DE3010913A1

DE3010913A1 - Hydrostatisches antriebssystem

Info

Publication number: DE3010913A1
Application number: DE19803010913
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ehrlinger; Ünal Dipl.-Ing. 7990 Friedrichshafen Gazyakan
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1980-03-21
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1981-10-01
Also published as: GB2072308A; IT1170813B; FR2478769A1; SE449128B; DE3010913C2; GB2072308B; SE8101799L; FR2478769B1; IT8148036A0

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem mit einem offenen Kreislauf nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Antriebssysteme haben sich im normalen Zugbetrieb infolge der stufenlosen Regelung ohne Zugkraftunterbrechung der leichten Umsteuerbarkeit und einer allgemein leichten Bedienung sowie infolge des relativ einfachen Aufbaues bei räumlicher Trennung zwischen der Antriebsmaschine als Energiequelle und Endantriebsstellen - Hydromotoren bewährt. Gegen Überlastung kann diese Anlage durch Einbau von Druckbegrenzungsventilen auch in einfacher Weise gesichert werden.

Besondere Schwierigkeiten treten in so einer Anlage jedoch auf, wenn im Schubbetrieb gefahren wird und der Hydromotor als Pumpe wirkt. Eine Abbremsung dieses Hydromotors kann infolge des offenen Kreislaufes - die Druckflüssigkeit fließt vom Hydromotor in den offenen Druckflüssigkeitssammelbehälter - nicht erfolgen. Auch die Anbringung eines Nachsaugventiles in der Vorlaufleitung, die im Schubbetrieb infolge der Pumpwirkung des Hydromotors leergesaugt wird, brachte keinen Erfolg. Mit der Anbringung einer zusätzlichen Bremse am Hydromotor, die neben anderen Funktionen, z. B. als Sicherheitsbremse, auch bei Schubbetrieb zur Wirkung kommt, bestand zwar eine

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Möglichkeit, die Störanfälligkeit zu verringern, infolge des laufenden Wechsels zwischen Bremsvorgang und normalem Antrieb entstand aber ein völlig unruhiges Antriebsverhalten - Vor-/Rückstoß -, was ebenfalls völlig unbefriedigend war.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydrostatisches Antriebssystem mit einem offenen Kreislauf nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, in dem im Schubbetrieb der Hydromotor in einfacher Weise abgebremst wird, um vor allem eine überlastung zu verhindern, der übergang vom Normalbetrieb zum Schubbetrieb und umgekehrt stoßfrei erfolgt und die Vorteile des offenen Systems im Normalbetrieb optimal genutzt werden.

Diese Aufgabe wird.durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Infolge der direkten Zuführung der anteiligen oder gesamten Rücklaufflüssigkeit in den Vorlauf zum Hydromotor, abhängig vom Druck in dieser Vorlaufleitung, wird im Schubbetrieb, in dem der Hydromotor als Pumpe arbeitet, teilweise oder gänzlich aus dem offenen ein geschlossener Kreislauf mit einem Druck, der von.der Höhe der Schubwirkung im Hydromotor und der Höhe der Federvorspannung, z. B. im Regelventil, abhängt. Eventuell entstehende Leckverluste werden dabei von der Hydropumpe, die normalerweise im Schubbetrieb

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wenigstens mit der Leerlaufleistung beaufschlagt ist, ausgeglichen. Ein Abreißen des Flüssigkextsstromes zwischen Hydropumpe und Hydromotor wird verhindert und auch die Gleitschuhe am Hydromotor können nicht mehr abheben, so daß jegliche Überlastungen im Schubbetrieb verhindert werden. Der Flüssigkeitsstrom in diesem geschlossenen Kreislauf für die Zeit des Schubbetriebes kann durch die Pumpwirkung des Hydromotors auch für die allgemeine Bremsung verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Ansprüchen 2 bis 12 dargestellt.

