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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Steuerung eines Hydrauliksystems, insbesondere einer mobilen
Arbeitsmaschine, mit mindestens einer Brennkraftmaschine, die wenigstens
eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen sowie ggf weitere
hydraulische Konstantpumpen antreibt.
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In der
EP 0 497 293 A1 wird ein Verfahren zur Grenzlastregelung
eines hydrostatischen Antriebes sowie ein hydrostatischer Antrieb
für Arbeitsmaschinen
beschrieben. Dort wird über
Messeinrichtungen die Gaspedal- Stellung sowie die Ist- Drehzahl der
in der Arbeitsmaschine vorhandenen Brennkraftmaschine erfasst und
diese Messwerte werden einer elektronischen Regeleinrichtung zugeführt. Über die Differenz
von der aus den Messwerten bestimmten Ist- und Soll- Leistungswerten
wird eine Regelabweichung ermittelt und damit ein Steuerventil so
angesteuert, dass die Hydropumpe eine hydraulische Leistung kleiner
oder gleich der verfügbaren
Leistung der Brennkraftmaschine aufnimmt. Die sich aufgrund des
Systemdruckes ändernde
Schwenkwinkelstellung der Hydropumpe wird selbst nicht kompensiert, sondern
lediglich die sich hierdurch ergebende Drehzahländerung der Brennkraftmaschine
als Eingangsgröße für die Regelung
berücksichtigt.
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Dieses Regelverfahren weist eine
Reihe von Nachteilen auf. So kann immer nur eine bereits erfolgte
lastbedingte Reduktion der Drehzahl der Brennkraftmaschine von der
Regelung berücksichtigt werden.
Außerdem
wird durch das beschriebene Verfahren lediglich die Pumpe für den hydraulischen Antrieb
der Arbeitsmaschine berücksichtigt.
Weitere hydraulische Verbraucher werden bei der Berechnung der Leistungsdaten
nicht betrachtet. Komplizierte Lastverteilungen und deren Veränderungen während des
Betriebes, wie sie in komplexen hydraulischen Systemen mit mehreren
Pumpen und Antrieben vorkommen, lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren
nicht zufriedenstellend beherrschen. Die weiteren im Stand der Technik
bekannten Grenzlastregelungen weisen ähnliche Unzulänglichkeiten
auf. Die aus der
DE
36 11 533 C1 bekannte Anordnung zum Betrieb eines dieselhydraulischen
Antriebes benutzt einen Mikroprozessorregler, um die abnehmbare
hydraulische Leistung bei thermischer und/oder mechanischer Überlastung
des Dieselmotors zu reduzieren. Zum Erkennen der mechanischen Überlastung
ist aber wiederum eine bereits erfolgte Senkung der Dieseldrehzahl
nötig.
Außerdem
werden bei Vorhanensein mehrerer verstellbarer Pumpen deren Fördervolumina
immer gleichförmig
reduziert, so dass eine flexible Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände der
Arbeitsmaschine nicht möglich ist.
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Ein weiterer Nachteil der in heutigen
Arbeitsmaschinen vorhandenen Regeleinrichtungen ist die Notwendigkeit
eines sogenannten Inch- Pedals. Dieses kann separat oder mit dem
Bremspedal gekoppelt sein und dient dazu, die Drehzahl der Brennkraftmaschine
unabhängig
von der Fahrgeschwindigkeit zu steigern. Dadurch kann auch bei Langsamfahrt oder
Stillstand der Arbeitsmaschine die Dieseldrehzahl erhöht werden,
um zusätzliche
Leistung für
die Pumpen weiterer Hydraulikfunktionen, beispielsweise der Hub-
oder Arbeitshydrauliken, zur Verfügung zu stellen. Dies verkompliziert
aber den Bedienvorgang der Maschine, da der Bediener zusätzlich zum Betätigen der
Steuerelemente für
die Arbeitsfunktionen manuell durch Betätigung des Inch- und Gas- Pedales
für eine
ausreichende Dieseldrehzahl zur Versorgung der jeweiligen Hydrauliken
sorgen muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es deshalb, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und
ein flexibles und einfaches Steuerverfahren für mobile Arbeitsmaschinen mit
mehreren hydraulisch betriebenen Funktionen zu verwirklichen, dessen
Bedienung im Vergleich zu den heute üblichen Systemen vereinfacht
ist.
