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Die
Erfindung betrifft ein Steuer- und Regelsystem für ein automotives hydrostatisches
Getriebe mit einer Verstellpumpe und einem Verstellmotor gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1.
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Bei
Antrieben mit hydraulisch automotiv verstellbaren Pumpen können die
Verstellmotoren bei Anwendungen wie z.B. für Radlader und Teleskopstapler
als proportional verstellte Motoren eingesetzt werden, die eine überlagerte
Druckregelung mit Abschaltung für
den generatorischen Betrieb haben. Derartig geregelte Motoren ermöglichen
ein stufenloses Ändern
des Übersetzungsverhältnisses
in Abhängigkeit
von der Verbrennungsmotordrehzahl und des Systemdruckes. Infolge
seiner Druckregelung schwenkt ein solcher druckgeregelter Motor
oberhalb eines eingestellten Systemdruckes zu maximalem Schluckvolumen.
Dies tritt auf, wenn ein hoher Zugkraftbedarf infolge z.B. hoher
Beschleunigung, Bergfahrt oder Füllen
der Schaufel erforderlich ist. Innerhalb der Motorverstellung begrenzt
ein Druckregler die übertragbare
Leistung im Antriebssystem und gewährleistet, dass das Fahrzeug
mit idealen Werten beschleunigt wird. Diese Druckregler haben jedoch den
Nachteil, dass bezüglich
der Fahrzeugverzögerung
im Falle des Bremsens unzulässig
hohe Verzögerungswerte
die Folge sind.
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Um
entsprechend niedrige Bremsverzögerungen
zu realisieren, muss deshalb der Druckregler durch ein zusätzliches
Ventil, das die sogenannte Bremsdruckabschaltung realisiert, außer Kraft
gesetzt werden.
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Der
proportionalen Servoverstellung des Motors kann man ein 3/2 Wegeventil
vorschalten, damit der Fahrer für
das Arbeiten mit dem Fahrzeug eine maximale Geschwindigkeit je nach
Anwendung zwischen 5 bis 10 km/h und für die Straßenfahrt bei minimalem Schluckvolumen
des Verstellmotors eine maximale Fahrgeschwindigkeit zwischen 20
und 40 km/h erreicht. Problematisch ist diese Aufteilung, da für bestimmte
Arbeiten die eine Schaltstellung eine zu geringe Fahrgeschwindigkeit
und die andere ein zu hohe Fahrgeschwindigkeit erzeugt. Wird, um
effektiver arbeiten zu können,
das minimale Schluckvolumen vorgewählt, muss mit der Inchung an
der Pumpenverstellung die Pumpenfördermenge zurückgenommen
werden, um nicht zu schnell zu fahren. Dieses erfordert die regelmäßige Betätigung des
Inchpedales vom Fahrer.
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In
der Druckschrift D1 EP 0 484 526 A1 ist ein Steuer- und Regelsystem
für ein
automotives Getriebe bekannt. Es weist eine durch eine Verbrennungskraftmaschine
angetriebene Hauptpumpe auf, der eine Förderpumpe und ein Servosystem
zugeordnet sind. Von der Hauptpumpe 1 wird ein Hydromotor über eine
Hochdruckleitung versorgt. Dem Hydromotor wiederum ist ein Servoventil
zugeordnet, welches von dem aus der Hochdruckleitung kommenden Öl beaufschlagt
wird, das vom Servoventil dem Servokolben des Hydromotors zugeführt wird. Die
Steuerung des Servoventils erfolgt durch den Öldruck einer Steuerleitung,
die das Servoventil der Hauptpumpe mit dem Servoventil des Hydromotors verbindet.
In dieser Steuerleitung kann dabei ein Druckminderventil vorgesehen
sein, um dadurch die maximale Geschwindigkeit zu begrenzen. Dieses Servoventil
weist eine Einstellfeder auf, welche keine Wirkverbindung mit dem
Schwenkwinkel des Verstellmotors hat. Der Fahrer eines solchen Fahrzeugs kann
zwar die Geschwindigkeitsbegrenzung an- und abschalten, ist aber
ansonsten auf die durch die Steuer- und Regeleinrichtung vorgegebenen
Fahrcharakteristik angewiesen.
