DE102015211349A1

DE102015211349A1 - Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs und hydrostatischer Fahrantrieb

Info

Publication number: DE102015211349A1
Application number: DE102015211349.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Traub; Andreas Litz; Klaus BAUMANN; Markus Eymüller; Maik Dreher
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs (20) mit einer durch einen Antriebsmotor (21) antreibbaren Hydraulikpumpe (22), deren Fördervolumen verstellbar ist, mit einem ersten Hydromotor (23) und einem zweiten Hydromotor (24), deren Schluckvolumen jeweils verstellbar sind. Der Fahrantrieb (20) wird dabei entweder in einem ersten Fahrbereich (1), in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) verstellt wird, in einem zweiten Fahrbereich (2), in dem die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren (23, 24) verstellt werden, oder in einem dritten Fahrbereich (3) in dem das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors (24) verstellt wird, betrieben. Ferner wird ein hydrostatischer Fahrantrieb (20) angegeben, der zur Durchführung des genannten Verfahrens geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs, insbesondere für Baumaschinen, sowie einen hydrostatischen Fahrantrieb, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Ein hydrostatischer Fahrantrieb bezieht sich allgemein auf einen Antriebsstrang oder auf einen Teil eines Antriebsstrangs beispielsweise in einer Arbeits- oder Baumaschine, der hydraulisches Strömungsmittel, welches durch die Drehung eines Antriebsmotors unter Druck gesetzt wird, als Bewegungskraft zum Antrieb der Arbeitsmaschine verwendet. In einer typischen Konstruktion wird eine Hydraulikpumpe mit einer Ausgangswelle des Antriebsmotors angetrieben und liefert unter Druck gesetztes hydraulisches Strömungsmittel zu einem Hydromotor, der wiederum mit einer oder mit mehreren Achsen der Arbeitsmaschine gekoppelt ist. Bei vielen Baumaschinen mit hydrostatischem Fahrantrieb haben sowohl die Hydraulikpumpe als auch der Hydromotor jeweils eine variable Verdrängung bzw. ein variables Förder- oder Schluckvolumen, was gestattet, dass das relative Drehmoment und die Drehzahl einer Antriebswelle kontinuierlich variiert werden.
In Baumaschinen, wie beispielsweise Baggern oder Radladern, werden häufig hydrostatische Fahrantriebe mit einem hydraulischen Förderkreis eingesetzt, in dem eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen und ein oder zwei hydrostatische Motoren, die im Folgenden auch Hydromotoren genannt werden, angeordnet sind. Dabei wird ein Strömungsmittel, wie beispielsweise Hydrauliköl oder Hydraulikflüssigkeit, von der Hydraulikpumpe gefördert, wodurch der bzw. die Hydromotoren angetrieben werden. Ein derart hydrostatisch angetriebenes Fahrzeug kann beispielsweise eine Hydraulikpumpe umfassen, welche direkt an einem Antriebsmotor, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, wie Dieselmotor etc., angeflanscht ist. Darüber hinaus kann das Fahrzeug bzw. der Fahrantrieb einen Hydromotor aufweisen, welcher mit zwei Hochdruckschläuchen mit der Hydraulikpumpe verbunden ist. Wird dann bei drehendem Antriebsmotor der Steuerdruck der Hydraulikpumpe erhöht und die Hydraulikpumpe dadurch ausgeschwenkt, fördert die Hydraulikpumpe Öl in das Getriebe bzw. den Hydromotor und das Fahrzeug beschleunigt. Hierbei können sogenannte Schrägscheibenmaschinen zum Einsatz kommen, die über entsprechende Steuerdrücke gesteuert bzw. geregelt werden können. Bei bekannten Ausführungen solcher hydrostatischer Fahrantriebe ist das Schluckvolumen der Hydraulikpumpe durch Anpassung eines Steuerdrucks einstellbar. Auf diese Weise ist das Übersetzungsverhältnis, d.h. das Verhältnis aus Antriebsdrehzahl der Hydraulikpumpe und Abtriebsdrehzahl des Hydromotors durch den Steuerdruck der Hydraulikpumpe, und damit durch das Fördervolumen der Hydraulikpumpe, und das Schluckvolumen der Hydromotoren beeinflussbar.
Grundsätzlich sind beispielsweise Radialkolbenmaschinen oder Axialkolbenmaschinen als Hydraulikpumpe und als Hydromotor verwendbar. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann bei physikalisch bedingten Grenzen der Aufnahmemengen der Hydraulikpumpe und der Hydromotoren sowohl durch Veränderung der Fördermenge der Hydraulikpumpe als auch durch Veränderung der Schluckvolumen der Hydromotoren reguliert werden.
Bei herkömmlichen Verfahren zum Betreiben solcher Fahrantriebe wird eine Regelung der verstellbaren Hydraulikpumpe und des verstellbaren Hydromotors anhand von Drehzahlgrenzen aktiviert und deaktiviert. Beim Beschleunigen wird in der Regel zunächst die Primärseite, d.h. das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt und erst danach die Sekundärseite, d.h. die Schluckvolumen des Hydromotors. Dabei gibt es Betriebspunkte, an denen gleichzeitig das Fördervolumen der Hydraulikpumpe und das Schluckvolumen des Hydromotors nachgeregelt werden, obwohl dies nicht erforderlich ist. Dadurch entstehen Nachteile bei Komfort und Wirkungsgrad des Fahrantriebs.
