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HYDROSTATISCHES GETRIEBE, INSBESONDERE FÜR EINEN FAHR-
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ZEUGANTRIEB Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe, insbesondere
für einen Fahrzeugantrieb mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen.
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Nach einem älteren Vorschlag (P 34 09 566) sind sowohl primärseitig
als auch sekundärseitig jeweils zwei hydrostatische Maschinen mit konstantem Schluck-
bzw. Verdrängungsvolumen vorgesehen, die über Schaltkupplungen mit der antreibenden
Kraftmaschine bzw. mit dem Antrieb eines Fahrzeuges verbindbar sind. Die Betätigung
der Kupplungen erfolgt abhängig vom Druck in der zu den Sekundäreinheiten führenden
Hochdruckleitung. Die Baugrößen der Primär- und Sekundäreinheiten sind unterschiedlich.
Sinkt der Hochdruck beim Beschleunigen des Antriebs ab, so wird primärseitig von
einer kleinen auf eine grö-Bere Pumpe umgeschaltet. Sollte der Druck noch weiter
absinken, so werden beide Pumpen zugeschaltet. Entsprechend erfolgt das Zu- und
Abschalten der Sekundäreinheiten, die beim Bremsen, also wenn sie von der Last her
angetrieben sind, vom Motorbetrieb in den Pumpenbetrieb übergehen und Druckmittel
in einen an die Hochdruckleitung angeschlossenen Speicher fördern. Mit dieser Getriebeanordnung
lassen sich die abtriebsseitigen Leistungsanforderungen so erfüllen, daß die Drehzahl
der die Primäreinheiten antreibenden Kraftmaschine stets auf einem etwa konstanten
Wert
gehalten wird und die Kraftmaschine in einem optimalen Verbrauchsbereich
bleibt. Um dies zu erreichen, sind primärseitig und sekundärseitig mehrere hydrostatische
Maschinen nebst den zugehörigen Kupplungen erforderlich. Außerdem arbeitet die Anordnung
im offenen Kreislauf.
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Nach einem anderen Vorschlag (P 34 41 185) arbeitet ein hydrostatisches
Getriebe zum Antrieb einer Winde mit einer Primär- und Sekundäreinheit im geschlossenen
Kreislauf und weist die die beiden Einheiten verbindende Niederdruckleitung einen
Pufferspeicher auf. Beide Einheiten sind regelbar. Die Sekundäreinheit ist drehzahlgeregelt
und die Primäreinheit ist druckgeregelt, um in der Hochdruckleitung einen nach Möglichkeit
konstanten Druck aufrechtzuerhalten.
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Ausgehend von dem eingangs geschilderten hydrostatischen Getriebe
für einen Fahrzeugantrieb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anordnung
hinsichtlich des Bauaufwandes zu vereinfachen und die Anordnung so zu treffen, daß
die Menge des nötigen Arbeitsmittels in der Anordnung verringert wird, um Volumen
und Gewicht einzusparen. Um dies zu erreichen bedarf es ferner einer verbesserten
Regelung.
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Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vcrteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung zielt darauf ab, daß die Primäreinheit im wesentlichen
auf eine konstante Leistung geregelt wird und die aus dem hochdruckseitigen Speicher
entnehmbare durch den Hochdruck und die Arbeitsmittelmenge bestimmte Leistung so
groß ist, daß hieraus die Leistungsanforderung bei Anfahr- und Beschleunigungsvorgängen
gedeckt werden kann. Das von der als Motor arbeitenden Sekundäreinheit in die Niederdruckverbindungsleitung
abfließende Druckmittel wird so aufgeteilt, daß mit der aus dem Hoch-
druckspeicher
entnommenen Druckmittelmenge der Niederdruckspeicher gefüllt wird und die Restmenge
der geregelten Primäreinheit saugseitig zugeführt wird.
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Beim Bremsen der Senkundäreinheit, wobei diese von der Last her angetrieben
wird und als Pumpe arbeitet, wird mit dem aus dem Niederdruckspeicher entnommenen
Druckmittel der Hochdruckspeicher wieder aufgefüllt. Auf diese Weise pendelt ein
Teil des im geschlossenen Kreislauf befindlichen Arbeitsmittels zwischen dem Hochdruck-
und dem Niederdruckspeicher hin und her, während eine verhältnismäßig geringe, durch
die leistungsgeregelte Primäreinheit bestimmte Menge im geschlossenen Kreislauf
umläuft.
