DE112011104444T5

DE112011104444T5 - Steuerung mehrerer Variatoren für leistungsverzweigte Getriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung und hydrostatische Getriebe

Info

Publication number: DE112011104444T5
Application number: DE112011104444T
Authority: DE
Inventors: Tony Marcott; Hongliu Du
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-09-19
Also published as: WO2012087422A3; US20120152056A1; US8500587B2; WO2012087422A2

Abstract

Ein System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe weist einen ersten hydraulischen Variator und einen zweiten hydraulischen Variator auf, wobei jeder Variator einen mechanischen Eingang oder Antrieb an eine mechanische Pumpe sowie einen mit der hydraulischen Pumpe mittels eines hydraulischen Kreislaufs verbundenen hydraulischen Motor aufweist, sowie einen mechanischen Ausgang bzw. Abtrieb von dem hydraulischen Motor aufweist. In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Seite des hydraulischen Kreislaufs eines Variators hydraulisch mit der ersten hydraulischen Seite des anderen Variators verbunden, und die zweiten Seiten der hydraulischen Kreisläufe sind in ähnlicher Weise miteinander verbunden. Ein gemeinsamer Eingang oder Antrieb ist mit den Eingängen der Variatoren verzahnt und ein gemeinsamer Ausgang oder Abtrieb ist mit den Ausgängen der Variatoren verzahnt, wodurch die Pumpe und der Motor jedes Variators derart verbunden sind, dass sie mit der gleichen Geschwindigkeit wie die entsprechenden Komponenten des anderen Variators rotieren.

Description

Technischer Bereich
Diese Patentoffenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf hydraulische Getriebe bzw. Übertragungen und genauer auf ein System, das es erlaubt, mehrere Variatoren in leistungsverzweigten Getrieben mit stufenloser Übersetzungsänderung und hydrostatischen Getrieben zu verwenden und zu steuern.
Stand der Technik
Leistungsverzweigte Getriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung (continuously variable transmissions, CVT) und hydrostatische Getriebe (hystats) weisen gegenüber eher herkömmlichen Getriebetypen, wie sie in Erdbewegungs- und Landwirtschaftsmaschinen verwendet werden, bestimmte Vorteile auf. In der Maschine mit leistungsverzweigtem CVT werden zusätzlich zu einer Kraftmaschine, die ein mechanisches Getriebesystem direkt antreibt, ein hydraulischer Motor, typischerweise mit festgelegter Verdrängung, und eine variable hydraulische Pumpe als Variator verwendet, um dem Antriebsstrang ein stufenlos veränderliches Drehmoment mit stufenlos veränderlicher Geschwindigkeit bereitzustellen. In einer hydrostatischen Maschine oder ”hydrostat” wird der hydraulische Motor direkt ohne den zusätzlichen mechanischen Antrieb durch die Kraftmaschine verwendet.
In jedem Fall kann durch die in diesen Anordnungen bereitgestellte stufenlos veränderliche Geschwindigkeit des Getriebes eine höhere Effizienz des Getriebes erzielt werden, verglichen mit einem Getriebe mit Drehmomentwandler. Zudem kann die Kraftmaschine nahe ihres optimalen Betriebspunktes reguliert werden (beispielsweise bei Spitzendrehmoment und/oder Spitzendrehzahl und/oder minimalen Emissionen je Leistungseinheit), sodass für Maschinen, die mit hydrostatischen Getrieben oder Parallelpfadgetrieben ausgestattet sind, eine höhere Leistungsfähigkeit erwartet werden kann. In einer Maschine die mit einem solchen Getriebe ausgestattet ist, kann die Geschwindigkeit der Maschine oder die Zugkraft an der Deichsel durch das Steuern des hydraulischen Motors gesteuert werden (d. h. durch das Steuern der Position der Taumelscheibe der hydraulischen Pumpe, und/oder das Steuern des Ausgangsdrehmoments des hydraulischen Motors). Kurz gesagt funktionieren leistungsverzweigte CVT-Maschinen und Maschinen mit hydrostatischem Antrieb im Vergleich mit anderen Antriebsarten auf stabile und vorteilhafte Weise.
