具有能量回收的液压驱动系统 |
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| 申请号 | CN201080061554.2 | 申请日 | 2010-09-14 | 公开(公告)号 | CN102695884A | 公开(公告)日 | 2012-09-26 |
| 申请人 | 罗伯特·博世有限公司; | 发明人 | U.诺伊曼; J.安尔海因; E.黑姆斯柯克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种具有 能量 回收功能的液压驱动系统，其包括用于为负载（8）供给压 力 液的压力液 泵 （1）和用于从负载（8）排出压力液的回引线路（8）。根据本发明，所排出的压力液在压力下被回引至压力液泵的吸入侧。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有能量回收功能的液压驱动系统，其包括用于为至少一个负载（8）供给压力液的压力液泵（1）和用于从所述负载（8）排出压力液的回引线路（18），其特征在于，所排出的压力液在预先确定的或者能预先确定的回收压力下被回引至所述压力液泵（1）的吸入侧。 |
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| 说明书全文 | 具有能量回收的液压驱动系统[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有能量回收功能的液压驱动系统，其分别用于平移负载或旋转负载，平移负载例如为做功机械、诸如挖土机、提升机以及类似工作设备的起重臂/提升机构，旋转负载例如为卷扬机。 [0002] 旋转负载、如卷扬机驱动装置的或平移负载、如做功机械的提升机构特别是以液压方式来驱动，其中为此所需的液压流体流由压力液泵产生。泵由马达以机械方式驱动，其中它的输送体积可以根据手操纵的控制杆或者直接在机械路径上或间接地通过控制单元来改变，该控制单元产生相应的控制信号并且将该控制信号施加到压力液泵或其调整机构上。此外，在泵与负载之间的连接线路中在其间连接至少一个可手动操纵的控制阀，通过该控制阀可以控制负载的运动速度和方向。在这方面，其相应于如下技术标准，根据阀门杆位置来调节运动速度（例如在起重臂时的下降速度）并且最大运动速度、例如下降速度通过在液压驱动系统的压力释放线路中的换向阀来实现。在此情况下，被提升的或被拉动的负荷的势能在换向阀的节流位置处转换成热并且随流体一起排入箱中。 [0003] 然而特别是在电驱动的做功机械的情况下以及通常在移动式液压系统中，液压设备的能量效率极其重要，其中在这种情况下被提升的负荷的势能在其降低时通过以发电机方式工作的电动机回引至电池中。为此在现有技术中例如根据DE 44 16 173 C2已知，借助输送体积可调整的压力液泵为提升装置的起升液压缸供给液压流体，其通过压力液线路和在其间连接的控制阀连接到起升液压缸上。控制阀可手动地操纵并且将起升液压缸选择性地与压力液泵连接，以用于提升负荷，或与压力释放线路连接，以用于将降低负荷。 [0004] 在压力释放线路中连接有降低制动阀，压力液通过该降低制动阀以节流方式可以释放到压力液箱中。附加地，从压力释放线路在降低制动阀上游的切换阀处分出能量回收线路，该能量回收线路通过止回阀回引至泵上游的压力液线路中并且因此将释放的压力液朝向压力液泵回引至其输出接口。如果在起升液压缸与控制阀之间的压力超过预先确定的值的情况，则切换阀切换到能量回收线路，压力液泵在这种情况下作为压力液马达工作而机械连接于其上的电动机作为发电机工作。 [0006] 此外不利的是，由于多个传感器而导致较高的调节技术耗费，因为泵转速以及阀开口必须根据系统压力和负载压力以及负载速度来调节。