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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer hydrostatischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die hydrostatische Bremse wir auch als Retarderbremse bezeichnet.
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Aus dem Stand der Technik sind hydrostatische Fahrantriebe für mobile Arbeitsmaschinen bekannt, die über eine Antriebsmaschine (Elektrische- oder Verbrennungskraftmaschine) angetrieben werden. Genauer gesagt treibt der Antriebsmaschine eine als Pumpe wirkende primäre Hydromaschine an, deren Druckmittel-Volumenstrom z.B. zwei als Motor wirkende sekundäre Hydromaschinen antreibt, an deren Wellen Räder gekoppelt sind. Im Falle einer Bremsung stützen sich die Räder derartiger Antriebe über die als Pumpen wirkenden Sekundärmaschinen und über die als Motor wirkende Primärmaschine an der mitgeschleppten Antriebsmaschine ab und erzeugt so ein Bremsmoment an den Rädern.
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Da die Antriebsmaschine, insbesondere im Falle der E-Maschine ein geringes Stützmoment aufweist, und da der Dieselmotor nur bis zu einer gewissen Drehzahlgrenze mitgeschleppt werden darf, um Beschädigungen zu vermeiden, ist es bekannt, zusätzlich eine hydrostatische Bremse als Überdrehzahlschutz oder als voreilende „Motorbremse“ (Teil der Betriebsbremse) vorzusehen, die auch als Retarderbremse bezeichnet wird.
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In der Druckschrift
DE 198 52 039 A1 ist ein hydrostatischer Antrieb mit einer derartigen hydrostatischen Bremse offenbart. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Druckbegrenzungsventil und einen vorgeschalteten elektrisch proportionalen Ventil, über das ein Volumenstrom zum Druckbegrenzungsventil gesteuert werden kann. Der zur hydrostatischen Bremse gerichtete Bremsstaudruck des Druckmittels wird von einer Pumpe erzeugt, die drehfest an die Primärmaschine und an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Die zusätzliche Bremsleistung wird über das Druckbegrenzungsventil in Wärme umgewandelt.
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Nachteilig an derartigen hydrostatischen Fahrantrieben ist die eingeschränkte Steuerbarkeit der Bremsleistung.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer hydrostatischen Bremse zu schaffen, deren Bremsleistung optimal steuerbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen hydrostatischen Fahrantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Der beanspruchte hydrostatische Fahrantrieb hat eine hydrostatische Primärmaschine, die in einem Fahrbetrieb als Pumpe betreibbar ist, und die im Bremsbetrieb als Motor betreibbar ist. Die Primärmaschine ist über ihre Triebwelle an eine Antriebsmaschine gekoppelt, wobei die Triebwelle im Fahrbetrieb von der Antriebsmaschine antreibbar ist, und wobei die Triebwelle in einem Bremsbetrieb an der Antriebsmaschine abstützbar ist. Weiterhin hat der beanspruchte Fahrantrieb zumindest eine mit der Primärmaschine hydrostatisch verbundene hydrostatische Sekundärmaschine, die im Fahrbetrieb als Motor und im Bremsbetrieb als Pumpe betreibbar ist. Die zumindest eine Sekundärmaschine über eine hydrostatische Bremsventilanordnung bremsbar, die auch als oder Retarderventilanordnung bezeichnet werden kann. Erfindungsgemäß hat die Bremsventilanordnung eine Hauptstufe, die als Sitzventil ausgebildet ist, dessen Öffnung bzw. Öffnungsfläche über ein Vorsteuerventil in Abhängigkeit von dessen Ansteuerstrom einstellbar ist. Die über die Bremsventilanordnung abfließende bzw. gewandelte Bremsleistung lässt sich besonders fein steuern, da ein Schließkörper der Hauptstufe eine von einem Eingangsdruck an einem Eingang der Hauptstufe beaufschlagte Öffnungsdruckfläche hat, und da der Schließkörper eine - vorzugsweise stirnseitige - Schließdruckfläche hat, die über einen Kanal ebenfalls vom Eingangsdruck beaufschlagbar ist. Dabei ist der Kanal über eine Öffnungsbewegung des Schließkörpers aufsteuerbar und die Schließdruckfläche über das Vorsteuerventil entlastbar.
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im Rahmen der Elektrifizierung von Baumaschinen wird diese Erfindung zunehmend relevanter, da elektrische Maschinen ein deutlich geringeres Stützmoment aufweisen. Daher ist bei einer Variante der Erfindung die Antriebsmaschine eine elektrisch Maschine bzw. ein Elektromotor.
