DE3634549A1

DE3634549A1 - Hydraulische antriebsanordnung

Info

Publication number: DE3634549A1
Application number: DE19863634549
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Koepper
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1986-10-10
Filing date: 1986-10-10
Publication date: 1988-04-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit mindestens einer stufenlos verstellbaren Hydropumpe und mindestens einem stufenlos verstellbaren Hydromotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Bekannte derartige Antriebsanordnungen arbeiten mit konstantem eingeprägten Arbeitsdruck, wobei die Drehzahl des Hydromotors in bezug auf die Soll-Drehzahl geregelt wird (sog. Sekundärregelung) und die Verstellung des Verdrängungsvolumens der Hydropumpe unabhängig von der Regelung der Drehzahl des Hydromotors derart geregelt wird, daß der zur Aufrechterhaltung des Arbeitsdrucks in Abhängigkeit von der abverlangten Leistung erforderliche Volumenstrom gefördert wird (vgl. z. B. DE-Z o + p "ölhydraulik und pneumatik" 29(1985)9, S. 656-677).

Wenn der Hydromotor einer eingangs genannten Anlage plötzlich von voller Leistung und insbesondere von großem Drehmoment in den Leerlauf überführt wird, weil die mechanisch mit ihm verbundene, z. B. in einem Material arbeitende Arbeitsmaschine aus diesem Material herausgenommen und ihr kein Drehmoment abverlangt wird, muß - da der eingeprägte Arbeitsdruck konstant gehalten wird - das Hubvolumen des Hydromotors - zum Teil im ms-Bereich - zu Null gemacht werden. Mit kleiner werdendem Verdrängungsvolumen besteht aber die Gefahr, daß der Hydromotor bei großer Beschleunigung durchdreht. Besonders schwierig ist es, einen bei hohem konstanten Druck sekundärgeregelten Hydromotor bei einer bestimmten Drehzahl im Leerlauf zu halten.

Der eingeprägte Arbeitsdruck wird in der Praxis im Hinblick auf die geforderte Lebensdauer der hydraulischen Maschinen bestimmt und beträgt im allgemeinen 200 bis 250 bar, obwohl die Aggregate statisch und für kurzzeitige Betriebsbeanspruchungen für einen Druck von z. B. 350 bis 420 bar ausgelegt sind. Die Auswahl der Baugröße der hydraulischen Maschinen erfolgt aufgrund des eingeprägten Arbeitsdrucks und der maximal zu übertragenden Drehmomente. Dabei ergeben sich, insbesondere wenn die maximal zu erwartenden Drehmomente wesentlich größer sind als die durchschnittlich auftretenden Drehmomente, sehr große und damit teure Baugrößen. Insbesondere aber auf Fahrzeugen sind große Maschinen oft nur schwierig unterzubringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und die eingangs genannte Anordnung so zu gestalten, daß die hydraulischen Maschinen ohne wesentliche Einbuße einer vorgegebenen Lebensdauer kurzfristig auch höhere Drehmomente als ein durchschnittliches Moment abgeben können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebenen Merkmale gelöst. Allgemein ist die übertragene Leistung einer Hydraulikanlage gleich dem Produkt aus dem Druck p und dem Förderstrom Q und gleichzeitig gleich dem Produkt aus dem Druck p, der Drehzahl und dem Hubvolumen V der Pumpe bzw. des Motors. Während bei Anlagen nach dem Stand der Technik mit konstantem eingeprägten Arbeitsdruck bei vorgegebener Pumpen- und Motordrehzahl die abgebbare Leistung nur über die Verstellung des Hubvolumens erbracht werden kann, macht die Erfindung von der Möglichkeit Gebrauch, sowohl den Druck p als auch das Hubvolumen des Hydromotors zur Steuerung der abgegebenen Leistung heranzuziehen, und zwar bis zum Erreichen des maximalen Hubvolumens. Dazu sucht die Rechnereinheit dasjenige Produkt aus Druck und Hubvolumen aus, bei dem der Gesamtwirkungsgrad der Anlage optimal ist. Die Anlage kann also, und zwar mit wechselndem Druck - bis zum Erreichen des maximalen Hubvolumens des Hydromotors - in einem energieoptimalen Bereich gefahren werden. Um die zum Bestimmen des optimalen Betriebsverhaltens erforderlichen Angaben zu erhalten, ist die Rechnereinheit eingangsseitig mit den entsprechenden Gebern der Hydropumpe, des Hydromotors und der Druckleitung verbunden.

Bei Erreichen des maximalen Hubvolumens des Hydromotors kann die abgebbare Leistung noch dadurch weiter gesteigert werden, daß der jeweilige Druck bis zu einem zulässigen Höchstdruck p _zul hochgefahren wird.

