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BEZUG ZU VORANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Voranmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika Nr. 61/834,920, eingereicht am 14. Juni 2013.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung für hydrostatische Antriebe und speziell Geschwindigkeitskontrollsysteme, die eine unzureichende Motorbremskraft zum Abbremsen des Systems oder zur Begrenzung der Überdrehzahl des Motors bereitstellen.
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Einrichtungen zur Geschwindigkeitskontrolle und in hydrostatischen Antrieben mit unzureichender Bremskraft sind im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel besteht ein integrierter Geschwindigkeitsbegrenzer (Integrated Speed Limiter (ISL)) aus einem einen Vorsteuerdruckgeber und einer Bypassblende, die zusammen mit einem Druckreduzierungsventil automatisch das übertragene Pumpendrehmoment zum Motor begrenzen. Überschüssige hydrostatische Leistung wird in Wärme umgewandelt. In diesen Einrichtungen erfolgt die Druckreduzierung des Öls zwischen den Triebwerken der Pumpe und des Motors. Öl tritt durch das Druckminderventil und dem Triebwerk der Pumpe. Beispiele sind in den
US-Patenten 7,201,183 ;
7,121,297 ;
6,360,537 ;
6,338,247 ; und
5,121,603 enthalten.
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Ähnliche Einrichtungen, die auf einem Bedienperson-Bremseingabesystem mit einem Mikroprozessor für Systeme mit unzureichender Motorbremskraft beruhen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel beschreibt das
US-Patent 7,874,153 eine Einrichtung, bei der Motoren proportional zum Verschiebeweg eines Bremspedals ausschwenken und das Bremsen durch das Bremsdrehmoment eines Dieselmotors und durch eine Zusatzkraft bewirkt wird, die mittels Druckbegrenzungsventilen erzeugt wird. In dieser Einrichtung ist der Strömungsweg zur Druckreduzierung verschieden von dem vorherigen Beispiel (d. h. ISL). Die Druckentlastung verbraucht einen Teil des Stroms, der vom Motor durchgeleitet wird. Dieser Strom umgeht die das Triebwerk der Pumpe und fließt zur Niederdruckseite des Kreislaufs.
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Obwohl diese Einrichtungen nützlich sind, sind sie nicht auf das Bedürfnis gerichtet, ein System anzugeben, das automatisch funktioniert (mit oder ohne Eingabe durch eine Bedienperson) und das von einem Mikroprozessor gesteuert und konfiguriert wird. Benötigt wird eine Einrichtung mit einer maximalen und sofortigen Nutzung des verfügbaren Bremsdrehmoments, wenn dieses benötigt wird, mit oder ohne Eingabe durch eine Bedienperson mittels eines Steuerhebels, eines Bremseingabegeräts oder eines anderen gegenständlichen Geräts. Außerdem wird eine Einrichtung benötigt, die in der Lage ist automatisch zu einem Zustand zu wechseln, in welchem das Abbremsen des Fahrzeugs die (Brems-)Leistungsfähigkeit des Motors übertrifft.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb bereitzustellen, die automatisch die Geschwindigkeit mit Hilfe eines Mikroprozessors anpasst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb bereitzustellen, die sofort die Nutzung eines verfügbaren Bremsdrehmoments maximiert, wenn dieses benötigt wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb bereitzustellen, das automatisch in einen Zustand wechselt, in welchem das Abbremsen des Fahrzeugs die Bremsleistungsfähigkeit des Antriebsmotors übersteigen kann.
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Diese und andere Ziele werden einem Durchschnittsfachmann im Hinblick auf die folgende Beschreibung, die Figuren und die Ansprüche deutlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Geschwindigkeitskontrolleinrichtung für einen hydrostatischen Antrieb weist einen Motor mit einer Antriebswelle auf, die zumindest mit einer hydraulischen Pumpe verbunden ist. Zumindest ein hydraulischer Motor ist in einem geschlossenen Kreislauf mittels einer Strömungsleitung verbunden. Der Motor ist durch eine Systemwelle mit dem Fahrzeugsystem verbunden.
