DE4304403C2 - Regeleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Regeleinrichtungen werden bei hydrostatischen Hilfsmaschinenantrieben wie Ventilatorantrieben, Kompressorantrieben, Generatorantrieben u. ä. insbesondere bei hydrostatischen Hilfsantrieben in Schienenfahrzeugen eingesetzt.

Auf die Firmenschrift "Voith-Kühlanlagen für Lokomotiven und Triebwagen" G 935. 6.81 und die Schriften DE-PS 12 54 405, DE 34 10 071 A1, DE 35 38 643 A1, DE 36 00 640 A1 wird verwiesen.

Die bisher bekannten und ausgeführten Antriebe arbeiten mit Konstantpumpe und Konstantmotor. Zur Drehzahlregelung der Ventilatoren werden thermostatisch oder elektrisch gesteuerte Ventile verwendet, die nach dem Bypaß-System arbeiten. Für Kompressoren und Generatoren werden Bypaß- Ventile mit Auf/Zu-Funktion verwendet. Hier sind auch Lösungen mit Verstellpumpen und Konstantmotoren bekannt. Die Verstellpumpen sind z. B. mit einem Druckförderstrom- Regler und einer Meßblende ausgerüstet. Dabei kann unabhängig von der Antriebsdrehzahl der Pumpe und vom Arbeitsdruck im Hochdrucksystem ein konstanter Förderstrom erzeugt werden. Diese Lösung wird angewandt, wenn eine der Hilfsmaschinen z. B. der Generator mit konstanter Drehzahl betrieben werden muß.

Der Nachteil solcher Lösungen insbesondere bei der Drehzahlregelung ist die hohe Verlustleistung im Bypaß- Betrieb.

Für variablen Förderstrom kann die Verstellpumpe auch mit Signalen eines externen Pilotventils, das wiederum temperaturabhängig arbeitet, gesteuert werden, z. B. für einen Ventilatorantrieb. Auch eine Verwendung des Pilotventils in Auf/Zu-Funktion für z. B. einen Generatorantrieb mit konstanter Drehzahl ist möglich.

Die Nachteile dieser Systeme bestehen darin, daß infolge des für die Funktion der Verstellpumpe erforderlichen Stand-by-Druckes der Verbraucher nicht zum Stillstand kommt, wodurch sich z. B. bei einem Ventilatorantrieb eine nicht erwünschte Kühlluftzufuhr ergibt und unnötige Verlustleistungen aufgewendet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Regeleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb der eingangs genannten Art darzustellen, der den Verbraucher bei Bedarf sicher zum Stillstand bringt, sowie durch Zurückschwenken der Verstellpumpe auf Nullförderung keine hydraulischen Nebenenergien benötigt und damit zu einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad des hydraulischen Systems führt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfinder haben erkannt, daß sich die obenbeschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden lassen, wenn in die Hochdruckleitung eines hydraulischen Antriebssystems zwischen Pumpe und Motor ein Ventil eingebaut wird, das so konzipiert ist, daß es bis zum Erreichen des erforderlichen Stand-by-Druckes bei Nullförderung der Verstellpumpe geschlossen ist. Für die Arbeitsdrücke über den Stand-by- Druck und den diesen Arbeitsdrücken zugeordneten Pumpenförderströmen - z. B. bei Ansteuerung der Verstellpumpenregelung durch ein weiteres temperaturabhängig gesteuertes Pilotventil für einen Ventilatorantrieb - öffnet sich besagtes Ventil selbsttätig ganz. Diese Funktion ist erreichbar mit einem 2-Wegeventil, vorzugsweise mit einem fest eingestellten, vorgesteuerten Druckbegrenzungsventil (DBV), das ins Leckölsystem entlastet ist. Bei geöffnetem DBV ist nur noch dessen Durchflußwiderstand vorhanden und nicht die Druckdifferenz in Höhe des Stand-by-Druckes. d. h. eine Reduzierung des System-Wirkungsgrades durch den Stand-by-Druck wird vermieden und der Gesamtwirkungsgrad des Systems entsprechend gesteigert.

Die Weiterführung dieser Idee ermöglicht es auch bei Kompressor- und Generatorantrieben unnötige Pumpenantriebsleistung zu vermeiden.

