DE4402093A1 - Hydrostatisches Antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem mit einer Pumpe und einem Verbraucher hydrostatischer Energie, die im offenen Kreislauf angeordnet sind, und mit einem im Zulauf des Verbrauchers angeordneten Steuerventil und einem im Ablauf des Verbrauchers angeordneten Bremsventil, wobei in der Bremsphase das Steuerventil und das Bremsventil getrennt voneinander betätigbar sind.

Bremsventile verhindern in hydrostatischen Antriebssystemen das Überschreiten einer bestimmten Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers und darüber hinaus Kavitation auf der Zulaufseite des Verbrauchers (Füllungsmangel), der z. B. als Hydromotor ausgebildet sein kann. Die beschriebenen Situationen treten beispielsweise beim Abbremsen des hydrostatischen Antriebssystems (durch die dabei auftretende Massenträgheitskraft) oder bei Bergabfahrt eines mit einem hydrostatischen Fahrantrieb ausgestatteten Fahrzeugs (durch die Hangabtriebskraft) auf.

Die Bremsventile werden in Abhängigkeit vom Druck im Zulauf des Hydromotors angesteuert (meist erfolgt eine direkte Beaufschlagung einer Steuerfläche am Bremsventil durch den zulaufseitigen Druck des Hydromotors). Dabei ist jeweils das ablaufseitige Bremsventil in Richtung Schließstellung durch eine Feder vorgespannt und wird vom Druck im Zulauf in Öffnungsstellung gebracht und dort zunächst gehalten. Sobald der Druck auf der Zulaufseite einen bestimmten Wert unterschreitet, schließt das Bremsventil (in der Regel stufenlos, also in Zwischenstellungen drosselnd) und verringert damit den Querschnitt des Ablaufs, um dort das abfließende Druckmittel aufzustauen.

Bei hydrostatischen Antriebssystemen ist als konventionelle Lösung vorgesehen, daß zwei Bremsventile, die auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein können, vorhanden sind und ein oder zwei Steuerventile auf einer davon beabstandeten Achse.

Bei Anordnung dieser Ventile in Gehäusen müssen daher immer mindestens zwei parallele Bohrungen eingebracht werden. Die Betätigung der Bremsventile erfolgt durch den zulaufseitigen Druck (DE 41 19 333 A1).

Aus der DE 22 20 571 C2 ist es bekannt, die Bremsventilfunktion in das Steuerventil zu integrieren und die solcherart gebildete Ventil-Baugruppe auf einer gemeinsamen Achse anzuordnen. Die Ventil-Baugruppe (Steuerventil und Bremsventil, beidseitig wirksam) wird durch Steuerdruck betätigt. Sinkt in der Bremsphase der Zulaufdruck unter das Steuerdruckniveau, so baut sich der Steuerdruck proportional zum Zulaufdruck ab.

Bei dieser Lösung ist es allerdings nicht ausgeschlossen, daß es während bestimmter Betriebsphasen zu Instabilitäten in der Steuerung kommt. Wenn nämlich in der Bremsphase, das heißt dann, wenn der Druck auf der Zuflußseite des Hydromotors einen bestimmten Wert unterschreitet und sich infolgedessen durch Absenken des Steuerdrucks die das Bremsventil enthaltende Ventil-Baugruppe in Schließrichtung bewegt, der Ablaufquerschnitt verringert wird, um eine Drosselwirkung zu erzeugen, wird bei dieser bekannten Ausführung gleichzeitig der Zulaufquerschnitt vermindert. Dadurch wird auch der zulaufende Druckmittelstrom gedrosselt und sinkt deshalb der zulaufseitige Druck noch stärker ab, wodurch sich die Ventil-Baugruppe weiter in Schließrichtung bewegt. Durch diesen Mitkopplungseffekt kommt es zu Schwingungen in der Steuerung und der Abbremsvorgang ist in Frage gestellt.

