DE102012025197A1

DE102012025197A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydrauilkmaschine

Info

Publication number: DE102012025197A1
Application number: DE201210025197
Authority: DE
Inventors: Daniel Schlingmeier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-03

Abstract

Es sind eine Vorrichtung (40; 70) und ein Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) bereitgestellt. Die Vorrichtung (40; 70) umfasst eine Auswerteeinrichtung (41; 71) zur Auswertung eines Erfassungsergebnisses einer Erfassungseinrichtung (32), die zur Erfassung eines elektrischen Signals (INDV, IHDV) an einem Ventil (93, 94) der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) dient, und eine Bestimmungseinrichtung (42; 72) zur Bestimmung des Ist-Zustands der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (41; 71). Mit einer Ermittlungseinrichtung (43; 73) kann das Ist-Verdrängungsvolumen (VIST) der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) aus dem Bestimmungsergebnis der Bestimmungseinrichtung (42; 72) ermittelt werden, um die Vorrichtung (40; 70) in einer Steuervorrichtung (30) zur Steuerung der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) einzusetzen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine.
EP 0 361 927 beschreibt eine digital verstellbare Hydraulikmaschine, bei welcher eine Vielzahl von elektromagnetisch gesteuerten Sitzventilen zwischen einer Hochdruckleitung und einer Niederdruckleitung angeordnet sind. Die digital verstellbare Hydraulikmaschine wird im Vollpumpenbetrieb (full pump mode) betrieben, bei welchem alle Zylinder den maximalen Volumenstrom fördern.
EP 0 494 236 B1 beschreibt eine solche digital verstellbare Hydraulikmaschine im Vollmotorbetrieb (full motor mode).
Darüber hinaus beschreiben/beschreibt WO 2004/025122 und/oder EP 1 537 333 B1 eine solche digital verstellbare Hydraulikmaschine im Teillastbetrieb (partial mode), bei welchem nicht alle Ventile den vollen Volumenstrom fördern.
Bei einigen Anwendungen besteht die Anforderung, das aktuelle Verdrängungsvolumen einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine zu ermitteln, beispielsweise um geschlossene Regelkreise zu realisieren oder aus Sicherheits- und Überwachungsgründen. Bei konventionellen Hydraulikmaschinen wird dies bei einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheiben- oder Schrägachsenbauweise durch eine Messung des aktuellen Schwenkwinkels realisiert. Bei einer verstellbaren Radialkolbenmaschine wird dies durch die Erfassung der aktuellen Exzentrizität ihrer Welle realisiert. Im Gegensatz dazu ist dies bei einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine nicht möglich, da diese keine mechanische Verstellung besitzt, deren aktuelle Position messbar wäre und über die man auf das aktuelle Verdrängungsvolumen zurückschließen könnte.
Derzeit besteht die einzige vorbekannte Lösung zur Bestimmung des aktuellen Verdrängungsvolumens einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine darin, den aktuellen Systemdruck bzw. den Ist-Systemdruck, die aktuelle Drehzahl bzw. die Ist-Drehzahl sowie den aktuellen Volumenstrom bzw. den Ist-Volumenstrom zu erfassen und hieraus über eine Leistungsbilanzierung das aktuelle Verdrängungsvolumen bzw. das Ist-Verdrängungsvolumen zu berechnen. Alternativ dazu wäre auch eine Drehmomentmessung möglich, diese scheidet jedoch technisch praktisch sofort aus, da sie meist kostenintensiv ist, viel Bauraum benötigt. Probleme in Bezug auf die Haltbarkeit und/oder Genauigkeit bereitet, etc.
Die Erfassung der Ist-Drehzahl sowie des Ist-Systemdrucks ist in der Regel problemlos und kostengünstig möglich, wohingegen die Bestimmung des Ist-Volumenstroms oder des Ist-Drehmoments nur sehr aufwendig, teuer oder mit unzureichender Genauigkeit möglich ist.
Insgesamt lässt sich damit das Ist-Verdrängungsvolumen entweder nur unzureichend und mit erheblichem Kostenaufwand bestimmen, was eine Anwendung derartiger Hydraulikmaschinen in der Serie praktisch ausschließt.
Demnach muss eine andere Möglichkeit gefunden werden, das Ist-Verdrängungsvolumen einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine zu ermitteln.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer verstellbaren Hydraulikmaschine bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer verstellbaren Hydraulikmaschine bereitgestellt werden, mit welchen gewährleistet ist, dass das Ist-Verdrängungsvolumen und/oder das Ist-Drehmoment oder und/oder der Ist-Volumenstrom einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine möglichst kostengünstig, genau und schnell ermittelbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung eines Erfassungsergebnisses einer Erfassungseinrichtung, die zur Erfassung eines elektrischen Signals an mindestens einem Ventil der digital verstellbaren Hydraulikmaschine dient, und eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung des Ist-Zustands der digital verstellbaren Hydraulikmaschine auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung.