Solche Getriebe weisen aber bestimmte inhärente Einschränkungen auf, insbesondere bezüglich der Größe der hydraulischen Pumpen und Motoren. Es war bislang insbesondere schwierig, jegliches der Systeme herauf zu skalieren, um deutlich größeren Maschinengrößen Rechnung zu tragen. Beispielsweise weisen Pumpen und Motoren mit größerer Verdrängung inhärent deutlich stärker eingeschränkte Fähigkeiten bezüglich der Betriebsgeschwindigkeit auf als kleinere Pumpen und Motoren. Zudem neigen hydraulische Verdrängungsmaschinen mit großen Kolben dazu, weniger effizient als ihre kleinen Gegenstücke zu sein. Außerdem werden zur Steuerung größerer Pumpen und Motoren größere Aktuatoren benötigt, wodurch größere Steuerventile zur Handhabung der höheren Anforderungen an den Steuerungsdurchfluss notwendig werden, was die Entwicklung des Systems weiter verkompliziert.
Während die hierin offenbarten Prinzipien darauf abzielen, einen oder mehrere Nachteile zu überwinden, ob erwähnte oder sonstige, ist zu erkennen, dass die Innovationen hierin durch die anhängenden Ansprüche definiert sind, ungeachtet dessen, ob und in welchem Umfang die spezifisch beanspruchten Ausführungsbeispiele eines oder mehrere der erwähnten Probleme in der existierenden Technologie überwindet. Zudem wird erkannt werden, dass jede Beschreibung hierin oder jede Referenz oder Veröffentlichung lediglich als Aufforderung zu verstehen ist, die angezeigte Referenz selbst zu studieren, und nicht die Referenz selbst ersetzen oder ergänzen soll. Falls die Beschreibung jeglicher Referenz hierin nicht mit dieser Referenz übereinstimmt, ist anzuerkennen, dass die Referenz selbst im Rahmen ihrer Lehre schlüssig ist.
Zusammenfassung
In einem Aspekt wird ein System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe offenbart, einschließlich eines ersten hydraulischen Variators, welcher Folgendes aufweist: einen Eingang oder Antrieb, eine mit dem Eingang verbundene hydraulische Pumpe, einen mit der hydraulischen Pumpe mittels eines hydraulischen Kreislaufs, welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, verbundenen hydraulischen Motor, sowie einen Ausgang oder Abtrieb des hydraulischen Motors. Ein zweiter hydraulischer Variator ist beinhaltet, welcher Folgendes aufweist: einen Eingang oder Antrieb, eine mit dem Eingang verbundene hydraulische Pumpe, einen mit der hydraulischen Pumpe mittels eines hydraulischen Kreislaufs, welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, verbundenen hydraulischen Motor, sowie einen Ausgang oder Abtrieb des hydraulischen Motors. Die erste Seite des hydraulischen Kreislaufs des zweiten hydraulischen Variators ist hydraulisch mit der ersten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators verbunden, und die zweite Seite des hydraulischen Kreislaufs des zweiten hydraulischen Variators ist hydraulisch mit der zweiten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators verbunden. Ein gemeinsamer Eingang ist mit dem Eingang des ersten hydraulischen Variators sowie dem Eingang des zweiten hydraulischen Variators verzahnt, sodass die Eingänge des ersten und des zweiten hydraulischen Variators mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren. Zudem ist ein gemeinsamer Ausgang ist mit dem Ausgang des ersten hydraulischen Variators sowie dem Ausgang des zweiten hydraulischen Variators verzahnt, sodass die Ausgänge des ersten und des zweiten hydraulischen Variators mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren.
In einem anderen Aspekt wird ein hydraulisches Maschinengetriebe offenbart, welches zwei oder mehr Variatoren aufweist, die dergestalt mechanisch parallel zueinander verbunden sind, dass ihre Eingänge gezwungen sind, gemeinsam zu rotieren, und ihre Ausgänge gezwungen sind gemeinsam zu rotieren. Jeder der zwei oder mehr Variatoren weist einen hydraulischen Kreislauf mit ersten und zweiten Seiten auf, sowie eine überbrückende hydraulische Verbindung zwischen den ersten Seiten der hydraulischen Kreisläufe der zwei oder mehr Variatoren. Das hydraulische Maschinengetriebe weist auch eine überbrückende hydraulische Verbindung zwischen den zweiten Seiten der hydraulischen Kreisläufe von allen der zwei oder mehreren Variatoren auf.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren offenbart, um Stabilität in einem Variatorsystem bereitzustellen, welches mehrere mechanisch parallel zueinander verbundene Variatoren aufweist, wobei jeder einen hydraulischen Kreislauf aufweist, welcher erste und zweite Seiten besitzt. Das Verfahren umfasst das hydraulische Verbinden der ersten Seiten der Kreisläufe jedes Variators mit einer ersten gemeinsamen Brücke, und das hydraulische Verbinden der zweiten Seiten der Kreisläufe jedes Variators mit einer zweiten gemeinsamen Brücke, wobei der Druckunterschied zwischen den ersten und zweiten Seiten in jedem Variator bei allen Variatoren im Wesentlichen der selbe ist.
Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind, und die Erfindung nicht einschränken. Weitere Aspekte und Eigenschaften der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offenbar werden, in denen:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 eine schematische Darstellung eines leistungsverzweigten CVTs ist, welches eine Konfiguration einer Pumpe mit verstellbarer Verdrängung und eines hydraulischen Motors mit festgelegter Verdrängung aufweist, zur Verwendung in Übereinstimmung mit den beschriebenen Prinzipien;
2 eine schematische Darstellung eines hydrostatischen Getriebes ist, welches eine Pumpe mit verstellbarer Verdrängung und einen hydraulischen Motor mit festgelegter Verdrängung aufweist, zur Verwendung in Übereinstimmung mit den beschriebenen Prinzipien;
3 ein Schema ist, das ein System paralleler Variatoren zeigt, in welchem die präzise Abstimmung der Variatoren notwendig ist, um einen Verlust an Effizienz aufgrund von Modenverschiebung bei niedrigen Drücken und während Übergängen zu vermeiden;
4 ein Schema ist, welches eine Druckdifferenz und Strömungsmuster innerhalb eines einzelnen Variators zeigt;
5 ein Schema ist, das ein System paralleler Variatoren und Steuerungsanforderungen unabhängiger Variatoren zeigt;
6 ein Schema ist, das ein mit einer Brücke versehenes System paralleler Variatoren entsprechend den beschriebenen Prinzipien zeigt, welches eine erzwungene Abstimmungs- und gemeinsame Variatorsteuerung ermöglicht; und
7 ein Geschwindigkeits-Druck-Diagramm eines Motors ist, das mehrere Betriebsmodi innerhalb der Systemgrenzen zeigt.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung bezieht sich auf ein System, das die parallele Verwendung mehrerer Variatoren oder hydraulischer Motoren in einem einzigen System ermöglicht, während es sicherstellt, dass die Motoren oder Variatoren nicht miteinander in Konflikt geraten, wodurch die Effizienz und Leistung der Maschine verringert würde. Ein leistungsverzweigtes CVT mit einer Anordnung einer hydraulischen Pumpe mit veränderlicher Verdrängung und einem hydraulischen Motor mit festgelegter Verdrängung ist schematisch in 1 gezeigt. Im Kontext dieses Dokuments existiert keine Beschränkung der genauen Konfiguration der hydraulischen Pumpe, und die Pumpe kann beispielsweise eine Axialpumpe, eine Schrägachsenpumpe, eine Radialpumpe, eine Zahnradpumpe, eine Drehschieberpumpe etc. sein.
Der Eingang bzw. Antrieb 100 ist mechanisch mit der Kraftmaschine 101 verbunden, und der Ausgang oder Abtrieb 102 ist mechanisch mit einem nachgelagerten Getrieberäderwerk 103 verbunden. In dieser Konfiguration gibt es zwei parallele Pfade der Kraftübertragung von dem Antrieb zum Abtrieb. Ein mechanischer Leistungsübertragungspfad ermöglicht den Leistungsfluss zwischen dem Eingang 100 und dem Ausgang 102 mittels eines ersten Planetengetriebes 104 und eines zweiten Planetengetriebes 105.
Ein hydraulischer Leistungsübertragungspfad teilt die Leistung von dem Eingang 100 und leitet sie zum Ausgang 102 (oder von dem Ausgang 102 zu dem Eingang 100) mittels des Zahnradsatzes G_e,p 106, eine hydraulische Pumpe 107, einen hydraulischen Motor 108, den Zahnradsatz G_m,t 109, das zweite Planetengetriebe 105 und das Planetengetriebe 104. Das Ändern der Position der Taumelscheibe der Pumpe 107 verändert die Motorgeschwindigkeit. Auf diese Weise ist es möglich, die Getriebeausgangsgeschwindigkeit stufenlos unter verschiedenen Systembetriebsbedingungen und Systemunbestimmten zu verändern, selbst wenn die Geschwindigkeit der Kraftmaschine vergleichsweise konstant bleibt.