Aus diesem Grund ist in der gattungsgemäßen DE 42 35 698 A1 eine Konstruktion vorgeschlagen worden, bei der das Steuerventil und das Bremsventil in der Bremsphase voneinander getrennt betätigbar sind und der das Bremsventil beaufschlagende Steuerdruck in der Bremsphase im wesentlichen unabhängig von dem das Steuerventil beaufschlagenden Steuerdruck in Abhängigkeit vom Druck im Zulauf beeinflußbar ist.

Trotz Ansteuerung von Steuerventil und Bremsventil durch Steuerdruck aus einer gemeinsamen Steuerdruckquelle wird dabei eine Trennung der Funktionen "Steuern des Zulaufquerschnitts" und "Steuern des Ablaufquerschnitts" in der Bremsphase vorgenommen. Eine Mitkopplung wie beim oben beschriebenen Stand der Technik ist daher verhindert. Ein mit einem derartigen hydrostatischen Antriebssystem ausgerüstetes Fahrzeug ist daher schwingungsfrei abbremsbar. Darüber hinaus bleibt der Vorteil der Anordnung von Steuerventil und Bremsventil auf einer gemeinsamen Achse erhalten. Diese platzsparende Anordnung ermöglicht es, das Steuerventil und das Bremsventil in die Steuerbodenaufnahme des Hydromotors zu integrieren, was eine sehr kompakte Bauweise ergibt. Allerdings besteht ein Nachteil dieser Anordnung darin, daß sie an die Beaufschlagung des Steuerventils durch Steuerdruck gebunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, das die Beaufschlagung zumindest des Steuerventils durch Steuerdruck nicht zwingend erforderlich macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine die Bewegungsrichtung und den Belastungszustand des Verbrauchers erfassende Auswahllogik vorgesehen ist, die steuernd oder regelnd mit dem Bremsventil in Wirkverbindung steht. Die Be­ wegungsrichtung des Verbrauchers wird dabei z. B. über die Betätigung des der Bewegungsrichtung zugeordneten Steuerventils erfaßt und die Belastung über den Druck in der zulaufseitigen Förderleitung. Die Auswahllogik, die bevorzugt in Form einer Ventilanordnung ausgebildet ist, ermöglicht es, daß das Steuerventil und das Bremsventil nicht durch Steuerdruck aus einer gemeinsamen Steuerdruckquelle betätigt werden müssen, sondern das daß Bremsventil weiterhin hydraulisch, z. B. durch Druckmittel aus der zulaufseitigen Förderleitung beaufschlagt werden kann und das Steuerventil auf beliebige Weise ansteuerbar ist, beispielsweise hydraulisch oder elektrisch (in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Steuerventils).

Zweckmäßigerweise ist das Bremsventil hydraulisch ansteuerbar, wobei das Bremsventil mittels einer Bremssignalleitung, die zwischen eine Steuerfläche des Bremsventils und eine stromab des Steuerventils angeordnete zulaufseitige Förderleitung geschaltet ist, durch den Druck im Zulauf beeinflußbar und ist in der Bremssignalleitung eine Ventilanordnung vorgesehen, die durch ein das Steuerventil betätigendes Steuersignal in eine Richtung steuerbar ist, in der eine Verbindung zwischen dem Zulauf und der Steuerfläche des Bremsventils besteht. Bei Vorhanden­ sein eines Steuersignals für das Steuerventil - unabhängig von der Art (elektrisch, hydraulisch, mechanisch) des Steuersignals - wird das Bremsventil durch den zulaufseitigen Druck in der Förderleitung gesteuert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ventilanordnung ein in die Bremssignalleitung geschaltetes 2/2-Wegeventil mit einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung aufweist, das von dem Steuersignal entgegen Federkraft in Richtung zur Öffnungsstellung betätigbar ist. Mit Hilfe des 2/2-Wegeventils wird bei betätigtem Steuerventil (Vorhandensein eines Steuersignals) eine Verbindung zwischen dem Zulauf zum Verbraucher und der Steuerfläche des Bremsventils im Ablauf hergestellt, so daß das Bremsventil durch den zulaufseitigen Druck in die Öffnungsstellung geschaltet wird, sofern dieser groß genug ist. Sinkt jedoch der zulaufseitige Druck, weil Energie von außen in das hydrostatische Antriebssystem eingespeist wird, was bespielsweise bei Bergabfahrt eines mit einem hydrostatischen Fahrantrieb ausgestatteten Fahrzeugs der Fall ist, so bewegt sich das Bremsventil trotz Vorhandensein eines Steuersignals in seine Schließstellung und staut Druckmittel im Ablauf, wodurch ein Ansteigen der Bewegungsgeschwindigkeit des Verbrauchers verhindert wird.

