DE102017207569A1

DE102017207569A1 - Hydrostatisches Getriebe und Verfahren zur Bremsung damit

Info

Publication number: DE102017207569A1
Application number: DE102017207569.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Mast; Bernhard Kuemmel; Martin Behm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-08-16
Also published as: CN108426030B; US10550934B2; DE102017207570A1; US20200063862A1; US10982762B2; CN108426030A; US20180231123A1

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatisches Getriebe, mit dem eine Bremsung realisierbar ist, bei der sich zumindest ein als Pumpe wirkender verstellbarer Fahrmotor über eine geschlossenen Kreis an einer als Motor wirkenden verstellbaren Axialkolbenmaschine abstützt, die wiederum an einem Verbrennungsmotor abstützbar ist. Da dieser nicht überdreht werden soll, kann eine Steuereinheit den Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine beim Bremsen verstellen. Die Axialkolbenmaschine ist lastfühlig, da ein Zusammenhang zwischen ihrem Stelldruck und ihrer Drehzahl und ihrem Schwenkwinkel einer Druckdifferenz der beiden Arbeitsleitungen des geschlossen Kreises besteht. Über eine Vorsteuerung wir beim Bremsen ein Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine eingestellt, und über einen Drehzahlregler wird der Schwenkwinkel derart korrigiert, dass sich am Verbrennungsmotor eine Soll-Drehzahl ergibt. Diese ist insbesondere die maximale Drehzahl, bei der der Verbrennungsmotor nicht überdreht.