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Die Erfindung erreicht dies durch
das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren zur Steuerung eines Hydrauliksystems,
insbesondere einer mobilen Arbeitsmaschine, mit mindestens einer
Brennkraftmaschine, die wenigstens eine Hydraulikpumpe mit verstellbarem
Fördervolumen
sowie ggf. weitere hydraulische Konstantpumpen antreibt, wobei:
- – von
einer Messeinrichtung die Drehzahl der Brennkraftmaschine erfasst
wird,
- – von
wenigstens einer Messeinrichtung die Druckdifferenz und das Fördervolumen
der wenigstens einen Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen
bestimmt wird,
- – aus
der gemessenen Drehzahl die zur Verfügung stehende Leistung der
Brennkraftmaschine bestimmt wird,
- – die
Leistungsaufnahme je Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen
aus der gemessenen Druckdifferenz und dem Fördervolumen sowie der Drehzahl
bestimmt wird,
- – damit
von einer Steuereinrichtung das Fördervolumen der wenigstens
einen Hydraulikpumpe mit verstellbarem Fördervolumen so gesteuert wird, dass
die aufgenommene Gesamtleistung der wenigstens einen Hydraulikpumpe
mit verstellbarem Fördervolunen
kleiner oder gleich der zur Verfügung
stehenden Leistung der Brennkraftmaschine ist bzw. bei Energierückgewinnung
an der Hydraulikpumpe die abgegebene Leistung der Pumpe ggf. be grenzt
wird.
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Dadurch, dass neben der Dieselmotordrehzahl
auch die Druckdifferenz und das Fördervolumen der verstellbaren
Hydraulikpumpen gemessen wird, läßt sich
die Leistungsbilanz des gesamten Systems sehr genau bestimmen. Es
ist nicht mehr nötig,
das Übermaß an abgenommener
Leistung durch eine bereits erfolgte Senkung der Dieseldrehzahl
zu detektieren. Vielmehr läßt sich
die genaue Leistungsaufnahme jeder Pumpe durch die gemessene Druckdifferenz
und das aktuelle Fördervolumen
bestimmen und in der Regeleinrichtung mit der durch die gemessene
Drehzahl bekannten zur Verfügung
stehenden Leistung der Brennkraftmaschine vergleichen. So lassen
sich bereits vor einer Senkung der Dieseldrehzahl die Fördervolumina
der verstellbaren Pumpen derartig reduzieren, dass die aufgenommenen
Gesamtleistungen der hydraulischen Pumpen immer kleiner oder gleich
der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine sind. Damit kann
ein Abwürgen des
Motors auch bei plötzlichem
Lastanstieg wirksam verhindert werden. Es läßt sich eine optimale Drehzahl
der Brennkraftmaschine für
den jeweiligen Betriebszustand halten, was die Energieeffizienz
der Gesamtmaschine verbessert.
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Eine Weiterbildung des Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass die aufgenommene Leistung jeder
durch die Brennkraftmaschine angetriebenen Konstantpumpe durch Berechnung
aus der Antriebsdrehzahl und ggf. dem gemessenen Systemdruck angenähert und
zur aufgenommenen Gesamtleistung addiert wird.
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Hierdurch wird es möglich, weitere
von der Brennkraftmaschine angetriebene Konstantpumpen mit in die
Berechnung der abgenommenen hydraulischen Leistung einzubeziehen.
Derartige Konstantpumpen sind in üblichen mobilen Arbeitsmaschinen vielfach
vorhanden, beispielsweise zum Betrieb des Nieder drucksystems oder
für hydraulisch
angetriebene Kühlventilatoren
und dgl. Im Gegensatz zum heute üblichen
Unberücksichtigtlassen
dieser Pumpen ist bereits eine Annäherung durch einen drehzahlabhängigen Wert
und dessen Berücksichtigung
bei der Regelung für
das Gesamtsystemverhalten vorteilhaft. Eine noch genauere Abschätzung der
aufgenommenen Leistung durch Berechnung aus dem aktuellen Systemdruck
führt zu
einer sehr präzisen Leistungsbilanz
am Antriebsstrang. Dies führt
zu einem sicheren Betrieb der Arbeitsmaschine in allen Betriebszuständen, da
keine hydraulischen Verbraucher bei der Leistungsberechnung unberücksichtigt bleiben.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Leistungsberechnung
der Brennkraftmaschine und/oder der Hydraulikpumpen mit verstellbarem
Fördervolumen und/oder
der hydraulischen Konstantpumpen mittels abgelegter Wirkzusammenhänge, insbesondere
in Form von Kennlinien oder Kennlinienfeldern, erfolgt. Durch vorher
abgelegte Wirkzusammenhänge
läßt sich
aus den gemessenen Daten, wie Verdrängungsvolumen, Druckdifferenz
usw., präzise
das von der entsprechenden Pumpe aufgenommene Antriebsmoment berechnen.
Aus dem Zusammenhang zwischen Drehzahl und abgegebenem Moment der Brennkraftmaschine
läßt sich
so eine Momentenbilanz bzw. Leistungsbilanz des Antriebssystems
erstellen. Änderungen
dieser Wirkzusammenhänge, beispielsweise
aufgrund von Alterungserscheinungen oder durch Austausch einzelner
Komponenten, lassen sich einfach durch entsprechende Änderungen
in der Steuersoftware berücksichtigen.