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Die erfindungsgemäße Bremsventilanordnung ist flexibel bei allen bekannten Ansteuerkonzepten der Fahrhydraulik mit Konstantpumpen und mit Verstellpumpen und bei unterschiedlichen Pumpensteuerungskonzepten, z.B. Druck-Förderstrom geregelt, elektroproportional Druck geregelt, elektroproportional Förderstrom begrenzt, elektroproportional Förderstrom geregelt, einsetzbar.
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Bei einer besonders gut steuerbaren Weiterbildung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs ist ein Steuergerät (ECU) vorgesehen, in dem ein Kennfeld oder eine Funktionsgleichung der Bremsventilanordnung abgelegt ist, in dem ein Zusammenhang zwischen dem Ansteuerstrom des Vorsteuerventils, dem Eingangsdruck am Eingang der Hauptstufe und einem Volumenstrom, der durch die Hauptstufe strömt, erfasst ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel hat der erfindungsgemäße hydrostatische Antrieb eine weitere Pumpe, die mit dem Eingang der Hauptstufe verbunden ist, und deren weitere Triebwelle an die Antriebsmaschine gekoppelt ist. Damit kann sich im Bremsbetrieb die Triebwelle der Primärmaschine über die weitere Triebwelle der weiteren Pumpe an der Bremsventilanordnung abstützen. Dabei wird ein Volumenstrom durch die Hauptstufe aus einer Drehzahl der der weiteren Triebwelle und einem Hubvolumen (Vg) der weiteren Pumpe berechnet. Die Drehzahl der weiteren Triebwelle kann indirekt über die Drehzahl der Triebwelle der Primärmaschine oder über die Drehzahl einer Kurbelwelle der Antriebsmaschine ermittelt werden.
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Um den Eingangsdruck am Eingang der Hauptstufe bestimmen zu können, kann dort oder an einem Ausgang der weiteren Pumpe ein Drucksensor angeordnet sein.
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Im Falle einer Verstellbarkeit der weiteren Pumpe kann deren Hubvolumen (Vg) als Prozentzahl (i) * maximales Hubvolumen (Vgmax ) berechnet werden. Im Falle einer Axialkolbenmaschine ist die Prozentzahl (i) von einem Schwenkwinkel (α) der Axialkolbenmaschine abhängig. Um das Hubvolumen (Vg) der weiteren Pumpe indirekt bestimmen zu können, kann die weitere Pumpe einen Schwenkwinkelsensor aufweisen.
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Die weitere Pumpe kann zur Versorgung von weiteren über den Fahrantrieb hinausgehenden hydrostatischen Verbrauchern einer mobilen Arbeitsmaschine vorgesehen sein. Dazu kann die weitere Pumpe in einem offenen Kreis mit einem Ventilblock der mobilen Arbeitsmaschine verbindbar oder verbunden sein. Damit ist eine Überlagerung mit den Arbeitsfunktionen möglich und kontrollierbar. Es gibt minimale oder keine Übergänge.
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Wenn die Primärmaschine und die Sekundärmaschine über zwei Arbeitsleitungen eines geschlossenen Kreises miteinander verbunden sind, können gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die beiden Arbeitsleitungen über die Bremsventilanordnung miteinander verbunden sein. Damit ist der Nachteil des Standes der Technik bei nicht null schwenkbaren Sekundärmaschinen überwunden. Durch die erfindungsgemäße Bremsventilanordnung kann im Bremsbetrieb eine Mindestöffnung erfolgen, um eine Mindestmenge der zumindest einen Sekundärmaschinen abzuführen und den Verbrennungsmotor vor Überdrehzahl zu schützen.
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Dabei wird es bevorzugt, wenn der Eingang der Hauptstufe über ein jeweiliges eingangsseitiges Rückschlagventil mit den beiden Arbeitsleitungen verbunden ist, wobei diese beiden Rückschlagventile von der jeweiligen Arbeitsleitung zum Eingang öffnen.
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Dabei wird es weiterhin bevorzugt, wenn ein Ausgang der Hauptstufe über ein jeweiliges ausgangsseitiges Rückschlagventil mit den beiden Arbeitsleitungen verbunden ist, wobei diese beiden Rückschlagventile vom Ausgang zur jeweiligen Arbeitsleitung öffnen.
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Die Bremsventilanordnung lässt sich besonders fein steuern, wenn das Vorsteuerventil stetig verstellbar ist. Dann ist eine elektrisch proportionale Steuerung der Bremsleistung der Bremsventilanordnung bzw. des Bremsmoments des Fahrantriebs möglich.
