DE102016218197A1

DE102016218197A1 - Hydrostatischer Drehwerkantrieb und Verfahren zur Steuerung des hydrostatischen Drehwerkantriebes

Info

Publication number: DE102016218197A1
Application number: DE102016218197.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Stangl; Christian Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-03-22
Also published as: KR20180032510A

Abstract

Offenbart ist ein hydrostatischer Drehwerksantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine mit einem Unterwagen und einem dagegen drehbaren Oberwagen, wobei der Antrieb über Arbeitsleitungen in einem geschlossenen hydraulischen Kreis fluidisch verbundene Hydromaschinen hat, von denen eine erste zur Aufnahme von mechanischer Antriebsleistung mit einer Antriebsmaschine der mobilen Arbeitsmaschine koppelbar ist und eine zweite zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen dem Unterwagen und dem Oberwagen einerseits mit dem Unterwagen und andererseits mit dem Oberwagen koppelbar ist, wobei zur Änderung einer Drehgeschwindigkeit und/oder einer Drehposition des Oberwagens wenigstens eine der Hydromaschinen ein verstellbares Verdrängungsvolumen und eine zugeordnete Verstelleinrichtung aufweist und ein Sollwertgeber für die Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition vorgesehen ist, dessen Sollwert über eine Steuereinrichtung des Antriebs in ein dem Verdrängungsvolumen zugeordnetes Sollwertsignal der Verstelleinrichtung wandelbar ist. Offenbart ist weiterhin ein Steuerverfahren für den Antrieb.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydrostatischen Drehwerkantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung gemäß dem Patentanspruch 9.
Ein gattungsgemäßer Drehwerkantrieb ist beispielsweise in einer mobilen Arbeitsmaschine, insbesondere einem Bagger oder Kran eingesetzt. Eine solche Arbeitsmaschine hat beispielsweise einen mobilen Unterwagen mit einem Fahrantrieb, an dem oberseitig ein relativbeweglicher Oberwagen angeordnet ist. Die relative Drehbewegung wird dabei über den hydrostatischen Drehwerkantrieb ermöglicht. Dieser weist zwei im geschlossenen Kreis angeordnete Hydromaschinen, von denen eine erste überwiegend als Hydropumpe und die zweite überwiegend als Hydromotor arbeitet, auf. Häufig sind die Hydropumpe mit verstellbarem Verdrängungsvolumen und der Hydromotor mit konstantem Verdrängungsvolumen ausgestaltet.
Gattungsgemäße Drehwerksantriebe im geschlossenen Kreis zeigen beispielsweise die Patentschriften DE 44 20 704 C2 und DE 196 20 664 C1 .
Da am Oberwagen meist ein Ausleger oder Stiel mit einem Aufnahme- oder Greifwerkzeug zum Bewegen einer Last angeordnet ist, hat der Oberwagen ein hohes Massenträgheitsmoment. Bei Betrieb des Drehwerks erweisen sich somit Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge als Herausforderung, da sie eine hohe Belastung des gesamten hydraulischen Systems und der daran gekoppelten mechanischen Strukturen darstellen können. Somit sind ein sanftes Beschleunigen und Abbremsen des Oberwagens über das Drehwerk immer eine Anforderung, um neben dem damit begründbaren Bedienkomfort auch die Sicherheit zu gewährleisten.
In der Regel wird die Geschwindigkeit des Drehwerks über einen Sollwertgeber, beispielsweise in Form eines Joysticks, als Fahrerwunsch ins System eingegeben. Daraufhin wird eine Verstelleinrichtung angesteuert, über das das Verdrängungsvolumen der verstellbaren Hydropumpe veränderbar ist. Um in Situationen wie Lastwechseln oder dem Arbeiten am Hang eine Überlastung durch zu schnelles Beschleunigen oder Abbremsen zu vermeiden, zeigt die Druckschrift DE 44 20 704 C2 eine Lösung, bei der das Sollwertsignal des Joysticks an die Verstelleinrichtung von den Arbeitsdrücken des hydraulischen Kreises der beiden Hydromaschinen übersteuerbar ist. Die beiden Signale „Druckdifferenz des Steuerdrucks am Joystick“ und „Druckdifferenz der Arbeitsdrücke in den Arbeitsleitungen“ werden dabei am Stellkolben eines Steuerventils überlagert, so dass Betriebssituationen „Beschleunigen“ und „Abbremsen“ des Drehwerks sanfter erfolgen.
Nachteilig hierbei ist, dass in Stillstandssituationen des Drehwerks beim Arbeiten am Hang, in denen das Sollwertsignal des Joysticks gleich null oder neutral ist, ein Abdriften des Oberwagens durch die einwirkende Schwerkraft nicht verhindert ist.
