DE2848595A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung des abtriebsdrehmomentes eines getriebes - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrich'ung zur Regelung des Abtriebsdrehmomentes eines Getriebes Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 40 Bs sind Getriebe bekannt, die in ihrem über setzungsverhältnis und in ihrem Ausgangsdrehmoment stufenlos einstellbar sind Derartige Getriebe umfassen beispielsweise zwei Hydrostaten, also hydraulische Verdränger maschinen, deren Fördervolumen durch stufenlos verstellbare Einrichtungen, wie Schrägscheiben- oder Schrägachsenverstellvorrichtungen veränderbar ist0 Einer der Hydrostaten wirkt dabei als Pumpe und der andere als Rotor, Beide sind durch zwei Leitungen für das hin- und zurückströmende Hydraulikmedium verbunden. Derartige stetig regelbare Getriebe eignen sich beispielsweise für Antriebe mit einer Schwungradkomponente zur Energiespeicherung. Sie eignen sich aber auch allgemein für Anwendungsfälle in Fahrzeugen, weil sie es gestatten, die Antriebsbrennkraftmaschine im verbrauchsgünstigsten Bereich zu betreiben, wodurch sich eine Verringerung der Umweltbelastung durch Geräusche und Schadstoffemissionen erzielen läßt0 Auch ermöglichen derartige Getriebe aufgrund ihrer stufenlosen Regelbarkeit die Verwirklichung eines erhöhten Bahrkomforts.
• Um das Abgangs drehmoment oder die Abgangsdrehzahl auf einen gewünschten Wert zu bringen wird der Förderstrom einer oder beider Hydrostaten verändert, Durch die Förderstromänderung läßt sich auch die Druckdifferenz in den beiden die Hydrostaten verbindenden Leitungen beeinflussen. So läßt sich zwar auf einfache Weise die gewünschte Getriebeausgangsgröße einstellen1 doch ist dabei ein wirkungsgradoptimales Einstellen nicht oder nur zufällig in bestimmten Arbeitspunkten zu erzielen Wird am Getriebeausgang ein bestimmtes Abtriebsmoment Ma gefordert, weil beispielsweise die auf ein Fahrzeug ausgeübte Zugkraft unabhängig von der Geschwindigkeit der Gaspedalstellung proportional sein soll, so ließe sich das in der Weise verwirklichen, daß am Getriebeausgang das Drehmoment gemessen und in Abhängigkeit der Differenz zwischen vorgegebenem Drehmomentsollwert und gemessenem Drehmomentistwert auf die Verstelleinrichtungen der Hydrostaten eingewirkt wird. Ein solches System würde zwar arbeiten, solange das Leistungsangebot am Getriebeeingang ausreicht, es ist aber ein wirkungsgradoptimierter Betrieb nicht zu gewährleisten0 Auch ist die Drehmomenterfassung, beispielsweise mittels einer Drehmomentmeßwelle, zwar für Versuchszwecke geeignet, doch gibt es keine alle Anforderungen der Praxis in jeder Hinsicht erfüllende DrehnomentmeßwellenO Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ohne unmittelbare Erfassung des Ausgangsdrehmomentes dieses indirekt über feste Gesetzmäßigkeiten und einfach zu messende Parameter der Hydrostaten bestimmt werden kann.
