DE102015223384A1

DE102015223384A1 - Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs und hydrostatischer Fahrantrieb

Info

Publication number: DE102015223384A1
Application number: DE102015223384.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Traub; Andreas Litz
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs mit einer Hydraulikpumpe, die ein anhand eines Pumpensteuerdrucks verstellbares Fördervolumen aufweist und mit zumindest einem Hydromotor, der ein verstellbares Schluckvolumen aufweist, wobei die Hydraulikpumpe und der Hydromotor in einem hydraulischen Förderkreis fluidisch miteinander verbunden sind, und wobei die Hydraulikpumpe mit einem Antriebsmotor und der Hydromotor mit einem anzutreibenden Antriebsrad oder einer anzutreibenden Antriebskette verbunden oder verbindbar ist. Der hydrostatische Fahrantrieb wird dabei in einem niedrigen Abtriebsdrehzahlbereich bis zu einer einstellbaren Abtriebsdrehzahlschwelle gesteuert, indem der Pumpensteuerdruck in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einer Sollabtriebsdrehzahl und einer Istabtriebsdrehzahl verändert wird. Ferner werden ein hydrostatischer Fahrantrieb und ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, die sich zur Durchführung des Verfahrens eignen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs und einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer Steuereinrichtung, die dazu geeignet ist den Fahrantrieb nach dem genannten Verfahren zu betreiben.
Hydrostatische Fahrantriebe und entsprechende hydrostatische Getriebe zum Antrieb von Fahrzeugen sind beispielsweise aus dem Bau- und Landmaschinenbereich bekannt. Dabei ist eine Hydraulikpumpe in einem hydraulischen Förderkreis mit einem oder mehreren hydrostatischen Motoren fluidisch verbunden. Durch das von der Hydraulikpumpe geförderte Hydrauliköl können die hydrostatischen Motoren angetrieben werden. Die hydrostatischen Motoren werden im Folgenden auch Hydromotoren genannt.
Ein solcher hydrostatischer Fahrantrieb kann eine verstellbare Hydraulikpumpe umfassen, welche direkt an einem Antriebsmotor, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, wie Dieselmotor etc. angeflanscht ist. Darüber hinaus kann das Fahrzeug einen Hydromotor aufweisen, welcher mit zwei Hochdruckschläuchen mit der Hydraulikpumpe verbunden ist. Abtriebsseitig kann der Hydromotor das Fahrzeug über einen mechanischen Antriebsstrang antreiben. Wird bei drehendem Antriebsmotor ein Pumpensteuerdruck der verstellbaren Hydraulikpumpe erhöht und die Hydraulikpumpe dadurch ausgeschwenkt, fördert die Hydraulikpumpe Hydrauliköl in dem hydrostatischen Fahrantrieb zu dem Hydromotor. Dadurch wird der Hydromotor angetrieben, welcher über den mechanischen Abtriebsstrang wiederum das Fahrzeug antreibt. Als Hydraulikpumpe kann eine sogenannte Schrägscheibenmaschine zum Einsatz kommen, die über entsprechende Steuerdrücke gesteuert bzw. geregelt werden kann.
Mit der Veränderung des Aufnahmevolumens oder Schluckvolumens des Hydromotors kann dann die Geschwindigkeit weiter variiert werden. Grundsätzlich kann die Fahrzeuggeschwindigkeit bei physikalisch bedingten Grenzen der Aufnahmemenge, d.h. des Fördervolumens der Hydraulikpumpe und des Schluckvolumens der Hydromotoren sowohl durch Verstellen der Hydraulikpumpe als auch der Hydromotoren reguliert werden.
Es sind bereits Verfahren bekannt zur Steuerung und Regelung von hydrostatischen Fahrantrieben, die eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen und zumindest einen Hydromotor mit verstellbarem Schluckvolumen aufweisen. Bei derartigen hydrostatischen Antrieben können die Hydraulikpumpe und der bzw. die Hydromotoren getrennt voneinander verstellt werden, um eine gewünschte Abtriebsdrehzahl und damit die gewünschte Fahrgeschwindigkeit einzustellen.
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 102012221943 A1 ist ein hydrostatischer Fahrantrieb und ein Verfahren zur Einstellung desselben bekannt. Mit dem Verfahren sollen unter anderem die Regleranteile möglichst gering gehalten und Wechselwirkungen durch Überschneidungen der Regelung der Hydraulikpumpe und des Hydromotors vermieden werden, um so beispielsweise ein ruckfreies Fahren zu ermöglichen.