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Sinnvoll ist es, dass beim Vorhandensein mehrerer
Hydraulikpumpen mit verstellbarem Fördervolumen die Fördervolumina
der einzelnen Hydraulikpumpen anhand abgelegter Steuerzusammenhänge, insbesondere
zur Priorisierung einzelner Hydraulikpumpen, eingestellt werden.
Hierdurch läßt sich
das Verhalten der Arbeitsmaschine an einen sehr breiten Anwendungsbereich
anpassen. So kann einfach durch Anpassen der Steuerzusammenhänge eine
Priorisierung der Arbeitshydraulik im Vergleich zum Antrieb erreicht
werden, wodurch keine gleichmäßige Reduktion
aller Pumpen mehr erfolgen muss, sondern die Arbeitsfunktion auf
Kosten der Antriebsgeschwindigkeit bevorzugt werden kann. Dies verbessert
das Gesamtverhalten und die Bedienbarkeit des Systems und kann zur
Erhöhung
der Sicherheit dienen, da für
sicherheitsrelevante Hydraulikkreise immer ein ausreichendes Maß an Leistung
zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Vorteilhaft kann es sein, dass von
wenigstens einer Eingabevorrichtung, insbesondere einem Gaspedal
und/oder einem Steuerhebel, eine Steuervorgabe eines Bedieners erfasst
wird.
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Darüber hinaus kann es vorteilhaft
sein, dass beim Vorhandensein mehrerer Hydraulikpumpen mit verstellbarem
Fördervolumen
die Fördervolumina dieser
einzelnen Hydraulikpumpen unter Berücksichtigung der Steuervorgaben
des Bedieners nach einer Priorisierung verstellt werden.
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Durch Berücksichtigung der Steuervorgaben des
Bedieners, wie beispielsweise der Gaspedalstellung, läßt sich
eine Lastverteilung erreichen, die den Wünschen des Bedieners entspricht.
So kann bei einer starken Betätigung
des Gaspedals die Leistung der Brennkraftmaschine bevorzugt auf
den Fahrantrieb geleitet werden. Analog läßt sich bei großen Soll-
Vorgaben für
die Arbeitshydraulik deren Versorgungspumpe im Vergleich zu den
anderen Antrieben stärker
berücksichtigen
und eine etwa nötige
Reduktion der Leistungsaufnahme bei den anderen Pumpen vornehmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zusätzlich zur
Verstellung der durch die Hydraulikpumpen mit ver stellbarem Fördervolumen
aufgenommenen Leistung die abgegebene Leistung bzw. die zur Verfügung stehende
Leistung der Brennkraftmaschine durch Beeinflussung der Drehzahl
steuert.
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Hierdurch läßt sich der Betrieb der Arbeitsmaschine
in weiten Bereichen steuern und es kann auf ein Inch- Pedal verzichtet
werden. Sofern die von der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellte
Leistung nicht für
die berechnete abgenommene Leistung ausreicht, kann die Leistung
der Brennkraftmaschine automatisch bis zu ihrem Maximalwert erhöht werden,
bevor die Leistungsaufnahme der einzelnen Verbraucher reduziert
werden muss. Dies entspricht genau der Funktion des Inch- Pedals,
bei der der Bediener diese Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine
manuell vornimmt, wenn er eine höhere
Leistung für
einen Verbraucher benötigt.
Hierdurch lassen sich die Anforderungen an den Bediener reduzieren
und die Produktivität
der Maschine steigern.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeichnet sich dadurch aus, dass in Betriebszuständen, in denen eine Hydraulikpumpe
mit verstellbarem Fördervolumen
als Antrieb wirkt (Energierückgewinnung
potentieller Last- und Bremsenergie), die an die Brennkraftmaschine
abgegebene Leistung in die Gesamtleistungsberechnung mit einbezogen
wird. Beispielsweise beim Absenken von Lasten oder einer Bergabfahrt
der Maschine geben die jeweiligen verdrängergesteuerten hydraulischen
Antriebe über
ihre Pumpen Leistung an den Antriebsstrang ab, was normalerweise
zu einer Erhöhung
der Drehzahl der Brennkraftmaschine führt und vom Bediener beispielsweise
durch Gaswegnahme kompensiert werden muss. Derartige Systemzustände können von
der vorgestellten Steuerungseinrichtung erfasst werden und bei der
Regelung des Gesamtsystems Berücksichtigung
finden. Diese abgegebene Leistung kann dann entweder direkt über mechanischem
Weg ei nem anderen hydraulischen Verbraucher zur Verfügung gestellt
werden oder zu einer Reduktion der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine
führen,
was die Energieeffizienz des Gesamtsystems verbessert. In bestimmten
Fällen kann
den hydraulischen Verbrauchern so mehr Leistung zur Verfügung stehen,
als durch die in der Arbeitsmaschine installierte Brennkraftmaschine
bereitgestellt wird.
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Vorteilhaft kann es sein, dass zur
Steuerung der einzelnen Hydraulikpumpen mit verstellbarem Fördervolumen
weitere gemessene Systemzustände,
insbesondere Fahrzeuggeschwindigkeit, Arbeitshydraulikposition und
Hydraulikfluidtemperatur, berücksichtigt
werden.
