Hydraulischer Drucktransformator und Verfahren zu dessen Betrieb

I. Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Drucktransformator.

II. Technischer Hintergrund

In der Mobilhydraulik, also dem Hydraulikeinsatz bei z. B. selbstfahrenden Arbeitsmaschinen, werden häufig sowohl die Fahrantriebe als auch andere Verbraucher der Arbeitsmaschine hydraulisch angetrieben, unter anderem um eine stufenlose Regelung der Fahrgeschwindigkeit, also der Fahrantrie- be, zu realisieren.

Nachteilig sind jedoch bislang - im Vergleich zu einem mechanischen Getriebe als Fahrantrieb - die großen Verluste und relativ geringe überset- zungsspreizung eines hydraulischen Antriebes, sowie das Fehlen einer praktikablen Möglichkeit zur Verwendung von Bremsenergie.

In den Entwicklungen der Hydraulikantriebe ist eine Tendenz zur Zeitsteuerung erkennbar: Für Radialkolbenmaschinen wird beispielsweise in der EP 1319836 der Firma Caterpillar vorgeschlagen, Arbeitsdruck bzw. Drehmo- ment nicht durch Exzenterverstellung, sondern schneller und mit weniger Verlusten durch digitale Steuerung der effektiven Arbeitszeit zu variieren, das so genannte Digital-Displacement-System.

Eine Realisierung dieses Systems wurde gemäß der WO 2005/095800 der Firma Artemis präsentiert:

Ein Rechner entscheidet per Umdrehung für jeden Zylinder zwischen Arbeit oder Leerlauf. Zum Fahrantrieb wirken eine Digital-Displacement-Pumpe und ein hydraulischer Digital-Displacement-Motor zusammen. Arbeitszylindern sowie Nebenverbrauchern mit unterschiedlichem Druckbedarf sind separate Digital-Displacement-Pumpen zugeordnet. Alle Pumpen sind hinter- einander oder unabhängig voneinander auf dem Abtrieb des Verbrennungsmotors aufgereiht und bestimmen zusammen dessen Arbeit, wodurch der Motor weitgehend im Optimumbetrieb laufen kann und jeder Verbraucher diejenige Strom/Druck-Kombination bekommt, die er braucht, ohne dass ein primärer Versorgungsdruck, der sich nach der Stelle mit dem höchsten Druckbedarf im System richtet, für alle anderen unter großen Wärmeverlusten und entsprechendem Kühlungsaufwand heruntergedrosselt werden muss.

Auch das digitale Displacementsystem ist nicht ohne Nachteil: Alle Pumpen laufen, ungeachtet des Bedarfs ihrer Verbraucher, mit derjenigen Drehzahl, die für den Verbraucher mit dem höchsten Bedarf benötigt wird.

Viele Zylinder bewegen sich also nutzlos mit. Wegen der auftretenden Kavitation wäre es allerdings problematisch, sie einfach mit einem I/O-Ventil zu sperren. Deshalb benutzt die Artemis-Lösung pro Zylinder zwei Ventile, von denen je eines in der Verbindung zu einem der beiden Druckanschlüsse sowie an den beiden Totpunkten schaltbar ist. Wegen der hohen Drehzahlen werden dabei extrem schnelle und damit teuere Ventile benötigt oder ein Reduziergetriebe am Abtrieb des Verbrennungsmotors. So oder so führt die Vermeidung der Kavitation damit zum Rundpumpen großer ölmengen.

Zur Kavitationsvermeidung in Digital-Displacement-Motoren genügt eine Verbindung mit einem Rückschlagventil zwischen den Arbeitsräumen der Motoren und - über den Hohlraum, worin deren Exzenter dreht - den Nie- derdruckanschluss. Das Problem besteht darin, diesen Motor rüttelfrei laufen zu lassen, insbesondere bei niederer Fahrgeschwindigkeit.

Nötig sind eine gerade Anzahl von Zylindern in einem solchen Motor, in der Regel mindestens sechs, und ein symmetrisches Zu- und Abschalten der Ventile auch bei hohen Drehzahlen, weshalb auch Digital-Displacement- Motoren sehr schnelle Ventile brauchen.

