DE102013216850A1 - Ein-/aus-kuppelverfahren - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines in seinem Schluckvolumen verstellbaren Hydraulikmotors in einen hydrostatischen Antriebsstrang eines hydromechanischen Getriebes mit geschlossenem Hydraulikfluidkreislauf. In dem hydrostatischen Antriebsstrang sind zwei verstellbare Hydraulikmotoren und eine Hydraulikpumpe parallel zueinander angeordnet und abtriebsseitig mit einem mechanischen Getriebe verbundenen. Dabei ist zumindest einer der beiden Hydraulikmotoren über eine zugehörige Kupplung mit dem mechanischen Getriebe verbunden. Zumindest einer der Hydraulikmotoren wird während des Betriebes des anderen Hydraulikmotors und der Hydraulikpumpe fahrsituationsgerecht aus einem ausgekuppelten Zustand mittels der zugehörigen Kupplung in das hydromechanische Getriebe eingekuppelt, aus dem der Hydraulikmotor zuvor ebenfalls fahrsituationsgerecht ausgekuppelt wurde. Vor einem Schließen der Kupplung wird der einzukuppelnde Hydraulikmotor lastfrei durch Ausschwenken seiner Verstellvorrichtung derart beschleunigt, dass die Drehzahl an einer zugehörigen Kupplungseingangswelle der Kupplung zumindest der Drehzahl der entsprechenden Kupplungsausgangswelle der Kupplung entspricht, die mit dem mechanischen Getriebe verbunden ist. Bei geschlossener Kupplung wirken beide Hydraulikmotoren auf eine gemeinsame Abtriebswelle des mechanischen Getriebes.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Betreiben eines hydromechanischen Getriebes mit einem hydrostatischen Antrieb mit geschlossenem Hydraulikfluidkreislauf. In dem geschlossenen Hydraulikfluidkreislauf sind zumindest eine verstellbare Hydraulikpumpe, ein hydraulischer Konstantmotor und ein verstellbarer Hydraulikmotoren angeordnet, bevorzugt jedoch zwei verstellbare Hydraulikmotoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum stufenlosen Einstellen der Übersetzung eines hydromechanischen Antriebs beispielsweise von Fahrzeugen, Baugeräten, Flurförderfahrzeugen oder Hebezeugen. Diese und ähnliche mit hydrostatischen Antrieben versehene Maschinen werden im Folgenden als Arbeitsmaschinen bezeichnet, wie sie im Bauwesen oder etwa in der Land- und Forstwirtschaft eingesetzt werden.
• Die die Erfindung betreffenden hydromechanischen Antriebe für Arbeitsmaschinen haben gemeinsam, dass sie beispielsweise für die Ausführung einer speziellen Arbeitsfunktion, beispielsweise für das Heben oder Fördern von Lasten, ein hohes Drehmoment an der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebs benötigen (= hohe Zugkraft), währenddessen beispielsweise bei einem reinen, schnellen Fahrantrieb, etwa bei einem Versetzen der Arbeitsmaschine, das Drehmoment niedriger sein kann. Jedoch sollte die Drehzahl der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebs für ein zügiges Versetzen bzw. Verfahren hoch sein, um eine möglichst hohe Geschwindigkeit der Arbeitsmaschine realisieren zu können. In beiden Fällen sind mögliche Fahrgeschwindigkeiten und Zugkräfte durch die am Antriebsmotor, z. B. ein Dieselmotor, zur Verfügung stehende Leistung begrenzt.
• Im Stand der Technik werden hierzu grundsätzlich zwei Möglichkeiten vorgeschlagen, die entweder die Anordnung/Ausführung von Vorgelegen oder die Anordnung mehrerer im hydrostatischen Teil parallelgeschalteter Hydraulikmotoren betreffen. Bei der Verwendung von Vorgelegen und der Verwendung nur eines Hydromotors muss der Wandelbereich für das Drehmoment und die Drehzahl bei konstanter hydrostatischer Leistung überwiegend vom Vorgelege abgedeckt werden. Oftmals ist eine geforderte hohe Über- oder Untersetzung in Vorgelegen nicht nur kompliziert, bzw. nur sehr aufwendig realisierbar und, abhängig vom verfügbaren Bauraum, nicht immer umsetzbar. Darüber hinaus wird bei Vorgelegen häufig Energie zum Drehantrieb von Wellen und Zahnrädern verbraucht, welche nicht in allen Betriebszuständen zum Antrieb der Arbeitsmaschine beitragen, sondern konstruktionsbedingt sind. Vorgelege sind zudem meist schwer und daher in ihrem Ansprechverhalten träge gegenüber Veränderungen eines Betriebszustands, bzw. des benötigten Drehmoments bzw. der benötigten Drehzahl an der Ab- oder Antriebswelle. Beispielsweise wird mittels eines 2-Gang-Schaltgetriebes mit einem Gang eine hohe Zugkraft und mit dem anderen Gang eine hohe Fahrgeschwindigkeit bereitgestellt. In den meisten Fällen verursacht der Gangwechsel jedoch einen Verlust von Leistung und/oder Komfort, zumindest jedoch eine Zugkraftunterbrechung. Das Fahrzeug muss bei einem Gangwechsel in einen Fahrzustand verbracht werden, indem ein solcher mechanischer Gangwechsel möglich ist. Insbesondere bei einem Einsatz von Klauenkupplungen, muss das Fahrzeug ggf. dafür sogar angehalten werden. Zumindest tritt bei einem mechanischen Gangwechsel eine Unterbrechung der Zugkraft auf.
• Bei dem zweiten im Stand der Technik bekannten Ansatz der Parallelschaltung von zu- und abschaltbaren Hydraulikmotoren wird das Problem der großbauenden, schweren, oft komplizierten und schwerfälligen Vorgelege umgangen, indem die dem hydrostatischen Antrieb zur Verfügung stehende hydraulische Leistung durch Zu- und Abschalten von Hydraulikmotoren flexibel bereitgestellt werden soll. Dadurch ergibt sich ein sehr großer Wandlungsbereich für ein realisierbares Drehzahl- und Drehmomentband, das für den Antrieb der Arbeitsmaschine zur Verfügung steht. Zusätzlich kann das hydromechanische Gesamtsystem in einem besseren Wirkungsgradbereich betrieben werden, wenn die Zu- und Abschaltung der Hydraulikmaschinen nicht in Bereichen erfolgt, an denen diese eine niedrigen Wirkungsgrad – respektive hohe Verlustleistungen – aufweisen.
• Aus DE 15 55 247 C3 ist eine Steuereinrichtung für einen stufenlos einstellbaren hydrostatischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges beschrieben, bei dem während eines Beschleunigungsvorganges, bspw. einer Arbeitsmaschine, bei Erreichen einer Grenzdrehzahl an der Abtriebswelle des hydromechanischen Getriebes einer von zwei verstellbaren Hydraulikmotoren abgeschaltet wird. Hierzu wird vorgeschlagen, das Abschalten bei einem Schluckvolumen größer Null des abzuschaltenden Hydraulikmotors erfolgen zu lassen, um ein stoßfreies Auskuppeln zu gewährleisten. Weiter schlägt DE 15 55 247 C3 vor, die Taumelscheibe/Verstellvorrichtung des für die Abschaltung vorgesehenen Hydraulikmotors, welche mit steigender Drehzahl der Abtriebswelle in ihrem Ausschwenkwinkel kontinuierlich reduziert wird, bei Erreichen eines Schwenkwinkels von etwa 4 Grad sprunghaft auf Null zurückzusetzen und gleichzeitig das Fördervolumen der Hydraulikpumpe um den Betrag zu reduzieren, den der Schluckvolumenstrom des abzuschaltenden Hydraulikmotors bei Schwenkwinkelstellung 4 Grad aufwies. Damit wird erreicht, dass der abzuschaltende Hydraulikmotor nicht in hohe Drehzahlbereiche kommt und Drehzahldifferenzen zur Ab-/Antriebswelle entstehen, bzw. dass der weiter im Betrieb befindliche Hydraulikmotor durch Aufnahme des überschüssigen Fördervolumenstroms der Hydraulikpumpe eine sprunghafte Drehzahlerhöhung erfährt, da dieser bereits/weiterhin voll ausgeschwenkt ist. Zur weiteren Geschwindigkeitszunahme – entspricht Drehzahlzunahme an der Abtriebswelle des hydromechanischen Getriebes – wird zunächst das Fördervolumen der Hydraulikpumpe wieder gesteigert bis die Hydraulikpumpe voll ausgeschwenkt ist. Danach lässt sich eine weitere Geschwindigkeits-/Drehzahlzunahme nur durch Rücknahme des Schluckvolumens des im Antrieb verbliebenen Hydraulikmotors erreichen, wozu dieser selbstredend ebenfalls verstellbar sein muss.
• DE 43 07 616 C2 greift das in DE 15 55 247 C3 beschriebene Verfahren zum Abschalten bzw. Auskuppeln eines Hydraulikmotors aus einem hydrostatischen Antrieb auf und schlägt darüber hinaus vor, den abgeschalteten Hydraulikmotor mittels einer mechanischen Bremse abzubremsen. Dies ist gemäß DE 43 07 616 C2 eine Maßnahme, um zu verhindern, dass der Motor lastfrei weiterdreht oder eine für den Hydraulikmotor zulässige Höchstdrehzahl übersteigt.
• Der Stand der Technik schlägt für das (erneute) Zuschalten bzw. Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors bei Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit, also bei Reduzierung der Drehzahl der Abtriebswelle des mechanischen Getriebes vor, die Verfahrensschritte zur Abschaltung bzw. zum Auskuppeln in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen. Der Stand der Technik schlägt also vor, einen stillstehenden Hydraulikmotor in den unter Last stehenden hydrostatischen Antriebsstrang zuzuschalten bzw. einzukuppeln. Dadurch wird dieser durch die zugehörige sich drehende und mit dem mechanischen Getriebe (Vorgelege) verbundene Kupplungswelle sprunghaft „mitgerissen”, weil die Kupplungswelle über das Vorgelege durch den unter Last stehenden anderen Hydraulikmotor angetrieben wird. Dies führt nicht nur zu hohen Belastungen an der Kupplung, sondern auch zu hohen Belastungen an den Bauteilen des zuzuschaltenden Hydraulikmotors und an dem im Antrieb verbliebenen anderen Hydraulikmotor. Zudem ist auch das ruckartige Zuschalten des weiteren Hydraulikmotors in der Bedienung der Arbeitsmaschine spürbar.
• Gemäß dem Stand der Technik wird der zugeschaltete Hydraulikmotor schlagartig aus dem Stillstand auf die der Kupplungsausgangswelle entsprechende Drehzahl beschleunigt, womit ein stoßartiger, zumindest jedoch ruckbehafteter Einkuppelvorgang vollzogen wird, der durch den Einsatz von beispielsweise Lamellenkupplungen bestenfalls gedämpft werden kann. Darüber hinaus werden die Massenträgheitskräfte, die beim Beschleunigen des Hydromotors auftreten, durch die Kupplungskräfte auf das Vorgelege übertragen, was im Antrieb der Arbeitsmaschine als Ruck spürbar ist. Damit ein möglichst geringer Eingriffsstoß beim Zuschalten eines weiteren Hydraulikmotors in einen hydrostatischen Antriebsstrang mit dem im Stand der Technik vorgeschlagenen Verfahren möglich ist, muss die Drehzahl der zugehörigen Kupplungswelle möglichst gering sein, um hohe Drehzahldifferenzen und somit hohe Massenträgheitskräfte zwischen Kupplungswelle und zuzuschaltendem Hydraulikmotor zu vermeiden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines Hydraulikmotors in einen hydrostatischen Antrieb mit zumindest einer Hydraulikpumpe und zwei weiteren Hydraulikmotoren bereitzustellen, von denen zumindest einer in oder von einem hydromechanischen Antriebsstrang zu- oder abschaltbar ist, wobei sowohl der Auskuppel- als auch der Einkuppelvorgang stoßfrei, ruckfrei sowie materialschonend erfolgt. Dabei soll das Verfahren einfach und ohne aufwendige technische Hilfsmittel ausführbar sein und in seiner technischen Umsetzung keine hohen Kosten verursachen.
