DE102012025201A1

DE102012025201A1 - Hydraulikmaschine und ein regelverfahren zur regelung eines von einer hystaulikmaschine erzeugten drehmoments

Info

Publication number: DE102012025201A1
Application number: DE201210025201
Authority: DE
Inventors: Joern Howind; Rolf Springmann
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
Also published as: CN103899526A

Abstract

Es ist eine Hydraulikmaschine (1; 4) und ein Regelverfahren zur Regelung einer von einer Hydraulikmaschine (1; 4) erzeugten Leistung bereitgestellt. Die Hydraulikmaschine (1; 4) umfasst eine Verstelleinrichtung (44) zur Einstellung eines Fördervolumens einer Hydraulikeinrichtung (35), die mit einem drehbaren Element (10) gekoppelt ist, ein Proportional-Wegeventil (50) zur Ansteuerung der Verstelleinrichtung (44) mit Hilfe eines Proportionalmagneten (52), einen Drehmomentsensor (21) zur Erfassung eines von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Drehmoments, und eine Regeleinrichtung (7) zur Regelung eines von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Drehmoments derart, dass der Proportionalmagnet (52) auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors (21) elektrisch angesteuert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hydraulikmaschine und ein Regelverfahren zur Regelung eines von einer Hydraulikmaschine erzeugten Drehmoments.
WO 2011/107190 A1 beschreibt eine druckgeregelte Axialkolbenmaschine, bei welcher ein spezieller Algorithmus zur Einstellung eines bestimmten Solldrehmoments einer Hydraulikmaschine ausgeführt wird.
Zudem wird bei der Anmelderin die Einstellung eines bestimmten Solldrehmoments einer Hydraulikmaschine durch eine Steuerung über ein Kennfeld vorgenommen. Hierbei wird die Hydraulikmaschine im Vorfeld vermessen und ihr Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Parameter Druck, Drehzahl, Temperatur und Schwenkwinkel aufgenommen und im Steuergerät abgelegt. Absprechend der Sollwertanforderung und in Abhängigkeit des entsprechenden Wirkungsgrades wird der Schwenkwinkel der Hydraulikmaschine auf einen bestimmten Wert gestellt. Bisher erfolgt dies mit elektroproportionaler Volumenstromerstellung.
Alternativ ist es der Anmelderin bekannt, dass der Wirkungsgrad als konstant angenommen und der berechnete Sollschwenkwinkel analog des Solldrehmoments eingestellt werden kann. Dies kann ebenfalls mit elektroproportionaler Volumenstromerstellung erfolgen.
Alle diese bisherigen Lösungen zur Einstellung eines bestimmten Solldrehmoments haben das Problem, dass Sensorik beispielsweise für die Parameter Drehzahl, Druck, Schwenkwinkel, Temperatur, usw. benötigt wird.
Bei der Möglichkeit gemäß der WO 2011/107190 A1 kann die Sensorik zwar entfallen, jedoch wird sie für Überwachungsfunktionen benötigt. Die zuvor beschriebene dritte Möglichkeit ist sehr ungenau, weil der Wirkungsgrad nicht berücksichtigt wird. Auch wenn die zuvor beschriebene zweite Möglichkeit deutlich genauer als die erste Möglichkeit ist, bedarf es jedoch eines sehr großen Aufwands, das Wirkungsgradkennfeld einer jeden Hydraulikmaschine zu vermessen. Aufgrund des nicht berücksichtigten Wirkungsgrades ist auch die zuvor beschriebene dritte Möglichkeit nicht sehr genau, außerdem wird ein „komplizierter” Regelungsalgorithmus benötigt. Der Kunde kann somit keinen eigenen Drehmomentregelkreis aufbauen. Zudem sind für die zweite und dritte Möglichkeit verwendbare durchschwenkbare elektroproportionale Pumpen noch nicht am Markt verfügbar.
Darüber hinaus ist derzeit keine echte Drehmomentregelung und/oder Leistungsregelung der Hydraulikmaschine verfügbar. Die zuvor beschriebenen Steuerungen zur Einstellung eines bestimmten Solldrehmoments bei einer Hydraulikmaschine haben gegenüber einer echten Regelung immer eine gewisse Ungenauigkeit.