IM. Darstellung der Erfindung

a) Technische Aufgabe

Es ist daher die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung, einen hydraulischen Drucktransformator zur Verfügung zu stellen, der Kavitation vermeidet und mit wenigeren und billigeren Ventilen auskommt und das nutzlose Rund- pumpen von ölmengen vermeidet, und darüber hinaus einen größeren LJ- bersetzungsbereich sowie die Wiederverwendung der Bremsenergie eines Fahrantriebes auf einfache Art und Weise ermöglicht.

b) Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 8 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, für das notwendige verändern des Druckes des benötigten Arbeitsmediums für den hydraulischen Fahrantrieb oder andere hydraulische Verbraucher nicht wie üblich - durch

eine Abfolge von hydraulischem Motor und davon angetriebener hydraulischen Pumpe - die hydraulisch zugeführte Energie zunächst in mechanische Energie zu verwandeln und diese durch die angeschlossene hydraulische Pumpe wieder zurück in hydraulische Energie auf niedrigem Druckniveau, sondern direkt hydraulische Energie in Form eines hohen Druckniveaus in hydraulische Energie in Form eines niedriger liegenden, definierten Druckniveaus umzuwandeln.

So werden beispielsweise in hydraulischen Arbeitsmaschinen mittels einer hydraulischen Versorgungspumpe konstant 400 oder 450 bar an Hochdruck zur Verfügung gestellt.

Diese müssen - abhängig vom momentanen Arbeitsbedarf des Fahrantriebes als auch des Druck- bzw. Strom-Bedarfes der übrigen Verbraucher die- ser Arbeitsmaschine - heruntertransformiert werden, was mit dem erfindungsgemäßen Drucktransformator auf einfache Art und Weise möglich wird, und der zusätzlich noch die Nutzung der Bremsenergie eines Fahrantriebes ermöglicht.

Dies wird erzielt, indem während des Reduzierungstaktes des Arbeitskolbens im Arbeitsraum dieser sowohl mit dem Niederdruckanschluss als auch mit dem Hochdruckanschluss - vorzugsweise abwechselnd, und zwar vorzugsweise zuerst mit dem Niederdruckanschluss und anschließend mit dem Hochdruckanschluss verbunden wird, so dass am Ende des Expansionstak- tes in dem dann gefüllten Arbeitsraum das gewünschte Mitteldruck-Niveau an Hydraulikmedium vorliegt.

Bei dem anschließenden Reduzier-Takt des Arbeitsraumes wird dieses einen definierten Mitteldruck aufweisende Hydraulikmedium durch die Bewe- gung des Arbeitskolbens aus dem Arbeitsraum in den Mitteldruckanschluss und von dort zu dem damit verbundenen Verbraucher ausgestoßen.

Indem nicht nur eine, sondern mehrere solche Arbeitskolben im Drucktransformator auf derselben Welle arbeiten, auf welcher der Exzenter angeordnet ist - sei es auf jeweils einem einzelnen Exzenter oder kreisförmig angeordnet auf ein und demselben Exzenter in Form einer Sternmaschine - wird einem Verbraucher ein quasi kontinuierlicher Strom an Hydraulikmedium mit dem gewünschten, wählbaren und einstellbaren Mitteldruck zur Verfügung gestellt, und darüber hinaus die Exzenterwelle in Bewegung gehalten, indem die in der Expansionsphase befindlichen und momentan mit dem Hochdruck in Verbindung stehenden Arbeitsräume dadurch den ihnen zugeordneten Arbeitskolben so gegen den Exzenter pressen, dass dieser weitergedreht wird und die in der Reduzierungsphase befindlichen Arbeitsräume die notwendige mechanische Energie zum Ausstoßen des Hydrauklikmediums in den Mitteldruckanschluss zuführt.

Eine solche hydraulische Arbeitseinheit kann in der Bauform einer Radialkolbenmaschine vorliegen, aber auch in der Bauform einer Exzenterwellenpumpe oder einer Kreiskolbenmaschine.

Der hydraulische Transformator steht dabei vorzugsweise nicht direkt mit einer den Hochdruck liefernden hydraulischen Pumpe in Verbindung, sondern besser mit einem Hochdruckspeicher, aus dem die gewünschte Menge an Hochdruckmedium jederzeit entnommen werden kann.

Der Hochdruckspeicher wird dabei vorzugsweise nicht von einer Hydraulik- pumpe gespeist, die von einem separaten Verbrennungsmotor angetrieben wird, sondern vielmehr von einer Freikolbenmaschine, bei der der Arbeitsraum auf der einen Seite des Freikolbens der Verbrennungsraum ist und der Arbeitsraum am anderen Ende des Freikolbens die hydraulische Pumpe darstellt.