Bei der bisher üblichen Verwendung von elektrisch gesteuerten Bypaß-Ventilen für den Zu- und Abschaltvorgang entsteht im Bypaß-Betrieb - also bei abgeschaltetem Verbraucher - eine Verlustleistung, die dem konstanten Förderstrom und dem Systemwiderstand entspricht. Dieses System kann grundsätzlich durch die im Erfindungsgedanken beschriebene Regeleinrichtung z. B. für Ventilatorantriebe ersetzt werden, wobei das temperaturabhängig gesteuerte Pilotventil im 2-Wegeventil integriert werden kann und durch elektrische Ein/Aus-Impulse gesteuert wird.

Eine konsequente Vereinfachung besteht darin, daß das erforderliche 2-Wegeventil mit diesen elektrischen Ein/Aus- Impulsen angesteuert wird. Durch geschicktes Anordnen hat dies zur Folge, daß bei geschlossenem 2-Wegeventil der Förderstromregler in der Verstellpumpe die Pumpe auf Nullförderung schwenkt. Bei geöffnetem 2-Wegeventil und dem durch die anzutreibende Maschine bedingten Systemdruck, der unter der Druckeinstellung des Druckreglers - der zugleich die Überdruckabsicherung des Systems gewährleistet - liegt, regelt der in der Pumpe eingebaute Förderstromregler auch den festgestellten konstanten Förderstrom, der eine exakte Antriebsdrehzahl von Kompressor oder Generator auch unabhängig von der Pumpendrehzahl und dem Systemdruck garantiert.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:

Fig. 1 Erfindungsgemäße Regeleinrichtung für eine stufenlose Drehzahlregelung, vorzugsweise einen Ventilatorantrieb,

Fig. 2 erfindungsgemäße Regeleinrichtung für Regelung auf konstante Drehzahl, vorzugsweise einen Generator- oder Kompressorantrieb.

Fig. 1 verdeutlicht einen Ventilatorantrieb mit stufenloser Drehzahlregelung. Ein als Pumpe ausgebildeter Druckflüssigkeitsstromerzeuger 1, dessen Verdrängungsvolumen verändert werden kann und der von einem Antriebsmotor 2 angetrieben wird und ein Druckflüssigkeitsstromverbraucher 3 - hier als Konstantmotor vorliegend - sind in einem hydraulischen Kreislauf angeordnet. Die vom Antriebsmotor 2 der Pumpe 1 zugeführte Energie wird durch die Pumpe 1 in hydraulische Energie eines Druckflüssigkeitsstromes, der durch die Verbindungsleitung 4 zum Hydromotor 3 geleitet wird und diesen antreibt, umgewandelt. Die Verbindungsleitung 4 ist die Hochdruckleitung. Der Kreislauf, der Pumpe und Motor miteinander verbindet, wird auch als Arbeitskreislauf bezeichnet. Zusätzlich zum Arbeitskreislauf sind ein Leckageölkreislauf 5 und Steuerkreislauf 6 zur Pumpenverstellung vorhanden.

Zwischen Pumpe und Hydraulikmotor ist in der Hochdruckleitung 4 ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil 7, das im Leckölsystem entlastet ist, angeordnet. Das Druckbegrenzungsventil 7 besteht aus dem Hauptsteuerventil 8 und dem Vorsteuerventil 9. Der Druckvolumenstrom wird über den Anschluß 10 eingeleitet und beaufschlagt über die Druckbohrung 11 im Ventilgehäuse die untere Stirnfläche 12 bzw. über die Drosselbohrung 13 die obere Stirnfläche 14 des Hauptsteuerkolbens 15. Durch die Druckfeder 16 wird der Hauptsteuerkolben 15 in der unteren Stellung gehalten. Gleichzeitig wird über die Steuerbohrung der Ventilkegel 17 des Vorsteuerventils beaufschlagt, der ebenfalls mittels einer Druckfeder 18 in seiner Lage gehalten wird. Übersteigt der Zulaufdruck p₁ den Druckwert, der mit der Druckfeder 18 im Vorsteuerventil 9 eingestellt ist , so öffnet der Ventilkegel 17, und es fließt so lange Druckfluid in den Federraum 19 ab, bis Kraftgleichgewicht am Ventilkegel 17 besteht. Der mit der Druckfeder 18 am Vorsteuerventil 9 eingestellte Druckwert ist so gewählt, daß er etwas höher als der zur Funktion der Pumpe 1 erforderliche Stand-by-Druck liegt. Zwischen dem Federraum 20 des Hauptsteuerkolbens und dem Zulauf des Anschlusses 10 entsteht über der Drosselbohrung 13 eine Druckdifferenz. Aufgrund der unterschiedlich beaufschlagten Kolbenflächen 12 und 14 wird der Hauptsteuerkolben 15 entgegen der Federkraft der Druckfeder 16 verschoben und gibt den Raum zwischen Zulauf 10 und Ablauf 21 ganz frei. Bei Druckgleichheit drückt die Druckfeder 16 den Hauptsteuerkolben 15 in die Ausgangsstellung zurück und der Zu- und Ablauf 10 bzw. 21 werden getrennt. Das Ventil ist ablaufdruckentlastet, da der vom Vorsteuerventil ablaufende Volumenstrom über die Bohrung 22 direkt in das Leckageölsystem 5 geführt wird.