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Getriebe, mit dem eine hydrostatische Bremsung möglich ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Bremsung mit einem derartigen hydrostatischen Getriebe.
Aus dem Stand der Technik sind hydrostatische Getriebe für mobile Arbeitsmaschinen bekannt, bei denen eine hydrostatische Pumpe (Primäreinheit) und ein hydrostatischer Motor (Sekundäreinheit) über einen geschlossen Kreis fluidisch miteinander verbunden sind. An die Primäreinheit wird ein Verbrennungsmotor, z.B. ein Dieselmotor der mobilen Arbeitsmaschine, und an die Sekundäreinheit ein Abtrieb, z.B. eine Achse oder ein Rad der mobilen Arbeitsmaschine, drehfest gekoppelt. Damit hat die mobile Arbeitsmaschine einen Fahrantrieb, der ein hydrostatisches Getriebe aufweist.
In der Druckschrift EP 1 960 699 B1 ist ein derartiges hydrostatisches Getriebe offenbart, mit dem auch gebremst werden kann. Dabei fließt die Leistung gegenüber dem Zugbetrieb in umgekehrter Richtung von dem Abtrieb über die als Pumpe wirkende Sekundäreinheit und über die als Motor wirkende Primäreinheit zum Verbrennungsmotor, der dann in einem passiven Schleppbetrieb angetrieben wird. Die unter Hochdruck stehende Arbeitsleitung des geschlossenen Kreises ist dabei über ein Druckbegrenzungsventil abgesichert, über das während des Bremsens auch ein Teil der Bremsleistung abgebaut werden kann.
Problematisch bei derartigen Bremsungen ist, dass der Verbrennungsmotor nur mit einer maximalen Drehzahl angetrieben werden darf, um nicht zerstört zu werden. Daher wird die als verstellbare Axialkolbenmaschine ausgebildete und als Motor arbeitende Primäreinheit beim Bremsen auf einen Schwenkwinkel gestellt, bei dem ein Drehmoment erzeugt wird, das der Verbrennungsmotor noch abstützen kann, ohne überdreht zu werden. Dies geschieht unter Berücksichtigung des in der Arbeitsleitung durch die Einstellung des Druckbegrenzungsventils bestimmten Drucks.
Nachteilig an den hydrostatischen Getrieben des Standes der Technik ist, dass der Verbrennungsmotor in der Bremsfunktion nicht an seine maximale Drehzahl herangeführt wird. Daher muss in nachteiliger Weise ein erheblicher Teil der Bremsleistung über das Druckbegrenzungsventil der betroffenen Hochdruckleitung abgebaut werden.
Die Druckschriften DE 10 2014 211 393 A1 und DE 10 2014 211 394 A1 offenbaren ebenfalls jeweils ein hydrostatisches Getriebe, mit dem auch gebremst werden kann, wobei der Verbrennungsmotor vor Überdrehzahl geschützt werden soll. Auch bei diesen Druckschriften wird ein erster Teil der Bremsleistung wird über die Primäreinheit an die Verbrennungsmaschine abgegeben, während ein zweiter Teil der Bremsleistung über das Druckbegrenzungsventil der betroffenen Hochdruckleitung in Wärme umgewandelt wird. Dabei wird zunächst eine geringfügig über der zulässigen Drehzahlgrenze liegende Drehzahl des Verbrennungsmotors akzeptiert. Im Rahmen der Vorsteuerung des Schwenkwinkels wird ein generell höherer als der ideale Schwenkwinkel offenbart. Damit wird nicht die maximal mögliche Bremsleistung über den Verbrennungsmotor abgestützt.
Weiterhin sind die jeweiligen Primäreinheiten des genannten Standes der Technik mechanisch schwenkwinkelgeregelt. Dazu benötigen sie eine mechanische Rückkopplung ihres aktuellen Schwenkwinkels.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein hydrostatisches Getriebe und ein Verfahren zu schaffen, bei dem der vorrichtungstechnische Aufwand der Primäreinheit reduziert ist.
Diese Aufgaben werden bezüglich des hydrostatischen Getriebes gelöst durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 12.
Das beanspruchte hydrostatische Getriebe ist für einen Fahrantrieb vorgesehen, der eine Verbrennungsmotor, z.B. Dieselmotor und einen Abtrieb z.B. ein oder mehrere Räder oder eine oder mehrere Achsen aufweist. Das hydrostatische Getriebe hat einerseits einen mit dem Verbrennungsmotor des Fahrantriebs koppelbaren Rotor - insbesondere eine Triebwelle - einer Primäreinheit, die im Zugbetrieb als Pumpe arbeitet, und andererseits einen mit dem Abtrieb des Fahrantriebs koppelbaren Rotor - insbesondere eine Triebwelle - einer Sekundäreinheit oder mehrere derartige hydraulisch parallel geschaltete Sekundäreinheiten, die im Zugbetrieb als Motor(en) arbeiten. Beide Einheiten sind über zwei Arbeitsleitungen eines geschlossen Kreises miteinander fluidisch verbunden. Die Primäreinheit ist eine Axialkolbenmaschine mit verstellbarem Schwenkwinkel. Das hydrostatische Getriebe weist weiterhin eine elektrische Steuereinheit auf, über die eine Bremsung steuer- oder regelbar ist, bei der ein Bremsmoment der als Pumpe wirkenden Sekundäreinheit über die als Motor wirkende Primäreinheit an deren Rotor abgestützt ist. Erfindungsgemäß wirken an der in ihrem Hubvolumen verstellbaren Primäreinheit Kräfte, die hauptsächlich von einer Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsleitungen, aber auch von einer Drehzahl des Rotors abhängen und bei einem größer werden bei unveränderter Ansteuerung der Primäreinheit im Pumpenbetrieb zu einer Verkleinerung des Schwenkwinkels und im Motorbetrieb zu einer Vergrößerung des Schwenkwinkels der Primäreinheit führen
Damit hat die Primäreinheit ein lastfühliges Verhalten. Das bedeutet, dass bei einer bestimmten Ansteuerung der Pumpe deren Schwenkwinkel vom Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitsleitungen des geschlossenen hydraulischen Kreislaufs und der Pumpendrehzahl abhängt. Die Triebwerkskräfte wirken zusammen mit einer Federanordnung am Stellkolben oder an der Schrägscheibe im Pumpenbetrieb einer Verstellung zu größeren Hubvolumina entgegen. Derartige Verstellungen sind zum Beispiel eine EV-Verstellung oder eine ET-Verstellung.
Bei der EV-Verstellung wird ein Stelldruck mit Hilfe eines durch einen Elektroproportionalmagneten verstellbaren Druckregelventils eingeregelt und über ein Wegeventil der einen oder der andern Stellkammer des Stellzylinders der Primäreinheit zugeführt. Das sich bei einem bestimmten Stelldruck einstellende Hubvolumen der Primäreinheit wird sowohl durch die Drehzahl der Primäreinheit als auch durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsleitungen beeinflusst.
Bei der ET-Regelung sind zwei Druckregelventile vorhanden. Mit dem einen Druckregelventil wird der Stelldruck in der einen Stellkammer und mit dem anderen Druckregelventil der Stelldruck in der andern Stellkammer des Stellzylinders eingeregelt.
Weiterhin erfindungsgemäß hat das hydrostatische Getriebe einen Drehzahlregler, dessen Ausgangsgröße ein Korrektur-Stelldruck ist, der von der Steuereinheit zu einem vorgesteuerten Stelldruck einer bremsleistungsabhängigen Vorsteuerung addiert werden kann. Die so gebildete Summe aus den Stelldrücken wirkt beim Bremsen in Richtung der Verkleinerung des Schwenkwinkels der Primäreinheit. Über die Vorsteuerung wird der Soll-Schwenkwinkel der Primäreinheit weitgehend erreicht. Durch den Drehzahlregler werden Fertigungsungenauigkeiten und Verschleißerscheinungen der Primäreinheit und unterschiedliche Temperaturen des Druckmittels berücksichtigt und ausgeregelt. Da keine Rückkopplung des aktuellen Schwenkwinkels und keine Lageregelung der Primäreinheit nötig sind, ist das hydrostatische und bremsbare Getriebe vorrichtungstechnisch vereinfacht.
Mit Blick auf den gesamten Fahrantrieb ist damit das Bremsmoment des Abtriebs über die beiden Einheiten an dem Verbrennungsmotor abgestützt.