Die Struktur eines hydrostatischen Getriebes ist in einiger Hinsicht ähnlich dem CVT-Getriebe, wie in 2 zu sehen ist. Das Schema der 2 zeigt ein hydrostatisches Getriebe 200 mit einer hydraulischen Pumpe 201 mit veränderlicher Verdrängung und einem hydraulischen Motor 202 mit festgelegter Verdrängung. Der Systemeingang 203 ist mit der Kraftmaschine 204 mittels des Zahnradsatzes G_e,p 206 verbunden und die Motorwelle wird zum Ausgang 205. In gleicher Weise wie bei einem leistungsverzweigten CVT, verändert das stufenlose Verändern der Position der Taumelscheibe der Pumpe 201 die Geschwindigkeit des Motors 200 und reguliert somit stufenlos Geschwindigkeit/Drehmoment des Getriebeausgangs 205 um verschiedenen Systembetriebsbedingungen und -unbestimmtheiten Rechnung zu tragen.
Wie oben festgestellt ist es schwierig, leistungsverzweigte CVTs und hydrostatische Getriebe für hohe Leistungen (d. h. größere Verdrängungen) hochzuskalieren bzw. heraufzusetzen, und zwar aufgrund mangelnder Effizienz bei Betrieb und Steuerung, die bei größeren Variatoren auftreten, ebenso wie aufgrund der hohen Ausgaben für die Eliminierung dieser Probleme in einem einzelnen Variator. Zudem gab es bis jetzt keine effiziente Methode um mehrere kleine Variatoren zu verwenden, um die gleiche Funktion wie ein einzelner großer Variator auszuführen. Dies liegt an der Art und Weise, auf welche Variatoren wirken. Insbesondere wird, wenn mehrere Variatoren miteinander verbunden sind, die geringste Abweichung der Eigenschaften die Effizienz des Getriebes zunichtemachen, indem es den Variatoren erlaubt, gegeneinander zu arbeiten. In der Zusammenfassung dieses Problems ist es schwierig, wenn nicht gar unmöglich, mehrere Variatoren herzustellen, die die exakt identischen Eigenschaften aufweisen.
Dieses Problem ist in der 3 zu sehen, welche ein schematisches Diagramm zweier Variatoren 301, 302 ist, die durch die Zahnradsätze 303, 304 verbunden sind. Da sowohl die Eingänge der Variatoren als auch die Ausgänge der Variatoren streng miteinander verbunden sind müssen bei Variatoren in exakt demselben Modus arbeiten oder sie werden gegeneinander arbeiten, wodurch die Effizienz des gesamten Systems stark reduziert wird. Die grundsätzliche Anforderung, um Konflikte und einen Verlust der Effizienz zu vermeiden, wenn mehrere Variatoren parallel verwendet werden ist, dass alle Variatoren im stationäre Zustand dieselbe Funktion ausführen oder Tätigkeit, d. h. dass sie Drehmoment abgeben oder Drehmoment aufnehmen. Der Betriebsmodus ist durch den Kraftfluss definiert, der durch das Vorzeichen des Produkts des Drehmoments T_m des Ausgangs 402 des Motors 401 und der Geschwindigkeit ω_m des Ausgangs 402 des Motors 401 sgn(T_mω_m) ermittelt werden kann, wie in dem schematischen Diagramm 400 der 4 gezeigt und durch die folgenden Gleichungen dargestellt: sgn(T_mω_m) ≥ 0 (1) und sgn(T_mω_m) < 0 (2)
Falls die Gleichung (1) erfüllt ist, dann ist der Leistungsfluss positiv, und der Betriebsmodus des Variators 400 ist dergestalt, dass die Pumpe 403 als Pumpe und der Motor 401 als Motor wirkt. Falls die Gleichung (2) erfüllt ist, dann ist der Leistungsfluss negativ, und der Betriebsmodus des Variators 400 ist dergestalt, dass die Pumpe 403 als Motor und der Motor 401 als Pumpe wirkt. Da sgn(T_mω_m) = sgn(ΔPD_mQ) (3) worin D_m die Verdrängung des Motors 401 ist, kann der Betriebsmodus des Variators 400 auch durch das Vorzeichen des Produktes des Pumpenkreislaufdrucks M und des Pumpenkreislaufdurchflusses bestimmt werden, ausgedrückt als sgn(ΔPD_mQ) ≥ 0 (4) und sgn(ΔPD_mQ) < 0 (5)