Auf diese Art und Weise lässt sich ein besonders einfacher und kostengünstig herzustellender Antrieb schaffen, der unmittelbar sowohl Hochdruck, etwa

für einen Fahrantrieb, zur Verfügung stellt und der beispielsweise direkt aus dem Hochdruckspeicher entnommen werden kann, als auch Mitteldruck eines beliebig gewünschten, auch variablen Druckniveaus, wie es weitere hydraulische Verbraucher der gleichen Maschine benötigen.

c) Ausführungsbeispiele

Eine Ausführungsform des hydraulischen Drucktransformators als Radial- kolbenmaschine ist im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 : einen Radialschnitt durch eine Arbeitseinheit einer Radialkolbenmaschine,

Figur 2: ein Drehventil der Axialkolbenmaschine in einem Schnitt quer zur Rotationsachse der Exzenterwelle,

Figur 3: einen Drucktransformator in der Bauform als Sternmaschine mit mehreren über den Umfang verteilten Radialkolbeneinheiten,

Figur 4: einen Fahrantrieb mit Drucktransformator, und

Figur 5: einen Fahrantrieb mit Bremsenergierückgewinnung.

In Figur 1 ist in einem Radialschnitt, also geschnitten parallel zur Bewegungsrichtung des Arbeitskolbens 12, eine Arbeitseinheit in Form einer Radialkolbenmaschine 13 dargestellt, von denen mehrere in sternförmiger Anordnung zusammenwirkend gemäß Figur 3 und auf den gleichen oder in axi- aler Richtung der Exzenterwelle 5* versetzten, mehreren drehfest miteinander gekoppelten Exzentern 5 wirkenden Arbeitskolben 12 zusammen den erfindungsgemäßen hydraulischen Drucktransformator M ergeben.

Figur 1 zeigt, dass der Arbeitskolben 12 radial beweglich in einem entsprechenden Zylinder des Gehäuses der Maschine aufgenommen ist und sich radial hin- und herbewegen kann, und dabei mit seiner inneren Stirnfläche auf dem drehbar im Gehäuse gelagerten Exzenter 5 abstützt.

Der Exzenter 5 ist drehfest auf einer Exzenterwelle 5* befestigt, die keinen mechanischen Antrieb oder Abtrieb von außen - außer über die Arbeitskolben 12 - besitzt. Das vom Exzenter 5 gegenüberliegende stirnseitige Ende des Arbeitskolbens 12 begrenzt den Arbeitsraum 4, der somit in seinem Volumen veränderbar ist und zwei Zuleitungen besitzt:

über die Zuleitung 3* ist dieser Arbeitsraum 4 mit einem Niederdruckan- schluss C, vorzugsweise einem Niederdruckspeicher, verbunden, jedoch befindet sich in dieser Zuleitung 3* ein Rückschlagventil 6, wodurch aus dem Niederdruckanschluss C Niederdruckmedium lediglich in den Arbeitsraum 4 zuströmen, aber nicht von dort zum Anschluss C abfließen kann.

Anders ist dies bei der anderen Zuleitung 3, über die Druckmedium zum Ar- beitsraum 4 sowohl zu- als auch abströmen kann, denn in dieser Zuleitung 3 ist ein Zwei-Wege-Ventil 2, ausgebildet in Form eines Drehventils, angeordnet, über welches diese Zuleitung 3 wahlweise mit einem Hochdruckzufluss A, vorzugsweise in Form eines Hochdruckspeichers 11 , verbindbar ist oder mit einem Mitteldruckabfluss B, an dem üblicherweise ein diesen Mitteldruck benötigender hydraulischer Verbraucher angeschlossen ist.

Das Drehventil umfasst einen drehbaren Ventilkörper 2a, der drehfest mit der Exzenterwelle 5 verbunden ist, und je nach seiner Drehlage über einen definierten Drehwinkelbereich jeweils die Verbindung zu einem der An- Schlüsse A oder B freigibt. Zu diesem Zweck besitzt der drehbare Ventilkörper z.B. eine axiale Durchgangsöffnung von dem axial mündenden Anschluss A zu der gegenüberliegenden axial mündenden Zuleitung 3 oder

einen radial mündenden Anschluss zur Verbindung mit dem Mitteldruckan- schluss B, der ebenfalls auf Seiten der Zuleitung 3 axial in diese mündet.

Zu diesem Zweck erstreckt sich radial um den scheibenförmigen Ventilkör- per herum eine Ringleitung b über einen definierten Winkelbereich, die mit dem Mitteldruckablauf B in Verbindung steht.

Auch die axiale Durchgangsöffnung zum Verbinden mit dem Hochdruckan- schluss A ist vorzugsweise nierenförmig über einen definierten Winkelbe- reich des scheibenförmigen Ventilkörpers ausgebildet, wie in Figur 2 dargestellt. Die Winkelbereiche sind so festgelegt, dass insbesondere während der gesamten Bewegungsphase des Arbeitskolbens 12 in Richtung Verringerung des Volumens des Arbeitsraumes 4 die Zuleitung 3 mit dem Mittel- druckanschluss B in Verbindung steht.

