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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines hydrostatischen Fahrantriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und einen hydrostatischen Fahrantrieb gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruches 6.
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Hintergrund der Erfindung
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Hydrostatische Fahrantriebe werden vorzugsweise bei mobilen Maschinen verwendet, die in einem Arbeitsmodus und in einem Fahrmodus betrieben werden. Typische Anwendungen sind beispielsweise Kommunalfahrzeuge, Erntemaschinen, Mähdrescher, Stapler, Traktoren mit leistungsverzweigtem Getriebe, Feldspritzen, Forstmaschinen, Flugfeldschlepper etc. Der Grundaufbau eines derartigen hydrostatischen Fahrantriebs für mobile Arbeitsmaschinen ist beispielsweise in den Druckschriften
DE 10 2011 120 665 A1 oder
DE 10 2011 119 296 A1 beschrieben. Ähnliche Fahrantriebe sind auch in den Druckschriften
US 8,858,395 B2 und
US 7,146,263 B2 offenbart.
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Demgemäß hat ein hydrostatischer Fahrantrieb eine primäre Antriebsquelle, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, die über eine Abtriebswelle eine üblicherweise elektroproportional (ep) verstellbare Hydropumpe antreibt. Diese ist in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf mit einem Hydromotor angeordnet, der als Verstellmotor oder auch als Konstantmotor ausgeführt sein kann.
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Durch Verstellung des Fördervolumens der Hydropumpe und/oder des Schluckvolumens des Hydromotors kann die gewünschte Übersetzung des hydrostatischen Fahrantriebs eingestellt werden.
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Im Beschleunigungsbetrieb wird bei hydrostatischen Fahrantrieben das Abtriebsmoment entweder durch das Schluckvolumen des Hydromotors oder durch den Systemdruck, d.h. den Druck am Hochdruckanschluss der Hydropumpe eingestellt. Limitiert wird die maximale Leistung des hydrostatischen Antriebs und somit das Abtriebsmoment durch die verfügbare Leistung der primären Antriebsquelle (Brennkraftmaschine).
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Im Bremsbetrieb wirkt der Hydromotor, 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 somit auf ihrer Saugseite mit Druckmittel beaufschlagte Hydropumpe wirkt dann dementsprechend als Hydromotor und erzeugt ein Abtriebsdrehmoment, welches sich an der Brennkraftmaschine abstützt. Dieses Bremsmoment wird entweder durch das Schluckvolumen des Hydromotors oder den Systemdruck, d.h. das Fördervolumen der Pumpe eingestellt. In entsprechender Weise erfolgt über den hydrostatischen Antrieb auch ein Beschleunigen der mobilen Maschine.
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Das auf die jeweilige Fahrbahn übertragbare Beschleunigungsmoment bzw. Bremsmoment ist abhängig von der Fahrbahnbeschaffenheit bzw. vom vorhandenen Reibwert zwischen der Fahrbahnoberfläche und dem Rad.
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Ein Überschreiten des Beschleunigungsmomentes führt bei empfindlichen Fahrbahnoberflächen, beispielweise bei Gras zur Beschädigung (Grasnarben) oder zum Eingraben des Fahrzeugs. Eine Verhinderung des Durchrutschens eines Rades wird beim Stand der Technik durch eine komplette Momentenfreischaltung des Antriebsstrangs realisiert.
