DE102013008792A1

DE102013008792A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verstellung einer hydraulischen Verstellpumpe

Info

Publication number: DE102013008792A1
Application number: DE201310008792
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; René Schulz; Jens Krallmann; Wiktor Wojcik; Jörg Schneider
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: DE102013008792B4

Abstract

a. Aufgabe: Verstelleinrichtung (1) für eine hydraulische Verstellpumpe (2) mit einer elektrischen Ansteuerung (3) und einer hydraulischen Betätigungseinrichtung (4), die zwei Zylinderräume (5), (6) enthält, mit geringen Leistungsverlusten und gutem Temperaturverhalten. Lösung: Die hydraulische Betätigungseinrichtung (4) wird von einer b. Hilfspumpe (7) ohne Zwischenschaltung von Ventilen beaufschlagt und diese Hilfspumpe wird von einem drehzahlvariablen Elektromotor (8) angetrieben, wobei der Elektromotor (8) von der elektrischen Ansteuerung (3) mit einem geregelten elektrischen Strom oder einer Mehrzahl von geregelten elektrischen Strömen definierter Frequenz und Phasenlage versorgt wird. c. Anwendung: Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung findet ihre Anwendung bei Verstellpumpen, die im geschlossenen hydraulischen Kreis arbeiten und nicht auf einen bestimmten Druck, sondern auf einen Volumenstrom eingestellt werden, der dann die Drehzahl oder die Geschwindigkeit eines nachgeschalteten Hydraulikmotors bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Einrichtung zur Verstellung einer hydraulischen Verstellpumpe, die im geschlossenen Kreislauf arbeitet, entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Verstellpumpen werden zusammen mit Hydraulikmotoren zum Aufbau von hydrostatischen Getrieben verwendet, die zu den stufenlos verstellbaren Getrieben zählen.
Zur Verstellung einer Verstellpumpe werden üblicherweise mechanisch-hydraulische oder elektrohydraulische Verstelleinrichtungen eingesetzt, wie sie zum Beispiel in den Druckschriften DE2307550 und DE3433495C2 beschrieben sind.
Die bekannten Verstelleinrichtungen sind bewährt und sie erfüllen die an sie gerichteten Anforderungen, aber ihre hydraulische Leistungsaufnahme ist recht hoch, was insbesondere im Teillastbetrieb des hydrostatischen Getriebes den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems negativ beeinflusst. Daneben weisen die bekannten Verstelleinrichtungen noch eine Temperaturabhängigkeit ihrer Verstellgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen auf.
Aufgaben der Erfindung
Die vorliegende Erfindung soll Verstelleinrichtungen beschreiben, die die hydraulische Leistungsaufnahme erheblich vermindert und insbesondere im Teillastbetrieb des hydrostatischen Getriebes den Wirkungsgrad des Antriebssystems verbessert. Zusätzlich soll die Temperaturabhängigkeit der Verstellung bei niedrigen Temperaturen vermindert werden.
Lösung
Die Aufgaben der Erfindung werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Die Ansprüche 8 und 9 beschreiben Verfahren zur Steuerung und Regelung der erfindungsgemäßen Antriebe.
Die hohe hydraulische Leistungsaufnahme der bekannten elektrohydraulischen Verstellsysteme wird vor allem durch die Verwendung von hydraulischen Ventilen hervorgerufen, die nicht beliebig klein ausgeführt werden können und aus Gründen der kostengünstigen Herstellbarkeit gewisse interne Leckagen zulassen. Auch die Temperaturabhängigkeit der Verstellung ist eine Folge der Verwendung von regelnden Ventilen.
