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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmomentregelung einer hydrostatischen Antriebseinheit.
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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft als mobile Arbeitsmaschinen ausgebildete Fahrzeuge (z. B. Kommunalfahrzeuge, Kompaktlader, Gabelstapler, Flugfeldschlepper etc.), bei denen eine hydrostatische Antriebseinheit von einer Antriebsmaschine, üblicherweise einem Verbrennungsmotor, beispielsweise Dieselmotor, angetrieben wird. Die hydrostatische Antriebseinheit umfasst üblicherweise eine oder mehrere von der Antriebsmaschine angetriebene Hydraulikpumpen und einen oder mehrere damit in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf verbundene Hydraulikmotoren (für rotatorische Bewegungen) und/oder Hydraulikzylinder (für lineare Bewegungen) und gegebenenfalls Ventile und ähnliche Geräte zur Ansteuerung der Verbraucher.
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Im Fahr- beziehungsweise Beschleunigungsbetrieb treibt der Hydraulikmotor ein oder mehrere Räder an und wird dabei selbst von der Hydraulikpumpe angetrieben. Bei bestimmten Fahrzeugen, wie beispielsweise Gabelstaplern, Kommunalfahrzeugen oder Flugfeldschleppern, wird häufig das hydrostatische Getriebe des Fahrantriebs auch dazu verwendet, das Fahrzeug abzubremsen. Im Bremsbetrieb wirkt der Hydraulikmotor, welcher aufgrund der Massenträgheit des Fahrzeugs durch die Fahrzeugräder angetrieben wird, als Pumpe und fördert – ohne Umkehr der Strömungsrichtung – Druckmittel in dem geschlossenen hydraulischen Kreislauf. Die Hydraulikpumpe wird somit an ihrem im Normalbetrieb die Saugseite darstellenden Anschluss mit dem Druckmittel beaufschlagt und wirkt dementsprechend als Hydraulikmotor und erzeugt ein Abtriebsdrehmoment, welches sich an der Brennkraftmaschine abstützt.
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Es treten Situationen auf, in denen das von der hydrostatischen Antriebseinheit aufgebrachte Drehmoment auf einen Wert kleiner als das maximal mögliche Drehmoment beschränkt sein sollte. Beispielsweise dürfen Flugfeldschlepper eine vorgegebene Zug- bzw. Bremskraft nicht überschreiten, damit die Krafteinwirkung auf das Bugrad des geschleppten Flugzeugs nicht überschritten wird. Weiterhin wird das zulässige Bremsmoment durch die mögliche Bremsleistung der Brennkraftmaschine und die Reibwerte der Fahrzeugräder mit dem Untergrund bestimmt. Wird erstes überschritten so dreht die Brennkraftmaschine unzulässig hoch. Wird zweites überschritten, können Antriebsräder blockieren, was zum Ausbrechen des Fahrzeugs und zum Verlust der Lenkbarkeit bzw. Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs führen kann.
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Es ist daher wünschenswert, eine komfortable Begrenzung des Drehmoments bereitzustellen, um die Fahrsicherheit und den Fahrkomfort zu erhöhen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Drehmomentregelung einer hydrostatischen Antriebseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung führt eine Regelung des Drehmoments bei hydrostatischen Antriebseinheiten ein, wobei die Bestimmung des Drehmoments über den Systemdruck und das Schluckvolumen des Hydraulikmotors erfolgt. Die Erfindung stellt dabei eine hydrostatische Antriebseinheit sowie ein Verfahren zur Drehmomentregelung einer hydrostatischen Antriebseinheit vor, wobei allein durch die in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordneten Elemente ein definierter und begrenzter Beschleunigungs- und Bremsvorgang durchführbar ist. Die erfindungsgemäße hydrostatische Antriebseinheit umfasst wenigstens eine Hydraulikpumpe sowie wenigstens einen Hydraulikmotor in einem geschlossenen Kreislauf. Die wenigstens eine Hydraulikpumpe und der wenigstens eine Hydraulikmotor sind dabei über zumindest eine erste und eine zweite Arbeitsleitung des geschlossenen Kreislaufs verbunden. Ferner umfasst die hydrostatische Antriebseinheit eine Vorrichtung zur Erfassung des Druckes in den beiden Arbeitsleitungen (üblicherweise als Hoch- und Niederdruckseite bezeichnet). Der Motorschwenkwinkel und damit das Schluckvolumen sind über die Ansteuerung näherungsweise bekannt oder können optional über einen Sensor gemessen werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich bevorzugt als Bremsmomentregelung einsetzen. Ein Soll-Bremsmoment kann bspw. maschinenbezogen aus der hydrostatischen Übersetzung und dem maximalen Stützmoment des Diesels oder aus der möglichen Bremskraft der Antriebsräder ohne Blockieren errechnet werden. Durch die Erfassung des aktuellen Bremsdruckes und des Hydraulikmotorwinkels kann das aktuelle Bremsmoment errechnet und mit dem Sollbremsmoment verglichen werden. Dadurch kann eine mögliche Über- bzw. Unterschreitung der Fahrzeugabbremsung festgestellt werden. Durch ein geregeltes Verschwenken des Hydraulikmotors auf ein kleineres bzw. größeres Schluckvolumen kann das Bremsmoment entsprechend eingestellt werden. Vorteilhafterweise kann durch eine entsprechende Pumpenansteuerung die Volumenbilanz konstant gehalten werden.