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Hieraus ergeben sich verhältnismäßig kleine Leitungsquerschnitte sowie
ein geringer Tankinhalt, da nur wenig Arbeitsmittel als Reserve in Verfügung stehen
muß. Die Einsparung an Volumen und Gewicht ist insbesondere bei einem Fahrzeug vorteilhaft.
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Der hochdruckseitige Druck wird je nach Leistungsanforderung der Sekundäreinheit
und Entleerung bzw. Füllung des Speichers bestimmt, d.h. bei hohem Schluckvermögen
der Sekundäreinheit wird der Druck entsprechend absinken, während bei Rückstellung
der Sekundäreinheit in Richtung kleines Schluckvermögen der Druck ansteigt. Es ergibt
sich somit eine proportionale kontinuierliche Beziehung zwischen Druck und Schluckvermögen
der Sekundäreinheit. Die Druckdifferenz zwischen dem maximalen und dem minimalen
Druck ist insofern vorteilhaft, als bei einem vorgegebenen Speichervolumen die gespeicherte
Arbeitsmittelmenge umso höher ist je größer der Druckunterschied ist. Der Druck
in der Niederdruck leitung muß gegenüber dem Hochdruck so gewählt werden, daß die
entsprechend der hochdruckseitigen Druckdifferenz gespeicherte Druckmittelmenge
im Hochdruckspeicher auch im Niederdruckspeicher Aufnahme finden kann.
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Außerdem ist der Leistungsregelung der Primäreinheit eine
Druckregelung
überlagert, die dann eingreift, wenn der Hochdruckspeicher gefüllt ist und der Hochdruck
nicht weiter erhöht werden soll, sowie dann, wenn sekundärseitig weniger Leistung
als die Grundlast der Primäreinheit benötigt wird. In beiden Fällen wird dann das
Verdrängungsvolumen der Primäreinheit nötigenfalls bis zur Nullförderung verringert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der einzigen
Figur der Zeichnung erläutert, in der ein hydrostatischer Fahrzeugantrieb schematisch
dargestellt ist.
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Eine Primäreinheit 10 und eine Sekundäreinheit 11 sind über eine Hochdruck-Verbindungsleitung
12 und eine Niederdruck-Verbindungsleitung 14 miteinander verbunden, arbeiten also
im geschlossenen Kreislauf. Beide Einheiten sind hydrostatische Maschinen, z.B.
Axialkolbenmaschinen, deren Stellglied aus einem ersten Verstellbereich, in dem
die Maschine als Pumpe arbeitet, über Null hinweg in einen zweiten Verstellbereich
verschwenkbar ist, in der die Maschine als Motor arbeitet. Zur Verstellung des Stellgliedes
der Maschine 10 ist ein Stellzylinder 15 vorgesehen, dessen Zylinderräume über ein
Kurzschlußventil 16 und ein Servoventil 17 oder Proportionalventil mit einem Tank
bzw.
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einem Steuerdruck beaufschlagbar sind, um die gewünschte Einstellung
des Stellgliedes zur Regelung der geförderten bzw. aufgenommenen Druckmittelmenge
zu ermöglichen. Das Servoventil 17 wird von einer Regelschaltung 18 angesteuert,
an deren Eingängen verschiedene Spannungen anliegen.
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Es handelt sich dabei um eine dem Druck p proportionale Spannung,
die von einer an die Hochdruckleitung 12 angeschlossenen Druckmeßdose2D erzeugt
wird, sowie eine der Drehzahl nl der Primäreinheit 10 proportionale Spannung, die
von einem Tachogenerator 21 geliefert wird und eine dem SchwenkwinkeloCdes Stellgliedes
der Primärmaschine
10 proportionale Spannung, die in einem dem Verstellzylinder
15 zugeordneten Wegaufnehmer 22 erzeugt wird.
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Für die Verstellung des Stellgliedes der Sekundäreinheit 11 in beiden
Verstellbereichen ist ebenfalls ein Stellzylinder 25 vorgesehen, dessen Zylinderräume
über ein Kurzschlußventil 26 und ein Servoventil 27 mit einer Druckmittelquelle
bzw. dem Tank verbindbar sind. Das Servoventil 27 wird von einer Regelschaltung
28 angesteuert, an dessen Eingängen einerseits eine der Drehzahl n2 der Sekundäreinheit
proportionale Spannung, die im Tachogenerator 29 erzeugt wird, und eine gewünschte,
willkürlich einstellbare Spannung n2soll anliegen. Die Sollwertdrehzahl wird in
nicht dargestellter Weise an einem Potentiometer eingestellt, das von einem Fahrpedal
betätigt wird.