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Ein Überbremsen der angetriebenen Achse kann insbesondere bei Fahrzeugen mit geringen Achslasten zu einem Ausbrechen des Fahrzeugs führen. Eine Verhinderung dieses Ausbrechens des Fahrzeugs im Bremsbetrieb wird bisher ebenfalls durch eine Momentenfreischaltung des Antriebsstrangs realisiert.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines hydrostatischen Fahrantriebs und einen nach einem derartigen Verfahren ansteuerbaren hydrostatischen Fahrantrieb zu schaffen, durch die es möglich ist, die vorbeschriebenen instabilen Fahrzustände zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu beschränken.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf den hydrostatischen Fahrantrieb durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruches 6 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der hydrostatische Fahrantrieb hat eine primäre Antriebsmaschine, vorzugsweise eine Brennkraftmaschine, die über ein hydrostatisches Getriebe mit einer Verstellpumpe und einem Hydromotor eine Achse oder ein Rad antreibt. Der hydrostatische Fahrantrieb hat des Weiteren eine Einrichtung zum Erfassen des Drucks an der jeweiligen Hochdruckseite der Verstellpumpe und eine Steuereinheit zum Ansteuern einer Verstellvorrichtung der Verstellpumpe und/oder des Hydromotors. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zunächst ein Soll-Drehmoment an der Achse bzw. dem Rad vorzugeben und dann das Ist-Drehmoment zu erfassen, wobei diese Erfassung vorzugsweise aus dem Druck an der Hochdruckseite der Hydropumpe und dem Schluckvolumen des Hydromotors oder dem Fördervolumen der Verstellpumpe erfolgt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Ist-Drehmoment mit dem Soll-Drehmoment verglichen und in dem Fall, in dem das Ist-Drehmoment größer ist als das Soll-Drehmoment, das Schluckvolumen der Hydromaschine und/oder das Fördervolumen der Verstellpumpe zum Verringern des Drehmomentes verändert. Gemäß dem Verfahren kann dementsprechend auch eine Eingabe eines Mindestdrehmomentes erfolgen, wobei das Verstellen des Schluckvolumens der Hydromaschine oder des Fördervolumens der Verstellpumpe zum Vergrößern des Drehmomentes in dem Fall erfolgt, in dem das Ist-Drehmoment kleiner ist als das Mindestdrehmoment.
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Dementsprechend hat ein nach einem derartigen Verfahren ansteuerbarer Fahrantrieb eine Antriebsmaschine, vorzugsweise eine Brennkraftmaschine, die über ein hydrostatisches Getriebe mit einer Verstellpumpe und einem Hydromotor eine Achse oder ein Rad antreibt. Der Fahrantrieb hat des Weiteren eine Einrichtung zum Erfassen des Drucks an der Hochdruckseite der Verstellpumpe und eine Steuereinheit (ECU) zum Ansteuern einer Verstellvorrichtung der Verstellpumpe und/oder des Hydromotors. Der Fahrantrieb hat des Weiteren eine Vorgabeeinrichtung zum Eingeben und Speichern eines dem Soll-Drehmoment entsprechenden Parameters oder Kennfeldes, wobei die Steuereinheit ausgelegt ist, um das resultierende Drehmoment an der Achse bzw. dem Rad durch geeignetes Ansteuern der Verstellvorrichtung unterhalb oder oberhalb des Soll-Drehmomentes zu halten. Dementsprechend kann dieses Soll-Drehmoment ein maximales Drehmoment oder aber auch ein minimales Drehmoment sein.
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Die Eingabe und/oder das Abspeichern des Soll-/Mindestdrehmomentes kann in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Parameter erfolgen: Fahrmodus, Fahrgeschwindigkeit, Achslast, Achsverteilung, Anhängelast, Fahrzeugbeladung und Radschlupf.
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Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, dass der über die Vorgabeeinrichtung oder dergleichen eingelesene oder abgespeicherte Soll-Drehmomentwert während des Fahrbetriebs übersteuert wird, um eine Anpassung an Fahrbetriebsänderungen vornehmen zu können.
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Das Drehmoment kann ein Brems- oder ein Beschleunigungsmoment sein.
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Der Hydromotor des Fahrantriebs kann als Verstellmotor oder aber auch als Konstantmotor ausgebildet sein.
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Bei einer Variante des Fahrantriebs ist die Verstellpumpe oder die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt und hat einen Schwenkwinkelsensor zum Erfassen des Schwenkwinkels und damit des Förder-/Schluckvolumens der Axialkolbenmaschine.
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In die Einstellung des Drehmomentes kann auch ein Radschlupf eingehen, wobei die ECU dann entsprechend eines ABS-/ESP- oder ASR-Steuergerätes ausgeführt ist. Die Arbeitsweise derartiger Steuergeräte ist aus der Fahrzeugtechnik bekannt, so dass diesbezügliche Erläuterungen entbehrlich sind.
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Der Fahrantrieb kann mit einer Eingabeeinheit ausgeführt sein, über die das Soll-Drehmoment oder Kennlinien für das Soll-Drehmoment manuell eingegeben und gespeichert werden.
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Wie vorstehend erläutert, können jedoch diese manuellen Eingaben in Abhängigkeit von den aktuellen Fahrzuständen übersteuert werden.