Eine ähnliche Lösung zeigt die Druckschrift DE 196 20 664 . Hier sind zwei Steuerventile vorgesehen, die vom Sollwertsignal des Joysticks, einem Steuerdruck, beaufschlagt sind. Jede der Arbeitsleitungen ist dabei jeweils einem der Steuerventile zugeordnet, wobei der darin herrschende Arbeitsdruck eine steuernde Funktion am Steuerventil entgegen dem Steuerdruck ausübt. Auf diese Weise können in bestimmten Betriebszuständen, insbesondere beim Arbeiten am Hang, die in den Arbeitsleitungen herrschenden Hoch- und Niederdrücke Einfluss auf die Verstellung des Verdrängungsvolumens der Hydropumpe nehmen. Auch hier ist dadurch die Verstellung des Verdrängungsvolumens der Hydropumpe nicht nur vom Sollwertsignal des Joysticks, sondern auch von den die aktuelle Arbeitssituation repräsentierenden Arbeitsdrücken abhängig. Auf diese Weise ist zum einen ein sanftes Abbremsen aber auch alternativ ein zügiges Abbremsen realisiert. Nachteilig ist auch hier, dass beim Arbeiten am Hang, insbesondere beim Halten einer speziellen Position (Stillstand des Drehwerks), das genannte Abdriften des Oberwagens durch Leckage nicht verhindert ist.
Die Druckschrift US 7 975 410 B2 zeigt einen hydrostatischen Drehwerksantrieb bei dem eine Erfassung des Neigungswinkels, insbesondere eines Nick- und eines Rollwinkels zur genauen Beschreibung der Neigung des Fahrzeugs erfolgt. Zudem wird die Last der mobilen Arbeitsmaschine und eine Drehgeschwindigkeit des Drehwerks, bzw. des Oberwagens, erfasst. Über eine Steuereinheit wird unter Verarbeitung dieser Daten sichergestellt, dass beim Erreichen einer vorgegebenen Endposition des Drehwerks, diese Endposition nicht überschritten wird, so dass der Oberwagen mit dem daran befindlichen Stiel und Löffel unabhängig von der Neigung immer innerhalb eines bestimmten räumlichen Winkelintervalls arbeitet. Unklar bleibt hierbei, auf welche Art und Weise diese Daten zum Einhalten dieser Position verarbeitet werden.
Dem gegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen hydrostatischen Drehwerkantrieb zu schaffen, für den beim Arbeiten auf geneigtem Untergrund das Halten einer Ruheposition sichergestellt ist. Des Weiteren besteht die Aufgabe darin, ein Steuerverfahren für diesen hydrostatischen Drehwerksantrieb zu schaffen.
Die erste Aufgabe wird gelöst, durch einen hydrostatischen Drehwerkantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, die zweite durch ein Verfahren zu dessen Steuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 und 10 bis 12 beschrieben.
Ein hydrostatischer Drehwerksantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine hat einen geschlossenen hydraulischen Kreis mit zwei über hydrostatische Arbeitsleitungen fluidisch verbundene Hydromaschinen aufweist. Von diesen ist eine erste zur Aufnahme von mechanischer Antriebsleistung mit einer Antriebsmaschine der mobilen Arbeitsmaschine koppelbar, insbesondere gekoppelt. Eine zweite ist zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen dem Unterwagen und dem Oberwagen einerseits mit dem Unterwagen und andererseits mit dem Oberwagen koppelbar, insbesondere gekoppelt. Zur Änderung einer Drehgeschwindigkeit und/oder einer Drehposition des Oberwagens weist wenigstens eine der Hydromaschinen ein verstellbares Verdrängungsvolumen auf. Ist dieses null, so ist eine Drehgeschwindigkeit des Oberwagens, sofern keine anderen Kräfte oder Momente angreifen, ebenfalls null. Dem verstellbaren Verdrängungsvolumen ist dabei eine Verstelleinrichtung zugeordnet. Zur Beeinflussung der Verstelleinrichtung weist der Antrieb einen Sollwertgeber, beispielsweise einen Joystick auf, so dass über diesen ein Sollwert einer Drehgeschwindigkeit und/oder einer Drehposition vorgegeben werden kann. Der Sollwert des Sollwertgebers wird über eine Steuereinrichtung des Antriebs in ein dem Verdrängungsvolumen zugeordnetes Sollwertsignal der Verstelleinrichtung gewandelt. Erfindungsgemäß kann zur präzisen Steuerung der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehposition über die Steuereinrichtung ein Korrektur-Sollwertsignal in Abhängigkeit einer Leckage des Kreises ermittelt werden. In Folge ist über die Steuereinrichtung das zuvor besprochene, aus dem Sollwert des Sollwertgebers gewandelte Sollwertsignal mit dem Korrektur- Sollwertsignal summierbar. Es resultiert daraus dann ein verändertes, effektives Sollwertsignal.
Auf diese Weise kann die im Betrieb auftretende Leckage als Vorsteuergröße in die Regelung eingehen und berücksichtigt werden. Somit wird ein stabileres Regelverhalten ermöglicht, da die Störgröße der Leckage präventiv kompensierbar ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Leckage über die Steuereinrichtung selbst ermittelbar. Im Gegensatz zu einem vorrichtungstechnisch aufwendigen Erfassen der Leckage ist in diese Weiterbildung die Leckage modellbasiert über die Steuereinrichtung zu ermitteln, vorrichtungstechnisch weniger aufwendig.
