DE4022148A1 - Hydraulische antriebseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Antriebsein­ heit, bestehend aus einem in einen geschlossenem hydraulischen Kreislauf eingeschalteten Motor und einer in zwei Arbeits­ richtungen antreibbaren, als Zahnradpumpe ausgebildeten Druck­ pumpe sowie wenigstens einer die Druckpumpe überbrückenden und absperrbaren Umgehungsleitung.

In zwei Arbeitsrichtungen wirkende hydraulische Antriebsein­ heiten, wie sie in Anlagen, Maschinen oder an Fahrzeugen und dergl. eingesetzt werden arbeiten üblicherweise mit einem offenen Druckmittelsystem, dahingehend, daß die Druckpumpe das zum Aufbau des erforderlichen hydraulischen Druckes not­ wendige Druckmittel aus einem Vorratstank ansaugt und unter entsprechender Druckerhöhung dem hydraulischen Motor zuführt. Dabei sind je nach Größe und Auslegung des hydraulischen Motors oft große Liefermengen der Druckmittelpumpe notwendig. Außerdem benötigt bei solchen Antriebseinheiten die Druckmit­ telpumpe eine gewisse Zeitspanne, um den für die Antriebs­ einheit erforderlichen Arbeitsdruck aufzubauen, wodurch naturgemäß die Ansprechgeschwindigkeit der Antriebseinheit und auch die Arbeitsgeschwindigkeit des hydraulischen Motors vergleichweise gering ist. Insbesondere muß bei solchen An­ tiebseinheiten jeweils ein zur Überwindung der inneren Wider­ stände in der Antriebseinheit ausreichender Druckmitteldruck aufgebaut werden, bevor der hydraulische Motor eine nutzbare Arbeitsleistung abgeben kann. Neben einer verzögerten An­ sprechgeschwindigkeit der Antriebseinheit ergibt sich nach den Feststellungen des Erfinders hierbei auch noch ein ver­ hältnismäßig hoher Energiebedarf, der beträchtlich über demjenigen liegt, der für die eigentliche, nutzbare Arbeits­ leistung erforderlich wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine hydrau­ lische Antriebseinheit der eingangs bezeichneten Bauart zu schaffen, die bei größerer Ansprech- und Arbeitsgeschwindigkeit mit einem geringeren Energieaufnahme auskommt und die darüber­ hinaus eine kompakte kleinbauende, mit einem Mindestaufwand an Steuermitteln auskommende Ausbildung der Antriebseinheit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der hydraulische Kreislauf einen unveränderlichen Volumeninhalt besitzt, wobei das Schluckvermögen des hydrauli­ schen Motors in beiden Arbeitsrichtungen gleich groß ist, und daß der hydraulische Kreislauf bereits im Ruhezustand unter einem Überdruck steht.

Gemäß einer ersten bevorzugten Verwirklichungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der hydraulische Motor als Linearmotor, insbesondere als Zylinderkolbeneinheit mit insgesamt unveränderlichem Gesamtvolumen ausgebildet ist. Bei einer solchen mit einem doppelseitig wirkenden Arbeits­ kolben ausgestatteten Antriebseinheiten wird durch die Druckmittelpumpe wechselweise beiderseits des Arbeitskolbens Druckmittel in der Art gefördert, daß zur Ausführung einer Kolbenbewegung in der einen Richtung Druckmittel aus dem in dessen Bewegungsrichtung vor dem Kolben liegenden Zylin­ derraum abgesaugt und in den hinter dem Kolben liegenden Zylinderraum gedrückt wird. Bei einem unter Vordruck stehenden Antriebssystem braucht die Druckmittelpumpe dabei lediglich den für das Bewegen des Kolbens samt der daran hängenden Last erforderlichen Druckmitteldruck zu erzeugen, so daß die von ihr aufgenommene Energie im größtmöglichen Umfang in Nutzarbeit umgesetzt wird. Da hierbei ferner auch die erforderliche Liefermenge verhältnismäßig gering gehalten ist ergibt sich eine hohe Ansprechgeschwindigkeit der An­ triebseinheit.

