DE4000185A1

DE4000185A1 - Vorrichtung und verfahren zum verhindern von kavitation in einem hydrostatischen getriebe mit geschlossenem kreislauf

Info

Publication number: DE4000185A1
Application number: DE19904000185
Authority: DE
Inventors: Probir K Chatterjea
Original assignee: Komatsu America International Co
Current assignee: Komatsu America International Co
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1990-01-05
Publication date: 1990-07-12
Also published as: JPH02245573A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Vermindern der Kavitations wahrscheinlichkeit in einem hydrostatischen Getriebe mit geschlossenem Kreislauf, wenn in dem hydrostatischen Kreislauf ein plötzlicher Anstieg in der Nachfrage nach Ladefluß auftritt. Diese Nachfragespitze von kurzer Dauer kann auf einen schnellen Anstieg in der Pumpen- oder Motorverdrängung zurückzuführen sein.

Hydrostatische Getriebe mit geschlossenem Kreislauf, wie die zur Kraftübertragung auf Räder oder endlose Ketten von Maschinen wie Planierraupen, Traktoren und Hubwagen verwendeten, weisen hydraulische Antriebspumpen, die über Diesel- oder Benzinmotoren betrieben werden, und hydraulische Motoren auf, die durch den von der Pumpe erzeugten Druck angetrieben und über zwischen der Pumpe und dem Motor angebrachte hydraulische Leitungen versorgt werden.

Üblicherweise ist für jede angetriebene endlose Kette ein separates Getriebe vorgesehen.

In einem typischen System mit geschlossenem Kreislauf wird die Flüssigkeit an den Kreislauf durch eine Ladepumpe geliefert, wodurch infolge von undichten Stellen verlorene Flüssigkeit ersetzt und auf Nachfrage ein zusätzliches Volumen geliefert wird. In einigen Systemen werden Antriebspumpen und -motoren mit variabler Verdrängung verwendet, die ein variables Drehmoment und eine variable Geschwindigkeit am Rad oder der endlosen Kette erlauben. Das Abbremsen eines Antriebsbauteils am Ende, wie eines Rades oder einer endlosen Kette, kann in solchen Systemen durch Reduzieren der Verdrängung in der Pumpe erreicht werden. Wenn die Verdrängung nahe Null ist, kann die Flüssigkeit nicht leicht in den Kreislauf fließen, und somit wird auf den Motor eine Bremskraft angewandt.

Als Reaktion auf ein schnelles Ansteigen der Motorverdrängung, um die Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu vermindern, kann innerhalb des Kreislaufes ein Bedarf an großen Volumina auftre ten. Die Trägheit des Fahrzeuges bewirkt, daß der Motor versucht, mit seiner Drehbewegung fortzufahren und dadurch einen Unter druckzustand an der Einlaßseite des Motors zu bewahren. Wenn dieser Bedarf von der Ladepumpe nicht gedeckt wird, kann Kavitation auftreten. In solch einer Situation ermöglicht es die Mischung von Flüssigkeit und Luft in dem Kreislauf, daß der hydraulische Motor mit seiner Drehbewegung fortfährt, weshalb das Fahrzeug nicht gestoppt werden kann. Kavitation kann auch größere permanente Schäden an der Pumpe und dem Motor bewirken.

Um die Möglichkeit von Kavitation zu vermindern, können Ladepum pen überdimensioniert werden, wodurch das dem Kreislauf zur Verfügung stehende Flüssigkeitsvolumen ansteigt; wenn jedoch das vergrößerte Volumen von der Ladepumpe nicht rechtzeitig im Kreislauf erscheint, wird dennoch Kavitation auftreten.

Daher liegt nicht nur die Notwendigkeit vor, einen vergrößerten Flüssigkeitsfluß an den hydraulischen Kreislauf zu liefern, sondern auch, dies schnell als Reaktion auf den Flüssigkeitsbe darf zu tun.