此外，能量回收在具有并行负载的工作状态中是不可能的，这些负载具有较高的负载压力。 [0007] 鉴于这些情况，本发明的目的是提供一种具有能量回收功能的液压驱动系统，其实现了高效率并且能够驱动多个并行负载。另一优选的目的是如此构成液压驱动系统，使得无需具有电能量存储器的电驱动的泵马达单元，并且该泵马达单元进一步优选能以较小的调节技术耗费来运行。 [0009] 本发明的核心以及因此与现有技术的主要区别在于：如此构成具有能量回收功能的液压驱动系统，其包括用于为至少一个或多个（平移或旋转的）负载供给压力液的压力液泵和用于将压力液从所述负载排出的回引线路，使得被排出的压力液在（被回收的）压力下回引至压力液泵的吸入侧。由此在泵处于泵运行方式中的情况下，在泵上的压力差降低并且因此减小了能耗；或者在泵处于马达运行方式中的情况下，来自所回收的压力液的能量发送给驱动轴。于是在这两种情况下进行能量回收，其中被回收的能量并行地以及由相同的泵来驱动的负载立即并且直接可供使用。由此可以提高驱动系统的效率。 [0010] 本发明的一种有利的设计方案为此提出，保压阀在其间连接到回引线路中，其输出侧借助限压阀预设置/可预设置为（回收）压力。以此方式可以将与负荷有关的（回收）压力施加到泵的吸入侧上。 [0011] 特别有利的是，将压力液储存器连接到压力液泵的吸入侧上，其中不能暂时储存由泵所需的/所取得（回收）的体积流。 [0012] 最后有利的是，借助桥接线路绕开保压阀，节流元件、优选比例阀在其间连接到桥接线路中。由此实现了，在回引线路中相当高的回引压力的情况下，可以使（回收）压力在保压阀上调节的输出压力之上施加到泵上，以便暂时进一步提高驱动系统的效率。 [0014] 图1示出了根据本发明的第一优选实施例的液压驱动系统的线路图，该第一优选实施例基本上是基本实施方案，图2示出了根据本发明的第二优选实施例的液压驱动系统的线路图，该第二优选实施例配备有用于回收的能量的附加的能量存储器， 图3示出了根据本发明的第三优选实施例的液压驱动系统的线路图，该第三优选实施例是第二实施例的改进方案并且进一步提高了驱动系统的效率， 图4示出了根据本发明的第四优选实施例的液压驱动系统的线路图，该第四优选实施例除了第三实施例的功能之外还配备有附加的“虚拟负载”， 图5示出了根据本发明的第五优选实施例的液压布置的线路图，以及 图6示出了保压阀在行程上的节流板横截面的变化过程的曲线走向。 [0015] 在图1中以基本类型示出了用于根据本发明的液压驱动系统的布线图。在此处要明确地指出，该布线图形成了简单的但是功能上完整的液压回路。与此相对，根据图2至4的相应的布线图并不表示功能上完整的驱动系统的接线图，而是要仅仅解释驱动系统的根据本发明的部分方面，即解释“降低（Senken）”这个部分方面。 [0016] 因此，根据本发明的驱动系统具有优选可调整的压力液泵1，该压力液泵由电动机或者内燃机2来运行。泵1在此可通过输入线路4与环形室6或者起升液压缸8的活塞室16连接，其中可控制的比例阀9在其间连接到输入线路4中。此外，泵1还具有带有在其间连接的止回阀14的吸入线路12，该止回阀仅允许从流体箱朝向泵1吸取压力液。 [0017] 回引线路18从起升液压缸8的活塞室16离开，同样比例阀9在其间连接到该回引线路中。起升液压缸的活塞室16可以经由该阀9以所选出的方式通过线路4和18与泵1相连接，以便提升负荷。在阀9的接通位置中，环形室6与流体箱相连接。此外，活塞室16还可通过回引线路18和在其间连接到回引线路18中的阀9而与流体箱相连接，以降低负荷，其中在该情况下，环形室6通过阀9而与泵1进行连接。在这种情况下，阀9（在降低位置（Senk-stellung）中）形成在回引线路18中一种类型的出口控制边缘（Ablaufsteuerkante）或者出口测量节流板（Ablaufmessblende）20，以便精确地控制降低过程。 [0018] 除了起升液压缸8，在图1中也示出了液压机形式的旋转负载，例如卷扬机或者说绞线车或者说起重机（Seilwinde）被联接到液压机上。但是，下面出于简洁的原因仅借助起升液压缸来描述本发明。 [0019] 在出口控制边缘20下游，可在回引线路18中设置止回阀22（特别是参见图2），该止回阀仅允许从起升液压缸8的活塞室16流出压力液。在止回阀22的下游分出旁通线路24，该旁通线路经由另一止回阀26引回至环形室6并且因此仅允许从活塞室16到环形室6中的流体流动。旁通线路24中的减压阀28可直接连接在止回阀26上游，该减压阀的一个控制侧由优选可调整的弹簧加载，而其另一控制侧由控制压力来加载，该控制压力由在减压阀28下游的旁通线路24量取（abgreiffen）。 [0020] 在（阀9的）出口控制边缘20下游的回引线路18中在其间连接保压阀（Druckwaage）30。该保压阀30优选包括两路比例调节阀，所述两路比例调节阀的一个控制侧弹簧预张紧并且以控制压力来加载，所述控制压力直接在保压阀30上游的回引线路18中量取，并且所述两路比例调节阀的另一控制侧由控制压力来加载，所述控制压力被在出口控制边缘20上游的回引线路18量取。 [0021] 在保压阀30下游，回引线路18与压力液泵1的吸入线路12相连接，并且更确切地说连接在压力液泵1与吸入线路12中的止回阀14之间。最后，在保压阀30下游，压力卸载线路32从回引线路18分出至流体箱，限压阀34在其间连接到该流体箱中。限压阀34的控制侧利用优选可调整的弹簧被预张紧，而另一控制侧以控制压力来加载，该控制压力被直接在限压阀34上游的压力卸载线路32量取。 [0022] 保压阀30的输出端通过限压阀34被预设定为在限压阀34上可调节的或者预调节的值，从而在连接至其中的止回阀14上游的吸入线路12也采用该压力值。此外还为此设置压力液泵（液压机）1，不仅为例如起重臂或者说悬臂梁的在图1中示出的起升液压缸8而且为其它没有进一步示出的负载供给压力液。最后，压力卸载线路32中的限压阀34被调节到这种压力，该压力相应于起升液压缸8上的最小的负荷压力减去通过保压阀30调节的在前连接的节流阀20（或其控制边缘）上的压力差（基本上相应于相关的起重臂的自重）。 [0023] 本发明的原理运行方式参照根据图1的示意性的驱动系统以如下方式来说明：在负荷降低期间，负荷压力加载的缸活塞室16通过阀9的出口控制边缘或出口测量节流板20以及在后连接的保压阀30与泵/马达单元1的吸入线路12相连。在这种情况下能区分下述工作状态： 1.在出口测量节流板20上的体积流量大于由泵1接收的体积流量。 [0024] 在这种情况下，压力液剩余量通过限压阀34（可调节地或者固定调节地）被导入到流体箱中并且因此损失了能量回收功能。在压力液泵1的吸入线路12中的压力在这期间被提升到在限压阀34上所调节的压力（例如50bar）。如果现在（在泵1之后的）系统压力高于泵吸入线路12中的压力（泵吸入压力），则泵/马达单元1作为泵工作，由于高吸入压力但是在泵1上具有较小的压力差。由此，必须要求（在马达2与泵1之间的）中心驱动轴的少量功率。 [0025] 如果系统压力在这期间小于吸入线路12中的压力，则泵/马达单元1作为马达工作，并且因此将机械功率输送给中心曲轴。保压阀30在这种情况下在负荷降低期间使回引线路18中的节流阀（出口测量节流板）20上的压力差保持恒定，并且因此能够实现与负荷压力无关的降低。 [0026] 2.在出口测量节流板20上的体积流量小于泵1所需的体积流量。 [0027] 在该工作状态下，泵1的整个流出的体积流量可供使用。由于现在没有压力液剩余量通过限压阀34被释放到流体箱中，所以泵吸入线路12中的压力降低为箱压力。