DE10256442A1

DE10256442A1 - System und Verfahren zum Akkumulieren von hydraulischem Strömungsmittel

Info

Publication number: DE10256442A1
Application number: DE10256442A
Authority: DE
Inventors: Bradford J Holt; John Krone; Andrew Nippert
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd; Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd; Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2003-12-04
Also published as: US6655136B2; US20030115863A1; JP2003222105A; JP4532069B2

Abstract

Es wird ein hydraulisches System vorgesehen, welches einen hydraulischen Betätiger mit einer ersten und einer zweiten Kammer aufweist. Ein Akkumulator steht in Strömungsmittelverbindung mit dem hydraulischen Betätiger und ist derart ausgelegt, um eine ausgewählte Menge an unter Druck stehendem Strömungsmittel zu speichern, und zwar freigegeben von mindestens einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers. Ein Wegesteuerventil ist zwischen dem hydraulischen Betätiger und dem Akkumulator vorgesehen. Das Wegesteuerventil ist betätigbar, um selektiv den Akkumulator mit einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers zu verbinden, um zu gestatten, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel von dem Akkumulator zum hydraulischen Betätiger fließt, um den hydraulischen Betätiger zu bewegen. Das Wegeventil ist ebenfalls betätigbar, um selektiv den Akkumulator mit einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers zu verbinden, um eine Fahrsteuerung vorzusehen.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Akkumulieren von hydraulischem Strömungsmittel. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein hydraulisches System, welches einen Akkumulator und Steuerventile verwendet, um Energie für die Wiederverwendung zu speichern.

Hintergrund

Arbeitsmaschinen werden im Allgemeinen dazu verwendet schwere Lasten zu bewegen, wie beispielsweise Erde, Baumaterial und/oder Schutt. Diese Arbeitsmaschinen, die beispielsweise Radlader, Bagger, Bulldozer, Grabwerkzeuge, Handhabungsvorrichtungen und Kettenladefahrzeuge sein können, umfassen typischerweise unterschiedliche Arten von Arbeitswerkzeugen, die derart ausgelegt sind, dass sie unterschiedliche Bewegungsaufgaben ausführen können. Die Arbeitswerkzeuge dieser Arbeitsmaschinen werden im Allgemeinen durch Hydrauliksysteme mit Leistung versorgt, die unter Druck stehendes Strömungsmittel zur Bewegung der Arbeitswerkzeuge verwenden.
Ein hydraulisches System für eine Arbeitsmaschine weist typischerweise eine Quelle von unter Druck stehendem Strömungsmittel auf, wie beispielsweise eine Pumpe die mit einem hydraulischen Betätiger oder Aktuator verbunden ist. Ein Wege- bzw. Richtungssteuerventil ist zwischen der Druckströmungsmittelquelle und dem hydraulischen Betätiger positioniert, um die Strömung des unter Druck stehenden Strömungsmittels in dem Betätiger zu steuern. Wenn das Steuerventil geöffnet ist, so wird unter Druck stehendes Strömungsmittel in eine von zwei Kammern im hydraulischen Betätiger geleitet.
Das Strömungsmittel übt eine Kraft auf ein bewegliches Element im hydraulischen Betätiger aus, was die Bewegung des Elements bewirkt. Das bewegliche Element ist seinerseits mit dem Arbeitswerkzeug verbunden. Die Bewegung des beweglichen Elementes überträgt sich in einer entsprechenden Bewegung des Arbeitswerkzeuges. Wenn das bewegliche Element sich bewegt, so wird das Strömungsmittel aus der zweiten Kammer des hydraulischen Betätigers herausgedrückt. Typischerweise leitet das Richtungssteuerventil das austretende Strömungsmittel zu einem Reservoirtank oder ein ähnliches Strömungsmittelgefäß.
In vielen Situationen wird das Arbeitswerkzeug der Arbeitsmaschine auf eine erhöhte Position angehoben. Da das Arbeitswerkzeug relativ schwer sein kann, gewinnt das Arbeitswerkzeug eine signifikante potentielle Energie beim Anheben auf die erhöhte Position. Wenn das Arbeitswerkzeug aus der erhöhten Position freigegeben wird, so wird diese potentielle Energie normalerweise in Wärme umgewandelt, dann wenn das unter Druck stehende Strömungsmittel über ein Ventil abgedrosselt zum Tank zurückgeführt wird. Ein Teil der potentiellen Energie des Arbeitswerkzeuges in einer angehobenen Position kann dadurch wiedergewonnen werden, dass man das unter Druck stehende Strömungsmittel welches aus der zweiten Kammer in einen Akkumulator austritt unter Strömungsmitteldruck speichert.

Ein beispielhaftes Hydrauliksystem an einer Arbeitsmaschine unter Verwendung eines Strömungsmittelakkumulators zur Wiedergewinnung oder zum Zurückführen von Lastenergie aus einem Hubzylinder ist in der WO 00/00748 an Laars Bruun beschrieben. Wie dort beschrieben, ist jedoch eine zusätzliche Pumpe betätigt durch die Antriebseinheit der Arbeitsmaschine erforderlich, um Strömungsmittel zwischen dem Akkumulator und dem Kopfende des Hubzylinders zu übertragen. Abhängig von der gewünschten Richtung der Bewegung des Hubzylinders und der Druckdifferenz zwischen dem Akkumulator und dem Zylinder liefert die Antriebseinheit Energie an oder empfängt Energie von der hydraulischen Schaltung.

