DE102015223928A1

DE102015223928A1 - Ermittlung und Regelung eines Fluiddruckes an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung

Info

Publication number: DE102015223928A1
Application number: DE102015223928.4A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kiltz; Michael Pantke
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und ein Verfahren zur Regelung des an einem Arbeitsanschluss (A) einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, wobei ein Ventilkolben (3) der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (4, 5), aufweisend einen Schaltmagneten (4), bewegbar ist, und sich der am Arbeitsanschluss (A) anliegende Fluiddruck in Abhängigkeit einer Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) einstellt. Dabei wird der Fluiddruck basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens (3) ermittelt. Die Erfindung betrifft auch ein Druckermittlungsvorrichtung (6) die dementsprechend den Fluiddruck ermittelt sowie ein Fahrzeuggetriebe mit einer solchen Druckermittlungsvorrichtung (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, sowie ein Verfahren zur Regelung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes sowie eine Druckermittlungsvorrichtung mit einem Modul zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes. Sie betrifft auch ein Fahrzeuggetriebe mit einer solchen Druckermittlungsvorrichtung.
Schaltmagnete zur Betätigung von Ventilvorrichtungen sind bekannt, beispielsweise für hydraulische Wegeventile. Um genaue Drücke einstellen zu können ist auch der Einsatz von Proportionalmagneten bekannt. Druckregelventile werden daher üblicherweise mit Proportionalmagneten realisiert.
Bei Proportionalmagneten wird konstruktiv erreicht, dass die Magnetkraft im Arbeitsbereich der Ventilvorrichtung näherungsweise unabhängig von der Stellposition eines Ventilkolbens der Ventilvorrichtung ist. Im Arbeitsbereich ist die Magnetkraft dadurch lediglich von dem zugeführten elektrischen Strom abhängig. Die konstruktiven Eigenarten eines Proportionalmagneten erfordern enge Fertigungstoleranzen, wie auch eng tolerierte magnetische Materialparameter des Magnetkreismaterials, was zu hohen Kosten im Vergleich zu Schaltmagneten führt. Die Positionsunabhängigkeit der Magnetkraft wird dadurch erreicht, dass der Magnetkreis lokal in magnetischer Sättigung des Magnetmaterials betrieben wird, wodurch Proportionalmagnete auch einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.
Dadurch, dass der Ventilkolben einer Ventilvorrichtung, der zur Einstellung eines am Arbeitsanschluss des Ventils anliegenden Fluiddruckes genutzt wird, üblicherweise Teil eines schwingfähigen Feder-Masse-Dämpfer-Systems ist, sind solche Ventilvorrichtungen überdies inhärent anfällig gegenüber Schwingungen, die der Ventilvorrichtung von einer Druckversorgung oder einem umgebenden Fluidsystem eingeprägt werden. Dies kann das Verhalten der von der Ventilvorrichtung mit Fluid versorgten Komponenten (Zylinder, Motoren, etc.) nachteilig beeinflussen. Insbesondere bei der Interaktion mit Komponenten, die über vergleichbare mechanische Eigenfrequenzen verfügen, kann dies zur Reduktion der Lebensdauer der Ventilvorrichtung und/oder der Komponenten führen.
Ein weiterer Nachteil von Proportionalmagneten ist, dass eine Überwachung des Ventilverhaltens (Ankerposition bzw. Stellposition des Ventilkolbens oder klemmender Ventilkolben) anhand der elektrischen Schnittstellengrößen des Proportionalmagneten wegen der nahezu von einer Ankerposition unabhängigen makroskopischen elektromagnetischen Eigenschaften äußerst schwierig ist.
Schaltmagnete sind gegenüber Proportionalmagnete wesentlich effizienter und kostengünstiger, weisen jedoch eine sehr stark ausgeprägte Abhängigkeit der Magnetkraft von der Ankerposition und damit auch der Stellposition des Ventilkolbens auf. Ohne eine Positionsregelung für den Ventilkolben kann dies zu einem instabilen Ventilverhalten führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung, die mittels eines Schaltmagneten betätigbar ist, anliegenden Fluiddruck einfach und kostengünstig zu ermitteln und zu regeln.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hauptansprüche erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen davon sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Demnach wird zum einen ein Verfahren zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes und zum anderen ein Verfahren zur Regelung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes vorgeschlagen. Dabei ist ein Ventilkolben der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung der Ventilvorrichtung, aufweisend einen Schaltmagneten, bewegbar. Der am Arbeitsanschluss anliegende Fluiddruck stellt sich hierbei in Abhängigkeit einer Stellposition des Ventilkolbens innerhalb der Ventilvorrichtung ein. Beispielsweise bildet der Ventilkolben dazu den bewegbaren Teil eines Sitz- oder Schieberventils der Ventilvorrichtung, mittels dessen der am Arbeitsanschluss anliegende Fluiddruck eingestellt wird.
Im Rahmen der vorgeschlagenen Verfahren ist vorgesehen, dass sowohl die Ermittlung, als auch die Regelung des Fluiddrucks basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens erfolgt. Somit erfolgt die Ermittlung bzw. Regelung des Fluiddruckes anhand der ohnehin zur Ventilvorrichtung vorliegenden Informationen und erfordert daher ggf. kein zusätzliches Geberelement für die Stellposition des Ventilkolbens und keinen extra Drucksensor im Bereich des Arbeitsanschlusses.
