DE102007003800B3

DE102007003800B3 - Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems

Info

Publication number: DE102007003800B3
Application number: DE102007003800A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Gerth; Jan Bendixen
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: US20080184703A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems, das mindestens eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Pumpe und mindestens einen von der Pumpe angetriebenen Hydromotor aufweist und umfasst die Verfahrensschritte: - Bestimmung des durch den Hydromotor fließenden Volumenstroms; - Ermittlung eines ersten Verstell-Sollwerts für den Hydromotor in Abhängigkeit von dem zuvor bestimmten Volumenstrom; - Ermittlung eines zweiten Verstell-Sollwerts durch Modifizierung des ersten Verstell-Sollwerts durch einen Korrekturwert, der in Abhängigkeit von der Soll/Ist-Abweichung der Brennkraftmaschinendrehzahl mittels einer fahrzeugspezifischen Kennlinie, die das unterschiedliche Leistungsprofil für Zug- und Schubbetrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigt, ermittelt wird, wobei der Hydromotor derart verstellt wird, dass ein im Wesentlichen konstantes Druckniveau am maximalen Leistungsniveau der Brennkraftmaschine erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
In Arbeits- und Baumaschinen sind in der Regel hydrostatische Fahrantriebe vorgesehen, die eine Brennkraftmaschine, typischerweise einen Dieselmotor, zumindest eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Pumpe und zumindest einen Hydromotor aufweisen, der von der Pumpe versorgt wird. Der Hydromotor wirkt dabei bspw. über ein Übersetzungsgetriebe oder eine Kardanwelle auf die Antriebsachse. Die zugehörigen Fahrsteuerungen sind vielfach automotiv ausgelegt, d.h. das Ausschwenken der Pumpe erfolgt in Abhängigkeit vom Gaspedal des Verbrennungsmotors, und damit in Abhängigkeit von dessen Drehzahl. Dadurch ergibt sich ein weiches Anfahren und mit progressiver Volumenstromzunahme eine wachsende Beschleunigung des Fahrzeugs. Es kann damit in analoger Weise wie ein herkömmlicher PKW über das Gaspedal gesteuert werden, was eine bedeutende Erleichterung für das Bedienungspersonal von einschlägigen mobilen Maschinen, bspw. Radladern, Gabelstaplern sowie land- und forstwirtschaftlichen Maschinen darstellt.
Die bloße Steuerung der Pumpe nach Maßgabe der Gashebelstellung reicht für einen komfortablen Betrieb des Fahrzeugs in der Regel nicht aus. Vielmehr muss auch der Hydromotor den unterschiedlichen Last- und Fahrsituationen entsprechend verstellt werden. Insbesondere beträgt das Leistungsaufnahmevermögen der Pumpen in der Regel ein Mehrfaches der nominellen Leistung des Verbrennungsmotors, was eine entsprechende Leistungsbegrenzung des hydrostatischen Antriebs erforderlich macht, die im Lastbetrieb das Abwürgen der Brennkraftmaschine und im Schiebetrieb deren Überdrehen verhindert.
Um dem Antriebssystem ein optimales Drehmoment zu verleihen und unter unterschiedlichen Bedingungen, wie Beschleunigung, Verzögerung, Bergauf-, Bergabfahrt die optimale Leistung der Brennkraftmaschine abrufen zu können, ist herkömmlich eine aufwändige Drucksensorik zur Konstantdruckregelung erforderlich.
Einschlägige Fahrsteuerungen sind in DE 42 26 453 A1 und O + P „Ölhydraulik und Pneumatik" 35 (1991) Nr. 11, Seiten 836–839 beschrieben.