Die Anordnung der Regeleinrichtung zwischen Hydropumpe und Druckflüssigkeitssammelbehälter einerseits und dem 4/3-Wegeventil andererseits nach Anspruch 2 ist deshalb besonders günstig, weil der Wechsel der FörderStromrichtung nach dem 4/3-Wegeventil nicht berücksichtigt werden braucht.

Die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 und konstruktiv konkrekter nach Anspruch 4, 5, 6 und 7 ermöglicht die optimale Anpassung an alle Betriebszustände hydrostatischer Antriebssysteme.

Das Regelventil ist besonders feinfühlig und einfach anpaßbar und führt dem Vorlauf gerade so viel Druckflüssigkeit aus dem Rücklauf zu, wie es nach dem Betriebszustand erforderlich

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ist. Im Normalbetrieb tritt infolge des völlig offenen Kreislaufes, trotz dieser Regelung im Schubbetrieb, keinerlei Leistungsverlust auf.

Infolge der sehr feinen Regelung des Vorlaufdruckes für den Hydromotor durch das Regelventil ist es nach Anspruch 8 möglich, ohne weitere Regel- oder Steuereinrichtungen diesen Vorlaufdruck auch für die Beaufschlagung der Sicherheitsbremse zu benutzen. Damit ist es möglich, diese Sicherheitsbremse im Schubbetrieb dann mitzuverwenden, wenn doch ein geringer Druckabfall sich einstellt.

In vorteilhafter Weise kann nach Anspruch 9 dieses hydraulische Antriebssystem durch Anordnung einer Drossel im Regelventil während des Schubbetriebes auch als hydrostatische, verschleißfreie Dauerbremse benutzt werden. Die Dämpfung und Abbremsung, die durch die Schaffung des ganz oder teilweise geschlossenen Kreislaufes auf den Hydromotor Einfluß nimmt und ein Übertouren und damit eine Beschädigung verhindert, kann unter der Wirkung dieser Drossel erheblich verstärkt werden.

Erfolgt die Ausgestaltung nach Anspruch 10 oder 11 mit einer verstellbaren Drossel, kann der Differenzdruck zwischen ' Vor- und Rücklauf vom Hydromotor variiert werden. Infolge der Abhängigkeit der Bremswirkung von dieser Druckdifferenz

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ist eine feinfühlige Abbremsung, wie gewünscht, möglich. Diese Anordnung führt also zu einer vollwertigen und sogar verschleißfreien Betriebsbremse, wobei in jeder Drosselstellung der Schutz des Hydromotors gegen Beschädigung infolge Übertouren trotzdem gewährleistet ist.

Mit der Festlegung eines Mindestquerschnittes nach Anspruch 12, der sowohl bei einer festen wie auch bei einer verstellbaren Drossel erfolgen kann, ist z. B. eine Bergabfahrt infolge der konstant wirksamen Drosselung auch mit einer konstanten Abbremsung möglich.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein hydrostatisches Antriebssystem in schematischer Darstellung.

Fig. 2 ein Regelventil nach Schnitt II-II.

Fig. 3 einen Schnitt III-III durch das Regelventil nach Fig. 2.

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Fig. 4 ein Regelventil im Schnitt in einer anderen Ausführung.

Fig. 5 Regelventil nach Fig. 4 mit einer Drossel.

In Fig. 1 ist ein Hydromotor 1, der über ein 4/3-Wegeventil 2 und Regelventil 3 von einer Hydropumpe 4 angetrieben werden kann, dargestellt. Das Druckmittel wird dabei aus einem Druckmittelsammelbehälter 5 angesaugt. Am Hydromotor ist noch eine Sicherheitsbremse 6 angeordnet. Der Hydromotor wird in diesem Beispiel durch je ein Druckbegrenzungsventil 7 für den Vor- und Rückwärtslauf gegen überlastung geschützt. Die Zuführleitung zur Sicherheitsbremse erfolgt in diesem Beispiel nach dem 4/3-Wegeventil mit zwei Kugelventilen, so daß der Druck im jeweiligen Vorlauf auch die Bremse löst und die Bremsleitung gegenüber dem Rücklauf - der ja druckfrei ist - abgeschlossen wird.