Die Vorrichtung bietet eine einfache, genaue und kostengünstige Möglichkeit, mit welcher letztendlich ein aktuelles Verdrängungsvolumen einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine ermittelbar ist ohne den aktuellen Volumenstrom durch die Maschine oder das Ist-Drehmoment messen zu müssen. Dies ist insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen, wie beispielsweise Fahrantriebe, Arbeitshydraulik, usw., vorteilhaft anwendbar, da bei solchen Anwendungen ein Rücklesen des aktuellen Verdrängungsvolumens der Maschine absolut erforderlich ist.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Auswerteeinrichtung kann zudem dahingehend ausgestaltet sein, eine Ist-Triebwerksposition auszuwerten.
Die Auswerteeinrichtung kann zudem dahingehend ausgestaltet sein, eine Ist-Systemdruckdifferenz der verstellbaren Hydraulikmaschine auszuwerten.
Damit kann die Genauigkeit der Bestimmung des Ist-Verdrängungsvolumens erhöht werden.
Es ist auch möglich, dass die Bestimmungseinrichtung zusätzlich dahingehend ausgestaltet ist, die Zylinderinnendrücke der Ventile und die Ist-Bewegungsrichtung der Kolben zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt ihres Zylinders zu bestimmenum den aktuellen Zustand der verstellbaren Hydraulikmaschine zu bestimmen.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Bestimmungseinrichtung dahingehend ausgestaltet ist, ein Muster von Signalen an einem Hochdruckventil und einem Niederdruckventil der verstellbaren Hydraulikmaschine mit einem Standardmuster zu vergleichen, um den aktuellen Zustand der verstellbaren Hydraulikmaschine zu bestimmen.
Die Erfassungseinrichtung kann dazu verwendet werden, einen Strom an einem Hochdruckventil und/oder einem Niederdruckventil der verstellbaren Hydraulikmaschine zu erfassen.
Bevorzugt hat die Vorrichtung zudem eine Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung des Ist-Verdrängungsvolumens der digital verstellbaren Hydraulikmaschine aus dem Bestimmungsergebnis der Bestimmungseinrichtung.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann Teil einer Steuervorrichtung zur Steuerung einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine sein.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann auch Teil einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine sein. Alternativ kann die digital verstellbare Hydraulikmaschine auch eine zuvor beschriebene Steuervorrichtung umfassen.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine nach Patentanspruch 10 gelöst. Das Verfahren hat die Schritte: Erfassen, mit einer Erfassungseinrichtung, eines elektrischen Signals an mindestens einem Ventil der digital verstellbaren Hydraulikmaschine, Auswerten, mit einer Auswerteeinrichtung, eines Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung, und Bestimmen, mit einer Bestimmungseinrichtung, des Ist-Zustands der digital verstellbaren Hydraulikmaschine auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung.
Das Verfahren bietet dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Vorrichtung erwähnt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Außenansicht einer Hydraulikmaschine in Radialkolbenkonfiguration gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Ansicht einer Verdrängungseinheit der Hydraulikmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der möglichen Zustände der Verdrängungseinheit von 3;
4 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Beobachtung eines Ist-Zustands der Hydraulikmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer verstellbaren Hydraulikmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
6 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Beobachtung eines Ist-Zustands der Hydraulikmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
7 ein Übersichtsdiagramm mit Beispielen für Betätigungssignale von Ventilen der Hydraulikmaschine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer verstellbaren Hydraulikmaschine gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine für verschiedene Zwecke einsetzbare digital verstellbare Hydraulikmaschine 1 in Radialkolbenkonfiguration, die auch als Radialkolbenmaschine bezeichnet wird. Die Hydraulikmaschine 1 hat eine Welle 2, einen ersten Hydraulikanschluss 3 und einen zweiten Hydraulikanschluss 4. Der erste Hydraulikanschluss 3 dient zum Anschluss der Hydraulikmaschine 1 an eine Niederdruckleitung 5. Der zweite Hydraulikanschluss 4 dient zum Anschluss der Hydraulikmaschine 1 an eine Hochdruckleitung 6. Die Leitungen 5, 6 sind in 1 nur sehr schematisch angedeutet. Zudem sind ein Drehzahlsensor 10 und ein Absolutwinkelsensor 11 in 1 nur sehr schematisch dargestellt.
Der allgemeine Zweck und die Funktion einer derartigen Hydraulikmaschine 1 besteht darin, mechanische Energie, in Form von Drehmoment und Drehzahl, an der Welle 2 in hydraulische Energie, in Form von Ölvolumenfluss und Druck, an den hydraulischen Anschlüssen 4, 5 und umgekehrt zu wandeln. Einige Hydraulikmaschinen 1, wie die in 1 dargestellte digitale Radialkolbenmaschine sind verstellbar. Das bedeutet, dass das Verdrängungsvolumen, also das pro Umdrehung verdrängte Ölvolumen, der Hydraulikeinheit oder das Mechanik-Hydraulik-Verhältnis jeweils einstellbar ist. Die Einstellung kann beispielsweise mechanisch, über hydraulische Steuersignale in Form von Druck und/oder über elektrische Signale in Form von Strom und/oder über eine Kommunikationsschnittstelle, usw. erfolgen. Hierbei steht das Verdrängungsvolumen für das Ölvolumen, das pro Umdrehung der Welle 2 verdrängt wird.