Mit Blick auf das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe, das den Verbrennungsmotor nicht enthält, kann die zu begrenzende Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors von einem an dessen Kurbelwelle angeordneten und somit ebenfalls nicht zum erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe gehörenden Drehzahlsensor abgegriffen und über einen Signaleingang der Steuereinheit an diese übermittelt werden. Alternativ kann die zu begrenzende Ist-Drehzahl direkt an dem Rotor der Primäreinheit von einem zum erfindungsgemäßen Getriebe gehörenden Drehzahlsensor abgegriffen werden, wenn die Kurbelwelle und der Rotor einstückig sind. Bei dieser Anordnung des Drehzahlsensors kann die zu begrenzende Ist-Drehzahl auch aus einer von dem Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl des Rotors der Primäreinheit rechnerisch ermittelt werden, falls zwischen der Kurbelwelle und dem Rotor eine mechanische Getriebestufe vorgesehen ist. Vorzugsweise hat auch die mindestens eine Sekundäreinheit einen Drehzahlsensor.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Vorzugsweise hat der Drehzahlregler als Eingangsgröße eine Drehzahldifferenz zwischen einerseits der Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe, insbesondere der Ist-Drehzahl der Primäreinheit, und andererseits einer Soll-Drehzahl des Verbrennungsmotors oder einer entsprechend davon abgeleiteten Größe, insbesondere einer Soll-Drehzahl der Primäreinheit. Durch Nutzung der abgeleiteten Größen kann das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe ohne elektrische oder mechanische Verknüpfung mit dem Verbrennungsmotor gefertigt, getestet und betrieben werden.
Vorzugsweise ist der Drehzahlregler ein, P-, PI- oder PID-Regler. So wird ein schnelles und genaues Annähern der Ist-Drehzahl an die Soll-Drehzahl des Verbrennungsmotors erreicht. Vorzugsweise weist die Steuereinheit den Drehzahlregler auf.
Bei einer besonders effektiven Bremsung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes ist die Soll-Drehzahl eine maximale Drehzahl, die von dem Verbrennungsmotor abgestützt werden kann, ohne dass dieser überdreht wird.
Der vorgesteuerte Stelldruck ist bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung eine Summe eines konstanten Basis-Stelldrucks und einen proportionalen Stelldrucks.
Der proportionale Stelldruck ist vorzugsweise das Produkt aus einem Leistungsfaktor und einem Förder-Volumenstrom der Sekundäreinheit. Dabei berücksichtigt der Leistungsfaktor, dass die ausschwenkenden Kräfte auf die Schwenkwiege bei zunehmender Bremsleistung größer werden. Hier können auch die Abhängigkeit vom Differenzdruck der beiden Arbeitsleitungen und größere Druckpulsationen berücksichtig werden. Der Förder-Volumenstrom der Sekundäreinheit ist fast linear proportional zur Bremsleistung und eignet sich somit für deren Berücksichtigung. Daher kann auf einen Drucksensor verzichtet werden, was die Robustheit des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes erhöht.
Besonders schnell und sicher wird die Schwenkwinkel der Primäreinheit an den optimalen Wert herangeführt, ohne dass der Verbrennungsmotor überdreht, wenn beim Bremsen ein in Richtung der Verkleinerung des Schwenkwinkels wirkender finaler Stelldruck eine Summe des vorgesteuerten Stelldrucks und des Korrektur-Stelldrucks ist.
Alle genannten Stelldrücke wirken beim Bremsen in Richtung einer Verkleinerung der Schwenkwinkels der als Motor betriebenen Primäreinheit.
Der finale Stelldruck wirkt vorzugsweise über ein elektrisches Stelldruckventil und einen Stellzylinder einer Verstelleinrichtung.
Die Kräfte, die von einer Druckdifferenz der beiden Arbeitsleitungen und der Drehzahl des Rotors und dem Schwenkwinkel abhängen, können an einer Schrägscheibe oder an einem Stellkolben des Stellzylinders wirken.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes sind der Schwenkwinkel und damit das Hubvolumen der Primäreinheit beidseitig einer Nullstellung verstellbar. Damit kann der betroffene Fahrantrieb bei gleichbleibender Drehrichtung des Verbrennungsmotors in beide Fahrtrichtungen des Fahrzeugs im Zugbetrieb genutzt werden und entsprechend in beide Richtungen erfindungsgemäß gebremst werden.
Damit der Stelldruck beim Bremsen bzw. im Schubbetrieb in Richtung der Verkleinerung des Schwenkwinkels und beim Zugbetrieb dem entgegen in Richtung einer Vergrößerung des Schwenkwinkels wirken kann, werden zwei gegen einander wirkenden Stelldruckkammern an der Verstelleinrichtung der Primäreinheit bevorzugt, die mit dem jeweiligen Stelldruck über das gemeinsame oder ein jeweiliges elektrisch verstellbares Stelldruckventil beaufschlagbar sind. Die beiden Stelldruckkammern können in einem doppelt wirkenden Stellzylinder oder in zwei getrennten und an der Schrägscheibe gegen einander wirkenden Stellzylindern vorgesehen sein. Damit kann der betroffene Fahrantrieb bei gleichbleibender Drehrichtung des Verbrennungsmotors in beide Fahrtrichtungen des Fahrzeugs im Zugbetrieb genutzt werden und entsprechend in beide Richtungen erfindungsgemäß gebremst werden.
Dabei ist vorzugsweise eine Federanordnung vorgesehen, die in Richtung einer mittleren Stellung der Schrägscheibe wirkt, bei der der Schwenkwinkel und das Hubvolumen der Primäreinheit etwa null sind.
Um eine Hochleistungsbremsung zu ermöglichen wird es bevorzugt, wenn an den beiden Arbeitsleitungen jeweils ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist. Über das betroffene Druckbegrenzungsventil ist ein erster Teil der Bremsleistung abbaubar, während über die Primäreinheit und weiter über den Verbrennungsmotor ein zweiter Teil der Bremsleistung abbaubar ist. Die realisierbare Bremsleistung ist besonders hoch, wenn der erste Teil größer als der zweite Teil ist.
Wenn während der Hochleistungsbremsung der Volumenstrom über die Primäreinheit zunimmt, nimmt der Volumenstrom über das betroffene Druckbegrenzungsventil ab. Damit kann der Druck in der unter Hochdruck stehenden Arbeitsleitung sinken. Um diese Druckverringerung zu minimieren oder um den Druck annähernd konstant zu halten, werden Druckbegrenzungsventile bevorzugt, die bezüglich ihrer Druckdifferenz in Abhängigkeit ihres durchgelassenen Volumenstroms eine flache Kennlinie haben.
Falls das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe Druckbegrenzungsventile aufweist, deren Kennlinien hingegen steigend sind, wird insbesondere der bereits genannte proportionale Stelldruck bevorzugt, der das Produkt aus dem Leistungsfaktor und dem Förder-Volumenstrom der Sekundäreinheit ist, und der einen Teil des vorgesteuerten Drucks bildet. Der Leistungsfaktor berücksichtigt dann, dass die Kräfte in Richtung Vergrößerung des Schwenkwinkels bei zunehmender Bremsleistung größer werden.
Zur Ermittlung der Bremsleistung kann der Förder-Volumenstrom der Sekundäreinheit herangezogen werden, da dieser im Wesentlichen proportional zur Bremsleistung ist. Statt des Förder-Volumenstroms der Sekundäreinheit kann auch das Bremsmoment oder der Volumenstromanteil, der über das Druckbegrenzungsventil abgeführt wird, verwendet werden, da alle diese Größen anhand der Soll-Schwenkwinkel der Einheiten sowie deren Drehzahlen ineinander umgerechnet werden können.
Um das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe in verschieden Fällen nutzen zu können, in denen der Verbrennungsmotor gemäß dem Stand der Technik überdrehen könnte, kann die Steuereinheit derart weitergebildet sein, dass eine Bremsung entweder über ein Bedienelement, z.B. Bremspedal, insbesondere über einen Eingang für eine Signalleitung des Bedienelements, oder auf Grund einer automatischen Überwachung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, insbesondere über einen Eingang für ein Signal eines Geschwindigkeitsmessers, oder auf Grund einer automatischen Überwachung der Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors oder der davon abgeleiteten Größe eingeleitet wird.
Vorzugsweise ist auch die mindestens eine Sekundäreinheit mit verstellbarem Schwenkwinkel und damit Hubvolumen ausgeführt. Dieses kann z.B. in Abhängigkeit des Bedienelements verstellt werden. Damit kann das Bremsmoment beim Bremsen gesteuert werden. Die Ansteuerung kann elektroproportional sein.
Die Verstelleinrichtung kann eine elektrisch gesteuerte Verstelleinrichtung (EV oder ET) sein, bei der entsprechend der Kraft eines Proportionalmagneten ein bestimmter Stelldruck eingeregelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bremsung eines hydrostatischen Getriebes gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hat die Schritte:

- Vorsteuern des vorgesteuerten Stelldrucks der Primäreinheit,
- Berechnen des Korrektur-Stelldrucks in Abhängigkeit einer Drehzahldifferenz zwischen der Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors oder der davon abgeleiteten Größe und der Soll-Drehzahl des Verbrennungsmotors oder der davon abgeleiteten Größe, und
- Addieren des vorgesteuerten Stelldruck mit dem Korrektur-Stelldruck zu dem finalen Stelldruck.

Eine Rückkopplung des aktuellen Schwenkwinkels ist damit nicht nötig.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein vorausgehendes Einleiten der Bremsung durch den Fahrerwunsch oder auf Grund einer Überschreitung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (Ist-Drehzahl überschreitet eine gewünschte oder eine maximal zulässige Drehzahl) oder auf Grund einer Überschreitung einer Fahrgeschwindigkeit (Fahrgeschwindigkeit überschreitet eine gewünschte oder eine maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit).
Vorzugsweise wird das Bremsmoment während der Bremsung durch Verschwenken der Sekundäreinheit gesteuert. Dies kann in Abhängigkeit der Stellung des Bedienelements - insbesondere des Bremspedals - erfolgen.
Folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Hochleistungsbremsens lassen sich auch nutzen, wenn eine preiswertere Primäreinheit ohne Lageregelung verwendet wird:

- maximale Ausnutzung des Bremsvermögens des geschlossenen Kreislaufs,
- Schutz des Dieselmotors vor Überdrehzahl,
- dosierbare Bremswirkung,
- nahezu verschleißfreies (rein hydrostatisches) Bremsen, und
- ggf. Verkleinerung der mechanischen Bremsanlage durch Einsatz einer Kombinationsbremsanlage.

Während das Hochleistungsbremsen bisher nur für hydrostatische Antriebe mit lagegeregelten Pumpen eingesetzt werden kann, welche vor allem bei Landmaschinen zu finden sind, erlaubt die erfindungsgemäße Verwendung der lastfühligen Primäreinheit, dass die Funktion auch im Baumaschinenbereich eingesetzt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen

1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes gemäß dem Ausführungsbeispiel,
2 ein Diagramm der Hubvolumina der Primäreinheit und der Sekundäreinheit des hydrostatischen Getriebes aus 1 beim Bremsen,
3 eine schematische Übersicht der Vorsteuerung mit zusätzlicher Regelung der des Stelldrucks der Primäreinheit beim Bremsen,
4 zwei Diagramme der Vorsteuerung ohne erfindungsgemäße Drehzahlregelung beim Bremsen und
5 zwei Diagramme der Vorsteuerung mit zusätzlicher erfindungsgemäßer Drehzahlregelung beim Bremsen.