Aus der DE 10 2012 221 943 A1 ist ein hydrostatischer Fahrantrieb mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Einstellung desselben bekannt. Damit sollen unter anderem die Regleranteile möglichst gering gehalten und Überschneidungen bei der Regelung der Hydraulikpumpe und des Hydromotors vermieden werden, um so beispielsweise ein ruckfreies Fahren zu ermöglichen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs zu schaffen, das einen weiter verbesserten Fahrbetrieb ermöglicht im Hinblick auf ein ruhiges und stabiles Fahrverhalten bei optimalem Wirkungsgrad. Zudem soll ein entsprechender hydrostatischer Fahrantrieb angegeben werden.
Die Lösung dieser Aufgaben wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht und durch einen hydrostatischen Fahrantrieb gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen hervor.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs mit einer durch einen Antriebsmotor antreibbaren Hydraulikpumpe, deren Fördervolumen verstellbar ist, und mit einem ersten Hydromotor und einem zweiten Hydromotor, deren Schluckvolumen jeweils verstellbar sind, wird der Fahrantrieb in drei Fahrbereichen betrieben. Nämlich in einem ersten Fahrbereich, in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt wird, oder in einem zweiten Fahrbereich, in dem die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren verstellt werden oder in einem dritten Fahrbereich in dem das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors verstellt wird während das Schluckvolumen des ersten Hydromotors vorzugsweise auf den Wert Null eingestellt ist. Entsprechend der in den Fahrbereichen jeweils verstellbaren Komponenten kann der erste Fahrbereich auch Pumpenbereich, der zweite Fahrbereich Zweimotorenbereich und der dritte Fahrbereich Einmotorenbereich genannt werden. Bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs wird demnach zunächst im ersten Fahrbereich nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt, bis vorgegebene Bedingungen zum Wechsel in den zweiten Fahrbereich vorliegen. Zum Beschleunigen des Fahrzeugs muss das Fördervolumen der Hydraulikpumpe dabei grundsätzlich erhöht werden. Danach werden im zweiten Fahrbereich nur die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren verändert, bis weitere vorgegebene Bedingungen zum Wechsel in den dritten Fahrbereich vorliegen, um nach dem Wechsel in den dritten Fahrbereich nur noch das Schluckvolumen des zweiten Hydromotors zu verstellen. Zum Beschleunigen des Fahrzeugs muss das Schluckvolumen der Hydromotoren grundsätzlich verringert werden.
Abhängig von verschiedenen Parametern kann von einer Steuereinrichtung jeweils einer der genannten Fahrbereiche eingestellt bzw. aktiviert werden und bei veränderten Parametern kann der Fahrbetrieb in einem anderen Fahrbereich weiterbetrieben werden. Durch das Aktivieren des angeforderten Fahrbereichs wird der bis dahin vorliegende Fahrbereich deaktiviert.
Durch die Einteilung in die drei genannten Fahrbereiche ist die Ansteuerung des Fahrantriebs klar strukturiert, sodass die bestmögliche Performance im Hinblick auf Wirkungsgrad und Komfort erreichbar ist. Der hydrostatische Fahrantrieb kann immer im wirkungsgradoptimalen Bereich betrieben werden und die jeweils angeforderte Geschwindigkeit wird eingestellt.
Eine Steuereinrichtung kann einen Wechsel von einem Fahrbereich in einen anderen Fahrbereich auf der Grundlage von Vergleichen verschiedener Parameter durch Aktivieren eines angeforderten Fahrbereichs veranlassen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass abhängig von einer Fahrpedalstellung und von einer Soll-Drehzahl des Antriebsmotors jeweils einer der genannten Fahrbereiche aktiviert wird. Die Fahrpedalstellung kann dazu von einem geeigneten Sensor erfasst und einer Steuereinrichtung zugeleitet werden. Die Soll-Drehzahl des Antriebsmotors kann beispielsweise aus einer Motorsteuerung abgefragt werden.
Des Weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der nächsthöhere Fahrbereich aktiviert wird, wenn eine angeforderte Abtriebsdrehzahl größer oder gleich groß als eine Grenzdrehzahl des derzeit vorliegenden Fahrbereichs ist, und wenn eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl größer ist als eine maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs. Der Begriff Grenzdrehzahl kann auch Grenzabtriebsdrehzahl genannt werden, da er sich immer auf die Drehzahl am Abtrieb bezieht. Der erste Fahrbereich wird als der niedrigste Fahrbereich und der dritte Fahrbereich als der höchste Fahrbereich verstanden. Die Grenzdrehzahl liegt jeweils am oberen Ende des dazugehörigen Fahrbereichs.
Zum Wechsel von einem höheren in einen niedrigeren Fahrbereich kann vorgesehen sein, dass der nächstniedrigere Fahrbereich aktiviert wird, wenn die angeforderte Abtriebsdrehzahl kleiner ist als eine Grenzdrehzahl des nächstniedrigeren Fahrbereichs, oder wenn die vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl kleiner oder gleich ist als die maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs.