Falls die Gleichung (4) erfüllt ist, dann ist der Leistungsfluss positiv, und der Betriebsmodus des Variators 400 ist dergestalt, dass die Pumpe 403 als Pumpe und der Motor 401 als Motor wirkt. Falls die Gleichung (5) erfüllt ist, dann ist der Leistungsfluss negativ, und der Betriebsmodus des Variators 400 ist dergestalt, dass die Pumpe 403 als Motor und der Motor 401 als Pumpe wirkt. Für einen Motor mit festgelegter Verdrängung werden die Gleichungen (4) und (5) zu sgn(ΔPQ) ≥ 0 (6) und sgn(ΔPQ) < 0 (7)
Wenn die Richtung des Kreislaufdurchflusses der Pumpe 404 durch ihren Ausgang 402 beschränkt ist, dann wird der Leistungsfluss nur durch das Vorzeichen des Kreislaufdrucks ΔP der Pumpe bestimmt. Somit steuert das Steuern des Kreislaufdrucks ΔP der Pumpe den Leistungsfluss des Variators 400 und steuert somit den Betriebsmodus des Variators 400.
Es wäre schlechthin vorteilhaft in Anwendungen mit mehreren Variatoren, alle Variatoren dazu zu zwingen, in demselben Modus zu arbeiten, wenn sie an ihrem Ausgang verbunden werden, um das diesbezügliche System anzutreiben. Wie in 5 gezeigt, kann die Regelung jedes Pumpenkreislaufdrucks mittels der Steuereinheiten 503, 504 zur Regulierung des Ausgangsdrehmoments T verwendet werden. Aufgrund der Unbestimmtheiten des Systems und der Fertigungstoleranzen können die beiden (oder die mehreren) Variatoren 501, 502 nicht identisch sein und normalerweise werden die gesteuerten Kreislaufdrücke nicht dieselben sein, das heißt ΔP1 ≠ ΔP2. Um die mehreren Variatoren in demselben Modus zu halten, müssen die Kreislaufdrücke dasselbe Vorzeichen haben. Das ist für die Genauigkeit der Steuerung des Drucks im stationären Zustand bei einem geringen Kreislaufdruck wichtiger, da geringe Veränderungen zu einer Modusumkehr bei geringen Drücken führen können. Zudem ist es bei Übergängen des Systems wichtig die Genauigkeit aufrecht zu erhalten, da Variatoren, die zu diesem Zeitpunkt gegeneinander arbeiten zu einer Systeminstabilität führen können, beispielsweise zu Schwingungen.
Die Regelung jeder Pumpenverdrängung kann auch zur Regulierung der Ausgangsgeschwindigkeit ω verwendet werden. Wie oben festgestellt, können aufgrund der Unbestimmtheiten des Systems und der Fertigungstoleranzen können die mehreren Variatoren 501, 502 nicht identisch sein und normalerweise wird die gesteuerte Pumpenverdrängung nicht die gleiche sein, sodass die Kreislaufströme der Variatoren normalerweise nicht die gleichen sein werden, das heißt Q1 ≠ Q2.
Selbst wenn die Verdrängungen die gleichen wären, dann würden sich die volumetrischen Effizienzen der Variatoren im Allgemeinen nicht entsprechen, sodass sich die Kreislaufströme nicht entsprechen würden.
Kurz gesagt entsprechen sich die Kreislaufströme der Variatoren 501, 502 typischerweise nicht, selbst bei identischen Steuerungsansätzen. Da die Variatorausgangswellen 505, 506 mit demselben Zahnrad verzahnt sind, müssen basierend auf der Durchflusskontinuität die Kreislaufdrücke der mehreren Variatoren unterschiedliche Vorzeichen annehmen, wenn sich die Ströme nicht entsprechen. Das heißt, dass die Variatoren gegeneinander arbeiten und eine Instabilität verursachen können.