Außerdem sind zur Leistungsregelung vorgesehene Lösungen sehr aufwändige mechanische Leistungsregelungen und können nur definierte Drehmomentwerte erfüllen. Diese sind abhängig von der Hydraulikmaschine und müssen bei Bestellung festgelegt werden, da sie abhängig von einer Auslegung einer bei der Hydraulikmaschine für die Einstellung des Schwenkwinkels verwendeten Feder sind. Zudem sind bei einer solchen Lösung hohe Verluste, insbesondere Leckölverluste, zu verzeichnen. Bei mechanischer Leistungsregelung können diese bis zu. 5 Liter/Minute betragen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hydraulikmaschine und ein Regelverfahren zur Regelung eines von einer Hydraulikmaschine erzeugten Drehmoments bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll eine Hydraulikmaschine und ein Regelverfahren zur Regelung eines von einer Hydraulikmaschine erzeugten Drehmoments bereitgestellt werden, bei welchen ein Regeln des gewünschten Drehmomentes mit hoher Genauigkeit einfach und zuverlässig möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Hydraulikmaschine nach Patentanspruch 1 gelöst. Die Hydraulikmaschine umfasst eine Verstelleinrichtung zur Einstellung eines Fördervolumens einer Hydraulikeinrichtung, die mit einem drehbaren Element gekoppelt ist, ein Proportional-Wegeventil zur Ansteuerung der Verstelleinrichtung mit Hilfe eines Proportionalmagneten, einen Drehmomentsensor zur Erfassung eines von der Hydraulikeinrichtung erzeugten Drehmoments, und eine Regeleinrichtung zur Regelung eines von der Hydraulikeinrichtung erzeugten Drehmoments derart, dass der Proportionalmagnet auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors elektrisch angesteuert wird.
Mit der Hydraulikmaschine ist ein genaueres Einstellen, genauer gesagt Regeln des gewünschten Drehmomentes und damit auch der von ihr erzeugten Leistung möglich. Dies kann beispielsweise bei Hybridanwendungen Verwendung finden.
Bei der zuvor beschriebenen Hydraulikmaschine ist eine hochgenaue Drehmomentregelung durch kompakte, mobiltaugliche und vibrationsunempfindliche Messtechnik durch überlagerten Regelkreis möglich. Darüber hinaus werden, je nach Ausführungsbeispiel, hierfür kein Schwenkwinkelsensor und/oder Druckaufnehmer benötigt.
Zudem ist bei der zuvor beschriebenen Hydraulikmaschine analoge Reglerelektronik ausreichend, da keine Kennfelder etc. abgelegt werden müssen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein Kunde die zuvor beschriebene Hydraulikmaschine selbst mit eigener Elektronik in Betrieb nehmen kann. Es ist kein komplizierter Algorithmus notwendig.
Darüber hinaus ist bei der zuvor beschriebenen Hydraulikmaschine ein Einlesen des Drehmomentes mit Elektronik ausführbar. Ferner besteht beispielsweise die Möglichkeit zur elektrischen, insbesondere elektronischen, Leistungsregelung der Hydraulikmaschine.
Die Hydraulikmaschine ist beispielsweise bei Mobilhydraulik, insbesondere bei Energierückgewinnung oder Lüfterantrieben, vorteilhaft einsetzbar. Bei regenerativen Lüfterantrieben kann beispielsweise vermieden werden, dass die Drehzahl des Lüfters stärker als zulässig schwankt.
Die Hydraulikmaschine kann beispielsweise eine Axialkolbenmaschine sein, die bereits als Mobilkomponente in Serie verfügbar ist. Die Axialkolbenmaschine kann beispielsweise nur im Pumpenbetrieb oder sowohl im Pumpen- als auch im Motorbetrieb betrieben werden. Abhängig vom Ansteuersignal kann die Axialkolbenmaschine vom Pumpenbetrieb auf Motorbetrieb „durchschwenken”.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Hydraulikmaschine sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das drehbare Element kann eine Welle sein, die einen magnetisierten Bereich aufweist, und der Drehmomentsensor ein magnetostriktiver Sensor sein, welcher ein an der Welle wirkendes Drehmoment unter Verwendung des magnetisierten Bereichs misst. Durch eine solche Ausführung des Drehmomentsensors ist die Erfassung des Drehmoments sehr unempfindlich gegen äußere Einflüsse, wie Temperatur, Stöße, Vibrationen, usw.
Es ist möglich, dass der Drehmomentsensor als Wellendichtelement ausgestaltet ist. Dadurch ist nur ein sehr geringer Platzbedarf für den Drehmomentsensor und die Abdichtung der Hydraulikmaschine erforderlich.
Es ist auch möglich, dass der Drehmomentsensor in ein Wellendichtelement integriert ist. Auch dadurch ergeben sich ein sehr geringer Platzbedarf und eine einfache Montage.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Proportional-Wegeventil ein elektroproportional regelbares Ventil, das als interne mechanische Schwenkwinkelregelung der Hydraulikmaschine ausgestaltet ist.
Das Proportional-Wegeventil kann ein Fördervolumeneinstellventil sein, das intern in der Hydraulikmaschine angeordnet oder außen an die Hydraulikmaschine angebaut ist.
Die Regeleinrichtung kann auch zur Regelung einer von der Hydraulikeinrichtung erzeugten Leistung derart ausgestaltet sein, dass der Proportionalmagnet auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors und eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehzahlsensors elektrisch angesteuert wird.