So kann aus einer Messung der elektrischen Schnittstellengrößen des Schaltmagneten die Stellposition des Ventilkolbens berechnet werden. Hierzu sind zahlreiche Verfahren bekannt, beispielsweise basierend auf der Rekonstruktion der positionsabhängigen Stromaufbaudynamik des Schaltmagneten aus den transienten Verläufen der dem Schaltmagneten zugeführten elektrischen Spannung und des zugeführten elektrischen Stroms, oder aus der Schaltfrequenz und dem Tastgrad (oder, synonym, die Auswertung der Dauer der High- und Low-Phasen) bei Ansteuerung des Schaltmagneten mit einem Zweipunktregler, oder der transienten Stromamplitude bei Einprägung einer pulsbreitenmodulierten Magnetspannung in den Schaltmagneten. Aus der Stellposition des Ventilkolbens wiederum ist der am Arbeitsanschluss herrschende Fluiddruck ableitbar. Zur Regelung des Fluiddruckes kann dann entweder die ermittelte Stellposition des Ventilkolbens oder der ermittelte Fluiddruck eingesetzt werden. Vorzugsweise wird zur Regelung des Fluiddrucks ein Ist-Wert des Fluiddrucks basierend auf der Bewegungsgleichung ermittelt und in dessen Abhängigkeit der Schaltmagnet elektrisch bestromt, sodass sich ein Soll-Wert des Fluiddrucks einstellt.
Es kann daher ein kostengünstiger Schaltmagnet, auch Schaltelektromagnet genannt, statt eines Proportionalmagneten, auch Proportionalelektromagnet genannt, eingesetzt werden. Die Aktorvorrichtung weist insbesondere neben dem Schaltmagneten zur Erzeugung einer Hinbewegung des Ventilkolbens eine Rückstellfeder zur Erzeugung einer entgegengerichteten Rückbewegung des Ventilkolbens auf, d. h. eine von dem Schaltmagneten erzeugte Magnetkraft wirkt dann gegen eine Federkraft der Rückstellfeder. Bei hohen Anforderungen an die Ventildynamik kann aber auch ein zweiter Elektromagnet zur Rückstellung des Ventilkolbens eingesetzt werden, wie beispielsweise ein zweiter, gegenwirkender Schaltmagnet.
Vorzugsweise verfügt die Ventilvorrichtung über, insbesondere genau über den Arbeitsanschluss A (auch Sekundäranschluss genannt) und einen Tankanschluss T und einen Versorgungsanschluss P (auch Primäranschluss genannt), wobei sich der am Arbeitsanschluss anliegende Fluiddruck zwischen einem am Tankanschluss anliegenden Fluiddruck und einem am Versorgungsanschluss anliegenden Fluiddruck in Abhängigkeit der Stellposition des Ventilkolbens einstellt. Der Arbeitsanschluss dient hierbei zum Abgreifen des dort anliegenden Fluiddruckes von der Ventilvorrichtung, beispielsweise zur Betätigung von Hydraulikkomponenten, wie eines Hydraulikkolbens oder eines Hydraulikmotors, mittels dieses Druckes. Der Versorgungsanschluss dient dabei zur Zuführung eines Fluiddruckes zu der Ventilvorrichtung, beispielsweise von einer Fluidpumpe oder einem Druckspeicher oder einem vorgeschalteten Druckregel- bzw. Druckbegrenzungsventil. Der Tankanschluss dient demgegenüber zum Abführen eines Fluiddruckes von der Ventilvorrichtung zu einem Fluidreservoir (Fluidtank). Der am Tankanschluss anliegende Fluiddruck bildet hierbei die Untergrenze für den am Arbeitsanschluss einstellbaren Fluiddruck, während der am Versorgungsanschluss anliegende Fluiddruck die Obergrenze für den am Arbeitsanschluss einstellbaren Fluiddruck darstellt.