• Eine wirkungsgrad-optimierte Betriebsweise ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Durch die rechnerische Ermittlung des Differenzdruck-Sollwertes in den die beiden Hydrostaten miteinander verbindenden Leitungen in Abhängigkeit der Drehzahlen der Hydrostaten und der Stellungen der Verstelleinrichtungen und den Einsatz eines Reglers zur Einstellung des Istdruckes auf den Solldruck läßt sich eine Wirkungsgrad-Optimierung durchführen. Zu diesem Zweck enthält der Rechner Wirkungsgradkennfelder und ermittelt die günstigsten Betriebsverhältnisse für mindestens einen der beiden Hydrostaten, vorzugsweise für beide Hydrostaten für den jeweils herrschenden Betriebsfall.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten L'laßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den übergeordneten selbständigen Ansprüchen angegebenen Methoden und Vorrichtungen möglich. Durch das Vorsehen von drehzahlabhängigen Aufschaltungen, beispielsweise mittels Kennliniengliedern, läßt sich erreichen, daß der jeweils mit geringerer Geschwindigkeit drehende Hydrostat an seine Öffnungsgrenze gedrückt wird. Durch die zusätzliche zrfassung der Temperatur des Hydraulikmediums läßt sich auch der Temperatureinfluß berücksichtigen0 Von Vorteil ist, daß sich alle zur Verarbeitung durch den Rechner erforderlichen Größen meßtechnisch einfach und zuverlässig und außerdem mit genügender Dynamik erfassen lassen. Durch die Aufteilung des Leistungsflusses in einen hydraulischen und einen mechanischen Zweig läßt sich in bekannter Weise der Gesamtwirkungsgrad aufgrund des besseren liirkungsgrades des mechanischen Zweiges erhöhen, was allerdings zu zarten des möglichen Regelbereiches geht, Da in vielen Fällen nur ein eingeschränkter Regelbereich für den praktischen Betrieb erforderlich ist, wird eine entsprechende Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erreicht.
• Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines stufenlos verstellbaren Getriebes mit Leistungsverzweigung, die Fig. 2a bis f Kurven des Wirkungsgradverlaufes in Abahängigkeit der Position der Verstellvorrichtung bzw. in Abhängigkeit vom Differenzdruck, und Fig. 3 ein Blockschaltbild der Getriebesteuerung mit Rechner und Regler.
• Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die mechanische Leistung am Eingang des Getriebes PE wird einem Verzweigungsgetriebe als Eingangsdrehmoment ME bei der TiinkeIgeschwindigkeit OE zugeführt. Vom Verzweigungsgetriebe 1 fließt ein Teil der Leistung mechanisch zu einem übersetzungsgetriebe 2, das eine feste oder auch eine stufige (mehrgängige) Getriebeausführung sein kann und von wo die mechanische Leistung weiterfließt zum Summiergetriebe 3. Der hydraulische Zweig umfaßt einen als Pumpe dienenden Hydrostat H1, dem vom Verzweigungs getriebe 1 mechanische Leistung zugeführt wird. über eine nicht näher dargestellte Verstellvorrichtung mit der Stellgröße x1 wird das Fördervolumen eingestellt0 über zwei Hydraulikleitungen 4 zwischen denen eine Druckdifferenz Ap herrscht, ist der Hydrostat H1 mit einem Hydrostat R2 verbunden, der als Motor wirkt und der ebenfalls über eine Verstellvorrichtung gemäß einer Stellgröße x2 einstellbar ist. Der Hydrostat H2 erzeugt eine mechanische Leistung, die dem Summiergetriebe 3 zugeführt wird, wo sie mit der über den mechanischen Zweig zugeführten Leistung auf summiert wird zur Ausgangsleistung Ph, die der anzutreibenden Vorrichtung, beispielsweise der Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges, zugeführt wird0 Das Drehmoment bW an der Abtriebswelle wird vorgegeben; die Abtriebswinkelgeschwindigkeit mA ist im Fahrbetrieb durch die Geschvvindigkeit des Fahrzeuges vorgegeben, wodurch die Leistung PA bestimmt ist, die der Eingangsleistung PE nach Abzug der wirkungsgrabdedingten Übertragungsverluste entspricht. Die Indizes M1 und M2 bezeichnen die mechanische Leistung vor und nach den übersetzungsgetriebe 2; die Indizes III und H2 bezeichnen Leistung, Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit am Eingang des Hydrostaten 1 bzw. am Ausgang des Hydrostaten 2.
