DE10143206A1

DE10143206A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung

Info

Publication number: DE10143206A1
Application number: DE10143206A
Authority: DE
Inventors: Hongliu Du; Noah D Manring
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2002-07-11
Also published as: JP2002155866A; JP4806500B2; US6468046B1

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung wird offenbart. Die Vorrichtung und das Verfahren weisen eine Taumelplatte auf, die schwenkbar an der Pumpe angebracht ist, eine Steuerservoanordnung, die betreibbar ist, um einen Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu vergrößern, eine Vorspannservoanordnung, die betreibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu verringern, eine Servoventil, das einen Auslaßanschluß besitzt, der hydraulisch mit der Steuerservoanordnung verbunden ist, eine Ableitungsleitung mit einem ersten Ende, das mit dem Pumpenauslaßanschluß verbunden ist, und mit einem zweiten Ende, das mit der Vorspannservoanordnung verbunden ist, und Mittel zur Steuerung des Servoventils als eine Funktion des Auslaßdruckes der Pumpe.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrich tung und ein Verfahren zur Steuerung einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung und insbesondere auf eine Vor richtung und ein Verfahren zur Steuerung von Veränderun gen des Pumpenauslaßdruckes bewirkt durch Lastveränderun gen.

Technischer Hintergrund

Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung, wie beispiels weise Axialkolbenpumpen mit variabler Verdrängung werden weithin in Hydrauliksystemen verwendet, um unter Druck gesetztes Hydraulikströmungsmittel für verschiedene An wendungen zu liefern. Beispielsweise beruhen hydraulische Erdbewegungs- und Baumaschinen, beispielsweise Bagger, Dozzer, Lader usw. stark auf Hydrauliksystemen im Be trieb, und verwenden daher oft Hydraulikpumpen mit varia bler Verdrängung, um das nötige unter Druck gesetzte Strömungsmittel zu liefern.

Diese Pumpen werden durch eine mechanische Welle mit kon stanter Drehzahl angetrieben, beispielsweise durch einen Motor, und die Auslaßflußrate und daher der Druck wird reguliert durch Steuerung des Winkels einer Schräg- bzw. Taumelplatte, die schwenkbar an der Pumpe montiert ist.

Idealerweise wird erwünscht, einen erwünschten Ausgangs druck aufrecht zu erhalten, d. h. den Pumpenauslaßdruck, und zwar für einen gegebenen Taumelplattenwinkel. Jedoch können Veränderungen der Belastung auf das Hydrauliksy stem erfordern, daß genauso der Pumpenauslaßdruck vari iert wird, was wiederum erfordert, daß Veränderungen am Winkel der Taumelplatte vorgenommen werden. Diese Verän derungen haben bei herkömmlichen Pumpensteuersystemen oft eine Übersteuerung zur Folge, d. h. Druckspitzen. Somit müssen Entlastungsventile verwendet werden, um zu verhin dern, daß diese Druckspitzen die Pumpe oder das Hydrau liksystem beschädigen.

In vielen Pumpensystemen mit herkömmlicher Konstruktion wird der Pumpenauslaßdruck zu einer Vorspannservoanord nung rückgekoppelt, die konfiguriert ist, um den Taumel plattenwinkel zu vergrößern, wenn der Pumpenauslaßdruck ansteigt. Der vergrößerte Taumelplattenwinkel steigert weiter den Pumpenauslaßdruck, was somit zu einem instabi len Zustand der Regelung (open loop) der Pumpe führt.