Es ist bekannt, in hydraulischen Systemen größerer Leistung verstellbare Pumpen oder Pumpen mit variabler Drehzahl zu verwenden, und damit Ventile zur Regelung zu vermeiden, in der Verstellung von verstellbaren Pumpen macht aber der Einsatz von Verstellpumpen keinen Sinn, denn diese müssten ihrerseits ein Verstellsystem haben. Der Einsatz von Pumpen mit variabler Drehzahl zur Ventilverstellung ist zwar z. B. aus der Druckschrift DE102008054880A1 bekannt, allerdings hier nicht in dieser Art anwendbar. Es ist ebenfalls bekannt, Verstellpumpen mechanisch über ein Getriebe mittels eines Elektromotors zu verstellen, dabei wird aber das Getriebe durch die starken Wechselkräfte an der Verstelleinrichtung der Pumpe stark belastet und es werden starke Geräusche über das Getriebe übertragen.
Die bekannten mit regelnden Ventilen ausgerüsteten hydraulischen Verstellsysteme verwenden den relativ niedrigen Druck der Füllpumpe, die bei hydrostatischen Getrieben mit geschlossenem Kreislauf ohnehin erforderlich ist, zur Beaufschlagung von Verstellzylindern, die dem niedrigen Druck entsprechend große Kolbenflächen aufweisen. Dies bewirkt eine hohe mechanische Steifigkeit und eine gute Dämpfung des Verstellsystems.
Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung nutzt ebenfalls die Verstellzylinder mit den großen Kolbenflächen, um die hohe Steifigkeit und die gute Dämpfung zu übernehmen. Der variable Flüssigkeitsstrom zur Verstellung wird aber nicht über regelnde Ventile der Füllpumpe entnommen, sondern von einer Hilfspumpe erzeugt, die von einem Elektromotor mit variabler Drehzahl angetrieben wird. In dem die Verstellbewegung übertragenden Hydraulikkreis, der aus der Hilfspumpe und den Zylindern besteht, sind keine Ventile vorhanden, die Übertragung der Verstellbewegung erfolgt ausschließlich durch die Verdrängung von Flüssigkeit. Daher fallen auch nur vernachlässigbare hydraulischen Drosselverluste bei einer Verstellung und nur sehr geringe Leckverluste an.
Auch die sehr geringe Temperaturabhängigkeit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung beruht auf der ausschließlichen Nutzung der Flüssigkeitsverdrängung, es fehlen regelnde Ventile mit ihren kleinen Querschnitten in dem Hydraulikkreis, der die Verstellbewegung überträgt.
Der genannte Hydraulikkreis muss allerdings um Rückschlagventile zum Füllen des Kreises erweitert werden, diese liegen aber im Nebenzweig, und beeinflussen daher weder die Leistungsaufnahme noch das Temperaturverhalten der Verstelleinrichtung.
Gleiches gilt für zusätzliche verstellbare Drosseln, die zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens die interne Leckage des Hydraulikkreises geringfügig erhöhen.
Die Funktion der elektrischen Ansteuerung für die elektrohydraulische Regelung der Verstelleinrichtung wird anhand des Ausführungsbeispiels beschrieben.
Als Antrieb für die Hilfspumpe ist ein Elektromotor vorzusehen, der sich für Positionieraufgaben eignet und auch im Stillstand betrieben werden kann. Erfindungsgemäß wird ein permanentmagneterregter bürstenloser Motor eingesetzt, in der Bauart des Synchronmotors oder des Schrittmotors.
Anwendung
Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung findet ihre Anwendung bei Verstellpumpen, die im geschlossenen hydraulischen Kreis arbeiten und nicht auf einen bestimmten Druck, sondern auf einen Volumenstrom eingestellt werden, der dann die Drehzahl oder die Geschwindigkeit eines nachgeschalteten Hydraulikmotors bestimmt. Solche Verstellpumpen werden entsprechend dem erforderlichen Drehzahl- oder Geschwindigkeitsverlauf des nachgeschalteten Hydraulikmotors verstellt.