Die digital verstellbare Hydraulikmaschine 1 ist in der Lage, in allen vier Quadranten mechanisch und hydraulisch zu arbeiten. In anderen Worten bedeutet dies, dass die digital verstellbare Hydraulikmaschine 1 als Pumpe und als Motor in einer offenen Hydraulikschaltungskonfiguration betrieben werden kann, wobei die Niederdruckseite vorgespannt ist.
Bei der Hydraulikmaschine 1 ist an einem Ende der Welle 2 der Drehzahlsensor 10 angeordnet. An dem anderen Ende der Welle 2 ist der Absolutwinkelsensor 11 angeordnet. Die Welle 2 ist vorzugsweise exzentrisch ausgebildet.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Verdrängungseinheit 9 der Hydraulikmaschine 1. Bei jeder Verdrängungseinheit 9 ist ein Kolben 91 vorhanden, der in einem Zylinder 92 auf und ab bewegbar ist. Die Verdrängungseinheit 9 umfasst eine Verdrängungskammer der Hydraulikmaschine 1 mittels dem Zylinder 92 und hat neben dem Kolben 91 und dem Zylinder 92 ein aktives Niederdruckventil 93, ein aktives Hochdruckventil 94 und zwei passive Rückschlagventile 95, 96. Zudem ist ein Motor 97 gezeigt.
Mit dem Motor 97 in 2 ist der Kolben 91 derart antreibbar, dass er in dem Zylinder 92 zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT auf und ab bewegt wird. Das erste passive Rückschlagventil 95 ist parallel zum Niederdruckventil 93 geschaltet. Das zweite passive Rückschlagventil 96 ist parallel zum Hochdruckventil 94 geschaltet. Falls die Hydraulikmaschine 1 nur zum Pumpen ausgestaltet sein soll, kann das Hochdruckventil 94 entfallen. Zudem ist es möglich, integrierte Ventillösungen, wie beispielsweise Sitzventile zu verwenden, welche die Kombination aus Niederdruckventil 93 und erstem Rückschlagventil 95 ersetzen können. Eine solche Kombination führt jedoch zu Beschränkungen bei den realisierbaren Zustandsübergängen der durch die Verdrängungseinheit 9 gebildeten Verdrängungskammer, wie nachfolgend beschrieben. Die Verwendung anderer Ventillösungen ist generell möglich und nicht ausgeschlossen. Die Hydraulikmaschine 1 kann mehr als eine dieser Verdrängungseinheiten 9 aufweisen, die um die exzentrische Welle 2 angeordnet sind oder entlang mehrerer Scheiben verteilt sind, wie bekannt.
Für jede Verdrängungseinheit 9 der Hydraulikmaschine 1 wird der Zustand durch die Ist-Bewegungsrichtung des zwischen oberem Totpunkt OT und unteren Totpunkt UT oszillierenden Kolbens 91 und dem Hydraulikdruck P in der durch die Verdrängungseinheit 9 gebildeten Verdrängungskammer abhängig von der Verbindung zu der Niederdruckleitung 5 oder Hochdruckleitung 6, zu keiner von diesen oder zu beiden bestimmt, wie in 3 gezeigt.
In 3 steht „UT” für den unteren Totpunkt, „OT” für den oberen Totpunkt, „HD” für eine Verbindung der Verdrängungskammer zu der Hochdruckleitung 6, „ND” für eine Verbindung zu der Niederdruckleitung 5, „KEIN” für keine Verbindung zu der Nieder- oder Hochdruckleitung 5, 6, und „BEIDE” für eine Verbindung zu sowohl der Nieder- als auch der Hochdruckleitung 5, 6. In dem unteren Teil von 3 bewegt sich der Kolben 91 von dem unteren Totpunkt UT aufwärts zu dem oberen Totpunkt OT. In dem oberen Teil von 3 bewegt sich der Kolben 91 von dem oberen Totpunkt OT wieder abwärts zu dem unteren Totpunkt UT. Die zyklische Bewegung vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT und von dort wieder zurück zum unteren Totpunkt UT ist in 3 mit dem Pfeil auf der linken Seite von 3 dargestellt. Wie in 3 dargestellt, kann die Verdrängungseinheit 9 die Zustände „EINLASS”, „AUSLASS”, „ANSAUGEN”, „AUSSTOSSEN”, „DEKOMPRESSION”, „KOMPRESSION” und „KURZSCHLUSS” annehmen.
Beispielsweise wandelt ein sich abwärts bewegender Kolben 91, der mit der Hochdruckleitung 6 verbunden ist („HD”, „EINLASS”), hydraulische in mechanische Energie und wirkt daher antreibend auf die exzentrische Welle 2. Demgegenüber führt ein sich aufwärts bewegender Kolben 91, der mit keiner Leitung 5, 6 verbunden ist („KEIN”), ein nicht dargestelltes Hydraulikmedium, wie insbesondere Hydrauliköl, innerhalb der durch die Verdrängungseinheit 9 gebildeten Verdrängungskammer zu einem ansteigenden Druck und somit zu einer Kompression und einem damit verbundenen Bremsdrehmoment an der exzentrischen Welle 2.