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Durch die Berücksichtigung solcher zusätzlicher
Systemzustände
läßt sich
die Regelung genau auf den aktuellen Betriebsfall der Arbeitsmaschine abstimmen.
So kann die Leistungsaufteilung zwischen den einzelnen Pumpen abhängig von
diesen Zuständen
variiert werden. Beispielsweise läßt sich bei Schnellfahrt eine
entsprechende Priorisierung des Antriebes erreichen oder beim Ausführen von
Arbeitsbewegungen ein Bevorzugen der Arbeitshydraulik vor dem Antrieb
erreichen. Zusätzliche
hydraulische Verbraucher, wie Kühlgebläse und dgl., können ebenfalls
abhängig
von der Gesamtleistungsbilanz und von den aktuellen Temperaturwerten von
der Regelung berücksichtigt
werden.
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Eine besondere Ausgestaltung des
Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im Fall, dass, ein hydrodynamischer
Wandler als Fahrantrieb vorgesehen ist, dessen Leistungsaufnahme,
insbesondere aus einer abgelegten Drehzahl-Drehmoment- Charakteristik, von der
Steuereinrichtung berechnet und bei der Gesamtleistungsberechnung
berücksichtigt
wird.
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Wenn die Arbeitsmaschine statt von
einem hydraulischen Motor mit verstellbarer Pumpe (hydrostatischer
Fahrantrieb) von einem hydrodynamischen Wand ler angetrieben wird,
wird dieser ebenfalls von der Steuereinrichtung berücksichtigt.
Die Berechnung der aufgenommenen Leistung des Wandlers erfolgt dabei
wiederum über
ein Kennlinienfeld, das das Verhalten des Wandlers abbildet. Damit
kann diese Leistungsabnahme bei der Berechnung der Gesamtleistung
berücksichtigt
werden und die Regelung die entsprechenden Steuereingänge des
Wandlerantriebes mit den nötigen
Signalen zur Erreichung der gewünschten
Fahrgeschwindigkeit beaufschlagen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
eine elektronische Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorangegangenen Ansprüche.
Eine solche Steuerungseinrichtung kann auf unterschiedliche Art
und Weise ausgebildet sein, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Dabei
sind derartige Systeme üblicherweise
aus einzelnen Komponenten, wie Prozessorkarten, Speicherkarten und
dgl. aufgebaut, die die einzelnen Reglerfunktionen übernehmen.
Die Systemdaten, die einzelnen Kennlinienfelder und Leistungscharakteristika der
einzelnen Komponenten lassen sich durch Parametrierung der Komponenten ändern und
ggf. auch austauschen, was zu einer Kostenreduktion und verbesserten
Leitungsfähigkeit
des Gesamtsystems führt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung beispielhaft näher
erläutert.
Diese zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems
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2:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems
mit weiteren hydraulischen Komponenten.
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Die mit 1 bezeichnete elektronische
Steuereinrichtung nach der Erfindung dient zur Steuerung eines Hydrauliksystems
einer mobilen Arbeitsmaschine.
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Dieses Hydrauliksystem weist eine
Brennkraftmaschine 2 auf, die in einer ersten Ausbaustufe zwei
Pumpen mit verstellbarem Verdrängungsvolumen 3 und 4 sowie
eine Konstantpumpe 5 antreibt. Die verstellbare Pumpe 3 dient
zum Antrieb eines hier nicht näher
dargestellten hydraulischen Fahrantriebes mit Rotationsmotor. Die
verstellbare Pumpe 4 treibt eine verdrängergesteuerte Arbeitshydraulik
mit einem Differentialzylinder 6 als Linearmotor an. Eine nicht
näher dargestellte
Ventilanordnung 7 sorgt für den notwendigen Differenzvolumenstromausgleich sowie
die weiteren nötigen
Hydraulikfunktionen wie Überlastabsicherung
usw. Die Konstantpumpe 5 bildet mit einer nicht näher dargestellten
Speicherladeschaltung das Niederdrucksystem der Arbeitsmaschine
und versorgt unter anderem die hydraulisch betätigten Fördervolumenverstellungen 8 und 9 der beiden
verstellbaren Pumpen 3 und 4 mit Niederdruck.
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Ist die verstellbare Pumpe 3 in
Axialkolben- Schrägscheibenbauweise
ausgebildet, dient die Verstellung 8 dazu, die Schrägscheibe
der Pumpe zu verstellen und damit das Fördervolumen stufenlos in beide
Förderrichtungen
bis auf einen Maximalwert zu verstellen und so das Verhalten des
an der Pumpe angeschlossenen hydraulischen Rotationsmotors zu regulieren.
