power consumption of all pumps is minimal.
Description
Die Erfindung betrifft eine Hydraulikanlage. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hydraulikanlage eines Fahrzeugs mit an diesem oder an einem von diesem mitgeführten Modul befestigten hydraulischen Aktuatoren.The invention relates to a hydraulic system. In particular, the invention relates to a hydraulic system of a vehicle with hydraulic actuators attached to it or to a module carried by it.
Als hydrostatische Antriebe verwendete Hydraulikanlagen insbesondere bei militärischen Fahrzeugen sind allgemein bekannt. Besondere Anforderungen werden dabei an die Hydraulikanlage von als Bergefahrzeuge ausgestalteten Fahrzeugen gestellt, da zur Ausführung der Bergefunktion mittels hydraulisch verstellbaren Schilden, Winden, Kranen und Baggern besonders leistungsstarke Pumpen bereitgestellt werden müssen.Hydraulic systems used as hydrostatic drives, particularly in military vehicles, are generally known. Special requirements are placed on the hydraulic system of vehicles designed as recovery vehicles, since particularly powerful pumps have to be provided to carry out the recovery function by means of hydraulically adjustable shields, winches, cranes and excavators.
Der Nachteil der bekannten Systeme besteht aufgrund des hohen Leistungsbedarfs in einem hohen Platzbedarf, der der Miniaturisierung und modularen Ausgestaltung von Fahrzeugsystemen entgegensteht. Insbesondere werden leistungsfähige Hydraulikanlagen regelmäßig mit Hilfe des Fahrzeugmotors betrieben, sodass ein modularer Aufbau insbesondere militärischer Fahrzeuge von einem Fahrmodul mit einem daran lösbar befestigten Missionsmodul nicht zu einem autarken Betrieb des Missionsmoduls allein führt. Auf der anderen Seite wäre der Betrieb einer leistungsstarken Hydraulikpumpe allein mittels eines Akkumulators sehr ineffizient.The disadvantage of the known systems is due to the high power requirement in a high space requirement, which is contrary to the miniaturization and modular design of vehicle systems. In particular, powerful hydraulic systems are regularly operated with the aid of the vehicle engine, so that a modular structure, in particular military vehicles, of a driving module with a mission module detachably attached to it does not lead to autonomous operation of the mission module alone. On the other hand, the operation of a powerful hydraulic pump by means of an accumulator alone would be very inefficient.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hydraulikanlage zu schaffen, die möglichst ohne Leistungseinbußen einen energiesparenden Betrieb einer Hydraulikanlage erlaubt.The object of the invention is therefore to create a hydraulic system which allows an energy-saving operation of a hydraulic system with as little power as possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Hydraulikanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1, das Missionsmodul gemäß Anspruch 13 und das Fahrzeug gemäß Anspruch 16 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.This object is achieved according to the invention by the hydraulic system with the features of claim 1, the mission module according to claim 13 and the vehicle according to claim 16. The subclaims each reproduce advantageous embodiments of the invention.
Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Hydraulikanlage mit parallel geschalteten Pumpeinheiten zu schaffen, bei der jede Pumpeinheit aus je einer hoch- und Niederdruckpumpe besteht, die die Hydraulikflüssigkeit je nach Druck- und Volumenstromanforderung in die jeweiligen Sammelleitungen einspeisen. Durch eine Steuerung wird dabei sichergestellt ist, dass alle angeforderten Bewegungen der Aktuatoren stattfinden, gegebenenfalls aber je nach Systembelastung skaliert langsamer erfolgen. Diese Regelung realisiert, dass das einzelne Pumpenaggregat nicht über eine vorbestimmte Leistungsaufnahmegrenze hinaus belastet wird.The basic idea of the invention is to create a hydraulic system with pumping units connected in parallel, in which each pumping unit consists of a high and a low pressure pump that feed the hydraulic fluid into the respective collecting lines depending on the pressure and volume flow requirements. A control ensures that all the requested movements of the actuators take place, but that they are scaled more slowly depending on the system load. This regulation ensures that the individual pump unit is not loaded beyond a predetermined power consumption limit.