Eine weitere bekannte Anwendung eines Akkumulators besteht darin eine Fahrsteuerung vorzusehen. Wenn ein Benutzer die Erdbewegungsmaschine über eine unebene Oberfläche bewegt, wie beispielsweise dann, wenn eine Last an einem Arbeitsplatz herumgefahren wird, so hat das Arbeitswerkzeug die Tendenz zu springen und zu rütteln wenn einen starre Halterung durch das Hydrauliksystem erfolgt. Das Springen des Arbeitswerkzeuges kann dadurch vermindert werden, dass man eine Verbindung des Akkumulators zu der lasttragenden Kammer des hydraulischen Betätigers vorsieht. Das im Akkumulator gespeicherte unter Druck stehende Strömungsmittel wirkt als ein Stoßdämpfer und reduziert das Springen des Arbeitswerkzeuges. Auf diese Weise ergibt sich eine glattere Fahrt für die Erdbewegungsmaschine. Die zum Laden des Akkumulators erforderliche Energie, und zwar auf den gleichen Druck wie der Druck des Hydraulikzylinders vor dem Beginn der Fahrsteuerung wird üblicherweise vollständig durch die Pumpe vorgesehen, wobei keine Vorsorge getroffen ist, dafür, dass Energie gespeichert wird, wenn die Fahrsteuerung beendet wird.

Das Hydrauliksystem der vorliegenden Erfindung löst eines oder mehrere der oben genannten Probleme.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung richtet sich auf ein Hydrauliksystem, welches einen hydraulischen Betätiger aufweist, ferner eine Druckströmungsmittelquelle und ein Richtungssteuerventil zur Steuerung des Strömungsmittelflusses in und aus dem hydraulischen Betätiger. Ein Akkumulator ist zwischen einer Strömungsmitteleingangsleitung und einer Strömungsmittelausgangsleitung für das Richtungssteuerventil angeordnet. Ein Regenerationssteuerventil ist zwischen dem Akkumulator und dem Ausgang der Druckströmungsmittelquelle vorgesehen. Ein Speichersteuerventil ist zwischen der Strömungsmittelausgangsleitung und einem Tank des Hydrauliksystems vorgesehen.

Gemäss einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Wiedergewinnung oder Regenerierung von Energie in einem Hydrauliksystem. Unter Druck stehendes Strömungsmittel kommt von einer Vielzahl von hydraulischen Betätigern unter Verwendung eines Wege- oder Richtungssteuerventils. Mindestens ein Teil des vom hydraulischen Betätiger freigesetzten Strömungsmittels wird unter Druck in einem Akkumulator gespeichert, der angeordnet ist zwischen einer Strömungsmitteleingangsleitung und einer Strömungsmittelausgangsleitung des Richtungssteuerventils. im Akkumulator gespeicherte Energie wird durch Freigabe des Strömungsmittels, welches unter Druck gespeichert ist, wiedergewonnen, um einen hydraulischen Betätiger zu betätigen.

