DE102015202981A1

DE102015202981A1 - Hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe sowie Verfahren zum Betreiben des hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes

Info

Publication number: DE102015202981A1
Application number: DE102015202981.6A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bailly; Werner Denk; Wolfgang Straif; Gerhard Grömmer; Axel Matheis; Moritz Hamma; Markus Hobe; Herbert Ficzko; Hassan Ennadifi; Olaf Huwendiek
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-02-20
Also published as: DE102015202981B4

Abstract

Ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe weist einen Variator (1) auf, dessen Hochdruck mittels eines Hochdrucksensors (4) ermittelt wird und die Übersetzung des Variators (1) in Abhängigkeit des Hochdrucks des Variators (1) angesteuert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe sowie auf ein Verfahren zum Betreiben des hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 und Anspruch 2 näher definierten Art.
Gattungsgemäße Leistungsverzweigungsgetriebe werden vorzugsweise als Arbeitsmaschinen, beispielsweise als Getriebe für Traktoren oder Baumaschinen, verwendet. Die hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe weisen einen hydrostatischen Leistungszweig und einen mechanischen Leistungszweig auf, welcher über ein Summierungsgetriebe summierbar ist.
Die DE 10 2006 011 804 A1 und die EP 0 736 407 A2 offenbaren ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe, bei welchem mittels mindestens einem Hochdrucksensor der Hochdruck im hydrostatischen Leistungszweig sensierbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit einem Hochdrucksensor zu betreiben.
Die Aufgabe wird mit einem auch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweisenden gattungsgemäßen hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe gelöst.
Erfindungsgemäß weist das hydrostatisch-mechanische Leistungsverzweigungsgetriebe einen hydrostatischen Leistungszweig und einen mechanischen Leistungszweig auf, wobei im hydrostatischen Leistungszweig mindestens ein Hochdrucksensor angeordnet ist.
Der hydrostatische Leistungszweig besteht aus einer Hydraulikpumpe, welche einen variablen Fluidstrom erzeugt, und einem Hydraulikmotor, welcher den Fluidstrom in Drehmoment mit variabler Drehzahl wandelt. Die Hydraulikpumpe und der Hydraulikmotor werden im sogenannten geschlossenen Kreis betrieben und auch als Variator bezeichnet. Die Druckmessung mittels eines Hochdrucksensors im Hochdruckhydraulikstrom des Variators ermöglicht die Bestimmung des Leistungsflusses über den Variator. Bei einem hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe werden ein Teil der Leistung über den hydrostatischen Leistungszweig und ein weiterer Teil der Leistung über den mechanischen Leistungszweig übertragen. Aus den Werten des Hochdrucksensors kann auf die Leistungsverteilung im gesamten Antriebsstrang somit die Leistung über den hydrostatischen Zweig und die Leistung über den mechanischen Zweig geschlossen werden, wodurch alle auf die Bauteile wirkenden Drehmomente ermittelbar sind.
Ist der Hochdruck im Variator bekannt, so kann die vom Fahrzeug abgegebene Zugkraft ermittelt werden, wodurch die Regelung eines Hubwerks beziehungsweise eines Anbaugerätes, beispielsweise an einem Traktor, in Abhängigkeit der ermittelten aktuellen, vom Fahrzeug abgegebenen Zugkraft geregelt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung können durch Verwendung des sensierten Hochdrucks im Variator die Lasten an den im Getriebe vorhandenen Kupplungen ermittelt werden, wodurch ein lastfühliges Ansteuern dieser Kupplungen bei den Schaltvorgängen möglich ist. Es besteht die Möglichkeit beispielsweise bei Reversiervorgängen, äußere auf das Fahrzeug wirkende Lasten, beispielsweise durch den Hangabtrieb oder durch Fahrwiderstände am Rad, zu berücksichtigen.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch Verwendung des durch einen Hochdrucksensor bekannten Hochdrucks den Fahrwerkwirkungsgrad in Verbindung mit einer Geschwindigkeitsbestimmung über Grund, beispielsweise über ein Bodenradar oder über ein GPS, und der Messung der Zugkraft am Arbeitsgerät zu bestimmen. Basierend auf den Daten des aktuellen Fahrwerkswirkungsgrades besteht die Möglichkeit, durch eine manuelle oder automatisierte Ansteuerung, beispielsweise der Einstellung oder Regelung des Reifendruckes oder der Übersetzungsanpassung zur Schlupf- oder Zugkraftoptimierung, den Wirkungsgrad weiter zu steigern.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch die Kenntnis des Hochdrucks so einzuwirken, dass durch einen Motoreingriff, Übersetzungsverstellung des Getriebes oder Drehmoment-basierte Steuerung oder Regelung einer rutschenden Kupplung die Zugkraft des Fahrzeugs begrenzt wird. Dadurch kann beispielsweise ein Durchdrehen der Räder auf empfindlichem Boden, wie zum Beispiel einer Grasnarbe, vermieden werden. Ebenso kann ein Zug- oder Schiebevorgang des Fahrzeugs kraftgeregelt durchgeführt werden. Des Weiteren kann dadurch ein Arbeitsgerät optimal ausgelastet werden oder vor Überlastung geschützt werden.
