DE60103717T2

DE60103717T2 - Hydromechanisches Getriebe

Info

Publication number: DE60103717T2
Application number: DE60103717T
Authority: DE
Inventors: Trent Lynn Waterloo Goodnight; Douglas Rene Waterloo Johnson; David D. Ames Dirks; William Göllner
Original assignee: Deere and Co; Sauer Danfoss Inc
Current assignee: Deere and Co; Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: BR0106844A; CA2357656A1; CA2357656C; ATE268878T1; EP1195542B1; CN1346030A; CN1242192C; US6485387B1; EP1195542A1; AU782320B2; JP4588273B2; AU7609901A; DE60103717D1; JP2002174330A; MXPA01009704A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hydromechanisches Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf ein Verfahren und Mittel zur Bestimmung der aktuellen Ausgangsdrehzahl bzw. -geschwindigkeit der Hydrostateinheit.
Die EP-A-0 831 252 offenbart in ihrer 8 und in dem zugehörigen Text ein hydro-mechanisches Getriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wobei das Ringrad durch die Verbrennungsmaschine und das Sonnenrad durch den Motor der Hydrostateinheit angetrieben werden.
Die Steuereinrichtung des hydro-mechanischen Getriebes gibt eine festgesetzte Ausgangsdrehzahl für die Hydrostateinheit vor, welche auf verschiedenartigen Eingangsfaktoren beruht. Für eine korrekte Steuerung ist es erforderlich, eine Rückführung der aktuellen oder gegenwärtigen Ausgangsdrehzahl der Hydrostateinheit an die Steuereinrichtung zu haben. Diese wurde in der Vergangenheit durch Verwendung eines gerichteten Halleffektsensors und eines magnetischen Ringträgers auf der Ausgangswelle der Hydrostateinheit oder auf einem durch die Hydrostateinheit angetriebenen Zahnrad bereitgestellt. Ein Nachteil dieses Lösungswegs liegt darin, dass die gerichteten Halleffektsensoren und der magnetische Ring relativ teuer sind. Ein anderer Nachteil liegt darin, dass dann, wenn sich die Hydrostateinheit nahe beim Nullhub befindet, die Ausgangsdrehzahl der Hydrostateinheit niedrig ist und die Frequenz der Drehzahlimpulse ebenfalls niedrig ist. Daher ist die Aktualisierungsgeschwindigkeit zur Messung der Ausgangsdrehzahl der Hydrostateinheit gering.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile, die mit der Verwendung eines gerichteten Halleffektsensors in Zusammenhang stehen, zu überwinden.
Diese und andere Ziele werden durch die vorliegende Erfindung entsprechend eines der Patentansprüche 1 oder 14 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
In einer vorteilhaften Verkörperung der vorliegenden Erfindung verwendet das Getriebe auf unterschiedlichen Zahnrädern des Getriebes zwei ungerichtete, relativ billige, variable, reluktante Drehzahlgeber, um die Drehzahl und Richtung des Ausgangs der Hydrostateinheit genau zu bestimmen. Einer der Geber befindet sich am Ausgang der Hydroeinheit der Hydrostateinheit und misst unmittelbar die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit. Der andere Geber befindet sich auf dem Planetenträger des Getriebes und misst die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit indirekt. Die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit wird basierend auf der vorliegenden Maschinendrehzahl und dem bekannten Zahnräderübersetzungsverhältnis des Getriebes berechnet. Der Träger dreht sich mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, wenn die Hydrostateinheit still steht oder sich mit einer niedrigen Drehzahl dreht. Des Weiteren dreht sich die Ausgangswelle der Hydrostateinheit mit relativ hoher Drehzahl, wenn der Träger still steht oder sich mit einer geringen Drehzahl dreht. Der Geber, der die schnellere aktuelle Drehzahl misst, ist der Geber, der verwendet wird, um die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit zu ermitteln. Es gibt eine Übergangsperiode, während der die beiden gemessenen Drehzahlen relativ nahe beieinander liegen. In der Übergangsperiode werden die durch die beiden Geber erfassten Ausgangsdrehzahlen der Hydroeinheit gemittelt, und es wird der Mittelwert durch die Steuereinrichtung als Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit verwendet.