Erfindungsgemäß wird ein hydrostatischer Kreislauf geschaffen, der eine Antriebspumpe mit variabler Verdrängung, einen Motor und eine Ladepumpe aufweist. Die Pumpe mit variabler Verdrängung und der Motor sind durch erste und zweite Hydraulikleitungen verbunden. Zwischen die erste und die zweite Hydraulikleitung sind Rückschlagventile geschaltet, und eine dritte Hydraulik leitung ist zwischen den beiden Rückschlagventilen angeschlossen. Die Rückschlagventile und die Hydraulikleitungen sind so angeordnet, daß, wenn der Druck in der ersten Hydraulikleitung größer ist als der Druck in der dritten Leitung, das Rückschlag ventil dazwischen geschlossen ist. Wenn der Druck in der zweiten Hydraulikleitung größer ist als der Druck in der dritten Hydraulikleitung, ist in ähnlicher Weise das Rückschlagventil zwischen diesen Leitungen geschlossen. Die Ladepumpe ist an die dritte Hydraulikleitung angeschlossen und liefert durch die Rückschlagventile Flüssigkeit in den hydraulischen Kreislauf, wenn der Druck in einer der ersten beiden Hydraulikleitungen unter den Druck in der dritten Hydraulikleitung fällt. Ein Druckspeicher ist an die dritte Hydraulikleitung angeschlossen, und zwar vorzugsweise nahe den Rückschlagventilen. Der Druck speicher liefert bei Bedarf schneller Flüssigkeit an den Hydraulikkreislauf, als durch Überdimensionieren der Ladepumpe erreicht werden kann. Dies resultiert in einem Abnehmen der Kavitationswahrscheinlichkeit im Kreislauf, während eine kleinere Ladepumpe ermöglicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden unter Verwendung einer Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Schema eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes mit geschlossenem Kreislauf, das in Bulldozern, Gabelwagen und anderem schweren Gerät zum Antreiben von Rädern, endlosen Ketten und anderen Endantriebsmitteln verwendet werden kann.

Nun sei auf Fig. 1 verwiesen. Eine Antriebspumpe 10 mit variabler Verdrängung, die von einer Kraftmaschine 15 angetrieben wird, ist vorzugsweise von einem Typ mit axial orientierten Kolben und einer Taumelscheibe.

Ein Motor 20 mit variabler Verdrängung, dessen Geschwindigkeit und Verdrängung verändert werden können, ist vorzugsweise von einem Typ mit gebogener Achse und ist über Hydraulikleitungen 16 und 16′ an die Antriebspumpe 10 angeschlossen. Für eine gegebene Fördermenge der Antriebspumpe 10 ist die Geschwindigkeit des Motors 20 um so niedriger, je größer die Verdrängung des Motors 20 ist.

Zwischen den Hydraulikleitungen 16 und 16′ sind, wie gezeigt, Rückschlagventile 60 und 60′ angeschlossen, so daß durch die Rückschlagventile 60 und 60′ kein Fluß von der Hydraulik leitung 16 in die Hydraulikleitung 16′ oder umgekehrt auftreten kann.

Eine Hydraulikleitung 65 ist zwischen den Rückschlagventilen 60 und 60′ angebracht, so daß Flüssigkeit von der Hydraulik leitung 65 durch die Rückschlagventile 60 oder 60′ in beide Hydraulikleitungen 16 oder 16′ fließen kann, wenn der Druck in der Hydraulikleitung 65 größer ist als der Druck in der jeweili gen Hydraulikleitung 16 oder 16′. Eine Hydraulikleitung 35 ist an der Hydraulikleitung 65 angebracht und verbindet eine Ladepumpe 30 durch die Rückschlagventile 60 und 60′ mit den Hydraulikleitungen 16 und 16′. Die Ladepumpe 30 ist typischer weise eine Pumpe mit konstanter Verdrängung, und eine ihrer Funktionen ist, Flüssigkeit in dem hydraulischen Kreislauf zu ergänzen, die durch undichte Stellen verloren worden ist. Ein Reglerventil 70, vorzugsweise von einem Spulentyp, begrenzt das Niveau, bis zu dem der von der Ladepumpe 30 gelieferte Druck ansteigen kann, und zwischen der Ladepumpe 30 und dem Regler 70 kann ein Filter 110 vorgesehen sein, um die Flüssigkeit zu filtern, bevor sie aus dem Reservoir in den Kreislauf eingeführt wird.

Ein vorzugsweise gasgeladener Druckspeicher 80 ist an die Hydraulikleitung 65 angeschlossen und wird ebenso von der Ladepumpe 30 versorgt. Im idealen Falle sollte er so nahe wie möglich an den Rückschlagventilen 60 und 60′ angeordnet sein.

Normalerweise werden in diesem Typ von Kreislauf Überkreuzungs- Überdruckventile 50 und 50′ verwendet, um einen Maximalwert für die Druckdifferenz zum Antreiben und Bremsen zwischen den Hydraulikleitungen 16 und 16′ zu ermöglichen.

