DE102010052065A1 - Verfahren zum Ansteuern der Fahrhydraulik einer Arbeitsmaschine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern der Fahrhydraulik einer Arbeitsmaschine, welche eine Antriebsmaschine, eine von der Antriebsmaschine angetriebene Arbeitshydraulik und eine von der Antriebsmaschine angetriebene, ein hydrostatisches Zweikreissystem umfassende Fahrhydraulik aufweist, wobei ein Betriebspunkt der Antriebsmaschine in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung zumindest der Arbeitshydraulik eingestellt wird, wobei während eines Fahr- und Arbeitsbetriebs auf eine von einer Veränderung der Leistungsanforderung der Arbeitshydraulik hervorgerufene Veränderung des Betriebspunktes der Antriebsmaschine durch eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses eines hydrostatischen Getriebes des hydrostatischen Zweikreissystems reagiert wird, um eine Veränderung der Fahrgeschwindigkeit zu vermeiden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern der Fahrhydraulik einer Arbeitsmaschine.
  • Stand der Technik
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von mobilen Arbeitsmaschinen, insbesondere Kompaktladern (sog. Skid Steer Lader), bei denen ein hydrostatischer Fahrantrieb (Fahrhydraulik) sowie eine Arbeitshydraulik von einer Antriebsmaschine, üblicherweise einem Verbrennungsmotor, angetrieben werden. Die Fahrhydraulik umfasst einen hydrostatischen Zweikreisantrieb, d. h. zwei hydrostatische Kreisläufe (Rechts/Links) für die Fahrfunktion. Das Lenken dieser Maschinen wird durch gezielte Drehzahldifferenz zwischen den beiden Kreisläufen realisiert. Dazu ist üblicherweise für jede Seite ein hydraulisches Getriebe mit je einer von der Antriebsmaschine angetriebenen Hydraulikpumpe und einem damit verbundenen Hydraulikmotor vorgesehen.
  • Es ist insbesondere bei den kleinen Arbeitsmaschinen, wie den Kompaktladern, üblich, dass der Fahrer über einen Wählhebel oder ein Pedal die Drehzahl der Antriebsmaschine, im Folgenden als Dieseldrehzahl bezeichnet, als Betriebspunkt einstellt. Über den Wählhebel oder das Gaspedal stellt der Fahrer eine konstante Dieseldrehzahl ein und bewegt das Fahrzeug anschließend über Joysticks, welche die beiden hydrostatischen Kreisläufe ansteuern. Die Ansteuerung der Solldrehzahl der Antriebsmaschine durch ein Fahrpedal ist bspw. in der DE 101 34 789 C2 beschrieben. Nachteilig an dieser direkten Einstellung ist ein schlechter Wirkungsgrad.
  • Für große Arbeitsmaschinen ist es bekannt, den Wirkungsgrad zu verbessern, indem der Betriebspunkt der Antriebsmaschine an eine momentane Leistungsanforderung angepasst wird, wie es bspw. in der EP 1 754 643 A1 beschrieben wird. Nachteilig hieran ist jedoch, dass es bei einer Veränderung des Betriebspunkts der Antriebsmaschine während des Fahrbetriebs zu einer unerwünschten Veränderung der Fahrgeschwindigkeit kommt. Auch ist ein Einsatz einer aufwendigen Ansteuerung bei kleinen Arbeitsmaschinen nicht vorgesehen.
  • Es ist daher wünschenswert, auch bei kleinen mobilen zweikreisigen Arbeitsmaschinen den Wirkungsgrad der Ansteuerung zu erhöhen, aber dabei das Fahrgefühl nicht zu verschlechtern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung basiert einerseits auf der Maßnahme, bei Arbeitsmaschinen mit einer zweikreisigen Fahrhydraulik eine Anpassung des Betriebspunktes der Antriebsmaschine an den momentanen Leistungsbedarf vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Maximaldrehzahl für die Antriebsmaschine bestimmt wird, die zur Erfüllung aller Leistungsanforderungen genügt. Die Umsetzung einer solch grundlegenden Funktion ist auch für kleine Arbeitsmaschinen rentabel. Um dabei aber Veränderungen der Fahrgeschwindigkeit aufgrund von veränderten Drehzahlen der Antriebsmaschine zu vermeiden, wird andererseits die Fahrhydraulik so betrieben, dass die Fahrantriebsdrehzahl auch bei veränderter Antriebsmaschinendrehzahl im Wesentlichen konstant bleibt. Dies geschieht vorzugsweise durch Anpassung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Hydropumpe und Hydromotor der Fahrhydraulik.
