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Die Erfindung betrifft einen hydrostatischer Fahrantrieb für ein Fahrzeug mit einem hydrostatischen Getriebe, das eine in ihrem Hubvolumen verstellbare Hydropumpe und einen in seinem Hubvolumen ebenfalls verstellbaren Hydromotor aufweist, der mit der Hydropumpe in einem vorzugsweise geschlossenen hydraulischen Kreislauf angeordnet ist, und mit einem elektronischen Steuergerät.
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Für hydrostatische Fahrantriebe, die exakte Übersetzungen stellen und exakt geschwindigkeitsgesteuert fahren sollen, wird typischerweise eine elektroproportionale (EP-) Schwenkwinkelregelung sowohl für die Hydropumpe und als auch für den Hydromotor verwendet. Typische Anwendungen sind Erntemaschinen, Mähdrescher, Stapler, Traktoren mit leistungsverzweigtem Getriebe, Feldspritzen, Kommunalfahrzeuge, Forstmaschinen. Im Teillastbetrieb, in dem der Arbeitsdruck niedrig ist, ist der Wirkungsgrad von hydrostatischer Einheiten (Hydropumpe oder Hydromotor) typischerweise schlechter als unter Volllast, da sich volumenstrombedingte Druckabfälle über Leitungen und reduzierte Querschnitte in Gussteilen bei einem geringen Arbeitsdruck prozentual stärker auswirken und da ein niedriger Arbeitsdruck zu geringeren Leckageströmen über Spalte zwischen bewegten Teilen als ein hoher Arbeitsdruck führt und dadurch die Reibung ansteigt.
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In der
EP 1 754 643 B1 wird der Betriebspunkt von Dieselmotor und hydrostatischem Getriebe im laufenden Betrieb hinsichtlich geringem Kraftstoffverbrauch optimiert. In der Praxis führt dies dazu, dass sich abhängig von Last und Fahrerwunsch die Dieselmotordrehzahl und die Hubvolumina der hydrostatischen Maschinen dynamisch häufig ändern. Dies kann vom Fahrer als unangenehm empfunden werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrostatischen Fahrantrieb mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu gestalten, dass er auch in einem Teillastbetrieb einen guten Wirkungsgrad hat.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines solchen hydrostatischen Fahrantriebs ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Hubvolumen der Hydropumpe und das Hubvolumen des Hydromotors gemäß einem in einem Kennfeld abgelegten Korrekturfaktor veränderbar sind, der von der Drehzahl und vom Abtriebsmoment des Hydromotors abhängt, wobei bei Anwendung des Korrekturfaktors der am Hydromotor anstehende Arbeitsdruck erhöht wird. Durch den erhöhten Arbeitsdruck werden die Leckageströme über Spalte zwischen bewegten Teilen von Hydropumpe und Hydromotor groß genug gehalten, um keine übermäßige Reibung und damit Wirkungsgradverluste auftreten zu lassen. Gleichzeitig sinkt der Volumenstrom, so dass die strömungsbedingten Druckabfälle geringer werden.
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Die vom Fahrer vorgegebene Dieselmotordrehzahl wird nicht beeinflusst. Dadurch bemerkt der Fahrer nicht, dass der Betrieb des hydrostatischen Getriebes optimiert wird.
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Nur im Teillastbetrieb werden die Schwenkwinkel der hydrostatischen Einheiten derartig manipuliert, dass der Druck ansteigt, die Volumenströme und strömungsbedingten Druckabfälle sinken und sich aufgrund der proportional zum Druck steigenden Leckage die Reibung überproportional verringert. Damit steigt der Wirkungsgrad insgesamt an. Es werden keine Wirkungsgradkennfelder in der Steuerung hinterlegt. Die optimalen Hubvolumina, die bei als hydrostatischen Einheiten eines hydrostatischen Getriebes meist verwendeten Axialkolbeneinheiten optimalen Schwenkwinkeln entsprechen, werden im Voraus aufgrund von Wirkungsgradmessdaten bestimmt, so dass keine Optimierung im laufenden Betrieb nötig ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs finden sich in den Unteransprüchen.