Die Betriebsart der Verdrängungseinheit 9 wird durch eine Sequenz von aufeinanderfolgenden Zuständen und den zugehörigen Zustandsübergängen beschrieben. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die drei grundlegenden Betriebsarten und die zugehörigen Zustände und Zustandsübergänge. Im Allgemeinen gibt es viel mehr Zustandsabfolgen oder Zustandssequenzen der Verdrängungseinheiten 9, so dass mehr Betriebsarten möglich sind. Jedoch ist dies hier für die Beschreibung des allgemeinen Prinzips der vorliegenden Erfindung nicht relevant und wird daher nicht detailliert beschrieben. Tabelle 1

Betriebsart	Folge von Zuständen der Verdrängungseinheit 9
Leerlauf	AUSSTOSSEN → ANSAUGEN
Pumpe	KOMPRESSION → AUSLASS → DEKOMPRESSION → ANSAUGEN
Motor	AUSSTOSSEN → KOMPRESSION → EINLASS → DEKOMPRESSION

Es sei angemerkt, dass die möglichen Übergänge von einem Zustand zu einem anderen von dem Ventildesign der Hydraulikmaschine 1 abhängig sind. Wird beispielsweise das Niederdruckventil 93 und das dazu parallel geschaltete Rückschlagventil 95 durch ein integriertes Sitzventil ersetzt, würde dies bedeutet, dass kein Zustandsübergang von AUSLASS nach AUSSTOSSEN mehr möglich ist, da ein Sitzventil nicht in der Lage ist (wieder) zu öffnen, so lange das Druckniveau in der durch die Verdrängungseinheit 9 gebildeten Verdrängungskammer hoch ist.
Nachfolgend werden die drei grundlegenden Betriebsarten der Hydraulikmaschine 1 kurz unter Verwendung einer Fluidarbeitsmaschine mit integriertem Sitzventil als Niederdruckventil 93 als Beispiel beschrieben. Wie zuvor erwähnt, sind andere Ventildesignlösungen immer möglich und nicht ausgeschlossen.
Leerlauf
Der Leerlauf ist die passive Betriebsart, da keine Ventilbetätigungen erforderlich sind, um ihn aufrecht zu erhalten. Ohne Betätigung schalten die Zustände der Verdrängungseinheiten 9 von AUSSTOSSEN zu ANSAUGEN und umgekehrt und es wird keine Energie übertragen oder umgewandelt.
Pumpenbetriebsart
In der Pumpenbetriebsart wird das als Sitzventil ausgeführte Niederdruckventil 93 betätigt und daher bei dem unteren Totpunkt UT geschlossen, wodurch der Volumenstrom von der durch die Verdrängungseinheit 9 gebildeten Verdrängungskammer zu der Niederdruckleitung 5 blockiert wird und die durch die Verdrängungseinheit 9 gebildete Verdrängungskammer in den Zustand KOMPRESSION gebracht wird. Sobald der Druck in der Verdrängungskammer den Pegel der Hochdruckleitung 6 erreicht, öffnet sich das passive Rückschlagventil 96, das parallel zu dem Hochdruckventil 94 geschaltet ist, und das Hydraulikmedium in dem Zylinder 92 wird in die Hochdruckleitung 6 verdrängt. Bei dem oberen Totpunkt OT ändert sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 91 und das Rückschlagventil 96 schließt passiv, was die durch die Verdrängungseinheit 9 gebildete Verdrängungskammer in den Zustand DEKOMPRESSION bringt. An dem Ende der Dekompression wird das Niederdruckventil 93 passiv geöffnet und die Verdrängungskammer tritt in den Zustand ANSAUGEN ein.
Zusammengefasst wird die Pumpenbetriebsart nur durch eine einzige Betätigung des Niederdruckventils 93 pro Umdrehung bei, oder in der Nähe von, dem unteren Totpunkt UT des Kolbens 91 erreicht.
Motorbetriebsart
Die Motorbetriebsart ist meist komplexer in der Realisierung, da sowohl das Niederdruckventil 93 als auch das Hochdruckventil 94 zu betätigen sind. Beginnend bei dem unteren Totpunkt UT ist das Niederdruckventil 93 geöffnet und die durch die Verdrängungseinheit 9 gebildete Verdrängungskammer befindet sich in dem Zustand AUSSTOSSEN. Bei einem gewissen Winkel vor dem oberen Totpunkt OT wird das Niederdruckventil 93 betätigt und dadurch geschlossen, wodurch die Verdrängungskammer in den Zustand KOMPRESSION gebracht wird. Idealerweise erreicht der Verdrängungskammerdruck den Druckpegel der Hochdruckleitung 6 bei dem oberen Totpunkt OT, bei welchem das Hochdruckventil 94 betätigt wird, wodurch die Verdrängungskammer in den Zustand EINLASS gebracht wird. Bei einem gewissen Winkel vor dem unteren Totpunkt UT, wird die Betätigung gestoppt, wodurch das Hochdruckventil 94 geschlossen wird und die Verdrängungskammer in den Zustand DEKOMPRESSION gebracht wird. Fällt der Druck in der Verdrängungskammer unter den Pegel der Niederdruckleitung 5, öffnet das Niederdruckventil 93 (wieder) passiv, wodurch der Zyklus beendet ist.
