DE19909279A1 - Antrieb für einen hydraulischen Verbraucher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Antrieb für einen hydraulischen Verbraucher, insbesondere für einen rotierenden hydraulischen Verbraucher an einer mobilen Arbeitsmaschine, z. B. an einem Gabelstapler. Gattungsgemäß besitzt der Antrieb eine Hydropumpe mit einem geradlinig hin- und herbewegbaren Pumpenkolben zur Versorgung des hydraulischen Verbrauchers mit Druckmittel und einen linearen Antriebsmotor für den Pumpenkolben. Damit der Antrieb leise und am Ort des Betriebs abgasfrei ist und einen guten Wirkungsgrad hat, wird als linearer Antriebsmotor ein elektrischer Linearmotor verwendet.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Antrieb, der für einen hydraulischen Verbrau­ cher vorgesehen ist und der die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 aufweist. Der hydraulische Verbraucher ist insbesondere ein Hydromo­ tor, mit dem ein Rad einer mobilen Arbeitsmaschine, z. B. eines Gabelstaplers an­ getrieben wird.

Ein Antrieb der gattungsgemäßen Art ist z. B. aus der WO96/03576 bekannt. Der in dieser Druckschrift gezeigte Antrieb weist als Baueinheit einen Freikolbenmotor und eine hydraulische Plungerpumpe auf. Der Freikolbenmotor ist ein Verbren­ nungsmotor, der während des Betriebs Abgase abgibt. Die Steuerung des Frei­ kolbenmotors ist kompliziert. Außerdem ist er als Verbrennungsmotor recht laut.

Es ist allgemein üblich, eine Hydropumpe durch einen rotierenden Elektromotor anzutreiben, wenn man wünscht oder wenn es zwingend ist, daß am Ort des Be­ triebs keine Abgase ausgestoßen werden. Bei einem solchen Antrieb wird die ro­ tierende Bewegung eines Teils des Elektromotors mechanisch in eine Hubbewe­ gung des oder der Pumpenkolben umgewandelt. Damit sind Wirkungsgradverlu­ ste verbunden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzuentwickeln, daß er mit ei­ nem guten Wirkungsgrad und mit geringen Emissionen arbeitet.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der lineare Antriebsmotor ein elektrischer Linearmotor ist.

Elektrische Linearmotoren sind schon seit über 100 Jahren bekannt und auch in der Patentliteratur beschrieben, jedoch bei weitem nicht so verbreitet wie rotieren­ de Elektromotoren. Hinsichtlich der Arbeitsweise eines elektrischen Linearmotors sei hier nur darauf hingewiesen, daß sich diese Arbeitsweise leicht aus der Ar­ beitsweise des allgemein bekannten rotierenden Elektromotors ableiten läßt. Die bei letzterem zentrisch angeordneten Bauteile Stator und Rotor sind beim elektrischen Linearmotor lediglich aufgerollt und liegen planparallel nebeneinan­ der. Damit wird auch der sonst zylinderförmige Luftspalt planparallel. Aus dem Drehfeld, das im Stator des rotierenden Elektromotors erzeugt wird und das den Rotor zum Drehen bringt, wird beim elektrischen Linearmotor ein Wanderfeld, durch das das bewegliche Teil des Linearmotors vorangetrieben wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Antriebs kann man den Unteransprüchen entnehmen.

Besonders bevorzugt wird dabei eine Ausbildung gemäß Patentanspruch 5, wo­ nach der Pumpenkolben doppeltwirkend ist und von ihm in beide entgegengesetz­ te Bewegungsrichtungen Druckmittel förderbar ist. Auf diese Weise erhält man ei­ ne gleichmäßigere Förderung des Druckmittels als mit einem Pumpenkolben, der nur in die eine Bewegungsrichtung Druckmittel aus einem Pumpenarbeitsraum verdrängt. Im Sinne einer einfachen und platzsparenden Bauweise ist der Pum­ penkolben gemäß Patentanspruch 6 ein Differentialkolben, dessen Hubvolumen bei einer Bewegung in die eine Richtung kleiner als bei einer Bewegung in die an­ dere Richtung ist. Er wird nun vom elektrischen Linearmotor in der Bewegungs­ richtung mit kleinerem Hubvolumen mit einer größeren Geschwindigkeit angetrie­ ben als in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung, wodurch die unterschiedli­ chen Hubvolumina ausgeglichen und die pro Zeiteinheit geförderte Druckmittel­ menge für die beiden Bewegungsrichtungen gleich groß gemacht werden kann.

Gemäß den Patentansprüchen 7 und 8 befinden sich die Hydropumpe und der als Rotationsantrieb ausgebildete hydraulische Verbraucher vorzugsweise in einem sekundärgeregelten hydraulischen Kreis, wobei der hydraulische Verbraucher in seinem Schluckvolumen verstellbar und drehzahlgeregelt ist.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebs, bei dem der Pum­ penkolben ein Differentialkolben ist und Hydropumpe und hydraulischer Verbrau­ cher in einem sekundärgeregelten hydraulischen Kreis liegen, ist in der Zeichnung dargestellt. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.