Bei der Ventilvorrichtung handelt es sich dementsprechend insbesondere um eine 3/2-Wegeventilvorrichtung. Diese kann insbesondere in Schieber- oder Sitzbauweise ausgeführt sein. Vorzugsweise verfügt die Ventilvorrichtung über ein erstes und ein zweites Teilventil, insbesondere jeweils ein Sitzventil oder Schieberventil (Längsschieberventil oder Drehschieberventil), welche durch den Ventilkolben gegenläufig zueinander betätigt werden; also als hydraulische Halbbrücke. Das heißt, das erste Teilventil wird durch den Ventilkolben geöffnet und gleichzeitig das zweite Teilventil geschlossen, und umgekehrt. Der Arbeitsanschluss ist dabei fluidtechnisch zwischen dem ersten und zweiten Teilventil angeordnet, während der Versorgungsanschluss fluidtechnisch vor dem ersten Teilventil angeordnet ist und der Tankanschluss fluidtechnisch hinter dem zweiten Teilventil angeordnet ist. Somit stellt sich je nach Stellposition des Ventilkolbens am Arbeitsanschluss eine Höhe des Fluiddrucks ein, die zwischen der Höhe des Fluiddrucks am Versorgungsanschluss und zwischen der Höhe des Fluiddrucks am Tankanschluss liegt. Die vorgeschlagenen Verfahren können auch bei Ventilvorrichtungen mit mehreren Arbeitsanschlüssen eingesetzt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Regelung bzw. Ermittlung des am Arbeitsanschluss anliegenden Fluiddruckes auf Basis der Bewegungsgleichung:
Dabei repräsentieren:
m = eine vom Schaltmagneten beschleunigte Masse zur Bewegung des Ventilkolbens,
x = Stellposition des Ventilkolbens innerhalb seines Bewegungsspielraums in der Ventilvorrichtung,
i = dem Schalmagneten zugeführter elektrischer Strom,
= Beschleunigung des Ventilkolbens,
dx / dt = Geschwindigkeit des Ventilkolbens,
ϑ = Temperatur des Fluids,
kP(x) × pP = von der Stellposition des Ventilkolbens abhängige, auf den Ventilkolben am Versorgungsanschluss P wirkende Kraft des (dortigen) Fluiddruckes,
kA(x) × pA = von der Stellposition des Ventilkolbens abhängige, auf den Ventilkolben am Arbeitsanschluss A wirkende Kraft des (dortigen) Fluiddruckes,
kT(x) × pT = von der Stellposition des Ventilkolbens abhängige, auf den Ventilkolben am Tankanschluss T wirkende Kraft des (dortigen) Fluiddruckes, wobei
pT, pA, pT = die Fluiddrücke an dem Versorgungsanschluss P, Arbeitsanschluss A, Tankanschluss T, und
kA(x), kP(x), kT(x) = von der Stellposition des Ventilkolbens abhängige Verstärkungsfaktoren,
fctrl(x, i) = auf den Ventilkolben durch die Aktorvorrichtung wirkende stellpositions- und stellgrößenabhängige Kraft (beispielsweise Summe aus einer Magnet- und Federkraft),
fr( dx / dt, ϑ) = auf den Ventilkolben wirkende geschwindigkeits- und temperaturabhängige Reibungskraft.
Entsprechendes gilt für eine Ventilvorrichtung mit rotatorisch bewegtem Ventilkolben, wie beispielsweise bei einem Drehschieberventil. Hier treten in der oben angegebenen Bewegungsgleichung die Kräfte als Drehmomente am Ventilkolben in Erscheinung und die Stellposition des Ventilkolbens wird durch den Drehwinkel gebildet. Des weiteren wird die Kolbengeschwindigkeit durch eine Winkelgeschwindigkeit des Ventilkolbens und die Kolbenbeschleunigung durch eine Drehbeschleunigung des Ventilkolbens gebildet.
Bei der vom Schaltmagneten beschleunigten Masse m zur Bewegung des Ventilkolbens handelt es sich beispielsweise um die Summe der Massen eines Magnetankers und des Ventilkolbens sowie, sofern vorhanden, daran befestigte bzw. mitbewegte Anbauteile.
Bei dem elektrischen Strom i handelt es sich insbesondere um einen durch eine Magnetspule des Schaltmagneten geführten elektrischen Strom zur Erzeugung einer Magnetkraft, mittels dessen der Ventilkolben bewegt wird.
Die Verstärkungsfaktoren kA(x), kP(x), kT(x) resultieren insbesondere aus einer Richtungsänderung des Fluids beim Durchströmen der Ventilvorrichtung (quasistationäre Strömungskräfte). Der Verstärkungsfaktor kA(x) berücksichtig dabei insbesondere eine konstruktiv vorhandene Rückwirkung des Fluiddruckes pA auf den Ventilkolben, wie sie üblicherweise bei Druckregelventilen vorgesehen ist. Eine derartige Rückwirkung ist aber nicht zwingend erforderlich.
Sofern mehr als ein Arbeitsanschluss vorgesehen ist, kann die Bewegungsgleichung je weiterem Arbeitsanschluss um einen Term in der Form von kY(x) × pY erweitert werden, wobei pY = der Fluiddruck an dem jeweiligen weiteren Arbeitsanschluss ist und kY(x) ein von der Stellposition des Ventilkolbens abhängiger Verstärkungsfaktor, resultierend insbesondere aus einer Richtungsänderung des Fluids beim Durchströmen der Ventilvorrichtung und eventuell auch aus einer Rückführung des Fluiddruckes pY auf eine damit druckbeaufschlagte Fläche am Ventilkolben.
Die von der Kolbengeschwindigkeit dx / dt und der Fluidtemperatur ϑ abhängige Funktion fr berücksichtigt die auf den Ventilkolben wirkende Reibung innerhalb der Ventilvorrichtung während er eine Stellbewegung durchführt. Darin enthalten ist somit nicht nur die Reibung am Ventilkolben selbst, sondern auch noch andere möglichweise vorhandene Reibungsstellen in der Ventilvorrichtung, beispielsweise an einer Führung für den Magnetanker des Schaltmagneten. Die Berücksichtigung der Fluidtemperatur ϑ trägt insbesondere einer üblicherweise stark temperaturabhängigen Fluidviskosität Rechnung.
