DE102015202005A1

DE102015202005A1 - Getriebepumpe mit verstellbarem Hubvolumen und Regler mit adaptiver Regelung

Info

Publication number: DE102015202005A1
Application number: DE102015202005.3A
Authority: DE
Inventors: Thilo Mauser; Van Doan Nguyen
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-08-13
Also published as: US20150226216A1; KR101735906B1; CN104832630B; KR20150094524A; CN104832630A; JP6080022B2; JP2015165130A; US9874209B2; CA2881452A1

Abstract

Getriebepumpe mit verstellbarem Hubvolumen und mit einem Regler zur Verstellung des Hubvolumens, wobei der Regler über ein Regelventil entsprechende Verstellaktoren der verstellbaren Pumpe betätigt, so dass die Pumpe von minimalen zu maximalen Hubvolumen verstellbar ist, um einen konstanten Pumpenauslassdruck zur Versorgung eines hydraulisch betriebenen Getriebes darzustellen, wobei für unterschiedliche Betriebspunkte der verstellbaren Pumpe als auch des Getriebes die Eingangsgrößen des Reglers so verstellt werden, dass unabhängig von den einzelnen Betriebspunkten der Gesamtdämpfungsgrad des Regelsystems aus Pumpe und Getriebe, also mit entsprechenden Einflussgrößen aus diesen Systemen, bei veränderlichen Betriebsbedingungen durch eine verstellbare Reglerverstärkung im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebepumpe bzw. eine Motoröl-/Schmieröl-Pumpe mit verstellbarem Hubvolumen und Regler. Bei der Regelung des Pumpenauslassdruckes einer Getriebepumpe mit verstellbarem Hubvolumen besteht die Aufgabe, den Pumpenauslassdruck unabhängig von der Größe des Verbrauchervolumenstroms konstant zu halten. Hierzu wird das Fördervolumen der Pumpe so beeinflusst, dass nur der vom Verbraucher tatsächlich benötigte Volumenstrom gefördert wird.
Die Ausführung der Druckregelung erfolgt meist hydraulisch-mechanisch, hier wird an einem Differentialkolben eine Kraftdifferenz als Eingangsgröße verwendet. Diese Kraftdifferenz muss nun für alle Betriebspunkte passend gewählt und vor Einbau der Pumpe fest eingestellt werden.
In modernen PKW-Automatikgetrieben geht der Trend zu großen Druckspreizungen (1 bis 40 bar) und geringen Fördermengen (10 Liter pro Minute), um möglichst geringe Aufnahmeleistungen der Pumpe und damit größere Getriebeeffizienz zu erreichen. Dies stellt insbesondere für eine druckgeregelte Pumpe viele Probleme dar. Vor allem ist für einen sicheren Betrieb der Pumpe im Getriebe eine robuste Regelstabilität erforderlich. Bei einer konstanten Reglerverstärkung, welche auf den kritischen Betriebspunkt des Gesamtsystems ausgelegt wird, wird dabei in unkritischen Betriebspunkten zwangsweise eine entsprechende Trägheit in der Dynamik und eine große Regelabweichung/Hysterese des Gesamtsystems in Kauf genommen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verstellbare Getriebepumpe mit einer Druckregelung und einem entsprechenden Regler darzustellen, der diese Probleme nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe, wobei der Regler über ein Regelventil entsprechende Verstellaktoren der verstellbaren Pumpe betätigt, so dass die Pumpe von minimalen zu maximalen Hubvolumen verstellbar ist, um einen konstanten Pumpenauslassdruck zur Versorgung eines hydraulisch betriebenen Getriebes darzustellen, wobei für unterschiedliche Betriebspunkte der verstellbaren Pumpe als auch des Getriebes die Eingangsgrößen des Reglers so verstellt werden, dass unabhängig von den einzelnen Betriebspunkten der Gesamtdämpfungsgrad des Regelsystems aus Pumpe und Getriebe, also mit entsprechenden Einflussgrößen aus diesen Systemen, bei veränderlichen Betriebsbedingungen durch eine verstellbare Reglerverstärkung im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Pumpe, bei welcher die verstellbare Reglerverstärkung in ihrer Druckabhängigkeit durch die Gleichung