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In der Hochdruckleitung sind zwei Wegeventile 31 und 32 angeordnet,
die als schaltbare Rückschlagventile ausgebildet sind. Beide Wegeventile können
also von ihren zugeordneten Wegeventilen 33 bzw. 34 in Offenstellung geschaltet
werden.
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Hochdruckseitig befindet sich der Anschluß für einen Speicher 35 zwischen
den beiden Wegeventilen 31 und 32. Der Anschluß erfolgt über ein weiteres Wegeventil
36, das von einem Wegeventil 37 in Offenstellung schaltbar ist. Der Steuerdruck
zum Öffnen des Wegeventils 36 wird über ein Wechselventil 38 entweder von der Hochdruckleitung
12 oder vom Speicher 35 herangeführt.
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Der Anschluß eines niederdruckseitigen Speichers 40 erfolgt ebenfalls
über ein Wegeventil 41 und ein zugeordnetes Wegeventil 42 zum Schalten des Wegeventils
41 in die Offenstellung.
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Ferner ist die Niederdruckleitung 14 über ein Druckbegrenzungsventil
44 sowie parallel hierzu über ein Wegeventil 45 und ein weiteres Druckbegrenzungsventil
46 an einen
Tank T angeschlossen. Das Druckbegrenzungsventil 44
ist auf einen höheren Druck, beispielsweise 30 Bar als das Druckbegrenzungsventil
46 mit einem Druck von beispielsweise 15 Bar eingestellt. In der gezeichneten Schaltstellung
des Wegeventils 45 kann also der Niederdruck in der Leitung 14 nur bis 15 Bar ansteigen,
während in der anderen Schaltstellung des Wegeventils 45 das Druckbegrenzungsventil
46 abgeschaltet ist und damit der Druck in der Niederdruckleitung 14 auf den vom
Druckbegrenzungsventil 44 vorgegebenen Wert ansteigen kann.
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Alle Wegeventile 33,34,37,42 und 45 sind elektrisch betätigbar.
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Die Hochdruckleitung 12 ist mit der Niedervdruckleitung 14 über ein
Hochdruckbegrenzungsventil 47 verbunden. Außerdem sind entsprechend geschaltete
Rückschlagventile 48 und 49 vorgesehen. Zur Nachspeisung von Arbeitsmittel aus dem
Tank T dient ferner eine Speisepumpe 50 mit einem Rückschlagventil 51.
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Das bisher erläuterte hydrostatische Getriebe arbeitet wie folgt:
Bei abgeschalteter Anlage sind die Speicher 35 und 40 über die Wegeventile 31,32,
und 41 abgesperrt, so daß sie sich nicht entladen können. Zur Inbetriebnahme werden
die genannten Wegeventile über eine elektrische Betätigung der ventile 33,34, und
42 geöffnet. Damit werden die Speicher an die Leitungen 12 bzw. 14 angeschlossen
und die Durchflußrichtung von der Primäreinheit 10 zur Sekundäreinheit 11 frei.
Der Druck in der Niederdruckleitung 14 wird von dem Druckbegrenzungsventil 46 auf
den Wert von 15 Bar eingestellt. Wird die Primäreinheit 10 nunmehr von der Kraftmaschine
M angetrieben, so steht saugseitig ein Druck von 15 Bar zur Verfügung. Damit werden
Kavitationsprobleme in der Primäreinheit 10 beim Anfahren vermieden.
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Die Primäreinheit 10 lädt nun den Hochdruckspeicher 35 auf.
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Sobald der Speicherdruck den zulässigen Höchstwert erreicht,
wird
druckabhängig das Stellglied der Primäreinheit 10 in Richtung Fördermenge Null verstellt,
der Schwenkwinkel der Primäreinheit also verkleinert und auf Null zurückgestellt.
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Dies erfolgt über ein entsprechendes Signal am Eingang pHD des Reglers
18.
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Zum Anfahren wird das Stellglied der Sekundäreinheit 11 in Richtung
Motorbetrieb ausgeschwenkt, indem die Eingangsspannung für die Sollwertdrehzahl
am Regler 28 erhöht wird.
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Sobald die Antriebsdrehzahl n2 einen bestimmten, verhältnismäßig kleinen
Wert erreicht hat, der am Tachogenerator 29 erfaßt wird, wird das Wegeventil 45
umgeschaltet und damit das Druckbegrenzungsventil 46 abgeschaltet. Es ist nun das
Druckbegrenzungsventil 44 wirksam, das auf einen höheren Druck eingestellt ist.