Mit der vorliegenden Anmeldung soll ein einfacheres und kostengünstiges Verfahren zur Regelung der Hydromotor-Verstellung in hydrostatischen Antriebssystemen geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems erreicht, das eine von einer Brennkraftmaschine angetriebene Pumpe und mindestens einen von der Pumpe angetriebenen Hydromotor aufweist und folgende Verfahrensschritte umfasst: Es wird der durch den Hydromotor fließenden Volumenstrom bestimmt und in Abhängigkeit hiervon ein erster Verstell-Sollwert für den Hydromotor ermittelt. Aus dem ersten Verstell-Sollwert wird eine zweiter Verstell-Sollwert bestimmt, indem der erste Verstell-Sollwert durch einen Korrekturwert modifiziert wird, der in Abhängigkeit von der Soll/Ist-Abweichung der Brennkraftmaschinendrehzahl mittels einer fahrzeugspezifischen Kennlinie, die das unterschiedliche Leistungsprofil für Zug- und Schubbetrieb der Brennkraftmaschine berücksichtigt, ermittelt wird. Die Verstellung des Hydromotors erfolgt in der Weise, dass ein im wesentlichen konstantes Druckniveau am maximalen Leistungsniveau der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass mit der Regelung der Hydromotorverstellung entsprechend der von der Pumpe geförderten Ölmenge zugleich eine Grenzlastregelung verbunden ist, die im Lastfall der Drehzahldrückung der Brennkraftmaschine entgegenwirkt und im Schiebebetrieb deren Bremswirkung verzögerungsfrei verstärkt.
Vorzugsweise wird der Volumenstrom aus der aktuellen Drehzahl des Hydromotors und seinem Schluckvolumen oder aus der aktuellen Drehzahl der Pumpe und deren Schluckvolumen bestimmt, wobei das Schluckvolumen aus dem elektrischen Strom ermittelt wird, mit dem die jeweilige Verstelleinrichtung betätigt wird. Alternativ kann der Volumenstrom auch mittels eines im Leitungssystem vorgesehenen Volumenstrommessgeräts bestimmt werden.
Bevorzugt erfolgt die Verstellung des Hydromotors mittels einer elektrisch-proportionalen Verstelleinheit. In anderer Ausgestaltung der Erfindung kann das Verfahren auch bei einer hydraulischen Folgeverstellung angewendet werden. Dies hat den Vorteil, dass das Regelungsschema bei bau-, forst- und landwirtschaftlichen Maschinen mit unterschiedlichen Fahrsteuerungen ohne größere Eingriffe in das sonstige Fahrverhalten eingebaut werden kann.
Der zweite Verstell-Sollwert dient nach Umsetzung über die Strom-Kennlinie des Hydromotor-Aktuators zur Verstellung des Hydromotors. Es kann aber von Vorteil sein, vor der Umsetzung über die Strom-Kennlinie noch weitere Korrekturschritte anzubringen. So kann der zweite Verstell-Sollwert noch weiter an die Drehmoment-Charakteristik der Brennkraftmaschine angepasst werden. Dies geschieht dadurch, dass der zweite Verstell-Sollwert durch einen Korrekturwert modifiziert wird, der in Abhängigkeit vom Istwert der Brennkraftmaschinendrehzahl mittels einer fahrzeugspezifischen Kennlinie ermittelt wird. Damit ergibt sich ein dritter Verstell-Sollwert, der bei Bedarf außerdem über eine fahrzeugspezifische Kennlinie an das jeweilige Fahrprofil angepasst werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
Es zeigen:
1A, 1B: Das Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen flussregulierten Hydromotorverstellung.
2: Das Schluckvolumen des Hydromotors als Funktion des Verstell-Stroms.
3: Der erste Verstell-Sollwert w als Funktion des Volumenstroms Q.
4: Der Korrekturfaktor K als Funktion der Abweichung der Soll-/Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine.
5: Anpassung des Verstell-Sollwerts an das Fahrprofil.
6: Strom-Kennlinie: Verstellstrom des Hydromotors als Funktion des Verstell-Sollwerts;
7: Der Korrekturfaktor K_M als Funktion der Ist-Drehzahl der Brennkraftmaschine.