1 zeigt ein Schaltbild des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes. Es weist eine Primäreinheit 1 und eine Sekundäreinheit 2 auf, die beide mit verstellbarem Hubvolumen Vg_pump, Vg_mot ausgeführt sind. Die Primäreinheit 1 ist eine Axialkolbenmaschine, an deren Triebwelle 4 eine Kurbelwelle eines (nicht gezeigten) Dieselmotors drehfest gekoppelt ist. Die Drehzahl der Triebwelle 4 ist über einen Drehzahlsensor 6 und eine elektrische Steuereinheit 8 überwacht. Damit ist indirekt auch die Drehzahl der Kurbelwelle des Dieselmotors überwacht.
Die Primäreinheit 1 ist über einen geschlossenen hydraulischen Kreis, der zwei Arbeitsleitungen 10 aufweist, fluidisch mit der Sekundäreinheit 2 verbunden. An eine Triebwelle 12 der Sekundäreinheit 2 ist ein (nicht gezeigter) Abtrieb drehfest gekoppelt. Der Abtrieb ist zum Beispiel ein Differenzialgetriebe einer angetriebenen Achse einer mobilen Baumaschine, die im Ladebetrieb arbeitet.
Das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe gemäß 1 bildet somit zusammen mit dem Dieselmotor und dem Abtrieb einen Fahrantrieb einer mobilen Baumaschine. In einem Zugbetrieb dient die Triebwelle 4 der Primäreinheit 1 als Antriebswelle und die Primäreinheit 1 arbeitet als Pumpe, während die Sekundäreinheit 2 als Motor arbeitet, und deren Triebwelle 12 eine Abtriebswelle ist.
In einem Bremsbetrieb des erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebes stützt sich der Abtrieb über die Triebwelle 12 und über die als Pumpe arbeitende Sekundäreinheit 2 und über eine der beiden Arbeitsleitungen 10 und über die als Motor arbeitende Primäreinheit 1 und über die Triebwelle 4 der Primäreinheit 1 an dem Dieselmotor ab, der dann mitgeschleppt wird und über seine Reibungs- und Beschleunigungskräfte z.B. seiner Kolben zumindest einen Teil der Bremsenergie der mobilen Baumaschine abbaut.
An jeder Arbeitsleitung 10 ist ein Druckbegrenzungsventil 14 vorgesehen, über das die jeweilige Arbeitsleitung 10 zu einer Speiseleitung 16 entspannt werden kann. Damit ist eine Hochleistungsbremsung möglich, bei dem ein erheblicher Teil der Bremsleistung über das Druckbegrenzungsventil 14 der unter Hochdruck stehenden Arbeitsleitung 10 abgebaut wird.
Die Speiseleitung 16 wird von einer Speisepumpe 18, die drehfest an die Triebwelle 4 der Primäreinheit 1 gekoppelt ist, aus einem Tank T mit Speisedruckmittel befüllt. Weiterhin kann die Speiseleitung 16 über ein Druckbegrenzungsventil 20 zu einem Tank T entlastet werden. Die Speiseleitung 16 ist über ein jeweiliges federbelastetes Rückschlagventil 22 mit den beiden Arbeitsleitungen 10 verbunden, so dass die jeweils Niederdruck führende Arbeitsleitung 10 gegebenenfalls mit ergänzenden Druckmittel aus der Speiseleitung 10 versorgt werden kann. Dazu sind die Öffnungsrichtungen der beiden Rückschlagventile 22 von der Speiseleitung 16 zur jeweiligen Arbeitsleitung 10 gerichtet.
Die Verstellung des Hubvolumens Vg_pump der Primäreinheit 1 erfolgt über eine Verstelleinrichtung 24. Diese hat einen doppelt wirkenden Stellzylinder 26, dessen beide Stelldruckkammern an einem Stellkolben gegeneinander wirken, wobei der Stellkolben an eine Schrägscheibe der als Axialkolbenmaschine ausgebildeten Primäreinheit 1 gekoppelt ist. Der Stellzylinder ist vorliegend ein Differentialzylinder, kann jedoch auch ein Gleichgangzylinder sein. Jeder der beiden Stelldruckkammern ist über ein separates Stelldruckventil 28 mit Druckmittel aus der Speiseleitung 16 befüllbar. Beide Stelldruckventile 28 werden von der Steuereinheit 8 elektrisch verstellt. Weiterhin weist die Verstelleinrichtung 24 eine (nicht gezeigte) Federanordnung auf, über die der Kolben des Stellzylinders 26 und die Schrägscheibe der Primäreinheit 1 ein eine mittlere Stellung vorgespannt sind. Von dort kann die Primäreinheit 1 in beide Richtungen in ihrem Hubvolumen verstellt werden. Da die Primäreinheit 1 einen Vier-Quadranten-Betrieb ermöglicht, kann mit dem erfindungsgemäßen hydrostatischen Getriebe vorwärts gefahren und vorwärts gebremst und rückwärts gefahren und rückwärts gebremst werden.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist - wie bereits erwähnt - auch die Sekundäreinheit 2 verstellbar ausgeführt. Dazu dient eine Verstelleinrichtung 30, die ein Ventil mit einem elektrischen Aktor aufweist, der ebenfalls von der Steuereinheit 8 angesteuert wird. Dabei hat die Verstelleinrichtung 30 eine Rückkoppelfeder 32, so dass eine Regelung des Schwenkwinkels der Sekundäreinheit 2 möglich ist.
Eine Hochleistungsbremsung über das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe kann eingeleitet werden durch:

a) eine Signalübermittlung von einem von einem Fahrer betätigtes Bedienelement, zum Beispiel einem Bremspedal, an die Steuereinheit 8,
b) eine grenzwertig hohe Drehzahl des Dieselmotors, die von der Steuereinheit 8 über den Drehzahlsensor 6 ermittelt wurde,
c) eine grenzwertig hohe Fahrgeschwindigkeit v_veh der mobilen Baumaschine, die von einem Drehzahlsensor 34 der Triebwelle 12 der Sekundäreinheit 2 indirekt erfasst und an die Steuereinheit 8 übermittelt wurde.

