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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
und wobei eine die Bewegungsrichtung und den Belastungszustand des
Verbrauchers erfassende Auswahllogik vorgesehen ist, die steuernd
oder regelnd mit dem Bremsventil in Wirkverbindung steht.
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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.
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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.
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
gattungsgemäßes Antriebssystem
ist weiterhin aus der
DE
36 06 237 C2 bekannt. Das Bremsventil ist getrennt von
dem Steuerventil angeordnet und von dem zulaufseitigen Druck des
Verbrauchers gesteuert. In der Bremsphase des Verbrauchers ist das
Bremsventil hierbei unabhängig von
dem Steuerventil betätigbar.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass 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 ist
und in der Bremssignalleitung eine Ventilanordnung vorgesehen ist,
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. Die Bewegungsrichtung des Verbrauchers
wird hierbei 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).
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Bei
Vorhandensein 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.
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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 der 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 hergestllt, 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.
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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.
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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.
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Es
erweist sich als günstig,
wenn in der Bremssignalleitung eine Dämpfungseinrichtung zwischen
der Steuerfläche
des Bremsventils und dem 2/2-Wegeventil angeordnet ist.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den
Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 ein
erfindungsgemäßes hydrostatisches
Antriebssystem und
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2 eine
Variante von 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 18b, 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.
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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 18b erfolgt und auch
der Druck an der Steuerfläche 8b absinkt.
Das Steuerventil 5b bwegt sich infolge der nun überwiegenden
Federkraft nach in der Figur links und verringert dabei den Querschnitt
der abflußseitigen
Förderleitung 33b.
Dorf wird daher Druckmittel aufgestaut und der Hydromotor gebremst.
Das Steuerventil 5b wirkt in diesem Betriebszustand als
Bremsventil.
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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.
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Zu-
und Ablauf des Hydromotors werden somit getrennt gesteuert, was
ein schwingungsfreies Abbremsen ermöglicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.