Erfindungsgemäß wird also eine Hydraulikanlage vorgeschlagen, mit einem zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit eingerichteten Vorratsbehälter, einer Mehrzahl von mit dem Vorratsbehälter kommunizierend verbundenen Pumpeinheiten, die jeweils eine Niederdruckpumpe, eine Hochdruckpumpe und einen die Niederdruckpumpe und die Hochdruckpumpe antreibenden Elektromotor aufweisen, einer mit den Niederdruckpumpen und mit den Hochdruckpumpen verbundenen hydraulischen Sammelleitung, einer Mehrzahl von mit jeweils einem Ventil an die Sammelleitung angeschlossenen Aktuatoren, wenigstens einer die Aktuatoren mit dem Vorratsbehälter kommunizierend verbindenden Rückführleitung zur Rückführung von Hydraulikflüssigkeit in den Vorratsbehälter, und einer auf die Drehzahl der Elektromotoren und das Ventil wirkenden Steuerung zum Bewirken eines zur Betätigung wenigstens eines Aktuators vorbestimmten Volumenstroms unter der Bedingung, dass die Leistungsaufnahme aller Pumpen minimal ist.According to the invention, therefore, a hydraulic system is proposed, with a reservoir set up to receive a hydraulic fluid, a plurality of pump units communicating with the reservoir, each having a low-pressure pump, a high-pressure pump and an electric motor driving the low-pressure pump and the high-pressure pump, one with the low-pressure pumps and with the hydraulic collecting line connected to the high-pressure pumps, a plurality of actuators connected to the collecting line, each with a valve, at least one return line communicating with the reservoir and connecting the actuators to the reservoir for returning hydraulic fluid to the reservoir, and a control acting on the speed of the electric motors and the valve for Effecting a predetermined volume flow for actuating at least one actuator under the condition that the power consumption of all pumps is minimal.
Bevorzugt sind die Elektromotoren als Asynchronmotoren, insbesondere als Niederspannungs-Asynchronmotoren ausgelegt, die bei einer Spannung von 24 V mit Gleichstrom betrieben werden. Dabei sind die Elektromotoren höchstbevorzugt frequenzgeregelt und werden weiter bevorzugt durch einen die Elektromotoren mit Energie versorgenden Lithium-Ionen-Akkumulator betrieben.The electric motors are preferably designed as asynchronous motors, in particular as low-voltage asynchronous motors, which are operated at a voltage of 24 V with direct current. The electric motors are most preferably frequency-controlled and are further preferably operated by a lithium-ion accumulator that supplies the electric motors with energy.
Die von der Steuerung angesteuerten Ventile sind bevorzugt als Proportionalventile ausgebildet, sodass aufgrund der Möglichkeit, die Ventile stetig zu öffnen und zu schließen, jeweils ein genauer zum jeweiligen Aktor führender Volumenstrom eingestellt werden kann.The valves controlled by the control are preferably designed as proportional valves, so that, due to the possibility of continuously opening and closing the valves, a volume flow leading more precisely to the respective actuator can be set in each case.
Dabei ist jede Pumpe nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung von der Sammelleitung durch ein Rückschlagventil getrennt, die einen Rückfluss in Richtung der Pumpen verhindert. Besonders bevorzugt ist jeweils ein stromaufwärts des Rückschlagventils, also zwischen Rückschlagventil und Pumpe angeordnetes Druckbegrenzungsventil vorgesehen, das den Druck in der von der Pumpe wegführenden Förderleitung begrenzt. Die Druckbegrenzungsventile sind dabei mittels einer gemeinsamen die Druckbegrenzungsventile und den Vorratsbehälter kommunizierend verbindenden Rückführleitung verbunden.According to a further preferred embodiment, each pump is separated from the collecting line by a check valve which prevents backflow in the direction of the pumps. Particularly preferably, a pressure limiting valve is provided upstream of the check valve, that is to say between the check valve and the pump, which limits the pressure in the delivery line leading away from the pump. The pressure relief valves are connected by means of a common return line that communicates with the pressure relief valves and the reservoir.