• Die Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wobei in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen weitere bevorzugte Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben sind. Im nebengeordneten Anspruch wird eine Steuervorrichtung mit einem Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens beansprucht.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines durch Ausschwenken einer Verstellvorrichtung in seinem Schluckvolumen verstellbaren Hydraulikmotors in einem hydraulischen Antriebsstrang mit geschlossenem Hydraulikfluidkreis findet Anwendung bei hydromechanischen Antrieben mit zumindest einer Hydraulikpumpe und mindestens zwei Hydraulikmotoren, von denen zumindest einer verstellbar und aus dem Antrieb ab- und (wieder) zuschaltbar ist. Dabei sind alle im hydrostatischen Antriebsstrang angeordneten Hydraulikmaschinen jeweils parallel hydraulisch miteinander verbunden. Die zumindest zwei Hydraulikmotoren sind bevorzugt mit einem gemeinsamen mechanischen Getriebe oder Vorgelege verbunden. Der zumindest eine ab- und zuschaltbare, bzw. aus- und einkuppelbare Hydraulikmotor ist mit dem gemeinsamen mechanischen Getriebe beispielsweise über eine Kupplung verbunden. Bei geschlossener Kupplung wirken somit zumindest zwei Hydraulikmotoren auf das gemeinsame mechanische Getriebe, welches wiederum beispielsweise mit dem Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine verbunden ist.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines hydrostatischen Fahrantriebs erläutert, ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall limitiert. Andere Ausführungsformen eines hydrostatischen Antriebs mit einem hydromechanischen Getriebe, beispielsweise zum Heben und Fördern von Lasten, sind vom Erfindungsgedanken ebenso umfasst, wie alle weiter vorstellbaren Arbeitsmaschinen, die neben einem Arbeitsbetrieb zum Übertragen hoher Kräfte einen Schnellgangbetrieb bspw. zum Versetzen der Arbeitsmaschine aufweisen.
• Üblicherweise sind im Stillstand einer Arbeitsmaschine die beiden Hydraulikmotoren eingekuppelt und stellen zur Beschleunigung der Arbeitsmaschine beim Anfahren ein relativ großes Drehmoment zum Beschleunigen der Arbeitsmaschine zur Verfügung, indem ihre Verstellvorrichtungen bevorzugt vollausgeschwenkt sind. Hierbei weisen die beteiligten Hydraulikmotoren ihr jeweils größtes Schluckvolumen auf. Zur Beschleunigung aus dem Stillstand wird das Fördervolumen der Hydraulikpumpe von etwa 0° Ausschwenkwinkel ausgehend, kontinuierlich gesteigert, wodurch die Hydraulikmotoren beginnen sich zu drehen, wenn ein Mindestbetriebsdruck durch die Förderpumpe bereitgestellt wird. Je weiter die Hydraulikpumpe ausschwenkt, desto größer wird das Fördervolumen und damit die Drehgeschwindigkeit der Hydraulikmotoren, da deren Schluckvolumen zunächst konstant auf maximal eingestellt bleibt. Die Hydraulikpumpe erreicht ihr maximales Fördervolumen bei bspw. einer vorgegebenen konstanten Drehzahl eines Verbrennungsmotors als Antriebsmaschine mit vollständiger Ausschwenkung, wobei die Hydraulikpumpe gleichzeitig den maximalen Betriebsdruck bei gegebener Antriebsleistung eines Verbrennungs- oder Elektromotors erzeugt. Zur weiteren Steigerung der Drehzahl an der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebs werden die Verstelleinrichtungen der Hydraulikmotoren, welche zum Anfahren bspw. auf maximale Ausschwenkwinkel eingestellt waren, kontinuierlich zurückgenommen, wodurch die Drehzahl der einzelnen Hydraulikmotoren bei gleichbleibenden Fördervolumen der Hydraulikpumpe steigt.
• Mit steigender Drehzahl und sinkendem Schluckvolumen der Hydraulikmotoren sinkt jedoch bei gleichbleibenden Systemdruck – der durch die Antriebsleistung limitiert wird – auch das Drehmoment, welches von den Hydraulikmotoren zur Verfügung gestellt wird. Somit steht der Arbeitsmaschine mit steigender Fahrgeschwindigkeit ein immer geringeres Drehmoment zur Verfügung. Damit nun ein Überdrehen eines Hydromotors bei weiterer Zurücknahme des Schwenkwinkels vermieden wird oder der Betrieb des hydromechanischen Gesamtsystems nicht in einem niedrigen Wirkungsgradbereich stattfindet, ist vorgesehen den betreffenden Hydraulikmotor – meist der Hydraulikmotor mit dem größeren Hubvolumen – aus dem hydrostatischen Antrieb auszukuppeln.
• Bekanntermaßen nimmt der Wirkungsgrad eines Hydraulikmotors ausgehend vom Stillstand des Hydraulikmotors zunächst mit steigender Drehzahl zu und nimmt nach Erreichen eines Maximalwertes mit weiter steigender Drehzahl wieder ab. Die Abnahme des Wirkungsgrads bei höheren Drehzahlen ist speziell bei großvolumigen Hydraulikmotoren relativ schnell, da großvolumige Hydraulikmotor üblicherweise hohe bewegte Massen aufweisen, was Bauart bedingt ist, durch größere Lager, größerem Zylinderblock, etc. Bei kleinvolumigen Hydraulikmotoren ist die Wirkungsgradabnahme bezogen auf die Drehzahlzunahme flacher als bei großvolumigen Hydraulikmotoren. Bei konstantem Volumenstrom an Hydraulikfluid und bei gleich großem abzugebenden Drehmoment der beiden Hydraulikmotoren muss ein großvolumiger Hydraulikmotor auf einen geringeren Schwenkwinkel gestellt werden als ein kleinvolumiger Hydraulikmotor, womit sich der großvolumige Hydraulikmotor in einem Bereich mit niedrigerem Wirkungsgrad befindet. Jedoch ist bspw. für den reinen Fahrbetrieb, bspw. bei einem Versetzen einer Arbeitsmaschine, das von einem relativ kleinvolumigen Hydraulikmotor erzeugbare Drehmoment ausreichend, um die Arbeitsmaschine aus einem bereits bewegten Zustand weiter zu beschleunigen. Der in einem hydrostatischen Antrieb großvolumigere Hydraulikmotor ist daher bei Erreichen einer beispielsweise vorbestimmte Fahrgeschwindigkeit auszukuppeln, damit der Gesamtwirkungsgrad des hydrostatischen Antriebs so hoch wie möglich bleibt.
• Zum Auskuppeln ist es bevorzugt, die Verstellvorrichtung des auszukuppelnden Hydraulikmotors bei Erreichen eines vorgebbaren Grenzwertes, bspw. eines Grenzschwenkwinkels, sprunghaft auf Null zu setzen und gleichzeitig den Fördervolumenstrom der Hydraulikpumpe um den Betrag zurückzunehmen, welches dem zuvor aufgenommenen Volumenstrom des auszukuppelnden Hydraulikmotors bei Grenzwinkelstellung entspricht. Anschließend wird die Kupplung zum ruckfreien Auskuppeln des (großvolumigen) Hydraulikmotors geöffnet. Der in diesem Moment lastfrei noch rotierende Hydraulikmotor kann dann beispielsweise mit einer mechanischen Bremse zum Stillstand gebracht werden. Ein ungebremstes Auslaufen-lassen des Hydraulikmotors ist ebenfalls denkbar. Durch diesen Auskuppelvorgang soll vermieden werden, dass der Grenzwinkel der Verstellvorrichtung des auszukuppelnden Hydraulikmotors zu gering wird, damit insbesondere überhöhte Drehzahlen und ein zu geringer Wirkungsgrad des Gesamtsystems, speziell am auszukuppelnden Hydraulikmotor vermieden werden. So können auch Schädigungen am Hydraulikmotor oder vorschnelle Abnutzung, beispielsweise der Dichtvorrichtungen im Hydraulikmotor, vermieden werden. Auch andere Beschädigungen am Hydraulikmotor aufgrund zu hoher Zentrifugalkräfte werden vermieden, indem durch Auskuppeln des Hydraulikmotors aus dem hydrostatischen Antrieb bei einer vorbestimmbaren maximalen Drehzahl unterhalb einer Grenzdrehzahl des Hydraulikmotors bei einem Schluckvolumen großer Null vermeidbare Belastungen auf den Hydraulikmotor erst gar nicht auftreten können.
• Zur weiteren Steigerung der Drehzahl der Abtriebswelle eines hydromechanischen Getriebes beispielsweise zum Fahrantrieb einer Arbeitsmaschine wird nun – bei weiterhin maximaler Auslenkung des im Antrieb verbliebenen Hydraulikmotors – das Fördervolumen der Hydraulikpumpe bis auf ein der Antriebsdrehzahl der Antriebsmaschine entsprechendes maximales Fördervolumen gesteigert. Dabei ist die Bauart der die Hydraulikpumpe antreibenden Antriebsmaschine unwesentlich. Dies kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor, insbesondere ein Dieselmotor, ein Elektromotor oder ähnliches sein, wobei der Antriebsmotor selbst bevorzugt an seinem Wirkungsgradoptimum mit konstanter Drehzahl betrieben wird. Zum weiteren Steigern der Drehzahl an der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebs sollte jedoch eine Drehzahlerhöhung der Antriebsmaschine vorgesehen sein, bis die maximal Drehzahl des Antriebsmotors erreicht ist, womit eine damit einhergehende Steigerung des Fördervolumens bei maximal ausgeschwenkter Hydraulikpumpe erzielt wird. Die Steigerung des Fördervolumenstroms hat eine Drehzahlerhöhung des im Antrieb verbliebenen Hydraulikmotors und somit eine Drehzahlerhöhung der Abtriebswelle des hydromechanischen Getriebes zur Folge.
• Soll eine noch weitere Drehzahlerhöhung an der Abtriebswelle eines hydromechanischen Antriebs erreicht werden, so kann dies mit einer Zurücknahme des Schluckvolumens des im Antriebsstrang verbliebenen Hydraulikmotors erfolgen. Mit der Zurücknahme des Schluckvolumens des Hydraulikmotors – bei gleichbleibender Leistung des Antriebsmotors und somit des Fördervolumens der Hydraulikpumpe – erhöht sich dessen Drehzahl mit Zurücknahme der Ausschwenkung bei gleichzeitiger Abnahme des abgebbaren Drehmoments. Die hydraulische Leistung des Hydraulikmotors ist durch die zur Verfügung stehende Antriebsleistung des Antriebsmotors begrenzt. Die Drehzahl der Abtriebswelle kann nun solange gesteigert werden, bis das vom Hydraulikmotor abgebbare Drehmoment dem zum Aufrechterhalten der Drehzahl der Abtriebswelle entspricht oder der im Antrieb verbliebene Hydraulikmotor seine Drehzahlgrenze erreicht hat. Bei einem Fahrantrieb hat das Fahrzeug/Arbeitsmaschine dann seine Höchstgeschwindigkeit erreicht.