In einer Weiterbildung ist die Leckage über die Steuereinrichtung aus – bevorzugt ausschließlich aus – erfassbaren und/oder ermittelbaren hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen und aus insbesondere in der Steuereinrichtung speicherbaren oder gespeicherten Konstanten des Antriebs oder der Arbeitsmaschine ermittelbar. Hydraulische und mechanische Betriebsgrößen sind insbesondere Drehzahlen, Drücke, Verdrängungsvolumina. Als Konstanten des Antriebs oder der Arbeitsmaschine sind beispielsweise Abmessungen, eine Masse und/oder ein Massenträgheitsmoment des Oberwagens zu nennen. Das Massenträgheitsmoment kann beispielsweise in der Steuereinrichtung als Kennfeld in Abhängigkeit von Aufbauten und deren Positionen sowie von einer Dreh- und/oder Neigungsposition des Oberwagens abgelegt sein. Zusätzlich sind als Konstanten zu nennen ein Reibwert zwischen Unterwagen und Oberwagen und eine Übersetzung eines ggf. zwischengeschalteten Getriebes.
In einer Weiterbildung der Steuereinrichtung ist über diese die Leckage aus einem Hangabtriebsmoment des Oberwagens M_H ermittelbar. Letztgenanntes ergibt sich aus dem Zusammenhang M_H = M_Brems + M_Reib – I·φ₂. Mit: M_Brems = V_gMot·∆p/20π·i_Getriebe M_Reib = M_Gleit + k·n_Ober I = cst Mit:

M_Brems:: Bremsmoment der zweiten Hydromaschine
V_gMot:: zweites Verdrängungsvolumen der zweiten Hydromaschine
∆p:: Druckdifferenz der Arbeitsleitungen
i_Getriebe:: Übersetzung eines zwischengeschalteten Getriebes
M_Reib:: Reibmoment zwischen Unter- und Oberwagen
φ₂:: Winkelbeschleunigung des Oberwagens, welche proportional zur Änderung der Drehzahl des Oberwagens oder der zweiten Hydromaschine ist, und
I:: Massenträgheitsmoment des Oberwagens

In einer Weiterbildung ist das Hangabtriebsmoment M_H über die Steuereinrichtung aus den genannten hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen und Konstanten des Antriebs oder der Antriebsmaschine ermittelbar. Um die genannten hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen des Drehwerkantriebs der Steuereinrichtung bereitstellen zu können, weist der Antrieb in einer Fortbildung eine Sensorik hierfür auf.
In einer Weiterbildung umfasst die Sensorik mindestens eine zweite Drehzahlerfassungseinheit zur Erfassung einer zweiten Drehzahl der zweiten Hydromaschine oder des Oberwagens auf.
In einer Weiterbildung weist die Sensorik zudem eine erste Drehzahlerfassungseinheit zur Erfassung einer ersten Drehzahl der ersten Hydromaschine und zudem jeweils eine Druckerfassungseinheit zur Erfassung des Arbeitsdrucks der jeweiligen Arbeitsleitung auf.
Zur Unterstützung der Ermittlung des Hangabtriebsmoments und/oder der Leckage kann der Antrieb in einer Weiterbildung beispielsweise Sensorik zur Erfassung der Drehposition und/oder Neigung des Oberwagens, beispielsweise einen Sensor für Nick-, Gier- und/oder Rollwinkel des Oberwagens umfassen.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinrichtung, insbesondere unter Einwirkung eines auf die zweite Hydromaschine einwirkenden Hangabtriebsmomentes des Oberwagens, eine Ruheposition des Oberwagens – abgesehen von kleinen Regelbewegungen – regelbar. Dabei ist der Ruheposition eine Neutralstellung und damit ein neutraler Sollwert des Sollwertgebers zugeordnet.
Wie besprochen wird über die Steuereinrichtung der neutrale Sollwert in ein neutrales Sollwertsignal gewandelt. Bei Vorliegen äußerer Kräfte, insbesondere dem Hangabtriebsmoment, wird das leckagebasiert ermittelte Korrektur-Sollwertsignal zum neutralen Sollwertsignal hinzu summiert. In Summe ergibt sich dann das effektive Sollwertsignal für die Verstelleinrichtung bei wirksamem Hangabtriebsmoment. Somit kann die Ruheposition auch dann gehalten werden, wenn äußere Kräfte (Hangabtriebskraft oder Wind) mit der Neutralstellung des Sollwertgebers zusammenfallen. Eine Drift des Oberwagens in Richtung der Hangabtriebskraft, wie dies beim Stand der Technik auftreten kann, ist dann verhindert, da trotz des neutralen Sollwertes des Sollwertgebers (Bediener betätigt Joystick nicht) die Steuereinrichtung im Hintergrund das aus der Hangabtriebskraft resultierende Leckagevolumen durch ein Korrektur-Verdrängungsvolumen stetig ausgleicht.