verändert wird (p ist der aktuelle Systemdruck am Getriebeeingang, V_Rist die Reglerverstärkung). Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlabhängigkeit der Verstärkung durch die Gleichung VR ~ 1 / n (Pumpendrehzahl) defi niert wird.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermengenabhängigkeit der Verstärkung V_Rdurch die Gleichung V_R ~ Q² (Q gleich Volumenstrom) definiert wird.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der Lastkapazität aus Getriebe- und Leitungsvolumina, insbesondere den Volumina der mit Druck beaufschlagten Kupplungen, definiert wird durch die Gleichung
wobei C_HOals Grundkapazität der mit Druck und Volumenstrom beaufschlagten Leitungen und C_H,ials die einzelne Kapazität einer jeweilig mit Druck beaufschlagten Kupplung dargestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsgrad D₀, der durch diese Regelung insgesamt betriebspunktabhängig konstant gehalten werden soll, durch die Gleichung
dargestellt wird, wobei die G_Ldem Leitwert einer Verbraucherdrossel am Pumpenausgang entspricht, A_Kder Kolbenfläche am Aktuator des verstellbaren Hubrings, V_S dem Übertragungswert eines Drucksensors, V_Vdem Übertragungswert eines Ventils, C₀der Durchflussverstärkung eines Ventils, C_0Pder Durchflussverstärkung der Pumpe und C_Hder hydraulischen Gesamtleitungskapazität zwischen Pumpe und den die Leitung abschließenden Verbrauchern.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl n und der Systemdruck p über entsprechende Signale in einen ersten Bereich des Reglers eingegeben und verarbeitet werden.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal in einen zweiten Reglerbereich gemeinsam mit einem Signal, welches die Kapazität C_Hdarstellt, verarbeitet wird.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Signal aus dem zweiten Reglerbereich in einen dritten Reglerbereich eingeleitet wird, in dem es gemeinsam mit einem Sollwert U_Sollund dem Signal eines Drucksensors am Pumpenausgang den eigentlichen Regler für die Verstellung eines Regelventiles darstellt, welches entsprechend die Aktoren oder den Aktor in der Pumpe für die Verstellung des Hubvolumens erzeugt.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass mit steigendem Auslassdruck und/oder mit steigender Pumpendrehzahl und/oder mit sinkendem Fördervolumen und/oder mit steigendem Lastvolumen die Reglerverstärkung abgesenkt wird.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass mit sinkendem Pumpenauslassdruck und/oder mit sinkender Pumpendrehzahl und/oder mit steigendem Fördervolumen der Pumpe und/oder mit sinkendem Lastvolumen des Getriebes die Verstärkung angehoben wird.
Eine erfindungsgemäße Pumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die vorgenannten Veränderungen der Verstärkung der Dämpfungsgrad des gesamten Regelkreises aus Pumpe und Getriebe als so genannte Last im Wesentlichen konstant und damit stabil bleibt.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben:
1 zeigt eine Verstellpumpe mit einem entsprechenden Reglersystem.