Sofern die Ansteuerung des Steuerventils hydraulisch erfolgen soll, ist es zweckmäßig, wenn das Steuersignal ein Steuerdruck ist, der an den ersten Eingang eines Wechselventils geführt ist, dessen Ausgang an eine Steuerfläche des 2/2-Wegeventils angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang mit der Bremssignalleitung zwischen dem 2/2-Wegeventil und der Steuerfläche des Bremsventils in Verbindung steht. Der Anschluß des zweiten Eingangs des Wechselventils in der beschriebenen Weise ist zum schnellen Reversieren des hydrostatischen Antriebssystems erforderlich.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, das Steuerventil elektrisch zu betätigen (dabei wird auch das 2/2-Wegeventil elektrisch betätigt), wodurch Steuerdruckleitungen entfallen. Dies ist beispielsweise bei Verwendung der Erfindung für den Fahrantrieb eines Baggers vorteilhaft, weil dann keine Steuerdruckleitungen durch eine Drehdurchführung hindurchgeführt werden müssen.

Es erweist sich als günstig, wenn in der Bremssignalleitung eine Dämpfungseinrichtung zwischen der Steuerfläche des Bremsventils und dem 2/2-Wegeventil angeordnet ist.

Bei geschlossenem 2/2-Wegeventil ermöglicht die im Antriebssystem vorhandene Leckage eine ungehinderte Bewegung des Bremsventils von der Offenstellung in die Schließstellung. Sofern die Leckage jedoch nicht ausreicht, ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur sicheren Gewährleistung dieser Bewegung in die Ausgangstellung vorteilhaft, wenn an die Bremssignalleitung zwischen dem 2/2- Wegeventil und der Steuerfläche des Bremsventils eine Ablaßleitung mit einer Drossel angeschlossen ist.

Das oben beschriebene Wechselventil kann auch entfallen, wenn die Drossel entsprechend groß dimensioniert ist oder das Bremsventil langsam schalten darf, also kein schnelles Reversieren erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur für einseitig betätigbare Verbraucher sondern auch für in beide Bewegungsrichtungen betätigbare Verbraucher anwendbar, wobei im letztgenannten Fall in jeder der zu dem Verbraucher führenden Leitungen ein wechselweise als Steuer- oder Bremsventil betreibbares Ventil mit jeweils zugeordneter Ventilanordnung vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes hydrostatisches Antriebssystem und

Fig. 2 eine Variante von Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Schaltplan zu einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem mit einer Pumpe 1 konstanten oder verstellbaren Fördervolumens und einem damit im offenen Kreislauf verbundenen Verbraucher 2. Der Verbraucher 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hydromotor, also als rotatorischer Verbraucher ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch auch für translatorische Verbraucher anwendbar. Die Pumpe 1 saugt aus einem Tank 3 und fördert in eine Förderleitung 4, die sich in zwei Förderleitungen 4a und 4b verzweigt. Jede Förderleitung 4a bzw. 4b ist mit einem als 3/3-Wegeventil ausgebildeten federzentrierten Steuerventil 5a bzw. 5b mit integriertem Bremsventil verbunden, von dem jeweils eine Leitung 6a bzw. 6b zu dem Tank 3 und eine Förderleitung 33a bzw. 33b zu den Anschlüssen des Hydromotors führt. Das Steuerventil 5a bzw. 5b sperrt in Mittelstellung den Durchfluß durch die Förderleitung 4a bzw. 4b zu der Förderleitung 33a bzw. 33b und ist in Zwischenstellungen drosselnd.