Ferner ist in der DE 102015211349 ein Verfahren beschrieben, bei dem ein hydrostatischer Fahrantrieb in drei Fahrbereichen betrieben werden kann. Nämlich in einem ersten Fahrbereich, in dem nur das Fördervolumen der Hydraulikpumpe verstellt wird während die Schluckvolumen des bzw. der Hydromotoren auf ihren maximalen Wert eingestellt bleiben, 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 drei Fahrbereichen jeweils verstellbaren Komponenten kann der erste Fahrbereich auch Pumpenbereich, der zweite Fahrbereich Zweimotorenbereich und der dritte Fahrbereich Einmotorenbereich genannt werden. Die Grenzen der drei Fahrbereiche bestimmen sich jeweils anhand der Motordrehzahl und der Abtriebsdrehzahl, sodass jeder Fahrbereich einem Geschwindigkeitsbereich des durch den hydrostatischen Fahrantrieb angetriebenen Fahrzeugs entspricht. Dabei ist der Pumpenbereich dem niedrigsten Abtriebsdrehzahlbereich, der Zweimotorenbereich einem mittleren Abtriebsdrehzahlbereich und der Einmotorenbereich dem höchsten Abtriebsdrehzahlbereich zugeordnet.
Bei einem Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs wird demnach zunächst im ersten Fahrbereich, dem Pumpenbereich, 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.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass herkömmliche Regelungsverfahren zum Betreiben von hydrostatischen Fahrantrieben insbesondere in dem beschriebenen Pumpenbereich, d.h. bei kleinen Abtriebsdrehzahlen nicht zufriedenstellend funktionieren. Ein Grund dafür sind Schwierigkeiten beim Erfassen von niedrigen Abtriebsdrehzahlen, da viele Drehzahlgeber bei niedrigen Drehzahlen nicht zuverlässig funktionieren und daher Drehzahlsprünge auftreten, woraus mit herkömmlichen Regelungen wiederum unerwünschte Fahrtrucke resultieren können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs zu schaffen, insbesondere für den Bereich von niedrigen Abtriebsdrehzahlen. Ferner soll ein dementsprechend verbesserter hydrostatischer Fahrantrieb geschaffen werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch einen hydrostatischen Fahrantrieb gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs mit einer Hydraulikpumpe, die ein anhand eines Pumpensteuerdrucks verstellbares Fördervolumen aufweist und mit zumindest einem Hydromotor, der ein verstellbares Schluckvolumen aufweist vorgeschlagen. Dabei sind die Hydraulikpumpe und der Hydromotor in einem hydraulischen Förderkreis fluidisch miteinander verbunden. Die Hydraulikpumpe ist mit einem Antriebsmotor und der Hydromotor mit einem anzutreibenden Antriebsrad oder einer anzutreibenden Antriebskette verbunden oder verbindbar. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der hydrostatische Fahrantrieb in einem niedrigen Abtriebsdrehzahlbereich unterhalb einer einstellbaren Abtriebsdrehzahlschwelle so gesteuert wird, dass der Pumpensteuerdruck in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einer Sollabtriebsdrehzahl und einer Istabtriebsdrehzahl verändert wird.
Die Sollabtriebsdrehzahl ist die angeforderte Abtriebsdrehzahl. Die Sollabtriebsdrehzahl wird in der Steuereinrichtung ermittelt und eingestellt. Sie wird in Abhängigkeit des Fahrerwunsches, im Wesentlichen auf der Basis einer Fahrpedalstellung, und gegebenenfalls der Stellung eines Inchpedals, ermittelt.
Die Istabtriebsdrehzahl n_ABIst entspricht der aktuellen Abtriebsdrehzahl am Abtrieb des hydrostatischen Fahrantriebs. Die Istabtriebsdrehzahl n_ABIst kann mithilfe eines Drehzahlsensors erfasst werden. Alternativ kann die Istabtriebsdrehzahl n_ABIst auch über die Frequenz eines an dem Hydromotor bzw. an jedem der Hydromotoren angeordneten Schwenkwinkelsensors ermittelt werden. Ein solcher Schwenkwinkelsensor wird in der Regel verwendet, um das aktuell eingestellte Schluckvolumen des Hydromotors zu ermitteln.
Es hat sich herausgestellt, dass mit diesem Verfahren eine zuverlässige Regelung- und Steuerung des hydrostatischen Fahrantriebes auch im niedrigen Drehzahlbereich möglich ist. Die Abtriebsdrehzahl und damit die Fahrgeschwindigkeit kann somit kontinuierlich und ohne unerwünschte Fahrtrucke verändert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der Pumpensteuerdruck um einen festen Wert X pro Zeiteinheit in Richtung des dem Zielfördervolumen entsprechenden Pumpensteuerdrucks verändert wird, sobald die Differenz zwischen einem Sollfördervolumen und einem Istfördervolumen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Das Sollfördervolumen und das Istfördervolumen hängen jeweils von der Sollabtriebsdrehzahl bzw. von der Istabtriebsdrehzahl ab, sodass die vorgeschlagene Steuerung auf der Abtriebsdrehzahldifferenz basiert, auch wenn dies mithilfe des Sollfördervolumens und des Istfördervolumens geschieht.
Die Veränderung des Pumpensteuerdrucks kann dabei nach der Formel pX_n = pX_n-1 + X erfolgen. Das bedeutet, dass der Pumpensteuerdruck in jeder Zeiteinheit um den festen Wert X gegenüber dem Pumpensteuerdruck der vorherigen Zeiteinheit verändert wird, solange die Differenz zwischen dem Sollfördervolumen und dem Istfördervolumen größer ist als der vorgegebene Schwellenwert.