Möglicherweise ist der Drehmomentsensor in einer Einheit mit einem Drehzahlsensor zur Erfassung der Drehzahl des drehbaren Elements kombiniert.
Das drehbare Element der Hydraulikmaschine kann die Antriebswelle eines Lüfters sein.
Die Aufgabe wird zudem durch ein Regelverfahren zur Regelung eines von einer Hydraulikmaschine erzeugten Drehmoments nach Patentanspruch 10 gelöst. Das Regelverfahren hat die Schritte: Einstellen, mit einer Verstelleinrichtung, eines Fördervolumens einer Hydraulikeinrichtung zum Antrieb eines drehbaren Elements, Erfassen, mit einem Drehmomentsensor, des von der Hydraulikeinrichtung erzeugten Drehmoments, Ansteuern eines Proportional-Wegeventils, mit welchem die Verstelleinrichtung angesteuert wird, mit Hilfe eines Proportionalmagneten, Regeln des erzeugten Drehmoments in einem geschlossenen Regelkreis, indem der Proportionalmagnet auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors elektrisch angesteuert wird.
Das Regelverfahren erzielt dieselben Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Hydraulikmaschine genannt 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 Schnittansicht einer Hydraulikmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein Prinzipschaltbild einer hydraulischen Schaltung der Hydraulikmaschine gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein Flussdiagramm eines Regelverfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
4 ein Prinzipschaltbild einer hydraulischen Schaltung einer Hydraulikmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Hydraulikmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Form einer Axialkolbenmaschine. Die Hydraulikmaschine 1 ist über eine Kupplung 2 mit einem Lüfter 3 verbunden und kann den Lüfter 3 antreiben. Die Hydraulikmaschine 1 wird durch eine sehr schematisch dargestellte Regeleinrichtung 7 gesteuert. Die Hydraulikmaschine 1 kann auch eine andere Vorrichtung als den Lüfter 3 antreiben, beispielsweise einen Bohrer, eine Mischmaschine, eine Schleuder, usw.
In 1 hat die Hydraulikmaschine 1 eine Welle 10, die auch als drehbares Element 10 bezeichnet werden kann, mit einem magnetisierten Bereich 11. An der Welle 10 ist ein Wellendichtelement 15 in Form eines Rings und eine Erfassungseinrichtung 20 zur Erfassung von Drehmoment und Drehzahl der Hydraulikmaschine 1 in Form einer Hülse montiert. Die Erfassungseinrichtung 20, mit welcher das Wellendichtelement 15 kombiniert ist, ist mit Fixierschrauben 25 an dem Gehäuse 28 der Hydraulikmaschine 1 fixiert. Zudem hat die Hydraulikmaschine 1 Kolben 30, die sich in axialer Richtung der Hydraulikmaschine 1 an einer schrägstehenden Schwenkwiege 35 abstützen, eine Eingangshydraulikleitung 40, die mit einem Hydraulikmedium 41, insbesondere Hydrauliköl, usw., gefüllt ist, und eine Ausgangshydraulikleitung 42, die ebenfalls mit dem Hydraulikmedium 41, insbesondere Hydrauliköl, usw., gefüllt ist. Die Schwenkwiege 35 wird nachfolgend auch als Hydraulikeinrichtung 35 bezeichnet.
Die Hydraulikmaschine 1 von 1 ist beispielsweise eine Schrägachsenmaschine, eine Schrägscheibenmaschine, usw. Um den Lüfter 3 anzutreiben, ist die Axialkolbenmaschine 1 als Hydraulikmotor zu betreiben. In diesem Ausführungsbeispiel wird jedoch der Pumpenbetrieb beschrieben, auch wenn das nachfolgend beschriebene Prinzip auch auf Hydraulikmotoren anwendbar ist. Die Hydraulikmaschine 1 kann beidseitig schwenkbar ausgeführt sein, also für Motor- oder Pumpenbetrieb.
Die Regeleinrichtung 7, die eine digitale Regeleinrichtung ist, regelt das Drehmoment der Welle 10 in einem geschlossenen Regelkreis. Durch die Drehmomentregelung ist die Regeleinrichtung 7 zur elektroproportionalen Fördervolumenverstellung der Axialkolbenmaschine 1 ausgestaltet.
Die Erfassungseinrichtung 20 in 1 weist insbesondere einen Drehmomentsensor 21 und einen Drehzahlsensor 22 auf. Der Drehzahlsensor 22 dient zur Erfassung der Drehzahl, also der Ist-Drehzahl, der Welle 10. Der Drehzahlsensor 22 kann ein üblicher Drehzahlsensor sein. In 1 ist der Drehzahlsensor 22 mit dem Drehmomentsensor 21 in eine Einheit integriert.