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In hydrostatischen Fahrantrieben ist das Übersetzungsverhältnis des hydrostatischen Getriebes üblicherweise durch eine Folgeverstellung der Hydropumpe und des Hydromotors veränderbar. Dabei wird ausgehend von einer maximalen Untersetzung, in der der Hydromotor auf ein maximales Hubvolumen und die Hydropumpe auf ein minimales Hubvolumen eingestellt sind, zuerst das Hubvolumen der Hydropumpe bis zu einem maximalen Hubvolumen verstellt und dann das Hubvolumen des Hydromotors verringert. Bei einem solchen hydrostatischen Getriebe mit Folgeverstellung werden die Hubvolumina durch die Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen Korrekturwertes in Abhängigkeit vom Lastzustand des Hydromotors, der durch das Abtriebsmoment und die Abtriebsdrehzahl charakterisiert ist, prozentual reduziert. Zum Beispiel werden das Hubvolumen des Hydromotors und das Hubvolumen der Hydropumpe auf 80% des augenblicklichen Wertes reduziert.
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Vorteilhafterweise ist das Kennfeld in dem elektronischen Steuergerät abgelegt.
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Der Hydromotor in seinem Hubvolumen und die Hydropumpe in ihrem Hubvolumen können gemäß demselben Kennfeld verstellbar sein.
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Es ist jedoch auch möglich, über ein zweites Kennfeld das Hubvolumen der Hydropumpe anders, nämlich weniger zu reduzieren, als dies beim Hydromotor der Fall ist, dessen Hubvolumen nach einem ersten Kennfeld reduziert wird. Damit könnte die mit der bei einem erhöhten Druck erhöhten Leckage einhergehende Auswirkung auf die Drehzahl des Hydromotors und damit auf die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt werden.
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Um die Beeinflussung der Geschwindigkeit auch unter den Gesichtspunkten der Serienstreuung und der Temperaturabhängigkeit möglichst gering zu halten, wird es bevorzugt, dass der Einstellung der Hubvolumina gemäß dem wenigstens einen Kennfeld eine Regelung der Drehzahl des Hydromotors überlagert ist. Durch den Anstieg der Leckage fällt die Geschwindigkeit ab. Durch den überlagerten Geschwindigkeitsregler, der durch Steigerung des Pumpenvolumenstroms auf die Geschwindigkeit einwirkt, können die erhöhte Leckage und die sonstigen Einflüsse auf die Geschwindigkeit kompensiert werden. Der Regler wirkt im Normalbetrieb, in dem die Hubvolumina von Hydropumpe und Hydromotor ohne Korrektur verbleiben, auf die Hydropumpe Hubvolumen erhöhend und auf den Hydromotor Hubvolumen reduzierend ein. Im Optimalbetrieb, in dem das Hubvolumen der Hydropumpe und das Hubvolumen des Hydromotors gemäß wenigstens einem in einem Kennfeld abgelegten Korrekturfaktor veränderbar sind, genügt es, wenn der Regler nur auf die Hydropumpe einwirkt, weil in diesem Fall der bereits reduzierte Pumpenwinkel wieder vergrößert wird. Wird also das Hubvolumen des Hydromotors auf zum Beispiel 80% des augenblicklichen Wertes reduziert, so wird das Hubvolumen der Hydropumpe durch den Einfluss des Geschwindigkeitsreglers vielleicht nur auf 84% des augenblicklichen Wertes reduziert.
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Vorteilhafterweise ist zwischen einem Normalbetrieb, in dem die Hubvolumina von Hydropumpe und Hydromotor ohne Korrektur verbleiben, und einem Optimalbetrieb, in dem das Hubvolumen der Hydropumpe und das Hubvolumen des Hydromotors gemäß wenigstens einem in einem Kennfeld abgelegten Korrekturfaktor veränderbar sind, willkürlich umschaltbar. Es können dann im Kennfeld auch Korrekturwerte gleich 1 vorgesehen sein. Bei einem Korrekturwert gleich 1 entspricht der Optimalbetrieb dem Normalbetrieb, so dass auch die Wirkung des Geschwindigkeitsreglers dem Normalbetreib entspricht.
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Bevorzugt werden im Optimalbetrieb, in dem das Hubvolumen der Hydropumpe und das Hubvolumen des Hydromotors gemäß wenigstens einem in einem Kennfeld abgelegten Korrekturfaktor veränderbar sind, die Hubvolumina langsam mit Hilfe einer Gradientenbegrenzung reduziert. Wenn die Abtriebslast jedoch schlagartig ansteigt, werden die Schwenkwinkel über eine schnelle Rampe wieder auf die Folgeverstellung zurückgefahren. Die Gradientenbegrenzung kann also in die eine Verstellrichtung eine andere als in die andere Verstellrichtung sein.