Der weitere Fahrbetrieb erfolgt also stets mit dem höheren am Druckbegrenzungsventil
44 eingestellten Niederdruck. Damit wird erreicht, daß bei einem vorgegebenen Volumen
des Niederdruckspeichers 40 durch den erhöhten Niederdruck eine größere Arbeitsmittelmenge
speicherbar ist. Der Niederdruckspeicher 40 ist somit in der Lage, das vorgesehene
Pendelvolumen zu speichern.
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Die Primäreinheit 10 fördert die Arbeitsmittelmenge, die für die am
Fahrpedal gewählte Abtriebsdrehzahl n2 und das vom Fahrzeug benötigte Drehmoment
gebraucht wird, das vom Fahrwiderstand, der Beschleunigung und der Zuladung des
Fahrzeuges abhängig ist. Die Einstellung des Verdrängungsvolumens der Primäreinheit
10 erfolgt leistungsgeregelt.
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Die Leistung ergibt sich aus dem Hochdruck pHDund dem Verdrängungsvolumen
Q, das seinerseits aus der Antriebsdrehzahl n1 und dem Schwenkwinkel 6 bestimmt
ist. Aus diesen Werten ermittelt der Regler 18 ein der Leistung proportionales Stellwertsignal,
das dem Servoventil 17 zugeführt wird, welches über das geöffnete Kurzschlußventil
16 den Stellzylinder 15 so beaufschlagt, daß der Schwenkwinkel der gewünschten Leistung
entspricht. Dabei soll im wesentlichen eine vorbestimmte Leistung konstant gehalten
werden. Diese Leistung beträgt beispielsweise 30 kW. Übersteigt die von
der
Sekundäreinheit 11 benötigte Leistung die von der Primäreinheit 10 gelieferte Leistung,
wenn also das Schluckvolumen der Sekundäreinheit 11 größer als das von der Primäreinheit
10 gelieferte Fördervolumen ist, so wird das benötigte Druckmittel aus dem Speicher
35 geliefert und der Hochdruck sinkt. Das von der Sekundäreinheit 11 in die Niederdruckleitung
14 geförderte Druckmittel wird im Niederdruckspeicher 40 gespeichert, so daß das
bei einem Beschleunigungsvorgang aus dem Hochdruckspeicher 35 entnommene Druckmittel
vollständig in den Niederdruckspeicher 40 gelangt. Anfangs hat der Hochdruckspeicher
35 den höchsten und der Niederdruckspeicher 40 den geringsten Druck.
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Am Ende des Beschleunigungsvorganges sind die Verhältnisse umgekehrt,
d.h. der Hochdruckspeicher 35 hat den minimalen und der Niederdruckspeicher 40 den
maximal möglichen Druck.
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Sollte der Hochdruck einen bestimmten eingestellten Wert Phdmin unterschreiten,
so wird über den Regler 28 und das Servoventil 27 das Stellglied der Sekundäreinheit
11 in Richtung geringerer Drehzahl zurückgestellt, das Schluckvolumen der Sekundäreinheit
11 somit verkleinert. Damit wird das abgegebene Drehmoment geringer und die Fahrzeuggeschwindigkeit
langsamer.
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Die geschilderten Verhältnisse gelten auch für die Fahrt mit konstanter
Geschwindigkeit. Die Primäreinheit 10 wird annähernd auf eine konstante Leistung
von beispielsweise 30 kW geregelt. Wird von der Sekundäreinheit eine höhere Leistung
benötigt, so wird diese aus dem Hochdruckspeicher 35 entnommen und im Niederdruckspeicher
40 abgespeichert.
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Ist die der Sekundäreinheit 11 abgeforderte Leistung geringer als
die Grundleistung der Primäreinheit 10, so steht die Differenzleistung zum Aufladen
des Hochdruckspeichers 35 zur Verfügung.
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Es ist bereits erwähnt worden, daß die Primäreinheit 10 abhängig vom
Hochdruck zurückgeregelt wird, wenn der maximal zulässige Hochdruck im Speicher
35 erreicht ist. In
diesem Fall ist also der Leistungsregelung
der Primäreinheit 10 eine druckabhängige Regelung (Druckabschneidung) überlagert.
