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Beschreibunq:
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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit den im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.
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Es ist hierbei von einem bekannten Antriebs system ausgegangen (DE-OS
33 02 546), bei dem die Primäreinheit von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird
und die Sdkundåreinheit ein Fahrzeug antreibt. Es ist eine Druckregelung in dem
die Pumpe mit der hydrostatischen Maschine verb in denden Leitungsstrang vorgesehen,
um bei erhöhten Leistungsbedarf des Fahrzeugantriebes den Druck im Leitungsstrang
aufrechtzuerhalten. Ferner ist für die Sekundäreiheit eine Drehzahlregelung vorgesehen,
mit der die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit eingestellt werden kann. Bei dem
bekannten Antriebssystem werden die Steuerströme zur Betätigung der Stellglieder
für die Primär- und Sekundäreinheit von mit der Primäreinheit bzw. der Sekundäreinheit
gekuppelten Pumpen als Signalgeber in Verbindung mit Drösselstellen als Dosiereinrichtungen
erzeugt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, für ein Antriebs
system, das aus einem hydrostatischen Getriebe besteht, eine Regelung vorzusehen,
die eine rein elektrische Signalverarbeitung aufweist.
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Die Aufgabe ist mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Die Ansteuerung der Verstellzylinder zur Einstellung der Schwenkwinkel
von Ptimär- und Sekundäreinheit und damit an esteuertes Ventil, ihres Hubvolumens
erfolgt durch je ein e ekt risch/ das von einem elektrischen Signal beaufschlagt
wird. Das Servovon Druckmittel zu dem einen Arbeitsraum des Verstellzylinders und
den Abfluß von Druck-
mittel aus dem anderen Arbeitswraum zu einem
Tank. Erfindungsgemäß entfallen somit die mit den Einheiten gekuppelten Pumpen als
Signalgeber sowie die Dosiereinrichtungen zur Erzeugung der Steuerströme für die
Verstellzylinder.
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Die Regelung erfolgt auf rein elektrischem Wege, wobei lediglich der
Druck in dem die Pumpe mit der hydrostatischen Maschine verbindenden Leitungsstrang
und die Drehzahl der Sekundäreinheit gemessen werden. Dem Druckregelkreis zur Aufrechterhaltung
des Druckes im Leitungsstrang und dem Drehzahlregelkreis zur Einstellung einer bestimmten
Geschwindigkeit sind mehrere Korrektur-Regelkreise überlagert, die dafür sorgen,
daß auch bei erhöhtem Leistungsbedarf der Sekundäreinheit und/oder bei Uberlastung
des Antriebsmotors der Primäreinheit der im Leitungsstrang erforderliche Druck aufrechterhalten
wird, indem die Drehzahl der Sekundäreinheit in entsprechendem Maße abgesenkt wird.
Ferner ist ein Regelkreis vorgesehen, der den Druck langsam im eitungsstrang absenkt,
wenn die Sekundäreinheit gering belastet ist, wobei aber der Druck sofort erhöht
wird, wenn die Belastung steigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der einzigen
Figur der Zeichnung näher erläuter, in der ein Signalflußplan der Regelung des hydrostatischen
Getriebes dargestellt ist.
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Ein Elektromotor 10 treibt eine hydrostatische Pumpe 11, z.
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B. eine Axialkolbenpumpe an, deren Fördervolumen vom Stellglied 12
eines Verstellzylinders 13 veränderbar ist. Die Pumpe 11 fördert Druckmittel in
einen Leitungsstrang 14.
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Die Pumpe 11 stellt die Primäreinheit dar.
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An den Leitungsstrang 14 ist eine hydrostatische Maschine 15 als Sekundäreinheit
angeschlossen, deren Ausgangswelle mit einer Winde 16 gekuppelt ist. Die Maschine
15 kann sowohl als Pumpe wie auch als Motor arbeiten. Zum Verändern des Schluck-
bzw. Verdrängungsvolumens der Maschine 15 ist
ebenfalls ein Verstellzylinder
17 mit einem Stellglied 18 vorgesehen.