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Es
ist daher das Ziel der Erfindung, die Steuerung des Motors zu verbessern.
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Dieses
Ziel wird mit einem Steuer- und Regelsystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 erreicht.
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Danach
wird das Schluckvolumen des Hydromotors über ein Servoventil mit Rückführfeder proportional
zu einem Stelldruck gesteuert. Dieser Stelldruck wird von einer
Steuerleitung über
ein proportionales Druckminderventil entnommen. Dieses Druckminderventil
ist in einer Steuerleitung vorgesehen, welche die Ausgangsleitung
der mit der Verstellpumpe verbundenen Förderpumpe mit dem Servoventil
des Hydromotors verbindet. Mit diesem Druckminderventil kann der
Ausgangsdruck des Hydromotors und damit die maximale Fahrgeschwindigkeit
limitiert werden. Die Begrenzung der maximalen Fahrgeschwindigkeit
kann dabei auf der Basis des Stromes oder einer mechanischen Einstellung
des Druckminderventils erfolgen. In beiden Fällen wird diese Begrenzung
der maximalen Fahrgeschwindigkeit vom Fahrer am Armaturenbrett über eine
entsprechende Einrichtung eingestellt, welche ein Potentiometer
oder ein Handrad bzw. Hebel sein kann. Mit einer derartigen, auf
Basis eines proportionalen Druckminderventils arbeitenden Steuer-
und Regelsystemanordnung bekommt der Fahrer somit die Möglichkeit,
die maximale Fahrgeschwindigkeit innerhalb der Motorverstellung
stufenlos zu begrenzen und damit optimal auf die gewünschte Arbeitsanforderung
einzustellen.
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Die
Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Antriebskonzept für
Radlader, bei welchem die Fahrgeschwindigkeit bei maximaler Verbrennungsmotordrehzahl
in zwei Stufen einstellbar ist;
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2 ein
erfindungsgemäßes Antriebskonzept
für Radlader,
bei welchem die Fahrgeschwindigkeit bei maximaler Verbrennungsmotordrehzahl durch
eine Schaltung mit Potentiometer sowie dem elektrisch proportionalen
Druckminderventil stufenlos einstellbar ist.
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1 zeigt
ein Steuer- und Regelsystem für Radlader
und Teleskopstapler, an dem das Grundprinzip eines Steuer- und Regelsystems
für ein
automotives hydrostatisches Getriebe erklärt wird. Hierbei werden die
Verstellpumpe 1 und die Füllpumpe 2 direkt durch
eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben.
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Der
Volumenstrom, den die Füllpumpe 2 fördert, ist
drehzahlproportional und wird über
eine einstellbare Blende 3 geleitet und in die beiden Arbeitsleitungen 5, 6 des
geschlossenen Hydraulikkreises eingespeist. Durch in dem geschlossenen
Kreis angeordnete Rückschlagventile 7, 8 wird
erreicht, dass das Hydrauliköl
der Füllpumpe 2 stets
in die Arbeitsleitung 5, 6 gelangt, welche den
geringeren Druck aufweist. Dieser niedrigere Druck, der auch Speisedruck
genannt wird, wird durch ein Speisedruckbegrenzungsventil 4 vorgegeben.
Der maximale Systemdruck der Arbeitsleitungen 5, 6 wird
durch zwischen den Arbeitsleitungen angeordnete Druckbegrenzungsventile 13, 14 limitiert.
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Der
Volumenstrom des Hydraulikfluids von der Füllpumpe 2 erzeugt
an der Blende 3 einen Druckabfall, der mit zunehmendem
Volumenstrom bzw. zunehmender Drehzahl der Füllpumpe quadratisch ansteigt.
Der Druck vor und hinter der Blende 3 wird an ein Regelventil 9 angelegt.
An zwei weiteren Angriffsflächen
für den
Hydraulikdruck liegt der Gehäusedruck
der Verstellpumpe sowie ein Ausgangsdruck 10 des Regelventils 9 an.