Die angeforderte Abtriebsdrehzahl kann dazu abhängig von einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung berechnet werden.
Die Grenzdrehzahl kann nach folgender Grenzdrehzahlformel berechnet werden,
wobei die Pumpengröße ein vorgegebenes Fördervolumen der Hydraulikpumpe an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs ist, vorzugsweise wird hier das maximale Pumpenvolumen eingesetzt,
wobei als Drehzahl Diesel die durch die Fahrpedalstellung angeforderte Soll-Drehzahl des Antriebsmotors verwendet wird,
wobei q_MA und q_MB vorgegebene Schluckvolumen der beiden Hydromotoren an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs sind,
wobei eta der jeweilige Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe bzw. des Hydromotors bei der angeforderten Abtriebsdrehzahl und der angeforderten Soll-Drehzahl des Antriebsmotors ist,
wobei i_ABMA ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs ist, und
wobei i_ABMB ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des zweiten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl der gemeinsamen Abtriebswelle ist.
Um die Grenzdrehzahl des ersten Fahrbereichs, nämlich des Pumpenbereichs, mit der Grenzdrehzahlformel zu berechnen, kann vorzugsweise das geometrisch und bauartbedingt größtmögliche Fördervolumen der Hydraulikpumpe als Pumpengröße verwendet werden. Auf diese Weise kann das zur Verfügung stehende Fördervolumen der Hydraulikpumpe bestmöglich ausgenutzt werden.
Die vorgegebenen Schluckvolumen der beiden Hydromotoren können zur Berechnung der Grenzdrehzahl des ersten Fahrbereichs beispielsweise dem jeweils geometrisch und bauartbedingt größtmöglichen Schluckvolumen der Hydromotoren entsprechen. Auf diese Weise bleibt den Hydromotoren in dem zweiten und dem dritten Fahrbereich das größtmögliche Beschleunigungspotential, weil die Hydromotoren dann ausgehend vom größtmöglichen Schluckvolumen zum geringsten bzw. gar keinem Schluckvolumen hin verstellbar sind und so eine Beschleunigung der Abtriebsdrehzahl erreichbar ist. Jedoch können auch hier unter Berücksichtigung des mechanisch-hydraulischen und/oder des volumetrischen Wirkungsgrades der Hydromotoren andere Werte als Schluckvolumen verwendet werden.
Die maximale Grenzdrehzahl kann ebenfalls mit der folgenden Grenzdrehzahlformel berechnet werden,
wobei hier als Drehzahl Diesel die Nenndrehzahl des Antriebsmotors verwendet wird, und wobei die anderen Parameter entsprechend der oben stehenden Definitionen verwendet werden.
Ein Ist-Zustand, das heißt der aktuell vorliegende Zustand des Fahrantriebs kann von einer Steuereinrichtung anhand von Vergleichen von Ist-Werten der Schluckvolumen beider Hydromotoren mit vorgegebenen gespeicherten Werten sowie dem Status eines Abschaltventils des ersten Hydromotors bestimmt werden.
Es ist möglich eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl beispielsweise anhand eines Fahrpotentiometers einzustellen. Bei dem Fahrpotentiometer handelt es sich beispielsweise um einen manuell bedienbaren Hebel, Schalter oder Drehrad etc, also um eine manuell bedienbare Einrichtung. Dementsprechend ist die maximale Abtriebsdrehzahl variabel manuell einstellbar. Beispielsweise kann ein Fahrer eines entsprechend ausgerüsteten Fahrzeugs auf diese Art eine obere, d.h. maximale Abtriebsdrehzahl vorgeben. Dies geschieht beispielsweise durch die Anpassung des Steuerdrucks in einem Abtriebsdrehzahlbereich des hydrostatischen Antriebs zwischen 0 und der maximalen Abtriebsdrehzahl. Mit anderen Worten wird mittels der durch das Fahrpotentiometer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl eine Breite des zur Verfügung stehenden Abtriebsdrehzahlbereichs eingestellt. Innerhalb dieses Abtriebsdrehzahlbereichs kann die Soll-Abtriebsdrehzahl des hydrostatischen Antriebs mittels eines konventionellen Fahrpedals eingestellt werden. Bei einer veränderten vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl ändert sich folglich bei gleicher Fahrpedalstellung die Soll-Abtriebsdrehzahl. Beispielsweise liegt bei halb durchgedrücktem Fahrpedal die halbe maximale Abtriebsdrehzahl als Soll-Abtriebsdrehzahl vor, bei voll durchgedrücktem Fahrpedal liegt dann genau die maximale Abtriebsdrehzahl als Soll-Abtriebsdrehzahl vor. Somit kann ein gefühlvolles Langsamfahren bei niedriger maximaler Abtriebsdrehzahlvorgabe sowie ein dynamisches Schnellfahren bei hoher maximaler Abtriebsdrehzahlvorgabe realisiert werden, wobei jeweils der gesamte zur Verfügung stehende Fahrpedalweg nutzbar ist.
