DE112013005413T5

DE112013005413T5 - Dielektrische Sensoranordnung und Verfahren zur Erfassung der Schrägscheiben-Winkelstellung

Info

Publication number: DE112013005413T5
Application number: DE112013005413.2T
Authority: DE
Inventors: Hongliu Du
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-07-30
Also published as: JP2016501381A; CN104854422A; WO2014093452A1; US20140169987A1

Abstract

Eine Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung für eine Pumpe mit variabler Verdrängung 10, die eine nicht drehende Schrägscheibe 12 und eine sich drehende Trommel 14 der Pumpe 10 aufweist, umfasst einen dielektrischen Sensor in einer Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50. Die Anordnung umfasst eine Messsonde 52, die mit dem Gehäuse 16 gekoppelt ist, ein Sensorziel 54, das mit der Schrägscheibe 12 gekoppelt ist, und ein Steuergerät 48, das dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom durch die Messsonde 52 zu leiten, um eine Impedanz zwischen der Sonde 52 und dem Ziel 54 herzustellen, und die Spannung über die Sonde 52 zu bestimmen. Das Steuergerät 48 ist des Weiteren geeignet, den Winkel der Schrägscheibe 12 relativ zu dem Gehäuse 16 auf der Grundlage der bestimmten Spannung zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung, und insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung eines Winkels einer Schrägscheibe.
Hintergrund
Pumpen mit variabler Verdrängung werden allgemein in verschiedenen Typen von Hydrauliksystemen verwendet. Auch manche Fahrzeuge umfassen üblicherweise Hydraulikpumpen, die durch einen Motor oder eine Antriebsmaschine in dem Fahrzeug angetrieben werden, um einen Strom aus unter Druck stehendem Fluid zu erzeugen. Das unter Druck stehende Fluid kann für einen beliebigen aus einer Reihe von Zwecken während des Betriebs des Fahrzeugs verwendet werden. Eine Maschine kann zum Beispiel das unter Druck stehende Fluid verwenden, um die Maschine an einer Arbeitsstelle vorzutreiben, oder ein Arbeitswerkzeug an der Maschine zu bewegen.
Eine Pumpe mit variabler Verdrängung saugt typischerweise Arbeitsfluid, etwa Öl, aus einem Reservoir an und leistet Arbeit an dem Fluid, um den Druck des Fluids zu erhöhen. Die Pumpe kann ein Pumpelement umfassen, wie beispielsweise etwa eine Reihe von Kolben, das den Druck des Fluids erhöht. Die Pumpe kann auch eine Schrägscheibe mit variablem Winkel umfassen, die die Kolben durch eine oszillierende Bewegung antreibt, um den Druck des Fluids zu erhöhen.
Eine Pumpe, die eine Schrägscheibe mit variablem Winkel umfasst, kann auch einen Mechanismus umfassen, der den Winkel der Schrägscheibe variiert, um die Hublänge der Kolben zu verändern, und dadurch die Verdrängung der Pumpe zu variieren. Die Verdrängung der Pumpe kann verringert werden, indem der Winkel der Schrägscheibe zur Verkürzung der Hublänge der Kolben verkleinert wird. Alternativ kann die Verdrängung der Pumpe erhöht werden, indem der Winkel der Schrägscheibe zur Verlängerung der Hublänge der Kolben vergrößert wird.
Die Menge an unter Druck stehendem Fluid, die von einer Pumpe mit variabler Verdrängung gefordert wird, kann in Abhängigkeit von den speziellen Betriebsbedingungen des Systems oder Fahrzeugs, das von der Pumpe abhängig ist, variieren. In einer Fahrzeuganwendung kann zum Beispiel die Gesamteffizienz des Fahrzeugs verbessert werden, indem die Verdrängung der Pumpe variiert wird, um den Anforderungen des Fahrzeugs zu entsprechen. Benötigt das Fahrzeug weniger unter Druck stehendes Fluid, kann der Winkel der Schrägscheibe verändert werden, um die Hublänge der Kolben zu verringern. Umgekehrt kann, wenn das Fahrzeug mehr unter Druck stehendes Fluid benötigt, der Winkel der Schrägscheibe verändert werden, um die Hublänge des Kolbens zu erhöhen.
Ein Fahrzeug oder System kann ein Steuersystem umfassen, das die Betriebsanforderungen überwacht und den Betrieb der Pumpe steuert, um die Anforderungen zu erfüllen. Um effektiv den Ausgang der Pumpe an die Anforderungen des Fahrzeugs oder Systems anzupassen, überwacht das Steuersystem den aktuellen Ausgang der Pumpe, zum Beispiel durch Erfassung des Winkels der Schrägscheibe. Kann das Steuersystem den Winkel der Schrägscheibe genau bestimmen, kann das Steuersystem den aktuellen Ausgang der Pumpe genau abschätzen. Das Steuersystem kann dann den Winkel der Schrägscheibe einstellen, um die Anforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen.