• Bei umgekehrter Betriebsweise also bei sinkender Drehzahl der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebes, also bspw. bei Reduzierung der Geschwindigkeit einer Arbeitsmaschine nach einer Hochgeschwindigkeitsfahrt, etwa bei Beginn einer Steigung, wird zunächst die Ausschwenkung des im hydrostatischen Antriebs verbliebenen (kleinvolumigen) Hydraulikmotors wieder erhöht, bis eine vollständige Auslenkung und somit das höchste Drehmoment des Hydraulikmotors erreicht ist. Zur weiteren Drehmomenterhöhung wird das Fördervolumen der Hydraulikpumpe weiter zurückgenommen, damit der Druck im Hydraulikfluidkreis bei konstanter abgegebener Leistung des Antriebsmotors zunimmt, was bei den in diesem Betriebszustand bspw. vollausgeschwenkten Hydraulikmotoren zu einer erhöhten Drehmomentabgabe bei verringerter Drehzahl führt. Ist das Fördervolumen der Hydraulikpumpe unter einen Grenzwert für einen ökonomischen wirkungsgradoptimierten Betrieb der Pumpe bzw. des hydrostatischen Antriebs gesunken, so wird zweckmäßig der zuvor abgeschaltete (großvolumige) Hydraulikmotor wieder zugeschaltet. Dieser Grenzwert ist dadurch beispielsweise bestimmt, dass der Druck bei reduziertem Volumenstrom den maximalen Systemdruck erreicht. Im Stand der Technik erfolgt die Zuschaltung des stillstehenden Hydraulikmotors in umgekehrter Reihenfolge zur zuvor beschriebenen Abschaltung des/der Hydraulikmotors/-en.
• Erfindungsgemäß wird jedoch zum Einkuppeln der stillstehende, einzukuppelnde Hydraulikmotor zunächst lastfrei durch kurzzeitiges Ausschwenken und Rückschwenken seiner Verstellvorrichtung beschleunigt. Dabei wird er durch das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Drehzahl beschleunigt, die zumindest der Drehzahl entspricht, bei der die zu schließende Kupplung schadensfrei mit einer möglichst geringen Drehzahldifferenz an den Kupplungsscheiben – im Idealfall schlupffrei – geschlossen werden kann. Eine stoß- und ruckfreie Einkupplung eines weiteren Hydraulikmotors ist insbesondere dann möglich, wenn die dem einzukuppelnden Hydraulikmotor zugeordnete Kupplungseingangswelle eine Drehzahl aufweist, die zumindest der Drehzahl der entsprechenden Kupplungsausgangswelle entspricht. Bei Erreichen einer entsprechenden Drehzahl des lastfrei beschleunigten, einzukuppelnden Hydraulikmotors kann die Kupplung geschlossen werden, ohne dass ein Eingriffsstoß im hydrostatischen Antrieb feststellbar ist, da die Drehzahlen auf beiden Seiten der Kupplung einander in etwa entsprechen, und so eine Relativbewegung auf beiden Seiten der Kupplung weitestgehend vermeiden wird. Die Massenträgheitskräfte, die beim Beschleunigen des Hydromotors auftreten, wurden zuvor hydrostatisch aufgebracht, so dass das Schließen der Kupplung stoß- bzw. ruckfrei erfolgen kann.
• Für das Beschleunigen des einzukuppelnden Hydraulikmotors auf eine Synchronisationsdrehzahl zum möglichst ruckfreien Schließen einer Kupplung wird erfindungsgemäß die Verstelleinrichtung des einzukuppelnden Hydraulikmotors lastfrei zunächst auf einen relativ geringen Schwenkwinkel kommandiert, wenn der System-/Betriebsdruck in hydrostatischen Antriebsstrang aus Pumpe und erstem Hydraulikmotor hoch genug ist, um den zweiten Hydraulikmotor erfolgreich und reproduzierbar beschleunigen zu können. Durch das (geringe) Verstellen der Versteileinrichtung des zuzuschaltenden – noch lastfreien – Hydraulikmotors in Richtung kleiner Verstellwinkel, wird der Hydraulikmotor trotz des erzeugbaren niedrigen Drehmoments beschleunigt, da nur sein inhärentes Schleppmoment überwunden werden muss. Das Schleppmoment des Hydraulikmotors ergibt sich dabei aus den Massenträgheitskräften der bewegbaren Bauteile des Hydraulikmotors und der auftretenden inneren Reibungskräfte. Für ein erstes Anlaufen sollte der Hydraulikmotor nicht auf zu große Schwenkwinkel kommandiert werden, damit der sich im Betrieb befindliche (erste) Hydraulikmotor nicht negativ von der Schluckvolumenaufnahme des einzukuppelnden Hydraulikmotors beeinträchtigt wird. Zum Ausgleich des für ein Anlaufen des einzukuppelnden Hydraulikmotors benötigten Schluckvolumens kann die Hydraulikpumpe kurzzeitig in ihrem Fördervolumen leicht erhöht werden. Zum Betriebspunkt des hydrostatischen Antriebsstrangs, an dem ein Zuschalten eines weiteren Hydraulikmotors zweckmäßig ist, ist die Hydraulikpumpe des hydrostatischen Antriebsstrangs nicht in ihrer voll ausgeschwenkten Stellung.
• Hat der zuzuschaltende Hydraulikmotor im lastfreien Zustand eine erste (vorbestimmte) Anlaufdrehzahl erreicht, die unterhalb der zum Einkuppeln benötigten Synchronisationsdrehzahl liegt, wird die Ausschwenkung der Verstelleinrichtung wieder zurück in Richtung Nullausschwenkung kommandiert, sodass das Schluckvolumen des Hydraulikmotors wieder abnimmt. Bei abnehmenden Schluckvolumen und gleichbleibenden oder ggf. steigenden Hydraulikdruck generiert der Hydraulikmotor jedoch weiterhin ein Drehmoment, so dass ein weiterer Drehzahlanstieg erreicht wird, der den weiterhin lastfreien Hydraulikmotor auf zumindest Synchronisationsdrehzahl oder leicht darüber beschleunigt.
• Zum erfindungsgemäßen Beschleunigen und Einkuppeln eines Hydraulikmotors wird demgemäß eine Steuervorrichtung, bspw. ein Steuerkolben, für ein gesteuertes Ausschwenken der Verstelleinrichtung des Hydraulikmotors mit einem zunehmenden Signal beaufschlagt, das die Verstelleinrichtung veranlasst, das Fördervolumen und damit das Drehmoment des einzukuppelnden Hydraulikmotor soweit zu erhöhen, dass sein Schleppmoment überwunden und der Motor lastfrei aus dem Stillstand beschleunigt wird. Bei Erreichen einer Anlaufdrehzahl wird das Signal gesteuert zurückgenommen, bis der Hydraulikmotor aufgrund der Schluckvolumenrücknahme, bei gleichbleibendem Betriebsdruck, eine für ein ruckfreies Einkuppeln erforderliche Synchronisationsdrehzahl erreicht hat. Eine Steuereinrichtung überwacht dabei bevorzugt den Betriebsdruck des hydrostatischen Antriebs und die Drehzahl des einzukuppelnden Hydraulikmotors und steuert hierbei das peakartige Signal für die Verstellung der Verschwenkvorrichtung des Hydraulikmotors zum Aus- und Rückschwenken der Verstellvorrichtung im lastfreien Zustand des Hydraulikmotors.
• In einigen Fällen kann es vorkommen, dass der zu beschleunigende Hydraulikmotor die Anlaufdrehzahl bis zur Rücknahme des Steuersignals die Ausschwenkung nicht erreicht, da das Steuersignal ggf. zu kurz aufgebracht wurde oder der sich verzögernd zum Steuersignal einstellende Ausschwenkwinkel nicht hoch genug war oder die innere Reibung des Motor bzw. sein Schleppmoment höher ist, als angenommen. In diesen Fällen kann erneut ein Steuersignal zum Kommandieren des Hydraulikmotors, der eingekuppelt werden soll, angelegt werden, um den Hydraulikmotor weiter zu beschleunigen. Dies erfolgt bevorzugt dann, wenn die Steuervorrichtung eine zu geringe Anlaufdrehzahl ermittelt hat, nach dem das Steuersignal weggenommen wurde. Der einzukuppelnde Hydraulikmotor kann so auf die erforderliche Anlaufdrehzahl gebracht werden, damit bei dem anschließenden Rückführen des Ausschwenkwinkels die zum Schließen der Kupplung erforderliche Synchronisationsdrehzahl zumindest erreicht wird.
• Es kann auch der Fall auftreten, dass der zu beschleunigende Hydraulikmotor nach der Kommandierung auf einen Ausschwenkwinkel kleiner als der maximale Schwenkwinkel zwar seine Anlaufdrehzahl erreicht, jedoch bei der Rückführung seines Schwenkwinkels und somit seines Schluckvolumens auf Null oder nahezu Null die erforderliche Synchronisationsdrehzahl nicht erreicht. Auch hier kann der zum Einkuppeln vorgesehene Hydraulikmotor durch erneutes Kommandieren auf einen vorgegebenen Ausschwenkwinkel mit einem erneuten Steuersignal nochmals beschleunigt werden. Nach Erreichen einer höheren Anlaufdrehzahl kann diese durch Rückschwenken der Verstellvorrichtung wiederum bis auf zumindest Synchronisationsdrehzahl oder leicht darüber gesteigert werden.
• In beiden oben geschilderten Fällen weist der Hydraulikmotor bereits eine Drehzahl auf. Zum erneuten bzw. weiteren Beschleunigen kann das Steuersignal zum erneuten Kommandieren der Ausschwenkung das gleiche sein, wie das vorangegangene Steuersignal, jedoch kann auch ein davon abweichendes Steuersignal mit abweichender Größe oder Zeitdauer angelegt werden, um den Gesamtvolumenstrom im hydrostatischen Antrieb nicht mehr als unvermeidbar zu beeinflussen. Vom Erfindungsgedanken umfasst ist ferner eine wiederholte Ausführung der Kommandierung solange, bis die vorgegebene Anlaufdrehzahl oder Synchronisationsdrehzahl zumindest erreicht ist.
• Es kann weiter der Fall auftreten, dass der einzukuppelnde Hydraulikmotor nach Überschreiten der Anlaufdrehzahl die Synchronisationsdrehzahl erreicht, aber aufgrund einer mechanischen Limitierung der Kupplung der Schaltvorgang bzw. der Einkuppelvorgang nicht erfolgreich abgeschlossen werden kann. In diesem Zustand dreht der einzukuppelnde Hydraulikmotor mit Synchronisationsdrehzahl, da die beiden Kupplungsscheiben einander berühren und ein Reibschluss zwischen den Kupplungsscheiben vorhanden ist. Jedoch ist damit keine Kraftübertragung erreichbar, wie dies beispielsweise durch einen mechanischen Formschluss möglich ist. Dieser Fall tritt beispielsweise dann ein, wenn der einzukuppelnde Hydraulikmotor kein ausreichend hohes Drehmoment erzeugt und für den hydromechanischen Antriebsstrang eine Last darstellt, sodass mechanische Voraussetzungen für ein formschlüssiges Schließen der Kupplung nicht vorliegen. Dies kann auch in Fällen vorliegen, wenn zum Eingriff vorgesehene Bauteile, wie Zähne, Klauen oder ähnliche Vorsprünge und zugehörige Ausnehmungen, sich derart gegenüberstehen, dass eine Verzahnung oder ein Eingriff nicht möglich ist, da die für die formschlüssige Verbindung der beiden Kupplungswellen benötigte Schalt- bzw. Kupplungskraft einen vorbestimmten Wert übersteigt.
• Zur Veränderung der Drehmomentbilanz an der Kupplung oder zur Veränderung der relativen Stellung der zur Kraftübertragung vorgesehenen Bauteile kann der zum Einkuppeln vorgesehene Hydraulikmotor durch erneutes Kommandieren mit einem erneuten Steuersignal auf einen erneut vorgegebenen Ausschwenkwinkel, der bspw. kleiner ist als der maximale Ausschwenkwinkel, ausgeschwenkt werden. Das durch den Hydraulikmotor nun erzeugte Drehmoment verändert die Drehmomentbilanz an der Kupplung oder die relative Stellung der kraftübertragenden Bauteile zueinander, so dass der Schaltvorgang erfolgreich abgeschlossen werden kann, ohne dass der Hydraulikmotor die Synchronisationsdrehzahl verlässt.