In dem dritten Fahrbereich ist das Schluckvolumen des ersten Hydromotors bevorzugt auf den Wert Null eingestellt, während die Abtriebsdrehzahl durch das Verändern des Schluckvolumens des zweiten Hydromotors steuerbar ist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des hydrostatischen Fahrantriebs erhöht werden.
Die Erfindung umfasst ferner einen hydrostatischen Fahrantrieb, der geeignet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dazu wird ein hydrostatischer Fahrantrieb mit einer durch einen Antriebsmotor antreibbaren Hydraulikpumpe, deren Fördervolumen verstellbar ist, mit einem ersten Hydromotor und einem zweiten Hydromotor, deren Schluckvolumen jeweils verstellbar sind, vorgeschlagen. Ferner ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist den Fahrantrieb alternativ in einem der oben genannten drei Fahrbereiche zu betreiben. Also entweder in einem ersten Fahrbereich, in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt wird, oder in einem zweiten Fahrbereich, in dem die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren verstellt werden, oder in einem dritten Fahrbereich in dem das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors verstellt wird.
Ausführungsbeispiele des hydrostatischen Fahrantriebs können dazu eine Steuereinrichtung mit Mitteln zur Berechnung einer angeforderten Abtriebsdrehzahl auf der Grundlage einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung umfassen.
Eine für den vorgeschlagenen hydrostatischen Fahrantrieb vorgesehene Steuereinrichtung kann des Weiteren Mittel zur Berechnung einer Grenzdrehzahl und einer maximalen Grenzdrehzahl aufweisen, wobei die Grenzdrehzahl und die maximale Grenzdrehzahl auf der Grundlage der oben genannten Grenzdrehzahlformel und den dort genannten Parametern berechnet werden kann.
Die Steuereinrichtung kann als elektronische Steuerung ausgebildet sein und aus mehreren Komponenten bestehen, die an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs angeordnet sein können. Die verschiedenen Komponenten der Steuerung sind beispielsweise über zumindest ein datenübertragendes Bussystem miteinander verbunden.
Zur Berechnung der genannten Größen umfasst die Steuereinrichtung zumindest ein datenverarbeitendes Element, beispielsweise ein Prozessor als zentrale Recheneinheit. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise auch ein Motorsteuergerät, ein Fahrzeugsteuergerät und/oder ein Getriebesteuergerät umfassen. Ferner kann die Steuereinrichtung Sensoren, insbesondere Drehzahlsensoren, umfassen.
Des Weiteren weist die Steuerung Mittel zum Speichern und Abrufen von Parametern auf. Dabei können elektronische Datenspeicher verwendet werden, insbesondere permanente oder semi-permanente Speichermedien, die mit dem Prozessor der Steuerung verbunden sind.
Schließlich umfasst die Steuerung Mittel zum Vergleichen mehrerer Parameter bzw. Größen miteinander sowie Mittel zum Ansteuern einer Antriebsdrehzahl des Antriebsmotors und Mittel zum Ansteuern einer Schluckvolumenverstelleinrichtung des zumindest einen Hydromotors umfasst, um damit abhängig vom Ergebnis des Vergleichs der verschiedenen Größen die Fahrbereiche zu Aktivieren bzw. zu Deaktivieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen
1 ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf einer angeforderten Abtriebsdrehzahl über die drei Fahrbereiche,
2 eine schematische Darstellung der drei Fahrbereiche und deren Parameter betreffend einen Ist-Zustand,
3 eine schematische Darstellung der drei Fahrbereiche und deren Parameter betreffend den jeweils angeforderten Bereich und
4 eine schematische Darstellung der drei Fahrbereiche und deren Parameter betreffend den jeweils maximalen Bereich.
Die 1 zeigt den Verlauf einer angeforderten Abtriebsdrehzahl n_AB eines hydrostatischen Fahrantriebs über die Zeit t. Die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB ist abhängig von einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung. Der dargestellte Drehzahlbereich ist in vertikaler Richtung in drei Fahrbereiche 1, 2 und 3 eingeteilt. Im unteren Drehzahlbereich ist der erste Fahrbereich 1, auch Pumpenbereich genannt, angeordnet. Im ersten Fahrbereich 1 wird zum Zweck der Anpassung der Abtriebsdrehzahl nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt. Am oberen Ende des ersten Fahrbereichs 1 verläuft die Grenzdrehzahl G₁ dieses ersten Fahrbereichs 1.
Oberhalb der Grenzdrehzahl G₁ im mittleren Drehzahlbereich ist der zweite Fahrbereich 2, auch Zweimotorenbereich genannt, angeordnet. Im zweiten Fahrbereich 2 wird zum Zweck der Anpassung der Abtriebsdrehzahl das Schluckvolumen beider Hydromotoren verstellt. Am oberen Ende des zweiten Fahrbereichs 2 verläuft die Grenzdrehzahl G₂ dieses zweiten Fahrbereichs 2. Der zweite Fahrbereich 2 deckt also den Drehzahlbereich zwischen der Grenzdrehzahl G₁ des ersten Fahrbereichs 1 und der Grenzdrehzahl G₂ des zweiten Fahrbereichs 2 ab.