Das Regelventil 9 erzeugt einen Stelldruck 10,
der proportional zum Druckabfall an der Blende 3 ist und
auf den Gehäusedruck
der Verstellpumpe bezogen ist. Der Stelldruck 10 wird mittels
eines 4/3-Wegeventils 11, welches über einen Fahrtrichtungsschalter
angesteuert wird, mit einer entsprechenden Seite eines zum Servosystem
der Verstellpumpe 1 gehörenden
Kolbens 12 verbunden. Der Steuerdruck des Servosystems, der
von der Drehzahl der Füllpumpe 2 und
somit von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abhängig ist,
verändert
den Schwenkwinkel der Verstellpumpe 1, wodurch die Fördermenge
der Verstellpumpe ebenfalls verändert
wird. Im Servosystem stehen der am Servokolben 12 anliegende
Stelldruck 10, die Federkräfte des Servosystems sowie
die Kräfte
des Triebwerks, welches im Wesentlichen die Reaktionskräfte der
Kolben des Triebwerks auf das Servosystem sind, im Gleichgewicht.
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Da
das maximale Drehmoment der Verstellpumpe 1 in der Regel
das maximale Drehmoment des Verbrennungsmotors um das ca. 3- bis
4-fache übersteigt,
muss das Antriebsmoment der Verstellpumpe an das verfügbare Antriebsmoment
des Verbrennungsmotors angepasst werden. Dies geschieht durch eine
gezielte Auslegung der Triebwerkskräfte, insbesondere bei einer Umsteuerung
von Hochdruck auf Niederdruck oder umgekehrt, der Federn des Servosystems
sowie der durch den Druckgradienten bestimmten Stelldruckkurve infolge
der Blende 3. Der Regler für einen Verstellmotor 21 weist
ein Servoventil 15, ein 3/2-Wegeventil 16, einen
Druckregler 17 und ein Bremsdruck-Abschaltventil 18 auf.
Das Servoventil 15 steuert das Schluckvolumen des Verstellmotors
proportional zum Stelldruck. Dieser Stelldruck wird direkt aus der
Leitung hinter der Füllpumpe 2 entnommen
und liegt am Servoventil 15 an. Die Aufgabe des Servoventils
ist es, den Verstellmotor 21 bei niedriger Drehzahl des
Verbrennungsmotors und somit niedrigem Stelldruck auf maximalem
Schluckvolumen zu halten, damit das Fahrzeug gute Fahreigenschaften
im Bereich niedriger Fahrzeuggeschwindigkeiten besitzt.
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Bei
dem beschriebenen Prinzip gemäß 1 steht
der Verstellmotor bereits bei mittlerer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
auf minimalem Schluckvolumen. Damit bei bestimmten Arbeitszyklen
der Verstellmotor 21 auf maximalem Schluckvolumen bleibt,
ist das 3/2-Wegeventil 16 in den Regler des Verstellmotors 21 integriert.
Das maximale Schluckvolumen für
diese bestimmten Arbeitszyklen kann durch einen Schalter am Armaturenbrett
vom Fahrer des Fahrzeuges vorgegeben werden.
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Der
Druckregler 17 bewirkt, dass der Verstellmotor 21 oberhalb
eines eingestellten Druckes das Servoventil 15 überlagert
und den Verstellmotor 21 zu maximalem Schluckvolumen bringt.
Ohne einen derartigen Druckregler 17 würde das Fahrzeug bei steigendem
Zugkraftbedarf zum Stillstand kommen, da der Verstellmotor 21 auf
minimalem Schluckvolumen bleiben würde. Das eingangs bereits erwähnte Bremsdruck-Abschaltventil 18 schaltet
den Druckregler 17 bei einer Fahrzeugverzögerung aus, da
ansonsten der Druckregler 17 beim Abbremsen den Verstellmotor 21 auf
maximales Schluckvolumen bringen würde und die Verzögerung des
Fahrzeuges untragbar hoch wäre.