Wie in 6 gezeigt sind die für die Steuerung des Ausgangsdrehmoments (oder die Steuerung des Kreislaufdrucks der Pumpen) die Pumpenkreisläufe der Variatoren 601, 602 mittels einer ersten überbrückenden hydraulischen Verbindung 607 und einer zweiten überbrückenden hydraulischen Verbindung 608 derart verbunden, dass die Vorzeichen des Produkts aus Kreislaufdruck der Pumpe und dem Kreislaufdurchfluss der Pumpe gezwungen sind, mechanisch und hydraulisch übereinzustimmen, ungeachtet von Systemunbestimmtheiten. Auf diese Art stimmen alle Betriebsmodi der Variatoren miteinander überein, sowohl im stationären Zustand als auch während der Übergänge.
Die Motorgeschwindigkeiten für alle Variatoren 601, 602 müssen aufgrund der mechanischen Beschränkungen (die Ausgangswellen 603, 604 der Motoren 605, 606 sind mit einem gemeinsamen Zahnrad verzahnt) die gleichen sein, und das gleiche gilt auch für die Pumpendurchflüsse. Der Ausgleichsdurchfluss Q₁₂ gleicht automatisch die Durchflussunterschiede zwischen den Variatorkreisläufen aus. Auf diese Weise werden, beispielsweise wenn die Pumpenverdrängungen durch die Steuereinheit 609 auf sehr geringe Werte eingestellt werden, beispielsweise nahe Null, lokale Kreislaufschwankungen auf der Pumpenseite aufgrund unterschiedlicher Vorzeichen der Pumpenverdrängung die Übereinstimmung zwischen den Betriebsmodi der Variatoren 601, 602 nicht beeinträchtigen.
Um die Steuerung des Ausgangsgeschwindigkeit durchzuführen (oder die Steuerung der Verdrängung der Pumpen), wenn die Pumpenkreisläufe für die Variatoren 601, 602 wie gezeigt verbunden sind, sind das (die) Vorzeichen des Produkts aus Kreislaufdruck der Pumpe und dem Kreislaufdurchfluss der Pumpe gezwungen, mechanisch und hydraulisch übereinzustimmen. Auf diese Weise werden die Betriebsmodi der Variatoren ebenfalls immer übereinstimmen, sowohl im stationären Zustand als auch während der Übergänge bezüglich Geschwindigkeit und Drehmoment.
Zusätzlich zur Robustheit verbessert die dargestellte Konfiguration auch die Effizienz des Systems. Insbesondere wird jegliche Optimierung bezüglich der Pumpenverdrängung die Funktion des Systems nicht gefährden, weil die Ausgangsmodi für die Variatoren übereinstimmen. Die Pumpenverdrängungen können somit zum Zwecke einer besseren Gesamtleistung des Systems individuell gesteuert werden, da der Ausgleichsdurchfluss Q₁₂ Durchflussunterschiede zwischen den Variatorkreisläufen automatisch abschwächt.
In einem Ausführungsbeispiel werden zusätzlich zu den herkömmlichen Steuerungen Leistungsbeschränkungen auferlegt. Wie in dem Geschwindigkeits-Druck-Diagramm des Motors der 7 dargestellt können zwei Betriebsszenarien auftreten. In dem ersten Betriebsszenario 700 wird das System mit mehreren Variatoren innerhalb der Hüllkurve 0-P_b0-A-B-ω_mo-0 betrieben, in welchem Fall die Leistung innerhalb der Systemgrenzen sein soll. Im zweiten Betriebsszenario wird die Maschine entlang der Kurve A-B betrieben, welche eine konstante Leistungsabgabe darstellt. P_b0 und ω_mo stellen jeweils den maximalen Steuerdruck und die maximale Motorgeschwindigkeit dar. Unter der Annahme dass im ersten Betriebsszenario die gewünschte Ausgangsgeschwindigkeit ω_d(t) ist, und dass die Leistungsgrenze des Systems W_l ist, wird die gewünschte Ausgangsgeschwindigkeit als
bestimmt, wobei k_w eine Konstante ist. Somit werden die Steuerung der Motorgeschwindigkeit und die Steuerung der Motorleistung bei der Steuerung der Motorgeschwindigkeit dem in Gleichung (8) ausgedrückten gewünschten Zeitverlauf folgend vereinigt. Ein Tiefpassfilter oder eine Grenzfläche können hinzugefügt werden, um zu verhindern, dass das System an der Grenze der konstanten Leistung entlang flattert, und die Verdrängung der Pumpen dementsprechend angepasst werden kann.