Ein Pilotventil 23 mit einseitiger elektromagnetischer stufenloser Verstellung und hydraulischer Rückführung ist zwischen Steuerkreislauf 6 und Leckageölsystem 5 angeordnet. Es ist so konzipiert, daß der Leitungsquerschnitt der Verbindung zwischen Steuer- und Leckageölkreislauf stufenlos freigegeben und auch verengt werden kann. Aufgrund der Anordnung des Arbeits-, Steuer- und Leckageölkreislaufes kann das Druckbegrenzungsventil 7 direkt über das Ventil 23 angesteuert werden.

Die stufenlose Regelung der Drehzahl des Ventilators erfolgt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur des zu kühlenden Aggregates. Die Drehzahl des Ventilators hängt vom Verdrängungsvolumen des Druckstromverbrauchers 3 und dem zur Verfügung stehenden Volumenstrom, der vom Druckstromerzeuger 1 geliefert wird, ab. Da das Verdrängungsvolumen beim Konstantmotor auf einen konstanten Wert eingestellt ist, kann die Drehzahl nur durch Variation des von der Pumpe kommenden Förderstromes verändert werden. Die Verstellpumpe ist zu diesem Zweck mit einem Druckförderstromregler ausgerüstet. Dieser setzt sich aus einem Förderstromregler 24 und einem Druckregler 25 zusammen, wobei der Druckregler 25 lediglich als Überlastsicherung dient. Über die Steuerleitungen 6a und 6c wirkt der Betriebsdruck im Arbeitskreislauf direkt auf die Stelleinrichtung 26 der Pumpe.

In der Enddurchlaßstellung des Ventils 23, d. h., bei vollständiger Freigabe der Verbindung zwischen Steuerkreislauf 6b und Leckageölkreislauf 5 fällt der Druck im Federraum 27 des Förderstromreglers auf nahezu Null ab. Der Steuerkolben 28 des Förderstromreglers wird durch den über die Steuerleitung 6a anstehenden Zulaufdruck entgegen der Druckfeder verschoben und gibt den Querschnitt zur Steuerleitung 6c frei. Das bedeutet, daß der Verstellkolben 26a von beiden Seiten mit demselben Steuerdruck beaufschlagt wird. Durch die unterschiedlich großen Flächen am Verstellkolben 26a schwenkt dieser die Pumpe auf Nullförderung. Der Druck in der Zulaufleitung 10 des Arbeitskreislaufes sinkt auf den Stand-by-Druck und das Druckbegrenzungsventil 7 schließt selbsttätig.

In der Zulaufleitung 10 zum DBV 7 ist dann der durch die Feder 29 im Förderstromregler angestellte Druck vorherrschend. Dieser Druck wird als Stand-by-Druck bezeichnet. Die Drossel 30 in der Verbindungsleitung des Steuerkreislaufes 6 mit der Zulaufleitung zum Druckbegrenzungsventil des Arbeitskreislaufes ist so konzipiert, daß dieser Druck gehalten wird, d. h., daß das die Drossel durchströmende Fluid nahezu drucklos in das Leckageölsystem entlastet wird und die abströmende Fluidmenge vom Druckstromerzeuger 1 nachgespeist wird.