Man erkennt, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung wie auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und nicht die Erfindung wie beansprucht einschränken soll.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische und diagrammatische Veranschaulichung eines Hydrauliksystems gemäss einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische und diagrammatische Veranschaulichung eines Hydrauliksystem gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische und diagrammatische Veranschaulichung eines Hydrauliksystems gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Es sei nunmehr im einzelnen auf die Ausführungsbeispiele der Erfindung Bezug genommen, wobei diese in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wenn immer möglich, werden die gleichen Bezugszeichen in sämtlichen Zeichnungen verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
Wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, ist ein Hydrauliksystem 10 für eine Arbeitsmaschine 12 vorgesehen. Die Arbeitsmaschine 12 kann irgendeine bewegliche Maschine sein, die ein hydraulisch betätigtes Arbeitswerkzeug 24 aufweist. Die Arbeitsmaschine 12 kann beispielsweise ein Radlader, ein Bagger, ein Bulldozer, ein Kettenlader, ein Baggerlader, ein Telehandler sein oder eine Grabmaschine sein.
Das Arbeitswerkzeug 24 kann irgendeine Art eines Werkzeuges sein, wie es üblicherweise auf irgendeiner Arbeitsmaschine 12 angebracht ist. Beispielsweise kann das Arbeitswerkzeug 24 eine Ladevorrichtung sein, eine Schaufel, ein Kübel, eine Platte oder eine Gabel. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann der Ausdruck "Arbeitswerkzeug" auch individuelle Komponenten des Arbeitswerkzeuges umfassen, wie beispielsweise einen Ausleger oder eine Stiel.
Wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein hydraulischer Betätiger oder Aktuator 14 betriebsmäßig mit dem Arbeitswerkzeug 24 verbunden. Der hydraulische Betätiger 14 kann beispielsweise ein Hydraulikzylinder sein, der so ausgelegt ist, dass er ein Arbeitswerkzeug bewegen kann. Der Ausdruck "hydraulischer Betätiger" wie er hier verwendet wird, umfasst einen Hydraulikzylinder (wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt) oder irgendeine andere Bauart einer hydraulisch betätigten Vorrichtung wie beispielsweise ein Strömungsmittelmotor oder eine hydrostatische Antriebsvorrichtung.
Wie in Fig. 1 gezeigt weist der hydraulische Betätiger 14 einen Kolben 20 auf, der gleitend innerhalb eines Gehäuses 15 angeordnet ist. Der Kolben 20definiert eine erste Kammer 16 und einen zweite Kammer 18. Eine Stange 22 verbindet den Kolben 20 mit dem Arbeitswerkzeug 24. Die Gleitbewegung des Kolbens 20 innerhalb des Gehäuses 15 wird auf eine entsprechende Bewegung des Arbeitswerkzeuges 24 übertragen.
Wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt ist, weist das Hydrauliksystem 10 einen Tank 64 auf. Der Tank 64 enthält ein Strömungsmittelreservoir zur Verwendung durch das Hydrauliksystem 10. Das in dem Tank 24 gespeicherte Strömungsmittel kann Umgebungsdruck haben.
Wie fernerhin auch in Fig. 1 gezeigt ist, weist das Hydrauliksystem 10 eine Quelle von unter Druck stehendem Strömungsmittel 42 auf. Die Druckströmungsmittelquelle 42 kann irgendeine Vorrichtung sein, die in der Lage ist Strömungsmittel unter Druck zu setzen. Die Druckströmungsmittelquelle 42 kann beispielsweise eine Kolbenpumpe, eine Zahnradpumpe, eine Schaufelpumpe oder eine Gerotorpumpe sein. Die Druckströmungsmittelquelle 20 kann ebenfalls eine variable Verdrängungskapazität (wie in den beigefügten Figuren gezeigt) aufweisen oder kann eine feste Kapazität besitzen.
Die Druckströmungsmittelquelle 42 ist mit einem Einlassanschluss zum Tank 64 über eine Strömungsmittelleitung 66 verbunden. Im Betrieb saugt die Druckströmungsmittelquelle 42 Strömungsmittel vom Tank 64 bei Umgebungsdruck oder einem niedrigen Ladedruck an und bringt das Strömungsmittel als unter Druck gesetzten Strömungsmittelfluss zu einem Auslassanschluss an einer Verbindung 56. Wie dargestellt, kann ein Rückschlagventil 44 zwischen der Druckströmungsmittelquelle 42 und der Verbindung 56 vorgesehen sein, um eine unerwünschte Strömungsmittelrückströmung zu verhindern.
Die Druckströmungsmittelquelle 42 liefert unter Druck stehendes Strömungsmittel an mindestens einen hydraulischen Betätiger 14 über ein Wege- oder Richtungssteuerventil 26. Eine Strömungsmitteleingangsleitung 40 verbindet die Verbindung 56 assoziiert oder verbunden mit der Druckströmungsmittelquelle 42 mit dem Wege- oder Richtungssteuerventil 26. Eine Strömungsmittelleitung 36 verbindet das Wegesteuerventil 26 mit der ersten Kammer 16 und eine Strömungsmittelleitung 38 verbindet das Wegesteuerventil 26 mit der zweiten Kammer 18. Ein Wegesteuerventil 26 ist mit Tank 64 über eine Strömungsmittelausgangsleitung 58 verbunden.