Oberhalb der Grenzdrehzahl G₂ im oberen Drehzahlbereich ist der dritte Fahrbereich 3, auch Einmotorenbereich genannt, angeordnet. Im dritten Fahrbereich 3 wird zum Zweck der Anpassung der Abtriebsdrehzahl das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors verstellt. Das Schluckvolumen des ersten Hydromotors ist in diesem dritten Fahrbereich 3 auf den Wert Null eingestellt.
Die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB steigt ausgehend von einem Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ kontinuierlich an. Dabei befindet sich der Fahrantrieb in dem ersten Fahrbereich 1, dem Pumpenbereich. Das bedeutet, dass die Abtriebsdrehzahl in dieser Zeit durch die Verstellung des Fördervolumens der Hydraulikpumpe des hydrostatischen Fahrantriebs verändert wird. Die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren werden im ersten Fahrbereich 1 nicht verstellt.
Am Zeitpunkt t₁ überquert die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB die Grenzdrehzahl G₁ des ersten Fahrbereichs 1 und verläuft danach im zweiten Fahrbereich 2, bis sie am Zeitpunkt t₂ wieder unter die Grenzdrehzahl G₁ in den ersten Fahrbereich 1 abfällt.
Vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₃ wird der Fahrantrieb wieder im ersten Fahrbereich 1 betrieben, in dem die Abtriebsdrehzahl n_AB nur über das Verstellen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe gesteuert wird.
Am Zeitpunkt t₃ überquert die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB wieder die Grenzdrehzahl G₁ des ersten Fahrbereichs 1 und steigt danach im zweiten Fahrbereich 2 kontinuierlich an, bis sie am Zeitpunkt t₄ die Grenzdrehzahl G₂ überschreitet und in den dritten Fahrbereich 3 ansteigt. Wie oben erläutert wird in diesem dritten Fahrbereich 3 zum Zweck der Anpassung der Abtriebsdrehzahl das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors verstellt.
Nach einem zwischenzeitigen Absinken unter die Grenzdrehzahl G₂ in den zweiten Fahrbereich 2 zwischen den Zeitpunkten t₅ und t₆ hält sich die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB bis zum Zeitpunkt t₇ im oberen Drehzahlbereich, also im dritten Fahrbereich 3.
Beim Zeitpunkt t₇ sinkt die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_AB wieder unter die Grenzdrehzahl G₂ in den zweiten Fahrbereich 2 bevor sie weiter kontinuierlich absinkend beim Zeitpunkt t₈ unter die Grenzdrehzahl G1 in den ersten Fahrbereich 1 absinkt.
In der 2 sind die drei Fahrbereiche, nämlich der erste Fahrbereich 1 oder Pumpenbereich, der zweite Fahrbereich 2 oder Zweimotorenbereich und der dritte Fahrbereich 3 oder Einmotorenbereich abgebildet. Die zwischen den Fahrbereichen 1, 2 und 3 eingezeichneten Pfeile 4, 5, 6 und 7 symbolisieren die Voraussetzungen, anhand derer der jeweilige Ist-Zustand bestimmt und einem der Fahrbereiche zugeordnet werden kann. Der Ist-Zustand entspricht dem jeweils vorliegenden physikalischen Zustand des Fahrantriebs. Dieser Ist-Zustand wird deshalb auch Physical State genannt.
Als Kenngrößen bzw. Parameter für die Zuordnung zu den Fahrbereichen dienen die aktuellen Schluckvolumen der beiden Hydromotoren und der Status eines Abschaltventils des ersten Hydromotors. Das heißt, dass der Ist-Zustand des Fahrantriebs durch Vergleiche der aktuellen Schluckvolumen der beiden Hydromotoren mit hinterlegten Werten und der Prüfung des Status des Abschaltventils des ersten Hydromotors bestimmbar ist. In der 2 sind die Voraussetzungen für die Zuordnung zu einem der drei Bereiche 1, 2 oder 3 als Pfeile dargestellt, hinter denen jeweils ein oder mehrere logisch miteinander verknüpfte Bedingungen stehen.
Der Pfeil 4 repräsentiert die Voraussetzungen für den Übergang des Ist-Zustandes von dem ersten Fahrbereich 1 in den zweiten Fahrbereich 2. Dazu wird als Bedingung gefordert, dass das vorliegende Schluckvolumen des ersten Hydromotors kleiner ist als ein vorbestimmter Schluckvolumenwert, beispielsweise 182 Kubikzentimeter, oder, dass das vorliegende Schluckvolumen des zweiten Hydromotors kleiner ist als ein weiterer vorbestimmter Schluckvolumenwert, beispielsweise 243 Kubikzentimeter. Gleichzeitig müssen die angeforderten Schluckvolumen des ersten und des zweiten Hydromotors ebenfalls kleiner als die genannten vorbestimmten Werte sein, damit der Ist-Zustand dem zweiten Fahrbereich 2 zugeordnet wird.