Durch die Verwendung des Gebers mit dem höchsten aktuellen Drehzahlmesswert ist die Frequenz der Drehzahlmessung immer größer als oder gleich 250 Hz. Hieraus folgt, dass für eine Geschwindigkeitssteuerung in einem geschlossenen Regelkreis alle 4 ms eine neue und genaue Drehzahl gemessen werden kann. Die variablen reluktanten Geber sind nicht teuer und können vorhandene Zahnräder des Getriebes ohne das Erfordernis eines auf gepressten Magnetrings messen. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung von zwei Gebern zur Messung der Drehzahl der Hydrostateinheit die Fehlerüberwachung und On-Board-Diagnosen durch die Steuereinrichtung.
Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Anordnungen der Erfindung werden nun beispielhaft und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert, in denen
1 eine schematische Darstellung des hydromechanischen Getriebes der vorliegenden Erfindung ist und
2 ein Diagramm ist, das die Drehzahl des Ringrades und die Drehzahl des Planetenträgers in Abhängigkeit der Bodengeschwindigkeit des Fahrzeugs darstellt.
Das hydro-mechanische Getriebe der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Getriebe 10 ist angepasst, um durch eine Verbrennungsmaschine 12, die eine Ausgangswelle 14 aufweist, angetrieben zu werden. Des Weiteren enthält das Getriebe eine Hydrostateinheit, welche eine Drehzahlverstellpumpe 16 und einen Motor 18, welcher durch die Pumpe 16 angetrieben wird, umfasst. Die Ausgangswelle 14 der Verbrennungskraftmaschine treibt über die Zahnräder N2 und N1 die hydrostatische Pumpe 16 an.
Das Getriebe enthält ein Planetensystem 20, welches einen ersten und einen zweiten Planetenrädersatz 24 und 26 aufweist. Die Planetenrädersätze 24, 26 haben einen gemeinsamen Planetenträger 28, der die ganzheitlichen Planetenräder P1 und P2 der jeweiligen beiden Planetenrädersätze trägt. Ein einziges Ringrad R2 ist vorgesehen, das mit dem Planetenrad P2 kämmt. Die Ausgangswelle 14 der Verbrennungsmaschine 12 treibt auch das Sonnenrad S1 des ersten Planetenrädersatzes 24 an. Der zweite Planetenrädersatz 26 hat ein Sonnenrad S2.
Das Getriebe enthält zwei Kupplungen, eine Kupplung CL für einen tiefen Bereich und eine Kupplung CH für einen hohen Bereich. Die Kupplung CL ist einrückbar, um den Träger 28 über die Zahnräder N5 und N6 mit der Differentialgetriebeantriebswelle 42 zu verbinden. Die Kupplung CH ist einrückbar, um das Sonnenrad S2 über die Zahnräder N5 und N6 mit der Differentialgetriebeantriebswelle 42 zu verbinden. Das Getriebe enthält auch einen Reversierplanetengetriebesatz 30, welcher ein Ringrad R3, Planetenräder P3 und ein Sonnenrad S3 hat. Wenn die Bremse BR eingerückt ist, um die Rotation des Ringrades R3 zu beenden und wenn die beiden Kupplungen ausgerückt sind, dreht sich das Sonnenrad S3 in umgekehrte Richtung, und ändert damit die Drehrichtung der Antriebswelle 42.
Das Getriebe enthält eine elektronische Steuereinrichtung 44, welche mit den hydraulischen Betätigungselementen 46 kommuniziert, um das Getriebe 10 zu steuern. Die hydraulischen Betätigungselemente werden verwendet, um den Ausgang der hydrostatischen Verstelleinheit 16 zu steuern sowie die Kupplungen CL, CH und die Bremse BR des Getriebes einzukuppeln und auszukuppeln. Die Steuereinrichtung kommuniziert des Weiteren mit der elektronischen Steuereinrichtung 48 der Verbrennungsmaschine, um die Steuerungen der Verbrennungsmaschine 12 und des Getriebes 10 miteinander zu koordinieren. Die Getriebesteuereinrichtung 44 empfängt, neben anderen Dingen, ein Eingangssignal von der elektronischen Maschinensteuereinrichtung 48 hinsichtlich der Drehzahl der Verbrennungsmaschine, welche die Drehzahl des Sonnenrades S1 ist.