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Schließlich sind
in den Regler des Verstellmotors 21 auch noch Ventile 19 und 20 vorgesehen, welche
zum Ausspülen
von heißem Öl aus dem
geschlossenen Kreislauf und somit zur Kühlung und Reduzierung der Verschmutzung
des Kreislaufhydrauliköles
dient. Mit dem Ausspülen
von heißem Öl gelangt
gleichzeitig gefiltertes Hydrauliköl geringerer Temperatur über die
Füllpumpe 2 und
die Rückschlagventile 7, 8,
welche der Einspeisung von Hydrauliköl in den geschlossenen Kreislauf
dienen, in den Hydraulikkreislauf.
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Ein
derartiger Antrieb wird automotiv genannt, da der Fahrer lediglich
den Fahrtrichtungsschalter und das Gaspedal zur Leistungsregelung des
Verbrennungsmotors zu bedienen hat und sich die Übersetzungsverhältnisse
des Getriebes automatisch an seine Belastungszustände sowie
die des Verbrennungsmotors anpassen.
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Durch
ein Inchventil 22 hat der Fahrer die Möglichkeit, die oben beschriebene
Abhängigkeit zwischen
der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeuges aufzuheben. Das ist deshalb erforderlich, damit bei
hoher Drehzahl des Verbrennungsmotors auch langsam gefahren werden
kann, wenn für
die Zusatzhydraulik, z.B. für
das Heben der Schaufel, mehr Leistung verfügbar sein soll. Das Inchventil 22 wird
entweder über ein
eigenes damit gekoppeltes Pedal gesteuert oder kann auch über den
Druck der hydraulischen Betriebsbremse als hydraulisches Inchen
beaufschlagt werden. In beiden Fällen
wird der wirksame Druck am Servokolben 12 und somit das
Fördervolumen der
Verstellpumpe 1 und damit die Fahrgeschwindigkeit reduziert.
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2 zeigt
eine Steuer- und Regeleinrichtung mit einer Ansteuerung des Verstellmotors 21 gemäß der Erfindung,
nämlich
mittels des Servoventils 15 und des proportionalen Druckminderventils 26.
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Das
proportionale Druckminderventil 26 ist über eine Verbindungsleitung
durch den in der Steuerleitung 23 herrschenden Druck beaufschlagt.
Ein in der Steuerleitung 23 nach der Stelle angeordnetes Rückschlagventil 24,
an der die Beaufschlagung des proportionalen Druckminderventils 26 von
der Leitung 23 erfolgt, sichert den Durchgang des von der Förderpumpe 2 geförderten
Fluidstromes durch das Servoventil 15, und zwar gemäß der in 2 gezeigten
Stellung des Servoventils 15. Die hydraulische Verbindung zwischen
dem proportionalen Druckminderventil 26 und dem Servoventil 15 ist
durch eine Verbindungsleitung 25 realisiert.
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Im
wie in 2 dargestellten Fall eines elektrisch proportionalen
Druckminderventils 26 wird der Elektromagnet des Druckminderventils 26 elektrisch angesteuert.
Dazu ist am Armaturenbrett des Fahrzeuges der ansonsten vorhandene
Schalter für
Arbeitsgang/Schnellgang durch ein Potentiometer 28 mit
einem nachgeschalteten Chopperverstärker 27 ersetzt, wobei
sich der Chopperverstärker
zwischen Potentiometer und Elektromagnet des proportionalen Druckminderventils 26 befindet.
Der Chopperverstärker 27 wandelt
die Ausgangsspannung des Potentiometers 28 in ein geeignetes
Stromsignal für
den Elektromagneten des Druckminderventils 26 um. Mit einem
derartigen System ist der Fahrer in die Lage versetzt, die Geschwindigkeit
des Fahrzeuges stufenlos limitieren bzw. einstellen zu können. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht somit darin, dass er die maximale
Fahrgeschwindigkeit optimal auf seine gemäß Arbeitszyklus vorhandenen
Anforderungen einstellen kann. Dieses hat bei Planierarbeiten des
Radladers Vorteile, da sonst über
die Inchung die Pumpe zurückgeschwenkt
werden muss, was den ständigen Eingriff
sowie ein Nachregeln des Fahrers erfordert. Diese Vorteile können mit
einem mechanisch betätigten
Druckminderventil ebenfalls erreicht werden.