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Eine Steuereinrichtung ist mit einer Mehrzahl von Sensoren und mit einem proportionalen Hochdruck-Begrenzungsventil, das an die Strömungsleitung zwischen der Pumpe und dem Motor angeschlossen ist, verbunden. Auf der Grundlage der von den Sensoren erhaltenen Informationen stellt die Steuereinrichtung das Druckbegrenzungsventil zur Begrenzung des Drucks auf einen Wert ein, bei dem der Motor nicht überdreht. Dies kann durch die Verwendung von verschiedenen Algorithmen erreicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung einer Geschwindigkeitskontrolleinrichtung, und
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2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Geschwindigkeitskontrolle.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Bezugnehmend auf die Figuren ist die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 in einem schematischen Diagramm in 1 dargestellt. Generell weist die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 einen Antriebsmotor 12 mit einer Antriebswelle 14 auf, die mit einer hydraulischen Pumpe 16 verbunden ist. Die hydraulische Pumpe 16 ist eine Pumpe mit veränderlicher Verdrängung. Die hydraulische Pumpe ist über eine Leitung 20 in einem geschlossenen Kreislauf mit einem oder mehreren hydraulischen Motoren 18 verbunden. Die hydraulischen Motoren 18 können Motoren mit fester oder variabler Verdrängung sein. Der oder die hydraulischen Motor(en) 18 sind mit einem System 22, wie einem Fahrzeugsystem 22, über eine Systemwelle 24 verbunden.
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Zwischen der hydraulischen Pumpe 16 und dem hydraulischen Motor 18 sind ein oder mehrere proportionale Hochdruck-Begrenzungsventile 26 an die Strömungsleitung 20 angeschlossen. Die Hochdruck-Begrenzungsventile 26 können direkt oder auch nicht direkt betätigt werden und weisen ggf. einen elektrischen oder hydraulisch einstellbaren oder schaltbaren Aufbau auf. Weiterhin sind die Hochdruck-Begrenzungsventile 26 derart im Kreislauf angeordnet, dass der Strömungsweg der Energieumwandlung über die Hochdruck-Begrenzungsventile 26 führt und die Triebwerke umgeht und zur Niederdruckseite des Kreislaufs führt.
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Verbunden mit dem Kreislauf ist eine Steuereinrichtung 30 mit einem Prozessor 32, der mit einer Software 34 arbeitet. Die Steuereinrichtung 30 ist auch mit einer Vielzahl von Sensoren 36 verbunden. Die Sensoren sind vorgesehen, um die Antriebsmotorgeschwindigkeit zu erfassen und können auch für die Erfassung der Antriebsmotorbelastung, der Systemgeschwindigkeit, der Druckdifferenz an der Pumpe oder ähnliches ausgelegt sein. Andere Signale können die prozentuale Antriebsmotorbelastung bei einer bestimmten Geschwindigkeit sein, die prozentuale Antriebsmotorbelastung, ein Geschwindigkeitsfehler des Antriebsmotors, der einen Sollwert minus den aktuellen Wert darstellt, eine Geschwindigkeitsvorgabe des Systems, die Prozessanforderungen, wie etwa eine Prozess-Geschwindigkeitssteuerung, die Druckdifferenz an der Pumpe, oder ein Fehler der Software sein.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel beginnt ein Geschwindigkeitskontrollablauf wenn die Steuereinrichtung 30 feststellt, dass die Bremsanforderung der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 von dem Drehmoment des Antriebsmotors 12 bei der vorliegenden Auslenkung der Pumpe 16 nicht erfüllt werden kann. Die Steuereinrichtung 30 stellt dieses Ereignis anhand der Drehzahl des Antriebsmotors und einer oder mehreren der prozentualen Antriebsmotorbelastungen bei der Drehzahl, der prozentualen Antriebsmotorbelastung, dem Geschwindigkeitsfehler des Antriebsmotors, welcher einen Sollwert minus dem aktuellen Wert darstellt, den Systemgeschwindigkeitsfehler, welcher einen Sollwert minus dem aktuellen Wert darstellt, dem Systemgeschwindigkeitsbefehl, den Prozessanforderungen, wie Prozessgeschwindigkeitskontrolle, Druckdifferenz an der Pumpe 16 oder einem Fehler der Software fest.