Eine Pumpe mit variabler Verdrängung kann einen Sensor umfassen, um den Winkel der Schrägscheibe zu erfassen. Ein Schrägscheibensensor kann auf einem oder mehreren unterschiedlichen Prinzipien basieren. Zum Beispiel kann ein Sensor auf mechanischen, lichtbasierten, elektrischen, magnetischen oder dem Prinzip des Hall-Effekts basieren. Typischerweise sind jedoch die bekannten Sensoren, die auf diesen Prinzipien basieren, entweder ungeeignet für die Verwendung in einer Pumpe mit variabler Verdrängung, können zu einer beträchtlichen Erhöhung der Gesamtkosten der Pumpe führen, können nicht ausreichend robust sein, um den Anforderungen des Betriebs standzuhalten, oder können durch Interferenz in dem System, wie etwa eisenhaltiges Material im Pumpenfluid, beeinflusst werden.
Zum Beispiel basiert ein Typ eines Schrägscheibenwinkelsensors, der von Rexroth hergestellt wird, auf einer Kombination aus elektrischen und magnetischen Prinzipien, die als der Hall-Effekt bekannt sind. Dieser Sensor setzt Permanentmagnete ein, die an der Schrägscheibe angebracht sind und sich aus dem Pumpengehäuse heraus erstrecken. Ein Hall-Effekt-Halbleiterchip ist zwischen die Permanentmagnete eingebracht. Durch Leiten eines Stroms durch den Halbleiterchip und Messen der entstehenden Spannung über den Chip kann der Winkel der Schrägscheibe bestimmt werden. Es ist jedoch schwierig und kostspielig, eine effektive Dichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem aus dem Pumpengehäuse herausragenden Magneten zu erreichen. Darüber hinaus können irgendwelche magnetischen Materialien in der Nähe des Sensors mit dem Betrieb des Sensors interferieren. Das US-Patent 6,848,888 an Du et al. versucht, die Nachteile von Hall-Effektsensoren nach dem Stand der Technik zu überwinden.
Es ist erwünscht, dass eine Messanordnung für die Pumpenströmung verlässliche Informationen auch in einer rauen Arbeitsumgebung bereitstellt, unabhängig von Temperaturschwankungen, beträchtlichen Vibrationen des Systems, häufigen Druckschwankungen, Metallabrieb in dem Arbeitsfluid der Pumpe, Kavitation und verschiedenen Rauschquellen. Es ist weiters erwünscht, dass eine solche Anordnung wirtschaftlich herzustellen und zu betreiben ist.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird eine Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung für eine Pumpe mit variabler Verdrängung bereitgestellt, die ein Gehäuse aufweist, das eine nicht drehende Schrägscheibe beinhaltet, die dazu geeignet ist, relativ zu einer Drehachse einer Pumpentrommel zu schwenken. Die Schrägscheibe definiert einen Schrägscheibenwinkel relativ zu einer Ebene im Wesentlichen senkrecht auf die Drehachse der Pumpentrommel. Die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung umfasst eine Messsonde, die mit dem Gehäuse gekoppelt ist, ein Sensorziel, das mit der Schrägscheibe gekoppelt ist, und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, einen Wechselstrom durch die Messsonde zu leiten, um eine Impedanz zwischen der Messsonde und dem Sensorziel herzustellen, und die Spannung über die Messsonde zu bestimmen. Das Steuergerät ist des Weiteren geeignet, den Winkel der Schrägscheibe relativ zu dem Gehäuse auf der Grundlage der bestimmten Spannung zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Offenbarung eine Pumpe mit variabler Verdrängung bereit, die ein Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Trommel, die dazu geeignet ist, sich um eine Drehachse zu drehen, sowie eine nicht drehende Schrägscheibe aufweist, die in dem Gehäuse angeordnet und dazu geeignet ist, relativ zu der Achse zu schwenken. Die Pumpe umfasst des Weiteren ein Sensorziel, das mit der Schrägscheibe gekoppelt ist, eine Messsonde, die mit dem Gehäuse gekoppelt und proximal zu dem Sensorziel angeordnet ist, und ein Steuergerät. Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, einen Strom über die Messsonde zu leiten, um eine Impedanz zwischen der Messsonde und dem Sensorziel herzustellen, und die Spannung über die Messsonde zu bestimmen, wobei das Steuergerät des Weiteren dazu geeignet ist, den Winkel der Schrägscheibe relativ zu dem Gehäuse auf der Grundlage der bestimmten Spannung zu bestimmen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt stellt die Offenbarung ein Verfahren zur Überwachung der Stellung einer nicht drehenden Schrägscheibe bereit, die dazu angeordnet ist, relativ zu einer Achse in einer Pumpe mit variabler Verdrängung zu schwenken, wobei die Pumpe eine innerhalb eines Gehäuses um die Achse drehbare Trommel umfasst. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Sensorziels, das mit der Schrägscheibe gekoppelt ist, und das Bereitstellen einer Messsonde, die mit dem Gehäuse gekoppelt und proximal zu dem Sensorziel angeordnet ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren folgende Schritte: Leiten eines Wechselstroms über die Messsonde, um eine Impedanz zwischen der Messsonde und dem Sensorziel herzustellen, Bestimmen der Spannung über die Messsonde, und Bestimmen des Winkels der Schrägscheibe relativ zu dem Gehäuse auf der Grundlage der bestimmten Spannung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Veranschaulichung einer Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung in Verbindung mit der Überwachung der Winkelstellung einer Schrägscheibe in einer Pumpe mit variabler Verdrängung, die als eine schematische weggeschnittene Ansicht im Seitenriss gezeigt ist.
2 ist eine schematische Seitenansicht der Ventilanschlussplatte der Pumpe von 1 entlang der Linie II-II.