Um den Betrieb eines Aktors mit bestmöglichem Wirkungsgrad zu ermöglichen, ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass die Pumpeinheiten von der Steuerung einzeln zu- und abschaltbar sind. Dabei erfolgt das Zuschalten bzw. Abschalten der Pumpeinheiten kaskadiert jeweils im Hinblick auf die Druck- und Volumenanforderung unter der Bedingung, dass die Leistungsaufnahme aller Pumpen in der Summe minimal ist.In order to enable the operation of an actuator with the best possible efficiency, it is further preferred that the pump units can be switched on and off individually by the controller. The pumping units are switched on and off in a cascaded manner, in each case with regard to the pressure and volume requirements, provided that the total power consumption of all pumps is minimal.
Insgesamt ist bevorzugt vorgesehen, dass die Leistungsaufnahme jeder einzelnen Pumpe auf einen identischen Wert begrenzt ist. So ist insbesondere vorgesehen, dass die Leistungsaufnahme jeder Pumpeinheit auf 8 kW begrenzt ist, sodass bei einer Ausgestaltung mit 4 Pumpeinheiten für die Hydraulikanlage eine Leistung von 32 kW bereitgestellt werden kann, wobei die hierfür notwendige Energie insbesondere vom Lithium-Ionen-Akkumulator geliefert werden kann. Die Steuerung stellt somit sicher, dass die für den Betrieb der Aktuatoren benötigte hydraulische Leistung, also das Produkt aus Druck und Volumenstrom, bereitgestellt wird, ohne die einzelne Pumpeinheit über den vorbestimmten Wert, beispielsweise 8 kW, zu belasten.Overall, it is preferably provided that the power consumption of each individual pump is limited to an identical value. In particular, it is provided that the power consumption of each pump unit is limited to 8 kW, so that in a configuration with 4 pump units for the hydraulic system, a power of 32 kW can be provided, with the energy required for this being able to be supplied in particular by the lithium-ion battery . The control thus ensures that the hydraulic power required to operate the actuators, ie the product of pressure and volume flow, is provided without loading the individual pump unit above the predetermined value, for example 8 kW.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass die Niederdruckpumpen mit einer gemeinsamen der Sammelleitung Hydraulikflüssigkeit zuleitenden Niederdrucksammelleitung verbunden sind, wobei zwischen der Sammelleitung und der Niederdrucksammelleitung ein auf einen vorbestimmten Druck eingestelltes Rückschlagventil vorgesehen ist. So speisen die Niederdruckpumpen die Hydraulikflüssigkeit bis zu einem in der Sammelleitung herrschenden vorbestimmten Druck, beispielsweise 200 bar, in die Sammelleitung ein. Bei Drücken über dem vorbestimmten Druck in der Sammelleitung schließt das Rückschlagventil, sodass die Aktuatoren ausschließlich von den Hochdruckpumpen versorgt werden. In diesem Fall ist über eine weitere zum Vorratsbehälter führende Rückführleitung vorgesehen, dass die Niederdruckpumpen lastlos im Kreis fördern.Finally, it is preferably provided that the low-pressure pumps are connected to a common low-pressure manifold that supplies hydraulic fluid to the manifold, a check valve set to a predetermined pressure being provided between the manifold and the low-pressure manifold. The low-pressure pumps feed the hydraulic fluid into the collecting line up to a predetermined pressure prevailing in the collecting line, for example 200 bar. At pressures above the predetermined pressure in the collecting line, the check valve closes so that the actuators are only supplied by the high-pressure pumps. In this case, a further return line leading to the storage tank is provided for the low-pressure pumps to circulate without load.
Ebenso wird erfindungsgemäß ein für eine vorbestimmte Mission angepasstes Missionsmodul mit einer zur Verbindung mit einem Fahrzeug eingerichteten Struktur bereitgestellt, das eine Hydraulikanlage der vorbeschriebenen Art aufweist. Die modulare Ausgestaltung des Fahrzeugs mit für verschiedene Verwendungszwecke angepasste Missionsmodule erlaubt eine schnelle und ressourcenschonende Anpassung von Spezialfahrzeugen, die insbesondere im militärischen Bereich vorteilhaft ist.Likewise, according to the invention, a mission module adapted for a predetermined mission is provided with a structure set up for connection to a vehicle and having a hydraulic system of the type described above. The modular design of the vehicle with mission modules adapted for different purposes allows a quick and resource-saving adaptation of special vehicles, which is particularly advantageous in the military sector.