Wird mit unterschiedlichen Drücken im Vorlauf für die öffnung des Regelventils zum Behälter hin und für den.Betriebsdruck für den Hydromotor und die Sicherheitsbremse gearbeitet, ist es auch möglich, ohne Kugelventile die Sicherheitsbremse zwischen Regelventil und 4/3-Wegeventil anzuordnen.

Das in Fig. 2 und 3 dargestellte Regelventil 30 hat im Gehäuse 300 Anschlüsse 301, 302, 303, 304 von der Pumpe 4 zum Hydromotor 1 und vom Hydromotor 1 zum Druckflüssigkeits-

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Sammelbehälter 5. Ein Steuerkolben 310 hat eine Verjüngung 311, wodurch sich zwei innenliegende Steuerkanten und 313 ergeben. An einer Stirnseite 314 wird der Steuerkolben 310 vom Druck einer Feder 320 beaufschlagt. Die zweite Stirnseite 315 ist mit dem Vorlaufdruck zum Hydromotor 1 über den Kanal 316 beaufschlagbar. Die Anschlüsse 301, 302, 303 und 304 werden über Ringräume 305, 306, 307 mit dem Raum 308, der sich durch die Verjüngung 311 des Kolbens ergibt, verbunden.

Im Leerlauf wird die Druckflüssigkeit von der Hydropumpe 4 vom 4/3-Wegeventil 2 zum Druckflüssigkeitssammelbehälter 5 geleitet. Der Kolben 310 verschließt dabei zunächst, unter Wirkung der Druckfeder 320, den Anschluß 304 zum Druckflüssigkeitssammelbehälter 5.

Der sich infolge der Pumpwirkung schnell aufbauende Druck im Druckraum 309 gegen die der Feder entgegenwirkende Stirnfläche 315 bewirkt die Verschiebung des Kolbens nach rechts, so daß über den Ringraum 306 und 307 durch die Öffnung an der Steuerkante 313 die Verbindung zum Druckflüssigkeitssammelbehälter 5 hergestellt wird.

Nach Umschaltung des 4/3-Wegeventils in die gezeichnete Stellung wird der Hydromotor 1 mit Druck beaufschlagt und damit angetrieben. Der Rückfluß der Druckflüssigkeit in den Druckflüssigkeitssammelbehälter 5 erfolgt in einfacher

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Weise, weil infolge des Vorlaufdruckes zwischen Hydropumpe und Hydromotor 1 das Regelventil 3 den Durchfluß an der Steuerkante 313, ähnlich wie im Leerlauf, sicherstellt, Wird das 4/3-Wegeventil in die andere Wirkrichtung geschalten, ändert sich am Regelventil 3 nichts, lediglich der Hydromotor 1 wird von der anderen Seite angetrieben und der Rücklauf erfolgt in der bisherigen Vortriebsleitung. In beiden Schaltstellungen des 4/3-Wegeventils 2, in denen der Hydromotor 1 angetrieben wird - vorwärts und rückwärts -, wird infolge des sich aufbauenden Druckes in der jeweiligen Vorlaufleitung die Sicherheitsbremse gelöst. Die jeweilige Rücklaufleitung vom Hydromotor wird dabei durch ein Kugelabschlußventil 8 verschlossen.

Im Schubbetrieb, in dem der Hydromotor 1 schneller läuft als die Hydropumpe 4 und damit der Druck in der Vorlaufleitung und im Druckraum 309 abfällt, bewirkt die Feder 320, die gegen die Stirnfläche 314 des Druckkolbens drückt, eine Bewegung dieses Kolbens nach links, so daß die Steuerkante 313 die Verbindung der Ringräume 306 und 307 verschließen kann und die Steuerkante 312 öffnet dabei die Verbindung der Ringräume 306 und 305, so daß die vom Hydromotor nunmehr als Pumpe geförderte Druckflüssigkeit dem Vorlauf für den Hydromotor wieder zugeführt wird und damit ein weiterer Druckabfall nicht möglich ist.