3 ist eine schematische Veranschaulichung der Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung von 1.
4 ist eine Ansicht der Messsonde entlang der Linie IV-IV in 3.
5 ist eine Darstellung der dielektrischen Eigenschaften von Komponenten der Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung von 3.
6 ist eine Darstellung des dielektrischen Analyse-Ersatzschaltung der Anordnung von 3.
7 zeigt ein Diagramm einer Korrelation der gemessenen Spannung mit dem Schrägscheibenwinkel in einer beispielhaften Ausführungsform einer Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung gemäß der Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren, ein System und eine Anordnung zur Steuerung einer Hydraulikpumpe 10 mit variabler Verdrängung. Insbesondere betrifft die Offenbarung ein Verfahren, ein System und eine Anordnung zur Überwachung der Winkelstellung einer Schrägscheibe 12 in einer Pumpe 10 mit variabler Verdrängung. Verfahren und Anordnung sind für eine Reihe von physikalischen Konfigurationen von Hydraulikpumpen mit variabler Verdrängung geeignet, und die Steuerungen können durch Software und ein Steuergerät für praktisch jedes System implementiert werden, das eine Pumpe mit variabler Verdrängung mit einbezieht.
Eine beispielhafte Ausführungsform einer Pumpe mit variabler Verdrängung 10 ist in 1 veranschaulicht. Wie gezeigt umfasst die Pumpe 10 eine Trommel 14, die in einem Gehäuse 16 angeordnet ist, um sich um eine Trommelachse 18 zu drehen. Die Trommel 14 definiert eine Reihe von Kammern 20, von denen zwei in 1 veranschaulicht sind. Die Kammern 20 sind typischerweise in einer kreisförmigen Verteilung in gleichmäßigen Abständen um die Trommelachse 18 herum beabstandet angeordnet. Jede Kammer 20 umfasst einen Auslassanschluss 22. Die Trommel 14 wird mittels einer komprimierten Zylinder-Trommelfeder 26 und durch Druckkraft innerhalb der Trommel 14 selbst dicht gegen eine Ventilanschlussplatte 24 gehalten. Wie am besten in 2 zu sehen ist, umfasst die Ventilanschlussplatte 24 einen Einlassanschluss 28 und einen Ausgabeanschluss 30, deren Bedeutung im Folgenden erläutert wird.
Zurück zu 1 umfasst die Pumpe 10 auch eine Reihe von Kolben 32 sowie die Schrägscheibe 12, die eine Antriebsoberfläche 36 aufweist.
In jeder Kammer 20 ist ein Kolben 32 verschiebbar angeordnet. Ein Ende eines jeden der Kolben 32 ist zu dem Auslassanschluss 22 hin angeordnet, und das andere Ende ist zu der Antriebsoberfläche 36 der Schrägscheibe 12 hin angeordnet und in Eingriff mit dieser vorgespannt. Die Kolben 32 werden typischerweise entweder durch eine fixe Abstandsvorrichtung oder einen formschlüssigen Niederhaltemechanismus, wie beispielsweise etwa eine Feder (nicht dargestellt), gegen die Schrägscheibe 12 gehalten. Für die Zwecke dieser Offenbarung werden die fixe Abstandsvorrichtung oder der formschlüssige Niederhaltemechanismus als eine Feder bezeichnet.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist jeder Kolben 32 mit einem Gleitschuh 38 verbunden. Die Verbindung jedes Kolbens 32 mit einem jeweiligen Gleitschuh 38 umfasst ein Gelenk, wie beispielsweise etwa das veranschaulichte Kugelgelenk 40, wobei jeder Gleitschuh 38 zwischen einen jeweiligen Kolben 32 und die Schrägscheibe 12 eingebracht ist. Jedes Gelenk 40 erlaubt eine relative Bewegung zwischen der Schrägscheibe 12 und einem jeweiligen Kolben 32.
Die Schrägscheibe 12 kann in einem Winkel relativ zu dem Gehäuse 16 angeordnet sein. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung wird der Winkel α von einer Linie z aus gemessen, die senkrecht zu der Trommelachse 18 gezogen ist. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass der Schrägscheibenwinkel auch unter Verwendung eines anderen Bezugspunkts gemessen werden kann.
Eine Welle 42 kann durch einen beliebigen geeigneten Mechanismus mit der Trommel 14 verbunden sein. Die Drehung der Welle 42 veranlasst eine entsprechende Drehung der Trommel 14 um die Trommelachse 18. Die Welle 42 kann durch eine geeignete Leistungsquelle 44 (schematisch veranschaulicht) angetrieben werden, wie etwa einen Motor, zum Beispiel einen Verbrennungsmotor. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Welle 42 durch einen anderen Typ von Leistungsquelle 44 angetrieben werden kann, wie beispielsweise etwa einen Elektromotor.
Die Trommel 14 dreht sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω. Wird die Trommel 14 gedreht, wird die Kombination aus abgewinkelter Antriebsoberfläche 36 der Schrägscheibe 12 und aus der Kraft der Feder (nicht dargestellt) in jeder Kammer 20 jeden Kolben 32 durch eine oszillierende Bewegung innerhalb jeder Kammer 20 zwingen. Als Ergebnis läuft jeder Kolben 32 periodisch über jeden der Einlass- und Ausgabeanschlüsse 28, 30 der Ventilanschlussplatte 24. Der Neigungswinkel α der Schrägscheibe 12 veranlasst die Kolben 32, eine oszillierende Verschiebung in die und aus der Trommel 14 zu erfahren, und somit Hydraulikfluid in den Einlassanschluss 28 einzusaugen, der ein Niederdruckanschluss ist, und aus dem Ausgabeanschluss 30 abzugeben, der ein Hochdruckanschluss ist.