  • Die gebrauchsgerechte Ansteuerung der Antriebsmaschine, bspw. des Dieselmotors, führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Weiterhin ergibt sich daraus eine Reduktion des gesamten Geräuschpegels, da die Antriebsmaschine bei geringer Anforderung nur mit einer geringen Drehzahl betrieben wird. Dies führt zu einer Kostenreduktion und einer Erhöhung des Bedienkomforts, da insbesondere der Drehzahlwahlhebel entfallen kann und die Betriebskosten aufgrund des verbesserten Verbrauchs gesenkt werden. Der Einsatz einer gebrauchsgerechten Ansteuerung wird in der Praxis erst zusammen mit der Geschwindigkeitskompensationsfunktion möglich, da Arbeitsmaschinen, die während des Fahrbetriebs von selbst die Geschwindigkeit ändern, selbst in Anbetracht der genannten Vorteile nicht angenommen würden, da der Arbeitsablauf stark negativ beeinflusst würde.
  • Die gebrauchsgerechte Ansteuerung der Antriebsmaschine (bspw. des Dieselmotors) kann insbesondere über leicht zu parametrierende Kennfelder mit der aktuellen Ansteuerung der Komponenten, wie z. B. Fahrpedal, Joystick usw., gekoppelt werden. Um die für den aktuellen Einsatz maximal notwendige Drehzahl zur Verfügung zu stellen, werden vorteilhafterweise sämtliche Drehzahlanforderungen der einzelnen Kennfelder über eine Maximumauswahl miteinander verbunden.
  • Eine besonders leicht einzusetzende Anpassung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Hydropumpe und Hydromotor der Fahrhydraulik ergibt sich durch Einstellung des Fördervolumens der Hydropumpe und/oder des Schluckvolumens des Hydromotors. Die Anpassung kann weiter vereinfacht werden, wenn entweder nur das Schluckvolumen oder nur das Fördervolumen verändert werden.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer Arbeitsmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt schematisch eine Arbeitsmaschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann.
  • 2 zeigt eine bevorzugte Möglichkeit zur Vorgabe eines Betriebspunktes der Antriebsmaschine.
  • 3 zeigt einen bevorzugten Zusammenhang zwischen Schluckvolumen und Fördervolumen zur Vorgabe eines erwünschten Übersetzungsverhältnisses.
  • Bevor auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Einzelnen eingegangen wird, soll zunächst zum besseren Verständnis der Aufbau einer zweikreisigen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Kompaktladers, anhand der 1 erläutert werden.
  • In 1 ist eine mobile Arbeitsmaschine 1 gezeigt, bei der mittels einer Antriebsmaschine, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Dieselbrennkraftmaschine 2 ausgeführt ist, ein erstes hydrostatisches Getriebe 3 und ein zweites hydrostatisches Getriebe 3' einer Fahrhydraulik angetrieben werden. Die hydrostatischen Getriebe 3 und 3' sind im Wesentlichen gleich aufgebaut, so dass im Folgenden lediglich das erste hydrostatische Getriebe 3 näher erläutert wird. Alles hierzu Gesagte gilt jedoch ebenso für das zweite hydrostatische Getriebe 3', dessen Elemente mit gestrichenen Bezugszeichen versehen sind.
  • Das hydrostatische Getriebe 3 umfasst eine einstellbare Hydropumpe 5 sowie einen einstellbaren Hydromotor 6. Die Hydropumpe 5 und der Hydromotor 6 sind über eine erste Arbeitsleitung 7 und eine zweite Arbeitsleitung 8 in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf miteinander verbunden.