Der Drehmomentsensor 21 dient zur Erfassung des an der Welle 10 wirkenden Drehmoments. Hierbei findet der an der Welle 10 magnetisierte Bereich 11 Verwendung. Der Drehmomentsensor 21 ist ein magnetostriktiver Sensor, welcher ein an der Welle wirkendes Drehmoment, also das Ist-Drehmoment, unter Verwendung des magnetisierten Bereichs 11 (1) misst. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich aufgrund der Drehung, die eine mechanische Belastung der Welle 10 ist, eine elastische Verformung der Welle 10 ergibt, wodurch sich das Magnetfeld des magnetisierten Bereichs 11 elastisch verändert. Insbesondere sind in dem magnetisierten Bereich 11 zwei gegensätzlich orientierte Magnetfelder vorhanden, so dass eine Differentialmessung möglich wird.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Drehmomentsensor 21 in das Wellendichtelement 15 integriert. Es ist jedoch auch möglich, dass der Drehmomentsensor 21 als Wellendichtelement 15 ausgestaltet ist. In jedem Fall ist der Drehmomentsensor 21 mit einem vorbestimmten Abstand zur Welle 10 angeordnet.
2 zeigt den Aufbau der hydraulischen Schaltung, die zur Regelung der Leistung der Hydraulikmaschine 1 dient. Im Pumpenbetrieb wird die Hydraulikmaschine 1 von der Welle 10 angetrieben, so dass die Hydraulikmaschine 1 das Hydraulikmedium 41 über die Eingangshydraulikleitung 40 aus einem Tank 43 ansaugt. An der Welle 10 ist die Erfassungseinrichtung 20 mit ihrem Drehmomentsensor 21 und Drehzahlsensor 22 sehr schematisch gezeigt. In 2 steht S für den Sauganschluss der Hydraulikmaschine 1. Das von der Hydraulikmaschine 1 angesaugte Hydraulikmedium 41 (1) wird entsprechend dem eingestellten Fördervolumen in die Ausgangshydraulikleitung 42 gefördert, die auch als Arbeitsleitung bezeichnet werden kann. In 2 steht B für den Druckanschluss der Hydraulikmaschine 1. Zudem hat die Hydraulikmaschine 1 die Leckölanschlüsse L, L₁, L₂.
In 2 ist eine Anordnung in einem offenen hydraulischen Kreislauf gezeigt. Die Hydraulikmaschine 1 kann jedoch auch in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sein.
Wie in 2 dargestellt, kann das Fördervolumen der Hydraulikmaschine 1 mit einer Verstelleinrichtung 44 verstellt werden. Die Verstelleinrichtung 44 umfasst einen Stellkolben 45, eine Stelldruckkammer 46, eine Rückführfeder 47 und eine Rückstellfeder 48. Über eine Entnahmeleitung 49 wird aus der Ausgangshydraulikleitung 42 Hydraulikmedium zu einem Proportional-Wegeventil 50 geleitet. Das Proportional-Wegeventil 50 ist mit der Verstelleinrichtung 44 derart verbunden, dass es einen auf den Stellkolben 45 wirkenden Stelldruck einstellen kann. Somit kann das Proportional-Wegeventil 50 als Stelldruckregelventil wirken. Der Stellkolben 45 ist in einer Richtung durch die Rückstellfeder 48 mit einer Federkraft beaufschlagt. Die Rückführfeder 47 überträgt eine von der Position des Stellkolbens 45 abhängige Kraft auf einen Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50. In der in 2 dargestellten Stellung befindet sich das Proportional-Wegeventil 50 in der Ruhestellung der Verstelleinrichtung 44. In dieser Stellung ist die Entnahmeleitung 49 mit einer Stelldruckleitung 51 verbunden. Dadurch stellt sich in der Stelldruckkammer 46 der in der Ausgangshydraulikleitung 42 herrschende Druck ein. Dieser Druck beaufschlagt den Stellkolben 45 mit seiner zu der Stelldruckkammer 46 hin orientierten Kolbenfläche. In Folge dessen wird der Stellkolben 45 in der 2 nach links ausgelenkt. Aufgrund dieser Auslenkung bzw. Stellbewegung komprimiert der Stellkolben 45 die Rückstellfeder 48. Bei einer Auslenkung bzw. Stellbewegung des Stellkolbens 45 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 48 wird die Hydraulikmaschine 1 in Richtung ihres minimalen Fördervolumens verstellt.