2 zeigt schematisch eine Abhängigkeit in einem Diagramm der Verstärkung V, abhängig vom Systemdruck p und von der Drehzahl n (Pumpenauslassdruck und Pumpendrehzahl und Reglerverstärkung V)
In 1 ist schematisch eine verstellbare Pumpe 1 als verstellbare Flügelzellenpumpe mit einem verstellbaren Hubring 3 dargestellt, der durch einen ersten Aktor 5 und einen zweiten Aktor 7 sowie eine Feder 9 in verschiedene Positionen verstellt werden kann. Der Aktor 5 ist dabei mit dem Pumpenauslassdruck in der Leitung 11 beaufschlagt, während der Aktor 7, welcher eine entsprechend größere Druckwirkfläche als der Aktor 5 aufweist, durch einen von einem Regelventil 15 beeinflussbaren Regeldruck in der Zuführleitung 13 des Aktors 7 beaufschlagt wird. Das Regelventil 15 kann aus der Leitung 11, die weiterhin zum hydraulischen Verbraucher, in diesem Fall zu einem Getriebe führt, mit dem Pumpenauslassdruck versorgt werden und dieser entsprechend dem Öffnungsquerschnitt des Regelventils 15, welcher durch einen Proportionalmagneten 19 verstellbar ist, als Regeldruck verändert werden. Der Kolben des Proportionalventiles 15 weist auf einer Seite eine Feder 21 und einen Druckraum 27 auf, welcher mit einer im Wesentlichen drucklosen Leitung 23 zu einem Tank oder Ölsumpf des Getriebes führt, und auf der anderen Seite zwischen dem Proportionalmagneten 19 und dem Ventilkolben weiterhin eine Leitung 25, die ebenfalls mit der Tankdruckleitung 23 verbunden ist. Die Feder 21 hält gegen die Kraft des Proportionalmagneten 19 das Gleichgewicht für eine bestimmte Position, wenn der Proportionalmagnet 19 mit einem entsprechenden, durch den Regler bereit gestellten Magnet-strom i beaufschlagt wird. Die Tankleitung oder Zuleitung zu einem Ölsumpf 23 ist weiterhin mit dem Pumpenansaugraum 29 verbunden. Der Strom i für den Proportionalmagneten 19 wird durch einen entsprechenden Verstärker 31 bereitgestellt, welcher wiederum seine Eingangsgröße durch den Regler 33 erhält. Der Regler 33 stellt den Bereich eines Gesamtreglers mit den Bereichen 33, 35 und 37 dar, welche auch als erster Reglerbereich 37, als zweiter Reglerbereich 35 und als dritter Reglerbereich 33 bezeichnet werden. Der erste Reglerbereich 37 verarbeitet als Eingangsgrößen die Pumpendrehzahl n und den von der Pumpe zum Getriebe gelieferten Systemdruck p mit den entsprechenden Funktionen, die die hydraulischen und physikalischen Abhängigkeiten beschreiben. Der Reglerbereich 37 erzeugt ein entsprechendes Eingangssignal für den zweiten Reglerbereich 35, der zusätzlich die hydraulischen Kapazitäten C_H, welche sich aus den Leitungsvolumina bis zu den entsprechenden Verbrauchern bzw. den durch die entsprechenden Kupplungen im Automatikgetriebe vorhandenen Volumina ergibt, welche zur Betätigung der Kupplung unter Druck stehen, verarbeitet. Das Ausgangssignal dieses zweiten Reglerbereiches 35 wird wiederum dem dritten Reglerbereich 33 zugeführt, welcher als weitere Eingangssignale den Sollwert U_solldes Reglers sowie das Signal eines entsprechenden Drucksensors 39 verarbeitet, wobei der Drucksensor 39 den von der Pumpe erzeugten Ausgangsdruck zum Getriebeeingang hin, also den sogenannten Systemdruck, erfasst.