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Es genügt unter Umständen, dass eine Korrektur der Hubvolumina der hydrostatischen Einheiten nur bei einer bestimmten Drehzahl des die Hydropumpe antreibenden Antriebsmotors, der bevorzugt ein Dieselmotor ist, erfolgt. Das Kennfeld des Korrekturfaktors kann jedoch auch die Dimension Eingangsdrehzahl der Hydropumpe beziehungsweise Drehzahl des Antriebsmotors der Hydropumpe aufweisen.
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Die Funktion wird bevorzugt bei hydrostatischen Getrieben eingesetzt, bei denen die Hydropumpe in ihrem Hubvolumen und der Hydromotor in seinem Hubvolumen jeweils elektroproportional verstellbar sind.
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Die Funktion kann aber auch mit einem in seinem Hubvolumen elektroproportional verstellbaren Hydromotor und einer lastnachgiebigen Hydropumpe arbeiten. In diesem Fall wird über den Hydromotor der Volumenstrom vorgegeben und die Hydropumpe stellt sich aufgrund ihrer Lastnachgiebigkeit auf den dazu passenden Winkel ein.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydrostatischen Fahrantriebs ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels,
- 2 ein Regelungsschema des Ausführungsbeispiels und
- 3 ein Kennfeld für den Korrekturfaktor.
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Der gezeigte hydrostatische Fahrantrieb 10 umfasst eine in ihrem Hubvolumen verstellbare Hydropumpe 11, die eine Verstellvorrichtung 12 aufweist, und einen ebenfalls in seinem Hubvolumen verstellbaren Hydromotor 13, der eine Verstellvorrichtung 14 aufweist. Unter Hubvolumen wird dabei die Druckmittelmenge verstanden, die von der Hydropumpe während einer einzigen Umdrehung einer Triebwelle gefördert wird beziehungsweise die vom Hydromotor während einer einzigen Umdrehung von dessen Triebwelle geschluckt wird. Die Hydropumpe 11 und der Hydromotor 13 sind in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf über zwei Arbeitsleitungen 15 und 16 fluidisch miteinander verbunden. Es ist allgemein bekannt, dass in einer derartigen Konstellation zum Abbremsen des Fahrzeugs auch der Hydromotor als Pumpe und die Hydropumpe als Motor arbeiten können. Die Hydropumpe ist von einer Neutralposition aus, in der das Hubvolumen null ist, nach zwei entgegengesetzte Richtungen verstellbar, so dass allein durch Verstellen der Hydropumpe über null die Fahrtrichtung des Fahrzeugs gewechselt werden kann. Üblicherweise sind die Hydropumpe und der Hydromotor Axialkolbenmaschinen. Die Hydropumpe 11 kann über eine Welle 17 von einem Dieselmotor 18 angetrieben werden. Von dem Hydromotor 13 wird eine Abtriebswelle 19 angetrieben, die in nicht näher dargestellter Weise mechanisch mit zwei Rädern des Fahrzeugs verbunden ist.
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Mit einem Drucksensor 20 wird der Druck in der Arbeitsleitung 15 erfasst. Mit einem Drucksensor 21 wird der Druck in der Arbeitsleitung 16 erfasst. Mit einem Drehzahlsensor 22 wird die Drehzahl der Abtriebswelle 19 erfasst. Die Sensoren 20 bis 22 wandeln die erfassten Größen in elektrische Signale um.
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Zu dem hydrostatischen Fahrantrieb 10 gehört des Weiteren ein elektronisches Steuergerät 30, dem die von den Sensoren 20 bis 22 erfassten Größen als elektrische Signale zugeführt werden. Das elektronische Steuergerät 30 ist für die Steuerung des hydrostatischen Getriebes ausgebildet, dessen wesentlichen Komponenten die Hydropumpe 11 und der Hydromotor 13 sind. Zum Zwecke dieser Steuerung ist das Steuergerät 30 über eine elektrische Leitung 31 mit der Verstellvorrichtung 12 der Hydropumpe 11 und über eine elektrische Leitung 32 mit der Verstellvorrichtung 14 des Hydromotors 13 verbunden. Die Verstellvorrichtung 12 der Hydropumpe 11 arbeitet bevorzugt elektroproportional und weist dann ein Regelventil mit einem Regelkolben auf, der von einem ersten Proportionalelektromagneten in die eine Richtung und von einem zweiten Proportionalmagneten in die entgegengesetzte Richtung mit einer Kraft beaufschlagt werden kann und auf den die Position eines Stellkolbens der Verstellvorrichtung als Federkraft rückgekoppelt ist. Der Regelkolben nimmt immer dann eine mittlere Regelposition ein, wenn die durch die Position des Stellkolbens gegebene Federkraft genauso groß wie die Magnetkraft ist. Bei einer derartigen Verstellvorrichtung hat man eine elektroproportionale (EP-)Verstellung. Die Verstellvorrichtung kann aber auch zum Beispiel zwei Druckregelventile und einen Stellkolben aufweisen, an den zwei Stellkammern angrenzen, die über die beiden Druckregelventile mit verschiedenen Stelldrücken beaufschlagt werden. In einem solchen Fall ist die Hydropumpe lastfühlig, weil bei einem gegebenen Stelldruck ihr Hubvolumen vom Pumpendruck und von der Drehzahl abhängt.