Das Wegesteuerventil 26 kann irgendeine Vorrichtung sein, die derart ausgelegt ist, dass die Strömungsmittelströmungsrate in und aus dem hydraulischen Betätiger 14 gesteuert wird und insbesondere in und aus die erste und zweite Kammer 16 bzw. 18. Das Richtungssteuerventil 26 kann ein Satz von unabhängigen Zumessventilen (wie in den begleitenden Figuren gezeigt) sein, einen einzigen Kolben aufweisendes Ventil oder eine andere Art von Proportionalsteuerventilanordnung. Es wird ins Auge gefasst, dass zusätzliche Vorrichtungen als ein Richtungssteuerventil verwendet werden können, was dem Fachmann klar ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann das Richtungssteuerventil 26 ein erstes Zumessventil 28, ein zweites Zumessventil 30, ein drittes Zumessventil 32, und ein viertes Zumessventil 34 aufweisen. Jedes der Zumessventile ist unabhängig steuerbar, um selektiv eine Strömungsmittelströmung dahindurch zu gestatten oder einzuschränken. Durch die Steuerung der Richtung und Rate bzw. Geschwindigkeit des Strömungsmittelflusses zu den ersten und zweiten Kammern 16 und 18 des hydraulischen Betätigers 14 kann das Richtungssteuerventil 26 die Bewegung des Arbeitswerkzeuges 24 steuern.
Beispielsweise sind zur Bewegung des Arbeitswerkzeuges 24 in der Richtung des Pfeils 25 das erste Zumessventil 24 und das vierte Zumessventil 34 geöffnet, während das zweite Zumessventil 30 und das dritte Zumessventil 32 geschlossen sind. Dies gestattet, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel von einer Druckströmungsmittelquelle 42 durch das vierte Zumessventil 34 und die Strömungsmittelleitung 36 in die erste Kammer 16 fließt. Strömungsmittel kann auch die zweite Kammer 18 verlassen, und zwar durch die Strömungsmittelleitung 38 und das erste Zumessventil 28 und zum Tank 64 fließen.
Um das Arbeitswerkzeug 24 in der durch den Pfeil 27 angegebenen Richtung zu bewegen, werden das erste Zumessventil 28 und das vierte Zumessventil 34 geschlossen und das zweite Zumessventil 30 und das dritte Zumessventil 32 werden geöffnet. Dies gestattet, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel von der Druckströmungsmittelquelle 42 zur zweiten Kammer 18 und von der ersten Kammer 16 zum Tank 64 fließt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann ein Akkumulator 48 zwischen der Strömungsmitteleingangsleitung 40 und der Strömungsmittelausgangsleitung 58 angeordnet sein, und zwar verbunden parallel mit dem Richtungssteuerventil 26 zwischen Tank 64 und Drucksströmungsmittelquelle 42. Eine Verbindung oder ein Verbindungspunkt 46 ist mit der Strömungsmittelausgangsleitung 58 vorgesehen, welche das Richtungssteuerventil 26 mit dem Akkumulator 48 und Tank 64 verbindet. Eine Strömungsmittelleitung 50 verbindet den Akkumulator 48 mit Verbindungen bzw. Verbindungspunkten 46 und 56.
Zusätzlich ist ein Regenerationssteuerventil 52 in der Strömungsmittelleitung 50 vorgesehen, und zwar zwischen Akkumulator 48 und Verbindungspunkt 56 und kann ein Proportionalventil sein. Wenn das Steuerventil 52 offen ist, so kann unter Druck stehendes Strömungsmittel aus dem Akkumulator 48 zum Verbindungspunkt 56 zugemessen werden, und zwar zur Ergänzung oder zum Ersatz von Strömungsmittelfluss, der normalerweise vorgesehen wird durch die Druckströmungsmittelquelle 42 zum Betätiger 14 oder einem anderen Betätiger oder einer Hilfsvorrichtung, wobei in dem Akkumulator gespeicherte Energie regeneriert wird. Wenn das Steuerventil 52 geschlossen ist, wird das Strömungsmittel daran gehindert aus dem Akkumulator 48 herauszufließen.
Ein Speichersteuerventil 60 kann zwischen dem Verbindungspunkt 46 und dem Tank 64 angeordnet sein, und kann als ein Proportionalventil vorgesehen sein. Wenn das Steuerventil 60 offen ist, so kann Strömungsmittel durch die Strömungsmittelausgangsleitung 48 zum Tank 64 zugemessen werden und das Ausmaß des Drosselns durch das Steuerventil 60 bestimmt den Strömungsmitteldruck am Verbindungspunkt 46. Wenn das Steuerventil 60 geschlossen ist, so wird das Strömungsmittel daran gehindert zum Tank 64 zu fließen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann ein Rückschlagventil 62 in der Strömungsmittelleitung 50 zwischen dem Verbindungspunkt 46 und dem Akkumulator 48 angeordnet sein. Das Rückschlagventil 62 verhindert, dass Strömungsmittel aus dem Akkumulator 48 in die Strömungsmittelausgangsleitung 58 entweicht. Wenn das Arbeitswerkzeug 24 in einer erhöhten Position ist, so übt das Gewicht des Arbeitswerkzeuges 24 eine Kraft durch die Stange 22 auf den Kolben 20 aus. Die Kraft des Kolbens 20 wirkt gegen das Strömungsmittel in einer der ersten und zweiten Kammern 16 und 18. Wenn beispielsweise Pfeil 27 eine Absenkrichtung des Arbeitswerkzeuges 24 bezeichnet, so wird das Gewicht des Werkzeuges am Kolben 20 das Strömungsmittel in der ersten Kammer 16 unter Druck setzen. Um das Werkzeug 24 abzusenken, wird das dritte Zumessventil 32 geöffnet damit dieses unter Druck stehende Strömungsmittel zum Fluss zum Tank 64 hin ablassen kann. Dieses unter Druck stehende Strömungsmittel kann in dem Akkumulator 48 eingefangen werden, und zwar durch Schließen, teilweise oder vollständig, der Steuerventile 60 und 52. Auf diese Weise kann die potentielle Energie, die mit dem angehobenen Arbeitswerkzeug 24 in Beziehung steht, wiedergewonnen werden, und zwar als gespeichertes unter Druck stehendes Strömungsmittel im Akkumulator 48.