• Zur Kompensation des durch den einzukuppelnden Hydraulikmotor aufgenommenen Volumenstroms an Hydraulikflüssigkeit kann die Steuervorrichtung während des Beschleunigungsvorgangs des einzukuppelnden Motors, die Ausschwenkung der Hydraulikpumpe kurzeitig erhöhen. Diese Kompensationsmaßnahme ist ggf. während dem anschließenden Zurückschwenken der Verstelleinrichtung des zu beschleunigenden Hydraulikmotors wieder zurückzunehmen, damit keine Überkompensation stattfindet.
• Hat der lastfreie, erfindungsgemäß beschleunigte Hydraulikmotor eine Synchronisationsdrehzahl erreicht, bei der die Abtriebswelle des Hydraulikmotors, bzw. die Kupplungseingangswelle, mit der der Hydraulikmotor verbunden ist, die gleiche oder eine geringfügig höhere Drehzahl aufweist als die Kupplungsausgangswelle, so kann die Kupplung nahezu ruckfrei geschlossen werden. Unabhängig davon, ob die Kupplung eine Reibkupplung oder eine Klauenkupplung ist, mit der der ab- und zuschaltbare Hydraulikmotor aus einem Antriebsstrang oder in einen Antriebsstrang schaltbar ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschleunigen eines Hydraulikmotors ein stoß- und ruckfreies Aus- und Einkuppeln eines Hydraulikmotor erzielt werden. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass die in einen Kraft- bzw. Reib- oder Formschluss zu bringenden Kupplungsteile durch das erfindungsgemäße Beschleunigen des lastfreien Hydraulikmotors auf annähernd gleiche Drehzahl gebracht werden können.
• Nach dem Schließen der Kupplung muss der Volumenstrom an unter Druck stehendem Hydraulikfluid der neuen Situation angepasst werden, da der hinzugeschaltete Hydraulikmotor, je nach Drehmomentbedarf des hydromechanischen Antriebsstrangs nun auf ein Schluckvolumen größer Null eingestellt werden muss, damit er Arbeit verrichten kann. Dies sollte zügig erfolgen und ist prinzipiell auf zwei Arten möglich, zum einen durch Erhöhen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe und zum anderen durch Zurücknahme des Schluckvolumens des Hydraulikmotors, der im hydrostatischen Antrieb verblieben ist. Auch eine Zwischenvariante – Erhöhen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe und gleichzeitiges Senken des Schluckvolumens des im Antrieb verbliebenen Hydraulikmotors – ist denkbar, wenn auch mit höherem Steueraufwand verbunden. In der Regel wird man jedoch das Fördervolumen der Hydraulikpumpe anpassen, da dieses schon bei der Peakbestromung des lastfrei zu beschleunigenden und danach einzukuppelnden Hydraulikmotors, für dessen Beschleunigung, ggf. leicht erhöht wurde. Der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff Peakbestromung ergibt sich daraus, dass der einzukuppelnde Hydraulikmotor innerhalb einer (kurzen) Zeitperiode mit einem zu- und wieder abnehmenden Steuersignal beaufschlagt wird, wodurch ein geringes Druckfluidvolumen durch den zuzuschaltenden Hydraulikmotor fließt, um diesen in einem lastfreien Zustand auf die zum stoßund ruckfreien Einkuppeln benötigte Drehzahl lastfrei zu beschleunigen. Dieser kurzzeitige Anstieg und die erneute Abnahme des Steuersignals, im Vergleich zum Zustand kurz vor der Einleitung des Zuschaltvorgangs, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung als Peakbestromung der Verstelleinrichtung des zur Einkupplung vorgesehenen Hydraulikmotor bezeichnet.
• Durch Toleranzen in der Fertigung von Hydraulikmotoren und Getrieben kann es vorkommen, dass ein begonnener Einkuppelvorgang durch mechanische Limitierung nicht abgeschlossen werden kann – vor allem bei dem Einsatz von synchronisierten und nicht-synchronisierten Klauenkupplungen. Für diesen Fall schlägt die Erfindung eine weitere Peakbestromung der Verstelleinrichtung des Hydraulikmotors vor, durch die der Hydraulikmotor nicht wesentlich beschleunigt würde, sondern lediglich in seiner Drehzahlbilanz verändert. Diese veränderte Bilanz im Drehmoment an der Kupplung ist dazu geeignet, den Einkuppelvorgang abzuschließen.
• Speziell bei der Verwendung von Hydraulikmotoren mit unterschiedlicher Leistung, bzw. unterschiedlichen maximalen Schluck- bzw. Hubvolumina, d. h. mit unterschiedlich hohen maximal erreichbaren Drehmomenten in einem hydrostatischen Antrieb ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Aus- und Einkuppeln bevorzugt anwendbar. Dabei wird man beispielsweise einen großvolumigen, d. h. einen einen großen Hubraum aufweisenden Hydraulikmotor für den Antrieb von Arbeitsaggregaten und/oder für ein Anfahren bzw. Bergfahren verwenden und kleinvolumige, d. h. einen kleineren Hubraum aufweisende Hydraulikmotoren für Schnellfahrten einsetzen – bei ausgekuppelten Hydromotoren mit bspw. größerem maximalen Hubvolumen.
• Der Charakteristik von Hydraulikmotoren entsprechend haben insbesondere Hydraulikmotoren mit großem Hubraum ein relativ schmales Drehzahlband mit relativ niedrigen Maximaldrehzahlen und umgekehrt Hydraulikmotoren mit kleinem Hubraum ein breiteres Drehzahlband und erreichen dementsprechend höhere Drehzahlen, die für einen (schnellen) Fahrantrieb, z. B. in einer Ebene, bevorzugt eingesetzt werden. So wird man, z. B. bei Flurförderfahrzeugen, wenn diese von einer Arbeitseinsatzstelle zu einer anderen Arbeitseinsatzstelle versetzt werden sollen, den Großhubraumhydraulikmotor bei Erreichen bzw. Überschreiten einer zuvor bestimmten Drehzahl aus dem hydrostatischen Antrieb herausnehmen. Erfindungsgemäß wird bei Erreichen einer Grenzdrehzahl der Großhubraum-Hydraulikmotor sprunghaft auf Schluckvolumen gleich Null gestellt, gleichzeitig wird die Förderpumpe um das entsprechende Fördervolumen, welches dem Schluckvolumen des auszukuppelnden Hydraulikmotors entspricht, zurückgenommen. Nach Öffnen der Kupplung wird der Hydraulikmotor bevorzugt mit einer mechanischen Bremse abgebremst oder läuft lastfrei bis zum Stillstand aus.
• Die Drehzahl, bei der ein Hydraulikmotor aus dem hydromechanischen Antrieb ausgekuppelt bzw. abgeschaltet wird, d. h. seine Druckfluidversorgung unterbrochen wird, ist dabei von vielen Parametern abhängig, jedoch insbesondere von der Bauart, Leistung und Einsatzbedingung der Arbeitsmaschine, in der der Hydraulikmotor verwendet wird. Jedoch ist die Drehzahl für ein (erneutes) Einkuppeln nicht notwendigerweise an die Drehzahl für das (vorherige) Auskuppeln gebunden. In der Praxis wird man die Grenzdrehzahl für ein Einkuppeln niedriger wählen als die Drehzahl für ein Auskuppeln, da üblicherweise der Wirkungsgrad eines Hydraulikmotors mit abnehmender Drehzahl zunimmt und so der Systemwirkungsgrad des hydromechanischen Antriebs auf einen hohen Niveau gehalten werden kann. Der für einen Schnellgang vorgesehene Hydraulikmotor zeigt bei sinkender Drehzahl eine flachere Wirkungsgradabnahme, deshalb kann zur Vermeidung häufiger Schalt- bzw. Kuppelvorgänge die Einkuppeldrehzahl niedriger als die Auskuppeldrehzahl gewählt werden. Bei einem Übergang zu einer Schnellfahrt ist der Effekt der Wirkungsgradabnahme durch die Zunahme der Drehzahl weniger gravierend, da der schnellrotierende Hydraulikmotor zum Auskuppeln vorgesehen ist, und danach zum Antrieb der Arbeitsmaschine nicht mehr beiträgt, d. h. man wird den negativen Leistungssprung bzw. Drehmomentensprung nach einem Abschalten eines Hydraulikmotor so gering wie möglich wählen. Umgekehrt soll der Hydraulikmotor beim (erneuten) Einkuppeln sofort leistungsfähig sein, wozu ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad bevorzugt ist. Mit dem Aus- und Einkuppelverfahren gemäß der Erfindung kann – abweichend vom Stand der Technik – die Grenzdrehzahl für ein Einkuppeln unabhängig und damit niedriger gewählt werden als für ein Auskuppeln. Damit kann die Auskuppeldrehzahl im Vergleich zum Stand der Technik höher gewählt werden, da auf den im Stand der Technik vorhandenen und erfindungsgemäß nicht existierenden Eingriffsstoß beim Einkuppeln keine Rücksicht genommen werden muss. Gemäß der Erfindung hängt der Einkuppelvorgang zudem nicht von der umgekehrten Reihenfolge des Auskuppelvorgangs ab und kann daher unabhängig gesteuert werden und bei einer geringeren Drehzahl erfolgen, an der der einzukuppelnde Hydraulikmotor einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
• Im Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Grenzdrehzahl zum Auskuppeln und Einkuppeln eines Hydraulikmotors gleich zu wählen. Auch wenn eine solche Vorgehensweise vom Erfindungsgedanken umfasst ist, so wird erfindungsgemäß bevorzugt ein zum Erreichen einer höheren Fahrgeschwindigkeit nicht mehr benötigter Hydraulikmotor bei einer höheren Drehzahl der Abtriebswelle des mechanischen Getriebes ausgekuppelt, als dies beim Wiedereinkuppeln nötig ist. Dies wird bevorzugt auch deshalb ausgeführt, damit der einzukuppelnde Hydraulikmotor im lastfreien Zustand auf nicht zu hohe Drehzahlen beschleunigt werden muss und darüber hinaus deswegen, da der einzukuppelnde (großvolumige) Hydraulikmotor bei geringerer Drehzahl ein höheres Drehmoment bei besserem Wirkungsgrad abgeben kann, wodurch der Einkuppelvorgang sanfter, kraftschonender und kraftschlüssiger vonstatten gehen kann.
• Ein weiterer Grund für das Einkuppeln eines Hydraulikmotors in einen hydrostatischen Antrieb bei einer Drehzahl, die geringer ist als eine Drehzahl, bei der der Motor zuvor ausgekuppelt wurde, hegt auch darin, dass Hydraulikmotoren unterhalb eines kritischen Schwenkwinkels einen reduzierten Wirkungsgrad aufweisen, wodurch es energetisch sinnvoller ist, den Bereich von Hydromotoren mit reduziertem Wirkungsgrad zu vermeiden. Im Stand der Technik wurde beispielsweise für einen Hydromotor in Schrägscheibenbauart 4 Grad als unterer Grenzwinkel für die Ausschwenkung der Schrägscheibe angegeben, an dem dieser noch mit einem sinnvollen Wirkungsgrad betreibbar ist. Allerdings ist dies, je nach Bauart des Hydromotors unterschiedlich, bzw. nicht direkt auf Hydromotoren der Schwenkachsenbauart ohne Weiteres übertragbar. Eine solche Angabe lässt sich ferner auch nicht auf Radialkolbenmotoren mit verstellbarer Exzentrizität übertragen. Grundsätzlich gilt jedoch, dass Hydraulikmotoren bei Abnahme des Schluckvolumens einen schlechteren Wirkungsgrad zeigen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Grenzwinkelstellungen für ein Auskuppeln und ein (erneuertes) Einkuppeln eines Hydromotors unabhängig und flexibel voneinander und der besten Betriebsweise situationsbedingt für eine Arbeitsmaschine optimal angepasst bestimmt werden. Auch ein Betriebsbedingtes unabhängiges Verändern der beiden Grenzwinkel zum Aus- und Einkuppeln im Betrieb der Arbeitsmaschine, ist möglich. Zwischen Aus- und Einkuppeln kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Drehzahl- Hysterese erzeugt werden, die dazu beiträgt, dass der ab- und zugeschaltbare Hydraulikmotor in günstigeren Wirkungsbereichen betrieben werden kann. Darüber hinaus kann eine geringere Schalthäufigkeit erreicht werden. Damit wird nicht nur der Verbrauch eingesetzter Energien für den hydromechanischen Antrieb reduziert, sondern auch die Schalthäufigkeit reduziert, was zu einer längeren Lebensdauer und höheren Zuverlässigkeit des hydromechanischen Antriebs beiträgt.