In einer Weiterbildung ist die erste Hydromaschine diejenige mit verstellbarem Verdrängungsvolumen und die zweite weist ein konstantes Verdrängungsvolumen auf. Vorteil hierbei ist, dass für die oben genannte Bilanzierung der Drehmomente an der zweiten Hydromaschine das Verdrängungsvolumen dieser Hydromaschine stets bekannt ist. Dies vereinfacht die Berechnung des Hangabtriebsmoments M_H.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinrichtung eine jeweilige Leckage der einzelnen Hydromaschinen getrennt voneinander ermittelbar.
Dies gelingt mit vergleichsweise geringem vorrichtungstechnischem Aufwand, wenn die erste Verstelleinrichtung für das erste Verdrängungsvolumen der ersten Hydromaschine elektroproportional ausgestaltet. Die Konsequenz hieraus ist, dass das tatsächliche, erste Verdrängungsvolumen dann im Wesentlichen dem effektiven Sollwertsignal, das an die erste Verstelleinrichtung ergeht, entspricht. Somit ist auch das erste Verdrängungsvolumen bekannt.
In einer Weiterbildung ist über die Steuereinrichtung eine erste Leckage der ersten Hydromaschine (erster Leckagevolumenstrom) in Abhängigkeit einer ersten Drehzahl der ersten Hydromaschine, des ersten Verdrängungsvolumens und einer Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsleitungen ermittelbar. Zudem ist über die Steuereinrichtung eine zweite Leckage der zweiten Hydromaschine in Abhängigkeit einer zweiten Drehzahl der zweiten Hydromaschine, des zweiten Verdrängungsvolumens und einer Druckdifferenz zwischen den beiden Arbeitsleitungen ermittelbar. Die Summe aus erster und zweiter Leckage ergibt dann die Gesamtleckage oder den Gesamtleckagevolumenstrom. Aus diesem ergibt sich allein durch Vorzeichenwechsel ein Korrektur-Volumenstrom, und daraus wiederum das Korrektur-Sollwertsignal für die erste Verstelleinrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur präzisen Steuerung der Drehgeschwindigkeit oder Drehposition eines hydrostatischen Antriebes, wie er gemäß einem der Aspekte der vorangegangenen Beschreibung ausgestaltet ist, hat einen Schritt „Ermitteln eines Korrektur-Sollwertsignals in Abhängigkeit einer Leckage des hydraulischen Kreises über die Steuereinrichtung“ und „Summieren des Sollwertsignals mit dem Korrektur-Sollwertsignal zum effektiven Sollwertsignal über die Steuereinrichtung“. Vorteil hierbei ist, wie bereits erwähnt, dass die stets auftretende Leckage im Sinne einer Vorsteuerung in die Regelung der Drehgeschwindigkeit und/oder Drehposition eingeht, wodurch sich die Regelung als stabiler erweist.
In einer Weiterbildung kann, wie bereits erwähnt, die Leckage über die Steuereinrichtung aus einem Hangabtriebsmoment des Oberwagens ermittelt werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens erfolgt der Schritt „Ermitteln des Korrektur-Sollwertsignals in Abhängigkeit der Leckage des Kreises über die Steuereinrichtung“ über einen Schritt „Ermitteln der Leckage – ggf. zunächst des Hangabtriebsmomentes des Oberwagens – aus hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen des Antriebs und aus Konstanten des Antriebs oder der Arbeitsmaschine, über die Steuereinrichtung.
In einer Weiterbildung des Drehwerkantriebs weist dieser eine Parkbremse auf.
Für einen Vorgang des aktiven Abbremsens des Oberwagens, insbesondere bei einer Neutralstellung des Sollwertgebers, weist das Verfahren einen Schritt „Prüfen einer zweiten Drehzahl der zweiten Hydromaschine, oder der davon abhängigen Drehzahl des Oberwagens, auf Unterschreitung eines in der Steuereinrichtung abgelegten Schwellwertes“, über die Steuereinrichtung, auf. Kommt die Steuereinrichtung zum Ergebnis, dass der Schwellwert unterschritten ist, die zweite Drehzahl also kleiner als der Schwellwert ist, so erfolgt über die Steuereinrichtung ein Schritt „Ermitteln des Korrektur-Sollwertsignals und dessen Summieren mit dem Sollwertsignal zum effektiven Sollwertsignal“. Es erfolgt somit das aktive Bremsen. Im anderen Fall, falls der Schwellwert überschritten ist, die zweite Drehzahl oder die Drehzahl des Oberwagens also noch vergleichsweise hoch ist, erfolgt das aktive Bremsen nicht, so dass ein Schritt „Setzen des Sollwertsignals als effektives Sollwertsignal über die Steuereinrichtung“ erfolgt. Es erfolgt somit keine Korrektur des Sollwertsignals.