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Das Regelventil 3 regelt damit auch im Schubbetrieb in einfacher Weise den Druck in der Vorlaufleitung zum Hydromotor und verhindert das Abreißen des Druckflüssigkeitsstromes und damit eine Beschädigung dieses Motors. Eventuelle Leckverluste werden durch die parallel dazu noch arbeitende Hydropumpe 4 ausgeglichen. Der sich zwischen Hydromotor 1 und Regelventil 3 im Schubbetrieb ergebende geschlossene Kreislauf ermöglicht auch eine Bremswirkung im Hydromotor.

Die feine Anpassung des Regelventils an die jeweilige Pumpwirkung des Hydromotors 1 im Schubbetrieb garantiert dabei einen stoßfreien Lauf auch bei extrem sich verändernden Antriebsbedingungen zwischen normalem Antrieb und Schubbetrieb.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Regelventil 60 ist dabei mit einem abgesetzten, zwei verschiedene Durchmesser 617, 618 aufweisenden Regelkolben 610 ausgeführt und hat dazwischen eine Verjüngung 611. Über den an dieser Verjüngung sich ergebenden Kolbenraum und die Verbindungsleitung 61 wird der Hydromotor 1 mit der Pumpe 4 verbunden. Der Anschluß 603 kommt vom Hydromotor und führt in einen ersten Ringraum 605 und bei geöffnetem Kugelventil 609 auch in einen zweiten Ringraum 606. Der Regelkolben hat noch an seinem kleineren Durchmesser zwei Steuerkanten 612 und 613, die mit den Steuerkanten 605' und 606',

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die jeweils die Ringräume 605 und 606 nach außen hin begrenzen, zusammenwirken. Der Anschluß 604 führt zum Druckflüssigkeitsbehälter 5. An der im Durchmesser größeren Stirnseite 614 des Regelkolbens 6LO ist eine Druckfeder angeordnet,. deren Vorspannung verstellbar ist.

Die Wirkung dieses Regelventils 60 ist ähnlich des schon beschriebenen Regelventils 30. Im Normalbetrieb wird zwischen Pumpe und Hydromotor in der Verbindungsleitung 61 und damit auch in den Kolbenraum 608.ein Druck aufgebaut, der den Regelkolben 610 gegen den Druck der Feder 620 bewegt. In der Anfangsphase wird dabei dieser Kolbenraum 60 8 durch das Kugelventil 609 zum Anschluß 603 hin verschlossen. Im Bereich des Betriebsdruckes wird von der Steuerkante diese Verbindung abgetrennt und die Steuerkante 612 ermöglicht die Verbindung vom Hydromotor über den Anschluß 603 zum Anschluß 604 und damit zum Druckflüssigkeitsbehälter 5.

Im Schubbetrieb, in dem der Hydromotor als Pumpe wirkt, fällt "der Druck in dem Kolbenraum 608 ab und der Regelkolben 610 wird vom Druck der Feder 620 ganz oder entsprechend den Druckverhältnissen in der Verbindungsleitung 61 teilweise zurückgedrückt. Die Steuerkante 612 regelt dabei die Verbindung 603, die vom Hydromotor kommt, zum Anschluß 604, der zum Druckflüssigkeitsbehälter führt. Der sich dabei aufbauende Druck öffnet das Kugelventil und über den Verbindungskanal

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und den Ringraum 606 kann Druckflüssigkeit in den Kolbenraum 608 fließen, so daß ein Abreißen des Flüssigkeitsstromes zwischen Hydropumpe und Hydromotor infolge der Pumpwirkung des Hydromotors verhindert wird.