So ist insbesondere vorgesehen, dass das Missionsmodul durch einen eigenen im oder am Missionsmodul angeordneten Energiespeicher autark mit elektrischer Energie versorgt werden kann.In particular, it is provided that the mission module can be independently supplied with electrical energy by its own energy store arranged in or on the mission module.
Das Missionsmodul weist insbesondere einen hydraulisch angetriebenen Generator, ein hydraulisch angetriebenes Schweißgerät, eine hydraulisch angetriebene Winde, eine hydraulisch verfahrbare Stütze und/oder einen hydraulisch angetriebenen Kran und/oder Bagger.The mission module has in particular a hydraulically driven generator, a hydraulically driven welding device, a hydraulically driven winch, a hydraulically movable support and / or a hydraulically driven crane and / or excavator.
Schließlich wird ein Fahrzeug mit der zuvor beschriebenen Hydraulik bzw. mit dem zuvor beschriebenen Missionsmodul beansprucht. Dabei ist das Fahrzeug bevorzugt als militärisches Fahrzeug ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei dem (militärischen) Fahrzeug um ein Bergefahrzeug bzw. ein Pionierfahrzeug.Finally, a vehicle with the hydraulics described above or with the mission module described above is claimed. The vehicle is preferably designed as a military vehicle. In particular, the (military) vehicle is a recovery vehicle or a pioneer vehicle.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die hydraulische Anlage eines mit einem Fahrzeug verbindbaren Missionsmoduls über mehrere drehzahlgeregelte 24V-Drehstrom Motoren (frequenzgeregelte Asynchronmotoren) mit der notwendigen Energie versorgt. Hierfür werden die Motoren bevorzugt von einem Batteriepack, idealer Weise von Li-Ion-Batterien, versorgt. Aufgrund der Verwendung des Batteriepacks ist es sehr wichtig mit einem möglichst großen Wirkungsrad zu arbeiten, um so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen. Dabei hat auch die Verwendung eines Niederspannungs-Systems den großen Vorteil einer weit einfacheren, unkomplizierteren und sicheren elektrischen Anlage. Dies gilt sowohl beim Betrieb, als auch beim Bau und der Instandhaltung.According to a particularly preferred embodiment, the hydraulic system of a mission module that can be connected to a vehicle is supplied with the necessary energy via several speed-controlled 24 V three-phase motors (frequency-controlled asynchronous motors). For this purpose, the motors are preferably supplied by a battery pack, ideally by Li-Ion batteries. Due to the use of the battery pack, it is very important to work with the greatest possible efficiency in order to use as little energy as possible. The use of a low-voltage system also has the great advantage of a far simpler, more uncomplicated and safe electrical system. This applies to operation as well as construction and maintenance.
Bei diesen vorbestimmten Parametern wurde eine Parallelschaltung von mehreren Pumpeneinheiten eingerichtet. Jede Einheit besteht aus einem Elektromotor mit jeweils einer Niederdruck- und einer Hochdruckpumpe.A parallel connection of several pump units was set up for these predetermined parameters. Each unit consists of an electric motor with one low-pressure and one high-pressure pump.
Durch geeignete Auswahl von Drehzahl, Pumpen (Niederdruck/Hochdruck) und der Anzahl der Pumpen wird der gesamte Arbeitsbereich der Hydraulischen Anlage bezüglich Druck- und Volumenstrom mit bestmöglichem Wirkungsgrad abgedeckt ohne die einzelnen Elektromotoren zu überlasten. Hierfür übernimmt ein Controller die Steuerung der proportionalen Ventile und drosselt bei Unterversorgung die entsprechenden Ventile proportional entsprechend der angeforderten Volumenleistung.With a suitable selection of speed, pumps (low pressure / high pressure) and the number of pumps, the entire working range of the hydraulic system in terms of pressure and volume flow is covered with the best possible efficiency without overloading the individual electric motors. For this purpose, a controller takes over the control of the proportional valves and, in the event of insufficient supply, throttles the corresponding valves proportionally according to the required volume output.
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