4 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer Steuerung der Hydraulikmaschine 1 mit einer Steuervorrichtung 30, die eine Steuereinrichtung 31 und eine Vorrichtung 40 umfasst. Die Vorrichtung 40 führt ein Verfahren aus, welches aus den elektrischen Ansteuerströmen I_NDV und I_HDV der Aktuatoren bzw. den Ventilen 93, 94 und der aktuellen Triebwerksposition bzw. der Ist-Triebwerksposition α_R sowie optional der Systemdruckdifferenz ΔP = P_H – P_N den aktuellen Innendruck bzw. den Ist-Innendruck P_ZIST jedes Zylinders 92 der digitalen verstellbaren Hydraulikmaschine 1 bestimmt oder ermittelt. Diese Ist-Zylinderinnendrücke P_ZIST charakterisieren, neben Triebwerksposition α_R und Drehzahl n_U, maßgeblich einen aktuellen Zustand bzw. Ist-Zustand der Hydraulikmaschine 1. Auf Basis dieser charakteristischen Zustandsgrößen lassen sich resultierende Größen wie das aktuelle Verdrängungsvolumen bzw. Ist-Verdrängungsvolumen V_IST, aber auch das aktuelle Drehmoment bzw. Ist-Drehmoment M_IST und auch der aktuelle Volumenstrom bzw. Ist-Volumenstrom Q_IST der Hydraulikmaschine 1 ermitteln. Zusätzlich lassen sich fehlerhafte Ansteuerungen diagnostizieren, die beispielsweise zu kurzzeitigen hydraulischen Kurzschlüssen innerhalb der Hydraulikmaschine 1 und damit zu einem deutlich reduzierten Wirkungsgrad führen können.
In 4 hat die Vorrichtung 40 eine Auswerteeinrichtung 41, eine Bestimmungseinrichtung 42, und eine Ermittlungseinrichtung 43. Wie durch die Pfeile in 4 dargestellt, werden der Vorrichtung 40 Erfassungsergebnisse von Erfassungseinrichtungen 21, 32, 51, 61 zugeführt. Die Erfassungseinrichtung 21 ist eine Triebwerksposition-Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Ist-Triebwerksposition α_R und kann beispielsweise der Absolutwinkelsensor 11 von 1 sein. Die Erfassungseinrichtung 32 ist eine Stromerfassungseinrichtung zur Erfassung des Istwerts des elektrischen Stroms I_NDV durch eine Spule 931 des Niederdruckventils 93 und des Istwerts des elektrischen Stroms I_HDV durch eine Spule 941 des Hochdruckventils 94. Die elektrischen Ströme I_NDV, I_HDV können auch als Ansteuerströme bezeichnet werden, mit welchen die Spulen 931, 941 angesteuert werden. In 4 sind als Beispiel jeweils vier Spulen 931 der Niederdruckventile 93 und jeweils vier Spulen 941 der Hochdruckventile 94 dargestellt. Die Erfassungseinrichtung 51 ist eine Druckerfassungseinrichtung zur Erfassung des Ist-Drucks P_N in der Niederdruckleitung 5. Die Erfassungseinrichtung 61 ist eine Druckerfassungseinrichtung zur Erfassung des Ist-Drucks P_H in der Hochdruckleitung 6. Die Erfassung durch die Erfassungseinrichtungen 51, 61 muss nicht immer ausgeführt werden und ist optional, wie in 4 durch die gestrichelten Linien dargestellt. Der sich aus der Ansteuerung der Niederdruckventile 93 und/oder Hochdruckventile 94 ergebende Volumenstrom Q_ND,HD wird den Zylindern 92 zugeführt. Der dadurch in den Zylindern 92 entstehende Druck P_Z wirkt auf die Welle 2, die sich demzufolge mit einer Drehzahl n_U dreht und dadurch ein Drehmoment M_U abgibt. In 4 bildet der mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Block den mechanischen Teil der Hydraulikmaschine 1 und der mit 30 bezeichnete Block bildet den Steuerteil der Hydraulikmaschine 1.
Bei der Hydraulikmaschine 1 werden die Ventile 93, 94 verwendet, um einen oder mehr Zylinder 92 oder Verdrängungskammern jeweils mit der Niederdruckleitung 5 oder der Hochdruckleitung 6 zu verbinden und auf diese Weise die Zustände von jedem der Zylinder 92 der Hydraulikmaschine 1 zu steuern, wie in 3 gezeigt. Die exzentrische Welle 2 der Hydraulikmaschine 1 wandelt die Drücke P_Z innerhalb der Zylinder 92 in ein Drehmoment M_U an der Welle 2 und die Drehbewegung an der Welle 2 in eine zyklische Bewegung der Kolben 91 (3). Der Zweck des von der Steuereinrichtung 30 ausgeführten Steueralgorithmus liegt darin, die Betätigungen der Ventile 93, 94 oder den elektrischen Strom I_NDV und I_HDV jeweils zu steuern, um eine durch eine Steuervariable V_SOLL, M_SOLL, Q_SOLL ausgedrückte Anforderung zu erfüllen. Hierbei steht V_SOLL, für das Sollverdrängungsvolumen, M_SOLL steht für das Solldrehmoment und Q_SOLL für den Sollvolumenstrom. Wie zuvor erwähnt, ist diese Anforderung meistens die Verdrängung oder das Verdrängungsvolumen Vsoll der Hydraulikmaschine 1, das heißt, das pro Umdrehung verdrängte Volumen. Jedoch kann sich die Anforderung auch auf andere Variablen, wie beispielsweise Drehmoment oder Volumenstrom, beziehen.