• n den Fig. 2a bis 2c sind der volumetrische Wirkungsgrad, der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad und der Gesamtwirkungsgrad als Produkt der beiden erwähnten Wirkungsgrade über der Stellgröße x, also der Position der Verstelleinrichtung des Hydrostaten H1 bzw0 H2 aufgetragen. Parameter der Wirkungsgradkurven ist der Differenzdruck, wobei der Wirkungsgrad mit steigendem Differenzdruck abnimmt In den Fig0 2d bis f sind die entsprechenden Wirkungsgrade über dem Differenzdruck aufgetragen mit der Stellgröße x als Parameter, wobei x in Richtung zum höheren Wirkungsgrad hin zunimmt.
• Das beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Regelungs vorrichtung beruhen auf der Bestimmung der Drehmomente bzw.
• Wirkungsgrade der Hydrostaten, wobei sich das Drehmoment eines Hydrostaten als Motor bestimmt zu: NH1 = k # x1 # #p # #mh1 (1).
• Dabei ist k eine von der Bauart des Hydrostaten abhängige mechanisch-hydraulische Konstante, x, wie bereits erwähnt, die Auslenkung der Verstelleinrichtung, Ap der Differenza druck zwischen den Hydraulikverbindungsleitungen der beiden Hydrostaten H1 und H2, und #nh der mechanisch-hydraulische Wirkungsgrad, der seinerseits abhängt vom Differenzdruck Ap, der Verstellung x und der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit (Temperatureinfluß)0 Arbeitet der Hydrostat in umgekehrter Leistungsrichtung als Pumpe, so gilt MH1 = k # x1 # #p # 1/#mh (2) Die Schlucknenge I, die durch den als Motor eingesetzten Hydrostat pro Zeiteinheit durchfließt ergibt sich zu 1 = k . x1 ¢ #H . 1/N v1 (3) Dabei ist #H die Winkelgeschwindigkeit der Hydrostatwelle und es ist # v der volumetrische Wirkungsgrad, der vom Differenzdruck # p, der Verstellung x, der Winkelgeschwindigkeit #H und der Viskosität des Hydraulikmediums abhängt, Arbeitet der Hydrostat als Pumpe so ergibt sich sein Ölförderstrom zu I = k # x1 # #H # #V (4) Der Wirkungsgrad des gesamten Hydraulikzweiges ergibt sich aus dem Produkt der volumetrischen Wirkungsgrade der beiden Hydrostaten multipliziert mit dem Produkt der mechanisch-hvdraulischen Wirkungsgrade der beiden Hydrostaten.
• Die Getriebesteuerung umfaßt einen Sollwertrechner 5, bei dem es sich beispielsweise um einen Prozeßrechner oder einen Mikroprozessor handeln kann, Den im dargestellten Ausführungsbeispiel mit sieben Eingängen 6 versehenen Sollwertrechner 5 werden die Temperatur T des Hydraulikmediums, der herrschende Differenzdruck 5 PISt in den Hydraulikleitungen 4, die beiden Winkelgeschwindigkeiten #H1 und mH2 sowie die Stellgrößen x1 und x2 zugeführte Schließlich wird dem siebten Eingang 6 der Ausgang eines Drehmoment-Sollwertgebers, beispielsweise eines Fahrpedals, MASoll zugeführt. Der Sollwertrechner 5 ermittelt aus diesen Größen einen WertdPs,ll' der an eine Additionsstelle 7 geleitet wird, wo auch der Wertapist negativ zugeführt wird. Der gebildete Differenzwert wird an zwei Additionsstellen 8 bzw. 9 geleitet. Den Additionsstellen 8 und 9 werden Ausgangsgrößen je eines Kennliniengliedes 10 bzw. 11 zugeführt, deren Eingängen die Differenz der Beträge der Winkelgeschwindigkeiten der Wellen der beiden Hgdrostaten zugeführt werden. Dabei liefert das Kennlinienglied 10, dessen Ausgang mit der Additionsstelle 8 verbunden ist, nur positive, das mit der Additionsstelle 9 verbundene Kennlinienglied 11 nur negative Signale.