Jedes Steuerventil 5a bzw. 5b weist eine Steuerfläche 7a bzw. 7b und eine dazu entgegengerichtet wirksame Steuerfläche 8a bzw. 8b auf. Zu der Steuerfläche 7a bzw. 7b ist eine Steuerdruckleitung 9a bzw. 9b geführt, in der eine Drossel 10a bzw. 10b mit parallel geschaltetem, in Richtung zur Steuerfläche 7a bzw. 7b öffnendem Rückschlagventil 11a bzw. 11b angeordnet ist. Die Steuerdruckleitung 9a ist an einen Steuerdruckgeber 12a angeschlossen und die Steuerdruckleitung 9b an einen Steuerdruckgeber 12b. Die beiden Steuerdruckgeber 12a und 12b sind derart miteinander gekoppelt, daß jeweils einer von beiden durch ein gemeinsames Steuerorgan 13 betätigbar ist.

Zu der Steuerfläche 8a bzw. 8b ist eine Bremssignalleitung 18a bzw. 18b geführt, die stromab des Steuerventils 5a bzw. 5b an die Förderleitung 33a bzw. 33b angeschlossen ist. In der Bremssignalleitung 18a bzw. 18b ist ein 2/2-Wegeventil 16a bzw. 16b mit einer federbelasteten Schließstellung und einer Öffnungsstellung angeordnet und zu Dämpfungszwecken eine Drossel 15a bzw. 15b. Von der Steuerdruckleitung 9a bzw. 9b zweigt eine Steuerdruckzweigleitung 17a bzw. 17b ab, die zu einem ersten Eingang eines Wechselventils 14a bzw. 14b führt. Der zweite Eingang des Wechselventils 14a bzw. 14b ist mit der Bremssignalleitung 18a bzw. 18b zwischen dem 2/2-Wegeventil 16a bzw. 16b und der Drossel 15a bzw. 15b verbunden. Der Ausgang des Wechselventils 14a bzw. 14b ist an eine in Richtung zur Öffnungsstellung wirksame Steuerfläche 19a bzw. 19b des 2/2-Wegeventils angeschlossen.

Das beschriebene hydrostatische Antriebssystem funktioniert wie folgt: Bei Betätigung des Steuerorgans 13 am Steuerdruckgeber 12a wird ein bestimmter Steuerdruck bspw. zwischen 0 und 25 bar, je nach Stellung des Steuerorgans 13, vorgewählt, der sich in der Steuerdruckleitung 9a aufbaut. Dieser Steuerdruck pflanzt sich über das Rückschlagventil 11a bis zur Steuerfläche 7a des Steuerventils 5a fort und bewegt dieses entgegen der Federkraft nach in der Figur rechts. Dadurch wird die Förderleitung 4a mit der zuflußseitigen Förderleitung 33a verbunden und Druckmittel strömt von der Pumpe 1 über das geöffnete Steuerventil 5a zum Hydromotor, um diesen anzutreiben. Die Menge des zufließenden Druckmittels, die die Abtriebsdrehzahl des Hydromotors bestimmt, richtet sich nach der Öffnungsweite des Steuerventils 5a, die wiederum von der Höhe des an der Steuerfläche 7a anstehenden Steuerdrucks abhängt.