泵1附加需要的压力液量现在可通过吸入线路12中的止回阀14从流体箱中被获取。 [0028] 为了对缸8的环形室6进行充分供给，在旁通线路24中设置减压阀28，如果支路室6中的压力低于预先确定的（可预先确定的）值，则该减压阀通过在后连接的止回阀26建立从活塞室16至起升液压缸8的环形室6的连接。 [0029] 如原理上可从前述说明获悉，储存在被提高的负荷中的势能以压力液泵1的压力能量的形式在其吸入侧可供使用，由此在可能的工作状态下减小在泵1上的压力差和/或在另一工作状态下甚至可将泵1用作马达。因此，系统的效率相对于开头所描述的现有技术的标准类型升高，并且同时通过所述一个泵1给多个负载供给压力液。 [0030] 在图2中示出了本发明的第二优选实施例，该第二优选实施例是第一实施例的改进方案。在下面，因而也应仅描述第二实施例的区别于第一实施例的那个技术特征。此外，相同的技术特征还应具有相同的附图标记。还要指出，图2仅应描述方面“负荷降低”并且没有形成完整的液压连接。 [0031] 因此，在图1中示出的比例阀通过在输入线路4中的可调节的节流阀10和在回引线路18中的单数的可调整的出口测量节流板20来替换。此外，第二实施例的主要革新还在于优选在压力卸载线路32中设置压力存储器36，该压力存储器在任何情况下都被连接在保压阀30之后，但是连接在限压阀34之前。因此，压力存储器36也可被连接到在其中设置的止回阀14上游的回引线路18或者吸入线路12上。压力存储器36的布置对于在第一实施例中已述的两个运行状态具有下述作用：3.在出口测量节流板20上的体积流量大于由泵1接收的体积流量。 [0032] 在这种情况下，压力液剩余量首先被导入到压力存储器36中，并且如果该压力存储器36是满的，才通过限压阀34被导入到流体箱中。在泵1的吸入线路12中的压力在此提升为在压力存储器36中的压力。 [0033] 4.在出口测量节流板20上的体积流量小于泵1所需的体积流量。 [0034] 在该工作状态下，泵1的整个流出的体积流量可供使用。泵1附加需要的压力液量可至少暂时地从压力存储器36获取，从而该压力存储器至少在一定的时间内（或者对于某一获取的流体量）提高或者保持在吸入线路12中的压力。只有当压力存储器36被排空，泵1才从流体箱通过在吸入线路12中接通的止回阀14提取压力液。 [0035] 直接连接在回引线路18中的出口测量节流板20之后的止回阀22在此具有如下任务：在所有工作状态下确保，一旦压力存储器36中的压力大于缸8的活塞室16中的压力，但是并不发生运动反转。 [0036] 在图3中示出了本发明的第三优选实施例，该第三优选实施例是第二实施例的改进方案。在下面，因而也只描述了第三实施例的区别于第二实施例的那个技术特征。此外，相同的技术特征具有相同的附图标记。 [0037] 在图3中示出了具有从图2中已知的压力存储器36以及附加的节流元件38的实施例。节流元件38在此通过比例阀来形成，该比例阀在其间连接在桥接线路40中，该桥接线路使得直接在保压阀30上游的回引线路18与在止回阀14上游的吸入线路12相连接。在此，桥接线路40直接在回引线路在吸入线路12上的连接位置之前被连接到回引线路18。 此外，在回引线路18中在其间连接有附加的止回阀42，该止回阀在桥接线路40的连接位置的上游被定位到回引线路18上。 [0038] 比例阀（节流元件）38具有由控制压力加载的第一控制侧和被弹簧预张紧的第二控制侧，该控制压力由直接在保压阀30下游的回引线路18量取。此外，在第二控制侧上还连接有泄漏线路44，该泄漏线路通过在保压阀30中的卸载路径30a引导至流体箱。该卸载路径30a在下述情况下才由保压阀30释放：保压阀30相对宽地被打开。在该处还应指出，保压阀的控制边缘或测量节流板用附图标记30b来标注。 [0040] 相对于第二实施例附加的液压构件、特别是节流元件38的作用方式可以在已述的两个工作状态下最清楚地进行如下解释：在负荷降低期间，起升液压缸8的负荷压力加载的活塞室16通过节流阀/排出节流板 20、直接在后连接的止回阀22和节流元件38（以该顺序）与中心泵/马达单元1的吸入线路12相连接。如已经阐述的那样，节流元件38的弹簧侧此外还通过喷嘴48同样与吸入线路12并且通过泄漏线路和在保压阀30中的卸载路径30a与流体箱相连接。由此对于两个所述的工作状态得到下述功能： 5.在出口测量节流板20上的体积流量大于由泵1接收的体积流量。 [0041] 在该情况下，压力液剩余量通过保压阀30输送给液压压力存储器36。保压阀30在此使在出口测量节流板20上的压力差保持恒定并且因此能实现与负荷压力无关的降低。 [0042] 由于保压阀30处于调节位置，所以节流元件38的弹簧侧与箱连接。节流元件38因此完全被打开，并且通过桥接线路40建立在缸出口、也就是在出口测量节流板20下游的回引线路18与泵1的吸入线路12之间连接。由此，在泵吸入线路12中的压力被提高为活塞室压力减去在出口测量节流板20上的压力差或压力差值。 [0043] 如果现在（在泵1的下游的）系统压力高于泵1的吸入线路12中的压力，那么泵/马达单元1作为泵工作，然而由于提高的吸入压力在泵1上具有较小的压力差。由此必须要求驱动轴的较少功率。但是，如果系统压力小于在泵吸入线路12中的压力，则泵/马达单元1作为马达工作，并且因此将机械功率发送给驱动轴上。 [0044] 在此处应指出，在泵1的吸入线路12中的压力在第三实施例的情况下相应于活塞室压力减去在出口测量节流板20上的压力差，并且由此可大于在压力存储器36中的压力。这允许更高地利用释放的势能。仅不由泵1（液压机）所需的、压力液量通过保压阀30被节流到储存器压力水平并且储存在压力存储器36中，或在整个储存器36的情况下释放到箱中。 [0045] 6.在出口测量节流板20上的体积流量小于泵1所需的体积流量。 [0046] 在该工作状态下，泵1的整个流出的体积流量可供使用。但是，由于现在压力液剩余量不再被输送给压力存储器36，所以保压阀30几乎完全闭合。此外，泵1附加所需的压力液量必须从储存器36中获取或者如果储存器36已经是空的，则从流体箱中获取。为此，在泵1的吸入线路12中的压力通过节流元件38被节流到储存器水平，以便可以通过在桥接线路40到回引线路18上的连接位置的上游的附加的止回阀42从储存器36中获取压力液量。如已经实施的那样，由于保压阀30在该工作状态下几乎完全地闭合，所以节流元件38的卸压部（泄漏线路）44闭合。因此，在节流元件38的弹簧侧上施加在吸入线路12中的压力，并且节流元件38闭合如此之久，直至在吸入线路12中的压力相应于储存器压力。由此，在保压阀30下游的回引线路18中的附加的止回阀42可被打开，并且建立储存器36到泵吸入线路12中的连接。如果最后压力存储器36完全被清空，则在泵吸入线路12中的压力降低为箱水平，其中在吸入线路12中的止回阀14建立与箱的连接。附加所需的压力液量于是可从箱中被获取。 [0047] 在这方面还应指明本发明的第三实施例的下列附加功能：在回引线路18中的直接连接在出口测量节流板20之后的止回阀22在所有所述工作状态中确保：如果在压力存储器36中的压力大于在起升液压缸8的活塞室16中的压力，则在起升液压缸8中不出现运动反转。最大的存储器压力可以通过限压阀34来调节，或者被预先调节为固定值。减压阀28用于为起升液压缸8的环形室6充分供给压力液，该减压阀在其间连接在旁通线路24中，如这已经借助第一实施例进行描述。如果在环形室6中的压力低于所确定的压力值，则该减压阀28通过直接在后连接的止回阀26建立活塞室16与起升液压缸8的环形室6的连接。