Bei einer Ausbildung der Antriebseinheit, die dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Zylinderkolbeneinheit einen Zylinder, einen in diesem längsbeweglichen, insbesondere als Scheiben­ kolben ausgebildeten, Kolben und eine die gesamte Länge des Zylinders durchsetzende Kolbenstange umfaßt kann die für das Bewegen des Kolbens erforderlich Liefermenge dadurch weiter verringert und gleichzeitig die Arbeitsgeschwndigkeit der Antriebseinheit dadurch erhöht werden, daß die Kolbenstan­ ge zweiteilig ausgeführt ist und ihre beiden Teile jeweils im Bereich ihre Verbindung mit dem Kolben einen geringen, über ihre übrige Länge hin als Füllkolben ausgebildet sind und einen mehr als die Hälfte des Zylinderquerschnittes betragenden Querschnitt aufweisen. Diese Ausbildung sichert bei ausreichend großer Beaufschlagungsflächen des Kolbens ein geringes Füllvolumen des Zylinders.

Im Rahmen der praktischen Verwirklichung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß der Vordruck des Sys­ temes der erforderlichen Nutzleistung proportional ist und jeweils 1/10tel bis 1/2 des für die beabsichtigte Nutzleistung erforderlichen Arbeitsdruckes beträgt.

Zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Systemdruckes und zum Ausgleich eventueller Leckverluste ist weiterhin vorgesehen, daß an eine der die Druckpumpe mit dem hydrau­ lischen Motor verbindenden Leitungen ein Druckspeicher angeschlossen ist, der beim Aufbau des Vordruckes im System geladen wird.

Zur Arretierung des Arbeitskolbens in einer beliebigen, zwischen seinen beiden Endlagen liegenden Stellung dient ein die die Druckmittelpumpe umgehende bzw. überbrückende Leitung beherrschendes Absperrventil, welches als von außen betätigbares Umschaltventil mit einer Sperr- und einer Freigabestellung ausgebildet sein kann, im Interesse einer möglichst weitgehenden Verringerung des erforderlichen Steuerungsaufwandes jedoch bevorzugterweise als in Abhängig­ keit von der Arbeitsrichtung der Druckpumpe selbsttätig umschaltende Ventileinheit ausgebildet ist und beiderseits eines Absperrschiebers jeweils ein Rückschlagventil enthält.

Dadurch kann durch einfaches Ändern der Antriebsrichtung, beispielsweise umschalten des der Druckpumpe zugeordneten Antriebsmotors sowohl die Arbeitsrichtung des Arbeitskolbens umgekehrt als auch durch einfaches Abschalten des der Druck­ mittelpumpe zugeordneten Antriebsmotors der Arbeitskolben in einer beliebigen Stellung zwischen seinen beiden Endlagen fixiert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß anstelle einer doppeltwirkenden Zylinderkolben­ einheit zwei einfach wirkende, gegenläufig angetriebene Zylinderkolbeneinheiten mit gegenläufig verstellbaren Kolben verwendet werden, wobei die beiden Zylinderkolbeneinheiten so ausgelegt und an die Druckmittelpumpe angeschlossen sind, daß sich das Gesamtvolumen des Systems nicht ändert, wenn einer der beiden Arbeitskolben mit dem aus dem Zylinderraum der anderen Zylinderkolbeneinheit abgesagten Druckmittel beaufschlagt wird.

Es kann aber auch eine Verdoppelung der an das System ange­ schlossenen Zylinderkolbeneinheiten mit doppelt wirkendem Arbeitskolben vorgesehen sein, in der Art, daß zwei je einen doppeltwirkenden Kolben enthaltende hydraulische Motoren vorgesehen sind, deren Zu-und Rücklaufleitungen jeweils paarweise absperrbar sind.

Anstelle eines oder mehrerer als Linearmotor ausgebildeter Arbeitseinheiten kann in das System naturgemäß auch ein rotierend arbeitender Motor eingeschaltet werden, wozu vorgesehen ist, daß der hydraulische Motor als Zahnradpumpe oder Drehkolbenmotor ausgebildet ist, wobei das Schluckver­ mögen der als Motor arbeitenden Pumpe exakt der Förderleistung der Druckpumpe entspricht.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beispielsbeschreibung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbei­ spiele im Einzelnen beschrieben.

In der Zeichnung zeigt die

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebseinheit;

Fig. 2 eine gleichfalls schematische Darstellung einer mit zwei gegenläufig angetriebenen Arbeitskolben ausgestattete erfindungsgemäße Antriebseinheit;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer mit zwei doppeltwirkenden Arbeitskolben ausgestattete erfindungsgemäße Antriebseinheit;

Fig. 4 eine Ventileinheit für eine erfindungsgemäße An­ triebseinheit;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer mit einem als Zahnradpumpe ausgebildeten Arbeitsmotor ausge­ stattete erfindungsgemäße Antriebseinheit.