Die Fluidtemperatur ϑ wird in fluidischen Systemen häufig bereits messtechnisch erfasst, beispielsweise zur Realisierung von Schutzfunktionen wie etwa einer Abschaltung bei Übertemperatur. In diesem Fall kann das ohnehin vorhandene Temperatursignal zur Berücksichtigung in fr zugeführt werden. Alternativ kann die Fluidtemperatur von der Ventilvorrichtung selbst ermittelt werden, beispielsweise durch einen an oder in der Nähe der Ventilvorrichtung angebrachten Sensor für die Fluidtemperatur, oder durch Schätzung der Fluidtemperatur aus der Gehäusetemperatur der Ventilvorrichtung mittels eines Gehäusetemperatursensor oder durch Schätzung der Fluidtemperatur aus dem elektrischen Widerstand der Magnetspule, insbesondere auch unter Nutzung der zugeführten Joule'schen Heizleistung (Produkt aus elektrischer Spannung und elektrischem Strom) des bzw. der Elektromagnete des Schaltmagneten.
Sofern die Temperaturabhängigkeit der Reibkraft im relevanten Arbeitsbereich der Ventilvorrichtung hinreichend klein im Vergleich zu den übrigen Kräften und Scheinkräften in der oben angegebenen Bewegungsgleichung ist oder die Anforderungen an die dynamische Regelgenauigkeit nicht zu hoch sind, kann auf die Messung bzw. Schätzung der Fluidtemperatur im Betrieb erfindungsgemäß auch verzichtet werden. In diesem Fall bleibt bei der Berechnung der Reibkraft in der Bewegungsgleichung die Temperaturabhängigkeit unberücksichtigt, d. h., die Reibung wird in der Bewegungsgleichung lediglich als Summand fr( dx / dt) berücksichtigt.
Insbesondere die Zusammenhänge fctrl, kA, kP, kT, fr sowie die beschleunigte Masse m können aus der Ventilgeometrie sowie den Eigenschaften der verwendeten Komponenten (beispielsweise Federsteifigkeiten, Dichte und Viskosität des Fluids) selbst und/oder anhand von Versuchsreihen an einzelnen Exemplaren der Ventilvorrichtung repräsentativ für die gesamte Baureihe ermittelt und als bekannt vorausgesetzt werden. Die Stellposition des Ventilkolbens kann an der Ventilvorrichtung erfasst werden, beispielsweise mit einem dedizierten Positionssensor an dem Ventilkolben bzw. an einem Magnetanker des Schaltmagneten oder, wie oben erläutert, aus den elektrischen Schnittstellengrößen des Schaltmagneten, wie insbesondere aus dem der Magnetspule des Schaltmagneten zugeführten elektrischen Strom und ggf. der anliegenden Spannung, oder mit Hilfe einer geeigneten elektrischen Schaltung oder mit einem modellbasierten Berechnungsverfahren. Die Verwendung elektrischer Schnittstellengrößen zur Positionsermittlung ist bei dem hier verwendeten Schaltmagneten problemlos möglich, da Schaltmagnete im Gegensatz zu Proportionalmagneten nicht über die eingangs erläuterten, von einer Ankerposition nahezu unabhängigen makroskopischen elektromagnetischen Eigenschaften verfügen.
Vorzugsweise werden bei der Ermittlung bzw. Regelung des Fluiddruckes neben der Fluidtemperatur ϑ keine oder eine oder mehrere weitere Größen der Bewegungsgleichung des Ventilkolbens vernachlässigt. So können insbesondere Schätzwerte bzw. bestimmte Annahmen für die Fluiddrücke am Versorgungsanschluss P(pP) und Tankanschluss T(pT) verwendet werden. Beispielsweise kann näherungsweise pT = 0 angenommen werden, wenn der Tankanschluss zu einem belüfteten Fluidreservoir führt und daher unter Umgebungsdruck, also Relativdruck = 0, steht. Der Fluiddruck pP wird häufig durch ein der Ventilvorrichtung vorgeschaltetes spezielles Druckregelventil oder direkt durch eine Pumpe gezielt eingestellt und ist dann ebenso zumindest näherungsweise bekannt.
Somit ist der Fluiddruck am Arbeitsanschluss pA in der Bewegungsgleichung beobachtbar und kann folglich prinzipiell aus den bekannten Größen stabil rekonstruiert werden. Sind des Weiteren der bzw. die dem Schaltmagnet zugeführten elektrischen Ströme i sowie die Fluiddrücke pP und pT näherungsweise unabhängig von pA und können somit als (eventuell zeitlich veränderliche, aber wie eben beschrieben) bekannte Parameter der Bewegungsgleichung angenommen werden, so ist die Bewegungsgleichung differentiell flach mit dem flachen Ausgang x.
Daher kann mit üblichen regelungstechnischen Verfahren ein Regler für den Fluiddruck am Arbeitsanschluss pA basierend auf der Bewegungsgleichung verwendet werden, beispielsweise ein flachheitsbasierter Trajektorienfolgeregler mit Beobachter für die Kolbengeschwindigkeit dx / dt und den Fluiddruck am Arbeitsanschluss pA.
Die Dynamik des geschlossenen Regelkreises kann in weiten Stücken variiert werden, so dass eine einfache Anpassung an verschiedenste hydraulische Lasten/Verbraucher möglich ist. Beispielsweise kann bei schwach gedämpften schwingfähigen hydraulischen Lasten/Verbraucher dafür gesorgt werden, dass kritische Frequenzen unterdrückt oder lediglich schwach angeregt werden. Hierzu können im Regelkreis auch Modellannahmen des hydraulischen Verbrauchers bzw. der hydraulischen Last genutzt werden.