8: Antriebssystem für die flussregulierte Hydromotor-Verstellung.
In den 1A und 1B ist das Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen flussregulierten Hydromotor-Verstellung dargestellt. Die Regelung basiert auf der Ermittlung des Volumenstroms Q, d.h. der vom Hydromotor aufgenommenen Ölmenge gemäß Block 4. Im dargestellten Beispiel wird diese Ölmenge aus der Drehzahl n_Mot und dem aktuellen Schluckvolumen V des Hydromotors gemäß den Verfahrensschritten 2, 3 bestimmt. Das aktuelle Schluckvolumen V wiederum ergibt sich gemäß Block 1 aus dem aktuellen elektrischen Verstellstrom mit Hilfe der in 2 dargestellten Verstellstromkennlinie. Die ermittelte Ölmenge Q bildet die wesentliche Basis für die Regelung der Motorverstellung und wird im Block 5 im Zuge einer einfachen anhand von 3 dargestellten Skalierung in einen ersten Verstell-Sollwert w umgerechnet, der in Prozent der maximalen Verstellung angegeben wird. Dies gilt auch für die weiteren Adaptationen des Verstell-Sollwerts, der zuletzt, wie in 6 (Block 11) dargestellt, wieder in elektrischen Strom zur Betätigung des Hydromotor-Aktuators umgesetzt wird.
Um fahrzeugspezifische Charakteristiken und die eingangs genannten unterschiedliche Fahrsituationen berücksichtigen zu können, wird der Verstell Sollwert w gemäß 1B (Block 6, 7) über eine einstellbare Kennlinie modifiziert. Diese ist in 4 dargestellt und bedeutet eine in einfacher Weise realisierbare Grenzlastregelung der Brennkraftmaschine. Gemäß Block 6, 7 wird ein Korrekturfaktor K bestimmt, der von der Abweichung Δn_BMK der Istdrehzahl von der Solldrehzahl der Brennkraftmaschine abhängt. Die Solldrehzahl ergibt sich aus der Stellung des Fahrpedals/Fahrpotentiometers. Der Istwert wird durch einen Drehzahlsensor an der Welle der Brennkraftmaschine ermittelt. In Abhängigkeit hiervon wird das in 4 schematisch dargestellte fahrzeugspezifische Profil nach folgenden Kriterien vorgegeben: Ist der Sollwert höher als der Istwert, dann bedeutet dies, dass die Brennkraftmaschine belastet wird und untertourig läuft (sog. Drehzahldrückung). Im Extremfall würde die Drehzahldrückung zu einem Abwürgen führen. Deshalb wird mit zunehmender Drehzahldifferenz der Verstell-Sollwert w über das Profil der in 4 dargestellten Kennlinie zunehmend reduziert. Die Brennkraftmaschine wird dadurch entlastet und kann wieder auf Solldrehzahl gelangen. Im umgekehrten Fall, wenn die Solldrehzahl niedriger ist als der Istwert, wird die Brennkraftmaschine entlastet (Schiebebetrieb). Wegen der damit verbundenen Drehzahlerhöhung steigt auch der Volumenstrom an, was letztlich zum Verlust der natürlichen Bremswirkung der Brennkraftmaschine führt. Deshalb wird auch in diesem Falle der Verstell-Sollwert über die in Rede stehende Kennlinie zunehmend reduziert, was die Bremswirkung deutlich verbessert und ein Überdrehen der Brennkraftmaschine verhindert.
Auf die geschilderte Weise lässt sich die flussregulierte Hydromotor-Verstellung mit einer effizienten Grenzlastregelung verbinden. Das Ergebnis ist der in 1B, Block 7 angegebene zweiter Verstell-Sollwert x, der aus dem ersten Verstell-Sollwert w und dem Korrekturfaktor K bestimmt wird, wobei x = K·w/100.