2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Schwenkwinkels angle_pump der Primäreinheit 1 und den Verlauf des Schwenkwinkels angle_mot der Sekundäreinheit 2 zunächst bei einem Übergang vom Zugbetrieb in den Hochleistungsbremsbetrieb und dann bei einem Übergang vom Hochleistungsbremsbetrieb zurück in den Zugbetrieb.
Die Hochleistungsbremsung wird von der Steuereinheit 8 gesteuert beziehungsweise geregelt. Zu Beginn wird der Schwenkwinkel angle_pump und damit das Schluckvolumen Vg_pump der Primäreinheit 1 stark verringert und gleichzeitig die Verstelleinrichtung 30 der Sekundäreinheit 2 derart angesteuert, dass auch deren Schwenkwinkel angle_mot und damit deren Hubvolumen Vg_mot in vermindertem Maß verkleinert werden. Damit steigt der Druck in der nun Hochdruck führenden Arbeitsleitung 10 an und das entsprechende Druckbegrenzungsventil 14 öffnet eine Verbindung zur Speiseleitung 16. Dann wird der Schwenkwinkel angle_mot der Sekundäreinheit 2 stark erhöht.
Um die Ist-Drehzahl des Dieselmotors zu maximieren und dabei eine zulässige Höchstdrehzahl nicht zu überschreiten, wird die mit Bezug zu den 3 bis 5 erläuterte Steuerung und Regelung genutzt.
Gemäß 3 wird zur Generierung eines finalen Stelldrucks p_ctrl einer Vorsteuerung eine Regelung überlagert. Die Vorsteuerung setzt sich aus zwei Komponenten des Stelldrucks zusammen, nämlich einem konstanten Basis-Stelldruck p_ctrl_basic und einem proportionalen Stelldruck p_ctrl_power. Letztere Komponente ist das Produkt aus dem Förder-Volumenstrom Q_mot der Sekundäreinheit 2 und einem Leistungsfaktor K. Dieser berücksichtigt, dass die ausschwenkenden Kräfte auf die Schwenkwiege bei zunehmender Bremsleistung größer werden. Hier können auch die Abhängigkeit vom Differenzdruck Δp der beiden Arbeitsleitungen 10 und größere Druckpulsationen berücksichtig werden.
Ein Drehzahlregler 38 vergleicht die Ist-Drehzahl n_eng_act des Dieselmotors mit dessen Soll-Drehzahl n_eng_des und generiert einen Korrektur-Stellduck p_ctrl_speed für den finalen Stelldruck p_ctrl. Ersatzweise kann auch die Drehzahl n_pump_act der Primäreinheit 1 mit einer umgerechneten Soll-Drehzahl n_pump_des der Primäreinheit 1 verglichen werden und der Korrektur-Stellduck p_ctrl_speed generiert werden.
Während der Hochleistungsbremsung treten gegenüber dem Zugbetrieb in gleicher Fahrtrichtung „negative“ Steuerdrücke auf. Dies bedeutet, dass im Fall einer Hochleistungsbremsung bei Vorwärtsfahrt eine der Stelldruckkammern mit Stelldruck beaufschlagt werden muss, welche eigentlich für die Rückwärtsfahrt erforderlich ist, um die Schwenkwiege auf dem entsprechenden Schwenkwinkel angle_pump zu halten und in der geforderten Zeit aus dem Zugbetrieb oder Verzögerungsbetrieb ohne Hochleistungsbremsung in den Hochleistungsbremsungsbetrieb zu überführen. Dies ist in den nachfolgenden 4 und 5 (jeweils oben) am Wegnehmen des Stroms I_pump_f des Stelldruckventils 28 bei Vorwärtsfahrt und dem Aktivieren des Stroms I_pump_r des Stelldruckventils 28 bei Rückwärtsfahrt zu erkennen.
4 zeigt die reine Vorsteuerung. Die Primäreinheit 1 wird bereits in die Nähe des idealen Schwenkwinkels angle_pump verschwenkt. Im dargestellten Beispiel steht die Primäreinheit 1 aber noch auf einem insgesamt zu großen Schluckvolumen Vg_pump, was zu einer unzulässig hohen Drehzahl n_eng des Dieselmotors führt. Im Falle eines zu kleinen Schwenkwinkels angle_pump würde das Bremsvermögen des Dieselmotors nur teilweise genutzt werden. Damit ist die Hochleistungsbremsung mit der lastfühligen Primäreinheit 1 bereits grundsätzlich möglich, jedoch nur mit eingeschränkter Performance.
Eine Verbesserung der Hochleistungsbremsung bei der lastfühligen Primäreinheit 1, sodass das ein vergleichbares Verhalten wie beim Einsatz einer lagegeregelten Primäreinheit 1 entsteht, stellt die erfindungsgemäße Lösung dar: Die letzten Abweichungen vom Idealwert gleicht schließlich der überlagerte Drehzahlregler 38 aus, wie in 5 zu sehen ist. Dies hat eine gleichmäßige Auslastung des Dieselmotors während der Hochleistungsbremsung zur Folge, ohne dass dieser den unzulässigen Bereich seiner Drehzahl n_eng erreicht.
In 4 ist dargestellt wie sich das erfindungsgemäße hydrostatische Getriebe bei reiner Vorsteuerung verhält. Man sieht hier den Verlauf des Ansteuerstroms I_pump_r, der vom Beginn der Hochleistungsbremsung bei t=17.5s im Zeitraum bis t=19,5s ansteigt wie durch die Vorsteuerung gefordert wird. Der für die Vorsteuerung ermittelte Wert führt jedoch in diesem Betriebspunkt zu einer zu hohen Ist-Drehzahl des Dieselmotors n_eng_act von 3500rpm.
In 5 oben ist mit einer durchgezogenen Linie der Verlauf des Ansteuerstroms I_pmp_r bei Einsatz des überlagerten Drehzahlreglers 38 dargestellt. Man sieht, dass beim Beginn der Hochleistungsbremsung bei t = 17,5s der Ansteuerstrom I_pmp_r nur geringfügig höher ist als in 4, jedoch mit dem Effekt, dass die Ist-Drehzahl n_eng des Dieselmotors nur auf 2500rpm erhöht wird und danach wieder kontrolliert abfällt, obwohl der Ansteuerstrom I_pmp_r im Vergleich zu 4 dann deutlich reduziert ist.
Offenbart ist ein hydrostatisches Getriebe, mit dem eine Hochleistungsbremsung realisierbar ist, bei der sich zumindest ein als Pumpe wirkender verstellbarer Fahrmotor über eine geschlossenen Kreis an einer als Motor wirkenden verstellbaren Axialkolbenmaschine abstützt, die wiederum an einem Verbrennungsmotor abstützbar ist. Da dieser nicht überdreht werden soll, kann eine Steuereinheit den Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine beim Bremsen verstellen. Die Axialkolbenmaschine ist lastfühlig, da ein Zusammenhang zwischen ihrem Stelldruck und ihrer Drehzahl und ihrem Schwenkwinkel einer Druckdifferenz der beiden Arbeitsleitungen des geschlossen Kreises besteht. Über eine Vorsteuerung wir beim Bremsen ein Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine eingestellt, und über einen Drehzahlregler wird der Schwenkwinkel derart korrigiert, dass sich am Verbrennungsmotor eine Soll-Drehzahl ergibt. Diese ist insbesondere die maximale Drehzahl, bei der der Verbrennungsmotor nicht überdreht.
Bezugszeichenliste