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Arbeitet die Maschine 15 als Motor, um mit der Winde eine Last zu
heben, so wird aus dem Leitungsstrang 14 Drucksittel entnommen. Wird beim Fieren
einer Last die Maschine 15 angetrieben und arbeitet als Pumpe, so drückt sie Druckmittel
in einen an den Leitungsstrang 14 angeschlossen Speicher 20.
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In der Darstellung arbeitet das hydrostatische Getriebe im geschlossenen
Kreislauf. Ein die Pumpe. 11 und die Maschine 15 verbindender Leitungsstrang 21
ist mit einem Speicher 22 zur Pufferung von Druckmittel versehen. Der Speicher 22
wird geladen, wenn die Maschine 15 als Motor lauf t und wird entladen, wenn die
Maschine 15 als Pumpe angetrieben wird. Anstelle des geschlossenen Kreislaufes kann
auch ein offener Kreislauf vorgesehen sein. Dabei ist der Leitungstrang 21 an einen
Tank angeschlossen und entfällt der Speicher 22.
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Die Ansteuerung der Verstellzylinder 13 bzw. 17 erfolgt durch je ein
elektrisches Servoventil 24 und 25, das als Wegeventil ausgeführt ist und jeweils
einen der Zylinderräume mit einer Druckmittelquelle und den anderen Zylinderraum
mit Tank verbindet, so daß das Stellglied 12 bzw, 18 entsprechend verschiebbar und
damit das Fördervolumen der Pumpe 11 bzw. das Schluck- oder Fördervolumen der Maschine
15 einstellbar ist. Zwischen dem Stellglied 12 und dem Servoventil 24 ist eine Rückführung
26 und zwischen dem Stellglied 18 und dem Servoventil 25 eine Rückführung 27 vorgesehen.
Hieraus ist ersichtlich, daß im stationären Zustand der Regelung die Verstellung
des Stellgliedes 12 bzw. 18 und damit der das Volumen bestimmende Schwenkwinkel
der Pumpe 11 bzw. der Maschine 15 dem die Wicklung des Servoventils 24 bzw. 25 durchfließenden
Stroms entspricht. D£e Rückführungen 26,27 können wie dargestellt
in
Form einer mechanischen Kraftrückführung oder als elektri sche Stellwegrückführung
vorgesehen sein.
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Die Betriebsweise der Winde ist folgende: Wird nach Aufbringen einer
Last das Hubvolumen der Sekundäreinheit 15 mittels des Verstellzylinders 17 und
des Servoventils 25 verstellt, so bewegt sich die Last mehr oder weniger schnell
nach oben oder unten. Dabei läßt sich durch entsprechende Einstellung des Hubvolumens
leicht ein Gleichgewichtszustand herstellen, bei dem das an der Sekundäreinheit
anstehende, aus dem Druck des Druckmittels im Leitungsstrang 14 und dem Hubvolumen
gebildete Drehmoment dem äußeren Lastmoment die Waage hält. Dabei wird die Drehzahl
der Sekundäreinheit zu Null und die Last kann in diesem Betriebszustand beliebig
lange in ihrer Position gehalten werden, ohne daß eine mechanische Bremse vorhanden
sein muß.
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Wird nun ausgehend von dieser Ruhelage der Schwenkwinkel der Maschine
15 und damit deren Hubvolumen vergrößert, so bewegt sich die Last nach oben. Eine
Vergrößerung des Schwenkwinkels hat eine Anderung der Hievgeschwindigkeit (Beschleunigung)
und einen höheren Förderstrombedarf bei gleichem Lastmoment zur Folge.
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Wird ausgehend von der Ruhelage dagegen der Schwenkwinkel verringert,
bleibt die Druckrichtung erhalten und die Last fiert ab. Dabei arbeitet die Maschine
15 als Pumpe, wobei hydraulische Energie in den Speicher 20 zurückgespeist wird.
