DE19622267C1 - Steuer- und Regelsystem für verstellbare Hydraulikpumpen mit Maximaldruckbegrenzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Fördervolumens einer verstellbaren Hydraulikpumpe gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Anordnung eines hydraulischen Kreislaufs zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 6.

Derartige Steuer- und Regelsysteme bzw. Verfahren zur Regelung von Hydraulikpumpen sind bekannt. In hydraulischen Systemen mit entweder geschlossenem oder offenem Kreislauf wird der Betriebsdruck durch Druck­ ventile limitiert, welche durch sog. Druckabschneide- oder Nullhubsysteme unterstützt sind. Solche Druckabschneide- oder Nullhubsysteme regeln den Volumenstrom einer verstellbaren Hydraulikpumpe in einem Kreislauf so, daß die Druckenergie eines minimalen Volumenstroms in Wärme umgesetzt wird. Die von dem Druckventil zur Druckbegrenzung abgespritzte Ölmenge wird auf der entgegengesetzten Seite des Kreislaufs über ein Rückschlagventil wieder zugeführt, um die Ölmenge innerhalb des Kreislaufs im wesentlichen konstant zu halten. Derartige Systeme mit Druckabschneidung oder Nullhub werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Gefahr be­ steht, daß bei hohen Leistungen ein hoher Anteil der Druckenergie eines relativ großen Volumenstroms in Wärme umgesetzt wird, wodurch, bedingt durch schnelle Temperaturanstiege, über das zulässige Maß hinaus Wärme­ energie abgegeben wird, was letztlich zur Überhitzung und dadurch zum Ausfall des Aggregates führen kann.

In der DE 36 19 147 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation der Verluste einer druck- und stromgeregelten Pumpe mittels einer elektrischen Verstell­ einrichtung beschrieben. Über einen Drucksensor wird ein elektrisches Signal erzeugt, mittels welchem über die elektrische Verstelleinrichtung ein ent­ sprechend über eine Eichkurve ermittelter Sollwert korrigiert wird. Der zu korrigierende Sollwert ist der Förderdruck. Mittels des bekannten periodi­ schen Förderstrom-Abgleiches wird unter anderem die Leckage eines Hydrau­ liksystems ermittelt. Der Nachteil der auf dem Förderdruck basierenden Regelung besteht darin, daß insbesondere bei hohen Leistungen eine Erwär­ mung des Systems auftritt, welche durch in Wärmeenergie umgesetzte Druckenergie bedingt ist.

In der DE 30 42 837 A1 ist eine Steuer- und eine Regeleinrichtung für ein hydraulisches Getriebe mit überlagerter Grenzlastregelung. Dieses Getriebe enthält eine Verstellpumpe und einen Hydraulikmotor, die über Arbeitsleitungen miteinander verbunden sind und einen umkehrbaren Hydraulikkreislauf bilden. Die beiden Arbeitsleitungen stehen ferner über eine Speiseleitung miteinander in Verbindung, wobei jeder Arbeitsleitung jeweils ein Hochdruckbegrenzungsventil, welches bei einer Drucküberlastung in der Arbeitsleitung öffnet, und über ein paralleles Einspeiseventil, welches zum Nachfüllen von Hydraulikfluid in die Arbeitsleitung ausgebildet ist, zugeordnet ist. Die Begrenzung des Systemdruckes in Abhängigkeit von der Fördermenge dient der Vermeidung von Drucküberlastungen des Hydrauliksystems, berücksichtigt jedoch nicht insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen auftretende Temperaturerhöhungen des gesamten Hydrauliksystems.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Regeln des Fördervolumens einer verstellbaren Hydraulikpumpe sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche die bei hohen Leistungen in Wärmeenergie umgewandelter Druckenergie des Hydraulikfluids minimieren und dennoch einen einfachen Systemaufbau erlauben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Regeln einer verstellbaren Hydraulikpumpe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Steuer- und Regelsystemanordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß der Erfindung weist ein Steuer- und Regelsystem für eine verstell­ bare Hydraulikpumpe, welche auch als Verstellpumpe bezeichnet wird und in einem umkehrbaren Kreislauf über Arbeitsleitungen mit einem Hydromotor verbunden ist, eine Steuerelektronik und in ihrem Kreislauf eine Speiseleitung auf, in welcher Einspeiseventile zur Einspeisung von Hydraulikfluid von einer mit der Hydraulikpumpe verbundenen Füllpumpe sowie Hochdruckbegrenzungsventile mit Abspritzfunktion in jeweils eine der Arbeitsleitungen dienen, in welcher der niedrige Druck anliegt. Erfindungsgemäß ist in der Speiseleitung zwischen einem Hochdruckbegrenzungsventil und einem Einspeiseventil ein Temperatursensor angeordnet, dessen Signal in der Steuerelektronik verarbeitet wird, wobei das Signal zur Regelung des Fördervolumens der Hydraulikpumpe verwendet wird.