Es ist erwünscht, ein Steuersystem für eine Pumpe mit va riabler Verdrängung zu entwickeln, die die Vorteile und Einfachheit eines linearen dynamischen Systems erster Ordnung verwendet, das ein übersteuern minimiert, wobei somit die Notwendigkeit für Entlastungsventile eliminiert wird. Um dies zu erreichen ist es auch wünschenswert, die Pumpe mit variabler Verdrängung so zu konfigurieren, daß das Steuersystem (open loop) intern stabil ist.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hy draulikpumpe mit variabler Verdrängung offenbart. Die Vorrichtung weist eine Taumelplatte auf, die schwenkbar an der Pumpe angebracht ist, eine Steuerservoanordnung, die betreibbar ist, um einen Winkel der Taumelplatte re lativ zur Pumpe zu vergrößern, eine Vorspannservoanord nung, die betreibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu verringern, ein Servoventil mit ei nem Auslaßanschluß, der hydraulisch mit der Steuerservo anordnung verbunden ist, eine Ableitungsleitung mit einem ersten Ende, das mit dem Pumpenauslaßanschluß verbunden ist, und mit einem zweiten Ende, das mit der Vorspannser voanordnung verbunden ist, und Mittel zur Steuerung des Servoventils als eine Funktion des Auslaßdruckes der Pum pe.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines Auslaßdruckes ei ner Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung offenbart. Das Verfahren weist die Schritte auf, einen Pegel des Auslaßdruckes am Pumpenauslaßanschluß abzufühlen und ei nen Teil des Pumpenauslaßdruckes zu einer Vorspannservo anordnung abzuleiten, die Vorspannservoanordnung ist da bei betreibbar, um einen Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu verringern, wobei die Taumelplatte schwenk bar an der Pumpe angebracht ist. Das Verfahren weist auch die Schritte auf, ein Steuersignal an ein Servoventil zu liefern, und zwar als eine Funktion des abgefühlten Pe gels des Auslaßdruckes, und einen darauf ansprechenden hydraulischen Steuerfluß vom Servoventil zu einer Steuer servoanordnung zu liefern, wobei die Steuerservoanordnung betreibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte zu vergrö ßern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine diagrammartige Seitenprofilschnittan sicht einer Hydraulikpumpe mit variabler Ver drängung, die zur Anwendung bei der vorliegen den Erfindung geeignet ist;

Fig. 2 ist eine diagrammartige Ansicht der Pumpe der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine diagrammartige Darstellung einer Pum pe, die ein Servoventil aufweist;

Fig. 4 ist ein Steuerdiagramm, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und

Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das ein bevorzugtes Ver fahren der vorliegenden Erfindung veranschau licht.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen wird eine Vorrichtung 100 und ein Verfahren zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe 102 mit variabler Verdrängung offenbart.

Mit spezieller Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist ei ne Hydraulikpumpe 102 mit variabler Verdrängung, auf die im folgenden als Pumpe 102 Bezug genommen wird, vorzugs weise eine Axialkolben-Taumelplatten-Hydraulikpumpe 102 mit einer Vielzahl von Kolben 110, beispielsweise neun, die in einer kreisförmigen Anordnung innerhalb eines Zy linderblockes 108 gelegen sind. Vorzugsweise sind die Kolben 110 in gleichen Intervallen um eine Welle 106 be abstandet, die in einer Längsmittelachse des Blockes 108 gelegen ist. Der Zylinderblock 108 wird eng gegen eine Ventilplatte 202 mittels einer Zylinderblockfeder 114 ge drückt. Die Ventilplatte weist einen Einlaßanschluß 204 und einen Auslaßanschluß 206 auf. Jeder Kolben 110 ist mit einem Gleitschuh 112 verbunden, und zwar vorzugsweise mittels einer Kugelgelenkverbindung 113. Jeder Gleitschuh 112 wird in Kontakt mit einer Taumelplatte 104 gehalten.

Die Taumelplatte bzw. Schrägplatte 104 ist schwenkbar an der Pumpe 102 montiert, wobei der Neigungswinkel α steu erbar einstellbar ist.

Mit weiterer Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 und mit Bezugnahme auf die Fig. 3 wird der Betrieb der Pumpe 102 veranschaulicht. Der Zylinderblock 108 dreht sich mit ei ner konstanten Winkelgeschwindigkeit ω. Als eine Folge läuft jeder Kolben 110 periodisch über sowohl die Einlaß- als auch Auslaßanschlüsse 204, 206 der Ventilplatte 202. Der Neigungswinkel α der Taumelplatte 104 bewirkt, daß die Kolben 110 einer oszillatorischen Verschiebung in den und aus dem Zylinderblock 108 unterworfen werden, wodurch somit Hydraulikströmungsmittel in den Einlaßanschluß 204 gezogen wird, der ein Niederdruckanschluß ist, und aus dem Auslaßanschluß 206, der ein Hochdruckanschluß ist.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel neigt sich der Nei gungswinkel α der Taumelplatte 104 um einen Taumelplat tenschwenkpunkt 316 und wird durch ein Servoventil 302 gesteuert. Ein Servoventilkolben 308 wird steuerbar in eine Position innerhalb des Servoventils 302 bewegt, um den Hydraulikströmungsmittelfluß an einen Ausgangsan schluß 314 des Servoventils 302 zu steuern. Im bevorzug ten Ausführungsbeispiel ist das Servoventil 302 ein elek trohydraulisches Ventil und wird somit durch ein elektri sches Signal gesteuert, das an das Ventil 302 geliefert wird.