Dazu wird das durch die Steuerleitung 10 vorgegebene elektrische
Sollsignal von einem elektrohydraulischen Ventil in die korrespondierende Stellung
der Schrägscheibe
umgesetzt. Analog ist die Verstellung 9 für die zweite
hydraulische Pumpe 4 aufgebaut, bei der das Signal der
Steuerleitung 11 in eine entsprechende Stellung der Schrägscheibe der
Pumpe 4 umgesetzt wird. Alternative Pumpenbauformen, beispielsweise
in Radial- Kolben- Ausführungen
o.ä., werden
durch analoge elektrohydraulisch betätigte Verstellungen angesteuert.
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Die verstellbare Pumpe 3 weist
an ihren beiden Anschlüssen
jeweils einen Drucksensor mit Messsignalumformer 12 bzw. 13 auf,
die den Druck in diesem Pumpenanschluss messen und das Signal an
die Steuerung 1 weiterleiten. Die Signalübertragung
erfolgt dabei abhängig
von dem Systemaufbau in Form eines analogen oder digitalen Spannungssignales,
entweder über
eine eigene Signalleitung 112 bzw. 113 oder über einen
Systembus, an den eine Vielzahl von Komponenten der Steuerung angeschlossen
ist.
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Die zweite verstellbare Pumpe 4 besitzt ebenfalls
Drucksensoren 14 und 15 an ihren beiden Anschlüssen mit
den Signalleitungen 114 und 115. Die beiden Verstellungen 8 und 9 für die verstellbaren Pumpen 3 und 4 weisen
jeweils einen Messsensor mit Signalumformer 16 bzw. 17 auf,
die die aktuelle Position der jeweiligen Pumpvolumenverstellung messen
und über
die Leitungen 116 bzw. 117 an die Steuerung weiterleiten.
Aus diesem Signal läßt sich das
aktuelle Verdrängervolumen
der jeweiligen verstellbaren Pumpe ableiten.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist
mit einem Drehzahlsensor 18 ausgestattet, der über die
Signalleitung 118 die aktuelle Maschinendrehzahl an die Steuerung übermittelt.
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Das Gaspedal 19, das die
Brennstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine regelt, ist ebenfalls mit
einem Sensor ausgestattet, so dass die aktuelle Position des Gaspedales über die
Leitung 119 an die Steuerung übermittelt wird. Ein Joystick 20 dient
zur Eingabe einer Mehrzahl weiterer Steuersignale vom Bediener an
die Steuerung, aus dem unter anderem die Sollposition der Arbeitshydraulik
bestimmt wird.
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In der Steuerung 1 wird
kontinuierlich eine Leistungsbilanz des gesamten Antriebsstranges
ermittelt. Dazu wird aus den zur Verfügung stehenden Sensordaten
die Leistungsaufnahme jeder einzelnen Pumpe berechnet und mit der
abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine 2 verglichen.
Sofern hierbei ein Missverhältnis
besteht, werden anschließend
entsprechende Steuersignale für
die verstellbaren Pumpen 3 und 4 bzw. die Brennkraftmaschine 2 erzeugt und
dadurch deren Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe angepasst.
Durch zyklisches Wiederholen der einzelnen Mess-, Berechnungs- und
Steueraktionen wird ein quasi kontinuierliches Verhalten des Gesamtsystems
erreicht. Zur Berechnung der zur Verfügung stehenden Leistung der
Brennkraftmaschine 2 wird die vom Sensor 18 gemessene
und über
die Signalleitung 118 an die Steuerung 1 weitergeleitete
Drehzahl anhand einer in der Steuerung 1 abgelegten Drehzahl-
Leistungskurve der Brennkraftmaschine die abgegebene Leistung berechnet.
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Für
die aufgenommene Leistung der Verstellpumpe 3 wird aus
dem vom Sensor 16 gemessenen und über die Signalleitung 116 an
die Steuerung weitergeleiteten Positionssignal der Volumenverstellung
das aktuelle Verdrängervolumen
der Pumpe 3 berechnet. In Verbindung mit der durch den
Sensor 18 gemessenen und über die Leitungen 118 an
die Steuerung weitergeleiteten Drehzahl des Motors, die hier der
Pumpendrehzahl entspricht, wird der aktuelle Volumenstrom durch
die Pumpe ermittelt. Die beiden Sensoren 12 und 13 übermitteln über die
Signalleitungen 112 und 113 den aktuellen Druck
auf beiden Seiten der Pumpe an die Steuerung. Daraus läßt sich
die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz berechnen. Aus dem Volumenstrom
und der Druckdifferenz sowie der in der Steuerung 1 abgelegten
Kennlinie der Pumpe wird die aktuelle aufgenommene mechanische Leistung
der Pumpe berechnet. Für
den Fall, dass die Pumpe des Antriebs, beispielsweise bei Bergabfahrt,
Leistung an die Antriebswelle abgibt, wird dies hier ebenfalls berücksichtigt,
da eine umgekehrte Druckdifferenz bei gleichbleibender Drehzahl
einen solchen Zustand (Motorbetrieb der Pumpe} anzeigt.