Der Winkel α der Schrägscheibe 12 relativ zu dem Gehäuse 16 steuert die Hublänge jedes Kolbens 32 und die Verdrängungsrate der Pumpe 10. Ein Vergrößern des Schrägscheibenwinkels α wird zu einer größeren Hublänge jedes Kolbens 32 führen. Umgekehrt wird eine Verkleinerung des Schrägscheibenwinkels α zu einer kürzeren Hublänge jedes Kolbens 32 führen. Eine Erhöhung der Hublänge jedes Kolbens 32 wird die Fluidmenge, die während jeder Drehung der Trommel 14 unter Druck gesetzt wird, auf ein vorbestimmtes Niveau erhöhen. Eine Verringerung der Hublänge jedes Kolbens 32 wird die Fluidmenge, die während jeder Drehung der Trommel 14 unter Druck gesetzt wird, auf ein vorbestimmtes Niveau verringern. In einer Ausführungsform kann der Schwenkbereich der Schrägscheibe 12 auf eine Stellung mit minimaler Verdrängung von ungefähr minus 20° und einer Stellung maximaler Verdrängung von ungefähr plus 20° begrenzt werden.
Der Neigungswinkel α der Schrägscheibe 12 kann durch einen beliebigen geeigneten Winkelsteuerungsmechanismus 46 gesteuert werden und basiert typischerweise auf den Anforderungen bezüglich eines Ausgabedrucks und/oder einer Ausgabeströmungsrate. Der Neigungswinkel α der Schrägscheibe 12 kann zum Beispiel durch einen hydraulisch gesteuerten Mechanismus gesteuert werden, der als weiteres Beispiel einen oder mehrere Stellkolben (nicht dargestellt) umfassen kann. Solche Mechanismen sind beispielsweise in den US-Patenten 6,375,433 und 6,623,247 offenbart, und werden in dieser Offenbarung nicht näher beschrieben, da der Fachmann mit ihnen vertraut sein wird. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass ein anderer Typ von Mechanismus verwendet werden kann, um den Winkel α der Schrägscheibe 12 zu variieren, wie beispielsweise etwa ein elektromagnetisch angesteuertes Stellglied oder ein Servomechanismus. Um Anweisungen an den Winkelsteuerungsmechanismus 46 bereitzustellen, kann ein Steuergerät 48 vorgesehen sein.
Das Steuergerät 48 kann ein elektronisches Steuermodul umfassen, das einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist der Speicher operativ mit dem Mikroprozessor verbunden und speichert einen Satz von Anweisungen sowie Variablen. Dem Mikroprozessor zugeordnet und Teil des elektronischen Steuermoduls können verschiedene andere bekannte Schaltungen sein, wie beispielsweise unter anderem etwa Stromversorgungsschaltungen, Signalaufbereitungsschaltungen, und Elektromagnet-Ansteuerungsschaltungen.
Das Steuergerät 48 kann programmiert sein, um den Betrieb der Pumpe 10 auf der Grundlage unterschiedlicher Eingangsparameter zu steuern. Zum Beispiel kann in einer Maschine das Steuergerät 48 die Bewegungen eines Arbeitswerkzeugs oder die angeforderte Bewegung der Maschine selbst überwachen, um den Bedarf an unter Druck stehendem Fluid zu bestimmen. Wenn zum Beispiel das Steuergerät 48 bestimmt, dass die Anforderungen für unter Druck stehendes Fluid den aktuellen Ausgang der Pumpe 10 übersteigen, kann das Steuergerät 34 den Winkelsteuerungsmechanismus 46 einstellen, um den Winkel α der Schrägscheibe 12 zu erhöhen, und dadurch die Verdrängung der Pumpe 10 zu erhöhen.
Das Steuergerät 48 dieser Offenbarung kann eine beliebige herkömmliche Konstruktion aufweisen, mit Hardware und Software, die dazu ausgebildet ist, die Berechnungen durchzuführen und geeignete Signale zu senden und zu empfangen, um die offenbarte Logik umzusetzen. Das Steuergerät 48 kann ein oder mehrere Steuerungseinheiten umfassen, und kann ausschließlich dazu ausgebildet sein, die offenbarte Strategie auszuführen, oder um die offenbarte Strategie und weitere Prozesse der Maschine (nicht dargestellt) auszuführen. Das Steuergerät 48 kann einen beliebigen geeigneten Aufbau aufweisen, und kann einen Prozessor (nicht dargestellt) und eine Speicherkomponente (nicht dargestellt) umfassen. Der Prozessor kann Mikroprozessoren oder andere in der Technik bekannte Verarbeitungseinheiten darstellen. In einigen Ausführungsformen kann der Prozessor aus mehreren Verarbeitungseinheiten gebildet sein. In einem Beispiel umfasst das Steuergerät 48 ein digitales Prozessorsystem, das eine Mikroprozessorschaltung mit Dateneingängen und Steuerausgängen umfasst, und in Übereinstimmung mit computerlesbaren Anweisungen arbeitet, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind. Typischerweise wird der Prozessor zugeordnete Langzeit- oder nicht flüchtige Speicher zum Speichern der Programmanweisungen umfassen, sowie Kurzzeit- oder flüchtige Speicher zum Speichern von Werten und Ergebnissen während (oder aus) der Verarbeitung.