Eine Steuerservoanordnung 304 in Zusammenarbeit mit einer Servofeder 310 nimmt unter Druck gesetztes Strömungsmit tel vom Ausgangsanschluß 312 des Servoventils 302 auf, und wirkt darauf ansprechend zur Vergrößerung des Nei gungswinkels α der Taumelplatte 104, was somit den Hub der Pumpe 102 vergrößert. Die Pumpe 102 liefert unter Druck gesetztes Hydraulikströmungsmittel an den Auslaßan schluß 206 der Ventilplatte 202 mittels eines Pumpenaus laßanschlusses 314. Eine Vorspannservoanordnung 306 nimmt unter Druck gesetztes Strömungsmittel vom Ausgangsan schluß 314 der Pumpe 102 über eine Ableitungsleitung 316 auf und wirkt darauf ansprechend zur Verringerung des Neigungswinkels der Taumelplatte 104, was somit den Hub der Pumpe 102 verringert. Vorzugsweise ist die Steuerser voanordnung 304 bezüglich Größe und Kapazität größer als die Vorspannservoanordnung 306.

Ein Pumpenauslaßdrucksensor 318, der vorzugsweise am Pum penauslaßanschluß 314 gelegen ist, ist geeignet, um den Auslaßdruck des Hydraulikströmungsmittels aus der Pumpe 102 abzufühlen. Alternativ kann der Pumpenauslaßdrucksen sor 308 an irgend einer Position gelegen sein, die geeig net ist, um den Druck des Strömungsmittels von der Pumpe 102 abzufühlen, wie beispielsweise am Auslaßanschluß 206 der Ventilplatte 202, und zwar an einem Punkt entlang der Hydraulikströmungsmittelleitung von der Pumpe 102 zum Hy drauliksystem, das mit unter Druck gesetztem Strömungs mittel versorgt wird, usw. Im bevorzugten Ausführungsbei spiel ist der Pumpenauslaßdrucksensor 318 von einer Bau art, die in der Technik wohlbekannt ist und geeignet ist, um den Druck des Hydraulikströmungsmittels abzufühlen.

In der Konfiguration der Fig. 3 kann der Pumpenauslaß druck P in einer Steuerungstransferfunktion (open loop) wie folgt ausgedrückt werden, wenn hochfrequente Kompo nenten, wie beispielsweise das dynamische Ventilverhalten usw. vernachlässigt werden:

wobei Q_L(s) die Auslaßflußrate der Pumpe 102 ist, wobei x_v(s) die Position des Servoventilkolbens 308 im Servo ventil 302 ist, wobei v₀ ein Ventilverstärkungskoeffizi ent bzw. Ventil-Gain-Koeffizient des Servoventils 302 ist, wobei q₁ und q₀ Flußstörungsdynamikkoeffizienten sind, und wobei p₂, p₁ und p₀ positive Konstanten sind, die aus verschiedenen Konstruktionsparametern der Pumpe 102, der Steuerservoanordnung 304, der Vorspannservo anordnung 306, des Servoventils 302 usw. abgeleitet wer den.