• An den Ausgang der Additionsstelle 8 ist der Eingang eines Druckreglers 12 und an den Ausgang der Additionsstelle 9 der Eingang eines Druckreglers 13 angeschlossen.
• Die beiden Druckregler 12 und 13 sind als PI-Regler ausgebildet. Ihre Ausgänge wirken auf je ein Stellglied 14 bzw. 15, an deren Ausgängen die Stellgrößen x1 bzw. x2 erscheinen, die auf die zu regelnde Strecke, nämlich die beiden Rydrostaten H1 bzw. H2 einwirken. Am Ausgang der Getriebeanordnung gemäß Fig. 1 erscheint dann das gewünschte Ausgangsdrehmoment MA, das im stationären Zustand dem Eingangswert am Eingang 6 des Sollwertrechners 5, wie er durch das Fahrpedal als NA vorgegeben ist, gleich ist. soll Der Sollwertrechner 5 ermittelt aus den ihm zugeführten Meßgrößen nach den Gleichungen (1) und (2) den Hydraulikdruck APSO11 der über die Verstelleinrichtungen entsprechend den Stellgrößen x1 und x2 eingeregelt wird.
• (Der tatsächlich herrschende Ist-Wert wird entsprechend den Eingängen des Sollwertrechners 5 rückgeführt.) In vielen Fällen genügt es, denjenigen der beiden Hydrostaten III bzw0 H2 zur Druckregelung heranzuziehen, der die höhere Flüaaigkeitsdurchsatzreserve aufweist; der jeweils andere der beiden Hydrostaten wird dann voll geöffnet, Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind zwei gleiche Hydrostaten verwendet. Der jeweils langsamer drehende Hydrostat wird über die Kennliniengeber 10 bzw.
• 11 an seine Öffnungsgrenze gedrückt.
• Durch Vergroßerung des Rechneraufwandes läßt sich eine Wirkungsgrad-Optimierung durchführen0 Zu diesem Zweck werden dem Sollwertrechner die Wirkungsgradkennfelder gemäß Fig. 2 eingegeben und er bestimmt den optimalen Gesemtwirkungsgrad beider Hydrostaten als Produkt der volumetrischen und der mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrade für den jeweiligen Betriebspunkt. Dies ist ohne weiteres und vor allem ohne jeden zusätzlichen Aufwand an Meßgebern und dgl. möglich, weil die erforderlichen Parameter dem Sollwertrechner 5 ohnedies zugeführt werden und die Wirkungsgradkennlinien für jede Hydrostatenbauart nur einmal bestimmt und den Rechner entsprechend eingegeben zu werden brauchen, Dabei können die Kennlinien auch als analytische Ausdrücke eingegeben werden0 Die Richtung des Leistungsflusses ist in einfachster Weise umkehrbar. Bei begrenztem Drehzahlverstellbereich genügt es außerdem, wenn nur einer der beiden Hydrostaten verstellbar und der andere fest eingestellt ist. Dies reduziert sowohl den baulichen Aufwand für den Hydrostaten als auch den rechnerseitigen und reglerseitigen Aufwand0

Claims (1)

1. Ansprüche 1. Verfahren zur Regelung eines Getriebes, das zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang einen als Pumpe und einen als Rotor dienenden Hydrostat umfaßt, die mit Verstelleinrichtungen zum Beeinflussen des Differenzdruckes in den beiden die Hydrostaten miteinander verbindenden Leitungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des husgangsdrehmomentes (MA) einem Rechner (5) die Drehzahlen der beiden Hydrostaten (E1 und H2), die momentanen Positionen der Verstelleinrichtungen Cx1 und x2), der Differenzdruck (# p) und der Drehmoment-Sollwert (MA ) eingegeben wird, daß der Rechner (5) gemäß den an soll sich bekannten Gleichungen für den volumetrischen und mechanisch-hydraulis chen Wirkungsgrad einen Drucksollwert (#psoll) ermittelt, daß der Differenzwert zwischen dem herrschenden Differendruck (#pist) und ermitteltem Druck sollwert (# Psoll) gebildet und einem Druckregler (12 bzw0 13) zugeführt wird, der über ein Stellglied (14 bzw. 15) die Verstelleinrichtung nachstelltO 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weder der beiden Hydrostaten (H1 und H2) über einen eigenen Druckregler (12 bzw. 13) gesteuert wird, und daß dem Eingang jedes der Druckregler eine Additionsstelle (8 bzw. 9) vorgeschaltet ist, der außer dem Differenzwert (5 PsOll -#pist) eine Größe zugeführt wird, die von einem nur einseitig wirkenden Kennlinienglied (10bzw. 11) ein Signal erhält, dem der Betrag der Differenz der Drehzahlen der Hydrostaten (#H2 - #H1) als Eingangssignal zugeführt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner (5) weitere Korrekturgrößen wie die Temperatur (T) des Hydraulikmediums zugeführt werden.