Der Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 9a wird über das Wechselventil 14a auch der Steuerfläche 19a des 2/2-Wegeventils 16a mitgeteilt, so daß dieses sich entgegen Federkraft in die Öffnungsstellung bewegt. Über die Zweigleitung 18a, die bei in Öffnungsstellung befindlichem 2/2-Wegeventil 16a an die Förderleitung 33a angeschlossen ist, wirkt der Druck im Zulauf auf die Steuerfläche 8b des anderen Steuerventils 5b und schiebt dieses entgegen Federkraft nach in der Figur rechts, wodurch die abflußseitige Förderleitung 33b geöffnet wird und Druckmittel vom Hydromotor in den Tank 3 fließen kann.

Fährt ein mit dem beschriebenen hydrostatischen Antriebssystem ausgestattetes Fahrzeug einen Berg hinab, so wird infolge der Hangabtriebskraft abtriebsseitig Energie in den Hydromotor (Verbraucher 2) eingespeist, so daß dieser von außen angetrieben wird und als Pumpe wirkt. Der Druck in der zuflußseitigen Förderleitung 33a verringert sich deshalb, so daß ein Druckabbau in der Bremssignalleitung 18a erfolgt und auch der Druck an der Steuerfläche 8b absinkt. Das Steuerventil 5b bewegt sich infolge der nun überwiegenden Federkraft nach in der Figur links und verringert dabei den Querschnitt der abflußseitigen Förderleitung 33b. Dort wird daher Druckmittel aufgestaut und der Hydromotor gebremst. Das Steuerventil 5b wirkt in diesem Betriebszustand als Bremsventil.

Die Stellung des Steuerventils 5a bleibt dagegen gleich (also geöffnet), da weiterhin ein Steuerdruck wirkt. Dieser sorgt auch dafür daß das 2/2-Wegeventil 16a in der Öffnungsstellung verharrt.

Zu- und Ablauf des Hydromotors werden somit getrennt gesteuert, was ein schwingungsfreies Abbremsen ermöglicht.

Bei einem gewollten Abbremsen wird der Steuerdruck des jeweils angesteuerten Steuerventils 5a bzw. 5b zurückgenommen. Dabei ist durch eine entsprechende Auslegung dafür gesorgt, daß der kleinste zum Antreiben des Verbrauchers (z. B. Fahrbewegung eines mit dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystems ausgestatteten Fahrzeugs) erforderliche Steuerdruck ausreicht, um das 2/2-Wegeventil 16a bzw. 16b ganz zu öffnen. Die Verbindung zwischen der Förderleitung 33a bzw. 33b und der Steuerfläche 8a bzw. 8b bleibt daher bestehen und das als Bremsventil wirkende Steuerventil 5b bzw. 5a arbeitet entsprechend der Höhe des zulaufseitigen Drucks.

Wenn das 2/2-Wegeventil 16a bzw. 16b vollständig geschlossen ist, ermöglicht eine an die Bremssignalleitung 18a bzw. 18b angeschlossene Ablaßleitung 20a bzw. 20b mit einer darin angeordneten Drossel 21a bzw. 21b eine ungehinderte langsame Weiterbewegung des Bremsventils in die Schließstellung.

Wird das Bremsventil noch in der Bremsphase durch Beaufschlagung mit Steuerdruck zum Steuerventil (d. h. es ist ein schnelles Schalten, also Reversieren erwünscht), so baut sich in der Bremssignalleitung 18b bzw. 18a ein Druck auf, der etwa gleich ist dem Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 9b bzw. 9a. Dieser Druck wirkt nun über das Wechselventil 14b bzw. 14a auf die Steuerfläche 19b bzw. 19a des 2/2-Wegeventils 16b bzw. 16a und öffnet es. Dadurch ist eine schnellere Öffnungsbewegung des Ventilschiebers als allein über die Drossel 21b bzw. 21a möglich.