Bei langsamen Schließen des durch das Ventil 23 in Enddurchlaßstellung freigegebenen Leitungsquerschnitts, d. h. allmähliche Trennung der Verbindung von Steuer- und Leckageölkreislauf, erhöht sich der Druckwert im Federraum 27 des Förderstromreglers. Die Erhöhung bewirkt eine Verschiebung des Steuerkolbens 28 in Richtung seiner Endlage, was zu einer Entlastung der Steuerleitung 6c des Steuerkreislaufes 6 führt. Die Pumpe wird auf Grund der nun einseitigen Druckbeaufschlagung am Verstellkolben 26a ausgeschwenkt und fördert einen bestimmten Volumenstrom. Steigt der Zulaufdruck p₁ über den im Vorsteuerventil 9 des Druckbegrenzungsventils eingestellten Druckwert erfolgt ein Öffnen des Druckbegrenzungsventiles.

Der durch den Druckflüssigkeitsstromverbraucher bedingte und vom Pilotventil 23 stufenlos vorgegebene Systemdruck, der unter dem eingestellten Druckwert für den Druckregler 25 liegt, führt dazu, daß der Förderstromregler 24 auf einen entsprechend der Pumpenstellcharakteristik festgelegten Förderstrom unabhängig von der Pumpendrehzahl regelt. Für eine bestimmte Ventilatordrehzahl ist immer ein bestimmter Förderstrom, der von der Pumpe geliefert wird, erforderlich. Die Ansteuerung zur Änderung des an der Pumpe eingestellten Verdrängungsvolumens erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur des zu kühlenden Aggregates mittels des Ventils 23 durch die stufenlose Freigabe oder Verengung des Leitungsquerschnittes der Verbindung von Steuer- und Leckölkreislauf. Die stufenlose Verstellung des Ventiles 23 erfolgt elektromagnetisch.

In der Endsperrstellung, d. h. völlige Trennung von Steuer- und Leckölkreislauf, erhöht sich der Druck im Federraum 27 des Förderstromreglers auf den maximalen Arbeitsdruck des Systems, so daß eine Verschiebung des Steuerkolbens 28 bis in seine Endlage erfolgt. Das führt zu einer vollständigen Entlastung der Leitung 6c des Steuerkreislaufes. Die Pumpe wird auf Grund der einseitigen Druckbeaufschlagung des Verstellkolbens 26a auf maximales Verdrängungsvolumen ausgeschwenkt und fördert entsprechend ihrer Drehzahl einen maximalen Förderstrom.

Übersteigt der Arbeitsdruck im System seinen zulässigen Maximalwert, der im Druckregler 25 an der Feder 31 eingestellt ist, wird die Pumpe auf ein kleineres Verdrängungsvolumen zurückgeschwenkt.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur Regelung auf konstante Verbraucherdrehzahl z. B. für einen Generator- oder Kompressorantrieb dargestellt. Der Grundaufbau des Arbeitskreislaufes ist prinzipiell gleich zu Fig. 1. Die Bezugszeichen sind sinngemäß wie in Fig. 1 angebracht.

Der Unterschied der Regelkreise besteht darin, daß das Ventil 23 aus Fig. 1 im DBV 7 integriert ist und durch Ein/Aus-Impulse elektromagnetisch geschaltet wird. Das Pilotventil braucht im vorliegenden Fall keine Zwischenstellung zwischen Durchlaß- und Sperrstellung einnehmen.

In Durchlaßstellung des Pilotventiles 23 wird der Hauptsteuerkolben 15 durch die unterschiedliche Druckbeaufschlagung seiner Stirnflächen in die Durchlaßstellung gedrückt. Der in der Zulaufleitung 10 vorherrschende Stand-by-Druck pflanzt sich durch das Druckbegrenzungsventil 7 bis zum Konstantmotor 3 und über die Steuerleitung 6b bis in den Federraum 27 des Förderstromreglers fort. Der Druck im Federraum steigt und der Steuerkolben 28 wird in Richtung seiner Endlage verschoben, was, wie in Fig. 1 beschrieben, zu einem Ausschwenken der Verstellpumpe führt. Der Förderstrom steigt an, und der Konstantmotor dreht mit einer entsprechenden Drehzahl. Das Vorsteuerventil 32 dient nur als zusätzliche Überdruckabsicherung, um unzulässige Druckspitzen bei Schaltvorgängen abzubauen.