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Die Verstellvorrichtung des Hydromotors 13 ist bevorzugt ebenfalls eine sogenannte EP-Verstellung, bei der sich ein Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine proportional zur Stärke eines elektrischen Stroms, mit der ein Elektromagnet eines Regelventils beaufschlagt wird, einstellt, wobei der Schwenkwinkel, umgewandelt mit Hilfe einer Druckfeder, als gegen die Kraft des Elektromagneten wirkende Kraft auf das Regelventil rückgekoppelt wird. Der Hydromotor 13 ist nur zwischen einem minimalen und einem maximalen Hubvolumen, nicht jedoch über ein Hubvolumen null hinweg verstellbar.
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Das elektronische Steuergerät 30 enthält eine Pumpensteuerung 33 und eine Motorsteuerung 34, an deren Eingängen ein elektrisches Signal anliegt, das einer Sollgeschwindigkeit vsoll des Fahrzeugs und damit einer Solldrehzahl des Hydromotors 13 entspricht. Die Pumpensteuerung 33 und die Motorsteuerung 34 geben Sollsignale αPmp, soll und αMot, soll für die Schwenkwinkel der Hydropumpe und des Hydromotors aus.
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Das Steuergerät 30 enthält des Weiteren einen Geschwindigkeitsregler 35, dem eine Regelabweichung zwischen der Sollgeschwindigkeit vsoll und der Istgeschwindigkeit vist des Fahrzeugs beziehungsweise zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl des Hydromotors 13 zugeführt wird und der mit einer Stellgröße sowohl das Signal der Pumpensteuerung als auch das Signal der Motorsteuerung beeinflusst. Der Pumpensteuerung 33 und der Motorsteuerung 34 ist also eine Geschwindigkeitsregelung überlagert.
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In dem Steuergerät 30 ist ein Kennfeld 36 gespeichert, das von der Drehzahl nmot des Hydromotors 13 und von der nenngrößennormierten Last, unter der der Hydromotor 13 arbeitet, abhängige Korrekturfaktoren Kkorr für die Schwenkwinkel der Hydropumpe 12 und des Hydromotors 13 enthält. Die nenngrößennormierte Last ergibt sich dabei aus dem Produkt der mit Hilfe der beiden Drucksensoren 20 und 21 ermittelte Druckdifferenz dp, die über den Hydromotor 13 ansteht, und dem Schwenkwinkel αMot, soll des Hydromotors. Der jeweils ermittelte Korrekturfaktor kleiner/gleich 1 steht an einem ersten Eingang eines Schalters 37 an, der noch einen zweiten Eingang aufweist, an dem eine 1 ansteht. Ein Ausgang des Schalters 37 ist mit dem Eingang eines Gradientenbegrenzers 38 verbunden. Mit dem an einem Ausgang des Gradientenbegrenzers 38 anstehenden Wert wird sowohl das Ausgangssignal der Motorsteuerung 34 als auch das Ausgangssignal der Pumpensteuerung 33 multipliziert.
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In 3 ist das Kennfeld 36 mit mehreren Isolinien für den Korrekturfaktor dargestellt.
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Es sei nun angenommen, dass der Hydromotor 13 mit einer bestimmten Drehzahl drehen soll. Die Drehzahl des Hydromotors 13 ergibt sich aus der Fördermenge der Hydropumpe 11 und dem Schluckvolumen des Hydromotors 13. Im Normalbetrieb ist der Schalter 37 derartig geschaltet, dass statt eines Korrekturfaktors Kkorr eine 1 ausgegeben wird. Damit wird die Steuerung nicht beeinflusst. Normalbetrieb bedeutet, dass die Schwenkwinkel nicht zugunsten eines verbesserten Wirkungsgrads reduziert werden sollen. Dies kann zum Beispiel bei Straßenfahrt, Verzögern, Rangieren der Fall sein. Je nach Fahrzeugtyp kann die Bedingung dafür verschieden sein. Das elektronische Steuergerät 30 kann nun unter Berücksichtigung der Drehzahl der Hydropumpe 12 so agieren, dass bei niedrigen Drehzahlen der Hydromotor 13 auf sein maximales Schluckvolumen eingestellt ist und die gewünschte Drehzahl der Abtriebswelle 19 durch entsprechende Verstellung der Hydropumpe erhalten wird. Für Drehzahlen höher als eine Drehzahl, bei der die Hydropumpe voll ausgeschwenkt ist, wird der Hydromotor 13 auf Schluckvolumina verstellt, die kleiner als sein maximales Schluckvolumen sind.