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Vorzugsweise ist die Schließdruckfläche über ein Rückschlagventil vom Eingangsdruck beaufschlagbar, wobei das Rückschlagventil von der Öffnungsdruckfläche zur Schließdruckfläche öffnet.
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Gemäß einer ersten Variante der Bremsventilanordnung ist die Öffnungsdruckfläche kreisförmig und an einer der Schließdruckfläche gegenüber liegenden Stirnseite des Schließkörpers angeordnet.
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Gemäß einer zweiten Variante der Bremsventilanordnung ist die Öffnungsdruckfläche kreisringförmig und am Außenumfang des Schließkörpers angeordnet. Dann wird es bevorzugt, wenn auch diese Öffnungsdruckfläche über das genannte oder ein weiteres Rückschlagventil vom Eingangsdruck beaufschlagbar ist, wobei das Rückschlagventil von der Öffnungsdruckfläche zur Schließdruckfläche öffnet. Wenn beide Varianten von Öffnungsdruckflächen gleichzeitig am Schließkörper und beide entsprechen Rückschlagventile gleichzeitig im Schließkörper vorgesehen sind, kann die Hauptstufe im Bremsbetrieb bidirektional durchströmt werden.
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Mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs mit hydrostatischer Bremse sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen
- 1 ein Schaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs,
- 2 ein Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs,
- 3 eine Variante der Bremsventilanordnung, die in beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 verwendet werden kann und
- 4 ein Signalschema eines Steuergerätes, das beim Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs gemäß den 1 verwendet werden kann.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel und 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs jeweils in einem schematischen Schaltplan. Die folgenden Erklärungen gelten für beide Ausführungsbeispiele: der Fahrantrieb ist im Leistungsfluss zwischen einem als Dieselmotor ausgestalteten Verbrennungsmotor 4 und einer Zahnradstufe 6 eines Rades 8 angeordnet. Dazu hat der Fahrantrieb eine verstellbar ausgeführte Primäreinheit bzw. Primärmaschine 10 und z.B. zwei ebenfalls verstellbar ausgeführte Sekundäreinheiten bzw. Sekundärmaschinen 12, von denen in den 1 und 2 jeweils nur eine Sekundärmaschine 12 dargestellt ist. Die Primärmaschine 10 und die Sekundärmaschinen 12 sind über zwei Arbeitsleitungen 20 in einem geschlossenen Kreis hydrostatisch verbunden.
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Die Primärmaschine 10 ist über ihre Triebwelle 14 drehfest an den Verbrennungsmotor 4 koppelbar oder gekoppelt.
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Eine weitere ebenfalls verstellbar ausgeführte Pumpe 18 ist über ihre (weitere) Triebwelle 16 drehfest an die Triebwelle 14 der Primärmaschine 10 koppelbar oder gekoppelt. Die weitere Pumpe 18, die auch mit dem Verbrennungsmotor 4 drehfest koppelbar oder gekoppelt ist, ist in einem offenen Kreis über eine Pumpenleitung 24 mit einem Ventilblock 22 hydrostatisch verbunden. Über diese Anordnung und insbesondere über den Ventilblock 22 werden weitere (nicht gezeigte) hydraulische Verbraucher einer (ebenfalls nicht gezeigten) mobilen Arbeitsmaschine versorgt, in der die gezeigten Fahrantriebe verbaut sind.
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Dabei ist eine Lastdruckmeldeleitung LS vorgesehen, über die der höchste Lastdruck der von der weiteren Pumpe 18 über den Ventilblock 22 versorgten Verbraucher an die weitere Pumpe 18 gemeldet wird, um diese optimal einzustellen.
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In einem Bremsbetrieb des Fahrantriebs stützen sich die Räder 8 gemäß dem Stand der Technik über die Zahnradstufen 6, die als Pumpen wirkende Sekundärmaschinen 12, eine der beiden Arbeitsleitungen 20, die als Motor wirkende Primäreinheit 10 und deren Triebwelle 14 an dem Verbrennungsmotor 4 ab und schleppen diesen mit. Dabei bremst der mitgeschleppte Verbrennungsmotor 4 den Fahrantrieb bzw. die betroffene mobile Arbeitsmaschine. Darüber hinausgehend wirkt auch ein Lüfterantrieb bremsend, der aus einer Lüfterpumpe 26 und einem Lüftermotor 28 besteht, an den ein (nicht gezeigtes) Lüfterrad drehfest gekoppelt ist.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist eine Bremsventilanordnung 30 vorgesehen, die einen Eingang A und einen Ausgang B hat, und über die der Fahrantrieb bzw. die betroffene mobile Arbeitsmaschine ergänzend gebremst werden kann, insbesondere wenn eine Überdrehzahl des Verbrennungsmotors 4 droht. Die Bremsventilanordnung 30 hat im Wesentlichen eine Hauptstufe 2 und ein Vorsteuerventil 1.