Ausgehend von der in 2 dargestellten Ruheposition des Proportional-Wegeventils 50, die eine erste Endposition ist, kann das Proportional-Wegeventil 50 in Richtung einer zweiten Endposition durch einen Proportionalmagneten 52 mit einer Kraft beaufschlagt werden. Das Proportional-Wegeventil 50 ist zwischen den beiden Endpositionen stufenlos verstellbar. Die von dem Proportionalmagneten 52 erzeugte Kraft wirkt entgegen der Kraft der Rückführfeder 47. Wird nun der Proportionalmagnet 52 mit einem Signal über die elektrische Leitung 76 von der Regeleinrichtung 7 beaufschlagt, so wirkt auf den Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50 eine Kraft in Richtung seiner zweiten Endposition. In der zweiten Endposition ist die Stelldruckleitung 51 mit einer ersten Verbindungsleitung 53 verbunden, hierbei wird die Hydraulikmaschine 1 in Richtung ihres maximalen Fördervolumens verstellt. Während eines normalen Betriebs ist die erste Verbindungsleitung 53 über eine zweite Verbindungsleitung 54 mit dem Tank 43 und über ein Rückschlagventil 55 mit der Stelldruckkammer 46 verbunden. Der Weg von der Leitung 53 über das Rückschlagventil 55 in die Stellkammer 46 ist nur geschaltet, wenn der Druck im Tank 43 höher als der Stelldruck in der Stelldruckkammer 46. In der zweiten Endposition des Proportional-Wegeventils 50 wird daher die Stelldruckkammer 46 über die Verbindungsleitungen 53 und 54 mit dem Tank 43 verbunden und die Stelldruckkammer 46 in den Tank 43 entlastet. In Folge dessen reduziert sich die Kraft auf die Kolbenfläche des Stellkolbens 45 und die Rückstellfeder 48 bewegt den Stellkolben 45 so, dass die Hydraulikmaschine 1 in Richtung größer werdenden Fördervolumens verstellt wird.
Um eine proportionale Stellbewegung beziehungsweise ein proportionales Fördervolumen der Hydraulikmaschine 1 einstellen zu können, wirkt die Kraft der Rückführfeder 47 entgegengesetzt zu der Kraft des Proportionalmagneten 52 auf den Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50. Damit wird auf den Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50 eine von der jeweiligen Position des Stellkolbens 45 abhängige Kraft ausgeübt.
Das Proportional-Wegeventil 50 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein elektroproportional regelbares Ventil, das in der Hydraulikmaschine 1 angeordnet ist. Das Proportional-Wegeventil 50 ist als interne mechanische Schwenkwinkelregelung der Hydraulikmaschine 1 ausgestaltet.
Die Regeleinrichtung 7 hat eine Sollwerterzeugungseinheit 71 zur Erzeugung von Sollwerten eines Drehmoments der Welle 10. Jeder Sollwert des Drehmoments der Welle 10 entspricht einem speziellen Fördervolumen der Hydraulikmaschine 1 abhängig vom Druck und abhängig von weiteren Einflussgrößen wie z. B. Drehzahl und/oder Temperatur. Insbesondere erhält die Sollwerterzeugungseinheit 71 hierzu von extern, wie mit dem Pfeil 80 dargestellt, eine Eingabe eines Benutzers und/oder beispielsweise eines Fahrzeugrechners eines Fahrzeugs, in welchem die Hydraulikmaschine 1 eingebaut ist, z. B. einen Leistungssollwert oder direkt den Drehmomentsollwert. Im Falle des Leistungssollwerts wird mit Hilfe des Drehzahlistwerts der Drehmomentsollwert erzeugt. Ein von der Sollwerterzeugungseinheit 71 erzeugter Sollwert wird an eine Vergleichseinheit 72 weitergegeben, welche zudem die Erfassungsergebnisse der Erfassungseinrichtung 20, also das Ist-Drehmoment und die Ist-Drehzahl, über eine elektrische Leitung 75 erhält. Die Vergleichseinheit 72 vergleicht den Sollwert des Drehmoments mit einem Istwert des Drehmomentsensors 21 Je nach dem Ergebnis dieses Vergleichs steuert eine Ansteuereinheit 73 den Proportionalmagneten 52 über die elektrische Leitung 76 elektrisch an und regelt damit das Drehmoment
Somit ist ein geschlossener Regelkreis zur Regelung des Drehmoments der Welle 10 und damit der Leistung der Hydraulikmaschine 1 vorhanden. Hierbei ist eine Kombination aus Axialkolbenmaschine als Hydraulikmaschine 1 mit einer neuartigen, mobiltauglichen Drehmomentmesstechnik zur Regelung eines Drehmomentes an der Welle 10 der Hydraulikmaschine 1 bereitgestellt. Die Drehmomentmesstechnik besteht aus der in dem Bereich 11 speziell magnetisierten Welle 10 der Hydraulikmaschine 1 sowie der kompakten Auswerteelektronik des Drehmoments in Form des Drehmomentsensors 21. Die Drehmomentmesstechnik ist unempfindlich gegenüber Temperaturen, Vibrationen, usw., ist öl- und wasserbeständig und hat einen Platzbedarf von bis zu 50 mm.