Der Vorteil eines solchen erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß mittels eines Signals des Temperatursensors, welcher jedem Einspeiseventil zugeordnet ist, über den Schwenkwinkel der Verstellpumpe die abzuspritzen­ de Menge an Hydraulikfluid begrenzbar und damit der Anteil der in Wärmeenergie umgesetzter Druckenergie regelbar ist. Damit kann die thermi­ sche Belastung von Hydrauliksystemen insbesondere bei hohen Leistungsanforderungen deutlich verringert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das vom Temperatursensor stammende, in der Steuerelektronik verarbeitete Signal jeweils an ein Steuerventil angelegt, welches jeweils der Steuerung des Servodruckes einer Seite des Servokolbens zur Änderung des Schwenkwinkels der Hydraulikpumpe dient. Vorzugsweise ist als Steuerventil jeweils ein 2/2- Wegeventil vorgesehen. Jedes dieser 2/2-Wegeventile wird gesondert von der Steuerelektronik angesteuert, so daß die jeweilige Kolbenseite des Servokol­ bens der Verstellpumpe direkt ansteuerbar ist, und zwar in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatursensors, welches der Steuerelektronik zugeführt wird. Bei einem derartigen erfindungsgemäßen System erfolgt die Tempera­ turregelung somit direkt in einem Mikroprozessor, welcher für die Pumpen­ steuerung vorgesehen ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das in der Steuerelektronik verarbeitete Signal als elektrisches Druckabschneidesignal an ein zusätzlich vorzusehendes Ventil angelegt, welches auf ein Steuerventil zur Steuerung des Servokolbens der Verstellpumpe arbeitet. Bei einem solchen vereinfachten System dient somit das zusätzliche Ventil der hydrau­ lischen Ansteuerung der Servokolben der Verstellpumpe, wobei das zusätzli­ che Ventil über das von dem Temperatursensor der Steuerelektronik zurück­ geführte und dort verarbeitete Signal angesteuert wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das zusätz­ lich vorzusehende Ventil ein 2/2-Wegeventil. Vorzugsweise wird als Steuer­ ventil für den Servokolben ein 4/3-Wegeventil verwendet.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt der Temperatursensor, indem er die Temperatur des Hydraulikfluids hinter dem Druckbegrenzungsventil mißt, ein Signal, welches vorzugsweise die Maximaltemperatur ist bzw. ein diese Maximaltemperatur kennzeichnen­ des Signal ist. Auf der Basis dieses der Maximaltemperatur entsprechenden Signals wird dann der Schwenkwinkel der Verstellpumpe, d. h. ihr Fördervo­ lumen so geregelt, daß möglichst wenig Druckenergie im Kreislauf in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann als Störgröße im Regelkreis neben der maximalen Temperatur des Hydraulik­ fluids auch die Temperaturänderungsgeschwindigkeit verwendet werden, d. h. der Temperatursensor erzeugt ein die Temperaturänderungsgeschwindigkeit kennzeichnendes Signal und liefert es zur weiteren Auswertung der Steuer­ elektronik zu, von welcher aus die entsprechenden Stellglieder im Hydraulik­ kreis temperaturabhängig angesteuert werden.

Es ist jedoch auch möglich, daß sowohl die maximale Temperatur als auch die Temperaturänderungsgeschwindigkeit auf der Basis der Temperaturmes­ sung des Sensors gemessen bzw. bestimmt werden und zur Grundlage des Steuerungs- und Regelungskonzeptes gemäß der Erfindung gemacht werden.