Die Drehzahl des Druckstromverbrauchers ist direkt abhängig vom gelieferten Förderstrom des Druckstromerzeugers. Um eine konstante Drehzahl des Verbrauchers zu gewährleisten, ist ein konstanter Förderstrom, der von der Pumpe geliefert wird, unabhängig von äußeren Einflüssen - wie z. B. Drehzahlschwankungen des Antriebsmotors 2 oder Belastungsschwankungen des Hydromotors 3 - erforderlich. Mittels einer Meßblende 33 kann dies realisiert werden. Die Meßblende 33 in der Zulaufleitung 10 ist so dimensioniert, daß bei dem erforderlichen konstanten Förderstrom an der Blende eine Druckdifferenz in Höhe des an der Druckfeder 29 eingestellten Druckes entsteht. Der gewünschte Förderstrom entspricht dieser Druckdifferenz.

Ist der von der Pumpe gelieferte Förderstrom zu hoch, steigt die Druckdifferenz an der Meßblende und somit auch zwischen den Steuerleitungen 6a und 6b an. Der Steuerkolben 28 wird dadurch gegen die Druckfeder 29 verschoben und die Pumpe schwenkt, wie in Fig. 1 beschrieben, auf einen kleineren Förderstrom zurück.

Wird der von der Pumpe gelieferte Förderstrom zu klein, so sinkt die Druckdifferenz an der Meßblende und somit auch zwischen den Steuerleitungen 6a und 6b. Dadurch wird der Steuerkolben 28 in Richtung seiner Endlage verschoben, und die Pumpe schwenkt, wie in Fig. 1 beschrieben, auf einen größeren Förderstrom.

Durch Drehzahlschwankungen der Pumpe können somit keine unterschiedlichen Förderströme entstehen, da diese durch Veränderungen des Verdrängungsvolumens der Pumpe ausgeregelt werden.

In Sperrstellung des Pilotventiles 23 wird der Hauptsteuerkolben 15 mittels der Druckfeder 16 in Sperrstellung gehalten. Der Federraum 27 des Förderstromreglers 24 ist über die Steuerleitung 6b und das Druckbegrenzungsventil 7 in den Leckageölkreislauf entlastet. Die Verstellpumpe schwenkt, wie in Fig. 1 beschrieben, in Richtung Nullförderung und hält nur den erforderlichen Stand-by-Druck in der Zulaufleitung 10.

Claims (7)

1. Regeleinrichtung eines hydrostatischen Antriebes mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 es ist ein eine Hochdruckleitung aufweisender hydrostatischer Arbeitskreislauf vorgesehen;
• 1.2 es sind im Arbeitskreislauf eine mit einem Förderstromregler ausgestattete Verstellpumpe und ein Hydromotor vorgesehen;
• 1.3 es sind Mittel zur Regelung des Hydromotors vorgesehen;
• 1.4 es ist ein Leckageölkreislauf vorgesehen;

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• 1.5 es ist in der Hochdruckleitung (4) zwischen Verstellpumpe (1) und Hydromotor (3) ein mit dem Eingangsdruck schaltbares 2-Wegeventil (7) vorgesehen, das bis zu einem vorgegebenen Druckwert in einer Schließstellung die Hochdruckleitung (4) vollständig unterbricht und oberhalb dieses Druckwertes in einer Offenstellung die Hochdruckleitung (4) vollständig freigibt, wobei
• 1.6 die Schließstellung des 2-Wegeventils (7) mit der Minimalförderung der Verstellpumpe (1) gekoppelt ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung des Hydromotors (3) aus einem gesteuerten Pilotventil (23), das auch den Förderstromregler (24) der Verstellpumpe (1) ansteuert, bestehen.

3. Regeleinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotventil (23) temperaturabhängig gesteuert ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gesteuerte Pilotventil (23) stufenlos verstellbar ist.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotventil (23) durch elektrische Ein/Aus-Impulse gesteuert ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regelung des Hydromotors (3) ein gesteuertes Pilotventil (23), eine Meßblende (33) und der Förderstromregler (24) der Verstellpumpe (1) sind.