DE4342309A1 - Hydrostatisches Antriebssystem im offenen Kreislauf mit Bremsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Antriebssystem mit einer Pumpe und einem im offenen Kreislauf daran angeschlossenen Verbraucher, wobei ablaufseitig ein vom Druck auf der Zulaufseite betätigbares Bremsventil angeordnet ist.

Ein gattungsgemäßes Antriebssystem ist aus der DE-OS 25 26 154 bekannt. Im offenen Kreislauf eingesetzte hydrostatische Antriebssysteme werden beispielsweise in Fahrantrieben (Betrieb in allen vier-Quadranten der Drehzahl-Drehmomenten-Ebene) verwendet oder zur Betätigung von Hebezeugen (Betrieb in nur zwei Quadranten: erster und zweiter Quadrant).

Um bei Fahrantrieben einen Betrieb im zweiten und im vierten Quadranten zu ermöglichen (bei Hubantrieben im zweiten Quadrant), in denen der Verbraucher von außen mit Energie beaufschlagt wird, muß im hydrostatischen Antriebssystem mit offenem Kreislauf dafür Sorge getragen werden, daß sich zur Aufnahme der von außen einwirkenden Last (Kraft oder Drehmoment) ein Druck auf der Ablaufseite des Verbrauchers aufbauen kann.

Zu diesem Zweck ist im hydrostatischen Antriebssystem mit offenem Kreislauf ein Bremsventil in der Ablaufseite angeordnet. Bei in beiden Richtungen betreibbaren Verbraucher ist jeder Seite ein Bremsventil zugeordnet, da beide Seiten wechselweise als Ablaufseite wirksam sein können. Diese Bremsventile können auch zu einem einteiligen Bremsventil vereint sein. Zusätzlich sind in der Regel Nachsaugeeinrichtungen vorgesehen, um Füllungsmangel und damit Kavitation am Verbraucher zu vermeiden. Bei Hubantrieben, z. B. einem Kran, kommt ein sogenanntes Senkbremsventil zum Einsatz, das in seiner Wirkungsweise dem Bremsventil/den Bremsventilen im Fahrantrieb entspricht.

Das Bremsventil wird beim Betrieb im ersten bzw. dritten Quadranten durch den sich zwischen Pumpe und Verbraucher zulaufseitig aufbauenden Druck in Öffnungsrichtung geschaltetet, so daß das ablaufseitige Druckmittel ungehindert zum Tank abfließen kann.

Beim Bremsen (Betrieb im zweiten und vierten Quadranten) herrscht nur ein geringer Druck zwischen Pumpe und Verbraucher, so daß sich das Bremsventil in Drosselstellung bewegt und Druckmittel auf der Ablaufseite aufgestaut wird. Dadurch entsteht am Verbraucher eine der Bewegungsrichtung entgegengerichte Belastung (Kraft oder Drehmoment) und der Verbraucher wird abgebremst.

Da hierbei Rückwirkungen auftreten, gerät das hydraulische Antriebssystem in Schwingungen. Zur Dämpfung dieser im Betrieb bespielsweise eines Baggers nicht akzeptablen Schwingungen ist in der Regel eine Drossel (Blende oder Spalt) in einer von der Zulaufseite zu einer Stellfläche des Bremsventils geführten Leitung angeordnet. Je geringer der Öffnungsquerschnitt der Drossel ist, desto stärker wird das Antriebssystem gedämpft.

Bei den in ausgeführten hydrostatischen Antriebssystemen benutzten Drosseln mit sehr kleinem Öffnungsquerschnitt oder engen Spalten kann es im Betrieb sehr schnell zu Funktionsbeeinträchtigungen durch Verschmutzung kommen. Darüber hinaus ergibt sich eine starke Temperaturabhängigkeit. Schließlich wird auch die Reaktions­ schwindigkeit des Bremsventiles ungünstig beeinflußt. Es dauert einige Zeit, bis sich dessen Schieber bewegt. Dies führt insbesondere beim Reversieren eines Fahrzeugs, das mit einem gattungsgemäßen Antriebssystem im Fahrantrieb ausgestattet ist, zu Problemen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem der eingangs genannten Art im Hinblick auf Dämpfung und Funktionssicherheit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest im Bremsbetrieb eine von der Zulaufseite abgezweigte Ablaßleitung mit einem drucklosen Behälter in Verbindung steht. In der Bremsphase fließt daher Druckmittel von der Zulaufseite zum Tank ab, wodurch ein plötzlicher, durch das Schließen des Bremsventils bewirkter Druckanstieg auf der Zulaufseite verhindert und eine stark dämpfende Wirkung auf das hydrostatische Antriebssystem ausgeübt wird. Für die erfindungsgemäße Stabilisierung kann die Zulaufseite auch ständig durch die Ablaßleitung mit dem drucklosen Behälter verbunden sein. Dies hat allerdings den Nachteil, daß beim Fahren, d. h. Antrieb des Verbrauchers (Hydromotor), eine beträchtliche Druckmittelmenge direkt in den drucklosen Behälter ablaufen würde. Deshalb ist es günstiger, wenn diese Verbindung nur in der Bremsphase hergestellt wird.