Der Prozessor kann Anweisungen ausführen, um ein Schrägscheibenwinkelsignal zu erzeugen und den Winkel α der Schrägscheibe 12 zu steuern, wie etwa die hierin beschriebenen Verfahren. Solche Anweisungen können in ein computerlesbares Medium, wie etwa die Speicherkomponente, eingelesen oder auf diesem integriert sein, oder dem Prozessor extern bereitgestellt werden. In alternativen Ausführungsformen können festverdrahtete Schaltungen anstelle oder in Kombination mit Softwareanweisungen verwendet werden, um ein Schrägscheibenwinkelverfahren zu implementieren. Somit sind die Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination aus Schaltungshardware und Software begrenzt.
Der Begriff ”computerlesbares Medium” bezieht sich so, wie er hierin verwendet wird, auf beliebige Medien oder Kombinationen von Medien, die an der Bereitstellung von Anweisungen an den Prozessor zur Ausführung beteiligt sind. Solche Medien können viele Formen annehmen, wie etwa nicht flüchtige Medien, flüchtige Medien oder Übertragungsmedien, ohne jedoch auf diese begrenzt zu sein. Nicht flüchtige Medien umfassen zum Beispiel optische oder magnetische Scheiben. Flüchtige Medien umfassen dynamische Speicher. Übertragungsmedien umfassen Koaxialkabel, Kupferdrähte und Faseroptiken.
Übliche Formen computerlesbarer Medien umfassen zum Beispiel eine Floppydisk, eine flexible Scheibe, Festplatte, ein Magnetband, oder ein beliebiges anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, ein beliebiges anderes optisches Medium, Lochkarten, Papierband, ein beliebiges anderes physikalisches Medium mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, und EPROM, ein FLASH-EPROM, ein beliebiger anderer Speicherchip oder -kassette oder ein beliebiges anderes Medium, von welchem ein Computer oder Prozessor lesen kann.
Die Speicherkomponente kann beliebige Formen computerlesbarer Medien umfassen, wie sie oben beschrieben wurden. Die Speicherkomponente kann mehrere Speicherkomponenten umfassen.
Das Steuergerät 48 kann in ein einzelnes Gehäuse eingeschlossen sein. In alternativen Ausführungsformen kann das Steuergerät 48 eine Vielzahl von Komponenten einschließen, die operativ miteinander verbunden und in einer Vielzahl von Gehäusen eingeschlossen sind. Das Steuergerät 48 kann ein integraler Teil einer Steuertafel sein und fest mit einem Klemmenkasten (nicht dargestellt) verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuergerät 48 fest an einer Antriebsmaschine, einem Generator und/oder einem Rahmen einer Maschine (nicht dargestellt) angebracht sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann das Steuergerät 48 an einer Vielzahl von operativ miteinander verbundenen Stellen angeordnet sein, was einschließt, dass es fest an einem Rahmen, einer Antriebsmaschine, einem Generator, einem Klemmenkasten und/oder entfernt von der Maschine (nicht dargestellt) angebracht sein kann.
Das Steuergerät 48 kann dazu ausgebildet sein, ein Pumpenwinkelsignal als eine Funktion von zum Beispiel der gewünschten Pumpenausgangsströmung oder dem gewünschten Pumpenausgangsdruck zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann das Pumpenwinkelsignal ein Signal sein, das den Schrägscheibenwinkelsteuerungsmechanismus 46 steuert, um den Winkel α der Schrägscheibe 12 zu modifizieren.
Um die Strömungsrate der Pumpe 10 zu bestimmen und zu steuern, ist es notwendig, den Winkel α der Pumpenschrägscheibe 12 genau zu identifizieren und zu steuern. In Übereinstimmung mit der Offenbarung kann eine Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 in der Form eines dielektrischen Sensors mit der Pumpe 10 in Eingriff stehen, um den Winkel α der Schrägscheibe 12 zu erfassen, wie zum Beispiel in 1 und 3 dargestellt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 eine Messsonde 52 und ein Sensorziel 54 zusammen mit dem Fluidmedium 56, das innerhalb des Pumpengehäuses 16 angeordnet ist. Der Fachmann wird verstehen, dass die Messsonde 52 und das Sensorziel 54 in geeigneter Weise für die Pumpe 10 werden und Materialien einsetzen sollten, die unter den zur Anwendung kommenden Arbeitsbedingungen für die Konstruktion der Pumpe 10 funktionsfähig sind.