In Fig. 5 ist das Regelventil 80, das im Prinzip dem Regelventil 60 nach Fig. 4 entspricht, im Verbindungskanal 816 zwischen dem Ringraum 806 und dem Rücklauf 803, der vom Hydromotor 1 kommt, noch mit einer Drossel 82 ausgebildet, während der gesamte übrige Aufbau, bis auf eine weitere Ausführung des Regelkolbens, dem der Fig. 4 entspricht. Die Drossel 82 kann dabei mit verstellbarem Drosselquerschnitt versehen werden, z. B. in Form eines Drehschiebers, und dieser Drosselquerschnitt kann auch eine Begrenzung nach unten, also einen Mindestquerschnitt, haben. Mit diesem Aufbau ist das hydrostatische Antriebssystem im Schubbetrieb auch als verschleißfreie Dauerbremse zu nutzen. Es ist möglich, mit der Drossel 82 Einfluß auf den Differenzdruck zwischen der Vorlaufleitung 81 - die im Schubbetrieb für den Hydromotor 1 als Ansaugleitung wirkt - und der Rücklaufleitung 803 auszuüben. Wird also der Drosselquerschnitt verkleinert, steigt der Druck bei entsprechender Schubwirkung im Hydromotor 1 in der Rücklaufleitung - Verbindung 803 - gegenüber der Vorlaufleitung 81 an. Die erzielbare Druckdifferenz ist dabei eine Größe für die Bremswirkung, die auf den Hydromotor 1 und damit auf den Antrieb, z. B. einen Fahrantrieb, ausgeübt wird.

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Eine evtl. erforderliche Kühlung der Druckflüssigkeit im für den Schubbetrieb teilweise oder gänzlich geschlossenen Kreislauf kann dabei in geeigneter Weise durch den im offenen Kreislauf meist vorhandenen Kühler, aber auch natürlich durch einen gesonderten Kühler erfolgen.

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12.03.1980
T-PA pz-hg

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Claims

ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAPEN 3010913 Aktiengesellschaft Friedrichshafen

Hydrostatisches Antriebssystem

Patentansprüche

Γ 1.) Hydrostatisches Antriebssystem mit einem offenen Kreislauf, bei dem zwischen Hydropumpe und Hydromotor ein 4/3-Wegeventil zum wahlweisen Steuern des Druckflüssigkeitsstromes für den Vor- und Rücklauf zum Hydromotor und beim Stillstand dieses Motors in den Druckflüssigkeitsbehälter erfolgt,

dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Kreislauf noch eine Regeleinrichtung (3) angeordnet ist, die im Schubbetrieb einen Teil oder die gesamte Druckflüssigkeit aus dem Rücklauf (11, 21') vom Hydromotor (1) dem Vorlauf (31, 21) direkt zuführt.
2. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (3) zwischen Hydropumpe (4) und dem Druckflüssigkeitssammelbehälter (5) einerseits und dem 4/3-Wegeventil (2) andererseits angeordnet ist.

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3. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung als ein Regelventil (3) ausgebildet ist, das in Abhängigkeit von dem Druck in einer ersten (41, 32, 21), zwischen Hydropumpe (4) und Hydromotor (1) vorhandenen Verbindungsleitung eine zweite (11,· 21', 31'), zwischen Hydromotor (1) und Druckflüssigkeitssammelbehälter (5) angeordnete Verbindungsleitung teilweise oder ganz verschließt und die Druckflüssigkeit von dieser zweiten Verbindungsleitung anteilig öder vollständig in die erste Verbindungsleitung einspeist.
4. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch. gekennzeichnet, daß das Regelventil (30) einen ersten Anschluß (301) von der Hydropumpe (4) und einen zweiten Anschluß (302) zum Hydromotor (1) hat, die immer miteinander verbunden sind und einen Regelkolben (310) aufweist, der in der Mitte verjüngt (311) ist und mit.zwei Steuerkanten (312, 313) in einer ersten Endstellung den ersten und zweiten Anschluß mit einem dritten Anschluß (303) vom Hydromotor (1) kommend verbindet und in der zweiten Endstellung diesen dritten Anschluß (303) mit einem vierten Anschluß (304) zum Druckflüssigkeitssammelbehälter (5) verbindet und den ersten Anschluß (301) absperrt und daß eine Druckfeder (320) den