In der Zuleitung 3 ist ferner eine I/O-Ventil angeordnet, welches diese Zuleitung 3 wahlweise vollständig verschließen oder vollständig öffnen kann. Ein gesteuertes, definiertes teilweises öffnen dieses Ventils ist nicht notwendig und hält die Kosten für dieses Ventil niedrig.

Das Ventil 1 ist mittels einer Feder 15 in die geöffnete Ventilstellung vorgespannt.

Dieses Ventil 1 dient dazu, - gesteuert von einer Steuerung 9, in der Regel einer elektronischen Steuerung - während der Verbindung der Zuleitung 3 mit dem Hochdruckanschluss A und während der Bewegungsphase des Arbeitskolbens in Richtung Vergrößerung des Arbeitsraumes 4 zu einem definierten Zeitpunkt geöffnet zu werden.

Dies bedeutet, dass während der Vergrößerung des Arbeitsraumes 4 zu Anfang dieses Ventil 1 geschlossen ist, und durch die Vergrößerung des Arbeitsraumes 4 in den Arbeitsraum 4 hinein Hydraulikmedium aus dem Nie-

derdruckzulauf C angesaugt wird. Ab dem Zeitpunkt des öffnen des Ventils 1 strömt durch die Zuleitung 3 Hochdruckmedium aus dem Hochdruckzulauf A in den Arbeitsraum 4, weshalb wegen dessen höherem Druck kein Niederdruckmedium mehr in den Arbeitsraum 4 einströmen kann und zusätzlich auch das Rückschlagventil 6 durch den anliegenden Hochdruck geschlossen wird.

Aus diese Art und Weise wird beim Füllen des Arbeitsraumes 4 dieser zunächst mit Niederdruckmedium und anschließend mit Hochdruckmedium in einem bestimmten Mengenverhältnis gemischt, so dass letztendlich bei Erreichen des maximalen Volumens des Arbeitsraumes 4 dieser mit Hydraulikmedium eines definierten mittleren Druckniveaus gefüllt ist.

Wenn sich anschließend die Bewegung des Arbeitskolbens 12 umkehrt, auf- grund der Weiterdrehung des Exzenters 5, angetrieben von einem oder mehreren der übrigen Arbeitseinheiten, stellt das Ventil 2 die Zuleitung 3 auf Verbindung mit dem Mitteldruckanschluss B um.

Der Arbeitskolben 12, der sich nun in Richtung Verkleinerung des Volumens des Arbeitsraumes 4 bewegt, presst damit das den gewünschten Mitteldruck aufweisende Hydraulikmedium aus dem Arbeitsraum 4 über das geöffnete

Ventil 1 - entgegen der Kraft der Felder 15 - und die Zuleitung 3 durch den

Mitteldruck-Ablauf B aus der Radialkolbenpumpe aus zu dem gewünschten

Verbraucher, wobei ebenfalls das Rückschlagventil 6 in der Zuleitung 3*, also zum Niederdruckanschluss C, geschlossen bleibt.

Den Zeitpunkt zum öffnen und Schließen des Ventils 1 ermittelt die Steuerung 9 entweder aufgrund von außen vorgegebener elektronischer Signale, die der Steuerung 9 über eine Datenleitung 8 zugeführt werden, oder in Kenntnis der Drehlage der Exzenterwelle 5 ^* , die der Drehlagensensor 7 de- tektiert und der Steuerung 9 zugeführt wird.

Figur 4 zeigt einen Fahrantrieb unter Verwendung des erfindungsgemäßen Drucktransformators M:

Dabei wird der die Fahrbewegung, also beispielsweise Drehung des Rades 17, veranlassende hydraulische Motor 16 vom Mitteldruckanschluss B des Drucktransformators M über eine Zulaufleitung 18 mit Hydraulikmedium versorgt. Der Hochdruckanschluss A des Transformators M steht mit einer Hochdruckleitung a in Verbindung, die mehrere Drucktransformatoren und andere Verbraucher mit Energie versorgen kann, und in der auch ein Hoch- druckspeicher 11A angeordnet sein kann.

Analog steht der Niederdruckzulauf C mit einer Niederdruckleitung c in Verbindung, in der ebenfalls ein Niederdruckspeicher 11 C angeordnet sein kann.

Zwischen der Hochdruckleitung a und der Niederdruckleitung c ist als die hydraulische Energie liefernde Pumpe vorzugsweise ein Freikolbenmotor angeordnet, der nicht dargestellt ist.