Das Sollfördervolumen gibt an, welcher Wert in der Steuereinrichtung momentan als Vorgabe verwendet wird. Diese Vorgabe ist abhängig von einer Verstellgeschwindigkeit, mit der sich das Sollfördervolumen in jedem Steuerzyklus einem berechneten Zielfördervolumen annähert. Ein kontinuierlich verlaufendes Sollfördervolumen ist ein notwendiger Parameter für die Schluckvolumenregelung, weil die Regelabweichungen zwischen einem Zielfördervolumen und dem Istfördervolumen zu groß wären, da sich die Werte aus der Berechnung sprunghaft ändern können. Dann muss das Sollfördervolumen allmählich bzw. schrittweise dem Zielfördervolumen angenähert werden. Das Sollfördervolumen wird in der Steuereinrichtung regelmäßig neu berechnet, vorzugsweise in jedem Steuerzyklus.
Auf diese Weise wird eine Steuerung mit Rückmeldung des Ist-Zustandes erreicht bzw. eine einfache P-Regelung. Herkömmliche Regler zum Regeln eines hydrostatischen Fahrantriebs sind als PI-Regler oder als PID-Regler in einer Drehzahlregelung ausgebildet. Ein Regler der einen Integral- oder Differentialanteil hat ist bei Sprüngen jedoch sehr empfindlich. Da die hier vorgeschlagene Steuerung den Steuerdruck moderat mit einer bestimmten Schrittweite, nämlich um den festen Wert X verändert, kann die Empfindlichkeit der Steuerung darüber so eingestellt werden, dass unerwünschte Fahrtrucke vermieden werden.
Der feste Wert X kann dabei einen positiven oder einen negativen Wert einnehmen, was bedeutet, dass der Pumpensteuerdruck von einer Zeiteinheit zur Nächsten erhöht oder verringert werden kann. Ob der Pumpensteuerdruck erhöht oder verringert wird hängt davon ab, ob das Zielfördervolumen höher oder niedriger ist als das Istfördervolumen der Hydraulikpumpe. Demnach wird im Rahmen des Verfahrens geprüft, ob das Zielfördervolumen höher oder niedriger ist als das Istfördervolumen. Ist das Zielfördervolumen höher als das Istfördervolumen, dann wird der Pumpensteuerdruck um den Wert X erhöht; ist das Zielfördervolumen niedriger als das Istfördervolumen, dann wird der Pumpensteuerdruck um den Wert X verringert, jeweils vorausgesetzt der vorgegebene Schwellenwert ist überschritten.
Als Zeiteinheit kann vorzugsweise ein Steuerzyklus oder eine Mehrzahl an Steuerzyklen einer elektronischen Steuereinrichtung verwendet werden. Ein typischer Steuerzyklus, auch Softwareprogrammzyklus genannt, liegt bei 10 Millisekunden. Wird also die Zeiteinheit auf genau einen Steuerzyklus von 10 Millisekunden festgelegt, so wird der Pumpensteuerdruck alle 10 Millisekunden um den festen Wert X in Richtung des dem Zielfördervolumen entsprechenden Pumpensteuerdrucks verändert, solange die Differenz zwischen dem Sollfördervolumen und dem Istfördervolumen den genannten Schwellenwert überschreitet.
Wird der feste Wert X, der auch Schrittweitenwert oder Offset genannt werden kann, entsprechend klein gewählt, so kann in dem Fahrbereich in dem das vorgeschlagene Verfahren angewendet wird auf einen herkömmlichen Regler, z.B. einen Drehzahlregler verzichtet werden. Um alle Fahrbereiche abzudecken kann das vorgeschlagene Verfahren vorzugsweise mit einem herkömmlichen Drehzahlregler kombiniert werden. Dabei sollten die Fahrbereiche klar gegeneinander abgegrenzt werden, d.h. wenn die Leistungsmodulation nach dem vorliegenden Verfahren aktiv ist, darf der Drehzahlregler nicht aktiv sein. Vorzugsweise sollte in dem Fahrbereich bzw. Abtriebsdrehzahlbereich, in dem eine zuverlässige Drehzahlerkennung nicht möglich ist, die Leistungsmodulation nach dem vorliegenden Verfahren angewendet werden und oberhalb der einstellbaren Abtriebsdrehzahlschwelle kann eine herkömmliche Drehzahlregelung vorgenommen werden. Darauf aufbauend kann eine Erkennung für ein durchdrehendes Rad realisiert werden.
Zur Durchführung des Verfahrens kann bei einem hydrostatischen Fahrantrieb mit nur einem Hydromotor das Zielfördervolumen nach folgender Formel berechnet werden.