• Ein weiterer Grund für die bevorzugt geringere Drehzahl für ein Einkuppeln als die für ein Auskuppeln vorgesehene Drehzahl auch liegt darin, dass ein Hydraulikmotor bei niedrigerer Drehzahl und bei gleichem zur Verfügung stehenden Druckfluidvolumenstrom – z. B. bei konstant vollausgeschwenkter Hydraulikpumpe – ein höheres Drehmoment erbringen kann, da sein Schluckvolumen entsprechend hoch eingestellt werden kann. Wird der Einkuppelvorgang bei derselben Drehzahl eingeleitet, wie der Auskuppelvorgang, wie dies der Stand der Technik beispielsweise für einen Schwenkwinkel von 4° vorschlägt, so kann der einzukuppelnde Hydraulikmotor nur ein geringes Drehmoment bei erhöhter Drehzahl erbringen und hätte zudem einen nicht optimalen Wirkungsgrad. Man wird also die Drehzahl, bei der der zuvor ausgekuppelte Hydraulikmotor eingekuppelt werden soll, im Allgemeinen niedriger wählen als die Auskuppeldrehzahl, da dann der hinzuschaltbare Hydraulikmotor ein nennenswertes Drehmoment erbringen und zudem in einem besseren Wirkungsgradbereich betrieben werden kann. Selbstredend ist eine umgekehrte Wahl der Kupplungsbedingungen von der Erfindung umfasst und kann von dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne bauliche Änderung am hydromechanischen Antriebsstrang flexibel vorgenommen werden.
• In der Praxis wird man bevorzugt – wie oben bereits beschrieben – die Kompensation des zusätzlichen Bedarfs an Druckfluid des eingekuppelten Hydraulikmotors durch Erhöhen des Fördervolumens der Hydraulikpumpe vollziehen, wozu Voraussetzung ist, dass die Hydraulikpumpe vor Beginn der Peakbestromung der Versteileinrichtung des zuzuschaltenden Hydraulikmotor in ihrer Ausschwenkung soweit zurückgenommen ist, dass beide Hydraulikmotoren nach dem Einkuppeln des weiteren Hydraulikmotors durch die Hydraulikpumpe mit Druckfluid versorgt werden können. Wird also nach dem Einkuppeln vom eingekuppelten Hydraulikmotor ein Drehmoment abverlangt, das beispielsweise höher ist als das, welches der Hydraulikmotor zum Auskuppelzeitpunkt aufwies, so muss sein Ausschwenkwinkel nach dem Einkuppeln größer sein als zum Auskuppelzeitpunkt. Dementsprechend benötigt die Hydraulikpumpe eine größere Verstellreserve, um das nach dem Einkuppeln vom eingekuppelten Hydraulikmotor benötigte Druckfluidvolumen zusätzlich zu dem Druckfluidvolumen des im Antrieb verbliebenen Hydraulikmotors bereitstellen zu können. Wird die für einen Einkuppelvorgang vorgesehene Drehzahl derart niedrig gewählt werden, dass die Arbeitsmaschine in einem Betriebszustand ist, in dem der im Antrieb verbliebende Hydraulikmotor voll und die Druckfluid erzeugende Hydraulikpumpe nur teilweise ausgeschwenkt ist, so kann dies vom einzukuppelnden Hydraulikmotor benötigte Schluckvolumen an Druckfluid durch Erhöhung der Ausschwenkung der Hydraulikpumpe bereitgestellt werden. Diese Erhöhung wird bevorzugt nach Einkuppeln des weiteren Hydraulikmotors zügig bzw. sprunghaft erfolgen. Dabei ist im Sinne der Erfindung unter einem sprunghaften Verstellen einer Hydraulikmaschine zu verstehen, dass das Förder- oder Schluckvolumen der Hydraulikmaschine etwa entlang einer stellen Rampe, die die dynamischen Eigenschaften der Hydraulikmaschine berücksichtigt, verstellt wird. Ein für eine sprunghafte Verstellung angelegtes Steuersignal wird dabei in einem Verstellwinkel-Zeit-Diagramm eine nahezu vertikale Flanke aufweisen, wobei der zugehörige Verstellwinkel der Verstellvorrichtung einen flacheren Anstieg/Abfall zeigt und aufgrund von Massenträgheitskräften dem Steuersignal hinterherläuft bis ggf. der Wert, den das Steuersignal vorgibt, oder ein vorbestimmter Schwenkwinkel erreicht ist.
• Wie oben bereits ausgeführt, wird man das erfindungsgemäße Aus- und Einkuppelverfahren bevorzugt bei hydrostatischen Antrieben mit Hydraulikmotoren mit unterschiedlichen Hubvolumina anwenden, jedoch ist vom Erfindungsgedanken selbstredend auch die baugleiche Ausführung von einem oder mehreren Hydraulikmotoren umfasst, genauso wie die Ausführung eines Hydraulikmotors als Konstantmotor oder die Verwendung einer zweiten Hydraulikpumpe im geschlossenen Hydraulikfluidkreislauf. Unabhängig von der Anzahl bzw. der Ausführung der Hydraulikmaschinen, also ob beispielsweise Axialkolben- oder Radialkolbenmaschinen mit großem oder kleinem maximalen Hubvolumen, kann für die Anpassung der Leistung und somit zur Erzielung eines größeren Übersetzungsbereiches jeder einzelne Hydraulikmotor mit dem erfindungsgemäßen Aus- und Einkuppelverfahren bedarfsgerecht aus dem hydrostatischen Antrieb ausgekuppelt oder in den hydrostatischen Antrieb eingekuppelt werden, solange der ab- und (wieder) zuschaltbare Hydraulikmotor in seinem Schluckvolumen verstellbar ist.
• Weiter bevorzugt wird man bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Drehzahl der Abtriebswelle des gemeinsamen mechanischen Getriebes überwachen, so dass die Drehzahlen, welche zum Aus- bzw. Einkuppeln vorbestimmt sind, ermittelt werden können. Anstatt der Bestimmung der jeweiligen Drehzahl kann jedoch auch der Verstellwinkel der einzelnen Hydraulikmaschine, insbesondere der Hydraulikmotoren im Vergleich zur Hydraulikpumpe verwendet werden, wodurch indirekt gegebenenfalls auch der Hydraulikfluidstrom bestimmbar ist. Eine weitere Bestimmungsgröße für das Ein- bzw. Auskuppeln eines oder mehrerer Hydromotoren aus einem hydrostatischen Antriebsstrang kann ferner beispielsweise die Fahrzeuggeschwindigkeit der Arbeitsmaschine darstellen, welche von der Drehzahl der Abtriebswelle des mechanischen Getriebes, mit dem die Hydromotoren verbunden sind, ableitbar ist. Eine weitere bevorzugte Eingangsgröße für die Freigabe eines Kuppelvorgangs stellt darüber hinaus der Betriebsdruck im geschlossenen Kreislauf der Hydraulikflüssigkeit dar.
• Für das Einkuppeln eines Hydraulikmotors, wird man den einzukuppelnden Hydraulikmotor bevorzugt soweit beschleunigen, dass seine Drehzahl geringfügig höher ist als das die zum Einkuppeln notwendige Synchronisationsdrehzahl an der Kupplung es erfordert. Damit wird erreicht, dass der einzukuppelnde Hydraulikmotor beim Schließen der Kupplung nicht vom im Antriebsstrang verbliebenen Hydraulikmotor indirekt weiter beschleunigt werden muss, um auf die benötigte Synchronisationsdrehzahl zu kommen. Dies würde den anderen Hydraulikmotor, der sich ja im Betrieb befindet, belasten und würde ggf. im Verhalten der Arbeitsmaschine spürbar sein, da der andere Hydraulikmotor die Beschleunigung des eingekuppelten Hydraulikmotor ausgleichen müsste. Eine Drehzahlabnahme im gesamten hydrostatischen Antriebsstrang wäre bspw. im Fahrverhalten spürbar. Ein Abbremsen des einzukuppelnden Hydraulikmotors, wenn dieser eine Drehzahl an der Kupplungseingangswelle aufweist, die höher ist als die Synchronisations-Drehzahl der Kupplungsausgangswelle, ist jedoch einfach durch ggf. mechanisches Abbremsen möglich. Aufgabengemäß soll im Idealfall vermieden werden, dass das Ab- oder Zuschalten eines Hydraulikmotors aus dem hydrostatischen Antrieb von einer Bedienperson der Arbeitsmaschine bemerkt wird.
• Wie bereits oben angedeutet, ist das erfindungsgemäße Verfahren für alle hydrostatischen Antriebsstränge in einem hydromechanischen Getriebe anwendbar, in dem mindestens eine Hydraulikpumpe und zwei Hydraulikmotoren in paralleler Anordnung angeordnet sind, wobei zumindest einer der beiden Hydraulikmotoren verstellbar ist und mittels einer Kupplung von einem gemeinsamen Getriebe (Vorgelege) für die beiden Hydraulikmotoren aus- bzw. einkuppelbar ist. Ein derartiges Ab- bzw. Zuschalten eines weiteren Hydraulikmotors zum hydrostatischen Teil eines hydromechanischen Getriebes ist hierbei nicht auf die Anzahl der verwendeten Hydraulikmotoren oder Hydraulikpumpen beschränkt, solange zumindest ein verstellbarer Hydraulikmotor von der im geschlossenen Kreislauf angeordneten Hydraulikpumpe mit Druckfluid versorgt wird. Durch die erfindungsgemäße „peak-Bestromung” der Verstelleinrichtung des einzukuppelnden Hydraulikmotors, wird der Hydraulikmotor lastfrei auf eine Drehzahl bevorzugt oberhalb einer Synchronisationsdrehzahl der zugehörigen Kupplung beschleunigt, und ein sanftes, kraftflusserhaltendes Zuschalten einer weiteren hydrostatischen Krafteinheit gewährleistet. Speziell bei der Verwendung von Hydraulikmotoren mit unterschiedlich großen maximalen Hubvolumina lassen sich so breite Übersetzungsverhältnisse für die Drehmomente und Drehzahlen eines hydromechanischen Getriebes erzielen, wobei der Gesamtwirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten werden kann. Hierbei kommt es nicht auf die Bauart der verwendeten Hydraulikmaschine an, ob Axial- oder Radialkolbenbauart.
• In den folgenden Figuren wird schematisch und beispielhaft in nicht limitierender Art und Weise der Erfindungsgedanke anschaulich erläutert. Dabei zeigen:
• 1 den grundsätzlichen Aufbau eines hydromechanischen Antriebs, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
• 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen hydromechanischen Antrieb, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist.
• 3 ein schematisches Diagramm mit eingezeichnetem Verstellwinkelverlauf in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebswelle für das Auskuppeln eines Hydraulikmotors aus dem in 1 dargestellten beispielhaften hydromechanischen Antrieb.