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Eine Bestimmung des Soll-Bremsmoments umfasst vorzugsweise auch die Erfassung der Dieseldrehzahl und/oder die Erkennung von negativem Schlupf an einem Rad bzw. einer Achse, wobei dann das Soll-Bremsmoment so reduziert wird, dass es nicht zu einer Dieselüberlastung oder zum Blockieren von einem Rad oder einer Achse kommt. Die maschinenbezogene Ermittlung des Sollbremsmoments kann dazu als Vorsteuerung eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich bevorzugt auch als Beschleunigungsmomentregelung einsetzen. Ein Soll-Beschleunigungsmoment kann sich aus einer Bedienvorgabe, z. B. der Fahrpedalstellung, errechnen. Die Erfassung des aktuellen Beschleunigungsdruckes und des Hydraulikmotorwinkels ermöglicht die Bestimmung des Ist-Beschleunigungsmoments und kann mit dem Soll-Beschleunigungsmoment verglichen werden. Dadurch kann eine mögliche Über- bzw. Unterschreitung des Antriebsmoments festgestellt werden. Durch ein geregeltes Verschwenken des Hydraulikmotors auf ein kleineres bzw. größeres Schluckvolumen kann das Antriebsmoment entsprechend eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise wird durch eine entsprechende Pumpenansteuerung die Volumenbilanz jeweils konstant gehalten werden.
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Die Erfindung entfaltet besondere Vorteile bei der Anwendung als allgemeine Momentenbegrenzung, beispielsweise als Beschleunigungs- und Bremsmomentbegrenzung bei Flugfeldschleppern. Weiterhin ist die Verwendung als Bremsmomentregelung, insbesondere als eine ABS-Funktion und/oder um ein definiertes Ausrollverhalten eines Fahrzeugs zu erzielen, vorteilhaft.
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Vorzugsweise wird ein Soll-Drehmoment als konstantes Drehmoment und/oder in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder von einem Fahrmodus und/oder von der Achslast und/oder von der Achslastverteilung und/oder von einer Anhängelast und/oder von der Fahrzeugbeladung vorgegeben.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer hydrostatischen Antriebseinheit, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch ein Antriebssystem, wie es der Erfindung zugrunde liegen kann.
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2 zeigt bei einem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durchgeführten Bremsvorgang auftretende Größen.
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In 1 ist ein Antriebssystem, wie es der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schematisch dargestellt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Das Antriebssystem 1, das beispielsweise Teil einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere eines Kommunalfahrzeug, eines Gabelstapler oder eines Flugfeldschlepper, weist hier als Antriebsmaschine einen Verbrennungsmotor 2 auf, der als Dieselmotor ausgeführt ist und eine hydrostatische Antriebseinheit 3 antreibt. Der Verbrennungsmotor 2 ist hierzu über eine Triebwelle 4 mit einer verstellbar ausgeführten Hydraulikpumpe 5, beispielsweise einer Axialkolbenpumpe, verbunden. Die verstellbare Hydraulikpumpe 5 ist mit einem ebenfalls verstellbar ausgeführten Hydraulikmotor 6, beispielsweise einem Axialkolbenmotor in Schrägachsenbauweise oder einem Radialkolbenmotor, über eine erste Arbeitsleitung 7 und eine zweite Arbeitsleitung 8 in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf verbunden. Die hydrostatische Antriebseinheit 3 dient als Fahrantrieb der mobilen Arbeitsmaschine 1. Der verstellbare Hydraulikmotor 6 der hydrostatischen Antriebseinheit 3 ist dazu über eine zweite Triebwelle 9 mit einem angetriebenen Rad 10 oder einer Achse der mobilen Arbeitsmaschine verbunden. Zusätzlich zu einem Fahrantrieb verfügt eine mobile Arbeitsmaschine zumindest über eine Arbeitshydraulik (nicht gezeigt), bei der dieselbe oder eine weitere Hydraulikpumpe zur Versorgung wenigstens eines Hydraulikzylinders und/oder Hydraulikmotors eingesetzt wird. Üblicherweise sind auch Ventile zur Ansteuerung der Verbraucher vorhanden.