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Regelkolben (320) in der ersten Endstellung hält, während der Druck zwischen Hydropumpe (4) und Hydromotor (1) dieser Federkraft entgegenwirkt, so daß, abhängig von dem Druck der Druckflüssigkeit und der Druckfeder (320), auch alle Zwischenstellungen des Regelkolbens (310) und die stufenlose Einstellung des Regelbeginns möglich sind.
5. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkolben (310) als Begrenzung der in der Mitte liegenden Verjüngung (311) zwei innenliegende Steuerkanten (312, 313) hat, wobei die erste Steuerkante (312) in Verbindung mit der inneren Begrenzung (305') des ersten Ringraumes (305), der die Verbindung des Kolbenraumes (308) mit dem Anschluß von der Pumpe (301) zum Hydromotor (302) herbeiführt, zusammenwirkt und die zweite Steuerkante (313) in Verbindung mit der inneren Begrenzung (307') des zweiten Ringraumes (307), der den Anschluß (304) zum Druckflüssigkeitsbehälter (5) ermöglicht, zusammenwirkt und daß ein Verbindungskanal (316) im Regelkolben (310) oder im Gehäuse (300) zwischen dem ersten Ringraum (305) und einem stirnseitigen Druckraum (309), der an der zweiten Stirnseite (315) sich anschließt, vorhanden ist.

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6.. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkolben (610) zwei Durchmesser (617, 618) aufweist, in der Mitte verjüngt (611) ist und daß die Verbindungsleitung (61) von der Hydropumpe (4) zum Hydromotor (1) durch den Kolbenraum (608), der sich infolge der Verjüngung (611) des Regelkolbens (610) ergibt, führt, daß an der ersten, im Durchmesser größeren Stirnseite (614) eine Druckfeder (620), deren Vorspannung verändert werden kann, angeordnet ist, daß die im Durchmesser kleinere Regelkolben-, hälfte (617) außenliegende Steuerkanten (612, 613) hat, die mit Steuerkanten (605*, 606¹) an Ringräumen (605, 606) zusammenwirken, wobei der am Regelkolben (610) erste, außenliegende Ringraum (605) mit einem Anschluß (603), der vom Hydromotor (1) kommt, verbunden ist, während dieser Anschluß (603) über eine mit einem Rückschlagventil (609) versehenen Verbxndungskanal (616) auch mit einem zweiten, innenliegenden Ringraum (606) verbindbar ist und daß eine zweite, kleinere Stirnseite des Regelkolbens (610), die gleichzeitig als Steuerkante (612) ausgebildet ist, eine Verbindung vom Hydromotor (1) zum Druckflüssigkeitsbehälter (5) ermöglicht.

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7. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite außenliegende Steuerkante (812) als Begrenzung einer weiteren Verjüngung am Regelkolben (810) gebildet wird und der damit gebildete zweite Kolbenraum (809) eine Verbindung (804) zum Druckflüssigkeitsbehälter (5) hat.
8. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß im Vorlauf (31, 21) für den Hydromotor (1) zwischen dem Regelventil (3) und diesem Hydromotor noch ein Anschluß (9) für die Sicherheitsbremse (6) angeordnet ist.
9. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch' gekennzeichnet, daß im Verbindungskanal (816) zwischen der Vorlaufleitung (81) zum und der Rücklaufleitung (803) vom Hydromotor (1) noch eine Drossel (82) angeordnet ist.
10. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (82) verstellbar ist.

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11. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die regelbare Drossel (82) als Drehschieber ausgebildet ist.
12. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 8, oder 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel einen Mindestdurchgang (821) hat.

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