Das Strömungsmittel kann auch zum Akkumulator 48 mit einem erhöhten Druck hingeleitet werden, wenn der Benutzer eine bestimmte Arbeitsweise initiiert. Beispielsweise kann ein Benutzer eines Laders die "Rückkehr zum Graben"-Funktion einleiten, was die Freigabe des Arbeitswerkzeuges aus einer erhöhten Position zurück zu einer Erdposition bewirkt. Ansprechend darauf kann das System autonom dem Arbeitswerkzeug 24 schnelles Fallen durch Öffnen des zweiten Zumessventils 30 des dritten Zumessventils 32 und des Steuerventils 60 gestatten. Dies lässt es zu, dass Drucksteuerungsmittel von der Druckströmungsmittelquelle 42 in die zweite Kammer 18 fließt und von der ersten Kammer 16 zum Tank 64, wodurch gestattet wird, dass sich das Werkzeug in der durch Pfeil 27 angedeuteten Richtung bewegt. Die Geschwindigkeit mit der das Arbeitswerkzeug 24 fällt kann durch Modulation entweder des dritten Zumessventils 32 oder des Steuerventils 60 gesteuert werden, wobei aber ein schnelleres Absteigen die Menge an kinetischer Energie in der Form von Moment verfügbar zur Speicherung erhöht, was im folgenden beschrieben wird. Wenn das Arbeitswerkzeug 24 hinreichende kinetische Energie entwickelt, wie beispielsweise dann, wenn das Arbeitswerkzeug 24 über 75% des Weges aus der erhöhten Position zur Erdposition gelaufen ist, so kann das System anfangen das Steuerventil 60 zu schließen. Das Schließen des Steuerventils 60 während des schnellen Fallens des Werkzeuges kann einen scharfen Druckanstieg in Leitung 58 erzeugen, da das Strömungsmittel welches aus der Kammer 16 fließt abrupt zum Fluss durch das Rückschlagventil 62 in den Akkumulator 48 gezwungen wird. Ansteigender Druck im Akkumulator wird allmählich das Werkzeug 24 zum Halten bringen, da die kinetische Energie absorbiert ist und der Druck des gespeicherten Strömungsmittels gleich dem Druck ist, der durch das Gewicht des Werkzeuges auf der ersten Kammer erzeugt wird, oder aber auch diesen Druck übersteigt.
Es wird ins Auge gefasst, dass ein "Lernalgorithmus" in das Steuersystem für das hydraulische System 10 einprogrammiert sein kann. Der Lernalgorithmus kann den Strömungsmitteldruck an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Systems während bestimmter Ladeoperationen überwachen. Basierend auf der Information erhalten durch diese Überwachung kann das Steuersystem das Öffnen und Schließen des Steuerventils 60 einstellen, um den Energiewiedergewinnungswirkungsgrad zu maximieren.
Der Akkumulator 48 kann derart bemessen sein, dass er das gesamte Volumen der ersten Kammer 16 unterbringt. Alternativ kann basierend auf der Erkenntnis, dass ein Teil des Strömungsmittels freigegeben von der ersten Kammer 16 nicht wiedergewinnbar sein kann, der Akkumulator 48 kleiner als das Volumen des ersten Zylinders 16 bemessen werden. Die Bemessung des Akkumulators 48 sollte die Druckströmungsmittelspeicherung und den sich ergebenden Regenerationsvorteil maximieren, während die Größe des Drosselns minimiert wird, welches erforderlich ist um das Arbeitswerkzeug 24 zu einem gesteuerten Stopp zu bringen.
Das in dem Akkumulator 48 gespeicherte Druckströmungsmittel kann durch das Hydrauliksystem 10 sowohl zur Energiewiedergewinnung als auch zur Fahrsteuerung verwendet werden. Um das unter Druck stehende Strömungsmittel im Akkumulator 48 wiederzugewinnen, wird das Steuerventil 52 teilweise oder vollständig geöffnet. Dies gestattet, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel zum Verbindungspunkt 56 fließt, um den durch die Druckströmungsmittelquelle 42 gelieferten Strömungsmittelfluss zu vergrößern. Das Druckströmungsmittel kann sodann zu einer der ersten und zweiten Kammern 16, 18 des hydraulischen Betätigers 14 geleitet werden und dazu verwendet werden das Arbeitswerkzeug 24 zu bewegen, oder aber die Verwendung kann im hydraulischen System in einem andere Betätiger oder in einer anderen Hilfsvorrichtung erfolgen. Durch dieses Verfahren kann potentielle Energie des Arbeitswerkzeuges 24 dadurch eingefangen werden, dass man unter Druck stehendes Strömungsmittel im Akkumulator 48 speichert und später als Energie wiedergewinnt um nutzbringende Arbeit auszuführen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Arbeitsmaschine 12 eine Vielzahl von Hydraulikbetätigern aufweisen, wie beispielsweise einen zweiten Hydraulikbetätiger 68 und einen dritten Hydraulikbetätiger 70. Strömungsmittelleitungen 72 sind mit der Strömungsmitteleingangsleitung 40 an Verbindungspunkt 56 verbunden. Wenn das Steuerventil 52 geöffnet wird, so kann unter Druck stehendes Strömungsmittel gespeichert im Akkumulator 48 zu den zweiten und dritten Hydraulikbetätigern 68 und 70 geleitet werden. Auf diese Weise kann unter Druck stehendes Strömungsmittel eingefangen vom hydraulischen Betätiger 14 entweder zum hydraulischen Betätiger 14 zurückgeführt werden oder für die zweiten und/oder dritten Hydraulikbetätiger 68 und 70 vorgesehen werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt verbinden Strömungsmittelleitungen 74 zweite und dritte Hydraulikbetätiger 68 und 70 mit dem Tank. Alternativ, wie in Fig. 2 gezeigt, können die Strömungsmittelleitungen 74 zweite und dritte hydraulische Betätiger 68 und 70 mit der Strömungsmittelleitung 58 stromaufwärts von dem Verbindungspunkt 46 verbinden. Auf diese Weise kann auch von entweder dem zweiten oder dritten hydraulischen Betätiger 68 und 70 freigesetztes Strömungsmittel zu dem Akkumulator 48 durch Modulation des Steuerventils 60 geleitet werden. Es wird ins Auge gefasst, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel freigegeben von anderen Komponenten an der Arbeitsmaschine 12, wie beispielsweise Antriebsstrangfunktionen, auch in den Akkumulator 48 geleitet werden können.