Durch diese Anordnung des Pumpenreglers und der Pumpenregelung ist die Reglerverstärkung abhängig vom Betriebspunkt des hydraulischen Lastsystems, also des Getriebes als auch der Pumpe selbst, einstellbar. Der Begriff der Reglerverstärkung umfasst im Folgenden alle Regleranteile, die proportional, integral und differential wirken. Bei einer Veränderung der Reglerverstärkung können auch nur einzelne Anteile der Reglerverstärkung betroffen sein, je nach Betriebspunkt des Gesamtsystems. Als Kriterium für die Reglerverstärkung wird die Formel des Dämpfungsgrades, beispielsweise für ein vereinfachtes Modell einer elektrohydraulischen Pumpenregelung, herangezogen. Hierbei wird der Pumpendruck auf einen Sollwert geregelt. Über den Drucksensor in der Nähe des Pumpenausganges wird ein von diesem elektrischen Regler verarbeitbares Signal erzeugt, mit dem Sollwert verglichen und ein Steuersignal für das elektrisch angesteuerte Hydraulikventil, also das Proportionalventil, ausgegeben. Je nach Stellung des Ventils erfährt die Pumpe eine hydraulische erzeugte Kraft, die das Hubvolumen vergrößert oder verkleinert. Der reale Dämpfungsgrad der Druckregelung wird zusätzlich zu den in der Formel angegebenen Parametern durch Verluste im Ventil, interne Kräfte der Pumpe und Leckagen beeinflusst, die hier zur Vereinfachung nicht betrachtet werden. Somit ergibt sich im Wesentlichen für den Dämpfungsgrad
mit dem Leitwert einer so genannten Verbraucherdrossel, also vereinfacht des Gesamtsystems des Getriebes am Pumpenausgang G_L, der Kolbenfläche am Aktuator (Hubring) A_K, dem Übertragungswert des Drucksensors V_S, dem Übertragungswert des Ventils V_V, der Durchflussverstärkung des Ventils C₀, der Durchflussverstärkung der Pumpe C_0Pund der hydraulischen Leitungskapazität zwischen Pumpe und Verbraucher C_H.
Die oben genannte Reglerverstärkung, welche entsprechend adaptiv verändert wird, ist hier als Konstante V_Renthalten.
Ziel für die verstellbare Reglerverstärkung soll also ein konstanter Dämpfungsgrad bei veränderlichen Betriebsbedingungen sein. Daher ergeben sich die im Folgenden dargestellten Abhängigkeiten für die Reglerverstärkung:
Druckabhängigkeit:
Da C0 ~ √p sollte die Reglerverstärkung nach
veränderlich sein.
Drehzahlabhängigkeit:
Die Durchflussverstärkung der Pumpe C_0p verhält sich proportional zur Pumpendrehzahl, daher sollte eine Reglerverstärkung mit V_R ~ 1 / n angepasst werden.
Fördermengenabhängigkeit:
Da sich der Leitwert der Verbraucherdrossel proportional zur geförderten Menge Q verhält, gilt als Orientierung für eine Anpassung der Reglerverstärkung: V_R ~ Q²
Abhängigkeit von der Leitungskapazität:
Die hydraulische Kapazität zwischen Pumpenauslass und Verbraucher ist schwierig zu ermitteln. Da sie jedoch im Wesentlichen von der Anzahl und Größe der unter Druck stehenden Kupplungen im Getriebe bestimmt wird, ist es zweckmäßig, bei Änderung der Bedruckungen der Kupplungen im Getriebe die Reglerverstärkung anzupassen. Bei einer Pumpenauslassdruckregelung gilt:
Daher kann für eine Pumpenauslassdruckregelung gelten:
mit C_H,i als einzelne Kapazität einer Kupplung und C_H0 als Grundkapazität der Leitung.
2 zeigt dann schematisch die Abhängigkeit zwischen der Reglerverstärkung V (bzw. V_R), dem Systemdruck p (also der Auslassdruck am Pumpenausgang bzw. der Einlassdruck für das Getriebesystem) und der Drehzahl n (also der Pumpendrehzahl).