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Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 beschrieben: beim Ausführungsbeispiel 1 gemäß 1 ist der Eingang A an den Ventilblock 22 angeschlossen, so dass sich im Bremsbetrieb die als Motor wirkende Primäreinheit 10 über die weitere Triebwelle 16, die weitere Pumpe 18, die Pumpenleitung 24 und über den Ventilblock 22 an der Bremsventilanordnung 30 abstützen kann. Die Bremsventilanordnung 30 des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1 ist entweder wie die Bremsventilanordnung 30 des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 2 oder wie die in 3 gezeigte Bremsventilanordnung 30 ausgestaltet.
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In beiden Fällen dienen einem Steuergerät 50 die Signale eines Drucksensors 52, der an der Pumpenleitung 24 angeordnet ist, und eines Schwenkwinkelsensors 54, der einen Schwenkwinkel der weiteren Pumpe 18 erfasst. Diese Werte werden als Eingangsgröße eines Kennfeldes genutzt, über das schließlich ein Ansteuerstrom I für das Vorsteuerventil 1 ausgegeben wird.
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Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ergänzend noch eine mechanische Bremse 36 am Rad 8 dargestellt, über die neben dem Schleppmoment des Verbrennungsmotors 4 und der hydraulischen Bremsleistung der Bremsventilanordnung 30 noch eine dritte Bremskraft erzeugt werden kann.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Bremsventilanordnung 30 abweichend in den geschlossenen Kreis des Fahrantriebs aufgenommen. Genauer gesagt ist der Eingang A der Bremsventilanordnung 30 über ein jeweiliges eingangsseitiges Rückschlagventil 32 an beide Arbeitsleitungen 20 angeschlossen, wobei diese beiden Rückschlagventile 32 von der jeweiligen Arbeitsleitung 20 zum Eingang A öffnen, so dass die Hochdruck führende Arbeitsleitung 20 mit dem Eingang A verbunden wird. Vom Ausgang B der Bremsventilanordnung 30 strömt das Druckmittel zu der Niederdruck führenden Arbeitsleitung 20 über eines der beiden ausgangseitigen Rückschlagventile 34.
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Die Hauptstufe 2 ist als Sitzventil ausgebildet, dessen Schließkörper 38 über das Vorsteuerventil 1 geschlossen gehalten werden kann. Dazu verhindert das Vorsteuerventil 1 in der in 2 gezeigten durch eine federvorgespannten Stellung eine Entlastung des Schließkörpers 38. Wenn das Vorsteuerventil 1 stetig und proportional in eine seine Öffnungsstellungen gestellt wird, wird der Schließkörper 38 entlastet und einen Öffnung(sfläche) vom Eingang A zum Ausgang B wird aufgesteuert.
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Somit kann sich im Bremsbetrieb des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 2 die als Pumpe wirkende Sekundärmaschine 12 über abströmendes und gestautes Druckmittel auch an der Hauptstufe 2 der Bremsventilanordnung 30 abstützen.
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3 zeigt in einer Kombination aus einem Schnittbild und Schaltsymbolen eine Variante der Bremsventilanordnung 30, die in den beiden Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 verwendet werden kann. Zu erkennen ist der Schließkörper 38 in seiner (in 3 unteren) geschlossenen Stellung, an dessen (in 3 unteren) Stirnseite der Eingang A und an dessen Umfang der Ausgang B angeordnet sind.
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Ein Eingangsdruck pein am Eingang A wirkt an einer Öffnungsdruckfläche 40 in Öffnungsrichtung. Gleichzeitig wird der Eingangsdruck pein über einen Kanal 42 an eine Schließdruckfläche 44 des Schließkörpers 38 übertragen, die größer ist als die Öffnungsdruckfläche 40. Genauer gesagt wird der Eingangsdruck pein von der Öffnungsdruckfläche 40 über den Kanal 42, in dem ein Rückschlagventil 46 angeordnet ist, über eine Anordnung, die mit zunehmenden Öffnungshub des Schließkörpers 38 aufgesteuert wird, und über einen Schließdruckraum 48 zu der Schließdruckfläche 44 übertragen.