5 zeigt schematisch ein Flussdiagramm des von der Vorrichtung 40 ausgeführten Verfahrens.
Nach dem Beginn des Verfahrens werden bei einem Schritt 51 die Betätigungen der Niederdruckventile 93 und Hochdruckventile 94 durch Messen der elektrischen Ströme I_NDV durch die Spulen 931 der Niederdruckventile 93 und durch Messen der elektrischen Ströme I_HDV durch die Spulen 941 der Hochdruckventile 94 gemessen. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S2 weiter.
Bei dem Schritt S2 wird die Triebswerksposition α_R der Hydraulikmaschine 1 bzw. die Triebwerksposition α_R mit der Erfassungseinrichtung 21 erfasst. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S3 weiter.
Bei dem Schritt S3 wird die Ist-Position jedes Kolbens 91 der Hydraulikmaschine 1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT auf der Grundlage des Ergebnisses von Schritt S2 berechnet. Optional kann bei dem Schritt S3 auch die Geschwindigkeit oder Bewegungsrichtung jedes Kolbens 91 der Hydraulikmaschine 1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT auf der Grundlage des Ergebnisses von Schritt S2 berechnet werden. Diese Berechnung(en) kann/können von der Auswerteeinrichtung 41 durchgeführt werden. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S4 weiter.
Bei dem Schritt S4 wertet die Auswerteeinrichtung 41 der Vorrichtung 40 die Ergebnisse der Schritte S1 bis S3 auf der Grundlage eines Modells aus, welches den Ist-Zustand jedes Zylinders 92 der Hydraulikmaschine 1 beschreibt, wie in 3 dargestellt. Es können auch andere Beschreibungen der Zustände vorgenommen sein, wie beispielsweise Aufteilen oder Zusammenführen von Zuständen. Die Zustände sollten für die jeweilige Ausgestaltung der Hydraulikmaschine 1 jeweils angepasst sein. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S5 weiter.
Bei dem Schritt S5 wertet die Auswerteeinrichtung 41 die Erfassungswerte der Erfassungseinrichtung 21, 32, 51, 61 auf der Grundlage eines Modells des Ventils der Hydraulikmaschine 1 aus. Dieses Modell beschreibt die Beziehung der Zustände mit zugehörigen Zustandsübergängen. Ein solches Modell ist beispielsweise aus der oben angegebenen Tabelle 1 ableitbar. Die Zustandsübergänge werden durch die Kolbenbewegungsrichtung und die erfassten Ventilbetätigungen ausgelöst. Optional kann der Ist-Druck P_L der Niederdruckleitung 5 und der Ist-Druck P_H der Hochdruckleitung 6 berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Vorrichtung 40 zu erhöhen. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S6 weiter.
Bei dem Schritt S6 bestimmt, insbesondere berechnet, die Bestimmungseinrichtung 42 die Ist-Drücke P_ZIST oder Ist-Druckpegel in jedem Zylinder 92 der Hydraulikmaschine 1 und die Ist-Bewegungsrichtung der Kolben 91 in dem Zylinder 92 zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT. Diese definieren die Ist-Energieflussrichtung der Hydraulikmaschine 1, nämlich mechanische in hydraulische Energie oder umgekehrt. Zur Vereinfachung können die bestimmten Ist-Druckpegel beispielsweise auch die beiden Werte „niedrig” oder „hoch” anstelle eines kontinuierlichen Wertes annehmen. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S7 weiter.
Bei dem Schritt S7 ermittelt die Ermittlungseinrichtung 43, insbesondere durch Berechnen, den/die Ist-Wert(e) V_IST, M_IST, Q_IST auf der Grundlage der bei dem Schritt S6 bestimmten Drücke in jedem der Zylinder 92, der bestimmten Energieflussrichtung, und der Geometrie der Hydraulikmaschine 1 wie z. B. Exzentrizität und/oder Kolbenfläche etc. Der/die Ist-Wert(e) sind das Ist-Verdrängungsvolumen V_IST und/oder das Ist-Drehmoment M_IST und/oder der Ist-Volumenstrom Q_IST. Hierbei werden das Ist-Drehmoment M_IST und/oder der Ist-Volumenstrom Q_IST aus dem Ist-Verdrängungsvolumen V_IST ermittelt. Danach geht der Fluss zu dem Schritt S1 zurück.
Das Verfahren ist beendet, wenn die Steuervorrichtung 30 ausgeschaltet ist.