Man erkennt rein schematisch, dass bei steigendem Systemdruck p die Reglerverstärkung sinken muss und dass bei steigender Drehzahl n ebenfalls die Verstärkung sinken muss. Entsprechend ergibt sich ein gesamtes, dreidimensionales Kennfeld, welches von der entsprechenden Pumpenregelung betriebspunktabhängig abgedeckt werden muss.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
3: Hubring
5: Aktor
7: Aktor
9: Feder
11: Leitung
13: Zuführleitung
15: Regelventil
19: Proportionalmagnet
21: Feder
23: Leitung
25: Leitung
27: Druckraum
29: Pumpenansaugraum
31: Verstärker
33: Reglerbereich
35: Reglerbereich
37: Reglerbereich
39: Drucksensor

Claims

Getriebepumpe mit verstellbarem Hubvolumen und mit einem Regler zur Verstellung des Hubvolumens, wobei der Regler über ein Regelventil entsprechende Verstellaktoren der verstellbaren Pumpe betätigt, so dass die Pumpe von minimalen zu maximalen Hubvolumen verstellbar ist, um einen konstanten Pumpenauslassdruck zur Versorgung eines hydraulisch betriebenen Getriebes darzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebspunkte der verstellbaren Pumpe als auch des Getriebes die Eingangsgrößen des Reglers so verstellt werden, dass unabhängig von den einzelnen Betriebspunkten der Gesamtdämpfungsgrad des Regelsystems aus Pumpe und Getriebe, also mit entsprechenden Einflussgrößen aus diesen Systemen, bei veränderlichen Betriebsbedingungen durch eine verstellbare Reglerverstärkung im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Reglerverstärkung (V_R) in ihrer Druckabhängigkeit durch die Gleichung
(p = Pumpenauslassdruck bzw. Systemdruck) verändert wird.
Pumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlabhängigkeit der Verstärkung durch die Gleichung V_R ~ 1 / n (n = Pumpendrehzahl) definiert wird.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermengenabhängigkeit der Verstärkung V_Rdurch die Gleichung V_R ~ Q² (Q gleich Volumenstrom) definiert wird.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der Lastkapazität aus Getriebe- und Leitungsvolumina, insbesondere den Volumina der mit Druck beaufschlagten Kupplungen, definiert wird durch die Gleichung
wobei C_HOals Grundkapazität der mit Druck und Volumenstrom beaufschlagten Leitungen und C_H,ials die einzelne Kapazität einer jeweilig mit Druck beaufschlagten Kupplung dargestellt ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsgrad D₀, der durch diese Regelung insgesamt betriebspunktabhängig konstant gehalten werden soll, durch die Gleichung
dargestellt wird, wobei G_Ldem Leitwert einer Verbraucherdrossel am Pumpenausgang entspricht, A_Kder Kolbenfläche am Aktuator des verstellbaren Hubrings, V_Sdem Übertragungswert eines Drucksensors, V_V dem Übertragungswert eines Ventils, C₀der Durchflussverstärkung eines Ventils, C_0Pder Durchflussverstärkung der Pumpe und C_Hder hydraulischen Gesamtleitungskapazität zwischen Pumpe und den die Leitung abschließenden Verbrauchern.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl n und der Systemdruck p über entsprechende Signale in einen ersten Bereich eines Reglers (37) eingegeben und verarbeitet werden.
Pumpe nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal in einen zweiten Reglerbereich (35) gemeinsam mit einem Signal, welches die Kapazität C_Hdarstellt, verarbeitet wird.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal aus dem zweiten Reglerbereich in einen dritten Reglerbereich (33) eingeleitet wird, in dem es gemeinsam mit einem Sollwert U_Sollund dem Signal eines Drucksensors (39) am Pumpenausgang den eigentlichen Regler für die Verstellung eines Regelventiles (15) darstellt, welches entsprechend die Aktoren oder den Aktor in der Pumpe (1) für die Verstellung des Hubvolumens erzeugt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit steigendem Auslassdruck (p) und/oder mit steigender Pumpendrehzahl (n) und/oder mit sinkendem Fördervolumen (Q) und/oder mit steigendem Lastvolumen die Reglerverstärkung (V_R) sinkt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit sinkendem Pumpenauslassdruck (p) und/oder mit sinkender Pumpendrehzahl (n) und/oder mit steigendem Fördervolumen (Q) der Pumpe (1) und/oder mit sinkendem Lastvolumen des Getriebes die Verstärkung (V_R) angehoben wird.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die vorgenannten Veränderungen der Verstärkung (V_R) der Dämpfungsgrad (D₀) des gesamten Regelkreises aus Pumpe und Getriebe als so genannte Last im Wesentlichen konstant und damit stabil bleibt.