  • Von der Dieselbrennkraftmaschine 2 wird an einer Triebwelle 4 ein Antriebsmoment erzeugt. Die Dieselbrennkraftmaschine 2 ist mit der Hydropumpe 5 über die Triebwelle 4 und ein Verteilergetriebe 30 verbunden, so dass die Hydropumpe 5 mit dem durch die Dieselbrennkraftmaschine 2 erzeugten Drehmoment angetrieben wird. Entsprechend dem eingestellten Fördervolumen der Hydropumpe 5 wird durch die Hydropumpe Druckmittel in die erste Arbeitsleitung 7 oder in die zweite Arbeitsleitung 8 gefördert. Damit wird in dem geschlossenen hydraulischen Kreislauf in Abhängigkeit von dem eingestellten Schluckvolumen des Hydromotors 6 ein Ausgangsdrehmoment erzeugt. Das Ausgangsdrehmoment wird von dem Hydromotor 6 über eine Abtriebswelle 9 und ein optional vorgesehenes Fahrgetriebe 31 beispielsweise zu einem angetriebenen Rad 10 übertragen.
  • Zusätzlich zu dem Fahrantrieb verfügt die mobile Arbeitsmaschine zumindest über eine Arbeitshydraulik (nicht gezeigt), bei der eine weitere von der Dieselbrennkraftmaschine 2 angetriebene Hydraulikpumpe zur Versorgung wenigstens eines Hydraulikzylinders und/oder Hydraulikmotors eingesetzt wird. Üblicherweise sind auch Ventile zur Ansteuerung der Verbraucher vorhanden. Die Arbeitshydraulik kann beispielsweise eine Schaufel u. ä. umfassen.
  • Zur Einstellung des Fördervolumens der Hydropumpe 5 und des Schluckvolumens des Hydromotors 6 ist eine Pumpenverstellvorrichtung 14 bzw. eine Motorverstellvorrichtung 15 vorgesehen. Die Pumpenverstellvorrichtung 14 und die Motorverstellvorrichtung 15 wirken jeweils mit einem Verstellmechanismus der Hydropumpe 5 bzw. des Hydromotors 6 zusammen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Hydropumpe 5 als auch der Hydromotor 6 ausgehend von einer Neutrallage in beide Richtungen verstellbar ausgeführt. Die Hydropumpe 5 und der Hydromotor 6 sind vorzugsweise Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauart.
  • Zur Einstellung eines Betriebspunkts der Dieselbrennkraftmaschine 2, hier einer Dieseldrehzahl, wird einer Einspritzpumpe 13 eine Fördermenge durch ein Steuergerät 16 vorgegeben, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens programmtechnisch eingerichtet ist. Hierzu wird ein entsprechendes Signal über eine Busleitung 17 von dem Steuergerät 16 an die Einspritzpumpe 13 übermittelt. Die Einstellung des Betriebspunktes erfolgt vorzugsweise anhand einer Auswahl eines maximalen Drehzahlwerts, wie es später unter Bezugnahme auf 2 erläutert werden wird.
  • Die Einstellung des hydrostatischen Getriebes 3 erfolgt ebenfalls durch das Steuergerät 16. Entsprechend werden durch das Steuergerät 16 der Pumpenverstellvorrichtung 14 und der Motorverstellvorrichtung 15 entsprechende Steuersignale übermittelt. Besonders bevorzugt sind die Pumpenverstellvorrichtung 14 und die Motorverstellvorrichtung 15 elektroproportional ausgeführt. In nicht dargestellter Weise werden dabei durch Steuerventile Stelldrücke erzeugt, die beispielsweise auf einen Verstellkolben wirken, der mit dem jeweiligen Verstellmechanismus zusammenwirkt. Die Einstellung des hydrostatischen Getriebes 3 bewirkt, dass die Drehzahl der Triebwelle 4 in eine dem Fahrwunsch entsprechende Drehzahl der zweiten Triebwelle 9 bzw. im weiteren Verlauf des Rads 10 umgesetzt wird.
  • Zur Bedienung der Arbeitshydraulik sowie zur Vorgabe der Fahrtrichtung sowie der Fahrgeschwindigkeit dienen ein oder mehrere Eingabegerät, bspw. ein Fahrpedal oder Joystick 11, über das ein Steuersignal von einem Bediener der Arbeitsmaschine erzeugt wird. Im vorliegenden Beispiel ist der Joystick 11 über den Bus 17 mit dem Steuergerät 13 verbunden.