Der entsprechende Regelkreis zwischen Soll- und Istdrehmoment wird mit beliebiger Elektronik aufgebaut. Hierbei sind vorzugsweise genormte Schnittstellen vorhanden, so dass ein Kunde auch die Möglichkeit hat, einen eigenen Regelkreis in seiner Elektronik aufzubauen. Die Messtechnik ist bei diesem Ausführungsbeispiel komplett in die Hydraulikmaschine 1 integriert.
3 zeigt den Ablauf des von der Regeleinrichtung 7 durchgeführten Regelverfahrens zur Regelung eines von einer Hydraulikeinrichtung 35 der Hydraulikmaschine 1 erzeugten Drehmoments. Wird die Drehzahl erfasst, kann auch die von der Hydraulikeinrichtung 35 erzeugte Leistung geregelt werden.
Nach dem Beginn des Regelverfahrens wird bei einem Schritt S1 ein Fördervolumen der Hydraulikeinrichtung 35 zum Antrieb der Welle 10 als drehbares Element eingestellt. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S2 weiter.
Bei dem Schritt S2 erfasst der Drehmomentsensor das von der Hydraulikeinrichtung 35 erzeugte Drehmoment, Danach geht der Fluss zu einem Schritt S3 weiter.
Bei dem Schritt S3 erfasst der Drehzahlsensor die Drehzahl der Welle 10 als drehbares Element. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S4 weiter.
Bei dem Schritt S4 vergleicht die Regeleinrichtung 7, genauer gesagt ihre Vergleichseinheit 72 die Erfassungswerte von Schritt S2 und S3 mit dem von der Sollwerterzeugungseinheit 71 erzeugten Sollwert. Die Vergleichseinheit 72 gibt das Ergebnis ihres Vergleichs an die Ansteuereinheit 73 aus. Danach geht der Fluss zu einem Schritt S5 weiter.
Bei dem Schritt S5 steuert die Regeleinrichtung 7, genauer gesagt ihre Ansteuereinheit 73 den Proportionalmagneten 52 an, so dass das Proportional-Wegeventil 50 den Stellkolben 45 verstellen kann. Somit wird das von der Hydraulikeinrichtung 35 erzeugte Drehmoment in einem geschlossenen Regelkreis geregelt, indem der Proportionalmagnet 52 auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors 21 elektrisch angesteuert wird. Alternativ kann die Regeleinrichtung 7 auch die von der Hydraulikeinrichtung 35 erzeugte Leistung in einem geschlossenen Regelkreis regeln, indem der Proportionalmagnet 52 auf der Grundlage eines Produkts aus einem Ergebnis einer Erfassung des Drehmomentsensors 21 und einem Ergebnis einer Erfassung des Drehzahlsensors 22 elektrisch angesteuert wird. Danach geht der Fluss zu dem Schritt S1 zurück.
Das Regelverfahren ist beendet, wenn die Regeleinrichtung 7 und/oder die Hydraulikmaschine 1 ausgeschaltet ist. Die Reihenfolge der Schritte S2 und S3 ist beliebig wählbar. Insbesondere können beide Schritte S2, S3 auch gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig ausgeführt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit eine sehr einfache interne mechanische Schwenkwinkelregelung bereitgestellt. Als Folge davon ergibt sich eine kostengünstigere und einfachere Fertigung der geregelten Hydraulikmaschine 1.
Darüber hinaus entstehen bei der Hydraulikmaschine 1 aufgrund weniger Reglerachsen weniger Leckagen, so dass die Hydraulikmaschine 1 einen höheren Wirkungsgrad als der Stand der Technik aufweist.
Ferner können bei der Hydraulikmaschine 1 beliebige Drehmomentsollwerte durch den überlagerten Regelkreis erfüllt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt die Rückführfeder 47 dazu, dass sich bei einem Strom X ein Schwenkwinkel Y einstellt. Als Folge davon kann ein Strom z. B. im Bereich von 200 mA bis 600 mA gewählt werden. Analog dazu stellt sich der Schwenkwinkel der Schwenkwiege 35 ein. Somit gibt es zu jedem Stromwert einen Schwenkwinkelwert.