• 4 schematisch ein Diagramm mit eingezeichnetem Verstellwinkelverlauf in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebswelle für das Einkuppeln eines zweiten Hydraulikmotors in den hydromechanischen Antrieb, der in 1 dargestellt ist.
• 5 schematisch den zeitlichen Verlauf der Schwenkwinkelstellungen der Hydraulikmaschinen bei einem erfindungsgemäßen Einkuppeln des zweiten Hydraulikmotors in den hydromechanischen Antrieb, der in 1 dargestellt ist.
• 6 schematisch den zeitlichen Verlauf der Drehzahlen der Hydraulikmaschinen bei einem Einkuppeln des zweiten Hydraulikmotors in den hydromechanischen Antrieb, der in 1 dargestellt ist.
• 7 schematisch und beispielhaft den Drehmomenten- und den Wirkungsgradverlauf über der Abtriebsdrehzahl des hydromechanischen Antriebs, der in 1 dargestellt ist.
• 1 zeigt ein hydromechanisches Getriebe mit einem hydrostatischen Antrieb und einem nachgeschalteten mechanischen Getriebe MG. In Parallelschaltung sind eine Hydraulikpumpe P sowie ein Hydraulikmotor M1 und ein Hydraulikmotor M2 angeordnet. Die beiden Hydraulikmotoren M1 und M2 sind über das mechanische Getriebe MG verbunden, wenn eine Kupplung K2 – mit einer Kupplungseingangswelle KEW2 und einer Kupplungsausgangswelle KAW2 – die zwischen dem Hydraulikmotor M2 und dem mechanischen Getriebe MG angeordnet ist, geschlossen ist. Das in 1 gezeigte Beispiel eines hydromechanischen Getriebes weist hierbei für die beiden hydrostatischen Antriebe unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse im mechanischen Getriebe auf, da bevorzugt der erste Hydraulikmotor für die hohe Fahrgeschwindigkeit und der zweite Hydraulikmotor für die hohe Zugkraft verwendbar sein sollen. Daher wird bevorzugt, die mechanische Übersetzung mit der hydrostatischen Übersetzung abgestimmt sein, damit ein über den gesamten Drehzahlbereich kontinuierlicher Antrieb ohne Zugkraftunterbrechung mit optimalem Wirkungsgrad erreicht wird.
• Das mechanische Getriebe MG hat eine für die beiden Hydromotoren gemeinsame mechanische Abtriebswelle W3, mit der die hydromechanisch gewandelte Leistung des Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) an eine – nicht dargestellte – Arbeitsmaschine abgegeben werden kann. Dabei kann die Abtriebswelle W3 beispielsweise die Antriebswelle für einen Fahrantrieb darstellen. In dem in 1 gezeigten beispielhaft dargestellten hydromechanischen Antriebsstrang ist der Motor M1 permanent mit dem mechanischen Getriebe verbunden und bildet daher bevorzugt den Hydraulikmotor mit dem geringeren Schluckvolumen, mit dem beispielsweise ein Schnellgang realisiert werden kann. Der Hydraulikmotor M1 ist in dem in 1 dargestellten Beispiel für einen hydromechanischen Antrieb über ein Zahnrad Z1, das mit einem Zahnrad Z3 kämmt, mit der Abtriebswelle W3 in Wirkverbindung. Die Abtriebswelle W3 kann dabei direkt mit einem mechanischen Antriebsstrang, beispielsweise über ein Schaltgetriebe verbunden sein oder direkt ein Rad, eine Winde, einen Turas oder dergleichen antreiben.
• Bei geschlossener Kupplung K2 ist auch der zweite Hydraulikmotor M2 über ein Zahnrad Z2, das ebenfalls mit dem Zahnrad Z3 kämmt, mit der Abtriebswelle W3 wirkverbunden. Bei geschlossener Kupplung K2 wirken also beide Hydraulikmotoren auf die gemeinsame Abtriebswelle W3. Damit wird die von der Hydraulikpumpe P in Form von unter Druck stehendem Hydraulikfluid abgegebene Leistung über die beiden hydrostatischen Motoren M1 und M2 und über das mechanische Getriebe MG auf die Abtriebswelle W3 des hydromechanischen Getriebes übersetzt.
• In 2 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels von 1 gezeigt, in dem zwischen dem Hydraulikmotor M1 und dem mechanischen Getriebe MG zusätzlich eine Kupplung K1 angeordnet ist, womit eine wechselweise Aus- bzw. Einkupplung der beiden Hydraulikmotoren M1 und M2 möglich wird. Mit einer derartigen hydromechanischen Anordnung wird im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 eine höhere Flexibilität des hydromechanischen Getriebes erreicht. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren auf den Hydromotor M1 genauso anwendbar, wie dies beim Hydromotor M2 – geschildert zu 1 – der Fall ist. Analog können auch weitere Hydromotoren mit zugehörigen Kupplungen und zugehörigen Zahnrädern parallel in den hydrostatischen Teil des hydromechanischen Getriebes eingebunden werden und sind dann vom Erfindungsgedanken umfasst. Gleiches gilt für eine Erweiterung des hydrostatischen Teils um eine oder mehrere Hydraulikpumpen, um die hydrostatische Leistung zu erhöhen. Da die hydrostatische Leistungszunahme nicht proportional mit dem Hubvolumen einer hydrostatischen Maschine steigt, ist es in einigen Anwendungsfällen bevorzugt, zwei oder mehrere im Hubraum kleine Hydraulikmaschinen anstatt einer großen Hydraulikmaschine zu verwenden. Dies gilt sowohl für Hydraulikpumpen als auch für Hydraulikmotoren. Die Verwendung kleinerer Hydraulikmaschinen macht den hydrostatischen Antrieb flexibler und agiler, was sein Ansprechverhalten bei Lastwechseln betrifft. Zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die einzelnen Hydraulikmaschinen flexibel in den hydrostatischen Antrieb eines hydromechanischen Getriebes eingebunden werden, ohne dass hierbei Einbußen im Handling oder Bedienungskomfort der Arbeitsmaschine in Kauf genommen werden müssen.
• In 3 ist schematisch und beispielhaft für einen hydrostatischen Antrieb in einem hydromechanischen Getriebe mit Hydraulikmaschinen in Schwenkachsen- bzw. Schwenkscheiben-Bauart gezeigt, wie der Verlauf des Fördervolumens der Hydraulikpumpe P aus dem Ausführungsbeispiel 1 oder 2 und die Verläufe der Schluckvolumina der beiden Hydraulikmotoren M1 und M2 aus den beiden Ausführungsbeispielen 1 oder 2 bei einem Auskuppelvorgang in Abhängigkeit der Drehzahl erfindungsgemäß gesteuert werden. Dabei ist auf der Hochachse die prozentuale Auslenkung bzw. Ausschwenkung aufgetragen und auf der horizontalen Achse die Drehzahl der Abtriebswelle W3, steigend von links nach rechts.
• Geht man beispielsweise von einer aus dem Stillstand zu beschleunigenden Arbeitsmaschine aus, wird bei voll ausgeschwenkten Hydraulikmotoren M1 und M2 das Fördervolumen der Hydraulikpumpe P aus der Nullstellung – Schwenkwinkel gleich Null – gesteigert, bis die Hydraulikpumpe voll ausgeschwenkt ist. In dieser Phase hat die Arbeitsmaschine das maximale Drehmoment, welches von der Hydraulikpumpe zur Verfügung gestellt werden kann, erreicht. In diesem Zustand kann die maximale Leistung, die von einem Antriebsmotor, insbesondere von einem Dieselmotor, zur Verfügung gestellt wird, mit maximalem Drehmoment von den beiden Hydraulikmotoren M1 und M2 an das mechanische Getriebe abgegeben werden.
• Soll die Fahrgeschwindigkeit werter erhöht werden, so muss das Schluckvolumen zumindest eines der beiden Motoren reduziert werden, damit dieser schneller dreht. Im Ausführungsbeispiel von 3 erfolgt dies zunächst am Motor M2. Durch Rücknahme des Ausschwenkwinkels am Motor M2 bei gleichzeitigem Aufrechterhalten des Vollausschwenkwinkels der Hydropumpe P wird die Arbeitsmaschine weiter beschleunigt. Bei Erreichen eines Grenzwinkels für die Verstelleinheit des Hydraulikmotors M2 und zur Vermeidung, dass der Hydraulikmotor M2 in zu hohe Drehzahlbereiche gerät, wird die Verstelleinheit des Hydraulikmotors M2 sprunghaft auf Null gesetzt, wodurch das Schluckvolumen des Hydraulikmotors M2 auf Null reduziert ist.
• Gleichzeitig mit dem die dynamischen Eigenschaften berücksichtigenden, sprunghaften Rückschwenken der Verschwenkvorrichtung des Hydraulikmotors M2 wird auch die Hydraulikpumpe P in ihrem Fördervolumen um den entsprechenden Betrag des sprunghaft zurückgestellten Schluckvolumens des Hydraulikmotors M2 so schnell als trägheitsbedingt möglich zurückgestellt, so dass das Schluckvolumen des Hydraulikmotors M1 nicht angepasst werden muss. Der Hydraulikfluidstrom im geschlossenen Kreislauf wird an die neue Situation angepasst und die Leistung im Druckmedium bleibt konstant – erhöhter Druck bei reduziertem Fluidstrom. Gleichzeitig wird damit erreicht, dass der Hydromotor M1 nicht beschleunigt wird.
• Nach dem Auskuppeln wird zur Steigerung der Fahrzeuggeschwindigkeit das Fördervolumen der Hydraulikpumpe P durch weiteres Ausschwenken der Verstellvorrichtung gesteigert, bis die Hydraulikpumpe P wiederum Vollausschlag, d. h. erneut ihr maximales Fördervolumen erreicht hat. Zur noch weiteren Steigerung der Fahrzeuggeschwindigkeit der Arbeitsmaschine muss nun das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors M1 reduziert werden, damit das von der Hydraulikpumpe P bereitgestellte Fördervolumen eine höhere Drehzahl am ersten Hydraulikmotor M1 bewirkt. Bei einer bestimmten reduziert ausgelenkten Stellung des Hydromotors M1 hat das Fahrzeug bzw. die Arbeitsmaschine seine Höchstgeschwindigkeit erreicht.
• Im Zustand der Höchstgeschwindigkeit weist der Fahrantrieb dann konsequenterweise das geringste Drehmoment auf. Ein solcher Betriebszustand für eine Arbeitsmaschine wird beispielsweise auf einer ebenen Fahrbahn erreicht.
• Reduziert sich die Fahrgeschwindigkeit beispielsweise aufgrund einer Steigung, die die Arbeitsmaschine befährt, benötigt die Arbeitsmaschine ein höheres Drehmoment, sodass der Schwenkwinkel des ersten Hydromotors M1 zurückgenommen wird. Hierzu ist schematisch und beispielhaft in 4 das erfindungsgemäße Einkuppelverfahren, ausgehend von einem Betriebszustand der Schnellfahrt einer Arbeitsmaschine auf einer beispielsweisen steilen Bergfahrt, dargestellt. Auf der Hochachse ist wiederum die prozentuale Auslenkung der beteiligten Hydraulikmaschinen dargestellt, wobei auf der horizontalen Achse die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl der Hydraulikmaschinen von rechts nach links abnimmt. Die bevorzugte Lesart des Diagramms in 4 Ist daher von rechts nach links.