In Abhängigkeit des Hochdrucks im Variator kann die Leistung eines Nebenabtriebs, beispielsweise einer Zapfwelle, derart geregelt werden, dass die Leistung am Nebenabtrieb optimiert wird oder eine mögliche Überlastung des Arbeitsgeräts, welches vom Nebenabtrieb angetrieben wird, verhindert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzliche Motorleistung freizugeben oder automatisch zu begrenzen, die sogenannte Boost-Leistung, indem mit Hilfe des Hochdrucks der Auslastungsgrad des Fahrantriebs bestimmt wird und dadurch eine Überlastung des Fahrantriebs erkannt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die abgenommene Antriebsleistung am Nebenabtrieb, beispielsweise der Zapfwelle, eindeutig zu bestimmen.
In Abhängigkeit des Hochdrucks des Variators besteht ebenso die Möglichkeit, die Vorderachse, beispielsweise bei einem Traktor oder einer Baumaschine, zu- oder abzuschalten, um einen Allradantrieb zu ermöglichen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit des Hochdrucks im Variator Differenzialsperren anzusteuern und diese je nach Hochdruck zu schließen oder zu öffnen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beispielsweise bei einem angetriebenen Anhänger, welcher mit einem Traktor in Verbindung steht, die angetriebene Achse des Anhängers in Abhängigkeit des Hochdrucks des Variators mit mehr oder weniger Leistung zu versorgen.
Durch das Messen des Hochdrucks im Variator besteht die Möglichkeit, die Belastung der Bauteile des hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes zu ermitteln und bei Erreichen einer zuvor definierten Belastungsschwelle automatisiert die Motordrehzahl oder das Motormoment oder die Getriebeübersetzung zu verändern. Es besteht auch die Möglichkeit, den Hochdruck im Variator zu begrenzen, ebenso besteht die Möglichkeit, die Belastung der Antriebsstrangbauteile zeitlich zu überwachen und so die Einhaltung von Auslastungsgrenzen von Antriebsstrangbauteilen im Bereich maximalem Motordrehmoment zu gewährleisten.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung besteht durch die Kenntnis des Hochdrucks im Variator die Möglichkeit, anliegende Drehmomente an Kupplungen während und nach Schaltvorgängen zu bestimmen, wodurch die Schaltqualität durch Drehmoment-orientierte Steuerung oder Regelung von Kupplungsschaltabläufen optimiert werden kann und die Kupplungen geschont werden.
Durch das erfindungsgemäße permanente Überwachen des Hochdrucks im Variator besteht die Möglichkeit, auftretende Drehmoment-beziehungsweise Druckspitzen bei Schaltabläufen von Reibungskupplungen zu beobachten und dadurch die Beurteilung der Qualität von Schaltabläufen und die manuelle oder automatisierte Adaption der Schaltablaufparametrierung zur Kompensation von beispielsweise Reibwertänderungen, Kupplungsverschleißvorgängen oder sonstigen Änderungen in der Schaltaktuatorik zu ermöglichen.
Durch die Überwachung des Hochdrucks im Variator kann die zu übertragende Leistung einer Reibungskupplung im Getriebe ermittelt werden und dadurch der benötigte Schließdruck für die Kupplung angepasst werden, wodurch die vom Hydrauliksystem aufgenommene Leistung zur Erzeugung von Druck im Hydrauliksystem minimiert werden kann.
Durch die Überwachung des Hochdrucks im Variator besteht die Möglichkeit, eine automatische Ermittlung des Lastkollektivs des Fahrantriebsstrangs basierend auf real gemessenen Getriebelastdaten zu erstellen. Dadurch besteht die Möglichkeit, Schädigungsanteile aufgrund der Getriebebelastung in gefahrenen Arbeitseinsätzen, zum Beispiel zu Restwertermittlung des Getriebes, zu beurteilen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die ermittelten Lastkollektive im breiten Feldeinsatz als Basis für die Getriebeauslegung zu verwenden. Ebenso besteht die Möglichkeit, unzulässig hohe Getriebebelastungen, zum Beispiel durch Eingriffe in die Steuerung des Fahrzeugmotors, zu erkennen.
Durch die Überwachung des Hochdrucks des Variators besteht die Möglichkeit, das Antriebsstrangdrehmoment im Schubbetrieb auf feste oder einstellbare Werte zu begrenzen, um beispielsweise einen Traktionsverlust oder ein Einknicken bei einem Anhängerbetrieb aufgrund hoher Schubkräfte bei Bergabfahrt oder bei Verzögerungen durch Übersetzungsverstellung des Getriebes zu verhindern.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit, durch Überwachung des Hochdrucks des Variators zu erkennen, ob der Antriebsmotor manipuliert wurde, beispielsweise aufgrund eines Eingriffes in die Steuerungselektronik, da die abgegebene Antriebsleistung oder das Antriebsdrehmoment an der Getriebeeingangswelle in hierfür geeigneten Betriebspunkten und Betriebszuständen erhöht sind.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit, Kupplungssteuerungsparameter, wie beispielsweise Befüllzeiten, Anlegedrücke und übertragene Drehmomente, für Kupplungen im Antriebsstrang zu kalibrieren. Als Indikator für das Schließen der Kupplung oder das von der jeweiligen Kupplung übertragene Kupplungsdrehmoment wird die Reaktion des im Variator gemessenen Hochdrucks verwendet.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Übersetzung des hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes frühzeitig zu verstellen, um den Antriebsmotor bei auftretenden Lastspitzen im Arbeitseinsatz basierend auf der tatsächlich gemessenen Last im Antriebsstrang zu entlasten. Dies ermöglicht eine Reaktion bereits vor dem Drehzahlabfall am Verbrennungsmotor, wodurch der Fahrkomfort erhöht wird.