Dabei ist VG_Ziel das Zielfördervolumen der Hydraulikpumpe. Das maximale Schluckvolumen q_Mmax entspricht dem geometrisch und bauartbedingt größtmöglichen Schluckvolumen des jeweiligen Hydromotors und ist in der Regel bekannt. Erforderlichenfalls kann das maximale Schluckvolumen q_Mmax des Hydromotors ausgemessen oder berechnet werden.
n_MotSoll ist die Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors, die zum jeweiligen Zeitpunkt in einer Steuereinrichtung des hydrostatischen Fahrantriebs vorliegt. Vorzugweise handelt es sich dabei um eine interne Motorsolldrehzahl, d.h. es wird eine in der Steuereinrichtung des hydrostatischen Fahrantriebs berechnete Motorsolldrehzahl verwendet. Diese Motorsolldrehzahl kann beispielsweise abhängig von der Fahrpedalstellung und mit Hilfe einer motorspezifischen Drehzahlkennlinie in möglichst kurzen Zeitzyklen in der Steuereinrichtung aktuell ermittelt werden. So kann die Motorsolldrehzahl beispielsweise mit jedem Steuerzyklus, der z.B. 10 Millisekunden umfasst, neu ermittelt und in der Steuereinrichtung aktualisiert werden. Eine externe Motorsolldrehzahl, d.h. eine von einem Motorsteuergerät des Antriebmotors gesendetes Motordrehzahlsignal wird nach SAE-Standard nur alle 250 Millisekunden ausgegeben, wodurch ausreichend schnelle Reaktionszeiten bei der Steuerung und Regelung gemäß dem vorliegenden Verfahren kaum möglich wären.
Die Wirkungsgrade der Hydraulikpumpe eta_Pumpe und des Hydromotors eta_Motor sind ebenfalls bekannt oder können mit Hilfe von Versuchen ermittelt werden.
Der Faktor n_ABSoll entspricht der angeforderten Abtriebsdrehzahl. Die angeforderte Abtriebsdrehzahl n_ABSoll ist eine in der Steuereinrichtung ermittelte und eingestellte Sollgröße. Sie wird in Abhängigkeit des Fahrerwunsches, im Wesentlichen auf der Basis einer Fahrpedalstellung, und gegebenenfalls der Stellung eines Inchpedals, ermittelt.
Häufig werden hydrostatische Fahrantriebe mit zwei Hydromotoren verwendet. Dabei kann das Zielfördervolumen nach folgender Formel berechnet werden.
Hierbei ist q_MAmax das maximale Schluckvolumen eines ersten Hydromotors und q_MBmax das maximale Schluckvolumen eines zweiten Hydromotors. Die Parameter i_MA und i_MB sind die Übersetzungsverhältnisse zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten bzw. des zweiten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs. Die Größe n_MotSoll ist die Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors wie oben bereits erläutert.
eta_MA ist der Wirkungsgrad des ersten Hydromotors und eta_MB ist der Wirkungsgrad des zweiten Hydromotors. eta_Pumpe ist der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe. Die Größe n_ABSoll ist die oben erläuterte angeforderte Abtriebsdrehzahl. Die Übersetzungsverhältnisse i_MA und i_MB beinhalten hier die Übersetzung eines Summiergetriebes, mit dem die Antriebsleistungen der Antriebswellen beider Hydromotoren auf eine gemeinsame Abtriebswelle aufsummiert werden.
Das Istfördervolumen kann bei einem hydrostatischen Fahrantrieb mit einem Hydromotor nach folgender Formel berechnet werden.
Dabei ist VG_Ist das Istfördervolumen der Hydraulikpumpe. n_MotIst ist die aktuelle Drehzahl des Antriebsmotors. Diese Istdrehzahl kann mithilfe eines Drehzahlsensors beispielsweise an einer Motorabtriebswelle des Antriebsmotors gemessen bzw. erfasst werden.
Auch die aktuelle Abtriebsdrehzahl bzw. die Istdrehzahl n_ABIst kann mithilfe eines Drehzahlsensors erfasst werden. Alternativ kann die Istdrehzahl n_ABIst auch über die Frequenz eines an dem Hydromotor angeordneten Schwenkwinkelsensors ermittelt werden. Ein solcher Schwenkwinkelsensor wird in der Regel verwendet, um das aktuell eingestellte Schluckvolumen des Hydromotors zu ermitteln. Alle weiteren Parameter zur Berechnung des Istfördervolumens VG_Ist entsprechen den oben bereits erläuterten Parametern mit der gleichen Bezeichnung.
Das Istfördervolumen der Hydraulikpumpe eines hydrostatischen Fahrantriebs mit zwei Hydromotoren kann nach folgender Formel berechnet werden.