   4. Vorrichtung für ein Getriebe mit einem als Pumpe und einem als Motor dienenden Hydrostat zwischen Getriebeeingang und Getriebeausgang, von denen mindestens einer mit einer Verstelleinrichtung zum Beeinflussen des Differenzdruckes in den beiden die Hydrostaten miteinander verbindenden Leitungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Drehmomentes (MA) am Getriebeausgang ein Rechner (5) vorgesehen ist, dessen Eingänge mit die Drehzahlen (#H1 bzw. #H2) der beiden Hydrostaten (H1 und H2) erfassenden Drehzahlgebern, mit die Stellung (x1 bzw. x2) der Verstelleinrichtung signalisierenden Stellungsgebern, einem Differenzdruckgeber zum Erfassen des Differenzdruckes (#pist) und mit einem Drehmoment-Sollwertgeber verbunden sind, daß der Rechner (5) zur Verknüpfung der Eingangswerte gemäß den bekannten Gleichungen für das Drehmoment als Funktion von Wirkungsgrad, Druck und VerstellgröBe der Hydrostaten ausgebildet ist zur Ermittlung eines Differenzdruck-Sollwertes (#psoll).

   und daß dem Rechnerausgang ein Druckregler (12 bzw. 13) nachgeschaltet ist, dessen Eingang die Differenz ( Psoll Bist zwischen errechnetem Differenzdruck-Sollwert und herrschenden Differenzdruck-Istwert von einer hdditionsstelle (7) erhält und an dessen Ausgang ein Stellglied (14 bzw. 15) zum entsprechenden Betätigen der Verstelleinrichtung angeschlossen ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Additionsstelle (7) und dem Reglereingang eine weitere Additionsstelle (8 bzw0 9) eingeschaltet ist, mit der der Ausgang eines Kennliniengliedes (10 bzw.

   11) verbunden ist, dessen Eingang mit einem Signalgeber verbunden ist, der ein dem Betrag der Differenz der Drehzahlen der beiden Hydrostaten proportionales Drehzahldifferenzsignel (#H2 - #H1) liefert.

   6. orrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Additionsstelle (7) nachgeschaltete Anordnung mit zwei symmetrischen Zweigen aufgebaut ist und jedem Hydrostat ein Zweig zugeordnet ist, und daß das Kennlinienglied (10 bzw. 11) jeweils eines Zweiges nur eine Seite eines bei einem Nullpunkt beginnenden Bereiches verarbeitet0 7. Vorrichtung nach einem der Lnsprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rechnereingang mit einem die Temperatur (T) des Hydraulikmediums erfassenden Temperaturgeber verbunden ist0 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe außer einem hydraulischen Zweig (H1 und H2) einen dazu parallelen mechanischen Zweig (2) umfaßt, und daß die beiden Zweige am Eingang und am ausgang über ein Verzweigungsgetriebe (1) bzw. ein Summiergetriebe (3) miteinander verbunden sind0