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Demzufolge ist für das hydrostatische Getriebe eine Druckregelung
erforderlich, von der der Schwenkwinkel der pumpe 11 so eingestellt wird, daß ein
bestimmter Druck im Leitungsstrang 14 aufrechterhalten wird, sowie eine Drehzahlregelung
der Sekundäreinheit, mit der die Geschwindigkeit
beim Hieven und
Fieren einer Last einstellbar ist. Diesen beiden Hauptregelkreisen sind meilrere
Korrekturregelkreise überlagert, nämlich ein Uberlastschutz für den Elektromotor
10, ein Schutz gegen zu hohen sekundärseitigen Leistungsbedarf, eine Druckabsenkung
bei geringem sekundärseitigem Leistungsbedarf und eine Druckerhohufig bei erhöhtem
sekundärseitigem Leistungsbedarf.
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In allen Regelkreisen ist eine elektronische SighalverL arbeitung
vorgesehen, die im folgenden naHer erläutert wird.
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Der Regelkreis für die Druckregelung im Leitungsstrang 14 besteht
aus einer Vergleichsstufe 30, an deren Eingängen der Sollwert des Druckes PHDsoll
und der Istwert anliegen, der in dem an den Leitungsstrang 14 angeschlossenen elektrischen
Druckaufnehmer 31 gemessen wird, einem an den Ausgang der Vergleichsstufe 30 angeschlossenen
Druckregler 32 mit P-Verhalten, und einem Regelver stärker 33 besteht, dessen Ausgang
an die Magnetwicktunt des Servoventils 24 angeschlossen ist. Uber den Regelkreis
wird der Schwenkwinkel und damit das Hubvolumen der Pumpe 11 vergrößert, wenn infolge
des Förderstrombedarfs der Sekundäreinheit 15 der Istwert des Druckes im Leitungsstrang
14 absinkt. Je größer die Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert des Druckes
im Leitungsstrang 14 ist, desto stärker wird die Pumpe 11 ausgeschwenkt, um das
Fördervolumen zu erhöhen. Die Druckregelung hat am schnellsten aller Regelkreise
zu arbeiten und weist daher eine möglichst kleine Zeitkonstante T1 auf.
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Der Regelkreis für die Drehzahlregelung der Maschine 15 besteht aus
einer Vergleichsstufe 40, ah deren Eingängen ein korrigierter Sollwert n' 2soll'
wie nachstehend er-
lautert wird, und der von einem elektrischen
Tachogenerator 41 gemessene Istwert für die Drehzahl n2ist an liegen, einem an die
Vergleichsstufe 40 angeschlossenen Drehzahlregler 42 mit P-Verhalten sowie einem
elektrischen Regelverstärker 43, der mit der Magnetwicklung des Servoventils 25
verbunden ist, einer Korrekturstufe 44 zum Erzeugen des korrigierten Sollwerts n
2soll und einer Verzögerungsstufe 45 für die Eingabe des Drehzahlsollwerts n2Soll.
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Die Regelverstärker 32 und 43 können auch ein PI oder PID Ubertragungsverhalten
aufweisen.
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Auch die Drehzahlregelung der Maschine- 15 arbeitet in der Weise,
daß das Stellglied der Maschine 15 um so stärker in die eine oder andere Richtung
ausgehend von dem durch die Last und Reibung sowie dem Druck im Leitungsstrang 14
vorgegebenen stationären Schwenkwinkel ausgeschwenkt wird, je größer die Differenz
zwischen dem Istwert der Drehzahl und dem korrigierten Sollwert der Drehzahl ist.
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Dabei wird in der Korrekturstufe 44 der von Hand mittels Potentiometer
vorgegebene Sollwert der Windendrehzahl korrigiert, wenn die Maschine 15 infolge
einer großen Last einen zu hohen Leistungsbedarf hat oder eine Uberlastung des Antriebsmotors
10 der Pumpe 11 droht. Diese dem Drehzahlregelkreis überlagerten Korrekturregelkreise
sind nachstehend beschrieben.