Alle hier verwendeten Parameter sind weiter oben bereits erläutert worden.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs, welches im Sinne einer Steuerung mit Rückführung des Istzustandes abläuft soll nur in einem definierten Fahrbereich innerhalb des oben erläuterten Pumpenbereichs angewendet werden, d.h. dass das genannte Verfahren in einem definierten Fahrbereich innerhalb bestimmter Abtriebsdrehzahlgrenzen angewendet wird. Ausserhalb dieser Abtriebsdrehzahlgrenzen und oberhalb der einstellbaren Abtriebsdrehzahlschwelle des Pumpenbereichs kann beispielsweise ein PI-Regler oder ein PID-Regler in einer Drehzahlregelung angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen hydrostatischen Fahrantrieb mit einer Hydraulikpumpe, die ein anhand eines Pumpensteuerdrucks verstellbares Fördervolumen aufweist und mit zumindest einem Hydromotor, der ein verstellbares Schluckvolumen aufweist. Die Hydraulikpumpe und der Hydromotor sind dabei in einem hydraulischen Kreislauf fluidisch miteinander verbunden. Die Hydraulikpumpe ist zudem mit einem Antriebsmotor verbunden oder verbindbar. Der Hydromotor ist mit einem anzutreibenden Antriebsrad oder einer anzutreibenden Antriebskette verbunden oder verbindbar.
Der vorgeschlagene hydrostatische Fahrantrieb umfasst eine Steuereinrichtung, die dazu geeignet ist den Fahrantrieb nach dem oben beschriebenen Verfahren zu betreiben. Eine solche Steuereinrichtung umfasst bevorzugt ein Steuergerät mit einem Prozessor als datenverarbeitendes Element zur Verarbeitung gespeicherter und erfasster Parameter und mit Speichermitteln zum Speichern zumindest eines Steuerprogramms sowie von Formeln, Parametern, Kennlinien und/oder Kennfeldern. Ein in den genannten Speichermitteln abgespeichertes Steuerprogramm ist in der Lage der Steuereinrichtung die für das vorgeschlagene Verfahren erforderlichen Verfahrensschritte vorzugeben.
Die Steuereinrichtung des vorgeschlagenen hydrostatischen Fahrantriebs umfasst des Weiteren Mittel zum Erfassen von Parametern zur Berechnung einer Motorsolldrehzahl n_MotSoll und einer angeforderten Abtriebsdrehzahl n_ABSoll. Diese Mittel können insbesondere Sensoren umfassen, die eine aktuelle Stellung eines Fahrpedals und gegebenenfalls eines Inchpedals erfassen.
Ferner umfasst eine geeignete Steuereinrichtung Mittel zum Erfassen einer aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors n_MotIst und Mittel zum Erfassen einer Istabtriebsdrehzahl n_ABIst. Hier sind insbesondere Drehzahlsensoren zu nennen, die in bekannter Weise die aktuelle Drehzahl des Antriebsmotors bzw. einer Abtriebswelle des Fahrantriebs erfassen und der Steuereinrichtung zur Verfügung stellen können.
Schließlich umfasst eine geeignete Steuereinrichtung eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe anhand des Pumpensteuerdrucks und zumindest eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Schluckvolumens zumindest eines Hydromotors.
Die Komponenten des Fahrzeuges, die zur Steuerung und Regelung des Fahrantriebs erforderlich sind, sind über datenübertragende Verbindungen miteinander und/oder mit einem Steuergerät der Steuereinrichtung verbunden. Die datenübertragenden Verbindungen können beispielsweise als Kabelverbindungen oder als drahtlose Verbindungen realisiert werden und sind Teil der Steuereinrichtung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zudem ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das derart ausgestaltet ist, dass damit ein hydrostatischer Fahrantrieb im Sinne des oben beschriebenen Verfahrens steuerbar ist. Ein solches Computerprogrammprodukt kann als Steuerprogramm in der Steuereinrichtung des beschriebenen Fahrantriebs angewendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine schematische Zeichnung eines hydrostatischen Fahrantriebs gemäß der Erfindung und
2 ein Diagramm mit dem Verlauf des Pumpensteuerdrucks pX.
Die 1 zeigt die wesentlichen Komponenten eines hydrostatischen Fahrantriebs 1 in einer vereinfachten Darstellung. Der als Dieselmotor ausgebildete Antriebsmotor 2 treibt dabei über seine Motorabtriebswelle 10 den hydrostatischen Fahrantrieb 1 an. Der hydrostatische Fahrantrieb umfasst als wesentliche Komponenten eine Hydraulikpumpe 3, sowie einen ersten Hydromotor 4 und einen zweiten Hydromotor 5. Die Hydraulikpumpe 3 ist von dem Antriebsmotor 2 über dessen Motorabtriebswelle 10 antreibbar. Das Fördervolumen der Hydraulikpumpe 3 ist mittels einer nicht dargestellten Fördervolumenverstelleinrichtung veränderbar, indem ein Pumpensteuerdruck als Stellgröße für das Fördervolumen verändert wird.
Die Hydraulikpumpe 3 treibt über einen hydraulischen Förderkreis 11 einen ersten Hydromotor 4 und einen zweiten Hydromotor 5 an. Die Abtriebsleistung der beiden Hydromotoren 4 und 5 werden durch ein nicht näher dargestelltes mechanisches Summiergetriebe 12 aufsummiert auf eine gemeinsame Abtriebswelle 13, die sich im Betrieb mit einer Istabtriebsdrehzahl n_ABIst dreht.