Für Drucksteuerungsanwendungen wird angenommen, dass der gewünschte Pumpenauslassdruck P_d(t) ist. Wenn die Leistungsgrenze des Motors W_l ist, dann wird durch die folgenden Gleichungen bestimmt, ob die Steuerung in ihrer Leistung eingeschränkt wird oder nicht.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist zu erkennen, dass es wünschenswert sein kann, bestimmte Systemparameter abzufühlen. Insofern sind in einem Ausführungsbeispiel bestimmte Sensoren in dem System beinhaltet. In einem Ausführungsbeispiel werden beispielsweise hydraulische Drucksensoren, Druckaufnehmer, Pumpenverdrängungssensoren oder Motorverdrängungssensoren, und/oder ein Systemausgangsgeschwindigkeitssensor verwendet, um Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerungsstrategien zu ermöglichen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die hierin beschriebene Gestaltung des hydraulischen Systems für mehrere Variatoren ermöglicht die Verwendung mehrerer paralleler Variatoren in leistungsverzweigten CVTs und hydrostatischen Getrieben ohne die schädlichen Auswirkungen nicht übereinstimmender Variatoren zu übernehmen. Das System kann in schweren Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Erdbewegungsmaschinen, Erdarbeitsmaschinen, Transportsystemen für große Materialien, Landwirtschaftsmaschinen und ähnlichem eingesetzt werden, worin ein großes Variatorsystem benötigt wird, um ein CVT oder ein hydrostatisches Getriebe zu ermöglichen. Mit der bereitgestellten Systemgestaltung können die einzelnen Variatoren unabhängig ohne gegenseitige Beeinflussung steuerbar, und die Variatoren müssen nicht zuvor in Übereinstimmung gebracht werden. Das gestaltete System kann sowohl in Druckmodi (Drehmoment) als auch in Verdrängungsmodi (Geschwindigkeit) gesteuert werden. Zudem kann bei Verwendung der offenbarten Gestaltung die Steuerung der Systemleistung in das Steuerungssystem integriert werden. Insbesondere sind die Nachteile großer hydraulischer Pumpen und Motoren überwunden, und somit muss die begrenzte Möglichkeit der Skalierung aufgrund der Verfügbarkeit der Produktlinie bei der Gestaltung nicht länger bedacht werden.
Es ist festzustellen, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch vorgesehen, dass andere Umsetzungen der Offenbarung in Details von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder Beispiele davon sollen sich auf das besondere, gerade zu diesem Zeitpunkt beschriebene Beispiel beziehen, und sollen keinerlei weitergehende Einschränkung des Umfangs der Offenbarung andeuten. Jegliche Erwähnung einer Hervorhebung oder einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Eigenschaften soll einen Mangel an Bevorzugung der fraglichen Eigenschaften anzeigen, dies aber keinesfalls so, dass diese gänzlich vom Umfang der Offenbarung ausgeschlossen werden sollen, falls dies nicht anderweitig angezeigt wird.
Die Angabe von Wertebereichen hierin sollen lediglich als verkürzte Methode dienen, um sich auf jeden Wert, der in den Bereich fällt, individuell zu beziehen, falls nicht anderweitig angezeigt, und jeder einzelne Wert ist in die Beschreibung aufgenommen, als wäre er individuell hierin angegeben worden. Alle hierin beschriebenen Methoden können in jeder geeigneten Abfolge durchgeführt werden, falls hierin nicht anders angezeigt, oder falls dem nicht durch den Zusammenhang in anderer Weise klar widersprochen wird.

