DE4139422C2 - Hydraulisches Antriebs- und Bremssystem - Google Patents

Description

Hydrauliksysteme, die aus zwei miteinander verbundenen Hydraulikmaschinen bestehen, von denen eine als Pumpe und eine als Motor wirkt, sind für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke bekannt, darunter auch zum Antreiben von Fahrzeugen.

Auch für Fahrräder sind bereits hydraulische Antriebe vorgesehen worden.

So ist aus der DE-OS 40 15 962 bereits ein hydraulischer Antrieb für ein Fahrzeug, nämlich ein Fahrrad, vorgesehen, dessen Übersetzungsverhältnis verstellbar ist. Dieser Hydraulikantrieb weist bereits einen Arbeitsspeicher zum Zwischenspeichern hydraulischer Energie auf, die z. B. beim Bremsen oder Bergabfahren gewonnen werden kann und beim späteren Antreiben zusätzlich eingesetzt werden kann.

Diese Lösung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf:

Zum einen ist die Änderung des Übersetzungsverhältnisses nicht stufenlos möglich, da sie durch das Zuschalten oder Stillegen einzelner Arbeitselemente der Hydraulikmaschine geschieht. Zum anderen wird der Arbeitsspeicher durch die Primärmaschine geladen bzw. umgekehrt vom Arbeitsspeicher aus die Primärmaschine des normalen Hydraulikkreises beschickt. Die Anbindung des Arbeitsspeichers an den normalen Hydraulikkreis zwischen Primär- und Sekundärmaschinen geschieht ausschließlich über eine Ventilsteuerung mit allen damit verbundenen Nachteilen, beispielsweise der Verwendung von Analogventilen. Weiterhin weisen die Primärmaschinen und die Sekundärmaschinen des Hydraulikkreises keine Kurzschlußventile auf, die es ermöglichen, die einzelnen Hydraulikmaschinen im Leerlauf laufen zu lassen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydraulisches Antriebs- und Bremssystem zu schaffen, welches sich insbesondere zum Antreiben von Fahrzeugen eignet.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Ausstattung des hydraulischen Antriebssystems mit einer stufenlosen Verstellung der Förderleistung vermeidet bei Fahrzeugen, insbesondere bei Fahrrädern, ein in Stufen arbeitendes Schaltgetriebe zur Anpassung der Übersetzung, welches besonders bei Fahrrädern einen relativ hohen konstruktiven und kostenmäßigen Aufwand erfordert und nicht unerheblich zum Gesamtgewicht des Fahrrades beiträgt.

Die Anordnung eines Kurzschlußventils in der Primärmaschine ermöglicht einen Freilauf der Primärmaschine bei weder gebremster noch angetriebener Fahrt. Ein mechanischer Freilauf an der Primärmaschine, der manuell angesteuert wird, vermeidet auch die Verlustleistungen des hydraulischen Freilaufes.

Bei normaler, also geschlossener, Stellung dieses Kurz­ schlußventils und gebremster Fahrt wird die bisherige Pumpe zum angetriebenen Motor und der Motor zur Pumpe, so daß an der jetzt als Motor wirkenden Hydraulikmaschine, die bei einem Fahrrad in der Regel auf der Tretkurbelachse sitzt, Arbeit verrichtet werden kann. Diese Arbeit kann in einem Arbeitsspeicher gesammelt werden, wobei es sich beim Arbeitsspeicher entweder um einen Gasspeicher mit veränderbarem Volumen handelt, dessen Inhalt durch die Arbeit des Motors komprimiert wird, oder um ein mechanisches, mit hoher Federkraft ausgestattetes Element, welches ebenfalls durch die Arbeit des hydraulischen Motors zusammengepreßt wird.

Die in diesem Arbeitsspeicher gespeicherte Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die auf der Achse der Antriebsquelle angeordnete hydraulische Maschine wieder als Pumpe arbeiten soll, über ein stufenlos steuerbares Ventil entnommen werden und dadurch eine zusätzliche Beschleunigung des Fahrzeuges bieten.