Zum Zwecke der Erklärung sei nun angenommen, daß die Antriebspum pe 10 so eingestellt ist, daß die Hydraulikleitung 16 die Ausströmungsleitung ist und die Hydraulikleitung 16′ der Rücklauf. Somit liegt in der Hydraulikleitung 16 ein höherer Druck vor als in der Leitung 16′.

Ein Endantriebsbauteil 100, das die Form eines Rades oder einer endlosen Kette oder von Ähnlichem annehmen kann, wird verlangsamt und dann abgebremst, indem die Verdrängung des Motors 20 vergrößert und die Verdrängung der Antriebspumpe 10 im wesent lichen auf Null reduziert wird. Wenn die Verdrängung abnimmt, passiert die Flüssigkeit nicht sogleich die Antriebspumpe 10, womit ein Bremseffekt auf den Motor 20 ausgeübt wird. Wenn die Motorverdrängung sehr schnell vergrößert wird, wird in der Leitung 16 ein Unterdruckzustand erzeugt. Der Motor 20 treibt jedoch ein Fahrzeug mit einer trägen Masse an, und deren Tendenz, die Drehbewegung fortzusetzen, bewahrt einen niedrigen Druckzu stand in der Hydraulikleitung 16. Wenn der Druck auf einen zu niedrigen Wert abfällt, kann ein Hohlraum auftreten, womit in dem hydraulischen Kreislauf ein kompressibles Luft/Flüssigkeits- Gemisch erzeugt wird. In solch einem Kavitationszustand wird der Motor fortfahren, sich zu drehen, und versuchen, die Luft/Flüs sigkeits-Mischung zu komprimieren, und er wird nicht von einer inkompressiblen Flüssigkeit gestoppt, und es tritt kein aus reichender Bremseffekt auf.

Wenn die Drehrichtung der Antriebspumpe 10 umgekehrt wird, wird die Leitung 16′ zur Hochdruckleitung, die Leitung 16 zur Rücklaufleitung, und der Motor 20 läuft gegenüber der oben beschriebenen Situation in der entgegengesetzten Richtung. Wenn in diesem Fall die Verdrängung des Motors 20 erhöht wird, tritt ein Druckabfall in der Leitung 16′ auf, und wiederum kann Kavitation vorkommen. Wegen Verlusten im System aufgrund undichter Stellen reichen die Überdruckventile 50 und 50′ nicht aus, eine Kavitation zu verhindern. Ein Einbringen von Flüssig keit in den Hydraulikkreislauf kann jedoch die Kavitationswahr scheinlichkeit reduzieren, wenn die Flüssigkeit schnell genug zur Verfügung gestellt wird.

Der schnelle Druckabfall entweder in der Hydraulikleitung 16 oder der Hydraulikleitung 16′ öffnet entweder das Rückschlagventil 60 oder das Rückschlagventil 60′. Flüssigkeit wird von dem Druck speicher 80 in den Kreislauf eingegeben, wobei sie durch das geöffnete Rückschlagventil strömt. Somit kann an den Einlaß des Motors 20 genügend Flüssigkeit geliefert werden, um Kavitation zu verhindern. Da durch die Pumpe 10 nur wenig oder gar keine Flüssigkeit gelangen kann, wird sich der Druck auf der Auslaß seite des Motors 20 aufbauen, wenn sich der Motor 20 verlangsamt und anhält.

Die Überdruckventile 50 und 50′, die vorzugsweise vom Pilottyp sind, öffnen sich, um große Druckdifferenzen zwischen den Leitungen 16 und 16′ zu vermindern; dadurch wird jedoch nur ein maximaler Grenzwert für die auf den Motor 20 angewandte Antriebs und Bremskraft erzeugt. Die Überdruckventile 50 und 50′ scheinen nicht wesentlich zu einer Verhinderung von Kavitation beizutra gen. Ohne den Druckspeicher 80 kann der Druck in der Leitung 65 so schnell abfallen, daß die Ladepumpe 30 nicht genügend Flüssigkeit in den Hydraulikkreislauf liefern kann, um Kavitation zu vermeiden.

Claims

1. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf, gekennzeichnet durch:
eine Antriebspumpe mit variabler Verdrängung (Saugvermögen);
einen Motor, der durch eine erste Hydraulikleitung und eine zweite Hydraulikleitung an die Antriebspumpe angeschlossen ist;
einen Druckspeicher, der über ein erstes Rückschlagventil an die erste Hydraulikleitung und über ein zweites Rückschlag ventil an die zweite Hydraulikleitung angeschlossen ist;
eine Ladepumpe, die mit dem Druckspeicher verbunden ist und an die erste Hydraulikleitung über das erste Rückschlagventil und die zweite Hydraulikleitung über das zweite Rückschlag ventil angeschlossen ist.

2. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch:
ein erstes Überdruckventil, das zwischen der ersten Hydrau likleitung und der zweiten Hydraulikleitung angeschlossen ist, wobei es das erste Überdruckventil ermöglicht, daß Flüssigkeit von der ersten Hydraulikleitung zur zweiten Hydraulikleitung fließt, wenn eine vorherbestimmte Druckdif ferenz zwischen der ersten und der zweiten Hydraulikleitung vorliegt;
ein zweites Überdruckventil, das zwischen der ersten Hydraulikleitung und der zweiten Hydraulikleitung angeschlos sen ist, wobei es das zweite Überdruckventil ermöglicht, daß Flüssigkeit von der zweiten Hydraulikleitung zur ersten Hydraulikleitung fließt, wenn eine vorherbestimmte Druckdif ferenz zwischen der ersten und der zweiten Hydraulikleitung vorliegt; und
ein Ladedruck-Reglerventil, um einen maximalen Lieferdruck vorzusehen und einen Rücklauf für überschüssigen Ladefluß in das Reservoir zu schaffen.

3. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rückschlag ventil zwischen den ersten und zweiten Überdruckventilen und dem Motor an die erste Hydraulikleitung angeschlossen ist, und daß das zweite Rückschlagventil zwischen den ersten und zweiten Überdruckventilen und dem Motor an die zweite Hydraulikleitung angeschlossen ist.

4. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher näher an den ersten und zweiten Rückschlagventilen ange schlossen ist als die Ladepumpe.

5. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher ein mit Gas geladener Druckspeicher ist.

6. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebspumpe eine reversible Antriebspumpe mit variabler Verdrängung ist.

7. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebspumpe weiterhin Kolben aufweist, die gleitbar mit einer Taumel scheibe in Berührung stehen.

8. Hydrostatisches Getriebe mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Motor mit variabler Verdrängung ist.

9. Verfahren zum Vermindern von Kavitation in einem hydrosta tischen Getriebe mit geschlossenem Kreislauf, welches aufweist:
eine Antriebspumpe;
einen Motor, der durch eine erste Hydraulikleitung und eine zweite Hydraulikleitung mit der Antriebspumpe verbunden ist und einen Einlaß und einen Auslaß hat;
ein erstes Rückschlagventil, das mit der ersten Hydraulik leitung verbunden ist;
ein zweites Rückschlagventil, das mit dem ersten Rückschlag ventil und der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist;
eine Ladepumpe, die über das erste Rückschlagventil mit der ersten Hydraulikleitung und über das zweite Rückschlagventil mit der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist;
einen Druckspeicher, der über das erste Rückschlagventil mit der ersten Hydraulikleitung und über das zweite Rückschlag ventil mit der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist;
wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
Öffnen des ersten Rückschlagventils, wenn der Druck in der ersten Hydraulikleitung unter den Druck im Druckspeicher fällt;
Öffnen des zweiten Rückschlagventils, wenn der Druck in der zweiten Hydraulikleitung unter den Druck im Druckspeicher fällt; und
Einführen von Flüssigkeit aus dem Druckspeicher durch das geöffnete Rückschlagventil in das Getriebe.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Druckspeicher näher an den Rückschlagventilen befindet als die Ladepumpe.

11. Hydrostatisches Getriebesystem vom Typ mit einer hydrau lischen Pumpe, die Hydraulikflüssigkeit an einen hydrau lischen Motor liefert, gekennzeichnet durch die Verbesserung: einen Druckspeicher, der über zumindest ein Rückschlagventil an das hydraulische System angeschlossen ist, wobei Flüssig keit von dem Druckspeicher in das hydraulische System fließen kann, wenn der Druck in dem System unter den Druck in dem Druckspeicher fällt.

12. Getriebesystem nach Anspruch 10, weiter gekennzeichnet durch eine Ladepumpe zum Laden des Druckspeichers mit hydraulischem Druck.