Dadurch, daß für den Arbeitsdruck p in der Druckleitung auch beliebig kleine Werte vorgegeben werden können, ergibt sich nicht nur die Möglichkeit, den Leerlauf des Hydromotors in einfacherer Weise zu regeln, durch geringe Drücke wird auch eine weitgehende Schonung der Maschinen und damit eine längere Lebensdauer der Anlage erreicht. Durch die Möglichkeit einer gelegentlichen Erhöhung des Arbeitsdrucks über einen für die Lebensdauer insgesamt vorgesehenen durchschnittlichen Druck können die Maschinen - gegenüber einer mit konstantem Druck gefahrenen Anlage - deutlich kleiner ausgelegt sein. Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zur Geltung, wenn Spitzenleistungen nur selten abverlangt werden.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben, wobei die hydraulischen Leitungen in der Zeichnung dicker dargestellt sind als die elektrischen Signalleitungen.

Die hydraulische Anordnung weist eine mit im wesentlichen konstanter Drehzahl n _P angetriebene Hydropumpe 1 mit veränderlichem Verdrängungs- oder Hubvolumen V _P mit einer Stromrichtung auf, die einerseits mit einem Tank 2 und andererseits mit einer Druckleitung 3 verbunden ist. Die Hydropumpe 1 weist eine Verstelleinrichtung 4 auf, die über eine elektrische Signalleitung 5 mit dem Ausgang eines Druckreglers 6 verbunden ist.

An die Druckleitung 3 ist über einen Hydrospeicher 8 ein Hydromotor 9 mit veränderlichem Hubvolumen V _M mit zwei Stromrichtungen angeschlossen, der mit seinem anderen Anschluß hydraulisch mit dem Tank 2 in Verbindung steht (die Hydropumpe 1 und der Hydromotor 9 sind mit dem gleichen Tank 2 verbunden, der in der Zeichnung lediglich aus Gründen der Überschaubarkeit mit zwei Symbolen dargestellt ist.) Der Hydromotor 9 ist mechanisch mit einer Arbeitsmaschine 10 gekoppelt und kann in beiden Drehrichtungen als Motor (zum Antreiben) und als Pumpe (zum Bremsen) betrieben werden. Zur Bestimmung der jeweiligen Ist-Drehzahl n _Mi des Hydromotors 9 ist ein Tachogenerator 11 vorgesehen. Der Hydromotor 9 weist eine Verstellvorrichtung 12 auf, die mit dem Ausgang eines Drehzahlreglers 13 über eine Signalleitung 14 verbunden ist. Zur Eingabe der Drehzahl n _Mi ist der Drehzahlregler 13 eingangsseitig über eine Signalleitung 15, 15′ mit dem Tachogenerator 11 und über eine weitere Signalleitung 16 mit einem Geber 17 für die Soll-Drehzahl n _Ms des Hydromotors 9 verbunden.

Die Anordnung weist ferner eine mit einem Datenspeicher versehene Rechnereinheit 18 auf, mit deren Ausgang der Druckregler 6 eingangsseitig über eine Signalleitung 19 verbunden ist. In der Rechnereinheit 18 ist sowohl der Gesamtwirkungsgrad η _P der Hydropumpe 1 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Arbeitsdruck p in der Druckleitung 3 , dem Schwenkwinkel bzw. dem Verdrängungsvolumen V _P und der Drehzahl n _P als auch der Gesamtwirkungsgrad η _M des Hydromotors 9 in Abhängigkeit ebenfalls von dem jeweiligen Arbeitsdruck p, dem Schwenkwinkel bzw. dem Hubvolumen V _M und der Drehzahl n _M sowie der Gesamtwirkungsgrad η _ges der ganzen Antriebsanordnung (η _ges=η _P×h _M) gespeichert. Für den Fall, daß die Anordnung mehrere Hydropumpen 1.j (j = 1, 2, . . . ) und/oder mehrere Hydromotoren 9.j (j = 1, 2, . . . ) aufweist, sind entsprechend viele Wirkungsgrade η _Pj, η _Mj sowie η _ges gespeichert. Dabei ergeben sich die Gesamtwirkungsgrade der Maschinen jeweils als Produkt aus dem jeweiligen volumetrischen Wirkungsgrad η _v und dem mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad η _mh der Pumpe bzw. des Motors. Da sich der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad η _mh - bei konstanter Drehzahl - mit steigendem Druck einem Maximum nähert und der volumetrische Wirkungsgrad η _v - ebenfalls bei konstanter Drehzahl - abnimmt, ergibt sich für den Gesamtwirkungsgrad der einzelnen Maschinen 1 bzw. 9 ein Maximum, das bei einem Druck liegt, der kleiner ist als der größte zulässige Druck p _zul.

An die Druckleitung 3 ist ein Druckgeber 20 angeschlossen, von dem eine Signalleitung 21 mit einer Zweigleitung 21′ zum Druckregler 6 und mit einer weiteren Zweigleitung 21′′ zur Rechnereinheit 18 führt.

Die Verstelleinrichtungen 4 und 12 der Hydropumpe 1 bzw. des Hydromotors 9 sind jeweils mit einer Signalleitung 22 bzw. 23 versehen, durch die ein Signal über den Grad der Verstellung und damit über das jeweilige Hubvolumen V _P bzw. V _M an die Rechnereinheit 18 übermittelt wird.