• Wird von der Arbeitsmaschine mehr Drehmoment abverlangt, so wird zunächst das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors M1 erhöht, wodurch er ein größeres Drehmoment bereitstellen kann. Dabei sinkt bei gleichbleibender Förderleistung der Pumpe P – die weiter voll ausgeschwenkt ist – die Drehzahl des ersten Hydraulikmotors M1, die Fahrgeschwindigkeit der Arbeitsmaschine sinkt. Bei werter steigendem Drehmomentbedarf wird ab einem Gleichgewichtspunkt von Förderstrom und Schluckvolumen, bei Vollausschlag von Hydraulikmotor M1 und Hydraulikpumpe P, die Ausschwenkung der Hydraulikpumpe P zurückgenommen, wodurch sich zwangsläufig der Arbeitsdruck bzw. der Betriebsdruck und somit das Drehmoment am Hydraulikmotor M1 erhöht, wobei gleichzeitig die Drehzahl des ersten Hydraulikmotors M1 und somit die Fahrgeschwindigkeit abnimmt.
• Unterhalb einer gewissen Drehzahl, welche anwendungsfallspezifisch angepasst werden kann, wird der zweite Hydraulikmotor M2 zunächst lastfrei beschleunigt. Sobald der zweite Motor M2 eine Sychronisationsdrehzahl erreicht hat, welche beispielsweise gleich oder geringfügig höher ist als eine Einkuppeldrehzahl an der Eingangswelle KEW2 der Kupplung K2, wird die Kupplung K2 geschlossen.
• Der in den 3 und 4 eingezeichnete grauhinterlegte Bereich stellt beispielsweise einen Drehzahlbereich dar, bei dem vor einem Auskuppeln beide Motoren M1 und M2 Leistung abgeben, jedoch vor einem Einkuppelvorgang aus höherer Geschwindigkeit der zweite Motor M2 noch nicht aktiv an der Leistungsabgabe des hydrostatischen Teils des hydromechanischen Getriebes beteiligt ist. Dieser Hysteresebereich ist speziell dann bevorzugt, wenn der zweite Hydraulikmotor M2 bei geringerer Fahrzeuggeschwindigkeit und höherer Drehmomentanforderung betrieben wird als der erste Hydraulikmotor, welcher beispielsweise für die Schnellfahrt vorgesehen ist. Mit einem derartigen Hysterese- Drehzahlbereich können die Wirkungsgrade der eingesetzten Hydraulikmotoren optimal zum Einsatz kommen, da bei einer mittleren Geschwindigkeit die Wirkungsgradabnahme die Leistungsabgabe nicht so stark beeinflusst, als dies der Fall ist, wenn bei einer langsamen Fahrt ein hohes Drehmoment gefordert ist. Wie eingangs erwähnt, nimmt der Wirkungsgrad insbesondere eines Hydraulikmotors – gleiches gilt jedoch auch analog für eine Hydraulikpumpe – überproportional mit Rücknahme der Ausschwenkung der jeweiligen Hydraulikmaschine ab (vgl. 7).
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschleunigen des zweiten Hydraulikmotors M2 auf Synchronisationsdrehzahl oder geringfügig darüber wird nun anhand der schematischen Darstellungen in den 5 und 6 beispielhaft erläutert. Dabei zeigen die Darstellungen in den 5 und 6 jeweils Diagramme deren Ordinate den Zeitverlauf darstellt. Die in diesen Darstellungen jeweils vertikal eingezeichneten gestrichelten Linien geben dabei jeweils einen Zeitpunkt an, zu dem eine Änderung im hydromechanischen Antriebssystem erfolgt. Bei der ersten gestrichelten Linie von links ist der Zeitpunkt t1 erreicht, bei dem bspw. eine Steuereinrichtung feststellt, dass die Drehzahl an der Abtriebswelle W3 des hydromechanischen Antriebsstrangs geringer ist als eine zuvor festgelegte Drehzahl für das Einkuppeln des Hydraulikmotors M2. Gleichzeitig ist eine Drehmomentanforderung vorhanden, welche nicht mehr alleine von dem Hydraulikmotor M1 bedient werden kann. Die Steuervorrichtung wird zu diesem Zeitpunkt t1 überprüfen, ob der Betriebsdruck im hydrostatischen Teil des hydromechanischen Antriebs ausreichend hoch ist, damit der zweite Hydraulikmotor M2 effektiv beschleunigt werden kann, ohne das Betriebsverhalten des ersten Hydraulikmotors M1 oder der Hydraulikpumpe P zu beeinflussen. Sind alle drei Voraussetzungen erfüllt, so kommandiert die Steuervorrichtung die Verstelleinheit des Hydraulikmotors M2 auf einen Schwenkwinkel größer Null, jedoch deutlich kleiner als der maximale Ausschwenkwinkel. Dies ist in 5 mit der strich-gepunkteten Linie S_M2 gezeigt. Die strichgepunktete Linie stellt die „Peakbestromung” der Verstelleinrichtung des Hydraulikmotors M2 dar. Das Steuersignal S_M2 hat eine steil ansteigende Flanke zum Kommandieren des Schwenkwinkels der Verstelleinrichtung des Hydraulikmotors M2 bis zu einem vorgegebenen Wert, der weit unterhalb eines Vollausschwenkwinkels des Hydraulikmotors M2 liegt. Der Anstieg des Schwenkwinkels W_M2 des Hydraulikmotors M2 ist dabei wesentlich flacher als die ansteigende Flanke des Steuersignals S_M2, was durch die systeminhärente Trägheit einer Hydraulikmaschine bedingt ist. Im Rahmen der Erfindung soll unter einer sprunghaften Veränderung des Förder- oder Schluckvolumens ein Folgen der Hydraulikmaschine auf ein Steuersignal verstanden werden, das eine im Wesentlichen vertikal ansteigende oder abfallende Flanke zeigt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieser vorgegebene Schwenkwinkel W_M2 zum Anlaufen-lassen des Hydraulikmotors M2 bevorzugt geringer als 20% des maximalen Ausschwenkwinkels. Der mit der gestrichelten Linie in 5 eingezeichnete Schwenkwinkelverlauf W_M2 des Hydraulikmotors M2 verläuft über die Zeit flacher als das vorgegebene Steuersignal S_M2 da die Verstelleinrichtung dem elektrischen Steuersignal S_M2 hydraulisch nachgeführt wird. Zwischen der steigenden Flanke und der abfallenden Flanke bleibt das Steuersignal S_M2 in etwa auf konstantem Niveau, damit die Verstelleinrichtung den Schwenkwinkel W_M2 des Hydromotors M2 weiter vergrößert.
• In 6 ist schematisch der Drehzahlverlauf der Hydraulikmaschinen P, M1 und M2 des hydrostatischen Antriebs über denselben Zeitverlauf gezeigt, wobei die vertikal gestrichelten Linien gleiche Zeitpunkte t1–t4 im Ablauf des Einkuppelvorgangs für den Hydraulikmotor M2 darstellen wie in 5. Bei der zweiten vertikalen Linie von links zum Zeitpunkt t2 beginnt der Hydraulikmotor M2 sich zu drehen, wodurch er ein Schluckvolumenstrom benötigt, bzw. aufnehmen kann. Dieses Schluckvolumen kann bspw. durch eine Erhöhung des Fördervolumens der Hydraulikpumpe P bereitgestellt werden, was wiederum in 5 mit der gestreichelten Linie S_P dargestellt ist. Wie bereits oben erläutert kann die Kompensation des vom Hydraulikmotor M2 benötigten Schluckvolumens auch durch eine Rücknahme des Schluckvolumens des Hydraulikmotors M1 bewerkstelligt werden, jedoch ist dann ggf. eine Veränderung des Betriebsverhaltens der Arbeitsmaschine spürbar. Bei der dritten von links eingezeichneten gestrichelten Linie, also zu einem Zeitpunkt t3, wird das Steuersignal S_M2 weggenommen, da der Hydraulikmotor M2 eine vorbestimmte Anlaufdrehzahl erreicht hat, welche vorbestimmt ausreicht den weiteren Beschleunigungsvorgang des Hydraulikmotors M2 zu gewährleisten. Durch die Zurücknahme des Steuersignals S wird der Schwenkwinkel S_M2 der Hydraulikmaschine M2 wieder zurückgenommen, wodurch durch den weiterhin konstanten Betriebsdruck, das sinkende Schluckvolumen des Hydraulikmotors M2 weiterhin ein beschleunigendes Drehmoment erzeugt und somit die Drehzahl n_M2 des Hydromotors M2 weiter steigt. Bei Erreichen einer Drehzahl n > n_syn kann der lastfreie beschleunigte Hydraulikmotor M2 durch Schließen der Kupplung K2 zu einem Zeitpunkt t4 in den hydrostatischen Antrieb des hydromechanischen Getriebes MG eingekuppelt werden. Durch das Beschleunigen des Hydromotors M2 auf eine derartige Drehzahl kann der Einkuppelvorgang des Hydraulikmotors M2 in den hydromechanischen Antrieb nahezu stoß- und ruckfrei erfolgen.
• 6 zeigt schematisch, dass der Hydromotor M1 während des gesamten Beschleunigungs- und Einkuppelvorgangs für den Hydraulikmotor M2 in seiner Drehzahl konstant bleibt, wobei bevorzugt auch sein Schluckvolumen bzw. sein Schwenkwinkel W_M1 konstant ist (vgl. 5). Damit gelingt es, mittels des erfindungsgemäßen unabhängigen Steuer- und Regelverfahrens für den Hydraulikmotor M2 diesen aus dem lastfreien Stillstand in den hydromechanischen Antrieb einzukuppeln, ohne das Betriebsverhalten der Arbeitsmaschine, stoß- oder ruckartig zu beeinflussen.
• In 7 ist schematisch der Verlauf des Drehmoments des gesamten hydromechanischen Antriebs über der Drehzahl der Abtriebswelle des hydromechanischen Antriebs MG dargestellt. Dabei zeigt der Drehmomentenverlauf einen nahezu stetigen Verlauf, wodurch deutlich wird, dass das Betriebsverhalten bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens nahezu unbemerkt vom Maschinenbediener angewendet werden kann. Der Maschinenbediener hat für die von ihm gewählte Betriebsart immer die wirkungsgradoptimale Zugkraft/das wirkungsgradoptimale Drehmoment zur Verfügung. Mit den gestrichelten Linien in der Darstellung der 7 ist der zugehörige Wirkungsgradverlauf des Gesamtsystems des hydromechanischen Antriebs, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert wird, dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass in dem grau hinterlegten Hysteresebereich H die Abnahme des Wirkungsgrades nur bis zu einem bestimmten Wert zugelassen wird und durch Einsatz des erfindungsgemäßen Aus- und Einkuppelverfahrens der Wirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten werden kann. Verfolgt man die Wirkungsgradlinie von links nach rechts, so endet die erste gestrichelte Linie n_(M1+M2) in dem Moment, in dem der zweite Hydraulikmotor M2 ausgekuppelt wird, und springt auf die zweite gestrichelt dargestellte Wirkungsgradlinie, die den Wirkungsgrad des Hydraulikmotors M1 in seinem Verlauf bei steigender Drehzahl darstellt. Verfolgt man die gestrichelte Linie von rechts nach links so stellt deren Ende den Zeitpunkt bzw. den Betriebszustand des hydromechanischen Antriebs dar, an dem der bis dahin stillstehende Hydraulikmotor M2 in den hydromechanischen Antrieb MG eingekuppelt wird. Der Wirkungsgrad springt dann von der gestrichelten Linie n (M1) auf die linke gestrichelte Linie n_(M1+M2), welche von rechts nach links gesehen einen Anstieg zeigt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wurde beispielhaft an einem Fahrantrieb für eine Arbeitsmaschine erläutert, ist jedoch auf alle hydromechanischen Antriebe anwendbar, welche den prinzipiellen Aufbau aus den 1 oder 2 verwirklichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf Fahrantriebe limitiert und kann beispielsweise auch bei Hub-, Förderantrieben oder Baugeräten, wie Bagger, etc. zum Einsatz kommen. Im Allgemeinen immer dann, wenn ein Schnellgang mit relativ geringem Drehmoment und ein Langsamgang mit viel Last und relativ hohen Drehmoment bereitgestellt werden soll.
• Bezugszeichenliste