In einer Weiterbildung hat der Drehantrieb eine Parkbremse zum Blockieren der Drehbewegung des Oberwagens bei längerem Stillstand. Um die Parkbremse vor allzu häufigem Schließen und Öffnen zu schützen, weist das Verfahren in einer Weiterbildung einen Schritt „Prüfen der zweiten Drehzahl der zweiten Hydromaschine, oder derjenigen des Oberwagens auf den Wert null und während einer in der Steuereinrichtung abgelegten Zeitdauer“ auf. Falls die zweite Drehzahl den Wert null über die Zeitdauer aufweist, so erfolgt das Schließen der Parkbremse über die Steuereinrichtung. Falls nicht, so erfolgt weiterhin das Halten der Position bzw. das Beschleunigen und Abbremsen der zweiten Hydromaschine und des daran gekoppelten Oberwagens über das vorbeschriebene Verfahren.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehwerkantriebs und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu dessen Steuerung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nunmehr erläutert.
Es zeigen
1 einen hydraulischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines hydrostatischen Drehwerkantriebs,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Schaltbild eines Reglers einer Steuereinrichtung des Drehwerkantriebs und
4 ein Schema zur Ermittlung eines Korrektur-Sollwertes gemäß dem Verfahren.
Gemäß 1 hat ein hydrostatischer Drehwerkantrieb 1 einer mobilen Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Baggers 2, eine als Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem ersten Verdrängungsvolumen V₄ ausgestaltete erste Hydromaschine 4 und eine als Axialkolbenmaschine in Schrägachsenbauweise mit konstantem Verdrängungsvolumen V₆ ausgestaltete zweite Hydromaschine 6. Beide sind über Arbeitsleitungen 8, 10 in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf miteinander fluidisch verbunden. Die erste Hydromaschine 4 hat eine erste Verstelleinrichtung 12, über die das erste Verdrängungsvolumen V₄ elektroproportional verstellbar ist. Zur Ansteuerung der ersten Verstelleinrichtung 12 ist diese über Signalleitungen 14 mit einer Steuereinrichtung 16 des Antriebs 1 signalverbunden. Die erste Hydromaschine 4 ist von einer als Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselmotor, ausgestalteten Antriebsmaschine 18 angetrieben.
Die zweite Hydromaschine 6 ist über eine Triebwelle mit einem Getriebe 20 verbunden, das eine Übersetzung i aufweist. Damit drehbar gekoppelt ist der Oberwagen 22. Dieser ist relativ zu einem Unterwagen 24 des Baggers 2 gemäß 1 drehbar. Über die zweite Hydromaschine 6 wird demnach ein Drehmoment zwischen dem Unterwagen 24 und dem Oberwagen 22 übertragen.
Zudem weist der hydrostatische Drehwerkantrieb 1 eine Parkbremse 26 auf, die von einem 3/2-Wegeschaltventil 28 mit einer Steuerdruckmittelquelle 30 und einem Tank T druckmittelverbindbar ist. Auf diese Weise ist die Parkbremse 26 hydraulisch schließ- und öffenbar. Das 3/2-Wegeschaltventil 28 ist elektromagnetisch betätigbar, wobei ein Elektromagnet 32 des 3/2-Wegeschaltventils 28 über eine Signalleitung 34 mit der Steuereinrichtung 16 verbunden ist.
Des Weiteren hat der hydrostatische Drehwerksantrieb 1 einen Sollwertgeber oder Joystick 36, über den beispielsweise von einem Bediener oder von einer automatisierten Einheit ein Sollwert für eine Drehrichtung und eine Drehgeschwindigkeit des Oberwagens 22 vorgebbar ist. Über eine Neutralstellung „0“ des Sollwertgebers 36 ist vorgegeben, dass der Oberwagen 22 sich nicht mehr drehen soll, also mit Bezug zum Unterwagen 24still steht. In Richtung „+“ wird eine Drehung in die eine Drehrichtung, und in Richtung „–“ eine entgegengesetzte Drehrichtung angefordert.
Über den Sollwertgeber 36 werden in Abhängigkeit der angeforderten Drehrichtung („+“, „–“) zwei nicht dargestellte Druckregelventile betätigt, an deren Ausgängen sich dann in Abhängigkeit der Verstellung des Sollwertgebers 36 ein jeweiliger Steuerdruck ergibt. Über Druckspannungswandler 38 werden diese Drucksollwerte in Spannungssollwerte gewandelt und an die Steuereinrichtung 16 übertragen.
Als weitere Eingangsgrößen der Steuereinrichtung 16 sind vorhanden: Eine von einer ersten Drehzahlerfassungseinheit 42 erfasste erste Drehzahl n₄ der ersten Hydromaschine 4, eine von einer zweiten Drehzahlerfassungseinheit 44 erfasste zweite Drehzahl n₆ der zweiten Hydromaschine 6, ein über eine erste Druckerfassungseinheit 46 erfasster erster Arbeitsdruck p₈ in einer ersten Arbeitsleitung 8 und ein von einer zweiten Druckerfassungseinheit 48 in einer zweiten Arbeitsleitung 10 erfasster zweiter Arbeitsdruck p₁₀.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung und Regelung einer Drehbewegung und/oder Drehposition des Oberwagens 22, relativ zum Unterwagen 24. In einem ersten Schritt 100 ist der Sollwertgeber 36 außerhalb seiner Neutralstellung „0“ in Richtung „–“ oder „+“ ausgelenkt. In diesem Fall erfolgt über das Verfahren in einem Schritt 101 die unkorrigierte Weiterleitung eines Sollwertes psoll des Sollwertgebers 36 – lediglich über den Druck/Spannungswandler 38 in ein Sollwertsignal Usoll gewandelt – an die Steuereinrichtung 16, die das Sollwertsignal Usoll an die erste Verstelleinrichtung 12 unverändert weiterleitet.