Insbesondere können Reglerparameter und eine Reglerstruktur während des Betriebs verändert werden, um beispielsweise arbeitspunktabhängige Eigendynamiken der hydraulischen Last bzw. des hydraulischen Verbrauchers gerecht zu werden. Beispielsweise können berücksichtigt werden:

• eine arbeitspunktabhängig variierende Fluidsteifigkeit, hervorgerufen durch eine nicht zu vernachlässigende Menge im Fluid enthaltener, nicht gelöster Luft oder eines anderen Gases, und/oder
• eine sich nahezu diskontinuierlich ändernde Steifigkeit des hydraulischen Verbrauchers/Last bei Erreichen eines mechanischen Endanschlags (etwa beim Komprimieren einer federvorgespannten Reibkupplung oder -bremse), und/oder
• eine temperaturabhängige Dämpfung infolge einer variierenden Fluidviskosität.

Hierzu können im Regelkreis auch entsprechende Kennlinien oder Kennfelder, die die Dynamik des hydraulischen Verbrauchers/der hydraulischen Last beschreiben, hinterlegt sein, oder es können die arbeitspunktabhängigen Reglerparameter in Form von Kennlinien oder Kennfeldern hinterlegt sein.
Sind die Fluiddrücke pP und pT nur ungenau bekannt, so kann konstruktiv in der Ventilvorrichtung dafür gesorgt werden, beispielsweise durch Rückkopplung des Fluiddruckes am Arbeitsanschluss über eine hinreichend große druckwirksame Fläche auf den Ventilkolben, dass kA(x) im Arbeitsbereich der Ventilvorrichtung wesentlich größer als kP(x) und kT(x) ist und letztere daher vernachlässigbar sind. Daraus ergibt sich aus der obigen Bewegungsgleichung die vereinfachte Bewegungsgleichung:
Sie ist also vom Fluiddruck am Versorgungs- und Tankanschluss unabhängig. Folglich wird die auf den Ventilkolben am Versorgungsanschluss wirkende Kraft des Fluiddruckes und die auf den Ventilkolben am Arbeitsanschluss wirkende Kraft des Fluiddruckes vernachlässigt.
Vorgeschlagen wird auch eine Druckermittlungsvorrichtung mit einem Ermittlungsmodul zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, wobei ein Ventilkolben der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung der Ventilvorrichtung, aufweisend einen Schaltmagneten, bewegbar ist und wobei sich der am Arbeitsanschluss anliegende Fluiddruck in Abhängigkeit der Stellposition des Ventilkolbens einstellt. Dabei ist das Ermittlungsmodul dazu ausgeführt ist, den Fluiddruck basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens zu ermitteln. Hierbei wird bevorzugt die oben genannte Bewegungsgleichung oder vereinfachte Bewegungsgleichung eingesetzt. Diese bzw. eine davon abgeleitete Form kann dabei in dem Ermittlungsmodul hinterlegt, also gespeichert sein.
Vorzugsweise sind in dem Ermittlungsmodul sowohl die von der Stellposition des Ventilkolbens abhängigen Verstärkungsfaktoren kA(x), kP(x), kT(x), als auch die auf den Ventilkolben durch die Aktorvorrichtung wirkende stellpositions- und stellgrößenabhängige Kraft fctrl(x, i) sowie die auf den Ventilkolben wirkende geschwindigkeits- und ggf. von der Fluidtemperatur abhängige Reibungskraft fr( dx / dt, ϑ) hinterlegt ist. Diese können wie oben erläutert anhand von Versuchen etc. (vorab) ermittelt worden sein. Sie können insbesondere in Form von Kennlinien oder Kennfeldern im Ermittlungsmodul hinterlegt sein. Auch hier kann, wie oben erläutert, ggf. die Temperaturabhängigkeit der Reibungskraft vernachlässigt werden, diese also lediglich in der Form fr( dx / dt) berücksichtigt werden. Sofern die Fluidtemperatur bei der Berechnung der Reibung genutzt werden soll, kann beispielsweise, wie oben beschrieben, ein ohnehin im fluidischen System vorliegendes Temperatursignal genutzt werden, die Ventilvorrichtung einen eigenen Temperatursensor besitzen oder der elektrische Widerstand der Magnetspule(n) als Sensorinformation genutzt werden, auch unter Einbeziehung der zugeführten Joule'schen Heizleistung.
Bei der Ventilvorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Hydraulikventilvorrichtung. Insbesondere wird diese in einem Fahrzeuggetriebe eingesetzt, beispielsweise zur Beaufschlagung einer Kupplung oder Bremse des Fahrzeuggetriebes mit einem hydraulischen Druck. Hierzu ist die Kupplung oder Bremse mit dem Arbeitsanschluss fluidtechnisch gekoppelt und wird durch den dort anliegenden Druck betätigt. Die Erfindung umfasst daher auch ein Fahrzeuggetriebe, insbesondere Fahrzeugautomatikgetriebe, mit der Druckermittlungsvorrichtung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert, aus welcher weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung entnehmbar sind. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Ventilvorrichtung sowie eine damit gekoppelte Druckermittlungsvorrichtung mit Ermittlungsmodul in schematischer Darstellung.