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Es kann somit das maximale Beschleunigungs- oder Bremsmoment durch eine interne oder äußere Vorgabeeinrichtung (Wert, Schalter, ESP-/ABS-, ASR-, ECU, etc.) begrenzt und überwacht werden.
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Durch die Erfassung des aktuellen Bremsdrucks und des Schwenkwinkels des Hydromotors bzw. der Verstellpumpe kann das Bremsmoment bestimmt und mit dem Sollmoment verglichen werden. Das Soll-Drehmoment wird dann durch die interne oder äußere Vorgabeeinrichtung bestimmt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Über- bzw. Unterschreitung der Fahrzeugabbremsung festzustellen. Durch ein geregeltes Verschwenken des Hydromotors oder der Verstellpumpe auf ein kleineres bzw. größeres Schluckvolumen bzw. Fördervolumen wird das Bremsmoment entsprechend eingestellt. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Volumenbilanz konstant gehalten wird.
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In entsprechender Weise erfolgt die Beschleunigungsmomentenregelung / Beschleunigungskraftregelung.
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Anwendungsgebiete der Erfindung sind somit die allgemeine Momentenbegrenzung bei Fahrantrieben, insbesondere die Beschleunigungs- und Bremsmomentbegrenzung, welche durch interne (beispielsweise Kennlinien) oder externe Vorgaben (ECU, Schalter) übersteuert werden kann.
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Vorstellbar ist auch, dass das Bremsmoment derart gesteuert wird, dass ein definiertes Ausrollverhalten des Fahrzeugs erzielt wird.
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Durch einen erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantrieb oder ein Verfahren zum Ansteuern eines hydrostatischen Fahrantriebs ist sichergestellt, dass die maximale mögliche Fahrzeugabbremsung gewährleistet werden kann, ohne ein Ausbrechen des Fahrzeugs zu verursachen. Dabei kann der Radschlupf über ein geeignetes Steuergerät überwacht werden, so dass im Fall einer Überbremsung ein geringeres Bremsmoment vorgegeben wird.
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Des Weiteren ist sichergestellt, dass die maximal mögliche Fahrzeugbeschleunigung gewährleistet ist, ohne ein Durchdrehen eines Rades zu verursachen - auch dabei kann der Radschlupf über ein geeignetes Steuergerät überwacht und im Fall eines Überschreitens eines Radschlupfgrenzwertes ein geringeres Beschleunigungsmoment vorgegeben werden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein stark vereinfachtes hydraulisches Schaltbild einer mobilen Arbeitsmaschine mit einem hydrostatischen Fahrantrieb,
- 2 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Fahrantriebs gemäß 1 und
- 3 eine Variante eines hydrostatischen Fahrantriebs mit Konstantmotor.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltschema eines Fahrantriebs 1 einer mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Kommunalfahrzeugs, eines Gabelstaplers oder eines Flugfeldschleppers. Der hydrostatische Fahrantrieb 1 hat eine primäre Antriebsmaschine, im vorliegenden Fall einen Dieselmotor 2, der über ein hydrostatisches Getriebe 4 ein Rad 6 oder eine Achse der Arbeitsmaschine antreibt.
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Das hydrostatische Getriebe 4 hat bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine vorzugsweise als Axialkolbenmaschine ausgeführte Verstellpumpe 8, die über Null verschwenkbar ist und von einer Abtriebswelle 10 des Dieselmotors 2 angetrieben ist. Wie in 1 angedeutet, treibt der Dieselmotor 2 eine weitere Verstellpumpe 12 an, über die sonstige hydraulische Verbraucher einer Arbeitshydraulik, Lenkhydraulik oder dergleichen mit Druckmittel versorgt werden können. Dabei kann zwischen der oder den Abtriebswelle(n) ein Verteilergetriebe 14 vorgesehen sein.
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Die Verstellpumpe 8 ist über Arbeitsleitungen 16, 18 in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf mit einem ebenfalls in Axialkolbenbauweise ausgeführten verstellbaren Hydromotor 20 angeordnet, der über eine Triebwelle 22 das Rad 6 antreibt. In Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Drehmoment des Dieselmotors 2 sowie dem eingestellten Fördervolumen der Verstellpumpe 8 und dem eingestellten Schluckvolumen des Hydromotors 20 wird das Rad 6 mit einem Drehmoment MF beaufschlagt.