In einem anderen Verfahrensschritt 102 ist der Sollwertgeber 36 in seiner Neutralstellung „0“. Der Bediener bringt also zum Ausdruck, dass er den Oberwagen 22 zum Stillstand bringen möchte oder dort halten möchte. Aus der vorherigen Drehbewegung soll der Oberwagen 22 somit abgebremst werden. Solange eine Drehzahl n₂₂ des Oberwagens 22 oberhalb eines in der Steuereinrichtung 16 abgelegten Schwellwertes liegt, greift die Steuereinrichtung 16 nicht verändernd in die Ausgabe des Sollwertsignals an die erste Steuereinrichtung 12 ein. Es erfolgt also der vorbeschriebene Schritt 101.
Erst beim Unterschreiten des Schwellwertes der Drehzahl n₂₂ des Oberwagens 22 erfolgt ein Verfahrensschritt 104 „aktives Abbremsen“. Zu diesem Zeitpunkt wirken am Oberwagen 22 die in 1 oben rechts gezeigten Drehmomente Mbrems (Bremsmoment der zweiten Hydromaschine 6), Mreib (Reibmoment des Oberwagens 22 am Unterwagen 24), I φ₂ (Massenträgheitsmoment des Oberwagens 22) und M_H (Hangabtriebsmoment des Oberwagens 22). Dabei sei angenommen, dass der Bagger 2 beispielsweise an einem Hang steht. In diesem Fall wird gemäß 4 über das Verfahren aus der erfassten zweiten Drehzahl n₆ der zweiten Hydromaschine 6 und einer Druckdifferenz ∆p_10,8 der Arbeitsdrücke p₈ und p₁₀ über ein in der Steuereinrichtung 16 hinterlegtes Modell ein zweiter Leckagevolumenstrom Q_L6 der zweiten Hydromaschine 6 berechnet. Ebenso aus der genannten Druckdifferenz ∆p_10,8, sowie der ersten Drehzahl n₄ der ersten Hydromaschine 4 und deren erstem Verdrängungsvolumen V₄ oder deren ersten Schwenkwinkel α₄ wird ein erster Leckagevolumenstrom Q_L4 der ersten Hydromaschine 4 berechnet. In der Steuereinrichtung 16 werden dann die beiden Leckagevolumenströme Q_L6 und Q_L4 summiert zu einem Gesamtleckagevolumenstrom Q_L. Im Schritt 105 gemäß den 2 und 4 wird dann aus der festgestellten Leckage (Leckagevolumenstrom Q_L) ein diese Leckage kompensierender Kompensationsvolumenstrom -Q_L und ein bei gegebener erster Drehzahl n₄ zuordenbares Korrektur-Sollwertsignal αkorr (Korrekturschwenkwinkel) zur Ansteuerung der ersten Verstelleinrichtung 12 berechnet und über die Signalleitung 14 an die erste Verstelleinrichtung 12 übermittelt.
Gemäß 2 hat das Verfahren einen Schritt „aktiver Stillstand“ 106. Hier wird bei gleichbleibender Neutralstellung „0“ des Sollwertgebers 36 in Abhängigkeit des am Oberwagen 22 angreifenden Hangabtriebsmomentes M_H gemäß 3 eine daraus resultierende Leckage Q_L und wiederum daraus, über den Schritt 105, das Korrektur-Sollwertsignal α_korr ermittelt. Die Regelstrecke des Verfahrensschrittes „aktiver Stillstand“ 106 zeigt 3. In die Regelstrecke gehen weiterhin ein als Sollwertsignal für den Drehwinkel oder die Drehposition des Oberwagens 22 ein Sollwert φ_soll, welcher mit einem Istwert des Drehwinkels φ_ist verglichen wird, wonach die Regelabweichung in einen PID-Regler der Steuereinrichtung 16 eingeht. Dieser gibt als Signal eine Solldrehzahl n₂₂ aus, welche in der Steuereinrichtung 16 in ein Sollwertsignal α_soll für den ersten Schwenkwinkel, also das erste Verdrängungsvolumen V₄, der ersten Hydromaschine 4 gewandelt wird. Über eine Summenbildung des so ermittelten Sollwertsignals α_soll und des parallel ermittelten Korrektur-Sollwertsignals α_korr ergibt sich ein effektives Sollwertsignal für den ersten Schwenkwinkel von αeff.
In einem letzten Schritt 108 wird im Verfahren abgeprüft, ob die Drehzahl n₂₂ des Oberwagens 22 für eine in der Steuereinrichtung 16 parametriert vorgegebene Stillstandszeit zwischen dem Wert null und einem parametriert vorgegebenen Grenzwert liegt. Erst wenn beide Kriterien erfüllt sind, erfolgt ein Schritt 110 „Schließen der Parkbremse 26“, in dem über die Steuereinrichtung 16 und die Signalleitung 34 der Elektromagnet 32 bestromt und somit die Parkbremse 26 mit Druckmittel beaufschlagt und geschlossen wird.