Vorteilhafterweise ist zum Aufladen des Arbeitsspeichers auf der Achse der Antriebsquelle neben der bereits vorhandenen Hydraulikmaschine eine hiermit drehfest verbundene weitere Hydraulikmaschine, die im folgenden als Beschleunigermaschine bezeichnet werden soll, angeordnet, welche bei Schubbetrieb des Fahrzeuges von dem hydraulischen Motor mechanisch angetrieben wird und den Arbeitsspeicher speist. Bei späterer Beschleunigung kann über diese Beschleunigermaschine die Energie aus dem Arbeitsspeicher entnommen und auf mechanischem Wege der dann als Pumpe arbeitenden ersten Hydraulikmaschine (Primärmaschine) zugeführt werden.

Auch diese Beschleunigermaschine weist ein Kurz­ schlußventil auf, um einen Fahrzustand zu ermöglichen, bei dem weder gebremst noch zusätzlich aus dem Arbeitsspeicher beschleunigt wird.

Über Steuerelemente, z. B. vom Lenker des Fahrrades aus durch Handschalter, wird einerseits gewählt, ob aus dem Arbeitsspeicher Energie entnommen bzw. diesem zugeführt wird oder die Beschleunigermaschine auf Kurzschluß geschaltet wird, und andererseits gegebenenfalls das Hubvolumen der Primärmaschine des ersten Hydraulikkreislaufes eingestellt, bzw. das Kurzschlußventil dieses ersten Hydraulikkreislaufes geöffnet, falls auch das Kurzschlußventil der Beschleunigermaschine geöffnet ist.

Die Einspeiseleitung in den Arbeitsspeicher sollte dabei ein Rückschlagventil enthalten, um bei bereits relativ hohem Druck innerhalb des Arbeitsspeichers zu vermeiden, daß bei einer gewünschten Beschickung mit niedriger Leistung anstatt einer Beschickung eine Entnahme aus dem Arbeitsspeicher und damit ein ungewünschter Beschleu­ nigungseffekt stattfindet.

Dabei kann die Beschleunigermaschine über im wesentlichen nur eine Leitung mit dem Arbeitsspeicher verbunden sein, wobei ein Gasspeicher vorzugsweise in den Hohlräumen des Fahrradrahmens untergebracht wird, so daß eine Verzweigung dieser Leitung in Einspeiseleitung und Abführleitung erst unmittelbar vor der Beschleunigermaschine stattfindet mittels eines dort untergebrachten Umsteuerventils, welches die beiden in getrennten Leitungen erforderlichen Einzelventile in ihrer Funktion vereinigt. Erst in der Einzelleitung der Beschleunigermaschine zum Umsteuer­ ventil, die als Zuführleitung zum Arbeitsspeicher dient, ist dann das Rückschlagventil anzuordnen.

Das der Beschleunigermaschine zugeordnete Kurzschlußventil ist dabei mit den beiden einzelnen Ventilen in der Speise- und Entnahmeleitung zum Arbeitsspeicher oder mit dem funktionsvereinigten einzelnen Ventil so gekoppelt, daß das Kurzschlußventil automatisch geöffnet wird, wenn die beiden anderen Ventile beide geschlossen sind. Die beiden anderen Ventile können dabei nur alternativ, nicht jedoch gleichzeitig geöffnet werden.

Jedoch auch ohne ein solches Energie-Speichersystem ist der beschriebene hydraulische Antrieb für ein Fahrzeug vorteilhaft.

Weiterhin sind die Tretkurbeln bzw. die Antriebsquelle nicht mechanisch-fest auf der Tretkurbelachse befestigt, auf der sich die Primärmaschine sowie die Beschleunigermaschine befinden, sondern mittels einer zwischengeschalteten mechanischen Freilaufeinrichtung, um bei freiem Rollen oder gebremsten Bergabfahren trotz Drehung der Tretkurbelachse Stillstand der Tretkurbeln und damit der Pedale bzw. abweichende Drehgeschwindigkeit der Antriebsquelle zu ermöglichen.