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Das Vorsteuerventil 1 sperrt in seiner in 3 gezeigten durch eine Feder vorgespannten Grundstellung den Schließdruckraum 40 gegen den Niederdruck des Ausgangs B der Bremsventilanordnung 30 ab. Das Vorsteuerventil 1 kann von dem (in 1 und 4 gezeigten) Steuergerät 50 aufgesteuert werden, um den Schließdruckraum 48 und damit die Schließdruckfläche 44 zu entlasten und so die Hauptstufe 2 zu öffnen. Damit wandelt die Bremsventilanordnung 30 hydraulische Leistung des Druckmittels am Eingang A in Wärme um.
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4 zeigt ein Signalschema des Steuergerätes 50 insbesondere des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1. Es hat ein Leistung-Manager-Modul 56, ein Fahrstrategie-Modul 58, ein Fahrantrieb-Modul 60 und ein Arbeitshydraulik-Modul 62. Vom Fahrantrieb-Modul 60 werden die Schwenkwinkel α der Primäreinheit 10 und der Sekundäreinheit 12 eingestellt. Vom Arbeitshydraulik-Modul 62 werden der Schwenkwinkel α der weiteren Pumpe 18 und die Retarderfunktionen der Bremsventilanordnung 30 eingestellt. Ein Fahrerwunsch-Signal wird nicht nur vom Fahrstrategie-Modul 58 ausgewertet, um so das Fahrantrieb-Modul 60 zu steuern, sondern auch vom Arbeitshydraulik-Modul 62 insbesondere, wenn die Bremsventilanordnung 30 zugeschaltet werden soll, um z.B. den Verbrennungsmotor 4 (vgl. 1 und 2) vor einer Überdrehzahl zu schützen.
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Ergänzend kann die zusätzliche mechanische Bremse 36 und/oder das Steuergerät 50 mit den Sensoren 52, 54 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel selbstverständlich auch beim zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein.
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Offenbart ist ein hydrostatischer Fahrantrieb, der zwischen einer Antriebsmaschine, insbesondere Dieselmotor oder elektrische Maschine, und einem Abtrieb, insbesondere Rädern einer mobile Arbeitsmaschine vorgesehen ist. Der Fahrantrieb hat eine hydrostatische Bremsventilanordnung, die ergänzend zu der Bremsleistung der mitgeschleppten Antriebsmaschine hydraulische Leistung in Wärme umwandelt. Die Bremsleistung der Bremsventilanordnung lässt sich mit einem Ansteuerstrom ihres Vorsteuerventils genau steuern. Vorzugsweise werden dazu Eingangsdruck und Volumenstrom der Bremsventilanordnung erfasst und daraus mittels eines Kennfeldes der Ansteuerstrom ermittelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorsteuerventil
- 2
- Hauptstufe
- 4
- Antriebsmaschine / Verbrennungsmotor
- 6
- Zahnradstufe
- 8
- Rad
- 10
- Primärmaschine
- 12
- Sekundärmaschine
- 14
- Triebwelle
- 16
- weitere Triebwelle
- 18
- weitere Pumpe
- 20
- Arbeitsleitung
- 22
- Ventilblock
- 24
- Pumpenleitung
- 26
- Lüfterpumpe
- 28
- Lüftermotor
- 30
- Bremsventilanordnung
- 32
- eingangsseitiges Rückschlagventil
- 34
- ausgangsseitiges Rückschlagventil
- 36
- mechanische Bremse
- 38
- Schließkörper
- 40
- Öffnungsdruckfläche
- 42
- Kanal
- 44
- Schließdruckfläche
- 46
- Rückschlagventil
- 48
- Schließdruckraum
- 50
- Steuergerät
- 52
- Drucksensor
- 54
- Schwenkwinkelsensor
- 56
- Leistungs-Manager-Modul
- 58
- Fahrtstrategie-Modul
- 60
- Fahrantrieb-Modul
- 62
- Arbeitshydraulik-Modul
- A
- Eingang (der Hauptstufe)
- B
- Ausgang (der Hauptstufe)
- I
- Ansteuerstrom (des Vorsteuerventils)
- LS
- Lastdruckmeldeleitung
- neng
- Drehzahl
- pein
- Eingangsdruck (am Eingang der Hauptstufe)
- Q
- Volumenstrom (durch die Hauptstufe)
- T
- Tank / Tankanschluss
- Vgmax
- maximales Hubvolumen (der weiteren Pumpe)
- Vg
- Hubvolumen (der weiteren Pumpe)
- α
- Schwenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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