Zweckmäßigerweise ist in der Ablaßleitung eine Drosselstelle angeordnet, wodurch einerseits nur eine geringe Druckmittelmenge zum drucklosen Behälter abfließt und andererseits eine gute Stabilisierung des hydrostatischen Antriebssystems erfolgt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Drosselstelle einen veränderbaren Querschnitt aufweist. Hierbei kann der veränderbare Querschnitt durch steigenden zulaufseitigen Druck verkleinerbar sein. Er kann aber auch durch steigenden ablaufseitigen Druck vergrößerbar sein. Es ist auch möglich, daß der veränderbare Querschnitt in Schließrichtung vom zulaufseitigen Druck und in Öffnungsrichtung vom ablaufseitigen Druck beeinflußbar ist. Gemäß einer weiteren Variante kann der veränderbare Querschnitt in Schließrichtung von einer Feder und in Öffnungsrichtung vom ablaufseitigen Druck beeinflußbar sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß beide Anschlüsse des Verbrauchers wechselweise als Zulauf bzw. als Ablauf betreibbar sind und auf jeder Seite ein Bremsventil und ein die Drosselstelle enthaltendes Ablaßventil angeordnet sind. Somit ist der Erfindungsgegenstand im Vier-Quadrantenbetrieb verwendbar.

Es erweist sich im Hinblick auf eine Verringerung der Anzahl der Bauteile als günstig, wenn das Ablaßventil in das dazu parallel wirksame Bremsventil integriert ist. Es ist jedoch auch möglich, beide Ablaßventile zu einem gemeinsamen Ablaßventil zusammenzufassen.

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen geringen Platzbedarf ist eine Anordnung, bei der die beiden Bremsventile und die beiden Ablaßventileventile zu einem gemeinsamen Ventil zusammengefaßt sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand mehrerer, in den schematischen Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein hydrostatisches Antriebssystem des Standes der Technik;

Fig. 2a ein Diagramm zum Bremsdruck in einem hydrostatischen Antriebssystem gemäß Fig. 1;

Fig. 2b ein Diagramm zur Drehzahl des Hydromotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes hydrostatisches Antriebssystem;

Fig. 4a ein Diagramm zum Bremsdruck in einem erfindungsgemäßen hydrostatischen Antriebssystem gemäß Fig. 3;

Fig. 4b ein Diagramm zur Drehzahl des Hydromotors gemäß Fig. 3;

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein in ein Bremsventil integriertes Proportionalventil;

Fig. 6 ein erfindungsgemäßes hydrostatisches Antriebssystem, bei dem die beiden Proportionalventile zu einem gemeinsamen Proportionalventil zusammengefaßt sind;

Fig. 7 ein hydrostatisches Antriebssystem des Standes der Technik, bei dem die beiden Bremsventile zu einem gemeinsamen Bremsventil zusammengefaßt sind;

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Antriebssystem, bei dem die beiden Bremsventile und die beiden Proportionalventile zu einem gemeinsamen Ventil zusammengefaßt sind.

Das in Fig. 1 dargestellte hydrostatische Antriebssystem des Standes der Technik weist eine in diesem Beispiel im Fördervolumen verstellbare Pumpe 1 auf, die aus einem drucklosen Behälter 2 ansaugt und einen als Hydromotor ausgebildeten Verbraucher 3 über Leitungen 4 und 5 versorgt. Mit Hilfe eines bevorzugt in Zwischen­ stellungen drosselnden Umschaltventiles 6 kann der Verbraucher 3 in zwei Betätigungsrichtungen betrieben werden. Dabei wirkt entweder die Leitung 4 als Zulauf und die Leitung 5 als Ablauf oder umgekehrt die Leitung 5 als Zulauf und die Leitung 4 als Ablauf.