Der zur Versorgung des hydraulischen Systems mit Hydraulikmedium notwendige Vorratsbehälter in Form eines Ölspeichers ist bei einem Fahrrad vorzugsweise in den Hohlräumen des Fahrradrahmens untergebracht, wobei in den Rohrstücken des Fahrradrahmens lediglich Abschottungen dicht eingebracht sein müssen, um abgeschlossene Hohlräume mit definiertem Volumen zu schaffen. Um die Volumenänderung für den als Arbeitsspeicher wirkenden Gasspeicher zu schaffen, sind zusätzliche Einrichtungen wie Membrane, Kolben etc. vorzusehen.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Fig. 1 beispielhaft näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung der Anordnung des erfindungsgemäßen Antriebs- und Bremssystems am Rahmen eines Fahrrades. Zum besseren Verständnis sind dabei die körperlich gezeichneten Teile des Fahrrades schraffiert dargestellt, nämlich der Fahrradrahmen 22, die Gabel 43 und der Lenker 24.

Zusätzlich ist an der normalen Position, also dem Treffpunkt von Sattelstütze und Unterzug, das Tretlager 41 vorhanden, durch welches sich die Tretlagerachse 19 hindurcherstreckt.

Auf dieser Tretlagerachse ist die Primärmaschine 1 drehfest angeordnet, und ebenso die Beschleuniger-Maschine 5, die somit durch die Tretkurbelachse 19 mechanisch drehfest miteinander verbunden sind. Um dennoch einen Freilauf für die Tretkurbeln 20 und die daran befindlichen Pedale 40 zu bieten, sind die Tretkurbeln 20 an den Enden der Tretkurbelachse 19 mittels einer mechanischen Freilaufeinrichtung 21 befestigt.

In der Darstellung der Fig. 1 ist sowohl an der Stelle des Vorderrades als auch an der Stelle des Hinterrades des Fahrrades jeweils ein hydraulischer Motor 2 angeordnet, welche mittels hydraulischer Leitungen 27, 28 von der Primärmaschine 1 gespeist werden.

Beide Motoren 2 weisen ein Kurzschlußventil 12, 13 auf, wodurch beide Motoren in einen Freilauf umgeschaltet werden können.

Würde sich das Antriebs- und Bremssystem in der Primärmaschine 1, den beiden Motoren 2 und den entsprechenden verbindenden hydraulischen Leitungen erschöpfen, so müßte jedes der Kurzschlußventile 12, 13 stufenlos zwischen den beiden Schaltpositionen manuell hin- und herbewegt werden können, wodurch ein hydraulischer Bremsvorgang des Fahrrades gesteuert wird, sofern zusätzlich die Rückführleitung 28 zur Primärmaschine 1 vollständig geschlossen wird, durch ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Ventil.

In Fig. 1 ist jedoch zusätzlich zur Primärmaschine 1 eine mitlaufende hydraulische Maschine, die Beschleuniger- Maschine 5, angeordnet, welche bei einer gewünschten hydraulischen Abbremsung des Fahrrades in einen Gasdruckspeicher 3, der in einem Hohlraum des Unterzugrohres untergebracht ist, Hydraulikmedium hineinfördert und dadurch Energie in diesem Gasspeicher sammelt.

Zu diesem Zweck ist die Beschleuniger-Maschine mit einem 3/3-Wege-Ventil 14, 15, 44 ausgestattet, welches über die hydraulische Leitung 6, 7 eine Verbindung der ölführenden Bereiche des Gasspeichers 3, der ein komprimierbares Gasvolumen enthält, wahlweise mit der Hochdruck- oder mit der Niederdruckseite der Beschleuniger-Maschine zuläßt.

Auf diese Art und Weise kann die im Gasspeicher 3 ge­ speicherte Arbeit durch Entnahme von Hydraulikmedium aus dem Gasspeicher 3 zur zusätzlichen Beschleunigung mittels Zuführung an die Hochdruckseite der Beschleuniger-Maschine 5 verwendet werden, oder zum Abbremsen mit gleichzeitiger Energiespeicherung, was durch manuelle Verstellung des 3/3-Wege-Ventils 14, 15, 44, sowie geeigneter Einstellung der Schubstange an der Primärmaschine 1 und der Kurzschlußventile 12, 13 mittels Handschalter 23 vom Lenker 24 aus geschieht.

