DE102009054876A1

DE102009054876A1 - Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102009054876A1
Application number: DE102009054876A
Authority: DE
Inventors: Manfred 88046 Sieger; Jörg 88677 Geis
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: US9115711B2; CN102695871B; WO2011082890A3; CN102695871A; EP2513470A2; WO2011082890A2; JP2013514480A; JP5689479B2; US20120259580A1; EP2513470B1; KR20120102708A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine (1) mit verstellbarer Exzentrizität e, mit schwenkbar angeordneten Zylindern (2) und mit einer einen Exzenter (5) antreibenden Antriebswelle, wobei der Drehwinkel der Antriebswelle mit α und der Schwenkwinkel der Zylinder (2) mit β bezeichnet sind. Es wird vorgeschlagen, dass der Schwenkwinkel β gemessen und aus den Messwerten für β die Exzentrizität (e) und daraus das Schluckvolumen (v) berechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, dass die Förderleistung einer Radialkolbenmaschine, also eines Radialkolbenmotors oder einer Radialkolbenpumpe direkt vom Schluckvolumen abhängig ist, welches durch Verstellung der Exzentrizität veränderbar ist. Für eine Regelung der Förderleistung wäre das aktuelle Schluckvolumen als Führungsgröße geeignet – allerdings sind weder das Schluckvolumen noch die aktuell eingestellte Exzentrizität messbar.
Durch die DE 10 2007 003 800 B3 wurde ein Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebs bekannt, wobei das aktuelle Schluckvolumen eines Hydromotors aus dem aktuellen elektrischen Verstellstrom mit Hilfe einer Verstellstromkennlinie abgeleitet wird.
Durch die DE 10 2004 048 174 A1 der Anmelderin wurde eine Einrichtung zur Bestimmung des Schluckvolumens eines verstellbaren Radialkolbenmotors bekannt, welcher schwenkbar gelagerte Zylinder aufweist. Zur Bestimmung des Schluckvolumens ist ein Drehwinkelgeber vorgesehen, welcher den Schwenkwinkel der Zylinder misst, der proportional zum aktuellen Schluckvolumen ist.
Durch die DE 10 2006 043 291 A1 der Anmelderin wurde ein berührungsloser Drehwinkelsensor für einen verstellbaren Radialkolbenmotor bekannt. Der Drehwinkelsensor soll den aktuellen Dreh- oder Schwenkwinkel eines Zylinders des Radialkolbenmotors erfassen, wobei der Drehwinkel proportional zum aktuell eingestellten Schluckvolumen des Radialkolbenmotors ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das aktuelle Schluckvolumen der Radialkolbenmaschine möglichst einfach und genau ermittelt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird bei laufender Radialkolbenmaschine der Schwenkwinkel β der Zylinder gemessen, daraus die Exzentrizität und darüber das Schluckvolumen berechnet. Das aktuell ermittelte Schluckvolumen kann somit als Führungsgröße in einem Regelprozess zur Regelung der Förderleistung der Radialkolbenmaschine verwendet werden. Damit ergibt sich eine schnelle und genaue Regelung. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass zwischen dem Schwenkwinkel β, dem Drehwinkel α der Antriebswelle und der jeweils eingestellten Exzentrizität e eine mathematische Verknüpfung besteht. Da das Schluckvolumen selbst und auch die Exzentrizität während des Betriebes der Radialkolbenmaschine nicht oder nur sehr schlecht messbar sind, wird erfindungsgemäß nur der Schwenkwinkel gemessen und über diesen unter Verwendung der mathematischen Beziehung das Schluckvolumen errechnet. Für die Funktion des Schwenkwinkels β in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel α ergibt sich eine einer Sinuskurve ähnliche Funktion, bei der die Maxima und Minima gegenüber der Sinuskurve verschoben sind. Die Nullpunkte des Schwenkwinkels β werden jeweils im oberen und im unteren Totpunkt des Radialkolbens erreicht.
Nach einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird der Schwenkwinkel β zu definierten Zeitpunkten t_n gemessen, wobei jedem Zeitpunkt t_n ein Drehwinkel α_n der Antriebwelle zugeordnet wird. Durch die Zuordnung des Drehwinkels zum Messzeitpunkt und damit zum gemessenen Schwenkwinkel β lässt sich die Exzentrizität e berechnen.
Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante werden zur Festlegung der Zeitpunkte t_n eine Anzahl z von Impulsen pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugt. Das Auftreten der Impulse löst die Messung des Schwenkwinkels β_n aus. Somit erhält man pro Umdrehung der Antriebswelle eine hinreichende Anzahl z von Messwerten für den Schwenkwinkel β und damit errechnete Werte des aktuellen Schluckvolumens.
Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante ist der Antriebswelle eine Nulllage zugeordnet, welche dem oberen Totpunkt des Exzenters entspricht und die nach jedem Durchgang, d. h. einem Drehwinkel von 360° neu bestimmt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante kann die Drehrichtung der Antriebswelle aus dem Funktionsverlauf des Schwenkwinkels β, d. h. aus der relativen Lage der Schwenkwinkel-Maxima und -Minima gegenüber π/2 und 3 π/2 bestimmt werden: Ist der Anstieg des Schwenkwinkels β vom Minimum zum Maximum steiler als der Abfall vom Maximum zum Minimum, so gilt die Drehrichtung als rechtsdrehend. In abweichenden Fällen gilt die Drehrichtung als linksdrehend. Die Kenntnis der Drehrichtung ist wesentlich für die Berechnung des Schluckvolumens.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert, wobei sich aus der Zeichnung/oder der Beschreibung weitere Merkmale und/oder weitere Vorteile ergeben können. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines verstellbaren Radialkolbenmotors,
2 eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse für einen Zylinder eines Radialkolbenmotors und
3 den Funktionsverlauf des Schwenkwinkels β in Abhängigkeit vom Drehwinkel α.
1 zeigt eine als Radialkolbenmotor 1 ausgebildete Radialkolbenmaschine nach dem Stand der Technik. Fünf Zylinder 2 sind sternförmig angeordnet und schwenkbar (was nicht dargestellt ist) gelagert. Jedem Zylinder 2 ist ein Kolben 3 zugeordnet, der sich mit einem Schuh gleitend an einem Hubring 4 abstützt. Der Hubring 4 wird von einem Exzenter 5 angetrieben und bewirkt somit die unterschiedlichen, in der Zeichnung dargestellten Hubphasen. Die in 1 nicht dargestellte schwenkbare Lagerung der Zylinder geht aus der eingangs genannten DE 10 2004 048 174 A1 hervor, die hiermit in vollem Umfang in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
2 zeigt in schematischer Darstellung einen Zylinder 2 aus 1, wobei gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile verwendet werden. Der Zylinder 2 ist um eine durch den Punkt S gehende Achse schwenkbar in einem nicht dargestellten Gehäuse gelagert. Der gleitend in dem Zylinder 2 angeordnete Kolben 3 stützt sich mit seinem Schuh 3a gleitend auf dem Hubring 4 ab, der von dem Exzenter 5 angetrieben wird. Der Exzenter 5 weist einen Drehpunkt D auf, durch welchen die Achse einer nicht dargestellten, den Exzenter 5 antreibenden Antriebswelle verläuft. Der Hubring 4 weist einen Mittelpunkt M auf; der Abstand des Drehpunktes D vom Schwenkpunkt S ist mit A bezeichnet. Der Abstand des Mittelpunktes M vom Drehpunkt D wird als Auslenkung oder Exzentrizität e bezeichnet. Die Auslenkung e ist zwecks Veränderung des Hub- oder Schluckvolumens des Radialkolbenmotors verstellbar. Der Schwenkwinkel des Zylinders 2 ist mit β und der Drehwinkel der Antriebswelle um den Drehpunkt D, ausgehend vom oberen Totpunkt des Kolbens 3, ist mit α bezeichnet. Für den eingezeichneten Drehwinkel α ergibt sich eine durch den Punkt E bezeichnete Position des Exzenters, bei welchem der Zylinder 2 um den Winkel β verschwenkt wurde. Aus dem Dreieck DSE lässt sich folgende Beziehung ableiten: tanβ = e·sinα/(A + e·cosα)
Man erkennt aus dieser Beziehung, dass der Schwenkwinkel β einerseits vom Drehwinkel α und andererseits von der eingestellten Exzentrizität e abhängt.
Die Funktion des Schwenkwinkels β ist in 3 aufgetragen und in durchgezogenen Linien dargestellt, und zwar einerseits für eine maximale Exzentrizität e und andererseits für die halbe maximale Exzentrizität (e/2). Zum Vergleich sind entsprechende Sinuskurven in gestrichelten Linien eingezeichnet. Man erkennt, dass die Nulldurchgänge identisch sind, allerdings nicht die Maxima und Minima. Das Maximum für den Schwenkwinkel β tritt vor π/2, das Minimum für β tritt nach dem Minimum der Sinuskurve auf.
Im Diagramm sind das Maximum mit β_max und das Minimum mit β_min eingezeichnet. Aus dem dargestellten Funktionsverlauf, d. h. aus der relativen Lage von β_max und β_min gegenüber π/2 und 3 π/2 lässt sich die Drehrichtung der Antriebswelle wie folgt ableiten: Die Drehrichtung gilt als rechtsdrehend, wenn der Anstieg des Schwenkwinkels β vom Minimum zum Maximum steiler als der Abfall vom Maximum zum Minimum ist; in allen anderen Fällen gilt die Drehrichtung als linksdrehend. Rechtsdrehend wird mit d = 1 und linksdrehend mit d = –1 definiert.