In der Leitung 4 ist ein Bremsventil 7 angeordnet, dem ein in Richtung zum Verbraucher 3 öffnendes Rückschlagventil 8 parallel geschaltet ist. Das Bremsventil 7 ist durch die Kraft einer Feder 9 in Richtung zur Schließstellung beaufschlagt. Eine der Feder 9 entgegengesetzt, d. h. in Öffnungsrichtung wirksame Stellfläche 10 ist durch eine Leitung 11 an die Leitung 5 angeschlossen. In der Leitung 11 ist zu Dämpfungszwecken eine Drossel 12 angeordnet.

Da das hydrostatische Antriebssystem in beide Richtungen betrieben werden kann, ist analog zu der oben beschriebenen Anordnung in der Leitung 5 ein Bremsventil 13 angeordnet, dem ein in Richtung zum Verbraucher 3 öffnendes Rückschlagventil 14 parallel geschaltet ist. Das Bremsventil 13 ist durch die Kraft einer Feder 15 in Richtung zur Schließstellung beaufschlagt. Eine der Feder 15 entgegengesetzt, d. h. in Öffnungsrichtung wirksame Stellfläche 16 ist durch eine Leitung 17 an die Leitung 4 angeschlossen. In der Leitung 17 ist zu Dämpfungszwecken eine Drossel 18 angeordnet.

Beim Anfahren (erster Quadrant oder dritter Quadrant, entsprechend der am Umschaltventil 6 vorgewählten Fahrtrichtung) herrscht hoher Pumpendruck in der als Zulauf wirksamen Leitung, der das Bremsventil in der als Ablauf wirksamen Leitungen in Öffnungsstellung bewegt. Druckmittel kann daher ungehindert vom Verbraucher 3 zum drucklosen Behälter 2 fließen.

Wird gebremst, so kehren sich die Verhältnisse um: der Verbraucher 3 wirkt als Pumpe. Der zulaufseitige Druck verringert sich oder bricht zusammen, so daß sich das ablaufseitige Bremsventil in Schließstellung bewegt und Druckmittel in der ablaufseitigen Leitung aufgestaut wird, wodurch das hydrostatische Antriebssystem Energie von außen aufnehmen kann.

Die bei einem hydrostatischen Antriebssystem des Standes der Technik dabei entstehenden Schwingungen sind in den Fig. 2a und 2b graphisch dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse jeweils die Zeit t in Sekunden aufgetragen. Auf der Ordinate von Fig. 2a ist der sich in der ablaufseitigen Leitung einstellende Bremsdruck p in bar aufgetragen, auf der Ordinate von Fig. 2b die Drehzahl n des Verbrauchers 2 (Hydromotor) in Umdrehungen pro Minute. Es ergibt sich in beiden Fällen eine relativ schwach gedämpfte Schwingung, da zur Gewährleistung der Funktionssicherheit die der Drossel 12 bzw. 18 einen bestimmten Öffnungsquerschnitt nicht unterschreiten darf.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes hydrostatisches Antriebssystem. Bauteile, die mit solchen aus Fig. 1 übereinstimmen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Von der Leitung 4 zweigt eine Ablaßleitung 19 ab, in die ein Ablaßventil 21 mit einer Drosselstelle 21a geschaltet ist. Das Ablaßventil 21 ist von einer Schließstellung in eine die Leitung 19 und damit die Leitung 4 mit dem drucklosen Behälter 2 verbindende Stellung betätigbar und in Schließrichtung vom Druck in der Leitung 4 und der Kraft einer Feder 23 beaufschlagt. In Öffnungsrichtung erfolgt eine Beaufschlagung durch den in der Leitung 5 geführten Druck.

Analog dazu zweigt von der Leitung 5 eine Ablaßleitung 20 ab, in die ein Ablaßventil 22 mit einer Drosselstelle 22a geschaltet ist. Das Ablaßventil 22 ist von einer Schließstellung in eine die Leitung 20 und damit die Leitung 5 mit dem drucklosen Behälter 2 verbindende Stellung betätigbar und in Schließrichtung vom Druck in der Leitung 5 und der Kraft einer Feder 24 beaufschlagt. In Öffnungsrichtung erfolgt eine Beaufschlagung durch den in der Leitung 4 geführten Druck.

Im folgenden sei angenommen, durch entsprechende Betätigung des Umschaltventils 6 sei die Leitung 4 der Zulauf.

Das Ablaßventil 21 ist in der Antriebsphase geschlossen, da zum einen die Feder 23 in Schließrichtung wirkt und zum anderen der zulaufseitige Druck größer ist als der ablaufseitige Druck. In der Bremsphase ist das Ablaßventil 21 geöffnet, so daß über die Ablaßleitung 19 Druckmittel von der zulaufseitigen Leitung 4 in den drucklosen Behälter 2 fließen kann.