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Die Einstellung des Fördervolumens der Verstellpumpe 8 erfolgt über eine Verstellvorrichtung 24, die vorzugsweise als ep-Verstellvorrichtung ausgeführt ist. In entsprechender Weise erfolgt die Einstellung des Schluckvolumens des Hydromotors 20 über eine weitere Verstellvorrichtung 26. Bei einer Axialkolbenbauweise wird entsprechend über die Verstellvorrichtungen 24, 26 der Schwenkwinkel der jeweiligen Hydromaschine 8, 20 verstellt. Die Ansteuerung der Verstellvorrichtungen 24, 26 erfolgt über eine zentrale Steuereinheit (ECU) 28. Die Einstellung des Schwenkwinkels der weiteren Verstellpumpe 12 zur Druckmittelversorgung der Lenkhydraulik, Arbeitshydraulik, etc. erfolgt über eine weitere Verstellvorrichtung 27, die ebenfalls über die Steuereinheit 28 angesteuert ist.
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Zur Vorgabe der Fahrtrichtung sowie der Fahrgeschwindigkeit dienen Eingabegeräte, beispielsweise ein Fahrpedal 30, das manuell von der Bedienperson der Arbeitsmaschine betätigt wird. Über dieses Fahrpedal 30 wird ein Steuersignal erzeugt und über einen Bus, vorzugsweise einen CAN-Bus 32 an die Steuereinheit 28 und ein Motorsteuergerät 34 des Dieselmotors 2 weitergeführt. Über das Motorsteuergerät 34 wird der Betriebspunkt der Dieselbrennkraftmaschine 2, üblicher Weise die Dieseldrehzahl durch entsprechende Vorgabe einer Kraftstoffmenge eingestellt, so dass die Abtriebswelle 10 mit einem Motordrehmoment M beaufschlagt ist.
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Der Fahrantrieb 1 hat des Weiteren eine Vorgabeeinrichtung 36, über die die Bedienperson manuell ein Soll-Drehmoment MF vorgeben kann oder aus einem Kennlinienfeld oder dergleichen auswählen kann. Diese Auswahl kann beispielsweise über Schalter oder Eingabe per Tastendruck oder aber auch automatisch in Abhängigkeit vom Fahrzustand erfolgen.
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In 1 weiterhin dargestellt ist ein Steuergerät 38, das beispielsweise als ABS-/ESP- oder ASR-Steuergerät ausgeführt sein kann oder mit diesem in Wirkverbindung steht. Über dieses Steuergerät lässt sich ein Radschlupf erfassen und dann ein entsprechendes Steuersignal an die Steuereinheit 28 abgeben, das das über die Vorgabeeinrichtung 36 erzeugte Signal übersteuern kann, so dass die Einstellung des Drehmomentes sowohl manuell als auch automatisch in Abhängigkeit vom Fahrzustand einstellbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen System sind des Weiteren noch zwei Drucksensoren 40, 42 vorgesehen, über die der Druck in den Arbeitsleitungen 16, 18 erfasst wird. Die entsprechenden Messsignale werden dann an die Steuereinheit 28 gemeldet.
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Die Funktionsweise des Fahrantriebs 1 gemäß 1 wird anhand des sehr vereinfachten Ablaufschemas in 2 erläutert. Zunächst wird beispielsweise über die Vorgabeeinrichtung 36 ein Soll-Drehmoment MF(Soll) eingestellt. Dieser Sollwert hängt zum einen vom Fahrzustand (Beschleunigen, Abbremsen) und zum anderen von den Umgebungsbedingungen ab. Prinzipiell kann der Sollwert auch konstant sein. Bevorzugt ist es jedoch, diesen in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. dem Fahrmodus, der Achslast und -verteilung, der Anhängelast, einer Fahrzeugbeladung oder - wie vorstehend ausgeführt - in Abhängigkeit vom Radschlupf vorzugeben.
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Letzterer wird über das Steuergerät 38 erfasst und als Sollwert über den Bus 32 an die Steuereinheit 28 übergeben.