Erfindungsgemäß dient das Verfahren zur Regelung einer vorzugsweise im geschlossenen Kreislauf arbeitenden, verstellbaren Hydraulikpumpe. Dazu wird ein von einem im Kreislauf angeordneten Temperatursensor erzeugtes Signal in einer Steuerelektronik verarbeitet, und das verarbeitete Signal von dem Temperatursensor dient dazu, den Schwenkwinkel der Verstellpumpe zur Begrenzung der abgespritzten Hydraulikfluidmenge zu regeln. Indem die Menge an abgespritztem Hydraulikfluid regelbar ist, kann somit die Menge an aus Druckenergie in Wärmeenergie umgewandelter Energie geregelt werden bzw. minimiert werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schwenkwinkel auf der Basis der Maximaltemperatur und/oder der Tempera­ turänderungsgeschwindigkeit geregelt. Es ist natürlich auch möglich, die Maximaltemperatur bzw. die Temperaturänderungsgeschwindigkeit selbst zu regeln und über diese Regelung indirekt die Menge an abgespritztem Hydraulikfluid und damit die Menge an Energie zu regeln, welche von der Druckenergie in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird bei Erreichen oder Überschreiten einer maximalen Menge an durch das Hochdruckbegrenzungs­ ventil abgespritztem Hydraulikfluid der Schwenkwinkel der Verstellpumpe auf einen vorbestimmten Wert zurückgeregelt. Dieser vorbestimmte Wert kann in der Steuerelektronik abgespeichert sein, so daß das jeweilige Steuersignal im Falle des Erreichens oder Überschreitens der maximalen abgespritzten Hydraulikfluidmenge zum Ansteuern des Hochdruckbegrenzungsventils ver­ wendet wird.

Einerseits kann die kleine Menge an Hydraulikfluid, welche über die Hoch­ druckbegrenzungsventile abgespritzt wird, als geringfügiger Nachteil angese­ hen werden, andererseits kann diese Menge an abgespritztem Hydraulikfluid auch bewußt in Kauf genommen werden, da ja die Hydraulikaggregate auf jeden Fall vor Überhitzungsschäden mit einem erfindungsgemäßen Steuer- und Regelsystem geschützt sind. In einigen Fällen kann das kurzzeitige Abspritzen über Hochdruckbegrenzungsventile sogar erwünscht sein. Das ist vor allen Dingen dann der Fall, wenn dem Bediener unmißverständlich erläutert werden soll, daß die maximale Druckbelastung des Systems erreicht ist und der Anteil an Energie, welcher von der Druckenergie in Wärmeener­ gie im System zumindest teilweise umgewandelt wird, ansteigt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Steuer- und Regelsystem in einem geschlossenen Kreislauf mit einem erfindungsgemäßen Temperatursensor zwischen Hochdruckbe­ grenzungsventil und Einspeiseventilen; und

Fig. 2 ein Steuer- und Regelsystem gemäß der Erfindung, bei welchem die Ansteuerung des Servokolbens der Verstellpumpe über ein zusätzliches Ventil erfolgt.

In Fig. 1 ist ein Steuer- und Regelsystem für eine Verstellpumpe im ge­ schlossenen Kreislauf dargestellt, bei welchem das Temperatursignal eines Temperatursensors 19 einem elektronischen Steuerungsrechner zugeführt wird, von welchem ein verarbeitetes Signal für die Gesamtsteuerung der Verstell­ pumpe verwendet wird. Der prinzipielle Aufbau eines Hydrauliksystems im geschlossenen Kreislauf entspricht dabei den im Stand der Technik bekannten Systemen.