Gemäß der Zeichnung weist die Hydropumpe 10 einen Zylinder 11 auf, der mit dem Gehäuse eines elektrischen Linearmotors 12 eine Baueinheit bildet. Im Inne­ ren des Zylinders 11 befindet sich ein in Achsrichtung des Zylinders bewegbarer Pumpenkolben 13, von dem einseitig eine Kolbenstange 14 ausgeht, die fest mit dem Pumpenkolben 13 und mit dem beweglichen Teil des elektrischen Linearmo­ tors 12 verbunden ist. Der Pumpenkolben 13 ist somit ein Differentialkolben, der das Innere des Zylinders 11 in zwei in ihrem Volumen jeweils gegensinnig verän­ derbare Arbeitsräume 15 und 16 unterteilt, wobei der Querschnitt des kolbenstan­ genseitigen Arbeitsraums 15 um den Querschnitt der Kolbenstange 14 kleiner ist als der Querschnitt des kolbenstangenabseitigen Arbeitsraums 15. Zwischen je­ dem Arbeitsraum und einer Niederdruckleitung 18, die durch einen Hydrospeicher 19 auf einen niedrigen Druck vorgespannt ist, ist ein zum Arbeitsraum hin öffnen­ des Rückschlagventil 17 angeordnet. Die beiden Rückschlagventile 17 können als Saugventile der Hydropumpe 10 betrachtet werden.

Weiterhin ist zwischen jedem Arbeitsraum 15 bzw. 16 und einer Hochdruckleitung 20 ein Rückschlagventil 21 angeordnet, das vom Arbeitsraum zur Hochdrucklei­ tung 20 hin öffnet. Diese beiden Rückschlagventile 21 stellen die Druckventile der Hydropumpe 10 dar.

Die Hochdruckleitung 20 liegt an einem Hydrospeicher 25, durch den schnelle Änderungen des Druckes in der Hochdruckleitung 20 vermieden werden.

Zwei Hydromotoren 30 sind parallel zueinander mit ihrem Hochdruckanschluß 31 fluidisch mit der Hochdruckleitung 20 und mit ihrem Niederdruckanschluß 32 flui­ disch mit der Niederdruckleitung 18 verbunden. Jeder Hydromotor 30 ist einem Rad 33 z. B. eines Gabelstaplers zugeordnet. Beide Hydromotoren sind in ihrem Hubvolumen über null verschwenkbar, so daß sie die Räder 33 sowohl vorwärts als auch rückwärts antreiben können. Darüber hinaus ist jeder Hydromotor 30 drehzahlgeregelt und liegt somit mit der Hydropumpe 10, den Hydrospeichern 19 und 25 und den verschiedenen Leitungen in einem sekundärgeregelten hydrauli­ schen Kreis. Zur Regelung der Drehzahl wird der Schwenkwinkel eines Hydromo­ tors 30 jeweils auf einen solchen Wert gestellt, daß der Hydromotor unter Berück­ sichtigung der Höhe des Druckes in der Hochdruckleitung 20 ein solches Drehmoment erzeugt, das ausreicht, um das zugeordnete Rad 33 mit der ge­ wünschten Drehzahl zu drehen und damit die mobile Arbeitsmaschine mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen. Sekundärgeregelte hydraulische Kreisläufe sind schon ausführlich beschrieben worden, so daß hier nicht näher auf die Sekundärregelung eingegangen werden muß. Es sei lediglich noch darauf hingewiesen, daß die Hydromotoren 30 zum Abbremsen eines Rads 33 in ihrem Schwenkwinkel so verstellt werden, daß sie als Hydropumpen arbeiten und Druckmittel aus der Niederdruckleitung 18 in die Hochdruckleitung 20 fördern. Man spricht deshalb hinsichtlich der hydraulischen Geräte 30 oft nicht von Hydro­ motoren, sondern von den Sekundäreinheiten eines sekundärgeregelten hydrauli­ schen Kreislaufs.

Der elektrische Linearmotor wird über ein Motorsteuergerät 40 von einer Brenn­ stoffzelle oder einer Batterie 41 mit elektrischem Strom versorgt. Zur Steuerung des Motors wird von einem nicht näher dargestellten Weggeber die Position des beweglichen Teils des Linearmotors 12 erfaßt und über eine Signalleitung 42 an das Motorsteuergerät 40 gegeben. Außerdem wird von einem Drucksensor 43 der Druck in der Hochdruckleitung 20 erfaßt. Ein entsprechendes elektrisches Signal wird über eine Signalleitung 44 ebenfalls an das Motorsteuergerät 40 gegeben.