  • Anhand 2 wird im Folgenden eine bevorzugte bedarfsgerechte Ansteuerung der Dieselbrennkraftmaschine 2 beschrieben. Die Ansteuerung erfolgt über unterschiedliche Benutzervorgaben 201 bis 208, welche bspw. ”Vorwärts”, ”Rückwärts”, ”Links”, ”Rechts”, ”Heben”, ”Senken”, ”Einkippen” und ”Auskippen” umfassen können. Jeder dieser Benutzervorgaben wird über einfach zu parametrierende Kennfelder 211–218 eine dafür notwendige Mindestdrehzahl zugewiesen. Um die für den aktuellen Einsatz insgesamt notwendige Drehzahl nDSoll zur Verfügung zu stellen, werden sämtliche Drehzahlanforderungen der einzelnen Kennfelder über eine Maximumsauswahl 220 verbunden, d. h. die notwendige Drehzahl nDSoll ist das Maximum aller angeforderten Mindestdrehzahlen.
  • Im Folgenden wird nun erläutert, wie die Fahrgeschwindigkeit bei einer Variation der Dieselrehzahl nD konstant gehalten werden kann. Zu einer Variation der Drehzahl nD kommt es durch die bedarfsgerechte Ansteuerung bei einem Betrieb der Arbeitshydraulik während des Fahrens, beispielsweise durch Heben, Senken und/oder Kippen der Schaufel eines Kompaktladers.
  • Zunächst wird der Fahrgeschwindigkeitswunsch des Bedieners als Abtriebsdrehzahlwunsch nAb am Rad 10 interpretiert, so dass sich nun die Aufgabe ergibt, diese Abtriebsdrehzahl nAb, bei wechselnden Dieselrehzahlen nD konstant zu halten.
  • Die Abtriebsdrehzahl nAb, ergibt sich aus der Abtriebsdrehzahl nM des Hydromotors 6 über ein ggf. vorhandenes Fahrgetriebe 31 mit einer Übersetzung iGFT zu: nM = nAb·iGFT (1)
  • Das Übersetzungsverhältnis rHyd des hydrostatischen Getriebes 3 ergibt sich aus der theoretischen Volumenstrombilanz der Hydropumpe sowie des Hydromotors unter Vernachlässigung der hydraulischen Wirkungsgrade aus: QPumpe(t) = QMotor(t) (2) VgmaxP·nD(t)·αP(t) = VgmaxM·nM(t)·αM(t) (3) mit:
    • nD:
    Antriebsdrehzahl der Hydropumpe
    nM:
    Abtriebsdrehzahl des Hydromotors
    VgmaxP:
    maximales Fördervolumen der Hydropumpe
    VgmaxM:
    maximales Schluckvolumen des Hydromotors
    aP:
    Schwenkwinkel der Hydropumpe; Volumenanteil von [0...1]
    aM:
    Schwenkwinkel des Hydromotors; Volumenanteil von [0...1]
  • Daraus ergibt sich:
    Figure 00070001
    Figure 00080001
  • Man erhält einen Zusammenhang zwischen Abtriebsdrehzahl nAb und Dieseldrehzahl nD. Soll die Abtriebsdrehzahl nAb konstant gehalten werden, erhält man eine direkte Beziehung zwischen den einzustellenden Pumpen- bzw. Motorschwenkwinkeln und der momentanen Dieseldrehzahl nD:
    Figure 00080002
  • Vorzugsweise mittels einer Folgeverstellung kann eine gewünschte Abtriebsdrehzahl in Abhängigkeit von der Dieseldrehzahl über die Schwenkwinkel der Hydrostaten eingestellt werden. Unter einer Folgeverstellung ist hierbei zu verstehen, dass zunächst bei maximalem Schluckvolumen des Hydromotors die Hydropumpe von Null auf volles Fördervolumen hochgefahren wird und anschließend der Hydromotor vom maximalen Schluckvolumen aus verringert wird. Der prinzipielle Verlauf einer Folgeverstellung ist in 3 dargestellt.