Bei entsprechender Auslegung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem genügt für die langsame Schließbewegung des Bremsventils bereits die im Antriebssystem vorhandene Leckage, so daß in diesem Fall auf die Ablaßleitung 20a bzw. 20b und die Drossel 21a bzw. 21b verzichtet werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystems, bei der die Auswahllogik in die Steuerventile 5a und 5b integriert ist. Zu diesem Zweck ist das Steuerventil 5a bzw. 5b als 4/3-Wegeventil ausgebildet, wobei der zusätzliche Anschluß mit der Bremssignalleitung 18b bzw. 18a verbunden ist. Die beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel für die Auswahllogik vorgesehenen Steuerventile 16a und 16b sind daher entfallen, ebenso die Wechselventile 14a und 14b und die Steuerdruckzweigleitungen 17a und 17b.

Claims (7)

1. Hydrostatisches Antriebssystem mit einer Pumpe (1) und einem Verbraucher (2) hydrostatischer Energie, die im offenen Kreislauf angeordnet sind, und mit einem im Zulauf des Verbrauchers (2) angeordneten Steuerventil (5a; 5b) und einem im Ablauf des Verbrauchers (2) angeordneten Bremsventil (5b; 5a), wobei in der Bremsphase das Steuerventil (5a; 5b) und das Bremsventil (5b; 5a) getrennt voneinander betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Bewegungsrichtung und den Belastungszustand des Verbrauchers (2) erfassende Auswahllogik vorgesehen ist, die steuernd oder regelnd mit dem Bremsventil (5b; 5a) in Wirkverbindung steht.

2. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bremsventil (5b; 5a) hydraulisch ansteuerbar ist, wobei das Bremsventil (5b; 5a) mittels einer Bremssignalleitung (18a; 18b), die zwischen eine Steuerfläche (8b; 8a) des Bremsventils (5b; 5a) und eine stromab des Steuerventils (5a; 5b) angeordnete zulaufseitige Förderleitung (33a; 33b) geschaltet ist, durch den Druck im Zulauf beeinflußbar ist und in der Bremssignalleitung (18a; 18b) eine Ventilanordnung vorgesehen ist, die durch ein das Steuerventil (5a; 5b) betätigendes Steuersignal in eine Richtung steuerbar ist, in der eine Verbindung zwischen dem Zulauf und der Steuerfläche (8b; 8a) des Bremsventils (5b; 5a) besteht.

3. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung ein in die Bremssignalleitung (18a; 18b) geschaltetes 2/2- Wegeventil (16a; 16b) mit einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung aufweist, das von dem Steuersignal entgegen Federkraft in Richtung zur Öffnungsstellung betätigbar ist.

4. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal ein Steuerdruck ist, der an den ersten Eingang eines Wechselventils (14a; 14b) geführt ist, dessen Ausgang an eine Steuerfläche (19a; 19b) des 2/2-Wegeventils (16a; 16b) angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang mit der Bremssignalleitung (18a; 18b) zwischen dem 2/2-Wegeventil (16a; 16b) und der Steuerfläche (8b; 8a) des Bremsventils (5b; 5a) in Verbindung steht.

5. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bremssignalleitung (18a; 18b) eine Dämpfungseinrichtung zwischen der Steuerfläche (8b; 8a) des Bremsventils (5b; 5a) und dem 2/2-Wegeventil (16a; 16b) angeordnet ist.

6. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Bremssignalleitung (18a; 18b) zwischen dem 2/2- Wegeventil (16a; 16b) und der Steuerfläche (8b; 8a) des Bremsventils (5b; 5a) eine Ablaßleitung (20a; 20b) mit einer Drossel (21a; 21b) angeschlossen ist.

7. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Verbraucher (2) in beide Richtungen betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der zu dem Verbraucher (2) führenden Leitungen (33a, 33b) ein wechselweise als Steuer- oder Bremsventil betreibbares Ventil (5a, 5b) mit jeweils zugeordneter Ventilanordnung vorgesehen ist.