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Zum Rückwärts fahren wird das Servoventil 27 vom Regler 28 mit einem
Stellwertsignal umgekehrter Polarität angesteuert, so daß das Stellglied über Null
in den anderen Verstellbereich schwenkt und bei gleichbleibender Drehrichtung der
Primäreinheit 10 die Drehrichtung der Sekundäreinheit 11 umgekehrt wird.
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Beim Verzögern bzw. Bremsen des Fahrzeuges wird ebenfalls bei gleichbleibender
Drehrichtung der Sekundäreinheit 11 das Stellglied in den anderen Verstellbereich
geschwenkt, so daß die Sekundäreinheit als Pumpe arbeitet und von der Last her angetrieben
Druckmittel aus dem Niederdruck speicher 40 in den Hochdruckspeicher 35 fördert.
Mit steigendem Druck in der Hochdruckleitung 12 wird das Verdrängungsvolumen der
Primäreinheit 10 verringert. Dies erfolgt mittels der der Leistungsregelung überlagerten
Druckregelung. Ist der maximal zulässige Druck im Speicher 35 erreicht, so wird
die Primäreinheit 10 auf Null zurückgestellt. Ist als Antrieb M ein Elektromotor
vorgesehen, so kann die Primäreinheit 10 in den anderen Verstellbereich geschwenkt
werden und arbeitet dann bei gleicher Drehrichtung als Hydromotor, der den Elektromotor
mit übersynchroner Drehzahl antreibt, d.h. der Elektromotor arbeitet als Generator.
Am Stellglied der Primäreinheit 10 ist eine mechanische Hubbegrenzung vorgesehen,
damit die vom Generator abgegebene Leistung nicht überschritten wird.
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Über das Druckbegrenzungsventil 47 wird ein weiterer Anstieg des Druckes
verhindert. Dieses Ventil würde auch ansprechen, wenn der Antrieb der Primäreinheit
10 von einer Brennkraftmaschine erfolgt und der Hochdruck den am Ventil 47 eingestellten
Wert überschreitet.
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Es wird also auch beim Verzögern bzw. Bremsen zuerst der Hochdruckspeicher
35 geladen und dann die Primäreinheit 10 ggf. in den Motorbetrieb umgeschaltet,
wobei ebenfalls eine
bestimmte Leistung nicht überschritten wird.
Um eine zu starke Erwärmung im Generatorbetrieb des Motors zu vermeiden, kann z.B.
temperaturabhängig die Durchflußrichtung zur Primäreinheit 10 über das Wegeventil
31 gesperrt werden. Gleichzeitig kann der Schwenkwinkel der Primäreinheit auf einen
minimalen Wert zurückgestellt werden, so daß der Motor nur wenig belastet wird.
Kavitationsprobleme werden mit dem Rückschlagventil 48 vermieden.
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Soll das Fahrzeug voll gebremst werden, so muß das von der Sekundäreinheit
11 gelieferte Druckmittel unmittelbar über die Druckbegrenzungsventile 47 und 44
zum Tank zurückgeführt werden, um die größtmögliche Verzögerung zu erhalten. Deshalb
werden die Wegeventile 31 und 36 über die Entregung der zugehörigen Ventile 33 und
37 abgesperrt, so daß Arbeitsmittel weder zum Speicher 35 noch zur Primäreinheit
10 strömen kann. Ferner wird eine mechanische Bremse ausgelöst.
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Über die Speisepumpe 50 wird das zum Tank abgeflossene Arbeitsmittel
wieder in den Kreislauf eingespeist. Beim Abstellen der anlage werden die Wegeventile
33,34,37 und 42 entregt und damit die zugehörigen Wegeventile abgesperrt. Damit
wird die Durcbflußrichtungvon den Speichern 35 und 40 zur Hochdruck- und Niederdruckleitung
gesperrt. Außerdem wird das Druckbegrenzungsventil 46 über das Wegeventil 45 an
die Niederdruckleitung 14 angeschlossen, so daß zum Anfahren niederdruckseitig der
kleinere Druck zur Verfügung steht. Damit herrscht im Niederdruckspeicher 40 der
minimale Druck und behält der Hochdruckspeicher 35 ggf. den maximalen Druck von
beispielsweise 325 Bar bei. Wird die Primäreinheit wie erwähnt auf eine Leistung
von 30 kW geregelt und wird angenommen, daß eine Beschleunigungsleistung von 100
kW erforderlich ist, so liefert der Hochdruckspeicher 35 eine Leistung von 70 kW,
deren zugehöriges Arbeitsmittelvolumen als Pendelvolumen in dem Niederdruckspeicher
40 gespeichert wird.