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Einmal festgestellt veranlasst die Steuereinrichtung 30 die Pumpe 16 zu einer verringerten Verdrängung, welche eine geringfügig unzulässige Überdrehzahl des Antriebsmotors 12 bei maximalem Druck, der von dem Hochdruck-Begrenzungsventil 26 vorgegeben ist, bewirkt. Gleichzeitig werden die hydraulischen Motoren in ihrem Hub in dem Maße vergrößert und verringert, was ein nicht konstantes Durchflussverhältnis hervorruft, beginnend mit der Erfassung durch die Steuereinrichtung 30. Typischerweise wird die anfängliche Veränderung der Verdrängung des Motors 18 in Richtung einer erhöhten Verdrängung sein. Das Ziel ist es, den Antriebsmotor 12 zu schützen, und das gewünschte Ansprechverhalten (bis zu einem Abremsen so viel wie möglich) auf der Grundlage der Vorgaben der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 zu erreichen. Dies kann mittels der Steueralgorithmen 1 und 2 erreicht werden.
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Sobald die Pumpe 16 bei einer niedrigeren Verdrängung angelangt ist, die einen geringfügig unzulässigen Betrag der Überdrehzahl des Antriebsmotors 12 bewirken würde, wird die Verdrängung der Pumpe 16 fein justiert mit der aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors 12 als Feedback. Der Motor 18 kann nun in Antwort auf die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 voll ausschwenken, ohne Rücksicht auf den Schutz des Antriebsmotors 12. Weil der maximale Druck im System durch das Begrenzungsventil 26 begrenzt wird, wird der Wert der feinjustierten Verdrängung der Pumpe 16 nie Null-Verdrängung sein. Der Motor 18 wird vom Steueralgorithmus 3 gesteuert, um das von der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung geforderte Abbremsen zu erzielen. Jeglicher Strömungsüberschuss von den Motoren 18 wird über das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 entspannt, was die Umwandlung von Energie in Wärme ermöglicht. Die gesamte dem Antrieb zur Verfügung stehende Bremsleistung besteht aus der Bremsleistung, die vom Antriebsmotor 12 verbraucht wird, und der gesamten Leckage im Kreislauf, zusammen mit anderen typischen Leistungsverlusten. Die Strömung durch das proportionale Hochdruck-Begrenzungssventil 26 stellt eine bedeutsame Strömung durch den Kreislauf dar und bietet eine bedeutsame Quelle für die Umwandlung von Leistung in Wärme.
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Geschwindigkeitskontrollablauf endet, wenn die Steuereinrichtung 30 auf der Grundlage der oben genannten Variablen feststellt, dass die Bremsanforderung der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 von dem Drehmoment des Antriebsmotors 12 bei der vorliegenden Verdrängung der Pumpe 16 erfüllt werden können, ohne eine Strömung durch das Hochdruck-Begrenzungsventil 26. Folglich arbeiten die Pumpe 16 und die Motoren 18 mit zu- und abnehmender Verdrängungsvolumina mit Motoralgorithmen, die wirksam sind, um die Anforderungen der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 so effektiv wie möglich zu erfüllen, während sie den Antriebsmotor 12 schützen. Die Steueralgorithmen 1 und 2 erreichen während dieses Schritts das Ziel, den Antriebsmotor vor Überdrehzahl zu schützen. Außerdem kann das Verändern der Verdrängung der Pumpe 16 dazu genutzt werden, einen proportionalen Betrag der Drehzahl des Antriebsmotors 12 dem Abbremsen des Systems zur Verfügung zu stellen oder den Antrieb bestmöglich für die Beendigung eines Bremsvorgangs vorzubereiten.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel bestimmt die Sensorinformation, welche die Drehzahl des Antriebsmotors 12 einschließt, einen maximalen Betriebspunkt der Pumpe 16. In dem Maße wie ein angegebener Betrag an Bremsanforderung durch die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 ansteigt, tendiert die Pumpe 16 zu einer niedrigeren Verdrängung.