Der Mitteldruckanschluss B des Drucktransformators M stellt aufgrund der Steuerung 9 gemäß Figur 1 , die auch mit der hydraulischen Maschine 16 in Verbindung steht, dieser das Hydraulikmedium mit dem benötigten Druck zur Verfügung.

Die von der hydraulischen Maschine 16 das Hydraulikmedium abführende Rücklaufleitung 19 enthält ein Wegeventil 20, von dem aus je ein Ast 19 a, b der Rücklaufleitung 19 einerseits in die Hochdruckleitung a und andererseits in die Niederdruckleitung c weiterführt, abhängig von dem in der Rücklaufleitung 19 herrschenden Druck. Sobald dieser um einen definierten Wert un- terhalb des Wertes der Hochdruckleitung a liegt, wird das rücklaufende Hydraulikmedium, insbesondere mittels eines druckgesteuerten Wegeventils 20, der Niederdruckleitung c zugeführt.

Figur 5 zeigt den hydraulischen Antrieb einer selbstfahrenden Arbeitsma- schine, bei der also außer dem Fahrantrieb in Form der anzutreibenden Räder 17 ein Nutzverbraucher 21 , beispielsweise der hydraulische Kolben ei- nes Arbeitsgerätes, mit hydraulischer Energie versorgt werden muss.

Zusätzlich zu dem Fahrantrieb gemäß Figur 4 ist deshalb ein weiterer hydraulischer Drucktransformator M21 vorhanden, der mit seinem Mitteldruckablauf B wiederum diesen Nutzverbraucher 21 mit Hydraulikmedium versorgt.

Der Hochdruckzulauf A und der Niederdruckzulauf C dieses Drucktransformators M21 steht wiederum mit der Hochdruckleitung a einerseits sowie der Niederdruckleitung c andererseits in Verbindung.

Die Rücklaufleitung 19' vom Nutzverbraucher 21 enthält wiederum ein Wegeventil 20', von dem aus stromabwärts der eine Ast 19b mit der Niederdruckleitung c in Verbindung steht, entweder direkt oder - über ein weiteres Wegeventil 20" gesteuert - mit einem Mitteldruck-Speicher 11 B, der mit dem Niederdruckzulauf C des Drucktransformators M für den Fahrantrieb ver- bunden ist. Der andere Ast 19'a stromabwärts des Wegeventils 20' wird entweder - wie dargestellt - mit dem Mitteldruckanschluss B des Drucktrafos M21 verbunden oder mit dessen Hochdruckanschluss A.

Dabei speichert der Mitteldruckspeicher 11 B hydraulische Energie auf einem Druckniveau zwischen dem des Hochdruckes und dem des Niederdruckes, sodass das Wegeventil 20" den Rücklauf in den Mitteldruckspeicher 11 B leitet, wenn der Druck in diesem Ast 19'a höher ist als der im Mitteldruckspeicher 11 B.

Dadurch kann das vorhandene restliche Druckniveau in der Rücklaufleitung 19' effizienter ausgenutzt werden als bei direktem Einbringen in den Niederdruckspeicher 11 C.

Auf diese Art und Weise kann die Bremsenergie sowohl des Fahrantriebes als auch von Nutzverbrauchern, beispielsweise bei Verfahrung des Kolbens im Nutzverbraucher 21 in Richtung Verkleinerung des Arbeitsraumes, z. B. bei Absinken der Zinken eines Gabelstaplers, unmittelbar für den hydraulischen Antrieb zur Verfügung gestellt werden, ohne Umwandlung von einer in eine andere Energieart, und mit sehr geringem technischen Aufwand.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 I/O-Ventil

2 Zweiwegeventil

2a Ventil körper

3, 3 ^* Zuleitung

4 Arbeitsraum

5 Exzenter

5 ^* Exzenterwelle

6 Rückschlagventil

7 Drehlagensensor

8 Datenleitung

9 Steuerung

10 Rotationsachse

11A Hochdruckspeicher

11 B Mitteldruckspeicher

11 C Niederdruckspeicher

12 Arbeitskolben

13 Radialkolbenmaschine

14 Drucktransformator

15 Feder

16 hydraulische Maschine

17 Rad

18 Zulauf-Leitung

19', 19, 19a, 19b Rücklauf-Leitung

20', 20 Wegeventil

21 Nutzverbraucher

A Hochdruckzulauf

B Mitteldruckablauf a Hochdruckleitung

C Niederdruckleitung b Ringleitung

C Niederdruckzulauf

M21. M hydraulischer Drucktransformator