Umgekehrt wird für den Übergang vom zweiten Fahrbereich 2 in den ersten Fahrbereich 1 gemäß dem Pfeil 5 gefordert, dass das vorliegende Schluckvolumen des ersten Hydromotors größer oder gleich dem vorbestimmten Schluckvolumenwert ist, und dass das vorliegende Schluckvolumen des zweiten Hydromotors größer oder gleich dem weiteren vorbestimmten Schluckvolumenwert ist, und gleichzeitig müssen die angeforderten Schluckvolumen des ersten und des zweiten Hydromotors ebenfalls größer oder gleich den genannten vorbestimmten Werten sein. Nur dann wird der Ist-Zustand dem ersten Fahrbereich 1 zugeordnet.
Mit anderen Worten befindet sich der Fahrantrieb nur dann im ersten Fahrbereich 1, wenn sowohl die Ist-Werte als auch die Soll-Werte der Schluckvolumen beider Hydromotoren zu diesem Zeitpunkt gleich oder größer dem jeweils vorbestimmten Schluckvolumenwert sind. Dabei kann der vorbestimmte Schluckvolumenwert der beiden Hydromotoren dem größtmöglichen Schluckvolumen der beiden Hydromotoren entsprechen oder einem Wert nahe dem größtmöglichen Schluckvolumen. Auf diese Weise ergibt sich für den zweiten und dritten Fahrbereich ein großes Potential zum weiteren Beschleunigen, in dem die Schluckvolumen der Hydromotoren dann ausgehend vom größtmöglichen Schluckvolumen verringert werden.
Das vorliegende Schluckvolumen kann auch als Ist-Schluckvolumen und das angeforderte Schluckvolumen kann auch als Soll-Schluckvolumen bezeichnet werden. Bei den Vergleichen der vorliegenden Schluckvolumen mit den angeforderten Schluckvolumen können auch Toleranzen der vorbestimmten Werte berücksichtigt werden.
Zur Unterscheidung, ob sich der Fahrantrieb aktuell im zweiten Fahrbereich 2 oder dritten Fahrbereich 3 befindet wird der Zustand bzw. Status eines Abschaltventils des ersten Hydromotors geprüft. Ist der Status des Abschaltventils des ersten Hydromotors „off“, d.h. der erste Hydromotor ist in diesem Zustand nicht verstellbar und auf den Schluckvolumenwert von Null eingestellt, so befindet sich der Fahrantrieb im dritten Fahrbereich 3, dem Einmotorenbereich. Dies wird in 2 durch den Pfeil 6 repräsentiert.
Ist der Status des Abschaltventils dagegen „on“, d.h. der erste Hydromotor ist in diesem Zustand verstellbar und nicht auf den Schluckvolumenwert von Null eingestellt, so befindet sich der Fahrantrieb im zweiten Fahrbereich 2, dem Zweimotorenbereich. Dies wird in 2 durch den Pfeil 7 repräsentiert.
Die 3 zeigt analog zur 2 die drei Fahrbereiche, nämlich den ersten Fahrbereich 1 oder Pumpenbereich, den zweiten Fahrbereich 2 oder Zweimotorenbereich und den dritten Fahrbereich 3 oder Einmotorenbereich. In der 3 wird jedoch ein sogenannter aktiver Bereich dargestellt, der im Gegensatz zum Ist-Zustand der 2 den Fahrerwunsch, also Sollwerte eines jeweils angeforderten Fahrbereichs darstellt. Die Zuordnung zu einem der Fahrbereiche 1, 2 oder 3 wird in diesem aktiven Bereich durch Vergleiche einer angeforderten Abtriebsdrehzahl mit einer Grenzdrehzahl eines Fahrbereichs vorgenommen.
Die angeforderte Abtriebsdrehzahl wird dazu grundsätzlich abhängig von einer einstellbaren maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung berechnet. Die eingestellte und dadurch vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl und die Fahrpedalstellung geben dabei den Fahrerwunsch und damit die angeforderte Abtriebsdrehzahl vor.
Zur Berechnung der jeweiligen Grenzdrehzahl im aktiven Bereich kann die oben beschriebene Formel verwendet werden, wobei eine Soll-Drehzahl des Antriebsmotors verwendet wird als „Drehzahl Diesel“. Diese kann beispielsweise aus einer Motorsteuereinrichtung abgefragt werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird für den Wechsel von einem derzeit vorliegenden Fahrbereich in den nächsthöhere Fahrbereich vorausgesetzt, dass die angeforderte Abtriebsdrehzahl größer oder gleich ist als die Grenzdrehzahl des derzeit vorliegenden Fahrbereichs, und dass die vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl größer ist als eine maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs. Ein solcher Wechsel in einen nächsthöheren Bereich ist in der 3 mit den Pfeilen 8 und 10 dargestellt. Die Ermittlung der maximalen Grenzdrehzahl ist weiter unten im Zusammenhang mit 4 beschrieben.
Umgekehrt wird für einen Wechsel von einem derzeit vorliegenden Fahrbereich in den nächstniedrigeren Fahrbereich vorausgesetzt, dass die angeforderte Abtriebsdrehzahl kleiner ist als eine Grenzdrehzahl des nächstniedrigeren Fahrbereichs, oder dass eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl kleiner oder gleich ist als die maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs. Ein solcher Wechsel in einen nächsthöheren Bereich ist in der 3 mit den Pfeilen 9 und 11 dargestellt.