Bei Bedarf kann der vorgenannte zweite Verstell-Sollwert x noch weiter angepasst werden. Block 9 von 1B stellt die Adaptierung an die Charakteristik der Brennkraftmaschine hinsichtlich Drehmoment und Leistung dar. 7 zeigt hierzu schematisch eine fahrzeugspezifisch vorgebbare, einstellbare Kennlinie, die den Korrekturfaktor K_M in Abhängigkeit vom Drehzahl-Istwert n_MBK der Brennkraftmaschine zeigt. Dieser Korrekturfaktor K_M wird passend zum Drehmoment-/Leistungsverlauf der Brennkraftmaschine profiliert und ergibt in ähnlicher Weise, wie bei der zuvor beschriebenen Grenzlastregelung einen dritten Verstell-Sollwert y, mit y = K_M x/100. Hierdurch wird erreicht, dass der Antrieb immer möglichst nahe an der optimalen Leistung der Brennkraftmaschine arbeitet.
Die weiteren in 1B dargestellten Verfahrensschritte gemäß Block 10 und Block 11 stellen die herkömmliche Adaptation an das Fahrprofil, vgl. 5, sowie die Umsetzung des Verstell-Sollwerts in elektrischen Strom, vgl. 6, zur Betätigung des Hydromotor-Aktuators 12 dar. Über das Fahrprofil wird die Aggressivität des Fahrzeugs eingestellt, wobei bspw. Beschleunigungen und/oder Verzögerungen über entsprechende Rampen bedämpft werden können.
8 zeigt die prinzipielle Konfiguration des Antriebssystems zur flussregulierten Hydromotorverstellung. Die Brennkraftmaschine (BMK) 15 treibt die Pumpe 14 an, die ihrerseits den verstellbaren Hydromotor 13 versorgt. Der Hydromotor treibt die Antriebsräder 21 an. Die Fahrelektronik 16 empfängt die Drehzahlen der Brennkraftmaschine und der Abtriebswelle des Hydromotors 13 über die Drehzahlsensoren 19 und 20, sowie die Signale des Fahrpedals 17 und des Fahrtrichtungsschalters 18. Über die Leitung 22 wird der Hydromotor-Aktuator mit dem elektrischen Verstell-Strom nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren beaufschlagt. Über die Leitung 23 erfolgt die herkömmliche automotive Steuerung der Pumpe 14.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel betrifft die elektrisch-proportionale Verstellung des Hydromotors, dessen Aktuator mit den entsprechenden elektrischen Signalen angesteuert wird. Das beschriebene System ist aber auch auf eine hydraulische Folgeverstellung anwendbar. Hierbei wird der Volumenstrom in analoger Weise aus den Verstelldaten der Pumpe ermittelt, die elektrisch-proportional angesteuert wird. Die Verstellung des Hydromotors erfolgt mittelbar über den Verstelldruck der Pumpe. Hierbei wird das System so eingestellt, dass bspw. bei etwa halbem Verstelldruck die Pumpe schon maximal verstellt ist und durch weitere Erhöhung des Pumpen-Verstellstroms der Verstelldruck weiter erhöht und somit der Hydromotor verstellt wird. Die Hydromotor-Verstellung kann hydraulisch in Bezug auf Ansprechdruck und Verstelldruckbereich entsprechend konfiguriert werden.
Mit der erfindungsgemäßen flussregulierten Hydromotor-Verstellung wird somit in vorteilhafter Weise ein konstantes Druckniveau am maximalen Leistungsniveau der Brennkraftmaschine und damit eine maximales Drehmoment am Ausgang des hydrostatischen Fahrantriebs erreicht (Konstantdruckregelung), wenn sich durch die externe Belastung die Drehzahl der Brennkraftmaschine reduziert und/oder die Schwenkscheibe der Hydraulikpumpe auf einen kleineren Winkel zurückgestellt wird. Außerdem wird im Bremsbetrieb eine Bremsdrucksteuerung realisiert, die eine unerwünscht starke Verzögerung dadurch verhindert, dass beim Erkennen eines über dem Soll-Wert der Brennkraftmaschinendrehzahl liegenden Ist-Werts der Hydromotor über eine andere, entsprechend festgelegte Kennlinie oder Kennfeld vom minimalem Schluckvolumen auf maximales Schluckvolumen geschwenkt wird.