Ferner ist ein Fahrpedal 7 dargestellt, über das der Fahrer des Fahrzeuges seinen Fahrerwunsch eingeben und über eine datenübertragende Verbindung 9 an ein Steuergerät 6 weitergeben kann, sodass der Fahrerwunsch von einer Steuereinrichtung 8 berücksichtigt werden kann. Die Fahrpedalstellung wird mithilfe eines geeigneten Sensors erfasst und von der Steuereinrichtung 8 zur Ermittlung einer Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors n_MotSoll verwendet. Das Fahrpedal 7 und alle anderen wesentlichen Komponenten des Fahrzeuges, die zur Steuerung des Fahrantriebs erforderlich sind, sind über datenübertragende Verbindungen 9 mit dem Steuergerät 6 verbunden. Die datenübertragenden Verbindungen 9 sind symbolisch als Strichlinien dargestellt. Sie können beispielsweise als Kabelverbindungen oder als drahtlose Verbindungen realisiert werden.
Neben dem Fahrpedal kann die Steuereinrichtung 8 außerdem ein nicht dargestelltes Inchpedal umfassen, mit dessen Hilfe eine Antriebsdrehzahl des Antriebsmotors 2 unabhängig von der Abtriebsdrehzahl des Fahrantriebs 1 steuerbar ist. Auch die Stellung des Inchpedals kann gegebenenfalls mithilfe eines geeigneten Sensors erfasst und von der Steuereinrichtung 8 zur Ermittlung einer Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors n_MotSoll verwendet werden.
Die Steuereinrichtung 8 des hydrostatischen Fahrantriebs 1 umfasst auch ein Steuergerät (ECU) 6. Das Steuergerät 6 ist in der Lage Sensorsignale aufzunehmen, zu verarbeiten und in Abhängigkeit davon Steuer- oder Datensignale auszugeben, um so das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben des hydrostatischen Fahrantriebs 1 zu steuern und zu regeln. Dazu beinhaltet das Steuergerät 6 zumindest einen Prozessor 15 als datenverarbeitendes Element zur Verarbeitung gespeicherter und erfasster Parameter und Speichermittel 16 zum Speichern und Abrufen von Steuerprogrammen, Formeln, Parametern, Kennlinien und/oder Kennfeldern. Mithilfe der gespeicherten Formeln, Parameter und Kennlinien bzw. Kennfelder können in dem Steuergerät die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Größen ermittelt werden.
Die Parameter können grundsätzlich berechnete, fest vorgegebene oder aus einer ebenfalls abgespeicherten Kennlinie oder einem Kennfeld entnommene Werte sein. Zu den genannten Parametern zählen beispielsweise der oben beschriebene Schwellenwert der Differenz zwischen dem Sollfördervolumen und dem Istfördervolumen, sowie der feste Wert X, um den der Pumpensteuerdruck erforderlichenfalls mit jedem Steuerzyklus verändert wird. Auch die maximalen Schluckvolumen des ersten und des zweiten Hydromotors q_MAmax und q_MBmax werden als Parameter in den Speichermitteln 16 des Steuergerätes 6 abgespeichert und zur Berechnung der davon abhängigen Größen dort abgerufen. Ebenso die Wirkungsgrade der Hydraulikpumpe eta_Pumpe und des Hydromotors eta_Motor bzw. der Hydromotoren eta_MA und eta_MB, sowie die Übersetzungsverhältnisse i_MA und i_MB.
Die Steuereinrichtung 8 des hydrostatischen Fahrantriebs 1 umfasst ferner Mittel zum Erfassen von Parametern zur Berechnung einer Motorsolldrehzahl n_MotSoll und einer angeforderten Abtriebsdrehzahl n_ABSoll. Diese Mittel können insbesondere Sensoren umfassen, die eine aktuelle Fahrpedalsstellung und gegebenenfalls die Stellung eines Inchpedals erfassen.
Auch Mittel zum Erfassen einer aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors n_MotIst und Mittel zum Erfassen einer Istabtriebsdrehzahl n_ABIst, d.h. der aktuellen Abtriebsdrehzahl, sind Teil einer für das vorgeschlagene Verfahren geeigneten Steuereinrichtung 8.
Die genannten Mittel zum Erfassen verschiedener Parameter umfassen geeignete Sensoren für den jeweiligen Parameter, die außerhalb des Steuergeräts 6 an den jeweiligen Komponenten des hydrostatischen Antriebs angeordnet und mittels der Verbindungen 9 mit dem Steuergerät 6 verbunden sind. Entsprechend dem jeweiligen zu erfassenden Parameter kann es sich dabei insbesondere um Drehzahlsensoren und um Positions- bzw. Lagesensoren handeln.
Schließlich umfasst die Steuereinrichtung 8 auch eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe 3 anhand des Pumpensteuerdrucks pX und zumindest eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Schluckvolumens zumindest eines Hydromotors 4, 5.