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Die Drehzahlregelung ist ungefähr dreimal langsamer auszulegen als
die Druckregelung, wobei die Zeitkonstante T2 der Drehzahlregelung entsprechend
der schnellstmöglichen Drehzahländerung festgelegt ist, die von der angekuppelten
Trägheitsmasse und dem Lastmoment der Winde abhängig ist.
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Bei größeren Zeitkonstanten T2 würde die Gefahr von mehr oder minder
heftigen Drehzahlschwingungsvorgängen bestehen. Die Zeitkonstante T2 des Drehzahlregelkreises
wird dabei als einzige aller Zeitkonstanten von den äußeren Verhältnissen (Last,
Trägheitsmasse, Reibung) und auch von den inneren Verhältnissen (Druck, Verdrängungsvolumender
Maschine 15) entscheidend bestimmt.
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Beim Windenbetrieb muß zumindest für die beiden Quadranten, in denen
von der Maschine 15 zum Hieven einer Last ein vorwärtsgerichtetes Drehmoment und
zum Fiereh einer Last ein rückwärtsgerichtetes Drehmoment abgegeben werden muß,
wobei im ersten Fall Leistung abgegeben und im zweiten Fall Leistung aufgenommen
wird, sichergeFtellt weiden, daß bei maximaler Last, wenn also die Maschine 15 völl
ausgeschwenkt ist und ihr größtmögliches Schuckvolumen erreicht, d.h. nicht weiter
ausgeschwenkt werden kann, der Druck im Leitungsstrang 14 in jedem Fall auf rechterhalten
wird. Dies wird durch einen dem Drehzahlregelkreis überlagerten druckabhängigen
Regelkreis erzielt, durch den die Drehzahl der Maschine 15 und damit deren Druckmittelbedarf
verringert wird, wenn dieser nicht allein von der Pumpe 11 gedeckt werden kann.
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Der der Drehzahlregelung überlagerte druckabhängige Regelkreis besteht
aus einer Vergleichsstufe 50) deren ingängen wiederum der Istwert und Sollwert des
Druckes irti Leitungsstrang 14 zugeführt wird, einem Positiv-Wert-Unterdrücker 51,
einem Verstärker 52 und einer Erkennungsschaltung 53 für die Drehrichtung der Maschine
15, wobei die Schaltung 53 mit dem Tachogenerator 41 verbunden ist.
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Wenn der Hochdruck-Istwert kleiner ist als der Hochdruck-Sollwert
soll eine Drehzahlabsenkung erfolgen Dabei ist die Druckdifferenz aus Sol- und Istwert
kleiner Null Also muß der Unterdrücker 51 die positiven Werte der Differenz zu null
setzen Die Erkennungsschaltung 53 ist notwendig, einerseits für die Erkennung des
Zustands Motorbetrieb der Maschine 15 in Verbindung mit dem Vordes Schwenkwinkels
zeichen/a2 (für die Druckabsenkung) und andererseits für die Drehzahlabsenkungt
bei n2 großer Null muß die Korrektur kleiner Null sein; bei n2 kleiner Null muß
die Korrektur größer Null sein. In dem Verstärker 52
wird somit
die Drehrichtung der Maschine 15 berücksichtigt, da der überlagerte Regelkreis nur
dann arbeiten soll, wenn eine schwere Last gehievt wird und dabei die Drehzahl entsprechend
herabgesetzt werden muß. Fällt dabei der Istwert des Druckes im Leitungsstrang 14
unter den eingestellten Sollwert, so wird durch den überlagerten Regelkreis der
Sollwert der Sekundärdrehzahl in der Korrekturstufe 44 abgesenkt, damit durch den
sinkenden Volumenstrombedarf des Motors 15 der Druck im Leitungsstrang 14 schnell
ansteigen kann. Der überlagerte Regelkreis hat eine Zeitkonstante T3, die gleich
der Zeitkonstante T2 der Drehzahlregelung der Maschine 15 sein kann.