Wie in Fig. 3 gezeigt, können zusätzliche Speichersteuerventile 82 und 84 alternativ in Strömungsmittelleitungen 74 angeordnet werden, welche die zweiten und dritten Hydraulikbetätiger 68 und 70 mit dem Tank verbinden. Diese Steuerventile 82 und 84 können moduliert werden, um den Strömungsmittelfluss, der aus den zweiten und dritten hydraulischen Betätigern 68 und 70 kommt, zu steuern. Wenn das Steuerventil 82 geschlossen ist, so wird von dem zweiten hydraulischen Betätiger 68 abgegebenes Strömungsmittel durch eine Strömungsmittelleitung 76, ein Rücksteuerventil 78 und einen Verbindungspunkt 96 zum Akkumulator 48 geleitet. Wenn das Steuerventil 84 geschlossen ist, wird von dem dritten hydraulischen Betätiger 70 freigegebenes Strömungsmittel durch eine Strömungsmittelleitung 77, ein Rücksteuerventil 80 und eine Verbindung bzw. einem Verbindungspunkt 96 zum Akkumulator 48 geleitet. In dieser Konfiguration ist der Strömungsmittelfluss von jedem hydraulischen Betätiger 14, 68 und 70 individuell steuerbar und kann individuell zu dem Akkumulator 48 oder zum Tank 64 geleitet werden.
Es wird ins Auge gefasst, dass die oben beschriebenen Steuerventile Zwei- Wege-Proportional-Ventile sein können und sie sind vorzugsweise unabhängige Zumessventile. Die unabhängigen Zumessventile können entlang der Strömungsmittelausgangsleitungen angeordnet sein, welche jeden der hydraulischen Betätiger mit dem Tank verbindet oder die Anordnung kann an irgendeiner anderen geeigneten Stelle erfolgen. Die unabhängigen Zumessventile können dazu verwendet werden, um den Fluss des Druckströmungsmittels freigegeben von jedem hydraulischen Betätiger entweder zum Tank oder zum Akkumulator zu leiten.
Wie ebenfalls in Fig. 3 gezeigt kann eine Hilfsvorrichtung 86 wie beispielsweise ein Ventilator, ein Werkzeugpilot, ein Lenkmotor, eine Getriebesteuerung, eine Druckölversorgung oder ein Bremsakkumulator mit dem unter Druck stehenden Strömungsmittel gespeichert im Akkumulator 48 versorgt werden. Die Hilfsvorrichtung 86 ist mit dem Akkumulator 48 über die Strömungsmittelleitung 88 verbunden. Ein Regenerationssteuerventil 89 kann in Leitung 88 angeordnet sein, um den Strömungsmittelfluss zur Hilfsvorrichtung 86 zu steuern. Das Steuerventil 89 kann geöffnet werden um zu gestatten, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel vom Akkumulator 48 zur Hilfsvorrichtung 86 fließt.
Um das im Akkumulator gespeicherte Druckströmungsmittel in diesem Ausführungsbeispiel zur Fahrsteuerung zu verwenden, werden ein erstes Zumessventil 28, ein viertes Zumessventil 34, Steuerventil 52 und Steuerventil 60 geöffnet. Dies verbindet die erste Kammer 16 mit Akkumulator 48 und die zweite Kammer 18 mit Tank 64. In dieser Konfiguration absorbiert das unter Druck stehende Strömungsmittel innerhalb des Akkumulators 48 die innerhalb des Hydrauliksystems 10 erzeugten Kräfte wenn das Arbeitswerkzeug 24 springt und bewirkt, dass der Kolben 20 sich innerhalb des Gehäuses 15 bewegt.
Das vierte Zumessventil 34 und das Steuerventil 52 können jeweils während der Fahrsteuerung moduliert werden, um den Strömungsmittelfluss zwischen Akkumulator und hydraulischem Betätiger zuzumessen, um die Dämpfungscharakteristika vorgesehen durch das unter Druck stehende Strömungsmittel innerhalb des Akkumulators 48 einzustellen. Die Modulation des vierten Zumessventils 34 und des Steuerventils 52 kann auf dem Druck des Strömungsmittels innerhalb der ersten Kammer 16 und der relativen Position des Kolbens 20 innerhalb des Gehäuses 15 basieren.
Zusätzlich kann es erwünscht sein, den Druck des Akkumulators 48 und den Druck des Strömungsmittels innerhalb der ersten Kammer 16 vor der Einleitung der Fahrsteuerfunktion zu equalisieren um zu verhindern, dass das Arbeitswerkzeug herunterfällt. Um den Druck des Strömungsmittels innerhalb des Akkumulators 48 zu erhöhen, kann das Steuerventil 52 geöffnet werden, um zu gestatten, dass die Druckströmungsmittelquelle 42 Strömungsmittel dem Akkumulator 48 hinzufügt. Um den Strömungsmitteldruck im Akkumulator 48 zu reduzieren, werden das erste Zumessventil 28, das zweite Zumessventil 30 und das Steuerventil 60 geöffnet, um zu gestatten, dass Strömungsmittel aus dem Akkumulator 48 zum Tank 64 austritt.
Wie in Fig. 2 gezeigt, kann der Akkumulator 48 eine Vielzahl von Gehäusen mit gleicher oder unterschiedlicher Kapazität aufweisen, wie beispielsweise ein erstes Gehäuse 49 und ein zweites Gehäuse 51. Die ersten und zweiten Gehäuse können durch Strömungsmittelleitung 50 parallel geschaltet sein. Diese Konfiguration kann dazu führen, dass eine verminderte effektive Federrate für das System auftritt, wodurch die Größe des "Springens" des Arbeitswerkzeuges 24 reduziert wird, wenn das System sich in der Fahrsteuerbetriebsart befindet. Zusätzlich kann diese Konfiguration gestatten, dass das System einen höheren Prozentsatz von unter Druck stehendem Strömungsmittel freigegeben vom hydraulischen Aktuator oder Betätiger einfängt.