Die Ventilvorrichtung verfügt über einen Arbeitsanschluss A und einen Tankanschluss T sowie einen Versorgungsanschluss P. Am Versorgungsanschluss P liegt ein Versorgungsdruck, der über einem Umgebungsdruck liegt, an. Hierzu ist der Versorgungsanschluss P fluidtechnisch mit einer Druckquelle, wie beispielsweise einem Kompressor bzw. einer Pumpe, einem Druckspeicher oder einem vorgeschalteten Druckregel- bzw. Druckbegrenzungsventil, verbunden. Am Tankanschluss T liegt ein Tankdruck an, der üblicherweise auf Umgebungsdruckniveau liegt. Hierzu ist der Tankanschluss T fluidtechnisch mit einem Tank bzw. Fluidreservoir verbunden. Am Arbeitsanschluss A liegt ein von der Ventilvorrichtung eingestellter Arbeitsdruck an. Dieser befindet sich zwischen dem Tankanschluss T anliegenden Fluiddruck und dem am Versorgungsanschluss P anliegenden Fluiddruck. Über den Arbeitsanschluss A sind fluidtechnische Komponenten gezielt mit dem dortigen Fluiddruck versorgbar bzw. ansteuerbar, beispielsweise ein Hydraulikkolben oder -motor.
Die Ventilvorrichtung verfügt über ein erstes Teilventil 1 und ein zweites Teilventil 2. Diese sind vorliegend als Sitzventile ausgeführt. Eines oder beide davon können auch als Schieberventil, also als Längs- oder Drehschieberventil, ausgeführt sein. Sie arbeiten gegenläufig, also als hydraulische Halbbrücke. Hierzu verfügt die Ventilvorrichtung über einen Ventilkolben 3 mittels dessen die Teilventile 1, 2 betätigt werden, d. h. mittels diesem sind Schließkörper 1a, 2a bewegbar und dadurch die Teilventile 1, 2 öffenbar und schließbar. Gegenläufig bedeutet, dass das erste Teilventil 1 durch den Ventilkolben 3 geöffnet wird, während gleichzeitig das zweite Teilventil 2 geschlossen wird, und umgekehrt. Die Stellposition x des Ventilkolbens 3 bestimmt dabei die Öffnungsweiten der Teilventils 1, 2.
Der Arbeitsanschluss A ist fluidtechnisch zwischen dem ersten und zweiten Teilventil 1, 2 angeordnet, während der Versorgungsanschluss P fluidtechnisch vor, d. h. stromaufwärts zu, dem ersten Teilventil 1 angeordnet ist und der Tankanschluss T fluidtechnisch hinter, d. h. stromabwärts zu, dem zweiten Teilventil 2 angeordnet ist. Somit stellt sich je nach Stellposition x des Ventilkolbens 3 (= Positionsgröße) am Arbeitsanschluss A ein Fluiddruck ein, der zwischen dem Fluiddruck am Versorgungsanschluss P und dem Fluiddruck am Tankanschluss T liegt.
Zur Bewegung des Ventilkolbens 3 verfügt die Ventilvorrichtung über eine elektromagnetische Aktorvorrichtung. Diese weist vorliegend einen Schaltmagneten 4 und eine Rückstellfeder 5 auf. Statt einer Rückstellfeder 5 kann auch beispielsweise ein zweiter Schaltmagnet vorgesehen sein. Der Schaltmagnet 4 weist ein Magnetjoch bzw. Magnetkörper 4a und einen relativ dazu bewegbaren Magnetanker 4b sowie eine Magnetspule 4c auf. Der Ventilkolben 3 ist so mit dem Magnetanker 4b gekoppelt, dass eine Bewegung des Magnetankers 4b eine entsprechende Bewegung des Ventilkolbens 3 bewirkt. Durch elektrische Bestromung der Magnetspule mit einem elektrischen Strom i unter einer elektrischen Spannung U (elektrische Stellgrößen) wird in dem Schaltmagneten 4 ein magnetisches Feld erzeugt, welches eine bestimmte Magnetkraft F_M auf den Magnetanker 4b und damit auf den Ventilkolben 3 bewirkt. Die Rückstellfeder 5 erzeugt bei einer Auslenkung des Magnetankers 4b bzw. des Ventilkolbens 3 eine entgegengerichtete Federkraft F_F. Die Kräfte F_F und F_M in Summe bilden die von der elektromagnetischen Aktorvorrichtung auf den Ventilkolben 3 aufgebrachte Kraft.
Der Fluiddruck am Tankanschluss T bewirkt in Verbindung mit der dort wirksamen Fläche des Schließkörpers 2a eine Kraft F_T in Schließrichtung des zweiten Teilventils 2. Der Fluiddruck am Arbeitsanschluss A bewirkt in Verbindung mit der dort wirksamen Fläche des Schließkörpers 1a eine Kraft F_A1 in Öffnungsrichtung des ersten Teilventils 1. Der Fluiddruck am Arbeitsanschluss A bewirkt in Verbindung mit der dort wirksamen Fläche des Schließkörpers 2a auch eine Kraft F_A2 in Öffnungsrichtung des zweiten Teilventils 2. Der Fluiddruck am Versorgungsanschluss P bewirkt in Verbindung mit der dort wirksamen Fläche des Schließkörpers 1a eine Kraft F_P in Schließrichtung des ersten Teilventils 1.
Hinzu kommen dynamische Kräfte, wie eine resultierende Reibkraft F_R, bedingt durch die Reibung der Ventilvorrichtung während einer Bewegung des Ventilkolbens 3, sowie eine resultierende Massenkraft F_m in der Ventilvorrichtung bei einer Beschleunigung des Ventilkolbens 3, bedingt durch die dabei beschleunigte Masse der Ventilvorrichtung.