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Ein weiterer der Drehzahlregelung überlagerter Regelkreis zum Absenken
der Drehzahl der Maschine 15 bei Oberlastung des Antriebsmotors 10 für die Primäreinheit
11 besteht aus einer Vergleichsstufe 60, deren Eingängen der in einem Stromwandler
61 gemessene Motorstrom und ein Grenzwert i zugeführt werden, einem an den Ausgang
der Vergleichsstufe 60 angeschlossenen Positiv-Wert-Unterdrücker 62 und einem Verzögerungsglied
63, dessen Ausgang mit der Korrekturstufe 44 für die Drehzahl verbunden ist. Nur
wenn die Stromaufnahme Iist des Motors 10 größer als die maximal zulässige ist,
also die Differenz aus Maximalwert und Istwert kleiner als Null ist, dann soll die
Drehzahl n2 korrigiert werden. Also muß der Unterdrücker 62 die positiven Werte
der Differenz zu Null setzen. Oberschreitet der Motorstrom die Maximalstromaufnahme
imax) so wird der Volumenstrombedarf der Sekundäreinheit 15 vermindert, indem der
Sollwert der vorgegebenen Drehzahl entsprechend vermindert wird. Auf diese Weise
kann der Druck im Leitungsstrang 14 unter allen Umständen, also auch bei Uberlastung
des Antriebsmotors 10 aufrechterhalten werden, indem die Sekundärdrehzahl abgesenkt
wird, um die Gefahr
eines Durchgehens der belasteten Winde zu vermeiden.
Aufgrund der verhältnismäßig großen Oberlastbarkeit elektti scher Maschinen kann
die Zeitkonstante dieses überlagerten Regelkreises wesentlich größer als die ZeitkonStante
T1 der Druckregelung sein. Beispielsweise kann die Zeitkonstante T4 dieser Uberlastschutzregelung
um den Faktor dreißig größer als T1 gewählt werden.
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Andererseits kann bei geringem Volumenstrombdarf, wenn also der Schwenkwinkel
der Maschine j5 verhältnismäßig gering ist, der Druck im Leitungsstrang 14 abgesenkt
werden, um den Wirkungsgrad des Getriebes zu verbessern.
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Hierzu wird ein zulässiger Grenzschwenkwinkel a2grenz festgelegt.
Der Winkel a2grenz kann als Funktion des Drucks pHD, des Verdrängungsvolumens der
Maschine 15 und als Funktion des Wirkungsgrads etahm = t(pHD,a2,n2,d1-temperatur)
vorgegeben werden. Bei mehreren Maschinen 15 wird immer der jeweils größte Schwenkwinkel
a2 hier berücksichtigt. Liegt der tatsä&chliche Schwenkwinkel a2 der Maschine
15 unter dem Grnzshwenkwinkel, so wird der Druck HD abgesenkt, indem der Sollwert
für den Druck im Leitungsstrang erniedrigt wird.
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Der Regelkreis zur Druckabsenkung besteht aus einem Verstärker 70,
dessen Eingang das der Lage des Stellgliedes 18 proportionale Stromsignal unter
multiplikativer Berücksichtigung der Drehrichtung von der Schaltung 53 zur Erkennung
der Drehrichtung zugeführt wird, einem mit dem Ausgang des Verstärkers 70 verbundenen
Negativ-Wert-Lnterdrücker 71, einer Vergleichsstufe 72, die als invertierender Summierer
ausgebildet ist und der der tatsächliche Schwenkwinkel sowie der Grenzwinkel zugeführt
werden; einem Verstärker 73, einer Druckbereichsbegrenzung 74, einem Verzögerungsglied
75 und einem Komparator 76.
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Die Betriebszustände - Motorbetrieb vorwärts d.h. Schwenkwinkel a2
größer Null und Drehzahl n2 größer Null und die Bedingung a2grenz größer (a2 mal
vorzeichen n2) - Motorbetrieb rückwärts (Lastmasse der Winde kompensiert die Reibung
im Antrieb nicht, z.B. im Leerhakenbetrieb, und daher muß beim Absenken angetrieben
werden) d.h. a2 kleiner Null und n2 kleiner Null und die Bedingung a2grenz größer
(a2 mal vorzeichen n2) - Pumpenbetrieb vorwärts und rückwärts d.h. (a2 mal vorzeichen
n2) kleiner Null führen zur Absenkung des Hochdrucks.