Eine Verbrennungskraftmaschine 1 treibt über eine Verbindungswelle eine verstellbare Hydraulikpumpe 2 (Verstellpumpe) an, welche ihrerseits mit einer Speisepumpe bzw. Füllpumpe 3 gekoppelt ist. Die Füllpumpe 3 speist einerseits über je ein Steuerventil 7, 8, welches jeweils als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, jeweils eine Seite eines Servokolbens 9, so daß je nach Beaufschlagung des entsprechenden 2/2-Wegeventils 7 bzw. 8 der Schwenk­ winkel der Verstellpumpe 2 mittels des Servokolbens 9 in die eine oder die entgegengesetzte Richtung veränderbar ist. Des weiteren ist die Füllpumpe 3 über ein Fülldruckbegrenzungsventil 4 mit einer Speiseleitung 22 ver­ bunden, über welchen eine Einspeisung in die jeweilige Arbeitsleitung A bzw. B erfolgt. In dieser Speiseleitung 22 sind jeder Arbeitsleitung A bzw. B jeweils ein Hochdruckbegrenzungsventil 18 bzw. 17 sowie ein Einspeise­ ventil 6 bzw. 5 zugeordnet. Zwischen dem Fülldruckbegrenzungsventil 4 und den Einspeiseventilen 5 bzw. 6 ist ein Temperatursensor 19 angeordnet, welcher die Temperatur des Hydraulikfluids erfaßt und ein entsprechendes Signal der Steuerelektronik 14 zuführt. Der Temperatursensor 19 mißt die Temperatur des Hydraulikfluids und/oder die Temperaturänderungsgeschwin­ digkeit des Hydraulikfluids und führt diese Informationen als entsprechendes Signal der Steuerelektronik 14 zur weiteren Verarbeitung zu. Die Hoch­ druckbegrenzungsventile 18 bzw. 17 sowie die Einspeiseventile 6 bzw. 5 für die jeweiligen Arbeitsleitungen A bzw. B sind so geschaltet, daß bei Ein­ speisung von der Füllpumpe 3 in die Speiseleitung 22, welche die Arbeits­ leitung A mit der Arbeitsleitung B verbindet, in die Arbeitsleitung einge­ speist wird, in welcher der niedrigere Arbeitsdruck anliegt. Da die Einspeiseventile 5, 6 als Rückschlagventile ausgebildet sind, ist ein Rückströmen des Hydraulik­ fluids nicht möglich. Um eine Überlastung der Arbeitsleitungen A bzw. B und damit des Hydraulikmotors 11 zu vermeiden, sind die Hochdruckbegren­ zungsventile 18 bzw. 17 angeordnet, mittels welcher Drücke rasch abgebaut werden können, welche oberhalb der Entwurfsdrücke des Systems liegen.

Der Hydraulikmotor 11 kann wahlweise mit einem Spülventil 12 versehen sein. Ein Spülventil wird vor allen Dingen in solchen Fällen angewendet, wo in einem geschlossenen Kreislauf besonders hohe Temperaturen auftreten können oder wo eine besonders hohe Schmutzbelastung auftritt. Zusätzlich ist an das Spülventil 12 ein Druckentlastungsventil 13 angeschlossen. Wenn das hydrostatische Antriebssystem aus einer Verstellpumpe und einem Ver­ stellmotor gleicher Baureihe besteht, so ist das als Spüldruckbegrenzungs­ ventil arbeitende Spülventil 12 am Hydraulikmotor 11 auf das gleiche Druckniveau einzustellen wie das Fülldruckbegrenzungsventil 4 an der Verstellpumpe 2.

Für ein Antriebssystem gemäß Fig. 1 ist die Steuerelektronik 14 darüber hinaus mit einem Fahrtrichtungsschalter 15 und einem Inch-Sensor 16 ver­ bunden. Über den Fahrtrichtungsschalter 15 und den Inch-Sensor 16 werden der Steuerelektronik 14 jeweils Informationen über die Fahrtrichtung und ggfs. einen Inch-Zustand des Fahrzeuges übermittelt, in deren Abhängigkeit die Regelung des Schwenkwinkels der Verstellpumpe 2 in Abhängigkeit von der Temperatur des Hydraulikfluids vorgenommen wird.

Das seitens des Temperatursensors 19 der Steuerelektronik 14 für die Temperatur bzw. Temperaturänderungsgeschwindigkeit des Hydraulikfluids zur Verfügung gestellte Signal wird in der Steuerelektronik verarbeitet und als entsprechendes Steuersignal den als 2/2-Wegeventilen 7, 8 ausgebildeten Steuerventilen für den Servokolben 9 der Verstellpumpe 2 zugeführt. Die Stellung der Steuerventile 7, 8 in Fig. 1 ist so gewählt, daß der Schwenk­ winkel der Verstellpumpe 2 beibehalten wird, d. h. nicht verändert wird. Bei geschlossenen Kreisläufen ist es in der Regel ausreichend, daß die tempera­ turabhängige Regelung des Schwenkwinkels der Verstellpumpe 2 als Schutz vor übermäßiger Belastung des gesamten Antriebssystems mit einem einzel­ nen Temperatursensor 19 verwirklicht wird.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes Schema eines Steuer- und Regelsystems gemäß der Erfindung dargestellt, bei welchem der prinzipielle Aufbau des Antriebssystems mit Verbrennungskraftmaschine 1, Verstellpumpe 2, Füll­ pumpe 3, Einspeiseventilen 5, 6, Hochdruckbegrenzungsventilen 17, 18, Tempera­ tursensor 19, Arbeitsleitungen B, A, Hydromotor 11, Spül­ ventil 12, Spüldruckbegrenzungsventil 13 und Steuerelektronik 14 dem prinzipiel­ len Aufbau von Fig. 1 entspricht.