Durch die vorstehend genannten Kräfte stellt sich ein Kräftegleichgewicht am Ventilkolben 3 ein, welches bewirkt, dass dieser eine bestimmte Stellposition x einnimmt. In Verbindung mit den damit verbundenen Öffnungsweiten der Schließkörper 1a, 2a bzw. Teilventile 1, 2 ergibt sich daraus ein bestimmter Fluiddruck am Arbeitsanschluss A.
Das Kräftegleichgewicht am Ventilkolben 3 spiegelt sich in der oben aufgezeigten Bewegungsgleichung des Ventilkolbens 3 wieder. Dabei bilden:
F_M + F_F = fctrl(x, i), F_R = fr( dx / dt, ϑ), F_T = kT(x) × pT, F_A = F_A1 + F_A2 = kA(x) × pA, F_P = kP(x) × pP.
Aus der Bewegungsgleichung sowie den bekannten, ermittelten und/oder vorgegebenen Größen der Ventilvorrichtung lässt sich damit der Fluiddruck pA am Arbeitsanschluss A bestimmen.
Vorliegend ist die Ventilvorrichtung normally-closed ausgeführt. D. h. bei keiner elektrischen Bestromung des Schaltmagneten 4 und damit keiner Auslenkung des Ventilkolbens 3 ist die Ventilvorrichtung seitens des Versorgungsanschlusses P maximal geschlossen (= Teilventil 1 voll geschlossen) und seitens des Tankanschlusses T ist sie maximal geöffnet (= Teilventil 2 voll geöffnet). Das Druckniveau am Arbeitsanschluss A entspricht also dem Druckniveau am Tankanschluss T. Eine elektrische Bestromung des Schaltmagneten 4 bewirkt also ein Öffnen der Ventilvorrichtung seitens des Versorgungsanschlusses P und Schließen seitens des Tankanschlusses T, was mit einem Anstieg des Druckniveaus am Arbeitsanschluss A verbunden ist.
Die Ventilvorrichtung kann allerdings auch normally-opened ausgeführt sein. D. h. die Komponenten 1, 2, 3, 4, 5 sind so angeordnet, dass bei keiner elektrischen Bestromung des Schaltmagneten 4 und damit keiner Auslenkung des Ventilkolbens 3 die Ventilvorrichtung seitens des Versorgungsanschlusses P maximal geöffnet ist (= Teilventil 1 voll geöffnet) und seitens des Tankanschlusses T maximal geschlossen ist (= Teilventil 2 voll geschlossen). Das Druckniveau am Arbeitsanschluss A entspricht dann also dem Druckniveau am Versorgungsanschluss P. Eine elektrische Bestromung des Schaltmagneten 4 bewirkt also ein Schließen der Ventilvorrichtung seitens des Versorgungsanschlusses P und ein Öffnen seitens des Tankanschlusses T, was mit einem Abfallen des Druckniveaus am Arbeitsanschluss A verbunden ist.
Gemäß der Figur ist auch eine Druckermittlungsvorrichtung 6 vorgesehen, welche über ein Ermittlungsmodul 6a verfügt. Das Ermittlungsmodul 6a ist dazu ausgeführt, den Fluiddruck am Arbeitsanschluss A basierend auf der Bewegungsgleichung des Ventilkolbens 3 zu ermitteln. Hierzu sind darin sowohl die von der Stellposition x des Ventilkolbens 3 abhängigen Verstärkungsfaktoren, als auch die auf den Ventilkolben 3 durch die Aktorvorrichtung wirkende positions- und stellgrößenabhängige Kraft (F_M + F_F), als auch die auf den Ventilkolben 3 wirkende geschwindigkeits- und fluidtemperaturabhängige Reibungskraft (F_R) hinterlegt. Hierzu kann das Ermittlungsmodul 6a auch den dem Schaltmagnet 4 zugeführten elektrische Strom i sowie die elektrische Spannung U bestimmen.
Zur Ermittlung der positionsabhängigen Kräfte kann die Ventilvorrichtung mit einem dedizierten Positionssensor für die Stellposition x des Ventilkolbens 3 versehen sein. In diesem Fall wird dem Ermittlungsmodul 6a das Positionssignal dieses Positionssensors zugeführt. Alternativ kann das Ermittlungsmodul 6a die Stellposition x anderweitig ermitteln, beispielsweise aus den transienten Verläufen des elektrischen Stroms i und der elektrischen Spannung U, die an der Magnetspule 4c des Schaltmagneten 4 anliegen bzw. darüber geführt werden, berechnen.
Durch die Druckermittlungsvorrichtung 6 ist ein Ist-Wert des am Arbeitsanschluss A anliegenden Fluiddruckes ermittelbar. Dieser Wert kann einer Regelung bzw. Regelkreise zugeführt werden, um den Fluiddruck auf einen Soll-Wert einzuregeln, beispielsweise indem der elektrische Strom i entsprechend erhöht oder abgesenkt wird oder eine Pulsweitenmodulation des Stromes i bzw. der Spannung U angepasst wird. Die Druckermittlungsvorrichtung kann demnach Teil einer Regelungsvorrichtung für den am Arbeitsanschluss A anliegenden Fluiddruck sein.