此外，在上述第六种工作状态下，比例阀或节流元件38与保压阀30一起在一定程度上作为预控制的保压阀起作用，其中节流元件38是主级。 [0048] 在图6中示出了根据本发明的第三优选实施例的保压阀30的特性曲线。其中，在阀塞的行程上绘制保压阀30的节流板横截面30a和30b的变化过程。0mm的行程在此相应于保压阀30的完全被打开的调节节流板30b和打开的箱卸载部30a，如在图3中所示的那样。 [0049] 从图6可获悉，箱卸载部、也就是卸载路径30a通过大的行程距离保持完全打开，并且在最大行程距离的6/7（也就是在约6.5mm时）之后才闭合。保压阀30在完全闭合的箱卸载部的情况下总是还有剩余横截面，并且因而此外还可满足其调节功能。也就是说，在第六点下描述的工作状态下，保压阀在特性曲线的根据图6的右部区域中（在6mm与7mm阀塞行程之间）调节。 [0050] 为了更清楚地示出根据第一至第三实施例的发明主题，然后要参阅附上的图表，在该图表中还对比地再次示出用于每个实施例的上述两个工作状态。 [0051] 在图4中示出了本发明的第四优选实施例，该第四优选实施例是第三实施例的改进方案。在下面，因而仅描述了第四实施例的区别于第三实施例的那个技术特征。此外，相同的技术特征具有相同的附图标记。 [0052] 根据图4，本发明的第四实施例的液压驱动系统装备有附加的“虚拟”负载50。该“虚拟的”负载50要实现：只有在下述情况下才通过泵/马达单元1输送压力液的附加量，即所述压力液量当前不被实际的（常规的）负载需要。这在下述情况下例如是有意义的：泵/马达单元1处于马达运行时（能量过剩）并且将机械功率发送给驱动轴。以这种方式可正好消耗多于常规消耗的压力液，通过泵/马达单元1挤压该压力液，并且因此将更多的功率发出给曲轴。“虚拟的”负载50可例如是箱、另一压力存储器或者类似的液压构件。 [0053] 也可以例如在附加的混合模块中储存发送给驱动轴的机械功率。“虚拟的”负载于是被如此调节，使得液压机尽可能接收完整的由起升液压缸8提供的压力液量。 [0054] 最后在图5中示出了本发明的第五优选实施例。在该图中，相同的技术特征同样具有相同的附图标记。 [0055] 在图5中，作为本发明的可能的实际实施例，示出了根据第三优选实施例的具有能量回收功能的液压布置，其与用于起重臂－双起升液压缸52和并行负载（Bucket）54的液压驱动系统组合，其中以常规的LUDV技术来控制并行负载和双起升液压缸54的“抬起起重臂”功能。对于功能“降低起重臂”采用根据第三实施例的前述的布置。 [0056] 具体而言，压力液泵1通过可两个手动（通过ECU）操纵的比例阀56、58与两个上述负载52、54相连接，以便与负荷无关地提高这些负载。（根据LUDV技术的）这种液压驱动系统从现有技术对于本申请人也是充分已知的，从而在此处可省去详细的描述。在“降低负荷”的情况下，相应操纵的比例阀56、58将并行负载54或者双起升液压缸52的相关的活塞室与回引线路18相连接，在该回引线路中保压阀30以及节流元件38以根据第三实施例描述的方式连接到其上。以这种方式根据工作情形将压力液返回输送至压力液泵1的吸入侧，以便回收包含在其中的能量。 [0057] 附图标记表1泵/马达单元 2马达 4输送线路 6环形室 8起升液压缸 10入口测量节流板/节流阀 12吸入线路 14止回阀 16活塞室 18回引线路 20出口测量节流板/节流阀 22止回阀 24旁通线路 26止回阀 28减压阀 30保压阀 30a卸载路径 30b调节节流板 32压力卸载线路 34限压阀 36压力存储器 38节流元件 40桥接线路 42附加的止回阀 44泄漏线路 46中间线路 48节流阀 50虚拟负载 52双起升液压缸 54并行负载 56、58比例阀 |
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