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In einem weiteren Schritt wird das tatsächlich anliegende Motordrehmoment (Ist-Drehmoment) MF(Ist) erfasst. Diese Erfassung erfolgt aufgrund des aktuellen Drucks in der den Hochdruck führenden Arbeitsleitung 16, 18. Dieser Druck wird je nach Förderrichtung über die beiden Drucksensoren 40, 42 erfasst. Des Weiteren bekannt ist der Schwenkwinkel der Verstellpumpe 8 oder des Hydromotors 20, die beispielsweise über einen Schwenkwinkelsensor (nicht dargestellt) erfasst werden. Aus diesen Parametern kann dann das Ist-Drehmoment ermittelt werden
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In einem folgenden Schritt wird das Soll-Drehmoment MF(Soll) mit dem Ist-Drehmoment MF(Ist) verglichen. In dem Fall, in dem das Soll-Drehmoment das maximale Drehmoment darstellt und das Ist-Drehmoment oberhalb dieses Grenzwertes liegt, wird über die Steuereinheit 28 der Schwenkwinkel des Hydromotors 20 verstellt, um das Drehmoment MF zu verringern. Diese Verringerung des Drehmomentes erfolgt beispielsweise durch Zurückschwenken des Hydromotors.
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Diese Verstellung erfolgt solange, bis das Ist-Drehmoment unterhalb des Soll-Drehmomentes liegt.
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Es kann auch eine untere Grenze des Drehmomentes vorgegeben werden, die vom Soll-Drehmoment nicht unterschritten werden soll, so dass dieses Soll-Drehmoment innerhalb eines vorbestimmten Bereiches gehalten wird, in dem das Fahrzeug in optimaler Weise gebremst bzw. beschleunigt wird. Wie vorstehend erläutert, geht in diese Regelung vorzugsweise auch der Radschlupf ein, so dass stets ein stabiles Fahrverhalten der Arbeitsmaschine gewährleistet ist.
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3 zeigt eine Variante des Fahrantriebs gemäß 1. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Hydromotor als Konstantmotor 20 ausgebildet, so dass die Einstellung des Drehmomentes MF über die Veränderung des Fördervolumens der Pumpe 8 erfolgt. Prinzipiell kann anstelle eines einzigen Konstantmotors 20 auch ein mehrstufiger Konstantmotor verwendet werden. Ein weiterer Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und demjenigen aus 1 besteht darin, dass nur ein einziger Drucksensor 40 verwendet wird, wobei der höhere der Drücke in den Arbeitsleitungen 16, 18 über ein Wechselventil 44 abgegriffen wird und am Drucksensor 40 anliegt. Dessen Messsignal wird dann in entsprechender Weise wiederum zur Steuereinheit 28 gemeldet wird.
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Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 3 demjenigen aus 1, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
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Bei der Einstellung des auf das Rad 6 wirkenden Drehmomentes ist, wie eingangs erläutert, darauf zu achten, dass beispielsweise durch geeignete Ansteuerung der Pumpe die Volumenbilanz im Wesentlichen gleich bleibt.
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Wie erwähnt kann das manuell vorgegebene Soll-Drehmoment durch vom Fahrzustand abhängige Parameter, bspw. den Radschlupf übersteuert werden, um auch dann einen stabilen Fahrzustand zu gewährleisten.
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Offenbart ist ein Verfahren zum Ansteuern eines hydrostatischen Fahrantriebs und ein hydrostatischer Fahrantrieb, bei denen ein maximales Beschleunigungs- oder Bremsmoment durch interne oder äußere Sollwertvorgaben begrenzt und überwacht wird.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Fahrantrieb
- 2
- Dieselmotor
- 4
- hydrostatisches Getriebe
- 6
- Rad
- 8
- Verstellpumpe
- 10
- Abtriebswelle
- 12
- weitere Verstellpumpe
- 14
- Verteilergetriebe
- 16
- Arbeitsleitung
- 18
- Arbeitsleitung
- 20
- Hydromotor
- 22
- Triebwelle
- 24
- Verstellvorrichtung
- 26
- Verstellvorrichtung
- 27
- Verstellvorrichtung
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Fahrpedal
- 32
- Bus
- 34
- Motorsteuergerät
- 36
- Vorgabeeinrichtung
- 38
- Steuergerät
- 40
- Drucksensor
- 42
- Drucksensor
- 44
- Wechselventil