In der veranschaulichten Anordnung 50 ist die Messsonde 52 mit einem Innenraum des Pumpengehäuses 16 gekoppelt und diesem ausgesetzt. Die Messsonde 52 fungiert als ein Leiter und kann eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen. Rein beispielhaft kann die Messsonde 52 unter Bezugnahme auf 3 und 4 ein leitfähiger Abschnitt oder eine Elektrode 58 sein, die an einem Stahlpumpengehäuse 16 montiert ist, mit einem nicht leitfähigen Abschnitt oder Isolator 60, der die Elektrode 58 von dem Pumpengehäuse 16 trennt. Die Elektrode 58 kann eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen und kann zum Beispiel ein leitfähiger Metalldraht sein. In ähnlicher Weise kann der Isolator 60 eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen und aus einem nicht magnetischen Material, wie etwa rein beispielhaft aus Kunststoff, Teflon oder Plexiglas, hergestellt sein. Zum Beispiel kann der Isolator 60 eine kreisförmige Gestalt aufweisen und kann eine Zentralöffnung 62 umfassen, durch welche sich eine Metalldrahtelektrode 58 erstreckt. Der Isolator 60 kann direkt in einer Öffnung 64 in dem Pumpengehäuse 16 angeordnet und eingedichtet sein, oder von einer weiteren leitfähigen Schicht 66 umgeben sein, wie in den 3 und 4 veranschaulicht. Die Messsonde 52 kann an dem Gehäuse 16 durch eine beliebige geeignete Anordnung gesichert sein, wie beispielsweise etwa durch Befestigungselemente wie Schrauben oder dergleichen (nicht dargestellt). Dem Fachmann wird erkennen, dass auch alternative Messsonden-Konstruktionen eingesetzt werden können.
Das Sensorziel 54 ist der Messsonde 52 gegenüberliegend an der Schrägscheibe 12 angeordnet. Das Sensorziel 54 kann an der Schrägscheibe 12 durch eine beliebige geeignete Anordnung gesichert sein, beispielsweise etwa durch ein oder mehrere Befestigungselemente wie Schrauben oder dergleichen (nicht dargestellt). Das Sensorziel 54 ist an der Schrägscheibe 12 an einer solchen Stelle angeordnet, dass die Stellung des Sensorziels 54 relativ zu der Messsonde 52 mit der Stellung der Schrägscheibe 12 variiert. Zum Beispiel kann das Sensorziel 54 entlang eines Randes der Schrägscheibe 12 angeordnet sein.
Wie die Messsonde 52 kann auch das Sensorziel 54 eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen. In einer Ausführungsform umfasst das Sensorziel 54 in ähnlicher Weise einen leitfähigen Abschnitt 68, der von einem nicht leitfähigen Abschnitt oder Isolator 70 umgeben ist.
Die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 umfasst des Weiteren ein Steuergerät 48. Obwohl das Steuergerät 48 der Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung als das Steuergerät 48 veranschaulicht wird, das dazu ausgebildet ist, den Winkel der Schrägscheibe 12 zu steuern, dürfte klar sein, dass ein oder mehrere Steuergeräte vorgesehen sein können.
Das Steuergerät 48 ist dazu ausgebildet, zu veranlassen, dass ein Wechselstrom von einer Leistungsquelle 72 an die Messsonde 52 zugeführt wird. Durch Anlegen eines Wechselstroms zwischen der Elektrode 58 der Messsonde 52 und dem Pumpengehäuse 16, die in ähnlicher Weise als eine Elektrode in Kontakt mit der leitfähigen Schicht 66 wirkt, wird eine Impedanz zwischen der Elektrode 58 und dem Pumpengehäuse 16 hergestellt, wenn dieses metallisch ist. Die hergestellte Impedanz wird dabei sowohl von dem Fluidmedium 56, das zwischen dem Pumpengehäuse 16 enthalten ist, als auch dem Sensorziel 54 in der Nähe der Oberfläche der Elektrode 58 abhängen. Fluidmedium 56 und Sensorziel 54 können zusammen als Medium bezeichnet werden. Ändert sich der Winkel α der Schrägscheibe 12, verändert sich auch das Medium zwischen der Elektrode 58 und dem Pumpengehäuse 16. Diese Veränderung wird in der Folge zu einer Veränderung der Grenzbedingungen für den Strompfad und als Resultat einer Veränderung der Impedanz führen.
Somit wirken in der veranschaulichten Ausführungsform der nicht leitfähige Abschnitt oder Isolator 60 der Messsonde 52 und das Fluidmedium 56 als Dielektrikum, das zwischen den benachbarten Elektroden angeordnet ist, und kann als Äquivalent zu einer Kombination eines Kondensators und eines Widerstands angesehen werden, die das Strom-Spannungs-Verhalten für eine gegebene Anwendung nachbilden. Die Veränderung des Mediums zwischen dem Gehäuse 16, der Messsonde 52 und dem Sensorziel 54 und/oder die Veränderung der Geometrie der räumlichen Anordnung zwischen diesen wird zu einer Veränderung der Impedanz der Ersatzschaltung führen.
Die Veränderung der Impedanz verändert die Spannung V_out, die an dem Ausgang 74 über den Widerstand R_L gemessen wird. Dementsprechend ist die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 sensitiv für den Winkel α der Schrägscheibe 12, so dass die resultierende Spannung V_out, die an dem der Messsonde 52 zugeordneten Ausgang 74 gemessen wird, eine Angabe der Winkelstellung der Schrägscheibe 12 in der Form eines Sensorsignals an das Steuergerät 48 bereitstellt. Das Steuergerät 48 kann dann die gemessene Spannung V_out an dem Ausgang 74 über den Widerstand R_L mit einer Stellung der Schrägscheibe 12 und entsprechend mit einem Schrägscheibenwinkel α korrelieren, um die entsprechende Strömungsrate oder den entsprechenden Druck des Pumpenausgangs auf der Grundlage der gemessenen Spannung V_out zu bestimmen; diese Information kann dann zur weiteren Steuerung oder Änderung des Pumpenausgangs eingesetzt werden.