In der 3 repräsentieren die Pfeile 8 und 9 die Zuordnung bzw. die Wechsel zwischen dem ersten Fahrbereich 1 und dem zweiten Fahrbereich 2 und die Pfeile 10 und 11 die Zuordnung bzw. die Wechsel zwischen dem zweiten Fahrbereich 2 und dem dritten Fahrbereich 3.
Die Wechsel zwischen den Fahrbereichen im aktiven Bereich können jeweils durch das Aktivieren des angeforderten Fahrbereichs und das Deaktiveren des bis dahin vorliegenden Fahrbereichs in einer Steuereinrichtung vollzogen werden.
Der maximale aktive Bereich lässt sich über den sogenannten maximalen Bereich bestimmen bzw. begrenzen. Dies ist beispielsweise erforderlich, um physikalisch bzw. bauartbedingte Drehzahlgrenzen der Hydraulikpumpe oder der Hydromotoren einzuhalten. Der maximale Bereich ist in 4 wieder mit Hilfe der drei genannten Fahrbereiche 1, 2 und 3 dargestellt und wird im Folgenden erläutert. Die zwischen den Fahrbereichen 1, 2 und 3 eingezeichneten Pfeile 12, 13, 14 und 15 symbolisieren hier die Voraussetzungen, anhand derer der jeweilige maximale Bereich bestimmt werden kann.
Der maximale Bereich liegt im ersten Fahrbereich 1, dem Pumpenbereich, wenn eine angeforderte maximale Abtriebsdrehzahl kleiner oder gleich groß ist wie eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl für den ersten Fahrbereich 1. Dies wird in der 4 durch den Pfeil 13 symbolisiert.
Die angeforderte maximale Abtriebsdrehzahl kann dazu mit der oben genannten Grenzdrehzahlformel unter Verwendung der Nenndrehzahl des Antriebsmotors als „Drehzahl Diesel“ berechnet werden. Die vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahlen ergeben sich für den jeweiligen Bereich aufgrund der aktuell eingestellten maximalen Abtriebsdrehzahl, die beispielsweise anhand eines Fahrpotentiometers einstellbar ist, wie oben erläutert.
Der maximale Bereich liegt im zweiten Fahrbereich 2, dem Zweimotorenbereich, wenn die angeforderte maximale Abtriebsdrehzahl zwar größer als die vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl für den ersten Fahrbereich 1, aber kleiner oder gleich einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl für den zweiten Fahrbereich 2 ist. Dies wird in der 4 durch die Pfeile 12 und 15 symbolisiert.
Nur wenn die angeforderte maximale Abtriebsdrehzahl größer ist als die vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl für den zweiten Fahrbereich 2, dann liegt der maximale Bereich im dritten Fahrbereich 3, dem Einmotorenbereich. Dies wird in der 4 durch den Pfeil 14 symbolisiert.
Die 5 zeigt schließlich die wesentlichen Komponenten eines hydrostatischen Fahrantriebs 20 in einer vereinfachten Darstellung. Der als Dieselmotor ausgebildete Antriebsmotor 21 treibt dabei über seine Motorabtriebswelle 26 eine in ihrem Schluckvolumen verstellbare Hydraulikpumpe 22 an. Die Hydraulikpumpe 22 treibt wiederum über einen hydraulischen Förderkreis 27 einen ersten Hydromotor 23 und einen zweiten Hydromotor 24 an. Die Abtriebsleistung der beiden Hydromotoren 23 und 24 werden durch ein nicht näher dargestelltes mechanisches Summierungsgetriebe aufsummiert auf eine gemeinsame Abtriebswelle 25, die sich im Betrieb mit einer Abtriebsdrehzahl n_AB dreht. Ferner ist ein Fahrpedal 29 dargestellt, über das der Fahrer des Fahrzeuges seinen Fahrerwunsch eingeben kann, sodass er von der Steuereinrichtung 28 berücksichtigt werden kann.