• P

  Hydraulikpumpe

  M1

  Hydraulikmotor

  M2

  Hydraulikmotor

  MG

  mechanisches Getriebe

  K1

  Kupplung

  K2

  Kupplung

  KEW1

  Kupplungseingangswelle

  KAW1

  Kupplungsausgangswelle

  KEW2

  Kupplungseingangswelle

  KAW2

  Kupplungsausgangswelle

  W3

  Abtriebswelle

  Z1, Z2, Z3

  Zahnrad

  H

  Hysteresebereich

  n

  Drehzahl

  n_p

  Drehzahl Hydraulikpumpe

  n_M1

  Drehzahl Hydraulikmotor M1

  n_M2

  Drehzahl Hydraulikmotor M2

  n_W3

  Drehzahl Abtriebswelle

  W[%]

  Schwenkwinkel

  W_P

  Schwenkwinkel Hydraulikpumpe

  W_M1

  Schwenkwinkel Hydraulikmotor M1

  W_M2

  Schwenkwinkel Hydraulikmotor M2

  t

  Zeit

  t1, t2, t3, t4

  Zeitpunkte 1 bis 4

  S

  Steuersignal

  S_p

  Steuersignal Hydraulikpumpe

  S_M2

  Steuersignal Hydraulikmotor M2

  T

  Drehmoment

  T_p

  Drehmoment Hydraulikpumpe

  T_M1

  Drehmoment Hydraulikmotor M1

  T_(M1+M2)

  Drehmoment Hydraulikmotoren M1 + M2

  η

  Wirkungsgrad

  η_p

  Wirkungsgrad Hydraulikpumpe

  η_M1

  Wirkungsgrad Hydraulikmotor M1

  η_(M1+M2)

  Wirkungsgrad Hydraulikmotor M1 + M2

• 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 1555247 C3 [0005, 0005, 0006]
• DE 4307616 C2 [0006, 0006]

Claims (13)

1. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines in seinem Schluckvolumen verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) in einem hydrostatischen Antriebsstrang eines hydromechanischen Getriebes mit geschlossenem Hydraulikfluidkreislauf, in dem zwei verstellbare Hydraulikmotoren (M1, M2) und eine Hydraulikpumpe (P) parallel zueinander angeordnet und die Hydraulikmotoren (M1, M2) abtriebsseitig mit einem mechanischen Getriebe (MG) verbundenen sind, wobei zumindest einer der beiden Hydraulikmotoren (M2) über eine zugehörige Kupplung (K2) mit dem mechanischen Getriebe (MG) verbunden ist und zumindest einer der Hydraulikmotoren (M2) während des Betriebes des anderen Hydraulikmotors (M1) und der Hydraulikpumpe (P) fahrsituationsgerecht aus einem ausgekuppelten Zustand mittels der zugehörigen Kupplung (K2) in das hydromechanische Getriebe eingekuppelt wird, indem vor einem Schließen der Kupplung (K2) der einzukuppelnde Hydraulikmotor (M2) lastfrei durch Ausschwenken seiner Verstellvorrichtung derart beschleunigt wird, dass die Drehzahl an einer zugehörigen Kupplungseingangswelle (KEW2) der Kupplung (K2) zumindest der Drehzahl der entsprechenden Kupplungsausgangswelle (KAW2) der Kupplung (K2) entspricht, die mit dem mechanischen Getriebe (MG) verbunden ist, sodass bei geschlossener Kupplung (K2) beide Hydraulikmotoren (M1, M2) auf eine gemeinsame Abtriebswelle (W3) des mechanischen Getriebes (MG) wirken.
2. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach Anspruch 1, bei dem das Verfahren zum Einkuppeln des Hydraulikmotors (M2) bei sinkender Drehzahl (n_W3) der gemeinsamen Abtriebswelle (W3) weiter die Schritte aufweist: a) Überwachen der Drehzahl (n_W3) der gemeinsamen Abtriebswelle (W3) des mechanischen Getriebes (MG) und des Betriebsdrucks im geschlossenen Hydraulikfluidkreis; b) Anlegen eines Steuersignals (S_M2) zum Ausschwenken des einzukuppelnden Hydraulikmotors (M2) bei geöffneter Kupplung (K2) aus der Nullstellung auf einen Ausschwenkwinkel (W_A), der kleiner ist als der maximale Ausschwenkwinkel, wenn die Drehzahl (n_W3) der gemeinsamen Abtriebswelle (W3) einen vorbestimmten Wert (n_M2E) unterschreitet und der Betriebsdruck größer ist als ein vorbestimmter Wert, sodass der einzukuppelnde Hydraulikmotor (M2) beschleunigt wird; c) Entfernen des Steuersignals (S_M2) zum Reduzieren des Ausschwenkwinkels des einzukuppelnden Hydraulikmotors (M2), wenn der einzukuppelnde Hydraulikmotor (M2) eine vorbestimmte Anlaufdrehzahl (n_A) erreicht hat; d) Schließen der Kupplung (K2), wenn der zweite Hydraulikmotor (M2) eine Drehzahl erreicht hat, die zumindest der Synchronisationsdrehzahl (n_syn) entspricht.
3. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach Ansprach 2, bei dem der Hydraulikmotor (M2), wenn er nicht die Anlaufdrehzahl oder nicht die Synchronisationsdrehzahl (n_syn) erreicht hat, erneut durch ein Steuersignal (s_M2) zum erneuten Ausschwenken aus der Nullstellung auf einen Ausschwenkwinkel (WA) kommandiert wird, der kleiner ist als der maximale Ausschwenkwinkel und die Schritte c) und d) wiederholt werden.
4. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach Anspruch 2, bei dem falls der Hydraulikmotor (M2) nach Erreichen der Synchronisationsdrehzahl (n_syn) nicht erfolgreich kraftschlüssig eingekuppelt werden kann, der Hydraulikmotor (M2) erneut durch ein Steuersignal (S_M2) zum erneuten Ausschwenken auf einen Ausschwenkwinkel (WA) kommandiert wird, der kleiner ist als der maximale Ausschwenkwinkel, und die Kupplung (K2) für die kraftschlüssige Verbindung des Hydraulikmotors (M2) mit dem mechanischen Getriebe geschlossen wird, wobei das Steuersignal (S_M2) beim Erreichen des Kraftschlusses entfernt wird.
5. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Schluckvolumen des einzukuppelnden Hydraulikmotors (M2) nach dem Schließen der Kupplung (K2), durch Ausschwenken seiner Verstellvorrichtung sprunghaft auf einen Wert größer Null und gleichzeitig der Fördervolumenstrom der Hydraulikpumpe (P) um den Betrag des Volumenstroms, den der eingekuppelte Hydraulikmotor (M2) unmittelbar nach dem Ausschwenken aufnimmt, erhöht wird.
6. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zum Kompensieren des aufgenommenen Volumenstroms des lastfrei zu beschleunigenden Hydraulikmotors (M2) während der Schritte b) und c), das Fördervolumen der Hydraulikpumpe (P) kurzfristig erhöht und/oder das Schluckvolumen des ersten Hydraulikmotors (M1) kurzfristig reduziert wird
7. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der einzukuppelnde Hydraulikmotor (M2) derart beschleunigt wird, dass die Drehzahl an der Kupplungseingangswelle (KEW2) bei geöffneter zugehöriger Kupplung (K2) höher ist als die Drehzahl der Kupplungsausgangswelle (KAW2) der Kupplung (K2) und dass während des Schließens der Kupplung (K2) ein Angleichen der Drehzahlen erfolgt, indem die Drehzahl des einzukuppelnden Hydraulikmotors (M2) durch die Kupplung (K2) auf eine Synchronisationsdrehzahl (n_syn) verringert wird.
8. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zum Auskuppeln des Hydraulikmotors (M2) bei steigender Drehzahl (n_w3) der gemeinsamen Abtriebswelle (W3) die folgenden Schritte erfolgen: a) Überwachen der Drehzahl (n_w3) der Abtriebswelle (W3) des mechanischen Getriebes (MG); b) sprunghaftes Reduzieren des Schluckvolumens des auszukuppelnden Hydraulikmotors (M2) auf Null und gleichzeitiges sprunghaftes Reduzieren des Fördervolumenstroms der Hydraulikpumpe (P) um den Betrag des Volumenstroms, den der ausgekuppelte Hydraulikmotors (M2) unmittelbar vor dem sprunghaften Reduzieren des Schluckvolumens aufgenommen hat, wenn die Drehzahl (n_w3) der Abtriebswelle (W3) einen ersten vorbestimmten Wert (n_M2A) übersteigt; c) Öffnen der Kupplung (K2) bei lastfreiem Hydraulikmotor (M2), der auf Schluckvolumen Null verstellt wurde, so dass der Hydraulikmotor (M2) durch seine internen Reibungsverluste eine Drehzahlabnahme zeigt.
9. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach Anspruch 4, bei dem der vorbestimmte Wert der Drehzahl (n_w3) der gemeinsamen Abtriebswelle (W3) zum Einkuppeln (n_M2E) des Hydraulikmotors (M2) kleiner ist als der vorbestimmte Wert der Drehzahl (n_w3) der gemeinsamen Abtriebswelle zum Auskuppeln (n_M2A) des Hydraulikmotors (M2).
10. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Hydraulikmotoren (M1, M2) unterschiedliche große maximale Hubvolumina aufweisen und/oder mit einem unterschiedlichen Übersetzungverhältnis auf die gemeinsame Abtriebswelle (W3) wirken.
11. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Kupplung (K2) eine synchronisierte oder nicht-synchronisierte Klauenkupplung, eine Lamellenkupplung oder eine andere Form einer Reibkupplung ist.
12. Verfahren zum Aus- und Einkuppeln eines verstellbaren Hydraulikmotors (M1, M2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das mechanische Getriebe (MG) ein Planetenrad-, Stirnrad- oder Kegelradgetriebe, insbesondere ein manuelles oder automatisches Schaltgetriebe ist.
13. Steuervorrichtung mit einem Computerprogrammprodukt zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche.

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