Das Grundprinzip der dielektrischen Sensoranordnung ist aus den 3 und 5 bis 6 ersichtlich. Mit dem aus Fluidmedium 56 und dem Sensorziel 54 zusammengesetzten Medium bilden die Messsonde 52 und das Pumpengehäuse 16 einen elektrischen Schaltkreis, der als Kombination mehrerer einzelner Kondensatoren aus drei unterschiedlichen Materialien betrachtet werden kann (zusammen durch die Bezugszahl 50 in 5 identifiziert). Die drei Materialien sind somit jene des Isolators 60, des Fluidmediums 56 und des Sensorziels 54.
In einer Ausführungsform werden die Konstanten durch komplexe Zahlen ersetzt, um die Verluste zu kompensieren, da die Dielektriken des Isolators 60, des Fluidmediums 56 und des Sensorziels 54 als nicht vollkommen betrachtet werden. Somit werden die dielektrischen Eigenschaften der Materialien durch die folgenden Gleichungen dargestellt, wobei ε_T die Dielektrizitätskonstante des Sensorziels 54 ist; ε_I die Dielektrizitätskonstante des Isolators 60; und ε_O die Dielektrizitätskonstante des Fluidmediums 56: ε_T = ε_T' – jε_T'' ε_I = ε_I' – jε_I'' ε_O = ε_O' – jε_O''
Die mit einem oder zwei Hochstrichen versehenen Größen sind frequenzabhängig. Dementsprechend ist bei festgelegten Komponenten eine genaue Ersatzschaltung für die Messsonde 52 nur für eine einzelne Frequenz in dem Bereich nahe der Relaxationsfrequenz möglich.
Vernachlässigt man den Widerstand der Messsonde 52, den Widerstand des Pumpengehäuses 16 und andere parasitäre Kapazitäten und Induktanzen, kann die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 durch die mit dem Bezugszeichen 50 in 6 identifizierte Ersatzschaltung dargestellt werden. Somit kann eine Ersatzschaltung einer Ausführungsform einer Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 wie in 6 veranschaulicht erhalten werden, wobei sowohl R₁ als auch R₂ Innenwiderstände des Sensors sind. Unter Anregung durch eine sinusförmige Eingangsspannung E_i(jω) können der Strom durch den Lastwiderstand I(jω), die Ausgangsspannung über den Lastwiderstand V_o(jω), und die Spannung über die Elektroden (d. h., die Spannung über die Elektrode 58 der Messsonde 52, und das Stahlgehäuse 16) V_p(jω) alle aus dieser Ersatzschaltung berechnet werden, die in 6 dargestellt ist.
Für eine Ausführungsform ergeben sich zum Beispiel die Übertragungsfunktionen wie folgt:
Die Parameter in den Übertragungsfunktionen können durch Eingangs- und Ausgangsdaten bei unterschiedlichen Frequenzen um den Betriebspunkt identifiziert werden. Um die beste Sensitivität für die Impedanzveränderung zu erzielen, kann die Auswahl der Parameter so erfolgen, dass die Sensitivität der Übertragungsfunktion in Bezug auf ihre Parameter optimiert wird. Als Beispiel betrachte man |G|² = GG*, wobei G* das komplexe Konjugat von G ist. Die notwendigen Bedingungen zum Erreichen der optimalen Sensitivität für jeden Parameter ist in diesem Fall:
wobei q_i der sensitive Parameter ist, und p_j die Bauartvariable darstellt.
Dem Fachmann wird klar sein, dass die sich ergebende Korrelation zwischen der gemessenen Spannung und dem Schrägscheibenwinkel von verschiedenen Faktoren abhängig sein wird, die, ohne darauf beschränkt zu sein, das Vorhandensein oder Fehlen von Hydraulikfluidmedium 56 zwischen der Messsonde 52 und dem Sensorziel 54, die jeweiligen Materialien, Größen und Formen der Messsonde 52, des Sensorziels 54 und des Isolators 60, sowie deren jeweilige Impedanzen einschließt. Eine resultierende Korrelation der Spannung mit der Winkelstellung der Schrägscheibe 12 für ein Modell einer Ausführungsform, die ein dreieckig geformtes Sensorziel 54 umfasst, ist in 7 veranschaulicht. Auf diese Weise können die relativen Formen, Größen und Materialien optimiert werden, um eine erwünschte Kurve bereitzustellen, beispielsweise eine solche Ausführungsform, die eine lineare Korrelation zwischen Spannung und Schrägscheibenwinkel bereitstellt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die offenbarte Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 setzt die Prinzipien einer dielektrischen Sensoranordnung ein, um die Winkelstellung einer Schrägscheibe 12 und dementsprechend die Fluidströmung in einer Pumpe mit variabler Verdrängung 10 zu bestimmen, die in einem Hydrauliksystem eingesetzt werden soll. Ausführungsformen der offenbarten Anordnung können für eine bessere Systemleistung sorgen.