1: Primäreinheit
2: Sekundäreinheit
4: Rotor / Triebwelle
6: Drehzahlsensor
8: Steuereinheit
10: Arbeitsleitung
12: Rotor / Triebwelle
14: Druckbegrenzungsventil
16: Speiseleitung
18: Speisepumpe
20: Druckbegrenzungsventil
22: Rückschlagventil
24: Verstelleinrichtung
26: Stellzylinder
28: Stelldruckventil
30: Verstelleinrichtung
32: Rückkoppelfeder
34: Drehzahlsensor
38: Drehzahlregler
angle_mot: Schwenkwinkel der Sekundäreinheit
angle_pump: Schwenkwinkel der Primäreinheit
I_pump_f: Ansteuerstrom des Stelldruckventils für Vorwärtsfahrt
I_pump_r: Ansteuerstrom des Stelldruckventils für Rückwärtsfahrt oder für die Bremsung
n_eng_act: Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors
n_eng_des: Soll-Drehzahl des Verbrennungsmotors
n_eng_max: maximal zulässige Drehzahl des Verbrennungsmotors
n_mot_act: Ist-Drehzahl der Sekundäreinheit
n_pump_des: Soll-Drehzahl der Primäreinheit abgeleitet von der Soll-Drehzahl des Verbrennungsmotors
n_pump_max: maximale Drehzahl der Primäreinheit abgeleitet von der maximalen Drehzahl des Verbrennungsmotors
K: Leistungsfaktor
p_ctrl: finaler Stelldruck der Primäreinheit
p_ctrl_basic: Basis-Stelldruck der Primäreinheit
p_ctrl_power: proportionaler Stelldruck der Primäreinheit
p_ctrl_speed: Korrektur-Stelldruck der Primäreinheit
Vg_mot: Hubvolumen Sekundäreinheit
Vg_pump: Hubvolumen Primäreinheit
v_veh: Fahrgeschwindigkeit
Q_mot: Förder-Volumenstrom der Sekundäreinheit
Q_pump: Schluck-Volumenstrom der Primäreinheit
T: Tank
Δn_eng: Drehzahldifferenz zwischen der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors
Δn_pump: Drehzahldifferenz zwischen der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl der Primäreinheit abgeleitet von der Drehzahl-differenz zwischen der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl des Verbrennungsmotors
Δp: Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsleitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1960699 B1 [0003]
DE 102014211393 A1 [0006]
DE 102014211394 A1 [0006]