Zudem kann im Akkumulator 48 gespeichertes Druckströmungsmittel auch dazu verwendet werden die Druckströmungsmittelquelle 42 zu laden. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann eine Strömungsmittelleitung 98 den Akkumulator 48 mit der Einlassseite der Druckströmungsmittelquelle 42 verbinden. Ein Regenerationssteuerventil 92 kann in der Strömungsmittelleitung 98 angeordnet sein, um den Strömungsmittelfluss durch die Leitung 98 zu steuern. Wenn das Steuerventil 92 geöffnet ist, kann Strömungsmittel durch die Strömungsmittelleitung 98 zu dem Einlass der Druckströmungsmittelquelle 42 fließen. Ein Rückschlagventil 90 kann in der Strömungsmitteleingangsleitung 40 angeordnet sein, um zu verhindern, dass Strömungsmittel durch die Leitung 98 zum Tank 64 fließt.
Wie in Fig. 3 gezeigt, kann ein Entlastungsventil 94 benachbart zum Einlass der Druckströmungsmittelquelle 42 angeordnet sein, um den Druck des in die Druckströmungsmittelquelle 42 eintretenden Strömungsmittels zu regulieren. Wenn der Druck des in die Druckströmungsmittelquelle 42 eintretenden Strömungsmittels zu hoch ist, so wird das Freigabeventil 94 sich öffnen und Strömungsmittel zum Tank 64 ablassen. Diese Konfiguration sieht auch einen zusätzlichen Auslass vor durch den unter Druck stehendes Strömungsmittel zum Akkumulator 48 austreten kann.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, sieht die vorliegende Erfindung ein Hydrauliksystem vor, das Energie freigesetzt von einem hydraulischen Betätiger einfangen kann, wobei dieses zuvor zum Tank abgedrosselt wurde und als Wärme verloren ging, und zwar geschieht dies dadurch, dass die Energie als unter Druck stehendes Strömungsmittel in einem Akkumulator gespeichert wird. Diese Energie kann zur Verwendung in einem oder mehreren hydraulischen Betätigern an der Arbeitsmaschine wiedergewonnen werden. Zudem kann der Akkumulator dazu verwendet werden um eine Fahrsteuerfunktion vorzusehen.
Eine Betriebsart gemäss der Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit einem Radlader beschrieben, und zwar lediglich als Beispiel um die Vorteile und den Nutzen der Erfindung weiter zu erläutern.
Ein Hubzylinder und ein Kippzylinder sind gemeinsam auf einem Radlader vorgesehen, um einen vorne angeordneten Kübel anzuheben und zu Kippen wenn ein Materialhaufen bearbeitet wird und um den Kübel mit Material zu beladen.
Wenn Fahrsteuerung in dem erfindungsgemäßen Hydrauliksystem vorgesehen ist, so wird der Druck im Akkumulator mit dem Druck im Hubzylinder ausgeglichen, und zwar im einfachsten Fall dadurch, dass diese beiden in Strömungsmittelverbindung gebracht werden, was gestattet, dass die Hubhöhe abfällt oder leicht ansteigt. Der Lader fährt dann schnell zu einer Abgabestelle, wobei die Fahrsteuerung in Eingriff steht. Sobald die Abladestelle erreicht ist oder auch früher wenn unter Druck stehendes Strömungsmittel von einer Hilfsvorrichtung angefordert wird, wird die Fahrsteuerung außer Eingriff gebracht, und zwar durch Schließen des Richtungssteuerventils zum Hubzylinder. Die im Akkumulator gespeicherte Energie wird sodann durch das Regenerationssteuerventil an der Pumpenauslassverbindung verfügbar gemacht. Beispielsweise kann die gespeicherte Energie dazu verwendet werden, um den Kübel zu kippen und zu entleeren, und zwar an der Entleerungsstelle. Nach dem Leeren wird der Kübel zur Erde hin abgesenkt, wobei mindestens ein Teil des Strömungsmittels, welches den Hubzylinder verlässt unter Druck im Akkumulator gespeichert wird, und zwar für die zukünftige Energiewiedergewinnung oder die Fahrsteuerbedürfnisse.
Das Hydrauliksystem der vorliegenden Erfindung kann an einer vorhandenen Arbeitsmaschine ohne große Modifikationen des vorhandenen Hydrauliksystems implementiert werden. Die Erfindung erfordert die Hinzufügung einiger weniger Steuerventile. Es ist keine teure zusätzliche Hardware wie beispielsweise Pumpenhydrauliktransformatoren, komplizierte Ventile oder große Akkumulatoren notwendig. Da die vorliegende Erfindung keine motorbetriebene Pumpe oder einen hydraulischen Transformator benötigt, vermeidet das hydraulische System möglicherweise große Verluste die typischerweise bei solchen Vorrichtungen auftreten und auch die Notwendigkeit des Ladens des Pumpeneinlasses tritt nicht auf.
Der Fachmann erkennt, dass verschiedene Modifikationen und Abwandlungen am hydraulischen System der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Rahmen und den Geist der Erfindung zu verlassen. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Betrachtung der Beschreibung sowie der beschriebenen Anwendung der Erfindung.
Die Beschreibung sowie die Beispiele sind nur beispielhaft anzusehen. Der wahre Rahmen und die Essenz der Erfindung werden durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente 20342 angegeben.