Bilder: 1 zeigt den Schaltplan der Verstelleinrichtung
Beispielhafte Ausführung:
Eine Verstelleinrichtung 1 für eine hydraulische Verstellpumpe 2 ist mit einer elektrischen Ansteuerung 3 und einer hydraulischen Betätigungseinrichtung 4 versehen, die zwei Zylinderräume 5 und 6 enthält. Die hydraulische Betätigungseinrichtung 4 wird von einer Hilfspumpe 7 ohne Zwischenschaltung von Ventilen in einem geschlossenen Kreis beaufschlagt und diese Hilfspumpe wird von einem drehzahlvariablen Elektromotor 8 angetrieben, der von der elektrischen Ansteuerung 3 mit einem geregelten elektrischen Strom oder einer Mehrzahl von geregelten elektrischen Strömen definierter Frequenz und Phasenlage versorgt wird.
Vorteilhafterweise arbeitet die elektrische Ansteuerung 3 in einem geschlossenen Regelkreis, indem der elektrischen Ansteuerung ein Signal eines Sollwertgebers 11, ein Zustandssignal eines Schwenkwinkelaufnehmers 12 der hydraulischen Verstellpumpe 2 und/oder ein weiteres Zustandssignal eines Drehzahl- oder Geschwindigkeitsaufnehmers 13 eines dieser Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotors 9 zugeführt werden. Die elektrische Ansteuerung generiert aus den genannten Signalen mittels eines Regelalgorithmus die geregelten elektrischen Ströme für die Ansteuerung des Elektromotors 8.
Die Verstellpumpe 2 und der nachgeschaltete Hydraulikmotor arbeiten vorzugsweise in einem geschlossenen Hydraulikkreis, dieser wird in bekannter Weise durch den Einspeise- und Druckbegrenzungsventilblock 10 mit Flüssigkeit gefüllt und abgesichert.
In einer ersten Ausführung ist der Elektromotor 8 ein bürstenloser permanentmagnetisch erregter Synchronmotor, dessen Spulensystem ein von der elektrischen Ansteuerung 3 bestimmtes Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors 8 ist vorzugsweise mit einer Winkelmesseinrichtung 15 gekoppelt, die ein Winkelsignal an die elektrische Ansteuerung 3 zurückmeldet.
In einer zweiten Ausführung ist der Elektromotor 8 ein bürstenloser permanentmagnetisch erregter Schrittmotor, dessen Spulensystem ein von der elektrischen Ansteuerung 3 bestimmtes Drehfeld erzeugt. Der Schrittmotor benötigt keine Winkelmesseinrichtung, aber gegebenenfalls einen Sensor zur Feststellung der Nullstellung.
In einer dritten Ausführung ist der Elektromotor 8 ein konventioneller Gleichstrommotor.
Die Hilfspumpe 7 und die hydraulische Betätigungseinrichtung 4 arbeiten in einem geschlossenen hydraulischen Kreis, in dem die Hilfspumpe jeweils einen Zylinderraum 5 oder 6 mit Druckflüssigkeit beaufschlagt und der damit mechanisch gekoppelte andere Zylinderraum 6 oder 5 das zum Ansaugen der Pumpe erforderliche Flüssigkeitsvolumen verdrängt, wobei eventuell auftretende Leckagen durch die Rückschlagventile 16 und 17 jeweils auf der Niederdruckseite ersetzt werden.
Parallel zu den Rückschlagventilen 16 und 17 sind Drosselventile 18 und 19 geschaltet, die zusätzlich zu den in der Hilfspumpe 7 und den Zylinderräumen 5 und 6 auftretenden Leckagen eine geringe einstellbare weitere Leckage erzeugen, die dazu beiträgt, den in Anspruch 2 beschriebenen geschlossenen Regelkreis zu stabilisieren.
Die Einstellung des Schwenkwinkels kann durch eine Lageregelung oder durch eine Kraftregelung erfolgen.
Im Fall der Lageregelung ist die elektrische Ansteuerung 3 so aufgebaut und programmiert, dass