Die elektronische Steuereinrichtung 44 gibt eine Drehzahl für die Ausgangswelle 50 der Hydroeinheit, welche das Zahnrad N4 antreibt, vor. Um das Getriebe zu steuern, ist es erforderlich, ein Steuersystem mit einem geschlossenen Regelkreis zu haben, in welchem die aktuelle Drehzahl der Ausgangswelle 50 der Hydroeinheit für die Steuereinrichtung 44 bereitgestellt wird.
Ein erster variabler reluktanter Drehzahlgeber 58 misst die Drehzahl des Ringrades R2, welches durch den Ausgang der Hydroeinheit über die Zahnräder N3 und N4 angetrieben wird. Die Drehzahl von R2 ist unmittelbar proportional zu der Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit. Alternative kann sich der Geber 58 zur Messung der Drehzahl des Zahnrades N4 an der Ausgangswelle der Hydroeinheit befinden. Der Geber 58 liefert ein unmittelbares Maß für die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit.
Ein zweiter variabler reluktanter Drehzahlgeber 60 misst die Drehzahl des Planetenträgers 28. Dies ist eine indirekte Messung der Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit, wobei die Steuereinrichtung 44 die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit aus der Trägerdrehzahl und der Drehzahl des Sonnenrades S1 berechnen muss. Die Ausgangsdrehzahl (hydro speed) der Hydroeinheit wird durch folgende Gleichung berechnet: Hydro speed = {([(P2 * S1) + (P1 * R2)] * [carrier speed] – [P2 * S1 * (speed S1)])/(P1 * R2)} * {–N4/N3}
Wobei P1, S1 etc. die jeweilige Anzahl von Zähnen auf den entsprechenden Zahnrädern repräsentieren und "carrier speed" die Trägerdrehzahl und „speed S1" die Drehzahl des Zahnrades S1 sind. Der sich ergebende Wert ist entweder positiv oder negativ und zeigt somit die Drehrichtung des Hydroeinheitsausgangs an. Diese Gleichung kann zu allen Zeiten verwendet werden, um die Richtung des Hydroausgangs zu ermitteln, selbst dann, wenn die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit durch den Geber 58 auf dem Ringrad R2 bestimmt wird.
Mit Bezug auf 2 werden die Drehzahl des Trägers 28 und die Drehzahl des Ringrades R2 in Relation zu der Fahrzeuggeschwindigkeit über dem Boden gezeigt. Wie ersichtlich, sind weder die Trägerdrehzahl noch die Ringraddrehzahl bei derselben Bodengeschwindigkeit Null oder nahezu Null. Eine der beiden dreht sich immer mit einer Geschwindigkeit, die schnell genug ist, um die erforderliche Messfrequenz für den Hydroeinheitsausgang bereitzustellen. Derjenige der beiden Geber 58, 60, der die schnellere aktuelle Drehzahl misst, ist der Geber, der verwendet wird, um die gemessene Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit zu ermitteln. Wenn die beiden durch die Geber gemessenen aktuellen Drehzahlen nahezu gleich sind, z. B. innerhalb von 10% zueinander liegen, wird aus den Ausgangsdrehzahlen der Hydroeinheit, wie sie durch die beiden Geber ermittelt wurden, der Durchschnitt gebildet. Der Durchschnittswert wird durch die Steuereinrichtung als Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit verwendet.
Durch die Verwendung zweier magnetischer Geber anstelle eines einzigen gerichteten Halleffektsensors ist die Frequenz der Drehzahlmessung immer größer als 250 Hz, selbst dann, wenn die Hydrostateinheit still steht oder nahezu still steht.