13. Verfahren zum Verhindern von Kavitation in einem hydrosta tischen Getriebesystem, gekennzeichnet durch die Schritte:
Liefern von Hydraulikflüssigkeit durch eine hydraulische Pumpe an einen hydraulischen Motor;
Variieren der Verdrängung der hydraulischen Pumpe während des Bremsens des Getriebes; und
Liefern zusätzlicher Flüssigkeit an das System durch einen Druckspeicher über wenigstens ein Rückschlagventil, das so angeschlossen ist, daß die Flüssigkeit in das hydrostatische Getriebesystem fließt, wenn der Druck in dem System unter dem Druck in dem Druckspeicher ist, und Kavitation der Hydraulik flüssigkeit in dem System vermindert wird.

14. Verfahren nach Anspruch l3,weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß sich der Druckspeicher nahe dem hydraulischen Motor befindet.

15. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher durch eine Druckquelle unter Druck gesetzt wird, welche unabhängig von der hydraulischen Pumpe ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher mit einer Ladepumpe unter Druck gesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch l6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß mit der Ladepumpe Flüssigkeit an das Getriebesystem geliefert wird.

18. Fahrzeug, gekennzeichnet durch:
einen Rahmen;
eine Kraftmaschine, die auf dem Rahmen montiert ist;
ein Endantriebsbauteil;
eine Antriebspumpe mit variabler Verdrängung (Saugvermögen), die auf dem Rahmen montiert ist und von der Kraftmaschine angetrieben wird;
einen Motor, der durch eine erste Hydraulikleitung und eine zweite Hydraulikleitung mit der Antriebspumpe verbunden ist und der mit dem Endantriebsbauteil verbunden ist und dieses antreibt;
einen Druckspeicher, der über ein Rückschlagventil mit der ersten Hydraulikleitung verbunden ist und der über ein zweites Rückschlagventil mit der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist;
eine Ladepumpe, die mit dem Druckspeicher verbunden ist, und die durch das erste Rückschlagventil mit der ersten Hydrau likleitung und durch das zweite Rückschlagventil mit der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist;
ein Ladedruck-Reglerventil, das zwischen der Pumpe und dem Druckspeicher angeschlossen ist, um einen maximalen Liefer druck vorzusehen und um einen Rücklauf für überschüssigen Ladefluß in das Reservoir vorzusehen;
ein erstes Überdruckventil, das zwischen der ersten Hydrau likleitung und der zweiten Hydraulikleitung angeschlossen ist, wobei es das erste Überdruckventil ermöglicht, daß Flüssigkeit von der ersten Hydraulikleitung zu der zweiten Hydraulikleitung fließt, wenn zwischen der ersten und der zweiten Hydraulikleitung eine vorherbestimmte Druckdifferenz vorliegt; und
ein zweites Überdruckventil, das zwischen der ersten Hydraulikleitung und der zweiten Hydraulikleitung angeschlos sen ist, wobei das zweite Überdruckventil es der Flüssigkeit ermöglicht, von der zweiten Hydraulikleitung zu der ersten Hydraulikleitung zu fließen, wenn eine vorherbestimmte Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Hydraulik leitung vorliegt.

19. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rückschlagventil zwischen dem ersten und zweiten Überdruckventil und dem Motor mit der erste Hydraulikleitung verbunden ist, und daß das zweite Rückschlagventil zwischen dem ersten und zweiten Überdruckventil und dem Motor mit der zweiten Hydraulikleitung verbunden ist.

20. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher näher an das erste und zweite Überdruckventil angeschlossen ist, als der Druckspeicher an die Ladepumpe angeschlossen ist.

21. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher ein mit Gas geladener Druckspeicher ist.

22. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebspumpe eine reversible Antriebspumpe mit variabler Verdrängung ist.

23. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebspumpe Kolben aufweist, die gleitbar mit einer Taumelscheibe in Berührung stehen.

24. Fahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein Motor mit variabler Verdrängung ist.

25. Fahrzeug mit wenigstens einem hydrostatischen Getriebesystem vom Typ mit einer hydraulischen Pumpe, die Hydraulikflüssig keit an einen hydraulischen Motor liefert, gekennzeichnet durch die Verbesserung:
einen Druckspeicher, der über zumindest ein Rückschlagventil mit dem hydraulischen System verbunden ist, wobei Flüssigkeit von dem Druckspeicher in das hydraulische System fließen kann, wenn der Druck in dem System unter den Druck in dem Druckspeicher fällt.

26. Fahrzeug nach Anspruch 25, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladepumpe zum Laden des Druckspeichers mit hydrau lischem Druck vorgesehen ist.