– elektrische Eingangssignale von einem Sollwertgeber 11 verarbeitet werden
– elektrische Rückmeldungssignale von einem Schwenkwinkelaufnehmer 12 oder einem Hubaufnehmer an der Betätigungseinrichtung 4 verarbeitet werden
– alternativ oder zusätzlich elektrische Rückmeldungssignale von einem Drehzahlaufnehmer 13 oder Geschwindigkeitsaufnehmer an einem der Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotor 9 verarbeitet werden
– elektrische Rückmeldungssignale von einer Winkelmesseinrichtung 15 an dem Elektromotor 8 verarbeitet werden
– aus den Eingangssignalen entsprechend einem Regelalgorithmus ein erforderlicher Drehwinkel des Elektromotors 8 berechnet wird
– der erforderliche Drehwinkel des Elektromotors 8 durch geeignete Bestromung der Spulen der Elektromotors eingestellt wird.
– und schließlich die hydraulische Versteileinrichtung (4) die Verstellpumpe auf den Schwenkwinkel verstellt, der der Vorgabe des Sollwertgebers entspricht.

Im Fall der Kraftregelung ist die elektrische Ansteuerung 3 so aufgebaut und programmiert, dass

– elektrische Eingangssignale von einem Sollwertgeber 20 verarbeitet werden
– zur Verbesserung der Regelgenauigkeit erforderlichenfalls zusätzlich elektrische Rückmeldungssignale von einem Drehzahlaufnehmer 13 oder einem Geschwindigkeitsaufnehmer an einem der Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotor 9 verarbeitet werden
– aus den Eingangssignalen entsprechend einem Regelalgorithmus ein erforderliches Drehmoment des Elektromotors 8 berechnet wird
– und das erforderliche Drehmoment des Elektromotors 8 durch geeignete Bestromung der Spulen der Elektromotors eingestellt wird
– entsprechend dem eingestellten Drehmoment des Elektromotors 8 eine proportionale Druckdifferenz an der Hilfspumpe 7 und daraus folgend eine proportionale Auslenkung der Betätigungseinrichtung 4 gegen die wegabhängigen Kräfte der Federn 21 und 22 bewirkt wird, wobei die Verstellpumpe auf den Schwenkwinkel eingestellt wird, der der Vorgabe des Sollwertgebers entspricht.

Bezugszeichenliste

1: Verstelleinrichtung
2: Verstellpumpe
3: Elektrische Ansteuerung
4: Hydraulische Betätigungseinrichtung
5: Zylinderraum
6: Zylinderraum
7: Hilfspumpe
8: Elektromotor
9: Hydraulikmotor
10: Einspeise- und Druckbegrenzungsventilblock
11: Sollwertgeber
12: Schwenkwinkelaufnehmer
13: Drehzahlaufnehmer
15: Winkelmesseinrichtung
16: Rückschlagventil
17: Rückschlagventil
18: Drosselventil
19: Drosselventil
21: Feder
22: Feder

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 2307550 [0003]
DE 3433495 C2 [0003]
DE 102008054880 A1 [0008]