Claims

1. Ein Hydrauliksystem welches folgendes aufweist:
einen hydraulischen Betätiger mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer;
einen Akkumulator in Strömungsmittelverbindung mit dem hydraulischen Betätiger und derart ausgelegt, dass eine ausgewählte Menge an unter Druck stehendem Strömungsmittel freigegeben von mindestens einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers gespeichert wird,
ein Richtungs- oder Wegesteuerventil angeordnet zwischen dem hydraulischen Betätiger und dem Akkumulator, wobei das Richtungssteuerventil betätigbar ist, um in selektiver Weise den Akkumulator mit einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers zu verbinden, um zu gestatten, dass unter Druck stehendes Strömungsmittel von dem Akkumulator zu dem hydraulischen Betätiger fließt, um den hydraulischen Betätiger zu bewegen, und um selektiv den Akkumulator mit einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers zu verbinden um Fahrsteuerung vorzusehen.

2. System nach Anspruch 1, wobei eine Druckströmungsmittelquelle vorgesehen ist, und wobei der Akkumulator mit dem Richtungssteuerventil parallel mit der Druckströmungsmittelquelle und dem hydraulische Betätiger geschaltet ist.

3. System nach Anspruch 1, wobei ein zweiter hydraulischer Betätiger vorgesehen ist, und wobei der Akkumulator unter Druck stehendes Strömungsmittel an den zweiten Hydraulikmotor liefert.

4. System nach Anspruch 1, mit einem Steuerventil betätigbar um den Strömungsmittelfluss vom Akkumulator zu einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers zu steuern.

5. System nach Anspruch 6, wobei ein Tank vorgesehen ist, und zwar in Strömungsmittelverbindung mit dem hydraulischen Betätiger und dem Akkumulator und ferner mit einem zweiten Steuerventil betätigbar zur Steuerung des Strömungsmittelflusses in den Tank.

6. Eine Erdbewegungsmaschine mit einem Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Verfahren zum Sammeln von Strömungsmittel in einem Hydrauliksystem, wobei folgendes vorgesehen ist:
Freigabe von unter Druck stehendem Strömungsmittel von einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer in einem hydraulischen Betätiger;
Speichern von mindestens einem Teil des unter Druck stehenden Strömungsmittels freigegeben von dem hydraulischen Betätiger in einem Akkumulator;
Verbinden des Akkumulators mit einer der ersten und zweiten Kammern in dem hydraulischen Betätiger, um den hydraulischen Betätiger mit dem gespeicherten unter Druck stehenden Strömungsmittel zu bewegen; und
Verbindung des Akkumulators mit einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers, um eine Fahrsteuerung vorzusehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei unter Druck stehendes Strömungsmittel in dem Akkumulator dann gespeichert wird, wenn das Arbeitswerkzeug verbunden mit dem hydraulischen Betätiger aus einer erhöhten Position zum Zurückkehren in eine untere Position freigegeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, einschließlich des Schrittes des Modifizierens des Druckes des Strömungsmittels gespeichert in dem Akkumulator um den Druck einer der ersten und zweiten Kammern des hydraulischen Betätigers beim Vorsehen von Fahrsteuerung auszugleichen.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ferner der Schritt des Verbindens des Akkumulators mit einem zweiten hydraulischen Betätiger vorgesehen ist, um den zweiten hydraulischen Betätiger mit dem gespeicherten Druckströmungsmittel zu bewegen.