Der Temperatursensor 19 zur temperaturabhängigen Regelung des Schwenk­ winkels der Verstellpumpe 2 auf der Basis der mittels Hochdruckbegrenzungs­ ventil 17, 18 abgespritzten Hydraulikfluidmenge liefert wiederum ein Signal an die Steuerelektronik 14, welches auf der Basis der Temperatur oder der Tempe­ raturänderungsgeschwindigkeit vom Sensor erzeugt wird. In der Steuerelek­ tronik 14 wird das so zugeführte Signal verarbeitet und als Steuersignal zur Ansteuerung eines zusätzlichen Ventils 20 verwendet, welches als 2/2-Wege­ ventil ausgebildet ist. Dieses Ventil wird einerseits durch die Füllpumpe 3 beaufschlagt und dient andererseits auf der Basis des als elektrisches Druck­ abschneidesignal wirkenden, von der Steuerelektronik 14 zugeführten Steuersi­ gnals zur Ansteuerung des Ventils 20, mittels welchem seinerseits die An­ steuerung für ein 4/3-Wegeventil 21 erfolgt, welches die eigentliche Ansteue­ rung des Servokolbens 9 für die Verstellung des Schwenkwinkels der Ver­ stellpumpe 2 realisiert.

Bei diesem gemäß Fig. 2 dargestellten einfacheren System wird somit ein dem Temperatursignal entsprechendes elektrisches Druckabschneidesignal erzeugt, welches über das Ventil 20 auf das Steuerventil 21 für den Servo­ kolben 9 wirkt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung des Fördervolumens einer in einem hydrauli­ schen umkehrbaren Kreislauf angeordneten reversiblen Verstellpumpe, die über Ar­ beitsleitungen (A, B) mit einem Hydraulikmotor verbunden ist, mit einer mit der Verstellpumpe verbundenen Speisepumpe (3) zum Füllen des Kreislaufs mit einem Hydraulikfluid und zum Verstellen des Schwenkwinkels der Verstellpumpe (2), und mit einer zwischen den beiden Arbeitsleitungen (A, B) angeordneten Speise­ leitung (22) mit Hochdruckbegrenzungsventilen (17, 18) und Einspeise­ ventilen (5, 6), wobei jede Arbeitsleitung (A, B) jeweils ein Hoch­ druckbegrenzungsventil und ein Einspeiseventil zugeordnet und die Speiseleitung (22) mit der Speisepumpe (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Hydrauliköls in der Speiseleitung (22) gemessen, elektronisch verarbeitet und zum Reduzieren des Fördervolumens der Verstellpumpe bei hohen Temperaturen verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenk­ winkel so geregelt wird, daß eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel unter Berücksichtigung der Temperaturänderungsgeschwin­ digkeit geregelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Einspeiseöls zwischen den beiden Einspeiseven­ tilen gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei Erreichen einer der maximalen Temperatur entsprechenden maximalen Menge an durch eines der Hochdruckbegrenzungsventile (17, 18) abgespritztem Hydraulikfluid der Schwenkwinkel der Verstellpumpe auf einen vorbestimmten Wert zurück­ geregelt wird.

6. Anordnung eines hydraulischen Kreislaufs zur Durchführung des Ver­ fahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Steuerelektronik (14) verarbeitete Signal jeweils an ein 2/2-Wegeventil (7 bzw. 8) für jeweils eine zugeordnete Seite des Servo­ kolbens (9) zur Änderung des Schwenkwinkels der Verstellpumpe (2) anlegbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Steuerelektronik (14) verarbeitete Signal als elektrisches Druckabschnei­ designal an ein Ventil (20) anlegbar ist, welches auf ein Steuerventil (21) für einen Servokolben (9) der Verstellpumpe (2) arbeitet.

8. Steuer- und Regelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (20) ein 2/2-Wegeventil ist.

9. Steuer- und Regelsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerventil (21) für den Servokolben (9) ein 4/4- Wegeventil ist.