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Zur Vorgabe der Fahrtrichtung sowie der Fahrgeschwindigkeit dienen Eingabegeräte, bspw. ein Fahrhebel 11, über das ein Steuersignal von einem Bediener des Baggers erzeugt wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Fahrhebel 11 über eine Busleitung 17 mit einem Steuergerät 16 verbunden, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch eingerichtet ist. Zur Einstellung eines Betriebspunkts der Dieselbrennkraftmaschine 2, hier einer Dieseldrehzahl, wird einer Einspritzpumpe 13 eine Fördermenge durch das Steuergerät 16 vorgegeben. Hierzu wird ein entsprechendes Signal über eine Busleitung 17 von dem Steuergerät 16 an die Einspritzpumpe 13 übermittelt.
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Die hydrostatische Antriebseinheit weist für die Hydraulikpumpe 5 eine Verstellvorrichtung 14 und für den Hydraulikmotor 6 eine Verstellvorrichtung 15 auf. Mit den Verstellvorrichtungen lässt sich Hubvolumen (Fördermenge pro Umdrehung) der verstellbaren Hydraulikpumpe 5 bzw. das Schluckvolumen des verstellbaren Hydraulikmotors 6 so einstellen, dass die Drehzahl der Triebwelle 4 in eine dem Fahrwunsch entsprechende Drehzahl der zweiten Triebwelle 9 umgesetzt wird. Die Verstellvorrichtungen 14 und 15 sind ebenfalls mit dem Steuergerät 16 zur Ansteuerung verbunden. Weiterhin sind zwei Druckmessgeräte 18 vorgesehen, um den Druck in den Arbeitsleitungen 7, 8 zu erfassen und an das Steuergerät 16 zu übermitteln.
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In Ausgestaltung der Erfindung werden nun das Hubvolumen der verstellbaren Hydraulikpumpe 5 beziehungsweise das Schluckvolumen des verstellbaren Hydraulikmotors 6 weiterhin so eingestellt, dass ein vorgegebenes Soll-Drehmoment nicht überschritten wird.
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Die bei einem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durchgeführten Bremsvorgang auftretenden Größen sind in 2 dargestellt.
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In dem Diagramm sind eine Anzahl von Größen auf der Ordinate gegen die Zeit t auf der Abszisse aufgetragen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist dabei mit 201 bezeichnet. Eine Benutzereingabe zur Vorgabe der Fahrgeschwindigkeit, insbesondere ein Pedalwert, ist mit 202 bezeichnet. Ein Soll-Drehmoment, genauer ein einzuhaltendes maximales Bremsmoment, ist mit 203 bezeichnet. Das Ist-Bremsmoment, das sich aus dem Druckunterschied zwischen den in den Arbeitsleitungen 7 und 8 herrschenden Drücken und dem momentanen Schluckvolumen des Hydromotors berechnet, ist mit 204 bezeichnet.
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Der Druck in der Arbeitsleitung, in der das Druckmittel von der Hydropumpe 5 zum Hydromotor 6 fließt (üblicherweise als Hochdruck Mb bezeichnet), ist mit 205, der Druck in der Leitung 8 vom Hydromotor 6 zur Hydropumpe 7 (üblicherweise als Niederdruck Ma bezeichnet), ist mit 206 bezeichnet.
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Die momentane Fahrzeugverzögerung ist mit 207 bezeichnet, die momentane Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 ist mit 208 bezeichnet.
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Ein Stellwert für die Hydropumpe, welcher deren Schwenkwinkel und damit das Hubvolumen vorgibt, ist mit 209 bezeichnet.
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Ein Soll-Stellwert für den Hydromotor, welcher dessen Schwenkwinkel und damit das Schluckvolumen des Hydromotors 6 vorgibt, ist mit 210 bezeichnet. Der zugehörige Istwert, der den tatsächlichen Schwenkwinkel anzeigt, ist mit 211 bezeichnet. Der Unterschied zwischen dem Sollwert 210 und dem Istwert 211 ergibt sich durch die hier beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der als Reglerausgang, welcher mit 212 bezeichnet ist, ein Offsetwert ausgegeben wird, der in die Ansteuerung des Hydromotors eingeht. In der Folge ergibt sich der Istwert 211 aus dem Sollwert 210, der beispielsweise mittels einer üblichen (nicht regelnden) Einstellung des Hydromotorwinkels erfolgen kann, und dem im Rahmen einer Ausgestaltung der Erfindung erzeugten Reglerausgang 212.