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Gleichzeitig werden die hydraulischen Motoren 18, welche die Strömung von der Pumpe erhalten, in einem Maße verstellt, das zu einem nicht-konstanten Antriebsverhältnis ab dem Beginn der Feststellung durch die Steuereinrichtung 30 führt. Typischerweise wird die anfängliche Veränderung der Verdrängung des Motors 18 in Richtung auf eine höhere Verdrängung sein. Das Ziel ist es, den Antriebsmotor 12 zu schützen, unter Erreichung des gewünschten Ansprechverhaltens (bis zu so viel Abbremsen wie möglich) auf der Grundlage der Vorgaben von der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10. Dies kann mittels der Steueralgorithmen 1 und 2 erreicht werden, die das System jederzeit überwachen.
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Sobald die Pumpe 16 bei einer hinreichend niedrigen Verdrängung angelangt ist, beginnt der von dem Begrenzungsventil 26 gesteuerte Druck- und Verdrängungswert den Antriebsmotor 12 vor exzessiver Überdrehzahl zu schützen. Die Verdrängung der Pumpe 16 wird hierbei fortlaufend mit Feedback von der aktuellen Drehzahl des Antriebsmotors 12 angepasst. Der Motor 18 kann nun in Antwort die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 voll angepasst werden, ohne Rücksicht auf den Schutz des Antriebsmotors 12. Weil der maximale Druck im System durch das Begrenzungsventil 26 begrenzt wird, wird der Wert der feinjustierten Verdrängung der Pumpe 16 nie eine Null-Verdrängung sein. Der Motor 18 wird vom Steueralgorithmus 3 gesteuert, um das von der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung geforderte Abbremsen zu erzielen.
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Jeglicher Strömungsüberschuss von den Motoren wird über das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 entspannt, was die Umwandlung von Energie in Wärme gestattet. Die gesamte dem Antrieb zur Verfügung stehende Bremsleistung besteht aus Bremsleistung, die vom Antriebsmotor 12 verbraucht wird, und der gesamten Leckage im Kreislauf, zusammen mit anderen typisch auftretenden Leistungsverlusten. Die Strömung durch das das proportionale Hochdruck-Begrenzungsventil 26 stellt eine signifikant Strömung durch den Kreislauf dar und bietet eine signifikante Quelle für die Umwandlung von Leistung in Wärme.
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Unter Verwendung eines ersten Algorithmus (Steuerlogarithmus 1) passen die Motoren die Verdrängung an, um den Druck hin zur Pumpe 16 auf einen Wert zu beschränken, der geringfügig höher ist, als ein zulässiger Wert für eine Überdrehzahl des Antriebsmotors 12. Der Betrag der Überdrehzahl des Antriebsmotors 12 ist verknüpft mit der Drehmomentübertragung von der Pumpe 16 auf den Antriebsmotor 12. Die Drehmomentübertragung von der Pumpe 16 ist definiert durch den Druck multipliziert mit der Verdrängung der Pumpe 16. Folglich wird der Motor versuchen bei einer gegebenen Verdrängung der Pumpe 16 den Druck auf einen Wert zu begrenzen, der geringfügig höher ist, als zulässig. In einem Ausführungsbeispiel könnte der Betrag des Drucks 20% größer sein als zulässig. Wenn die Pumpe 16 bei niedrigen Verdrängungen ist, wird ein höherer Druck-Soll-Wert auftreten. Wenn die Pumpe 16 bei einer höheren Verdrängung ist, wird ein niedrigerer Druck-Soll-Wert auftreten. Eine Begrenzung oder Reduzierung der Verdrängung des Motors 12 begrenzt den Druck, während eine Erhöhung der Verdrängung des Motors 12 den Druck erhöht. Der erste Algorithmus begrenzt den von den Motoren 18 erzeugten Druck indem es eine Differenz in der Strömung zwischen der Pumpe 16 und dem Motor 18 anstrebt. Diese Differenz in der Strömung korreliert mit dem Druck, der mit begrenzter Genauigkeit erzielt wird, je nachdem ob Drucksignale verwendet werden, um die Abgabe des Motors 18 fein einzustellen, um den gewünschten Druck zu erhalten.