Bezugszeichenliste

1: Teilventil
1a: Schließkörper
2: Teilventil
2a: Schließkörper
3: Ventilkolben
4: Schaltmagnet
4a: Magnetkörper/Magnetjoch
4b: Magnetanker
4c: Magnetspule
5: Rückstellfeder
6: Druckermittlungsvorrichtung
6a: Ermittlungsmodul
A: Arbeitsanschluss
F_x: Kraft, mit X = A1, A2, M, F, R, P, T, m
i: elektrischer Strom
U: elektrische Spannung
P: Versorgungsanschluss
T: Tankanschluss
x: Stellposition

Claims

Verfahren zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss (A) einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, wobei ein Ventilkolben (3) der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (4, 5) der Ventilvorrichtung, aufweisend einen Schaltmagneten (4), bewegbar ist, und sich der am Arbeitsanschluss (A) anliegende Fluiddruck in Abhängigkeit einer Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluiddruck basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens (3) ermittelt wird.
Verfahren zur Regelung des an einem Arbeitsanschluss (A) einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, wobei ein Ventilkolben (3) der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (4, 5) der Ventilvorrichtung, aufweisend einen Schaltmagneten (4), bewegbar ist, und sich der am Arbeitsanschluss (A) anliegende Fluiddruck in Abhängigkeit einer Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Ist-Wert des Fluiddrucks gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 ermittelt wird und in dessen Abhängigkeit der Schaltmagnet (4) elektrisch bestromt wird, sodass sich ein Soll-Wert des Fluiddrucks einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ventilvorrichtung über den Arbeitsanschluss (A) und einen Tankanschluss (T) und einen Versorgungsanschluss (P) verfügt, wobei sich der am Arbeitsanschluss (A) anliegende Fluiddruck zwischen einem am Tankanschluss (T) anliegenden Fluiddruck und einem am Versorgungsanschluss (P) anliegenden Fluiddruck in Abhängigkeit der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fluiddruck basierend auf der Bewegungleichung des Ventilkolbens (3)
ermittelt oder geregelt wird, wobei: m = vom Schaltmagneten (4) beschleunigte Masse zur Bewegung des Ventilkolbens (3), x = Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) innerhalb seines Bewegungsspielraums in der Ventilvorrichtung, i = dem Schalmagneten (4) zugeführter elektrischer Strom,
= Beschleunigung des Ventilkolbens (3), dx / dt = Geschwindigkeit des Ventilkolbens (3), ϑ = Temperatur des Fluids, kP(x) × pP = von der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) abhängige, auf den Ventilkolben (3) am Versorgungsanschluss (P) wirkende Kraft (F_P) des dortigen Fluiddruckes, kA(x) × pA = von der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) abhängige, auf den Ventilkolben (3) am Arbeitsanschluss (A) wirkende Kraft (P_A1, F_A2) des dortigen Fluiddruckes, kT(x) × pT = von der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) abhängige, auf den Ventilkolben (3) am Tankanschluss (T) wirkende Kraft (F_T) des dortigen Fluiddruckes, wobei pT, pA, pT = Fluiddrücke an dem Versorgungsanschluss (P), Arbeitsanschluss (A), Tankanschluss (T), und kA(x), kP(x), kT(x) = von der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) abhängige Verstärkungsfaktoren, fctrl(x, i) = auf den Ventilkolben (3) durch die Aktorvorrichtung (4, 5) wirkende stellpositions- und stellgrößenabhängige Kraft (F_F, F_M), fr( dx / dt, ϑ) = auf den Ventilkolben (3) wirkende geschwindigkeits- und fluidtemperaturabhängige Reibungskraft (F_R).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine oder mehrere Größen der Bewegungsgleichung des Ventilkolbens (3) vernachlässigt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine auf den Ventilkolben (3) am Versorgungsanschluss (P) wirkende Kraft (F_P) des Fluiddruckes und eine auf den Ventilkolben (3) am Arbeitsanschluss (F_A1, F_A2) wirkende Kraft des Fluiddruckes vernachlässigt werden.
Druckermittlungsvorrichtung (6) mit einem Ermittlungsmodul (6a) zur Ermittlung des an einem Arbeitsanschluss (A) einer Ventilvorrichtung anliegenden Fluiddruckes, bei dem ein Ventilkolben (3) der Ventilvorrichtung mittels einer elektromagnetischen Aktorvorrichtung (4, 5) der Ventilvorrichtung, aufweisend einen Schaltmagneten (4), bewegbar ist, wobei sich der am Arbeitsanschluss (A) anliegende Fluiddruck in Abhängigkeit der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermittlungsmodul (6a) dazu ausgeführt ist, den Fluiddruck basierend auf einer Bewegungsgleichung des Ventilkolbens (3) zu ermitteln.
Druckermittlungsvorrichtung (6) nach Anspruch 8, wobei in dem Ermittlungsmodul (6a) sowohl von der Stellposition (x) des Ventilkolbens (3) abhängige Verstärkungsfaktoren, als auch eine auf den Ventilkolben (3) durch die Aktorvorrichtung (4, 5) wirkende stellpositions- und stellgrößenabhängige Kraft (F_M, F_F), als auch eine auf den Ventilkolben wirkende geschwindigkeits- und fluidtemperaturabhängige Reibungskraft (F_R) hinterlegt sind, insbesondere in Form von Kennlinien oder Kennfelder.
Fahrzeuggetriebe mit einer Druckermittlungsvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.