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Analog wird die Leistung für die weitere
Verstellpumpe 4 berechnet. Das von der Verstellung 9 erzeugte
und vom Sensor 17 über
die Leitung 117 an die Steuerung 1 weitergeleitete
Ist- Signal des Verdrängervolumens
dient in Verbindung mit der gemessenen Drehzahl zur Bestimmung des
aktuellen Volumenstromes, aus dem in Verbindung mit dem durch die
Sensoren 14 und 15 gemessenen und über die Signalleitungen 114 und 115 weitergeleiteten
Differenzdruck die aktuelle Leistungsaufnahme der verstellbaren
Pumpe 4 berechnet wird. Dazu wird wieder eine in der Steuerung
vorhandene Kennlinie benutzt, die das Verhalten der Pumpe in unterschiedlichen Betriebszuständen abbildet.
Bei höheren
Ansprüchen
an die Genauigkeit werden hier kompliziertere Kennlinienfelder verwandt,
die abweichende Verhaltensweisen der Pumpe bei unterschiedlichen
Drehzahlen, Drücken
oder Verdrängervolumina
mit abbilden. Unterschiedliche Pumpen, die je nach Anforderungen
an die Arbeitsmaschine verwandt werden oder ein Wechsel der Pumpen
aufgrund von Wartungsarbeiten oder dgl. können dabei durch einfache Änderungen
der in der Steuerung abgelegten Kennlinie bzw. Kennlinienfelder
berücksichtigt
werden.
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Die Leistungsaufnahme der Konstantpumpe 5 wird
durch ihre Kennlinie und die vom Sensor 18 gemessene Systemdrehzahl
angenähert.
Bei höheren
Ansprüchen
an die Genauigkeit wird ein weiterer Drucksensor zur Messung des
von der Pumpe 5 geförderten
Niederdrucks eingesetzt.
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Durch Summation der einzelnen Leistungsaufnahmen
der Pumpen 3, 4 und 5 kann die aufgenommene
Gesamtleistung mit der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine 2 verglichen
werden. Die Betriebszustände,
in denen eine oder mehrere der Pumpen Leistung an den Antriebsstrang
abgibt, werden hier automatisch berücksichtigt.
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Die Steuerung 1 berechnet
nun abhängig von
dein Betriebszustand der Ma schine sowie aus den von den Bedienelementen 20 und
dem Gaspedal 19 übermittelten
Bedienervorgaben Sollgrößen bzw. Grenzwerte
für die
beiden verstellbaren Pumpen 3 und 4 derartig,
dass die aufgenommene Gesamtleistung der beiden Pumpen kleiner oder
gleich der abgegebenen Leistung der Brennkraftmaschine ist. Diese
Vorgaben werden über
die Steuerleitungen 10 bzw. 11 an die Fördervolumenverstellung 8 bzw. 9 der
verstellbaren Pumpen 3 bzw. 4 übermittelt. Zusätzlich bietet
die Brennkraftmaschine 2 die Möglichkeit, über einen elektronischen Steuereingriff 21 ihre Drehzahl
zu steuern. Wird bei der Berechnung des Leistungsgleichgewichts
festgestellt, dass mehr Leistung von den Pumpen abgenommen werden
soll als die Brennkraftmaschine aktuell zur Verfügung stellt, wird über den
Steuereingriff 21 die Drehzahl und damit ihre Leistung
bis hin zu ihrer Maximalleistung erhöht.
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Die Aufteilung der abgenommenen Leistung zwischen
den beiden verstellbaren Pumpen 3 und 4 erfolgt
aufgrund von in der Steuerung 1 vorhandenen Regelprogrammen.
Dabei sind verschiedene Regelungsstrategien, abhängig vom Fahrzeugzustand, möglich.
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Bei einem ersten Regelungsprogramm
wird die Motorleistung solange erhöht, bis das Maximum der Leistungsabgabe
der installierten Brennkraftmaschine erreicht ist. Steigt dann die
Leistungsaufnahme (oder Leistungsabgabe) einer der installierten Pumpen
weiter, was auch ohne Benutzereingriff, beispielsweise bei Bergfahrt
oder zunehmender Belastung der Arbeitshydraulik geschehen kann,
werden die Verdrängungsvolumina
der beiden Pumpen 3 und 4 gleichmäßig reduziert,
indem die Steuerung 1 über die
Steuerleitungen 10 bzw. 11 an die Fördervolumenverstellung 8 bzw. 9 die
Kommandos zur Reduktion des Fördervolumens übermittelt.