Mit der Ermittlungseinrichtung 43 werden somit Werte ermittelt, welche in der Steuervorrichtung 30 zur Steuerung der verstellbaren Hydraulikmaschine 1 verwendet werden können.
6 zeigt ein Blockschaltbild mit einer Vorrichtung 70 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 70 hat eine Auswerteeinrichtung 71, eine Bestimmungseinrichtung 72 und eine Ermittlungseinrichtung 73. Die Steuervorrichtung 30 hat zudem noch eine Speichereinrichtung 80. Ansonsten ist die Steuervorrichtung 30 und die Hydraulikmaschine 1 auf die gleiche Weise aufgebaut wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel neben der Triebwerksposition α_R nur die Ströme I_NDV, I_HDV in die Vorrichtung 40 eingegeben, und zwar in Form von Signalmustern an dem Niederdruckventil 93 und dem Hochdruckventil 94. Diese Signalmuster entsprechen den verschiedenen Betriebsarten, in welchen ein Zylinder 92 der Hydraulikmaschine 1 betrieben werden kann. Ein Beispiel für solche Signalmuster ist in 7 gezeigt. In 7 sind im oberen Teil über der Triebwerksposition α_R Signalmuster für verschiedene Betriebsarten, wie Vollbetrieb, Partialbetrieb (Partial Mode) 1, 2, Fraktionalbetrieb (Fractional Mode) 1, 2, angegeben, bei welchen die Hydraulikmaschine 1 als Pumpe betrieben wird. Im unteren Teil von 7 sind über der Triebwerksposition α_R Signalmuster für verschiedene Betriebsarten, wie Vollbetrieb, Partialbetrieb (Partial Mode) 1, 2, Fraktionalbetrieb (Fractional Mode) 1, 2, angegeben, bei welchen die Hydraulikmaschine 1 als Motor betrieben wird. In 7 ist bei jeder Betriebsart über der durchgezogenen Linie die Bestromung des Niederdruckventils 93 im Laufe eines Kolbenzyklus gezeigt. Unter der durchgezogenen Linie bei jeder Betriebsart ist in 7 die Bestromung des Hochdruckventils 94 im Laufe eines Kolbenzyklus gezeigt.
Die Auswerteeinrichtung 71 vergleicht die Signalmuster an dem Niederdruckventil 93 und dem Hochdruckventil 94, welche die Vorrichtung 70 von der Steuereinrichtung 31 empfängt, mit einer Liste von Standardmustern, die in der Speichereinrichtung 80 gespeichert sind.
Die Bestimmungseinrichtung 72 bestimmt aus dem Auswerteergebnis der Auswerteeinrichtung 71 den aktuellen Zustand bzw. den Ist-Zustand der Hydraulikmaschine 1. Die Ermittlungseinrichtung 73 kann dann, wie die Ermittlungseinrichtung 43 des ersten Ausführungsbeispiels, die Ist-Werte des Ist-Verdrängungsvolumens V_IST und/oder das Ist-Drehmoment M_IST und/oder den Ist-Volumenstrom Q_IST ermitteln, insbesondere durch Berechnung.
Demzufolge führt die Vorrichtung 70 das in 8 schematisch gezeigte Verfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus. Hierbei ist der Schritt S11 gleich dem Schritt S1 bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Zudem ist der Schritt S14 gleich dem Schritt S7 des ersten Ausführungsbeispiels. Demgegenüber führt die Auswerteeinrichtung 71 bei dem Schritt S12, der sich an den Schritt S11 anschließt, ihre Auswertung durch, wie zuvor beschrieben. Bei einem sich daran anschließenden Schritt S13 führt die Bestimmungseinrichtung 72 ihre Bestimmung durch, wie zuvor beschrieben. Danach geht der Fluss zu dem Schritt S14 weiter, der hier nicht noch einmal beschrieben ist. Nach dem Schritt S14 geht der Fluss zu dem Schritt S11 zurück. Das Verfahren ist beendet, wenn die Steuervorrichtung 30 ausgeschaltet ist.
Der Vorteil des vorliegenden Ausführungsbeispiels liegt darin, dass Abweichungen von den Standardmustern unmittelbar erfasst werden. Darüber hinaus ist die Vorrichtung 70 sehr schnell, da sie nur die Betätigungssignale der Ventile 93, 94 aufzeichnen muss und sie mit dem Inhalt einer Tabelle vergleichen muss. Dadurch ist die Berechnungszeit kürzer als bei der Vorrichtung 40 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, welche die Abfolgen von Zuständen jeder einzelnen Verdrängungseinheit 9 der Hydraulikmaschine 1 analysiert.