1: Bestimmung des Hydromotor-Verstellstroms
2: Berechnung des aktuellen Schluckvolumens
3: Drehzahlmessung Hydromotor
4: Berechnung des Volumenstroms
5: Bestimmung des 1. Verstell-Sollwerts
6: Bestimmung der Drehzahl-Soll/Istwert-Abweichung BKM
7: Bestimmung 2. Verstell-Sollwert
8: Bestimmung Drehzahl-Istwert der Brennkraftmaschine
9: Bestimmung 3. Verstell-Sollwert
10: Fahrprofil, 4. Verstell-Sollwert
11: Sollwert-Strom-Kennlinie
12: Hydromotor-Aktuator
13: Hydromotor
14: Pumpe
15: Brennkraftmaschine BKM
16: Fahrelektronik
17: Fahrpedal
18: Fahrtrichtungsschalter
19: Drehzahlmesser Brennkraftmaschine
20: Drehzahlmesser Hydromotor
21: Antriebsräder
22, 23: Leitungen zur Beaufschlagung der Aktuatoren von Hydromotor und Pumpe
I: Verstell-Strom
K, K_M: Korrekturfaktoren
Q: Volumenstrom
V: Schluckvolumen

Claims

Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebssystems, das mindestens eine von einer Brennkraftmaschine (15) angetriebene Pumpe (14) und mindestens einen von der Pumpe (14) angetriebenen Hydromotor (13) aufweist, mit den Verfahrensschritten: – Bestimmung des durch den Hydromotor (13) fließenden Volumenstroms (Q); – Ermittlung eines ersten Verstell-Sollwerts (w) für den Hydromotor (13) in Abhängigkeit von dem zuvor bestimmten Volumenstrom (Q); – Ermittlung eines zweiten Verstell-Sollwerts (x) durch Modifizierung des ersten Verstell-Sollwerts (w) durch einen Korrekturwert (K), der in Abhängigkeit von der Soll/Ist-Abweichung (Δn_BKM) der Brennkraftmaschinendrehzahl mittels einer fahrzeugspezifischen Kennlinie, die das unterschiedliche Leistungsprofil für Zug- und Schubbetrieb der Brennkraftmaschine (15) berücksichtigt, ermittelt wird, und – Verstellung des Hydromotors (13) derart, dass ein im wesentlichen konstantes Druckniveau am maximalen Leistungsniveau der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Volumenstrom (Q) aus der aktuellen Drehzahl des Hydromotors (13) und seinem Schluckvolumen (V) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Volumenstrom (Q) aus der aktuellen Drehzahl der Pumpe (14) und deren Schluckvolumen (V) bestimmt wird.
Verfahren nach der Anspruch 2 oder 3, bei welchem das Schluckvolumen (V) aus dem elektrischen Strom bestimmt wird, mit dem die Verstelleinrichtung betätigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Volumenstrom (Q) mittels eines im Leitungssystem vorgesehenen Volumenstrommessgeräts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Verstellung des Hydromotors (13) mittels einer hydraulisch-proportionalen Verstellung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Verstellung des Hydromotors (13) mittels einer elektrisch-proportionalen Verstelleinheit erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem aus dem zweiten Verstell-Sollwert (x) ein dritter Verstell-Sollwert (y) durch Modifizierung des zweiten Verstell-Sollwerts (x) durch einen Korrekturwert (K_M), der in Abhängigkeit vom Istwert der Brennkraftmaschinendrehzahl mittels einer fahrzeugspezifischen Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der dritte Verstell-Sollwert (y) an das Fahrprofil (z) angepasst wird.