Claims

Hydrostatisches Getriebe für einen Fahrantrieb, das eine mit einem Verbrennungsmotor des Fahrantriebs über einen Rotor (4) koppelbare Primäreinheit (1) und eine mit einem Abtrieb des Fahrantriebs über einen Rotor (12) koppelbare Sekundäreinheit (2) aufweist, wobei die beiden Einheiten (1, 2) über zwei Arbeitsleitungen (10) eines geschlossen Kreises miteinander verbunden sind, und wobei die Primäreinheit (1) eine Axialkolbenmaschine mit einem verstellbarem Schwenkwinkel (angle_pump) ist, der von einer elektrischen Steuereinheit (8) bei einer Bremsung des hydrostatischen Getriebes steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bremsung im Motorbetrieb der Primäreinheit (1) Kräfte wirken, die von einer Druckdifferenz (Δp) der beiden Arbeitsleitungen (10) und gegebenenfalls von der Drehzahl (n_pump_act) des Rotors (4) abhängen und zu einer Vergrößerung des Schwenkwinkels (angle_pump) der Primäreinheit führen, wobei das hydrostatische Getriebe einen Drehzahlregler (38) aufweist, dessen Ausgangsgröße ein in Richtung einer Verkleinerung des Schwenkwinkels (angle_pump) wirkender Korrektur-Stelldruck (p_ctrl_speed) ist, der von der Steuereinheit (8) zu einem vorgesteuerten Stelldruck einer Vorsteuerung addierbar ist.
Hydrostatisches Getriebe nach Patentanspruch 1, wobei eine Eingangsgröße des Drehzahlreglers (38) eine Drehzahldifferenz (Δn_eng, Δn_pump) zwischen einer Ist-Drehzahl (n_eng_act) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_act) und einer Soll-Drehzahl (n_eng_des) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_des) ist.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der vorgesteuerte Stelldruck eine Summe eines Basis-Stelldrucks (p_ctrl_basic) und eines proportionalen Stelldrucks (p_ctrl_power) ist.
Hydrostatisches Getriebe nach Patentanspruch 3, wobei beim Bremsen der proportionale Stelldruck (p_ctrl_power) proportional zu einem Förder-Volumenstrom (Q_mot) der Sekundäreinheit (2) ist.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Summe aus dem vorgesteuerten Stelldruck und dem Korrektur-Stelldruck (p_ctrl_speed) einen finalen Stelldruck (p_ctrl) ergibt.
Hydrostatisches Getriebe nach Patentanspruch 5, wobei der finale Stelldruck (p_ctrl) über ein elektrisches Stelldruckventil (28) und einen Stellzylinder (26) einer Verstelleinrichtung (24) in Richtung der Verkleinerung des Schwenkwinkels (angle_pump) der Primäreinheit (1) wirkt.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Schwenkwinkel (angle_pump) der Primäreinheit (1) beidseitig einer Nullstellung verstellbar ist.
Hydrostatisches Getriebe nach den Patentansprüchen 6 und 7 mit zwei gegen einander wirkenden Stelldruckkammern, die beim Bremsen mit dem finalen Stelldruck (p_ctrl) von der Steuereinheit (8) über ein gemeinsames oder ein jeweiliges elektrisch verstellbares Stelldruckventil (28) beaufschlagbar sind.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an den beiden Arbeitsleitungen (10) jeweils ein Druckbegrenzungsventil (14) angeordnet ist, über das bei der Bremsung ein erster Teil der Bremsleistung abbaubar ist, während über die Primäreinheit (1) ein zweiter Teil der Bremsleistung abbaubar ist, und wobei die Druckbegrenzungsventile (14) jeweils bezüglich ihrer Druckdifferenz in Abhängigkeit ihres durchgelassenen Volumenstroms eine flache Kennlinie haben.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Steuereinheit (8) derart ausgebildet ist, dass eine Bremsung über ein Bedienelement eines Fahrzeugs oder auf Grund einer automatischen Überwachung einer Fahrgeschwindigkeit (v_veh) des Fahrzeugs oder einer davon abgeleiteten Größe (n_mot_act) oder auf Grund einer automatischen Überwachung der Ist-Drehzahl (n_eng_act) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_act) einleitbar ist.
Hydrostatisches Getriebe nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (24) eine elektrisch gesteuerte Verstelleinrichtung ist, bei der entsprechend der Kraft eines Proportionalmagneten ein bestimmter Stelldruck eingeregelt wird.
Verfahren zur Bremsung eines hydrostatischen Getriebes gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche mit den Schritten: - Vorsteuern eines Stelldrucks der Primäreinheit (1), - Berechnen eines Korrektur-Stelldrucks (p_ctrl_speed) in Abhängigkeit einer Drehzahldifferenz (Δn_eng) zwischen einer Ist-Drehzahl (n_eng_act) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_act) und einer Soll-Drehzahl (n_eng_des) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_des), und - Addieren des Korrektur-Stelldrucks (p_ctrl_speed) zu dem vorgesteuerten Stelldruck, wobei die Summe ein finaler Stelldruck (p_ctrl) ist.
Verfahren nach Patentanspruch 12 mit dem vorhergehenden Schritt: - Einleiten der Bremsung durch einen Fahrerwunsch oder auf Grund einer Überschreitung einer Ist-Drehzahl (n_eng_act) des Verbrennungsmotors oder einer davon abgeleiteten Größe (n_pump_act) oder auf Grund einer Überschreitung einer Fahrgeschwindigkeit (v_veh) oder einer davon abgeleiteten Größe (n_mot_act).
Verfahren nach einem der Patentansprüche 12 oder 13 mit dem Schritt: - Steuern des Bremsmoments durch Verstellen eines Schwenkwinkels (angle_mot) der Sekundäreinheit (2).