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Unter Verwendung eines zweiten Steueralgorithmus wird die Motorverdrängung in Antwort auf ein aktuelles Drehzahlsignal des Antriebsmotors 12 angepasst, um den Druck von einem Wert, der geringfügig höher ist, als ein zulässiger Wert zu dem exakt geforderten Wert zu ändern. Selbstverständlich ist der maximale Druck im System durch das Hochdruck-Begrenzungsventil begrenzt. Deshalb werden der erste und der zweite Algorithmus unterhalb eines gewissen Werts der Verdrängung der Pumpe 16 nicht mehr die maximale Verdrängung des Motors 16 reduzieren müssen, weil das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 den maximalen Druck begrenzt.
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Unter Verwendung eines dritten Algorithmus wird die Verdrängung des Motors erhöht, um eine erhöhte Bremsanforderung durch die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 zu erfüllen. Der dritte Algorithmus kann den ersten und zweiten Algorithmus nicht ausschalten, so dass der Antriebsmotor 12 immer vor einer Überdrehzahl geschützt ist. Sobald das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 den maximalen Druck begrenzt hat, wird der dritte Algorithmus nicht eingeschränkt sein und der Soll-Wert der Verdrängung des Motors wird ansteigen und eine Strömung wird das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 durchströmen. Die Verdrängung des Motors steigt, und folglich wird die Strömung durch das Hochdruck-Begrenzungsventil 26, durch die Anforderungen der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 bestimmt.
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Gemäß der Offenbarung in diesen Ausführungsbeispielen arbeiten die Pumpe 16 und der Motor 18 mit nicht-konstanten Übertragungsverhältnissen, um eine optimale Bremsreaktion für die Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 bereitzustellen. Der Motor 18 kann entweder das Verdrängungsvolumen erhöhen, verringern oder beides zugleich, wenn ein Abbremsen über die Kapazität des Antriebsmotors hinaus gefordert ist. Die Stärke des Bremsens wird von der Geschwindigkeitskontrolleinrichtung 10 durch Betätigung eines hydraulischen Motors 16 gesteuert, zunächst ohne und anschließend mit einer Strömung durch das Hochdruck-Begrenzungsventil 26, in Abhängigkeit des Betriebszustands oder der Verdrängung der Pumpe 16. Die Verdrängung der Pumpe 16 wird aktiv vermindert, um einen zulässigen Wert einer Überdrehzahl des Antriebsmotors 12 zu erreichen. Die Stärke des Abbremsens des Systems 22 ist nicht unmittelbar oder überhaupt nicht durch den Befehl einer Bedienungsperson oder durch einen Bedienhebel einer Bremseingabe bestimmt. Der Übergang zu und von einem Übertragungszustand, in welchem eine Strömung durch das Hochdruck-Begrenzungsventil 26 auftritt, geschieht automatisch nach Maßgabe der Steueralgorithmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7201183 [0003]
- US 7121297 [0003]
- US 6360537 [0003]
- US 6338247 [0003]
- US 5121603 [0003]
- US 7874153 [0004]