Durch die Überwachung des Hochdrucks im Variator besteht die Möglichkeit, die Last im hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebe zu ermitteln, wodurch beispielsweise ein Zugbetrieb durch zu langsame Übersetzungsverstellung des Getriebes erkannt werden kann. Mit diesen Erkenntnissen können Kupplungen im Getriebe im Öffnungssinne angesteuert werden, um den Antriebsstrang aufzutrennen, um so den Zugbetrieb des Antriebsstrangs entgegen einer vom Fahrer betätigten Betriebsbremse zu vermeiden.
Ebenso besteht die Möglichkeit, durch Überwachung des Hochdrucks im Variator die Getriebediagnose zu verfeinern, indem die Lastsituation bei der Analyse von Fehlerzuständen, wie rutschenden Kupplungen, mitberücksichtigt wird. Ebenso kann auftretende Leckage im Hydrauliksystem des Variators oder fehlerhaftes Stellverhalten des Variators, beispielsweise durch Überschreiten von Belastungsgrenzen, ermittelt werden.
Weitere Merkmale sind der Figurenbeschreibung zu entnehmen.
Die einzige Figur zeigt ein hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit einem Variator 1, einem Summierungsgetriebe 2 und einem Antriebsmotor 3, beispielsweise einem Verbrennungsmotor. Über den Hochdrucksensor 4 wird der Hochdruck im Variator 1 ermittelt und an das Steuergerät 5 weitergegeben. Mittels der Drehzahlsensoren 6 überwacht das Steuergerät 5 die Drehzahlen der entsprechenden Wellen. In Abhängigkeit des Hochdrucks im Variator 1, gemessen durch den Hochdrucksensor 4, und entsprechenden Drehzahlen, gemessen durch die Drehzahlsensoren 6, steuert das Steuergerät den Antriebsmotor 3, den Variator 1, die Kupplungen 7 und 8 sowie die Vorder- und Hinterachsen beziehungsweise deren Differenziale und Kupplungen an.
Sollen beispielsweise die beiden Lamellenkupplungen 8 Kalibriert werden, so kann dies folgendermaßen geschehen:
Während der Kalibrierung wird der Fahrzeugabtrieb, somit die Räder, z.B. durch eine Feststellbremse, blockiert. Dann wird von dem Steuergerät 5 eine definierte Drehzahldifferenz an der zu kalibrierenden Kupplung eingestellt. Die zu kalibrierende Kupplung ist einer der beiden Lamellenkupplungen 8. Dies geschieht durch Ansteuerung bzw. einstellen des Variators 1. Die Druckwerte im Hydraulischen Kreis des Variators 1 werden durch den Hochdrucksrucksensor 4 erfasst und in dem Steuergerät 5 ausgewertet. Insbesondere werden als beobachtete Antriebsstrangreaktion während der Kupplungskalibrierung die gemessenen Druckwerte durch das Steuergerät 5 ausgewertet. Die Kupplungsansteuerung wird abgebrochen, sobald eine geforderte Mindestdruckänderung im Hydraulischen Kreis des Variators 1 während des Kupplungskalibriervorganges erkannt wird. Durch die schnellen und genauen Drucksignale wird eine Füllzeitkalibrierung der Kupplungen 8 ohne unzulässig harte Fahrzeugreaktion während des Kalibriervorganges möglich. Dadurch unterscheidet sich das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren von bekannten Verfahren, bei welchen zum Erkennen von Antriebsstrangreaktionen meist die Veränderung von Drehzahlsignalen aufgrund des sich aufbauenden Kupplungsdrehmomentes verwendet wird. Bekannt sind hier Verfahren, welche die Abtriebsdrehzahl des anrollenden Fahrzeugs erkennen oder, bei festgebremstem Fahrzeugabtrieb, die auftretende Hydrostatdrehzahldrückung auswerten.
Diese bekannten Verfahren sind relativ ungenau, da beispielsweise die Drehzahlmessung aus Stillstand des Geberrades erfolgt, oder führen beispielsweise beim Hydrostatdrückungsverfahren zu einer hohen Kupplungsbelastung während der Kalibrierung. Das erfindungsgemäße Kalibrierungsverfahren mittels der Hochdruckinformation aus dem Hydraulischen Kreis des Variators 1 hingegen liefert sehr genaue Kalibrierdaten bei vergleichsweise geringer Getriebebelastung und kurzen Reaktionszeiten des ausgewerteten Antriebsstrangsignales. Dadurch ist es möglich zur Berücksichtigung von Einflüssen wie Fertigungstoleranzen auf Ansteuerungsparameter von elektrohydraulisch betätigten Kupplungssystemen bei der Inbetriebnahme von Getrieben eine Kupplungskalibrierung durchzuführen. Hierbei wird das jeweilige Kupplungssystem, beispielsweise bestehend aus einem Steuergerät 5, einem Aktuator, Hydraulikleitungen und einer Lammellenkupplung 8, derart angesteuert, dass aus Reaktionen des Antriebsstranges, beispielsweise der notwendige Ansteuerstrom bis zum ersten Übertragen eines Drehmomentes durch die Kupplung 8 bestimmt wird. Die ermittelten Werte werden in der elektronischen Steuerung abgelegt und im Ansteueralgorithmus der Kupplung verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Variator
2: Summierungsgetriebe
3: Antriebsmotor
4: Hochdrucksensor
5: Steuergerät
6: Drehzahlsensoren
8: Kupplung
9: Kupplung