Offenbart ist ein hydrostatischer Drehwerkantrieb mit in geschlossenem hydraulischen Kreis arbeitenden Hydromaschinen, von denen eine zur Verstellung einer Drehposition oder -geschwindigkeit eines Oberwagens des Drehwerkantriebes ein verstellbares Verdrängungsvolumen hat. Zum Ausgleich von leckagebedingter Drift des Oberwagens durch äußere, am Oberwagen angreifende Kräfte, ist über eine Steuereinrichtung des Antriebs die Leckage abschätzbar und ein Sollwert des Sollwertgebers veränderbar oder korrigierbar, sodass die Leckage kompensiert ist.
Offenbart ist weiterhin eine mobile Arbeitsmaschine mit einem derartigen Drehwerkantrieb.
Offenbart ist weiterhin ein Verfahren zur Steuerung des Antriebes mit einem Schritt Ermitteln des Korrektur-Sollwertsignals in Abhängigkeit einer abgeschätzten Leckage des Kreises und Summieren des Sollwertsignals mit dem Korrektur-Sollwertsignal zum effektiven Sollwertsignal.
Bezugszeichenliste

1: hydrostatischer Drehwerksantrieb
2: mobile Arbeitsmaschine
4: erste Hydromaschine
6: zweite Hydromaschine
8: erste Arbeitsleitung
10: zweite Arbeitsleitung
12: erste Verstelleinrichtung
14: Signalleitungen
16: Steuereinrichtung
18: Antriebsmaschine
20: Getriebe
22: Oberwagen
24: Unterwagen
26: Parkbremse
28: 3/2-Wegeschaltventil
30: Steuerdruckmittelquelle
32: Elektromagnet
34: Signalleitung
36: Sollwertgeber
38: Druck-/Spannungswandler
40: Signalleitung
42: erste Drehzahlerfassungseinheit
44: zweite Drehzahlerfassungseinheit
46: erste Druckerfassungseinheit
48: zweite Druckerfassungseinheit
100: Schritt „Sollwertgeber ausgelenkt“
101: Schritt „Sollwertsignal unverändert“
102: Schritt „Joystick in Neutralstellung“
104: Schritt „aktives Abbremsen“
105: Schritt „Ermittlung Korrektur-Sollwertsignal“
106: Schritt „aktiver Stillstand“
108: Schritt „Stillstand“
110: Schritt „Parkbremse schließen“
I: Massenträgheitsmoment Oberwagen
M_H: Hangabtriebsmoment
M_brems: Bremsmoment zweite Hydromaschine
M_reib: Reibmoment Unterwagen/Oberwagen
„0“: Neutralstellung Sollwertgeber
n₄: erste Drehzahl
V₄: erstes Verdrängungsvolumen
α₄: erster Schwenkwinkel
n₆: zweite Drehzahl
∆p_10,8: Druckdifferenz Arbeitsleitungen
Q_L4: Leckagevolumenstrom erste Hydromaschine
Q_L6: Leckagevolumenstrom zweite Hydromaschine
Q_L: Gesamtleckagevolumenstrom
φ_soll: Sollwert Drehwinkel Oberwagen
φ_ist: Istwert Drehwinkel Oberwagen
φ₁: Drehwinkelgeschwindigkeit Oberwagen
φ₂: Drehwinkelbeschleunigung Oberwagen
α_soll: Sollwertsignal Schwenkwinkel
α_korr: Korrektur-Sollwertsignal Schwenkwinkel
α_eff: Effektives Sollwertsignal Schwenkwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4420704 C2 [0003, 0005]
DE 19620664 C1 [0003]
DE 19620664 [0007]
US 7975410 B2 [0008]

Claims

Hydrostatischer Drehwerksantrieb für eine mobile Arbeitsmaschine (2) mit einem Unterwagen (24) und einem dagegen drehbaren Oberwagen (22), wobei der Antrieb (1) über Arbeitsleitungen (8, 10) in einem geschlossenen hydraulischen Kreis fluidisch verbundene Hydromaschinen (4, 6) hat, von denen eine erste (4) zur Aufnahme von mechanischer Antriebsleistung mit einer Antriebsmaschine (18) der mobilen Arbeitsmaschine (2) koppelbar ist und eine zweite (6) zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen dem Unterwagen (24) und dem Oberwagen (22) einerseits mit dem Unterwagen (24) und andererseits mit dem Oberwagen (22) koppelbar ist, wobei zur Änderung einer Drehgeschwindigkeit (φ₁) und/oder einer Drehposition (φ) des Oberwagens (22) wenigstens eine (4) der Hydromaschinen (4, 6) ein verstellbares Verdrängungsvolumen (V₄) und eine zugeordnete Verstelleinrichtung (12) aufweist und ein Sollwertgeber (36) für die Drehgeschwindigkeit (φ₁) und/oder Drehposition (φ) vorgesehen ist, dessen Sollwert (φ_1soll/φ_soll) über eine Steuereinrichtung (16) des Antriebs (1) in ein dem Verdrängungsvolumen (V₄) zugeordnetes Sollwertsignal (α_soll) der Verstelleinrichtung (12) wandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur präzisen Steuerung der Drehgeschwindigkeit (φ₁) und/oder Drehposition (φ) über die Steuereinrichtung (16) ein Korrektur-Sollwertsignal (αkorr) in Abhängigkeit einer Leckage (Q_L) des Kreises ermittelbar und mit dem Sollwertsignal (α_soll) zu einem effektiven Sollwertsignal (α_eff) summierbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1, wobei die Leckage (Q_L) über die Steuereinrichtung (16) ermittelbar ist. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leckage(Q_L) über die Steuereinrichtung (16) aus hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen (n₂₂, n₄, n₆, V₄, V₆, p₈, p₁₀) und aus Konstanten (I, k, m) des Antriebs (1) oder der Arbeitsmaschine (2) ermittelbar ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leckage (Q_L) über die Steuereinrichtung (16) aus einem Hangabtriebsmoment (M_H) des Oberwagens (22) ermittelbar ist.