Vorzugsweise wird der Träger 28 für das indirekte Messen der Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit verwendet. Jedoch können auch andere Komponenten des Getriebes, die durch den Planetenrädersatz 24 angetrieben werden, bei dieser Messung verwendet werden. Beispielsweise können die Drehzahlen der Sonnenräder S2 oder S3 gemessen und die Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit daraus berechnet werden. Abhängig davon, welches Element verwendet wird, kann der Kupplungsschlupf ein komplizierter Faktor sein. Dies ist der Grund, warum die Trägerdrehzahl bevorzugt wird, weil Kupplungsschlupf keine maßgebliche Größe bei der Berechnung der Ausgangsdrehzahl der Hydroeinheit ist.
Die Erfindung soll nicht durch die oben beschriebene Anordnung, sondern lediglich durch die Patentansprüche beschränkt sein.

Claims

Hydro-mechanisches Getriebe, welches durch eine Verbrennungsmaschine (12) antreibbar ist, besagtes hydromechanisches Getriebe enthält: eine drehzahlverstellbare Hydrostateinheit, die eine Pumpe (16) und einen Motor (18) mit einer Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit enthält, wobei die Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit verstellbar ist, ein Planetensystem (20), welches ein Sonnenrad (51), ein Ringrad (R2) und auf einem Planetenträger (28) angebrachte Planetenräder (P1, P2) hat, wobei die Trägerdrehzahl eine Funktion der Sonnenraddrehzahl und der Ringraddrehzahl ist, eine elektronische Getriebesteuereinrichtung (44), die eine gewünschte Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit vorgibt, und ein Paar Getriebedrehzahlgeber (58, 60), die an die Steuereinrichtung (44) eine Rückmeldung der Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit liefern, wobei der erste Geber (58) des Paares unmittelbar die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit misst und der zweite Geber (60) die Drehzahl eines Getriebeelements misst, welches durch die Planetenräder (P1, P2) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (S1) durch die Verbrennungsmaschine (12) antreibbar ist, dass das Ringrad (R2) durch die Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit angetrieben wird, dass der zweite Geber (60) die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit indirekt misst, in dem diese Drehzahl aus der durch den zweiten Geber (60) gemessenen Drehzahl unter Verwendung der derzeitigen Maschinendrehzahl berechnet wird, und dass die Steuereinrichtung (44) Mittel enthält zur Bestimmung der Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit von demjenigen der Geber (58, 60) des Paares der Geber, der derzeitig die höhere aktuelle Drehzahl misst.
Getriebe nach Anspruch 1, wobei der zweite Geber (60) indirekt die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit misst, indem er die Drehzahl des Planetenträgers (28) misst, von welcher die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit gestützt auf die aktuelle Maschinendrehzahl berechnet wird.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (44) die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit ermittelt durch Mittelwertbildung der Ausgangswellendrehzahlen der Hydrostateinheit, wie sie von der Rückmeldung der beiden Geber (58, 60) ermittelt sind.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (44) die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit ermittelt durch Mittelwertbildung der Ausgangswellendrehzahlen der Hydrostateinheit, wie sie von der Rückmeldung der beiden Geber (58, 60) ermittelt wurden, sofern die durch die beiden Geber (58, 60) erzeugten Drehzahlsignale innerhalb eines vorherbestimmbaren Bereichs zueinander liegen.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geber variable reluktante Drehzahlgeber sind.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren enthaltend ein hydraulisches Betätigungselement (46), welches Steuereingangssignale von der elektronischen Steuereinrichtung (44) empfängt.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Steuereinrichtung (44) von einer elektronischen Maschinensteuereinrichtung (48) ein Maschinendrehzahlsignal empfängt.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Geber die Drehzahl eines Zahnrades, insbesondere eines durch die Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit angetriebenen Ringrades (R2), misst, aus der die Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit ermittelt wird.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend ein Planetensystem (20) mit ersten und zweiten Planetenrädersätzen (24, 26), wobei der erste Planetenrädersatz (24) ein durch die Verbrennungsmaschine antreibbares Sonnenrad (S1), Planetenräder (P1, P2) und einen Planetenträger (28) aufweist, während der zweite Planetenrädersatz (26) ein durch die Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit angetriebenes Ringrad (R2), ein Sonnenrad (S2) und Planetenräder (P2), die mit den Planetenrädern (P1) integriert sind und von dem Planetenträger (28) getragen werden, enthält, wobei die Trägerdrehzahl eine Funktion der Drehzahl des Sonnenrades (S1) und der Drehzahl des Ringrades (R2) ist.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe des Weiteren einen Reversierplanetenrädersatz (30) aufweist mit einem Sonnenrad (S3), welches eine Getriebeausgangswelle (42) antreibt, und mit von dem Planetenträger (28) getragenen Planetenrädern (P3) und mit einem Paar von Kupplungen, welche eine Kupplung (CL) für einen tiefen Bereich und eine Kupplung (HC) für einen hohen Bereich umfassen, wobei die Kupplungen wahlweise einrückbar sind, um den Träger (28) beziehungsweise das Sonnenrad (S2) mit der Ausgangswelle (42) zu verbinden.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, indem der zweite Geber (60) indirekt die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit misst, indem die Drehzahl eines durch einen ersten Planetenradsatz (24) angetrieben Getriebeelements gemessen wird, von der die Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit gestützt auf der Drehzahl des Sonnenrades (51) und dem bekannten Übersetzungsverhältnis der Getriebezahnräder ermittelt werden kann.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, indem der zweite Geber (60) die Drehzahl des Planetenträgers (28) misst.