Die Rechnereinheit 18 ist eingangsseitig weiter über eine Zweigleitung 16′ an den Geber 17 für die Soll-Drehzahl n _Ms des Hydromotors, über eine Signalleitung 24 mit einem Geber 25 für die Drehzahl der Hydropumpe 1 und über die Signalleitungen 15′′, 15 mit dem Tachogenerator 11 verbunden.

Die Funktion der Anlage wird im folgenden beispielhaft erläutert. Die hydraulische Anlage eines Baggers werde mit einem Druck p = 200 bar im Beharrungszustand mit der Solldrehzahl n _Ms des Hydromotors 9 von 1600 U/min und einer abverlangten Leistung N von 140 kW gefahren. Beim Auftreten einer Steigung erhöhe sich die abverlangte Leistung plötzlich auf 180 kW. Hierdurch fällt die Ist-Drehzahl n _Mi des Hydromotors 9 unter die geforderte Soll-Drehzahl n _Ms und der Drehzahlregler 13 gibt aufgrund der Signaldifferenz (n _Ms - n _Mi) ein Signal an die Verstelleinrichtung 12 zur Vergrößerung des Hubvolumens V _M, um das Drehmoment M _d und damit die Ist-Drehzahl n _Mi zu vergrößern und an die Soll-Drehzahl n _Ms anzugleichen. Gleichzeitig muß der Druckregler 6 ein größeres Hubvolumen V _P vorgeben, um - bei gleichbleibender Pumpendrehzahl n _P - einen größeren Förderstrom Q zu produzieren und damit den tatsächlichen Druck p _i wieder an den vorgesehenen Druck p _s anzugleichen.

Aufgrund der geänderten Daten der Maschinen (V _M, V _P, . . . ) prüft die Rechnereinheit 18, ob bei dem (noch) vorgegebenen Solldruck p _s das optimale Betriebsverhalten gegeben ist, d. h. ob die Antriebsanordnung mit optimalem Gesamtwirkungsgrad η _ges gefahren wird, und erhöht daraufhin ggf. den Solldruck p _s, wodurch das Hubvolumen V _M des Hydromotors 9 wieder verkleinert werden kann.

Wenn die Leistungssteigerung bei dem vorgegebenen Solldruck p _s ein Hubvolumen V _M des Hydromotors 9 verlangt, das größer wäre als dessen Maximum, so gibt die Rechnereinheit 18 in jedem Fall einen höheren Solldruck p _s vor, und zwar unabhängig von dem Gesamtwirkungsgrad _ges der Anlage.

Wenn der Bagger eine Rangierbewegung ohne Last ausführt, wird aufgrund der energieoptimalen Auswahl der Rechnereinheit eine neue Vorgabe des Arbeitsdrucks p und der Verstellung des Hubvolumens des Hydromotors vorgegeben.

Wenn die Anlage mehr als einen Hydromotor 9 besitzt, ist der Datenspeicher der Rechnereinheit 18 mit entsprechend vielen Gebern verbunden. Der in einem solchen Fall von der Rechnereinheit 18 ermittelte Druck p richtet sich dann nach dem Motor 9.j dem die größte Leistung abverlangt wird.

Claims

Antriebsanordnung mit mindestens einer stufenlos verstellbaren Hydropumpe mit einer Stromrichtung und mit mindestens einem stufenlos verstellbaren Hydromotor mit zwei Stromrichtungen,
wobei der Ausgang der Hydropumpe und der Eingang des Hydromotors an eine gemeinsame Druckleitung angeschlossen sind,
und wobei die Verstelleinrichtung der Hydropumpe eingangsseitig mit einem Druckregler und die Verstelleinrichtung des Hydromotors eingangsseitig mit einem Drehzahlregler verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druckregler (6) eingangsseitig mit einer Rechnereinheit (18) mit Datenspeicher verbunden ist,
daß die Rechnereinheit (18) eingangsseitig über je eine Signalleitung mit
- - der Verstelleinrichtung (4) der Hydropumpe (1),
- - einem Drehzahlgeber (25) für die Drehzahl (n _P) der Hydropumpe (1),
- - einem an die Druckleitung (3) angeschlossenen Druckgeber (20),
- - der Verstelleinrichtung (12) des Hydromotors (9) und
- - einem mit dem Hydromotor (9) verbundenen Drehzahlgeber (11)
verbunden ist,
daß der Datenspeicher die Wirkungsgrade (η _p, h _M ) der hydraulischen Maschinen (1, 9) als Funktion des Drucks (p), der Hubvolumina (V _P, V _M) und der Drehzahlen (n _P, n _M) enthält und
daß das von der Rechnereinheit (18) an den Druckregler (6) abgegebene Signal zum Verstellen des Hubvolumens (V _P) der Hydropumpe (1) - solange das Hubvolumen (V _M) des Hydromotors (9) unter seinem Maximum (V _Mmax) liegt - an dem Gesamtwirkungsgrad (η _ges) der hydraulischen Maschinen (1, 9) der Anlage orientiert ist.