Die in der Fig. 1 dargestellte hydraulische Antriebseinheit umfaßt eine als Zahnradpumpe ausgebildete Druckmittelpumpe 1, einen Zylinder 2 einen in diesem Zylinder 2 angeordneten, als Scheibenkolben ausgebildeten, doppelseitig wirkenden Arbeitskolben 3, zwei diesem zugeordnete Kolbenstangen 4 und 5, die Druckmittelpumpe 1 mit den beiden Teilräumen 6 und 7 des Zylinders 2 verbindende Druckmittelleitungen 8 und 9, einen Druckspeicher 10 und eine der Druckmittelpumpe 1 zugeordnete Umgehungsleitung 11. Die beiden Kolbenstangen 5 und 5 sind über den größeren Teil ihrer Länge hin als Füll­ kolben 12 ausgebildet und weisen in diesen Bereichen einen gegenüber dem Zylinderquerschnitt nur geringfügig kleineren Querschnitt auf, wodurch die erforderliche Füllmenge für den an sich großvolumigen Zylinder 2 vergleichweise gering ist. Im Bereich 13 ihrer Verbindung mit dem Arbeitskolben sind die beiden Kolbenstangen 4 und 5 in ihrem Querschnitt reduziert, derart, daß sich am Arbeitskolben 3 große Flächen zur Beaufschlagung mit Druckmittel ergeben. In die Umgehungs­ leitung 11 ist ein als einfaches von außen, insbesondere manuell verstellbares Ventil ausgebildetes Absperrventil 14 eingeschaltet. Die durch die Antriebseinheit zu bewegende Last ist im gezeigten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der oberen Kolbenstange 4 als mit dieser verbundenes Gewicht 15 und hinsichtlich der unteren Kolbenstange 5 als gegen ein Widerlager 17 abgestützte Druckfeder 16 dargestellt. Zur Erzeugung des Vordruckes innerhalb des hydraulischen Systemes der Antriebseinheit ist in dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine bei 18 angedeutete manuell betätigbare Pumpe vorgesehen.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei voneinander getrennte Zylinder 20 und 21 mit je einem einfach wirkenden Arbeitskolben 30 und 31 vorgesehen, wobei die Arbeitskolben 30 und 31 gegenläufig angetrieben sind, in der Weise, daß in der dargestellten Stellung der beiden Arbeitskolben 30 und 31 die Druckmittelpumpe 1 über die Leitung 80 Druckmittel aus dem Zylinderraum 60 des Zylin­ ders 21 absaugt und über die Leitung 90 in den Zylinderraum 70 des Zylinders 20 drückt, wodurch der Arbeitskolben 30 beaufschlagt wird. Die Kolbenstangen 40 und 50 der beiden gegenläufig angetriebenen Arbeitskolben 30 und 31 können dabei zur zwangsweisen Mitnahme des jeweils nicht angetrie­ benen Arbeitskolbens vermittels einer mechanischen Koppel 44 untereinander verbunden sein.

Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsform bildet eine Verdoppelung der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform einer hydraulischen Antriebseinheit, wobei eine einzige Druck­ mittelpumpe 1 über Druckmittelleitungen 8, 8a und 9, 9a jeweils an einen oberen 6, 6a und einen unteren 7, 7a Zylinderraum zweier untereinander identisch ausgebildeter, je einen dop­ peltwirkenden Arbeitskolben 3, 3a enthaltender Zylinder 2, 2a angeschlossen ist. Zum wahlweisen Betrieb jeweils eines der beiden Arbeitsmotoren sind dabei in die Druckmittellei­ tungen 8, 8a und 9, 9a Absperrventile 19 eingeschaltet.