4 zeigt eine hydraulische Schaltung einer Hydraulikmaschine 4 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Hydraulikmaschine 4 hat im Wesentlichen den gleichen Aufbau, wie in 1 für die Hydraulikmaschine 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Wie jedoch aus 4 ersichtlich, ist die hydraulische Schaltung der Hydraulikmaschine 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel anders aufgebaut als die hydraulische Schaltung der Hydraulikmaschine 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Die in 4 gezeigte hydraulische Schaltung ist zur Regelung der Leistung oder des Drehmoments der Hydraulikmaschine 4 vorgesehen. Im Pumpenbetrieb wird die Hydraulikmaschine 4 von der Welle 10 angetrieben, so dass die Hydraulikmaschine 4 das Hydraulikmedium 41 über die Eingangshydraulikleitung 40 aus einem Tank 43 ansaugt. Auch hier ist die Erfassungseinrichtung 20 mit ihrem Drehmomentsensor 21 und Drehzahlsensor 22 an der Welle 10 sehr schematisch gezeigt. In 4 steht S für den Sauganschluss der Hydraulikmaschine 4. Das von der Hydraulikmaschine 4 angesaugte Hydraulikmedium 41 (1) wird entsprechend dem eingestellten Fördervolumen in die Ausgangshydraulikleitung 42 gefördert, die auch als Arbeitsleitung bezeichnet werden kann. In 4 steht B für den Druckanschluss der Hydraulikmaschine 4. MB steht für einen Messanschluss des Druckanschlusses B und ist über eine Verbindungsleitung 59 mit der Ausgangshydraulikleitung 42 verbunden. Zudem hat die Hydraulikmaschine 4 die Leckölanschlüsse L, L₁.
Auch in 4 ist eine Anordnung in einem offenen hydraulischen Kreislauf gezeigt. Die Hydraulikmaschine 4 kann jedoch auch in einem geschlossenen Kreislauf angeordnet sein.
Wie in 4 dargestellt, kann das Fördervolumen der Hydraulikmaschine 4 mit einer Verstelleinrichtung 44 verstellt werden. Die Verstelleinrichtung 44 umfasst einen Stellkolben 45 und eine Stelldruckkammer 46. Der Stellkolben 45 ist mit der Schwenkwiege 35 gekoppelt und ein Schwenkwinkelaufnehmer 57 kann zum Messen des Schwenkwinkels der Schwenkwiege 35 eingesetzt werden. Der Schwenkwinkelaufnehmer 57 ist jedoch für die Funktion der Hydraulikmaschine 4 nicht unbedingt erforderlich und kann auch weggelassen werden. Zudem wirkt eine Gegenverstelleinrichtung 60 auf die Schwenkwiege 35. Die Gegenverstelleinrichtung 60 hat einen Gegenkolben 61, eine Gegenkolbenstelldruckkammer 62 und eine Ausstellfeder 63. Die Ausstellfeder 63 hat die gleiche Funktion wie die Rückführfeder 47 bei der Hydraulikmaschine 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und führt bei maximalem Strom zu maximalem Schwenkwinkel
Somit ist die Stelldruckkammer 46 über die Verbindungsleitung 54 mit dem Proportional-Wegeventil 50 verbunden. Zudem ist die Gegenkolbenstelldruckkammer 62 über die Verbindungsleitung 51 mit der Hochdruckleitung 42 verbunden, welche wiederum mit einer Leitung 65 mit dem Proportional-Wegeventil 50 verbunden. Das Proportional-Wegeventil 50 ist außerdem über eine Leckölleitung 58 mit den Leckölanschlüssen L, L₁ verbunden.
Die Verstelleinrichtung 44 kann mit dem Proportionalmagneten 52 und dem Proportional-Wegeventil 50 sowie der Gegenverstelleinrichtung 60 stufenlos verstellt werden, so dass der Stellkolben 45 das Fördervolumen der Schwenkwiege 35 stufenlos einstellen kann. Dies erfolgt analog dazu, wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, zwischen der in 4 dargestellten Ruhestellung und der nicht dargestellten zweiten Endposition. Bei diesem Ausführungsbeispiel muss jedoch der Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50 ständig elektrisch nachgeregelt werden. Mit anderen Worten, der Ventilkolben des Proportional-Wegeventils 50 befindet sich bei einem Schwenkwinkel der Schwenkwiege 35 immer in Regelstellung und der Strom befindet sich somit auf dem Niveau des Stroms, der für eine mittlere Ventilkolbenposition des Proportional-Wegeventils 50 benötigt wird. Demgegenüber führt bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Rückführfeder 47 dazu, dass sich bei einem Strom X ein Schwenkwinkel Y einstellt, wie zuvor beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt also keine interne mechanische Schwenkwinkelregelung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel vor, sondern die Regelung wird durch die Regeleinrichtung 7 übernommen und somit elektrisch ausgeführt. Auch in 4 hat die Regeleinrichtung 7 hat die Sollwerterzeugungseinheit 71, die Vergleichseinheit 72 und die Ansteuereinheit 73, welche die gleichen Funktionen haben, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
Ansonsten ist die Hydraulikmaschine 4 und ihre Regeleinrichtung 7 auf die gleiche Weise aufgebaut, wie zuvor bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist somit keine interne mechanische Schwenkwinkelregelung bereitgestellt. Als Folge davon ergibt sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel eine billigere und einfachere Fertigung der elektrisch geregelten Hydraulikmaschine 4, da nur ein Proportional-Wegeventil, nämlich das Proportional-Wegeventil 50 für eine Stellkolbenversorgung bzw. Entlastung benötigt wird.