Es ist herausgefunden worden, daß die Steuerungstransfer funktion (open loop) der Gleichung 1 ein stabiles System ist, und zwar aufgrund der positiven Werte p₂, p₁ und p₀. Diese positiven Werte werden erreicht durch die Konfigu ration der Fig. 3.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein Steuerdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung veranschaulicht. Das Steuerdiagramm sieht ein Re gelungssystem (closed loop) vor, und zwar basierend auf dem inhärent stabilen Steuerungssystem (open loop) der Fig. 3. Der Steuerungssystemteil (open loop) der Fig. 4 ist durch eine Steuerungstransferfunktion 402 und eine Störfunktion 404 gezeigt. Die Störfunktion 404 weist Flußstörungsdynamikverhalten 406 auf, was aus Variationen der Flußrate des Hydraulikströmungsmittels während des normalen Betriebes resultiert.

Mittel 408 zur Steuerung des Servoventils 302 als eine Funktion des Pumpenauslaßdruckes P weisen vorzugsweise eine Steuervorrichtung 410 auf, die geeignet ist, um ein elektrisches Signal zu steuern, das an das Servoventil 302 angelegt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung 410 eine PTD-Steuervorrichtung, die wie folgt dargestellt werden kann:

wobei ω_c eine Regelungsabschnittsfrequenz ist, die basie rend auf Faktoren wie beispielsweise der Ansprechzeit des Servoventils 302 usw. ausgewählt wird. Es ist im allge meinen erwünscht, einen Wert ω_c auszuwählen, der ziemlich groß ist, um die Leistung des Systems zu steigern. Dar über hinaus wird der Wert von ω_c durch die Bandbreite des Servoventils 302 und verschiedene Ungewißheiten des Sy stems eingeschränkt, wie beispielsweise die Trägheit bzw. das Trägheitsmoment der Taumelplatte 104 und die Kompri mierbarkeit des Hydraulikströmungsmittels.

Aus Gleichung 2 können die PID-Verstärkungs- bzw. PID- Gain-Komponenten wie folgt ausgedrückt werden:

Mit Bezug auf Fig. 5 ist ein Flußdiagramm gezeigt, das ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung ver anschaulicht.

In einem ersten Steuerblock 502 wird der Pegel des Pum penauslaßdruckes P am Pumpenauslaßanschluß 314 abgefühlt. Vorzugsweise wird der Pumpenauslaßdruck mittels eines Pumpenauslaßdrucksensors 318 abgefühlt, wie oben be schrieben.

In einem zweiten Steuerblock 504 wird ein Teil des Pum penauslaßdruckes mittels einer Ableitungsleitung 316 zu einer Vorspannservoanordnung 306 abgeleitet. Die Vor spannservoanordnung 306 ist im bevorzugten Ausführungs beispiel dahingehend wirksam, daß sie den Neigungswinkel α der Taumelplatte 104 verringert.

In einem dritten Steuerblock 506 wird ein Steuersignal an das Servoventil 302 als eine Funktion des abgefühlten Pe gels des Pumpenauslaßdruckes geliefert. Vorzugsweise wird das Steuersignal durch die PID-Steuervorrichtung 410 ge steuert und geliefert, wie oben beschrieben.

In einem vierten Steuerblock 508 liefert das Servoventil 302 einen Hydrauliksteuerfluß an die Steuerservovorrich tung 304 ansprechend auf das aufgenommene Steuersignal. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel, ist die Steuerservo anordnung 304 wie oben beschrieben dahingehend wirksam, daß sie den Neigungswinkel α der Taumelplatte 104 vergrö ßert.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung sieht ein Drucksteuerverfahren in Zusammenarbeit mit einer nicht herkömmlichen Steuerbe tätigungskonfiguration für Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung vor. Das Steuerverfahren hat ein stabiles Re gelungssystem (closed loop) erster Ordnung zur Folge. Ba sierend auf dem System der vorliegenden Erfindung wird der Pumpenauslaßdruck P dem erwünschten Pumpenauslaßdruck P_d ohne typisches Übersteuern des gesteuerten Druckes folgen. Daher werden Entlastungsventile, die gegenwärtig bei Pumpen mit variabler Verdrängung verwendet werden, nicht länger benötigt.