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Die Betriebszustände - Motorbetrieb vorwärts d.h. a2 größer Null und
n2 größer Null und die Bedingung a2grenz kleiner (a2 mal vorzeichen n2) - Motorbetrieb
rückwärts (Lastmasse einer Winde kompensiert die Reibung in Antrieb nicht, z.B.
im Leerhakenbetrieb, und daher muß beim Absenken angetrieben werden) d.h. a2 kleiner
Null und n2 kleiner Null und die Bedingung a2grenz kleiner (a2 mal vorzeichen n2)
führen zur Anhebung des Hochdrucks.
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Also muß der Unterdrücker 71 die negativen Werte von (a2 mal Vorzeichen
n2) zu Null setzen.
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Mit dem Druckbereichsbegrenzer 74 kann der zu fahrende Druckbereich
in den Grenzen pHDmin und pHDmax in Abhängigkeit des Signals S vom Verstärker 73
eingestellt werden, wobei der Vorzeichenwechsel durch die Vergleichsstufe 72 berücksichtigt
(V=-1 !) werden muß. Es sind die folgenden vier Fälle zu unterscheiden:
Der
Komparator 76 ist ein Bauteil, das jeweils den größeren der beiden anliegenden Spannungswerte
für den Drucksoll wert durchläßt. Im vorliegenden Fall wird der Sollwert für den
Druck PHDsoll erniedrigt, wenn der Leistungsbedarf der Maschine 15 entsprechend
gering ist. Dieser Regelkreis hat ein verzögertes Zeitverhalten mit einer Zeitkonstante
T5, die um den Faktor Einhundert gegenüber der Zeitkonstante T1 der Druckregelung
größer Sein kann, da dieser Regelkreis nur zum Verbessern des WiSkungsgrades erforderlich
ist Schließlich ist noch ein Regelkreis zur Druckerhöhung im Leitungsstrang 14 vorgesehen,
der aus einem Betragsbildner 80, einer Vergleichsstufe 81, einem Positiv-Wert-Unterdrücker
82, einem Verstärker 83 und dem Komparator 76 besteht. Dabei ist der Betragsbildner
80 an den Ausgang der Vergleichs stufe 40 angeschlossen und liefert ein Signal entsprechend
der Differenz des Drehzahl-Sollwerts n 2soll und des Drehzahl-hstwerts n2ist. Solange
diese Differenz dn oberhalb einet zulässigen Differenz n ngrenz liegt, wenn also
der Istwert der Drehzahl dem korrigierten Sollwert der Drehzahl nicht sulu.ell genug
folgt, wird am Ausgang der Vergleichsstufe 81 und damit des Verstärkers 83 ein Signal
PHDSO112 erzeugt, das dem zweiten Eingang des Komparators 76 zugeführt wird und
den Sollwert PHDsolll für den Druck im Leitungsstrang 14 erhöht. Nur wenn der Drehzahl-Istwert
dem Drehzahl-Sollwert nicht folgt, also wenn die Differenz aus Grenzdifferenz und
dem Betrag der Differenz aus Soll- und Istwert kleiner als Null ist, soll der Druck
erhöht werden. Werte größer Null werden deshalb im Unterdrücker 82 unterdrückt.
Die Druckerhöhung im Leitungsstrang 14 dient auch zur Sicherheit gegen Uberlastung
der Winde. Der Komparator 76 ist so geschaltet, daß der größere Sollwert stets die
Priorität erhält, so daß die Druckerhöhung im Leitungsstrang 14 gewährleistet ist.
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Die Zeitkonstante T6 des Regelkreises für die Druckerhöhung ist etwa
gleich der Zeitkonstante T1 für die Druckregelung.