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 102006011804 A1 [0003]
EP 0736407 A2 [0003]

Claims

Hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe mit einem hydrostatischen Leistungszweig und einem mechanischen Leistungszweig und mit mindestens einem Sensor (4) zur Erfassung des hydraulischen Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinheit (5) in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig die vom hydrostatischen Leistungszweig übertragene Leistung ermittelbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der über den hydrostatischen Leistungszweig eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes übertragenen Leistung der Hochdruck im hydrostatischen Leistungszweig ermittelt wird und in Abhängigkeit dieses Hochdrucks die vom hydrostatischen Leistungszweig übertragene Leistung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion der übertragenen Leistung des hydrostatischen Leistungszweigs von der übertragenen Gesamtleistung die Leistung, welche vom mechanischen Leistungszweig übertragen wird, ermittelt wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubwerk einer Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig angesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung einer Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig angesteuert wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrwerkwirkungsgrad einer Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig bestimmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zugkraft einer Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig begrenzt wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störung eines Anbaugerätes einer Arbeitsmaschine in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig erkannt wird.
Verfahren zum Betreiben eines hydrostatisch-mechanischen Leistungsverzweigungsgetriebes, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schädigung von Bauteilen in Abhängigkeit des Hochdrucks im hydrostatischen Leistungszweig ermittelt wird.