Durch das erfindungsgemäße Ablaßventil 21 wird ein stark gedämpftes Verhalten des hydrostatischen Antriebssystems erreicht, was aus den Fig. 4a und 4b ersichtlich ist, die zu den Fig. 2a und 2b analoge Diagramme sind.

Sofern die Leitung 5 den Zulauf darstellt, gilt sinngemäß das Gleiche für das Ablaßventil 22.

In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch ein in das Bremsventil 7 integriertes Ablaßventil 22 gezeigt. Sofern die Leitung 5 als Zulauf wirksam ist, baut sich in der Antriebsphase in einem Raum 25 ein Druck auf, der einen in einem Gehäuse 26 angeordneten Schieber 27 gegen eine Feder 28 vollständig nach in der Figur links gegen einen verstellbaren Anschlag 29 verschiebt. Dadurch wird eine Bohrung 30 in dem Schieber 27 vom Gehäuse 26 vollständig abgedeckt, wodurch verhindert wird, daß Druckmittel aus der zulaufseitigen Leitung 5 abfließt. Das von der Pumpe 1 geförderte Druckmittel fließt daher zum Verbraucher 3, über die ablaufseitige Leitung 4 in einen Ringkanal 31 des Bremsventils 7, an dem nach in der Figur links verschobenen Schieber 27 vorbei in einen Ringkanal 32 und von dort zum drucklosen Behälter 2.

In der Bremsphase ist der Druck im Raum 25 gering, so daß die Feder 28 den Schieber 27 weitgehend nach in der Figur rechts verschiebt. Infolgedessen entsteht zwischen dem Ringkanal 31 und dem Ringkanal 32 eine Drosselstelle für das Druckmittel. Durch die Bohrung 30 fließt Druckmittel von der Pumpe 1 in den drucklosen Behälter, so daß der gesamte Antrieb ein stabiles Verhalten aufweist.

Analog dazu ist auch das Ablaßventil 22 in das Bremsventil 13 integriert.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, bei der die beiden Ablaßventile 21 und 22 zu einem gemeinsamen Ablaßventil 200 zusammengefaßt sind.

In Fig. 7 ist ein hydrostatisches Antriebssystem des Standes der Technik dargestellt, bei dem die beiden Bremsventile 7 und 13 zu einem gemeinsamen Bremsventil 300 zusammengefaßt sind.

Schließlich zeigt Fig. 8 die Zusammenfassung der beiden Ablaßventile 21 und 22 sowie der Bremsventile 7 und 13 zu einem gemeinsamen Ventil 400, was Vorteile hinsichtlich der Zahl der Bauteile und damit auch Platzvorteile hat.

Claims (11)

1. Hydrostatisches Antriebssystem mit einer Pumpe (1) und einem im offenen Kreislauf daran angeschlossenen Verbraucher (3), wobei ablaufseitig ein vom Druck auf der Zulaufseite betätigbares Bremsventil (7; 13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Zulaufseite abgezweigte Ablaßleitung (19; 20) zumindest im Bremsbetrieb mit einem drucklosen Behälter (2) in Verbindung steht.

2. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ablaßleitung (19; 20) eine Drosselstelle (21a; 22a) angeordnet ist.

3. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (21a; 22a) einen veränderbaren Querschnitt aufweist.

4. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Querschnitt durch steigenden zulaufseitigen Druck verkleinerbar ist.

5. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Querschnitt durch steigenden ablaufseitigen Druck vergrößerbar ist.

6. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Querschnitt in Schließrichtung vom zulaufseitigen Druck und in Öffnungsrichtung vom ablaufseitigen Druck beeinflußbar ist.

7. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Querschnitt in Schließrichtung von einer Feder und in Öffnungsrichtung vom ablaufseitigen Druck beeinflußbar ist.

8. Hydrostatisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Anschlüsse des Verbrauchers (3) wechselweise als Zulauf bzw. als Ablauf betreibbar sind und auf jeder Seite ein Bremsventil (7; 13) und ein die Drosselstelle (21a; 22a) enthaltendes Ablaßventil (21; 22) angeordnet sind.

9. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaßventil (21; 22) in das dazu parallel wirksame Bremsventil (13; 7) integriert ist.

10. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ablaßventile (21, 22) zu einem gemeinsamen Proportionalventil (200) zusammengefaßt sind.

11. Hydrostatisches Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bremsventile (7, 13) und die beiden Ablaßventile (21, 22) zu einem gemeinsamen Ventil (400) zusammengefaßt sind.