  • In 3 sind die auf 100% bzw. 1 normierten Schwenkwinkel (d. h. Volumenanteile) aP und aM auf der Ordinate gegen das Übersetzungsverhältnis rHyd des hydrostatischen Getriebes auf der Abszisse aufgetragen. Ein Verhältnisschwellwert, der durch das Verhältnis VgmaxP/VgmaxM zwischen maximalem Fördervolumen VgmaxP der hydrostatischen Pumpe (5) und maximalem Schluckvolumen VgmaxM des hydrostatischen Motors (6) definiert wird, ist mit r0 bezeichnet.
  • Der Schwenkwinkel aP ist mit 301, der Schwenkwinkel aM ist mit 302 bezeichnet. Für Verhältnisse r < r0 wird das Fördervolumen der hydrostatischen Pumpe 5 zwischen 0% und 100% eingestellt, während das Schluckvolumen des hydrostatischen Motors 6 auf 100% eingestellt ist. Für Verhältnisse r > r0 wird das Schluckvolumen des hydrostatischen Motors 6 zwischen 100% und 0% eingestellt, während das Fördervolumen der hydrostatischen Pumpe 5 auf 100% eingestellt ist. Dies stellt eine Möglichkeit zur Einstellung eines erwünschten Übersetzungsverhältnisses bereit, die besonders einfach umzusetzen ist.
  • Insgesamt stellt die Erfindung ein Ansteuerverfahren für mobile zweikreisige Arbeitsmaschinen bereit, mit dem der Verbrauch verringert werden kann und dennoch die volle Funktionsfähigkeit erhalten bleibt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10134789 C2 [0003]
    • EP 1754643 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ansteuern der Fahrhydraulik (3, 3') einer Arbeitsmaschine (1), welche eine Antriebsmaschine (2), eine von der Antriebsmaschine (2) angetriebene Arbeitshydraulik und eine von der Antriebsmaschine (2) angetriebene, ein hydrostatisches Zweikreissystem (3, 3') umfassende Fahrhydraulik aufweist, wobei ein Betriebspunkt der Antriebsmaschine (2) in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung zumindest der Arbeitshydraulik eingestellt wird, wobei während eines Fahr- und Arbeitsbetriebs auf eine von einer Veränderung der Leistungsanforderung der Arbeitshydraulik hervorgerufene Veränderung des Betriebspunktes der Antriebsmaschine (2) durch eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses (rHyd) eines hydrostatischen Getriebes (3, 3') des hydrostatischen Zweikreissystems reagiert wird, um eine Veränderung der Fahrgeschwindigkeit zu vermeiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Übersetzungsverhältnis (rHyd) des hydrostatischen Getriebes durch Einstellung des Verhältnisses zwischen Fördervolumen (aP) einer hydrostatischen Pumpe (5) und Schluckvolumen (aM) eines hydrostatischen Motors (6) eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Einstellung des Verhältnisses entweder nur das Fördervolumen (aP) der hydrostatischen Pumpe (5) oder nur das Schluckvolumen (aM) des hydrostatischen Motors (6) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für ein Verhältnisses kleiner einem Verhältnisschwellwert (r0) das Fördervolumen (aP) der hydrostatischen Pumpe (5) zwischen 0% und 100% eingestellt wird, während das Schluckvolumen (aM) des hydrostatischen Motors (6) auf 100% eingestellt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei für ein Verhältnisses größer einem Verhältnisschwellwert (r0) das Schluckvolumen (aM) des hydrostatischen Motors (6) zwischen 0% und 100% eingestellt wird, während das Fördervolumen (aP) der hydrostatischen Pumpe (5) auf 100% eingestellt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Verhältnisschwellwert (r0) als Verhältnis zwischen maximalem Fördervolumen der hydrostatischen Pumpe (5) und maximalem Schluckvolumen des hydrostatischen Motors (6) definiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Einstellung des Betriebspunkts der Antriebsmaschine (1) die Drehzahl (nDSoll) eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zur Einstellung der Drehzahl (nDSoll) eine Auswahl (220) der größten angeforderten Drehzahl aus einer Anzahl von Drehzahlanforderungen erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Fahrgeschwindigkeitswunsch des Bedieners einen Abtriebsdrehzahlwunsch vorgibt.
  10. Recheneinheit (16), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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