Andere Aspekte, Ziele und Merkmale der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, wobei der Auslaßdruck in einem Pumpenauslaßanschluß gelegen ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
eine Schräg- bzw. Taumelplatte, die schwenkbar an der Pumpe angebracht ist;
eine Steuerservoanordnung, die betreibbar ist, um einen Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu vergrößern; eine Vorspannservoanordnung, die be treibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu verringern;
ein Servoventil mit einem Auslaßanschluß, der hy draulisch mit der Steuerservoanordnung verbunden ist;
eine Ableitungsleitung mit einem ersten Ende, das mit dem Pumpenauslaßanschluß verbunden ist, und mit einem zweiten Ende, das mit der Vorspannservoanord nung verbunden ist; und
Mittel zur Steuerung des Servoventils als eine Funk tion des Auslaßdruckes der Pumpe.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerservo anordnung eine Servofeder aufweist, um eine Feder kraft auf der Taumelplatte aufrecht zu erhalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Servoventil geeignet ist, um einen Hydraulikdruck an die Steuer servoanordnung zu liefern, und wobei die Steuerser voanordnung darauf ansprechend geeignet ist, eine Kraft zu liefern, die wirksam ist, um den Winkel der Taumelplatte zu vergrößern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ableitungs leitung geeignet ist, um den Hydraulikpumpenauslaß druck an die Vorspannservoanordnung zu liefern, und wobei die Vorspannservoanordnung darauf ansprechend geeignet ist, eine Kraft zu liefern, die dahingehend wirksam ist, den Winkel der Taumelplatte zu verrin gern.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerservo anordnung einen größeren Durchmesser als den Durch messer der Vorspannservoanordnung hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Taumelplatte geeignet ist, um den Pumpenauslaßdruck ansprechend auf eine Vergrößerung des Winkels der Taumelplatte relativ zur Pumpe zu vergrößern, und den Pumpenaus laßdruck ansprechend auf eine Verringerung des Win kels der Taumelplatte zu verringern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Servoventil ein elektrohydraulisches Servoventil ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Mittel zur Steuerung des Servoventils eine Steuervorrichtung aufweisen, die geeignet ist, um ein elektrisches Si gnal zu steuern, das an das Servoventil angelegt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuervor richtung eine PID-Steuervorrichtung ist.

10. Verfahren zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, wobei der Auslaßdruck an einem Pumpenauslaßanschluß gelegen ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Abfühlen eines Pegels des Auslaßdruckes am Pumpen auslaßanschluß;
Ableitung eines Teils des Pumpenauslaßdruckes zu ei ner Vorspannservoanordnung, wobei die Vorspannservo anordnung wirksam ist, um einen Winkel einer Taumel platte relativ zur Pumpe zu verringern, wobei die Taumelplatte schwenkbar an der Pumpe angebracht ist;
Lieferung eines Steuersignals an ein Servoventil als eine Funktion des abgefühlten Pegels des Auslaßdruc kes; und
Lieferung eines entsprechenden Hydrauliksteuerflus ses von dem Servoventil zu einer Steuerservoanord nung, wobei die Steuerservoanordnung betreibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte zu vergrößern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Servoventil ein elektrohydraulisches Servoventil ist, und wobei die Lieferung eines Steuersignals an das Servoventil den Schritt des Lieferns eines elektrischen Steuer signals an das Servoventil aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Lieferung ei nes Steuersignals den Schritt aufweist, das Steuer signal durch eine PID-Steuervorrichtung zu bestim men.

13. Vorrichtung zur Steuerung eines Auslaßdruckes einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrängung, wobei der Auslaßdruck an einem Pumpenauslaßanschluß gelegen ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
Mittel zum Abfühlen eines Pegels des Auslaßdruckes an dem Pumpenauslaßanschluß;
Mittel zum Ableiten eines Teils des Pumpenauslaß druckes zu einer Vorspannservoanordnung, wobei die Vorspannservoanordnung betreibbar ist, um einen Win- kel einer Taumelplatte relativ zur Pumpe zu vergrö ßern, wobei die Taumelplatte schwenkbar an der Pumpe angebracht ist;
Mittel zum Liefern eines Steuersignals an ein Servo ventil als eine Funktion des abgefühlten Pegels des Auslaßdruckes; und
Mittel zum Liefern eines darauf ansprechenden Hy drauliksteuerflusses von dem Servoventil zu einer Steuerservoanordnung, wobei die Steuerservoanordnung betreibbar ist, um den Winkel der Taumelplatte zu vergrößern.