Eine Schwierigkeit der Vorrichtung 70 ist jedoch, dass die Steuerung der Hydraulikmaschine 1 adaptiv sein kann und damit nicht an ein festes Ansteuermuster gebunden ist. Insbesondere sind die transienten Übergänge von einem Verdrängungsvolumenwert V zu einem anderen Verdrängungsvolumenwert V schwierig zu identifizieren, wodurch es möglich ist, dass die Vorrichtung 70 auf falsche oder unpräzise Signale von der Steuereinrichtung 31 reagiert und den Betrieb unterbricht, obwohl kein Fehler vorliegt.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Hydraulikmaschine 1, der Steuervorrichtung 30, der Vorrichtungen 40, 70 und der Verfahren können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar:
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Auch wenn in 4 die Steuervorrichtung 30 die Vorrichtung 40 umfasst, so kann die Vorrichtung 40 auch separat von der Steuervorrichtung 30 bereitgestellt sein. Zudem kann bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 70 auch separat von der Steuervorrichtung 30 bereitgestellt sein. Darüber hinaus muss die Speichereinrichtung 80 nicht Teil der Steuervorrichtung 30 sein. Die Speichereinrichtung 80 kann auch Teil der Vorrichtung 40, 70 sein. Die Speichereinrichtung 80 kann auch separat von der Vorrichtung 40, 70 bereitgestellt sein.
Die Stromerfassungseinrichtung 32 kann den Istwert des elektrischen Stroms I_NDV durch eine Spule 931 des Niederdruckventils 93 und/oder den Istwert des elektrischen Stroms I_HDV durch eine Spule 941 des Hochdruckventils 94 auch anders erfassen als in Bezug auf 4 beschrieben.
Die Hydraulikmaschine 1 muss keine Radialkolbenmaschine sein. Die Hydraulikmaschine 1 kann auch eine Axialkolbenmaschine oder eine andere Hydraulikmaschine sein.
Die Hydraulikmaschine 1 kann neben dem Drehzahlsensor 10 und dem Absolutwinkelsensor 11 noch weitere Sensoren aufweisen, auch wenn diese in 1 nicht dargestellt sind, beispielsweise die in 4 gezeigten Erfassungseinrichtungen.
Anstelle des Stroms an den Ventilen 93, 94 kann die Erfassungseinrichtung 32 auch die Spannung an den jeweiligen Ventilen 93, 94, insbesondere an der Spule der jeweiligen Ventile 93, 94, oder die Ventilposition selbst erfassen.
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

EP 0361927 [0002]
EP 0494236 B1 [0003]
WO 2004/025122 [0004]
EP 1537333 B1 [0004]

Claims

Vorrichtung (40; 70) zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1), mit einer Auswerteeinrichtung (41; 71) zur Auswertung eines Erfassungsergebnisses einer Erfassungseinrichtung (32), die zur Erfassung eines elektrischen Signals (I_NDV, I_HDV) an mindestens einem Ventil (93, 94) der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) dient, und einer Bestimmungseinrichtung (42; 72) zur Bestimmung des Ist-Zustands der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (41; 71).
Vorrichtung (40; 70) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung (41; 71) zudem dahingehend ausgestaltet ist, eine Ist-Triebwerksposition (α_R) auszuwerten.
Vorrichtung (40; 70) nach Anspruch 2, wobei die Auswerteeinrichtung (41; 71) zudem dahingehend ausgestaltet ist, eine Ist-Systemdruckdifferenz der verstellbaren Hydraulikmaschine (1) auszuwerten.
Vorrichtung (40; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungseinrichtung (42; 72) dahingehend ausgestaltet ist, die Zylinderinnendrücke der Ventile (93, 94) und die Ist-Bewegungsrichtung der Kolben (91) zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) ihres Zylinders (92) zu bestimmen, um den aktuellen Zustand der verstellbaren Hydraulikmaschine (1) zu bestimmen.
Vorrichtung (40; 70) nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungseinrichtung (42; 72) dahingehend ausgestaltet ist, ein Muster von Signalen an einem Hochdruckventil (94) und einem Niederdruckventil (93) der verstellbaren Hydraulikmaschine (1) mit einem Standardmuster zu vergleichen, um den aktuellen Zustand der verstellbaren Hydraulikmaschine (1) zu bestimmen.
Vorrichtung (40; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Erfassungseinrichtung (32) einen Strom an einem Hochdruckventil (94) und/oder einem Niederdruckventil (94) der verstellbaren Hydraulikmaschine (1) erfasst.
Vorrichtung (40; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zudem mit einer Ermittlungseinrichtung (43; 73) zur Ermittlung des Ist-Verdrängungsvolumens (V_IST) der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) aus dem Bestimmungsergebnis der Bestimmungseinrichtung (42; 72).
Steuervorrichtung (30) zur Steuerung einer verstellbaren Hydraulikmaschine (1), mit einer Vorrichtung (40; 70) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Digital verstellbare Hydraulikmaschine (1), mit einer Vorrichtung (40; 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, oder einer Steuervorrichtung (30) nach Anspruch 8.
Verfahren zur Beobachtung eines Ist-Zustands einer digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1), mit den Schritten Erfassen (S1; S11), mit einer Erfassungseinrichtung (32), eines elektrischen Signals (I_NDV, I_HDV) an mindestens einem Ventil (93, 94) der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1), Auswerten (S3, S4; S12), mit einer Auswerteeinrichtung (41; 71), eines Erfassungsergebnisses der Erfassungseinrichtung (32), und Bestimmen (S6; S13), mit einer Bestimmungseinrichtung (42; 72), des Ist-Zustands der digital verstellbaren Hydraulikmaschine (1) auf der Grundlage eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (41; 71).