Ausführungsformen der Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 und einer Pumpe mit variabler Verdrängung 10, die diese einsetzt, können eine zuverlässige Bestimmung des Schrägscheibenwinkels α bereitstellen. Die Ausführungsformen können sehr robust sein. Ausführungsformen können mit vereinfachter Packung implementiert werden, und können sehr robust und widerstandsfähig in der Verwendung sein.
Ausführungsformen der Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 können zuverlässige und genaue Messungen liefern, unabhängig von eisenhaltigem Abrieb im Fluidmedium 56, das innerhalb der Pumpe 10 enthalten ist. In ähnlicher Weise können Ausführungsformen solche zuverlässigen und genauen Messungen liefern, unabhängig von einer oder mehreren widrigen Betriebsbedingungen, die, ohne darauf beschränkt zu sein, drastische Temperaturschwankungen, beträchtliche Vibrationen des Systems, häufige Druckschwankungen, Kavitation und verschiedene Rauschfaktoren einschließen.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und sollen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen darstellen. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung für diese Merkmale angeben, jedoch diese nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts anderes angegeben ist.
Die Verwendung der Begriffe ”ein”, ”eine”, ”der/die/das”, ”zumindest ein/e” und ähnliche referierende Begriffe im Kontext der Beschreibung der Erfindung (insbesondere im Kontext der folgenden Ansprüche) sind so auszulegen, dass sie sowohl Einzahl als auch Mehrzahl umfassen, sofern dies hierin nicht anders angezeigt wird oder dies nicht deutlich dem Kontext widerspricht. Die Verwendung des Begriffs ”zumindest ein/e” gefolgt von einer Auflistung von einem oder mehreren Punkten (zum Beispiel, ”zumindest ein A und/oder B”) ist so auszulegen, dass dies entweder einen Punkt aus den aufgelisteten Punkten (A oder B) oder eine beliebige Kombination von zwei oder mehr der aufgelisteten Punkte (A und B) bedeutet, sofern dies hierin nicht anders angezeigt wird oder dies nicht deutlich dem Kontext widerspricht.
Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung miteingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in beliebiger geeigneter Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
Demgemäß umfasst diese Offenbarung alle Modifizierungen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands, soweit es nach den anwendbaren Gesetzen zulässig ist. Darüber hinaus ist jegliche Kombination der vorstehend beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon in die Offenbarung eingeschlossen, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es nicht in einem klaren Widerspruch zum Kontext steht.

Claims

Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 für eine Pumpe mit variabler Verdrängung 10 mit einem Gehäuse 16, das eine nicht drehende Schrägscheibe 12 enthält, die dazu geeignet ist, relativ zu einer Drehachse 18 einer Pumpentrommel 14 zu schwenken, wobei die Schrägscheibe 12 einen Schrägscheibenwinkel relativ zu einer Ebene im Wesentlichen senkrecht auf die Drehachse 18 der Pumpentrommel 14 definiert, wobei die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 umfasst: eine Messsonde 52, die innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet ist; ein Sensorziel 54, das an der Schrägscheibe 12 montiert ist; und ein Steuergerät 48, das dazu ausgebildet ist, einen Wechselstrom durch die Messsonde 52 zu leiten, um eine Impedanz zwischen der Messsonde 52 und dem Sensorziel 54 herzustellen, und eine Spannung über die Messsonde 52 zu bestimmen, wobei das Steuergerät 48 des Weiteren dazu geeignet ist, den Winkel der Schrägscheibe 12 auf der Grundlage der bestimmten Spannung zu bestimmen.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Fluidmedium 56, das zwischen die Messsonde 52 und das Sensorziel 54 eingebracht ist.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messsonde 52 einen leitfähigen Abschnitt 58, der einem Innenraum des Gehäuses 16 ausgesetzt ist, sowie einen nicht leitfähigen Abschnitt 60 umfasst, der zwischen den leitfähigen Abschnitt 58 und das Gehäuse 16 eingebracht ist.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach Anspruch 3, wobei der leitfähige Abschnitt 58 einen Draht umfasst.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messsonde 54 einen leitfähigen Abschnitt 68 und einen nicht leitfähigen Abschnitt 70 umfasst, der zwischen den leitfähigen Abschnitt 68 und die Schrägscheibe 12 eingebracht ist.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuergerät 48 dazu ausgebildet ist, den Wechselstrom zwischen der Messsonde 52 und dem Gehäuse 16 zu leiten.
Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die hergestellte Impedanz sich ändert, wenn sich der Winkel der Schrägscheibe 12 ändert.
Pumpe mit variabler Verdrängung 10, umfassend: ein Gehäuse 16; eine Trommel 14, die innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet und dazu ausgebildet ist, sich um eine Drehachse 18 zu drehen; eine nicht drehende Schrägscheibe 12, die innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet und dazu ausgebildet ist, relativ zu der Achse 18 zu schwenken; und die Schrägscheibenwinkelerfassungsanordnung 50 nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Überwachung eines Winkels der nicht rotierenden Schrägscheibe 12 nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Schritte: Leiten eines Wechselstroms über die Messsonde 52, um eine Impedanz zwischen der Messsonde 52 und dem Sensorziel 54 herzustellen; Bestimmen der Spannung über die Messsonde 52; und Bestimmen des Winkels der Schrägscheibe 12 auf der Grundlage der bestimmten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend den Schritt des Veränderns des Winkels der Schrägscheibe 12 auf der Grundlage des bestimmten Winkels.