Fordert der Bediener über
das Gaspedal 19 oder den Joystick 20 ein Mehr
an Leistung für
eine der Pumpen 3 oder 4 an, erfolgt solange keine
Erhöhung
des entsprechenden Fördervolumens,
bis ein Leistungsüberschuss an
der jeweils anderen Pumpe zur Verfügung steht. Dies kann entweder
durch ein entsprechendes Kommando des Bedieners erfolgen, indem
er beispielsweise durch Gaswegnahme die Fahrzeuggeschwindigkeit
reduzieren möchte
und dadurch mehr Leistung für
die Arbeitshydraulik zur Verfügung
stellt oder durch eine Änderung
des Fahrzeugzustandes ohne Bedienereingriff, wie beispielsweise
durch eine beginnende Talfahrt oder die Entlastung der Arbeitshydraulik.
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Es gibt beispielsweise auch eine
Programmvariation zum besonders Kraftstoff sparenden Betrieb der
Maschine, bei der die Leistung der Brennkraftmaschine nicht vor
dem Zurückschwenken
der Pumpen bis auf ihr Maximum erhöht wird, sondern möglichst über weite
Bereiche im Bereich maximaler Kraftstoffeffizienz verbleibt.
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Das Hydrauliksystem einer Arbeitsmaschine mit
größerem Funktionsumfang
ist in 2 näher dargestellt.
Wieder ist eine Brennkraftmaschine 2 vorhanden, die über ein
Getriebe 22 vier Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen 3, 4, 23, 24 sowie
eine Konstantpumpe 5 antreibt. Außerdem werden noch zwei weitere
Konstantpumpen 25 und 26 direkt von der Brennkraftmaschine 2 am
Nebenabtrieb angetrieben.
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Die verstellbare Pumpe 3 befindet
sich im geschlossenen Kreislauf mit dem hydraulischen Rotationsmotor 27,
der über
ein Getriebe 28 mit dem Antriebsstrang 29 des Fahrzeuges
verbunden ist. Diese Einheit bildet den hydrostatischen Fahrantrieb der
Maschine.
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Die verstellbare Hydraulikpumpe 4 ist
wie oben mit einer nicht näher
dargestellten Ventilanordnung 7 im geschlossenen Kreislauf
mit dem Differentialzylinder 6 verbunden, der die Kippfunktionen
der Arbeitsmaschine betreibt.
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Die verstellbare Pumpe 23,
die zusammen mit der verstellbaren Pumpe 4 angetrieben
wird, dient zum Betrieb einer hydraulischen Lenkung 30,
die hier nicht näher
dargestellt ist. Dabei können
sowohl herkömmliche
hydraulische Lenksysteme Verwendung finden als auch Lenksysteme
im geschlossenen Hydraulikkreislauf, bei dem die Lenkantriebe direkt
vom Pumpvolumenstrom bewegt werden.
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Die verstellbare Pumpe 24 ist
mittels der hier nicht näher
dargestellten Ventilanordnung 31 im geschlossenen Kreislauf
mit den beiden Differentialzylindern 32 verbunden, die
dein Antrieb der Hubfunktion des Arbeitsgerätes der Maschine dienen. Die
Ventilanordnung 31 weist genau wie die Ventilanordnung 7 die
notwendigen Überlastsicherungen
und sonstigen Ventile auf, die für
derartige Hydrauliksysteme nötig
sind. Außerdem
leistet sie den Differenzvolumenstromausgleich, der bei der Verwendung
von Differentialzylindern notwendig ist, indem das von der Bewegungsrichtung
der Hydraulikzylinder 32 abhängige Differenzvolumen der
Hydraulikflüssigkeit
in das Niederdrucksystem ausgeglichen wird. Dieses besteht aus der
Konstantpumpe 5, die zusammen mit der verstellbaren Pumpe 24 von
der Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird sowie dem Niederdruckbegrenzungsventil 33,
das mit dem Druckbehälter 34 und
dem Hydraulikreservoir 35 dafür sorgt, dass ein konstanter
Druck im Niederdrucksystem vorhanden ist.
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Die direkt vom Motor angetriebene
Konstantpumpe 25 dient zum Betrieb einer hydraulisch betriebenen
Kühlung 36.
Die Konstantpumpe 26 dient zum Betrieb der hydraulischen
Bremse 37.
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Die Brennkraftmaschine 2 wird
vom Gaspedal 19 gesteuert. Sie weist einen Drehzahlsensor 18 auf,
der über
eine nicht näher
dargestellte Datenleitung die Motordrehzahl an die elektronische
Steuereinrichtung 1 übermittelt. Über die Datenleitung 119 wird
außerdem
die Gaspedalstellung an die elektronische Steuereinrichtung 1 weitergeleitet. Über den Joystick 20 kann
der Bediener die restlichen Verhaltensweisen der Maschine steuern.
Jede der verstellbaren Hydraulikpumpen 3, 4, 23 und 24 weist
analog zu oben eine Verdrängungsvolumensteuerung 8, 9, 38 und 39 auf.
Diese nehmen über
elektronische Signalleitungen 10, 11, 40, 41 die
Soll- Vorgaben für das
jeweilige Fördervolumen
von der Steuerung 1 entgegen und steuern abhängig davon
den Volumenstrom der jeweiligen Pumpe auf den vorgegebenen Wert.