Claims

Ein System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe, welches umfasst: einen ersten hydraulischen Variator (602), welcher einen Eingang oder Antrieb (303), eine mit dem Eingang (303) verbundene hydraulische Pumpe, einen mit der hydraulischen Pumpe mittels eines hydraulischen Kreislaufs, welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, verbundenen hydraulischen Motor (606), sowie einen Ausgang oder Abtrieb (604) des hydraulischen Motors besitzt; einen zweiten hydraulischen Variator (601), welcher einen Eingang, eine mit dem Eingang verbundene hydraulische Pumpe des zweiten hydraulischen Variators (601), einen mit der hydraulischen Pumpe des zweiten hydraulischen Variators (601) mittels eines hydraulischen Kreislaufs, welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, verbundenen hydraulischen Motor (605), sowie einen Ausgang (604) des hydraulischen Motors des zweiten hydraulischen Variators (601) besitzt, wobei die erste Seite des hydraulischen Kreislaufs des zweiten hydraulischen Variators (601) hydraulisch mit der ersten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators (602) verbunden ist, und die zweite Seite des hydraulischen Kreislaufs des zweiten hydraulischen Variators (601) hydraulisch mit der zweiten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators (602) verbunden ist; ein gemeinsamer Eingang mit dem Eingang des zweiten hydraulischen Variators (602) sowie dem Eingang des ersten hydraulischen Variators (601) verzahnt ist, sodass die Eingänge des ersten und des zweiten hydraulischen Variators (602, 601) mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren; und einen gemeinsamen Ausgang, der mit dem Ausgang (604) des ersten hydraulischen Variators (602) und dem Ausgang (603) des zweiten hydraulischen Variators (601) verzahnt ist, sodass die Ausgänge (604, 603) des ersten und des zweiten hydraulischen Variators (602, 601) mit der gleichen Geschwindigkeit rotieren.
Ein System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß Anspruch 1, welches zudem eine Kraftmaschine (101, 204) aufweist, welche mit dem gemeinsamen Eingang verbunden ist.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Maschinengetriebe ein hydrostatisches Getriebe ist, und wobei der gemeinsame Ausgang mit einem mit den Grund in Eingriff tretenden System zum Vortrieb der Maschine verbunden ist.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Maschinengetriebe ein Getriebe mit stufenloser Übersetzungsänderung ist, wobei das System zudem ein mechanisches Getriebe aufweist, welches ebenfalls mit der Kraftmaschine (101, 204) verbunden ist, wobei das mechanische Getriebe einen Ausgang an ein Maschinenvortriebssystem bereitstellt, wobei der gemeinsame Ausgang mit dem mechanischen Getriebe verbunden ist, um die Geschwindigkeit des Ausgangs des mechanischen Getriebes stufenlos zu variieren.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches zudem eine Steuereinheit (609) aufweist, die gestaltet ist, um die hydraulischen Variatoren (602, 601) in einem Geschwindigkeitssteuerungsmodus zu steuern.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches zudem eine Steuereinheit (609) aufweist, die gestaltet ist, um die hydraulischen Variatoren (602, 601) in einem Drehmomentsteuerungsmodus zu steuern.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welches zudem eine Steuereinheit (609) aufweist, die gestaltet ist, um die hydraulischen Variatoren (602, 601) in einem Drucksteuerungsmodus zu steuern.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuereinheit (609) gestaltet ist, um den ersten hydraulischen Variator (602) und den zweiten hydraulischen Variator (601) mit zuvor festgelegten Druck- und Geschwindigkeitseinschränkungen, welche zumindest teilweise entlang einer Druck/Geschwindigkeitskurve (700) konstanter Leistungsabgabe enden, die sich auf maximal zulässige Steuerdrücke und maximal zulässige Motorgeschwindigkeiten beziehen, zu steuern.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (609) zudem gestaltet ist, um zumindest einen der folgenden anzuwenden: einen Tiefpassfilter und eine Grenzflächensteuerung, um eine Pumpenverdrängung des ersten und des zweiten Variators (602, 601) einzustellen, um das Flattern auf der Druck/Geschwindigkeitskurve (700) zu verhindern.
Das System zur Bereitstellung hydraulischer Leistung in einem Maschinengetriebe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, welches zudem einen dritten hydraulischen Variator (400) aufweist, welcher einen Eingang, eine mit dem Eingang verbundene hydraulische Pumpe (403), einen mit der hydraulischen Pumpe (403) mittels eines hydraulischen Kreislaufs (404), welcher eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, verbundenen hydraulischen Motor (401) sowie einen Ausgang (402) des hydraulischen Motors (401) besitzt, wobei die erste Seite des hydraulischen Kreislaufs (404) des dritten hydraulischen Variators (400) hydraulisch mit der ersten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators (602) verbunden ist, und die zweite Seite des hydraulischen Kreislaufs des dritten hydraulischen Variators (400) hydraulisch mit der zweiten Seite des hydraulischen Kreislaufs des ersten hydraulischen Variators (602) verbunden ist, und wobei der Eingang des dritten hydraulischen Variators (400) mit dem gemeinsamen Eingang verbunden ist und der Ausgang (402) des dritten hydraulischen Variators (400) mit dem gemeinsamen Ausgang verbunden ist.