Antrieb nach Anspruch 4, wobei das Hangabtriebsmoment (M_H) über die Steuereinrichtung (16) aus hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen (n₂₂, n₄, n₆, V₄, V₆, p₈, p₁₀) und Konstanten (I, k, m) des Antriebs (1) oder der Arbeitsmaschine (2) ermittelbar ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über die Steuereinrichtung (16) eine Ruheposition des Oberwagens (22) regelbar ist, wobei der Ruheposition eine neutrale Stellung („0“) und ein neutraler Sollwert des Sollwertgebers (36) zugeordnet sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Hydromaschine (4) ein verstellbares, erstes Verdrängungsvolumen (V₄) und eine zugeordnete, erste Verstelleinrichtung (12) hat, und wobei die zweite Hydromaschine (6) ein konstantes, zweites Verdrängungsvolumen (V₆) hat.
Antrieb nach Anspruch 7, wobei über die Steuereinrichtung (16) eine erste Leckage (Q_L4) der ersten Hydromaschine (4) in Abhängigkeit einer ersten Drehzahl (n₄) der ersten Hydromaschine (4), des ersten Verdrängungsvolumens (V₄) und einer Druckdifferenz (∆p_10,8) zwischen den beiden Arbeitsleitungen (10, 8) ermittelbar ist, und wobei über die Steuereinrichtung (16) eine zweite Leckage (Q_L6) der zweiten Hydromaschine (6) in Abhängigkeit einer zweiten Drehzahl (n₆) der zweiten Hydromaschine (6), des zweiten Verdrängungsvolumens (V₆) und einer Druckdifferenz (∆p_10,8) zwischen den beiden Arbeitsleitungen (10, 8) ermittelbar ist.
Verfahren zur präzisen Steuerung eines hydrostatischen Drehwerkantriebes (1), der gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist, gekennzeichnet durch Schritte – Ermitteln eines Korrektur-Sollwertsignals (α_korr) in Abhängigkeit einer Leckage (Q_L) des Kreises über die Steuereinrichtung (16), und – Summieren des Sollwertsignals (α_soll) mit dem Korrektur-Sollwertsignal (α_korr) zum effektiven Sollwertsignal (α_eff) über die Steuereinrichtung (16).
Verfahren nach Anspruch 9 wobei der Schritt – Ermitteln des Korrektur-Sollwertsignals (α_soll) in Abhängigkeit der Leckage (Q_L) des Kreises über die Steuereinrichtung (16) über einen Schritt – Ermitteln der Leckage (Q_L) aus hydraulischen und mechanischen Betriebsgrößen (n₂₂, n₄, n₆, V₄, V₆, p₈, p₁₀) und Konstanten (I, k, m) des Antriebs (1) oder der Arbeitsmaschine (2), über die Steuereinrichtung (16) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 mit einem Schritt – Prüfen einer zweiten Drehzahl (n₆) der zweiten Hydromaschine (6) auf Unterschreiten eines in der Steuereinrichtung (16) abgelegten Schwellwertes über die Steuereinrichtung (16), und in Abhängigkeit davon mit einem Schritt – Ermitteln des Korrektur-Sollwertsignals (α_korr) und dessen Summieren mit dem Sollwertsignal (α_soll) zum effektiven Sollwertsignal (α_eff) über die Steuereinrichtung (16), falls der Schwellwert unterschritten ist, oder einem Schritt – Setzen des Sollwertsignals (α_soll) als effektives Sollwertsignal (α_eff) über die Steuereinrichtung (16), falls der Schwellwert überschritten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 mit einem Schritt – Prüfen einer zweiten Drehzahl (n₆) der zweiten Hydromaschine (6) auf null für eine in der Steuereinrichtung (16) abgelegten Zeitdauer, und einem Schritt – Schließen einer Parkbremse (26) zum Blockieren der Drehbewegung, falls die zweite Drehzahl (n₆) den Wert null über die Zeitdauer aufweist.