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Aus dem Reglerausgang 212 ergibt sich weiterhin ein Einflussfaktor 213, der den Einfluss der Regelung auf die Verstellung der Hydropumpe angibt. Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Schwenkwinkel 209 der Hydropumpe 5 in Abhängigkeit vom Pedalwert 202 angesteuert wird, d. h. im vorliegenden Fall dem Pedalwert 202 folgend zurückgenommen wird. Dieses Folgen wird nun in Abhängigkeit vom Einflussfaktor 213 gegebenenfalls ausgesetzt, nämlich wenn der Einflussfaktor 213 einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert ist in der 2 mit s bezeichnet.
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In 2 ist der Verlauf der genannten Größen bei einem spezifischen Bremsvorgang dargestellt. Im vorliegenden Beispiel berechnet sich das maximal zulässige Bremsmoment 203 geschwindigkeitsabhängig, d. h. es steigt mit abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit 201 an.
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Zu Beginn wird das Fahrzeug mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, beispielsweise 50 km/h, bewegt. Etwa bei t1 = 41,5 s wird das Pedal losgelassen, so dass der Pedalwert 202 auf 0 absinkt und die Pumpenansteuerung 209 entsprechend nachfolgt. Durch entsprechende Ansteuerung der Einspritzpumpe 13 sinkt auch die Dieseldrehzahl 208 ab.
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Während des Zurückfahrens der Dieseldrehzahl geht das Fahrzeug vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb über, d. h. der Dieselmotor 2 wird nun von der Hydropumpe angetrieben. Durch den Übergang vom Zugbetrieb in den Schubbetrieb und verstärkt durch das Rückfahren der Pumpenansteuerung 209 sinkt der Druck 205 rapide ab und der Druck 206 steigt steil an. Weiterhin kommt es durch das Rückfahren der Pumpenansteuerung 209 zu einer starken Veränderung des Übersetzungsverhältnisses, so dass die Dieseldrehzahl 208 im Schubbetrieb hochgetrieben wird.
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Durch die starke Druckveränderung kommt es bei noch im Wesentlichen gleichen Hydromotor-Istwert 211 zu einem Ansteigen des Ist-Bremsmoments 204, das schließlich bei t2 = 42 s das Soll-Bremsmoment überschreitet. Dies führt zu einem Reglereingriff, wodurch der Reglerausgang 212 ansteigt, um den Istwert 211 des Hydromotors 6 zurückzufahren. In der Folge sinkt das Ist-Bremsmoment 204 wieder ab, bis es bei t3 = 42,5 s wieder das Soll-Bremsmoment 203 erreicht. Durch den notwendigen Reglereingriff steigt jedoch der Einflussfaktor 213 stark an, insbesondere über den Schwellwert s, so dass die Verringerung des Hubvolumens der Hydraulikpumpe 5 angehalten wird. Während dieser Zeit sinkt die Fahrzeuggeschwindigkeit 201 weiter ab, so dass auch das zulässige Soll-Bremsmoment 203 weiter ansteigt und der Reglereingriff geringer werden kann. Etwa zu einem Zeitpunkt t4 fällt der Einflussfaktor 213 wieder unter den Schwellwert s, so dass die Verringerung des Hubvolumens der Hydraulikpumpe 5 gemäß Linie 209 fortgesetzt werden kann.
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Im Anschluss kommt es durch eine stetige Veränderung des Reglereingriffs zu einem wiederholten Rückfahren und Anhalten der Pumpenansteuerung, bis schließlich ab etwa t5 = 60 s das zulässige Bremsmoment 203 aufgrund der mm sehr geringen Fahrzeuggeschwindigkeit 201 so groß wird, dass es größer als ein maximal bereitstellbares Bremsmoment wird. In der Folge sinken der Reglerausgang 212 und der Einflussfaktor 213 auf 0, so dass zum einen sich der Istwert 211 dem Sollwert 210 wieder annähert und zum anderen das Zurückfahren des Hubvolumens der Hydraulikpumpe gemäß Linie 209 bis zum Ende ohne weiteres Anhalten fortgesetzt werden kann.
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Mit der Erfindung kann ein definiertes Abbrems- oder Beschleunigungsverhalten einer hydrostatischen Antriebseinheit bereitgestellt werden, wobei in bevorzugter Ausgestaltung sichergestellt werden kann, dass eine Fahrzeugüberbremsung nicht stattfindet, und/oder ein definiertes Ausrollverhalten erzielt wird und/oder eine definierte Zugkraft bzw. Bremskraft nicht überschritten wird. Das jeweils zulässige Drehmoment kann von unterschiedlichen Randbedingungen, bzw. Fahrzeuggeschwindigkeit, Achslasten usw. abhängig gemacht werden.
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Gemäß dem Verfahren wird in einem solchen Antrieb das aktuelle Beschleunigungs- bzw. Bremsmoment überwacht und entsprechend zum Sollwert geregelt.