Die genannten Verstelleinrichtungen umfassen beispielsweise geeignete Hydraulikventile und Hydraulikkomponenten, um den Pumpensteuerdruck zu verstellen bzw. einzustellen über den das Fördervolumen der Hydraulikpumpe 3 einstellbar ist. Die Verstelleinrichtung zum Verstellen des Schluckvolumens zumindest eines Hydromotors umfassen Elemente zum Verstellen einer Exzentrizität an den als Radialkolbenmaschinen ausgeführten Hydromotoren 4 und 5.
Die genannten Mittel sowie die Verstellmittel umfassen jeweils eine datenübertragende Verbindung 9 zu dem Steuergerät 6. Die datenübertragenden Verbindungen 9 zwischen dem Steuergerät 6 und den wesentlichen Komponenten des Fahrantriebs 1 können beispielsweise auch durch ein oder mehrere elektronische Bussysteme realisiert werden.
Das Steuergerät 6 umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt 17, welches im Wesentlichen das oben erwähnte Steuerprogramm umfasst und derart ausgestaltet ist, dass es den hydrostatischen Fahrantrieb 1 im Sinne des beschriebenen Verfahrens ansteuern kann.
Das Diagramm in 2 zeigt den Verlauf des Pumpensteuerdrucks pX bei einer Regelung nach dem vorgeschlagenen Verfahren über einen Zeitraum, in dem das Zielfördervolumen VG_Ziel gleich hoch bleibt. Daher verläuft das Zielfördervolumen VG_Ziel in diesem Diagramm als horizontale Linie. Der Pumpensteuerdruck pX gibt direkt das Istfördervolumen der Hydraulikpumpe vor, sodass der Verlauf des Pumpensteuerdrucks pX zumindest annähernd dem Verlauf des Istfördervolumens VG_Ist entspricht.
In diesem Diagramm ist daher am Verlauf der Pumpensteuerdrucks pX bzw. des Istfördervolumens erkennbar, in welchen Zeiträumen das Zielfördervolumen höher oder niedriger ist als das Istfördervolumen. Davon ist abhängig, ob der Pumpensteuerdruck pX im nächsten Steuerzyklus erhöht oder verringert wird, vorausgesetzt der vorgegebene Schwellenwert ist überschritten.
Zur Veranschaulichung der Prüfung, ob der vorgegebene Schwellenwert bezogen auf die Differenz zwischen dem Sollfördervolumen und dem Istfördervolumen überschritten ist, sind im Diagramm der 2 eine Obergrenze VG_OG und eine Untergrenze VG_UG in Form von Strichlinien eingezeichnet. Zwischen der Obergrenze VG_OG und der Untergrenze VG_UG verläuft das nicht dargestellt Sollfördervolumen, das zur Bestimmung der Differenz mit dem Istfördervolumen verglichen wird. Die Obergrenze VG_OG und die Untergrenze VG_UG bilden zwischen sich einen Hysteresebereich aus, in dem keine Veränderung des Pumpensteuerdrucks pX vorgenommen wird, um häufige kurzzeitige Schwankungen des Pumpensteuerdrucks pX und damit des Istfördervolumens zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

1: hydrostatischer Fahrantrieb
2: Antriebsmotor
3: Hydraulikpumpe
4: erster Hydromotor
5: zweiter Hydromotor
6: Steuergerät
7: Fahrpedal
8: Steuereinrichtung
9: Verbindung
10: Motorabtriebswelle
11: hydraulischer Förderkreis
12: Summiergetriebe
13: Abtriebswelle
15: Prozessor
16: Speichermittel
17: Computerprogrammprodukt
P: Druck
pX: Pumpensteuerdruck
Q: Fördervolumen
VG_Ist: Istfördervolumen
VG_Ziel: Zielfördervolumen
VG_OG: Obergrenze
VG_UG: Untergrenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221943 A1 [0007]
DE 102015211349 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines hydrostatischen Fahrantriebs (1) mit einer Hydraulikpumpe (3), die ein anhand eines Pumpensteuerdrucks verstellbares Fördervolumen aufweist und mit zumindest einem Hydromotor (4, 5), der ein verstellbares Schluckvolumen aufweist, wobei die Hydraulikpumpe (3) und der Hydromotor (4, 5) in einem hydraulischen Förderkreis (11) fluidisch miteinander verbunden sind, und wobei die Hydraulikpumpe (3) mit einem Antriebsmotor (2) und der Hydromotor (4, 5) mit einem anzutreibenden Antriebsrad oder einer anzutreibenden Antriebskette verbunden oder verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der hydrostatische Fahrantrieb (1) in einem niedrigen Abtriebsdrehzahlbereich unterhalb einer einstellbaren Abtriebsdrehzahlschwelle so gesteuert wird, dass der Pumpensteuerdruck in Abhängigkeit einer Differenz zwischen einer Sollabtriebsdrehzahl n_ABSoll und einer Istabtriebsdrehzahl n_ABIst verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpensteuerdruck um einen festen Wert X pro Zeiteinheit in Richtung des einem Zielfördervolumen entsprechenden Pumpensteuerdrucks verändert wird, sobald eine Differenz zwischen einem Sollfördervolumen und einem Istfördervolumen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Zeiteinheit einem Steuerzyklus oder einer Mehrzahl an Steuerzyklen einer elektronischen Steuereinrichtung (8) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hydrostatischen Fahrantrieb (1) mit nur einem Hydromotor (4) ein Zielfördervolumen nach folgender Formel berechnet wird