Aus den so ermittelten Werten für β und α lässt sich nach der oben genannten tan-Funktion die Auslenkung oder Exzentrizität e errechnen. Für das Schluckvolumen v des Radialkolbenmotors 1 und die Auslenkung e gibt es eine eindeutige Beziehung: v = f(e), sodass die Kenntnis des Wertes der Auslenkung e äquivalent zur Kenntnis des Schluckvolumens v ist.
Das Maximum des Schwenkwinkels β_max tritt in 2 (linke Hälfte) dann auf, wenn der Strahl des Winkels β den Kreis mit dem Radius e um D im Punkt E' tangiert. Dann ergeben sich das rechtwinklige Dreieck DE'S und die einfache Beziehung: sinβ_max = e/A
Einer der Zylinder 2 ist mit einem nicht dargestellten Winkelsensor ausgestattet, der den Schwenkwinkel β misst – wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Der Nullpunkt des Schwenkwinkels β wird jeweils in der oberen und unteren Endlage des Kolbens (oberer Totpunkt, unterer Totpunkt) erreicht. Pro ganzer Umdrehung der Antriebswelle erzeugt ein nicht dargestellter Impulsgeber eine Anzahl von z Impulsen in einem Impulsdetektor. Dabei muss z nicht notwendigerweise eine ganze Zahl sein. Das ist z. B. dann der Fall, wenn der Impulsgeber nicht direkt auf der Antriebswelle angeordnet ist, sondern über einen Zahntrieb mit nicht ganzzahligem Übersetzungsverhältnis angetrieben wird. Von jedem Impuls n wird der Zeitpunkt seiner Detektion t_n gespeichert. Außerdem löst jeder Impuls eine Messung des Schwenkwinkels β aus. Dieser Messwert wird dem Auslösezeitpunkt t_n zugeordnet: β = β(t_n).
Da die Impulse im Allgemeinen keinen festen Winkellagen der Antriebswelle zugeordnet sind, wird bei jedem Umlauf die Nulllage neu bestimmt.
In der Umgebung der Nulldurchgänge ist der Schwenkwinkel β_n zu klein für eine brauchbare Genauigkeit. Verschärft wird das dann zusätzlich, wenn der Exzenter nur schwach ausgelenkt ist, d. h. wenn die Auslenkung e kleine Werte annimmt. Dieses Problem wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: wenn die Drehzahl der Antriebswelle groß gegenüber der Verstellgeschwindigkeit des Exzenters ist, kann man nur die Extremwerte von β der letzten Umdrehung der Antriebswelle verwerten und e über die eindeutige Beziehung β_max(e) bestimmen. Diese Beziehung lautet, wie oben erwähnt: sinβ_max = e/A, d. h. der maximale Schwenkwinkel β_max hängt nur von der Geometrie, d. h. der aktuellen Auslenkung e ab.
Bezugszeichenliste

1: Radialkolbenmotor
2: Zylinder
3: Kolben
3a: Schuh
4: Hubring
5: Exzenter
S: Schwenkpunkt Zylinder
D: Drehpunkt Exzenter
E, E': Exzenterlage
M: Mittelpunkt von Hubring
A: Abstand
e: Exzentrizität
α: Drehwinkel
β: Schwenkwinkel
βmax: Maximum
βmin: Minimum

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 2007003800 B3 [0003]
DE 102004048174 A1 [0004, 0017]
DE 102006043291 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine (1) mit verstellbarer Exzentrizität e, mit schwenkbar angeordneten Zylindern (2) und mit einer einen Exzenter (5) antreibenden Antriebswelle, wobei der Drehwinkel der Antriebswelle mit α und der Schwenkwinkel der Zylinder (2) mit β bezeichnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel β gemessen und aus den Messwerten für β die Exzentrizität (e) und daraus das Schluckvolumen (v) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel β zu definierten Zeitpunkten t_n gemessen und dass jedem Zeitpunkt t_n ein Drehwinkel α_n der Antriebswelle zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung der Zeitpunkte t_n eine Anzahl z von Impulsen pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebswelle eine Nulllage zugeordnet ist, welche der oberen Totpunktlage des Exzenters (5) entspricht, und dass die Nulllage nach jeder Umdrehung neu bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass näherungsweise nur die Extremwerte β_max des Schwenkwinkels β einer Umdrehung der Antriebswelle verwertet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Extremwerten β_max die aktuelle Exzentrizität (e) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Antriebswelle aus dem Funktionsverlauf β = f(α) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung als rechtsdrehend definiert ist, wenn der Anstieg des Schwenkwinkels β vom Minimum β_min zum Maximum β_max steiler als der Abfall vom Maximum β_max zum Minimum β_min ist, und dass die Drehrichtung bei abweichendem Funktionsverlauf als linksdrehend gilt.