Das 3/3-Wege-Ventil 14, 15, 44 weist für den Freilauf des Fahrrades eine Kurzschlußstellung 44 bezüglich der Beschleuniger-Maschine 5 auf. Ferner ist in der Zuführ­ leitung 6, 7 zum Gasspeicher ein Rückschlagventil 16 ange­ ordnet, um bei einem bereits hohen vorhandenen Druck im Gasdruckspeicher 3 und weiterer Beschickung des Arbeits­ speichers mit niedrigem Druck einen unerwünschten Beschleunigungsvorgang zu vermeiden.

In einem anderen Hohlraum des Fahrradrahmens 22 ist der Ölspeicher 4 vorgesehen, der drucklos als Vorratsbehälter zur Versorgung des hydraulischen Systems mit Hydraulikmedium vorgesehen ist und mit der Primärmaschine 1 über ein Rückschlagventil 16 sowie mit der Beschleuniger-Maschine 5 verbunden ist.

Allgemein müssen für die einzelnen Fahrzustände die einzelnen Ventile wie folgt gesteuert werden, wobei G= geschlossen und O = offen bedeutet:

Claims (6)

1. Verstellbares hydraulisches Antriebs- und Bremssystem mit einer drehend antreibbaren ersten Hydraulikmaschine (Primärmaschine (1)), die vorwiegend als Pumpe betrieben wird und wenigstens einer damit hydraulisch verbundenen weiteren Hydraulikmaschine (Sekundärmaschine (2)), die vorwiegend als Motor betrieben wird, mit

• a) wenigstens einer zusätzlichen Hydraulikmaschine als positiv oder negativ wirkende Beschleuniger-Maschine (5), die mechanisch drehfest mit der Primärmaschine (1) gekoppelt ist und ein Kurzschlußventil (44) aufweist,
• b) die Primärmaschine (1) stufenlos in ihrer Förderleistung verstellbar ist,
• c) die Sekundärmaschine (2) je ein Kurzschlußventil (12, 13) aufweist,
• d) wenigstens einem Arbeitsspeicher (3), wobei die einzelnen Komponenten des Hydrauliksystems über Ventilsteuerungen miteinander in Verbindung stehen.

2. Hydraulisches System nach Anspruch 1, mit

• a) wenigstens einem Ventil (14), welches die Einspeiseleitung (6) von der Beschleuniger-Maschine (5) zum Arbeitsspeicher (3) freigibt,
• b) einem Rückschlag-Ventil (16) in der Einspeiseleitung (6),
• c) wenigstens einem Ventil (15), welches die Entnahmeleitung (7) aus dem Arbeitsspeicher (3) freigibt,
• d) wobei die Kurzschlußventile (12, 13, 44) sowie die Ventile (14), (15) so verbunden sind, daß die Ventile (14, 15) nur alternativ und nicht gleichzeitig geöffnet sein können und bei geschlossener Stellung sowohl des Ventils (14) als auch des Ventils (15) automatisch die Kurzschlußventile (12, 13, 44) geöffnet werden und
• e) die Einstellung der Ventile (14, 15, 12, 13, 44) einerseits sowie die stufenlos variable Einstellung des Hubvolumens der Primärmaschine (1) andererseits unabhängig voneinander möglich ist.

3. Hydraulisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärmaschine (1) und die Beschleunigermaschine (5) auf der Antriebsachse angeordnet sind, wobei die antreibende Kraftquelle über eine mechanische Freilaufeinrichtung (21) mit der Antriebsachse verbunden ist.

4. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspeicher (3) ein Gasspeicher mit veränderbarem Volumen ist.

5. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (6, 7) wenigstens teilweise identisch sind und die Ventile (14 und 15) als gemeinsames 3/2-Wege- Ventil (14, 15) zum Umsteuern und vollständigen Abschließen gegenüber der Leitung (6 bzw. 7) ausgebildet ist.

6. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei

• - bei Einsatz an einem Fahrrad die antreibende Kraftquelle die Tretkurbeln (20) sind und die Antriebsachse die Tretkurbelachse (19) ist, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Arbeitsspeicher in einem der Hohlräume des Fahrradrahmens (22) untergebracht ist,
• - der Ölspeicher (4) in den Hohlräumen des Fahrradrahmens (22) untergebracht ist und
• - die Ventile (14, 15, 44, 12, 13) einerseits sowie die Hubverstellung der Primärmaschine (1) andererseits mittels wenigstens eines Handschalters (23) vom Lenker (24) aus zu betätigen sind.