, wobei VG_Ziel das Zielfördervolumen ist, q_Mmax das maximale Schluckvolumen des Hydromotors ist, n_MotSoll die Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors ist, eta_Motor der Wirkungsgrad des Hydromotors ist, eta_Pumpe der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe ist, und wobei n_ABSoll eine angeforderte Abtriebsdrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hydrostatischen Fahrantrieb mit zwei Hydromotoren das Zielfördervolumen nach folgender Formel berechnet wird
, wobei VG_Ziel das Zielfördervolumen ist, q_MAmax das maximale Schluckvolumen eines ersten Hydromotors ist, q_MBmax das maximale Schluckvolumen eines zweiten Hydromotors ist, i_MA ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs ist, i_MB ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des zweiten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs ist, n_MotSoll die Motorsolldrehzahl des Antriebsmotors ist, eta_MA der Wirkungsgrad des ersten Hydromotors ist, eta_MB der Wirkungsgrad des zweiten Hydromotors ist, eta_Pumpe der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe ist, und wobei n_ABSoll eine angeforderte Abtriebsdrehzahl ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Istfördervolumen bei einem hydrostatischen Fahrantrieb mit einem Hydromotor nach folgender Formel berechnet wird
, wobei VG_Ist das Istfördervolumen ist, q_Mmax das maximale Schluckvolumen des Hydromotors ist, n_MotIst die aktuelle Drehzahl des Antriebsmotors ist, eta_Motor der Wirkungsgrad des Hydromotors ist, eta_Pumpe der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe ist, und wobei n_ABIst die Istabtriebsdrehzahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Istfördervolumen bei einem hydrostatischen Fahrantrieb mit zwei Hydromotoren nach folgender Formel berechnet wird
, wobei VG_Ist das Istfördervolumen ist, q_MAmax das maximale Schluckvolumen eines ersten Hydromotors ist, q_MBmax das maximale Schluckvolumen eines zweiten Hydromotors ist, i_MA ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des ersten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs ist, i_MB ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl einer Antriebswelle des zweiten Hydromotors und der Abtriebsdrehzahl einer gemeinsamen Abtriebswelle des Fahrantriebs ist, n_MotIst die aktuelle Drehzahl des Antriebsmotors ist, eta_MA der Wirkungsgrad des ersten Hydromotors ist, eta_MB der Wirkungsgrad des zweiten Hydromotors ist, eta_Pumpe der Wirkungsgrad der Hydraulikpumpe ist, und wobei n_ABIst die Istabtriebsdrehzahl ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren in einem Fahrbereich bis zu einer vorgegebenen Abtriebsdrehzahlschwelle angewendet wird, und dass oberhalb der Abtriebsdrehzahlschwelle ein PI-Regler oder ein PID-Regler in einer Drehzahlregelung angewendet wird.
Hydrostatischer Fahrantrieb mit einer Hydraulikpumpe, die ein verstellbares Fördervolumen aufweist und mit zumindest einem Hydromotor, der ein verstellbares Schluckvolumen aufweist, wobei die Hydraulikpumpe und der Hydromotor in einem hydraulischen Kreislauf fluidisch miteinander verbunden sind, wobei die Hydraulikpumpe mit einem Antriebsmotor und der Hydromotor mit einem anzutreibenden Antriebsrad oder einer anzutreibenden Antriebskette verbunden oder verbindbar ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die dazu geeignet ist den Fahrantrieb nach einem Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche zu steuern.
Hydrostatischer Fahrantrieb nach Anspruch 9, bei dem die Steuereinrichtung (8) umfasst: • ein Steuergerät (6) mit einem Prozessor (15) als datenverarbeitendes Element zur Verarbeitung gespeicherter und erfasster Parameter und mit Speichermitteln (16) zum Speichern zumindest eines Steuerprogramms sowie von Formeln, Parametern, Kennlinien und/oder Kennfeldern, • Mittel zum Erfassen von Parametern zur Berechnung einer Motorsolldrehzahl n_MotSoll, • Mittel zum Erfassen von Parametern zur Berechnung einer angeforderten Abtriebsdrehzahl n_ABSoll, • Mittel zum Erfassen einer aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors n_MotIst, • Mittel zum Erfassen einer Istabtriebsdrehzahl n_ABIst • eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe (3) anhand des Pumpensteuerdrucks und • zumindest eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Schluckvolumens zumindest eines Hydromotors (4, 5).
Computerprogrammprodukt (17), das derart ausgestaltet ist, dass damit ein hydrostatischer Fahrantrieb im Sinne eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 steuerbar ist.