Getriebe nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, indem die Ausgangsdrehzahl der Hydrostateinheit aus der Trägerdrehzahl und der Drehzahl des Sonnenrades (S1) mittels der Gleichung berechnet wird: Hydro speed = {([(P2 * S1) + (P1 * R2)] * [carrier speed] – [P2 * S1 * (S1 speed)])/(P1 * R2)} * {–N4/N3} wobei P1, S1, R2, P2, N3 und N4 die Anzahl von Zähnen auf den entsprechenden Zahnrädern repräsentieren und carrier speed die Trägerdrehzahl und S1 speed die Drehzahl des Zahnrades S1 sind.
Verfahren zur Bestimmung der aktuellen Ausgangsdrehzahl der Ausgangswelle (50) einer Hydrostateinheit in einem durch eine Verbrennungsmaschine antreibbaren hydromechanischen Getriebe, das Getriebe enthält eine drehzahlverstellbare Hydrostateinheit, die eine Pumpe (16) und einen Motor (18) mit einer Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit hat, wobei die Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit verstellbar ist, ein Planetensystem (20), welches ein durch die Verbrennungsmaschine (12) antreibbares Sonnenrad (S1), ein durch die Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit angetriebenes Ringrad (R2) und auf einem Planetenträger (28) angebrachte Planetenräder (P1, P2) hat, wobei die Trägerdrehzahl eine Funktion der Sonnenraddrehzahl und der Ringraddrehzahl ist, und eine elektronische Getriebesteuereinrichtung (44), die eine gewünschte Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit vorgibt, wobei das Verfahren zur Bestimmung der aktuellen Drehzahl die Schritte enthält: Bereitstellen eines ersten Gebers (58) zur Messung der Drehzahl einer Komponente, deren Drehzahl direkt proportional zu der Drehzahl der Ausgangswelle (50) der Hydrostateinheit ist, der erste Geber (58) erzeugt ein Signal für die Steuereinrichtung (44), welches die Planetenträgerdrehzahl angibt; Bereitstellen eines zweiten Gebers (60) zur Messung der Drehzahl des Planetenträgers (28) und zur Erzeugung eines Signals für die Steuereinrichtung (44), welches die Planetenträgerdrehzahl angibt, von welchem die Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit gestützt auf der Verbrennungsmaschinendrehzahl und dem Übersetzungsverhältnis des Planetensystems (20) ermittelt werden kann; und Auswählen als Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit diejenige Drehzahl, die von demjenigen Geber des ersten (58) und zweiten (60) Gebers bestimmt ist, welcher ein Signal erzeugt, welches die höhere aktuelle Drehzahlmessung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die von den Signalen der beiden Geber (58, 60) ermittelten Ausgangswellendrehzahl der Hydrostateinheit gemittelt werden, sofern die aktuelle Drehzahlmessungen der beiden Geber (58, 60) innerhalb eines vorherbestimmbaren Bereichs zueinander liegen.