Claims

Verstelleinrichtung (1) für eine hydraulische Verstellpumpe (2) mit einer elektrischen Ansteuerung (3) und einer hydraulischen Betätigungseinrichtung (4), die zwei Zylinderräume (5), (6) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Betätigungseinrichtung (4) von einer Hilfspumpe (7) ohne Zwischenschaltung von Ventilen beaufschlagt wird und dass diese Hilfspumpe von einem drehzahlvariablen Elektromotor (8) angetrieben wird, wobei der Elektromotor (8) von der elektrischen Ansteuerung (3) mit einem geregelten elektrischen Strom oder einer Mehrzahl von geregelten elektrischen Strömen definierter Frequenz und Phasenlage versorgt wird.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (3) in einem geschlossenen Regelkreis arbeitet, indem ihr ein Signal eines Sollwertgebers (11), ein Zustandssignal eines Schwenkwinkelaufnehmers (12) der hydraulischen Verstellpumpe (2) und/oder ein weiteres Zustandssignal eines Drehzahlaufnehmers (13) eines dieser Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotors (9) zugeführt werden und die elektrische Ansteuerung mittels eines Regelalgorithmus daraus die geregelten elektrische Ströme für die Ansteuerung des Elektromotors (8) generiert.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) ein bürstenloser permanentmagnetisch erregter Synchronmotor ist, dessen Spulensystem ein von der elektrischen Ansteuerung (3) bestimmtes Drehfeld erzeugt.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor des Elektromotors (8) mit einer Winkelmesseinrichtung (15) gekoppelt ist, die ein Winkelsignal an die elektrische Ansteuerung (3) zurückmeldet.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) ein bürstenloser permanentmagnetisch erregter Schrittmotor ist, dessen Spulensystem ein von der elektrischen Ansteuerung (3) bestimmtes Drehfeld erzeugt.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Betätigungseinrichtung (4) und die Hilfspumpe (7) in einem geschlossenen hydraulischen Kreis arbeiten, in dem die Hilfspumpe je nach ihrer Drehrichtung einen Zylinderraum (5) oder einen Zylinderraum (6) mit Druckflüssigkeit beaufschlagt und der damit mechanisch gekoppelte andere Zylinderraum (6) oder (5) das zum Ansaugen der Hilfspumpe erforderliche Flüssigkeitsvolumen verdrängt, wobei eventuell auftretende Leckagen durch die Rückschlagventile (16) und (17) jeweils auf der Niederdruckseite der Hilfspumpe ersetzt werden.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Rückschlagventilen (16) und (17) Drosselventile (18) und (19) geschaltet sind, die zusätzlich zu den in der Hilfspumpe (7) und zwischen den Zylinderräumen (5), (6) auftretenden Leckagen eine geringe einstellbare weitere Leckage erzeugen, die dazu beiträgt, den in Anspruch 2 beschriebenen geschlossenen Regelkreis zu stabilisieren.
Verfahren zur Verstellung einer hydraulischen Verstellpumpe nach Anspruch 1 mit einer elektrischen Ansteuerung (3), die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Programmierung dadurch gekennzeichnet ist, dass – elektrische Eingangssignale von einem Sollwertgeber (11) verarbeitet werden – elektrische Rückmeldungssignale von einem Schwenkwinkelaufnehmer (12) oder einem Hubaufnehmer an der Betätigungseinrichtung (4) verarbeitet werden – alternativ oder zusätzlich elektrische Rückmeldungssignale von einen Drehzahlaufnehmer (13) oder Geschwindigkeitsaufnehmer an einem der Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotor (9) verarbeitet werden – elektrische Rückmeldungssignale von einer Winkelmesseinrichtung (15) an dem Elektromotor (8) verarbeitet werden – aus den Eingangssignalen entsprechend einem Regelalgorithmus ein erforderlicher Drehwinkel des Elektromotors (8) berechnet wird – der erforderliche Drehwinkel des Elektromotors (8) durch geeignete Bestromung der Spulen der Elektromotors eingestellt wird – und schließlich die hydraulische Versteileinrichtung (4) die Verstellpumpe auf den Schwenkwinkel verstellt, der der Vorgabe des Sollwertgebers entspricht.
Verfahren zur Verstellung einer hydraulischen Verstellpumpe nach Anspruch 1 mit einer elektrischen Ansteuerung (3), die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Programmierung dadurch gekennzeichnet ist, dass – elektrische Eingangssignale von einem Sollwertgeber (20) verarbeitet werden – zur Verbesserung der Regelgenauigkeit erforderlichenfalls zusätzlich elektrische Rückmeldungssignale von einem Drehzahlaufnehmer (13) oder Geschwindigkeitsaufnehmer an einem der Verstellpumpe nachgeschalteten Hydraulikmotor (9) verarbeitet werden – aus den Eingangssignalen entsprechend einem Regelalgorithmus ein erforderliches Drehmoment des Elektromotors (8) berechnet wird – das erforderliche Drehmoment des Elektromotors (8) durch geeignete Bestromung der Spulen der Elektromotors eingestellt wird – entsprechend dem Drehmoment des Elektromotors (8) eine proportionale Druckdifferenz an der Hilfspumpe (7) und daraus folgend eine proportionale Auslenkung der Betätigungseinrichtung (4) gegen die wegabhängigen Kräfte der Federn (21) und (22) bewirkt wird, wobei die Verstellpumpe auf den Schwenkwinkel eingestellt wird, der der Vorgabe des Sollwertgebers entspricht.