Die in der Fig. 4 dargestellte Ventileinheit umfaßt ein Ventilgehäuse 23 einen Ventilschieber 24 zwei gegensinnig angeordnete Rückschlagventile 25 sowie den Ventilschieber im gleichgewicht haltende Druckfedern 26. Bei stillstehender Druckmittelpumpe 1 sind die beiden Druckmittelleitungen 8 und 9 durch die beiden Rückschlagventile 25 verschlossen, so daß der Arbeitskolben 3 hydraulisch in seiner momentanen Lage fixiert ist. Wird nun die Druckmittelpumpe linkslaufend angetrieben so öffnet unter dem anstehenden Druckmitteldruck zunächst das linke Rückschlagventil 25, so daß die Leitungs­ verbindung 8 als Druckleitung freigegeben wird. Gleichzeitig wird aber auch der Ventilschieber 24 entgegen der rechten Druckfeder 26 verschoben und bewirkt dabei mit seinem Zapfen 27 ein Öffnen des rechten Rückschlagventiles 25, so daß nun­ mehr auch die Leitungsverbindung 9 als Saugleitung freigegeben wird. Bei einer Antriebsumkehr der Druckmittelpumpe 1 spielt sich dieser Vorgang entsprechend umgekehrt ab.

Die in der Fig. 5 dargestellte Antriebseinheit verwendet als Arbeitsmotor eine Zahnradpumpe 100, deren Schluckvermögen exakt der Liefermenge der Druckmittelpumpe entspricht.

Claims (12)

1. Hydraulische Antriebseinheit, bestehend aus einem in einen geschlossenem hydraulischen Kreislauf eingeschal­ teten Motor und einer in zwei Arbeitsrichtungen antreib­ baren, als Zahnradpumpe ausgebildeten Druckpumpe sowie wenigstens einer die Druckpumpe überbrückenden und ab­ sperrbaren Umgehungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Kreislauf einen unveränderlichen Volumeninhalt besitzt, wobei das Schluckvermögen des hydraulischen Motors in beiden Arbeitsrichtungen gleich­ groß ist, und daß der hydraulische Kreislauf bereits im Ruhezustand unter einem Überdruck steht.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Motor als Linearmotor, insbesondere als Zylinderkolbeneinheit mit insgesamt unveränderlichem Gesamtvolumen ausgebildet ist.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinderkolbeneinheit einen Zylinder, einen in diesem längsbeweglichen, insbesondere als Schei­ benkolben ausgebildeten, Kolben und eine die gesamte Länge des Zylinders durchsetzende Kolbenstange umfaßt.

4. Antriebseinheit nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kolbenstange zweiteilig ausgeführt ist und ihre beiden Teile jeweils im Bereich ihre Verbin­ dung mit dem Kolben einen geringen, über ihre übrige Länge hin als Füllkolben ausgebildet sind und einen mehr als die Hälfte des Zylinderquerschnittes betragenden Querschnitt aufweisen.

5. Antriebseinheit nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Vordruck des Systemes der erforderlichen Nutzleistung proportional ist und jeweils 1/10tel bis 1/2 des für die beabsichtigte Nutzleistung erforderlichen Arbeitsdruckes beträgt.

6. Antriebseinheit nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an eine der die Druckpumpe mit dem hydrau­ lischen Motor verbindenden Leitungen ein Druckspeicher angeschlossen ist, der beim Aufbau des Vordruckes im System geladen wird.

7. Antriebseinheit nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Umgehungsleitung beherrschende Absperrventil als von außen betätigbares Umschaltventil mit einer Sperr- und einer Freigabestellung ausgebildet ist.

8. Antriebseinheit nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das die Umgehungsleitung beherrschende Umschaltventil als in Abhängigkeit von der Arbeitsrichtung der Druckpumpe selbsttätig umschaltende Ventileinheit ausgebildet ist und beiderseits eines Absperrschiebers jeweils ein Rückschlagventil enthält.

9. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Motor zwei an eine gemeinsame Druck­ pumpe angeschlossene Zylinderkolbeneinheiten mit gegen­ läufig verstellbaren Kolben umfaßt.

10. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei je einen doppeltwirkenden Kolben enthaltende hydraulische Motoren vorgesehen sind, deren Zu-und Rücklaufleitungen an eine gemeinsame Druckmittelpumpe angeschlossen und jeweils paarweise absperrbar sind.

11. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydraulische Motor als Zahnradpumpe oder Drehkol­ benmotor ausgebildet ist, wobei das Schluckvermögen der als Motor arbeitenden Pumpe exakt der Förderleistung der Druckpumpe entspricht.

12. Antriebseinheit nach einem der voraufgehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell betreibbare Vorrichtung zur Erzeugung des Vordruckes im Drucksystem vorgesehen ist.