Der hydrostatische Fahrantrieb 20 umfasst des Weiteren eine Steuereinrichtung 28, die zumindest ein Steuergerät (ECU) umfasst, welches zumindest mit den wesentlichen Komponenten des Fahrantriebs (20) datenübertragend verbunden ist. Diese Verbindungen 30 sind in der 5 in Form von Strichlinien angedeutet und können beispielsweise auch über ein oder mehrere elektronische Bussysteme realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Erster Fahrbereich, Pumpenbereich
2: Zweiter Fahrbereich, Zweimotorenbereich
3: Dritter Fahrbereich, Einmotorenbereich
4: Pfeil
5: Pfeil
6: Pfeil
7: Pfeil
8: Pfeil
9: Pfeil
10: Pfeil
11: Pfeil
12: Pfeil
13: Pfeil
14: Pfeil
15: Pfeil
20: hydrostatischer Fahrantrieb
21: Antriebsmotor
22: Hydraulikpumpe
23: Hydromotor
24: Hydromotor
25: Abtriebswelle
26: Motorabtriebswelle
27: hydraulischer Förderkreis
28: Steuereinrichtung
29: Fahrpedal
30: Datenverbindung
G1: Grenzdrehzahl
G2: Grenzdrehzahl
n: Drehzahl
n_AB: Abtriebsdrehzahl
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221943 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs (20) mit einer durch einen Antriebsmotor (21) antreibbaren Hydraulikpumpe (22), deren Fördervolumen verstellbar ist, mit einem ersten Hydromotor (23) und einem zweiten Hydromotor (24), deren Schluckvolumen jeweils verstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrantrieb gesteuert wird entweder in einem ersten Fahrbereich (1), in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) verstellt wird, oder in einem zweiten Fahrbereich (2), in dem die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren (23, 24) verstellt werden oder in einem dritten Fahrbereich (3) in dem das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors (24) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrantrieb abhängig von einer Fahrpedalstellung und von einem Betriebszustand des Antriebsmotors (21) in jeweils einem der genannten Fahrbereiche betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nächsthöhere Fahrbereich aktiviert wird, wenn eine angeforderte Abtriebsdrehzahl größer oder gleich ist als eine Grenzdrehzahl des derzeit vorliegenden Fahrbereichs, und wenn eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl größer ist als eine maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nächstniedrigere Fahrbereich aktiviert wird, wenn die angeforderte Abtriebsdrehzahl kleiner ist als eine Grenzdrehzahl des nächstniedrigeren Fahrbereichs, oder wenn eine vorgegebene maximale Abtriebsdrehzahl kleiner oder gleich ist als die maximale Grenzdrehzahl des vorliegenden Fahrbereichs.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die angeforderte Abtriebsdrehzahl abhängig von einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzdrehzahl nach folgender Grenzdrehzahlformel berechnet wird,
wobei die Pumpengröße ein vorgegebenes Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs ist, wobei als Drehzahl Diesel die durch die Fahrpedalstellung angeforderte Soll-Drehzahl des Antriebsmotors (21) verwendet wird, wobei q_MA und q_MB vorgegebene Schluckvolumen der beiden Hydromotoren (23, 24) an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs sind, wobei eta der jeweilige Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe bzw. des Hydromotors bei der angeforderten Abtriebsdrehzahl und der angeforderten Soll-Drehzahl des Antriebsmotors ist, wobei i_ABMA ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten Hydromotors (23) und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle (25) des Fahrantriebs (20) ist, und wobei i_ABMB ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des zweiten Hydromotors (24) und der Abtriebsdrehzahl der gemeinsamen Abtriebswelle (25) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Grenzdrehzahl mit der folgenden Grenzdrehzahlformel berechnet wird,
wobei die Pumpengröße ein vorgegebenes Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs ist, wobei als Drehzahl Diesel die Nenndrehzahl des Antriebsmotors (21) verwendet wird, wobei q_MA und q_MB vorgegebene Schluckvolumen der beiden Hydromotoren (23, 24) an der Grenze des jeweiligen Fahrbereichs sind, wobei eta der jeweilige Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe bzw. des Hydromotors bei der angeforderten Abtriebsdrehzahl und der angeforderten Soll-Drehzahl des Antriebsmotors ist, wobei i_ABMA ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten Hydromotors (23) und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle (25) des Fahrantriebs ist, und wobei i_ABMB ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des zweiten Hydromotors (24) und der Abtriebsdrehzahl der gemeinsamen Abtriebswelle (25) ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpengröße das maximale Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Fahrbereiche ein derzeit aktiver Fahrbereich anhand von Soll-Werten und Ist-Werten der Schluckvolumen beider Hydromotoren (23, 24) sowie dem Status eines Abschaltventils des ersten Hydromotors (23) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schluckvolumen des ersten Hydromotors (23) im dritten Fahrbereich (3) auf den Wert Null eingestellt ist.
Hydrostatischer Fahrantrieb mit einer durch einen Antriebsmotor (21) antreibbaren Hydraulikpumpe (22), deren Fördervolumen verstellbar ist, mit einem ersten Hydromotor (23) und einem zweiten Hydromotor (24), deren Schluckvolumen jeweils verstellbar sind, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (28), die dazu eingerichtet ist den Fahrantrieb in einem ersten Fahrbereich (1), in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) verstellt wird, oder in einem zweiten Fahrbereich (2), in dem die Schluckvolumen der beiden Hydromotoren (23, 24) verstellt werden oder in einem dritten Fahrbereich (3) in dem das Schluckvolumen nur des zweiten Hydromotors (24) verstellt wird zu betreiben.
Hydrostatischer Fahrantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Mittel aufweist zur Berechnung einer angeforderten Abtriebsdrehzahl auf der Grundlage einer vorgegebenen maximalen Abtriebsdrehzahl und einer Fahrpedalstellung (29).
Hydrostatischer Fahrantrieb nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Mittel zur Berechnung einer Grenzdrehzahl gemäß Anspruch 6 und einer maximalen Grenzdrehzahl nach Anspruch 7 aufweist.
Hydrostatischer Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist berechnete Werte mit in einem Speicher der Steuereinrichtung hinterlegten Werten zu vergleichen und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs Stelleinrichtungen für das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (22) und Stelleinrichtungen für die Schluckvolumen der Hydromotoren (23, 24), sowie den Antriebsmotor (21) anzusteuern, um dem Antriebsmotor (21) eine Soll-Antriebsdrehzahl vorzugeben.