Im Betrieb wird während eines Vorhubs des Pumpenkolbens 13 der Arbeitsraum, 15 verkleinert. Dadurch wird in ihr enthaltenes Druckmittel über das eine Druck­ ventil 21 in die Hochdruckleitung 20 verdrängt. Über das eine Saugventil 17 strömt Druckmittel aus der Niederdruckleitung 18 in den sich vergrößernden Arbeitsraum 16 hinein. Im Rückhub wird das Druckmittel aus dem Arbeitsraum 16 verdrängt, während sich der Arbeitsraum 15 wieder auffüllt. Dabei ist wegen der Kolbenstan­ ge 14 die pro Wegstrecke verdrängte Druckmittelmenge, also das Hubvolumen der Hydropumpe 10, kleiner als im Vorhub. Um trotzdem im Vorhub und im Rück­ hub die gleiche Druckmittelmenge pro Zeiteinheit in die Hochdruckleitung 20 zu verdrängen, wird der Linearmotor 12 während des Rückhubs so angesteuert, daß er sich mitsamt dem Pumpenkolben 13 schneller bewegt als im Vorhub.

In einem sekundärgeregelten hydraulischen Kreislauf ist es nicht notwendig, daß der Druck in der Hochdruckleitung immer dieselbe Höhe hat. Er sollte sich jedoch nur langsam ändern und in einem bestimmten Druckbereich verbleiben. In Ab­ hängigkeit von dem Signal, das die Motorsteuerung 40 von dem Drucksensor 43 erhält, steuert sie nun den Linearmotor 12 so an, daß durch Konstanthaltung, Er­ höhung oder Erniedrigung der Geschwindigkeit des Linearmotors die von der Hy­ dropumpe geförderte Druckmittelmenge dazu führt, daß der Druck in der Hoch­ druckleitung 20 im gewünschten Intervall verbleibt und starke Druckänderungen vermieden werden.

Denkbar ist es auch, die pro Zeiteinheit von der Hydropumpe 10 geförderte Druckmittelmenge dadurch zu verändern, daß der Linearmotor jeweils unter- schiedlich lange Intervalle stillgesetzt wird und dazwischen jeweils mit der glei­ chen Geschwindigkeit betrieben wird.

Bei einer anderen Ausführungsform kann der rotierende hydraulische Verbraucher ein Hydromotor mit einem konstanten Hubvolumen sein. Zwischen ihm und einer Hydropumpe ist dann ein Hydrotransformator vorgesehen.

Claims (8)

1. Antrieb für einen hydraulischen Verbraucher, insbesondere für einen ro­ tierenden hydraulischen Verbraucher (30) an einer mobilen Arbeitsmaschine, z. B. an einem Gabelstapler,
mit einer Hydropumpe (10) mit einem geradlinig hin und her bewegbaren Pum­ penkolben (13) zur Versorgung des hydraulischen Verbrauchers (30) mit Druck­ mittel und
mit einem linearen Antriebsmotor (12) für den Pumpenkolben (13), dadurch gekennzeichnet, daß der lineare Antriebsmotor ein elektrischer Linear­ motor (12) ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Brennstoffzelle (41) und ein Motorsteuergerät (40), über das der elektrische Linearmotor (12) aus der Brennstoffzelle (41) mit elektrischem Strom versorgt wird.

3. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Batterie (41) und ein Motorsteuergerät (40), über das der elektrische Linearmotor (12) aus der Bat­ terie (41) mit elektrischem Strom versorgt wird.

4. Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil des elektrischen Linearmotors (12) und der damit verbundene Pumpenkolben (13) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegbar sind.

5. Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (13) doppeltwirkend ist und von ihm in beide entgegengesetz­ te Bewegungsrichtungen Druckmittel förderbar ist.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkol­ ben ein Differentialkolben (13) ist und vom elektrischen Linearmotor (12) in der Bewegungsrichtung mit kleinerem Hubvolumen mit einer größeren Geschwindig­ keit angetrieben wird als in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung.

7. Antrieb nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hydropumpe (10) und der rotatorische hydraulische Verbraucher (30) in einem sekundärgeregelten hydraulischen Kreis liegen und der hydraulische Verbraucher (30) in seinem Schluckvolumen verstellbar und drehzahlgeregelt ist.

8. Antrieb nach Anspruch 7 gekennzeichnet durch einen Drucksensor (43), von dem der hochdruckseitige Druck zwischen der Hydropumpe (10) und dem hy­ draulischen Verbraucher (30) erfaßbar ist, wobei vom Drucksensor (43) ein elek­ trisches Signal an das Motorsteuergerät (40) abgebbar und die Geschwindigkeit oder die Hubfrequenz des elektrischen Linearmotors (12) vom Motorsteuergerät in Abhängigkeit von dem erfaßten hochdruckseitigen Druck steuerbar ist.