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Unter bestimmten anderen Bedingungen ist es besser, in einem sogenannten Optimalbetrieb zu arbeiten. Dann wird der Schalter 37 in die in 2 nicht gezeigte Schaltstellung gebracht. In einem Mähdrescher wird beispielsweise für die Feldarbeit von dem Normalbetrieb auf den wirkungsgradoptimierten Betrieb umgeschaltet. Dann werden die von der Pumpensteuerung 33 für den Schwenkwinkel der Hydropumpe und von der Motorsteuerung 34 für den Schwenkwinkel des Hydromotors ausgegebenen Werte mit einem aus dem Kennfeld 36 ausgelesenen Korrekturfaktor Kkorr multipliziert langsam über Rampen des Gradientenbegrenzers 38 an , um die Schwenkwinkel von Hydropumpe und Hydromotor um den gleichen Faktor zu reduzieren, bis sich das optimale Verhältnis von Leckage, Druckabfall über die Leitungen und Kanäle und Reibung einstellt. Der dafür notwendige prozentuale Anteil ist in dem Kennfeld in Abhängigkeit von dem absoluten Wert Abs(nmot ) der Hydromotordrehzahl und dem nenngrößennormierten Hydromotormoment (Abs(dp) * alpha_rel) abgelegt und wurde vorher computergestützt aus Wirkungsgradkennfeldern der Hydrostaten ermittelt. Abs(dp) ist die absolute Druckdifferenz zwischen den beiden von den Drucksensoren 20 und 21 erfassten Werten. alpha_rel ist der Schwenkwinkel des Hydromotors angegeben in Prozent des maximalen Schwenkwinkels. Der Korrekturfaktor wird dabei über Rampen des Gradientenbegrenzers 38 wirksam, so dass die Schwenkwinkel langsam reduziert werden. Wenn die Abtriebslast jedoch schlagartig ansteigt, werden die Schwenkwinkel über eine steile Rampe wieder auf die Folgeverstellung zurückgefahren.
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Durch den Anstieg der Leckage fällt die Geschwindigkeit ab. Dies wird durch den überlagerten Geschwindigkeitsregler kompensiert, der durch Steigerung des Pumpenvolumenstroms auf die Geschwindigkeit einwirkt. Der Regler wirkt im Normalbetrieb auf die Hydropumpe Pumpe deren Hubvolumen erhöhend und auf den Hydromotor dessen Schluckvolumen reduzierend ein. Im Optimalbetrieb wirkt der Regler nur auf die Pumpe, weil in diesem Fall der bereits reduzierte Pumpenwinkel wieder vergrößert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- hydrostatischer Fahrantrieb
- 11
- Hydropumpe
- 12
- Verstellvorrichtung von 11
- 13
- Hydromotor
- 14
- Verstellvorrichtung von 13
- 15
- Arbeitsleitung
- 16
- Arbeitsleitung
- 17
- Welle
- 18
- Dieselmotor
- 19
- Abtriebswelle
- 20
- Drucksensor
- 21
- Drucksensor
- 22
- Drehzahlsensor
- 30
- Steuergerät
- 31
- elektrische Leitung
- 32
- elektrische Leitung
- 33
- Pumpensteuerung
- 34
- Motorsteuerung
- 35
- Geschwindigkeitsregler
- 36
- Kennfeld
- 37
- Schalter
- 38
- Gradientenbegrenzer
- vsoll
- Sollgeschwindigkeit
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αPmp, soll
- Sollschwenkwinkel Hydropumpe
- αMot, soll
- Sollschwenkwinkel des Hydromotors
- vist
- Istgeschwindigkeit
- nmot
- Drehzahl des Hydromotors
- MMot,
- Abtriebsmoment des Hydromotors
- Kkorr
- Korrekturfaktor
- dp
- Druckdifferenz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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