Dies geschieht im vorliegenden Fall mit Pumpen in Axialkolben- Schrägscheiben-
Bauweise durch die elektrohydraulische Verstellung der Schrägscheibe,
die so für
einen entsprechenden Volumenstrom sorgt.
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Jede der Verstelleinrichtung 8, 9, 38, 39 weist
einen Sensor 16, 17, 42, 43 auf,
der über
hier nicht näher
dargestellte Signalleitungen die aktuelle Größe des Fördervolumens an die Steuerung 1 übermittelt.
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Jeder der geschlossenen Hydraulikkreisläufe mit
einer verstellbaren Pumpe 3, 4, 23, 24 ist
mit jeweils zwei Drucksensoren 12, 13, 14, 15, 44, 45, 46, 47 ausgestattet,
die den Hydraulikdruck vor und hinter der verstellbaren Pumpe über ebenfalls
nicht dargestellte Signalleitungen an die Steuereinrichtung 1 übermittelt.
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Das Steuerverfahren für diese
Arbeitsmaschine verläuft
prinzipiell analog zu dem oben beschriebenen. In der Steuerung werden
zyklisch die Messwerte der einzelnen Sensoren eingelesen. Anhand
der vom Sensor 18 übermittelten
Motordrehzahl der Brennkraftmaschine 2 wird in Verbindung
mit der abgelegten Motorkennlinie die aktuell abgegebene Leistung
der Brennkraftmaschine 2 berechnet. Zur Berechnung der
aufgenommenen Leistung des Gesamtsystems wird die Leistung jeder
einzelnen Hydraulikpumpe berechnet und diese Lei stungsdaten werden
aufsummiert.
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Für
die Konstantpumpen 5, 25 und 26 wird die
Leistungsaufnahme abhängig
von der durch den Sensor 18 bekannten Motordrehzahl und
den bekannten Kennlinien der Pumpen berechnet.
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Für
die Pumpen mit verstellbarem Fördervolumen 3, 4, 23, 24 wird
aus den gemessenen Fördervolumina
und den gemessenen Differenzdrücken
im jeweiligen Kreislauf sowie mit der bekannten Drehzahl und der
abgelegten Kennlinie der Pumpe die aktuelle Leistungsaufnahme berechnet.
Durch Aufsummation all dieser Werte ist die aufgenommene mechanische
Leistung bekannt und mit der zur Verfügung stehenden Leistung der
Brennkraftmaschine 2 verglichen worden.
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Die grundlegenden Steuerverfahren
sind analog zu den oben beschriebenen. Abhängig vom eingestellten Steuerprogramm
wird die Steuereinrichtung 1 bei zunehmenden Leistungsanforderungen
der Pumpen die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 über den
Motorsteuereingang 21 solange steigern, bis diese ihren
Maximalwert erreicht hat. Da üblicherweise
die gesamte installierte Hydraulikleistung der Maschine die zur
Verfügung
stehende Leistung der Brennkraftmaschine 2 übersteigt,
kommt es zu Fällen,
bei denen durch Benutzervorgabe oder Lastzustände an den Hydraulikzylindern 6, 32 oder
dem Antrieb 27 mehr Leistung angefordert wird, als die Maschine
zur Verfügung
stellen kann. Zur Vermeidung der hier sonst erfolgenden Drehzahldrückung werden
einzelne der hydraulischen Verstellpumpen 3, 4, 23, 24 von
der Steuereinrichtung 1 zurückgefahren, indem kleinere
Soll- Vorgaben bzw. Grenzwerte für
die Fördervolumina über die
Datenleitungen 10, 11, 40, 41 an
die Pumpenverstellungen 8, 9, 38, 39 übermittelt
werden.
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Die Steuereinrichtung 1 sorgt
dafür,
dass die Pumpe 23, die die hydraulische Lenkung 30 antreibt, priorisiert
wird und damit zunächst
die Leistungsaufnahmen der verbleibenden Pumpen reduziert werden.
Im Normalfall wird dabei so vorgegangen, dass zuerst die Pumpe 3,
die den hydraulischen Fahrantrieb der Maschine bedient, zurückgenommen
wird, wird mehr Leistung für
die Arbeitshydraulikzylinder 6 und 32 zur Verfügung zu
haben.
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Auch hier wird die Leistung, die
in speziellen Fällen
wie der Bergabfahrt oder beim Lastabsenken über das Getriebe 22 an
die Brennkraftmaschine 2 abgegeben wird, von der Steuereinrichtung 1 berücksichtigt.
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Natürlich beschränkt sich
die Erfindung nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel, sondern ist
in vielfältiger
Weise abänderbar,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. Beispielsweise kann statt dem
beschriebenen hydrostatischen Fahrantrieb ein Fahrantrieb mit Drehmomentwandler
verwandt werden, dessen Drehzahl- Drehmoment- Charakteristik dann
in der Steuerung abgelegt wird, um dessen aufgenommene Leistung
zu berechnen.