Darüber hinaus entstehen auch bei der Hydraulikmaschine 4 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aufgrund weniger Reglerachsen weniger Leckagen als bei dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass die Hydraulikmaschine 4 noch einen höheren Wirkungsgrad als die Hydraulikmaschine 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist.
Auch bei der Hydraulikmaschine 4 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können beliebige Drehmomentsollwerte durch den überlagerten Regelkreis erfüllt werden.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Hydraulikmaschinen 1, 4 der Regeleinrichtung 7 und des Regelverfahrens 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 die Hydraulikmaschinen 1, 4 in Bezug auf die Ausführungsbeispiele als Axialkolbenmaschine beschrieben ist, können die Hydraulikmaschinen 1, 4 auch jeweils eine Radialkolbenmaschine, usw. sein. Im Falle einer Radialkolbenmaschine ist die Hydraulikeinrichtung 35 ein Exzenter.
Das Wellendichtelement 15 kann aus Kunststoff gefertigt sein. Das Wellendichtelement 15 kann nicht nur als Ring ausgeführt sein, mit welchem die Erfassungseinrichtung 20 integriert ist, sondern auch insgesamt als Hülse.
Der Drehzahlsensor 21 kann auch außerhalb der Hydraulikmaschinen 1, 4 angeordnet sein.
Jede der zuvor beschriebenen Hydraulikmaschinen 1, 4 kann so in ein Antriebssystem eingebunden sein, dass ein übergeordneter Fahrzeugführungsrechner eine zuverlässige Rückmeldung des von der Hydraulikmaschine 1, 4 abverlangten bzw. rückgebenden Drehmoments, also des Ist-Drehmoments, bekommt.
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

WO 2011/107190 A1 [0002, 0006]

Claims

Hydraulikmaschine (1; 4), mit einer Verstelleinrichtung (44) zur Einstellung eines Fördervolumens einer Hydraulikeinrichtung (35), die mit einem drehbaren Element (10) gekoppelt ist, einem Proportional-Wegeventil (50) zur Ansteuerung der Verstelleinrichtung (44) mit Hilfe eines Proportionalmagneten (52), einem Drehmomentsensor (21) zur Erfassung eines von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Drehmoments, und einer Regeleinrichtung (7) zur Regelung eines von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Drehmoments derart, dass der Proportionalmagnet (52) auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors (21) elektrisch ansteuerbar ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach Anspruch 1, wobei das drehbare Element (10) eine Welle ist, die einen magnetisierten Bereich (11) aufweist, und wobei der Drehmomentsensor (21) ein magnetostriktiver Sensor ist, welcher ein an der Welle (10) wirkendes Drehmoment unter Verwendung des magnetisierten Bereichs (11) misst.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehmomentsensor (21) als Wellendichtelement (15) ausgestaltet ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehmomentsensor (21) in ein Wellendichtelement (15) integriert ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Proportional-Wegeventil (50) ein elektroproportional regelbares Ventil ist, das als interne mechanische Schwenkwinkelregelung der Hydraulikmaschine (1; 4) ausgestaltet ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Proportional-Wegeventil (50) ein Fördervolumeneinstellventil ist, das intern in der Hydraulikmaschine (1; 4) angeordnet oder außen an die Hydraulikmaschine (1; 4) angebaut ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regeleinrichtung (7) zur Regelung einer von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Leistung derart ausgestaltet ist, dass der Proportionalmagnet (52) auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors (21) und eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehzahlsensors (22) elektrisch ansteuerbar ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehmomentsensor (21) in einer Einheit mit einem Drehzahlsensor (22) zur Erfassung der Drehzahl des drehbaren Elements (10) kombiniert ist.
Hydraulikmaschine (1; 4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das drehbare Element (10) die Antriebswelle eines Lüfters ist.
Regelverfahren zur Regelung eines von einer Hydraulikmaschine (1; 4) erzeugten Drehmoments, mit den Schritten Einstellen (S1), mit einer Verstelleinrichtung (44), eines Fördervolumens einer Hydraulikeinrichtung (35) zum Antrieb eines drehbaren Elements (10), Erfassen (S2), mit einem Drehmomentsensor (21), des von der Hydraulikeinrichtung (35) erzeugten Drehmoments, Ansteuern (S5) eines Proportional-Wegeventils (50), mit welchem die Verstelleinrichtung (44) angesteuert wird, mit Hilfe eines Proportionalmagneten (52), Regeln (S4) des erzeugten Drehmoments in einem geschlossenen Regelkreis, indem der Proportionalmagnet (52) auf der Grundlage eines Ergebnisses einer Erfassung des Drehmomentsensors (21) elektrisch angesteuert wird.