DE19727358A1 - Druckmittelanlage sowie ein Verfahren zu deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmittelanlage, wie beispielsweise eine hydrauli­ sche Anlage in einem Kraftfahrzeug,mit zumindest einer Druckmittelver­ drängungsmaschine, wie beispielsweise Pumpe, und einem von einer Steuereinheit ansteuerbaren Ventil, wie beispielsweise Magnetventil, zur An­ steuerung eines Verbrauchers. Das Ventil, wie Schaltventil, Proportionalventil oder Wegeventil, steuert beispielsweise eine Druckbeaufschlagung eines Ver­ brauchers, wobei der verbraucherseitige Druck durch eine von einer Steuereinheit vorgebbare Steuergröße gesteuert wird.

Bei Druckmittelanlagen mit Ventilen der oben genannten Art ist es bekannt, daß mittels einer Ansteuerung des Ventiles mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) eine Hysteresereduzierung erreichbar ist.

Ebenso ist beispielsweise bekannt, daß durch eine Ansteuerung eines Ventiles mit einem mit einer Schwingung überlagerten Steuersignal eine Hysteresereduzierung erreichbar ist. Weiterhin ist ein Ventil bekannt geworden, bei welchem eine Frequenzveränderung im Regelbereich durchgeführt wird.

Bei einer Verwendung von Ventilen in Druckmittelanlagen zeigen sich in der Regel Hystereseerscheinungen, die im Betrieb der Ventile störend sein können. Die Ansteuerung des Ventiles mit einer Steuergröße mit einer vor­ gegebenen Frequenz, die für das Hystereseverhalten günstig ist, kann wiederum für die mechanischen Eigenschaften unvorteilhaft sein. Bei einer Verwendung eines Signales mit einer niederen Frequenz zur Ansteuerung des Ventiles kann beispielsweise ein Sitzprellen bei dem Ventil auftreten. Wird eine zu hohe Frequenz für die gesteuerte Schwingung gewählt, kann der Schieber oder der Kolben des Ventiles mit seiner trägen Masse, und der damit verbundenen Trägheit, der hohen Frequenz nicht folgen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Druckmittelanlage der eingangs geschilderten Art, wie beispielsweise eine hydraulische Anlage mit einem Ventil, so weiterzubilden, daß über den gesamten Betriebsbereich eine optimale Hysteresereduzierung und eine Vermeidung von Sitzprellen des Ventiles realisiert ist.

Weiterhin lag die Aufgabe zugrunde eine Druckmittelanlage der oben geschilderten Art zu schaffen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Steuereinheit eine Steuergröße, wie beispielsweise einen Steuerstrom oder eine Steuerspannung, zur Ansteuerung des Ventils vorgibt, wobei die Steuergröße aus zumindest zwei Steuergrößenanteilen generiert wird, wobei der eine Steuergrößenanteil mit einer ersten Frequenz moduliert ist und der zweite Steuergrößenanteil mit einer zweiten Frequenz moduliert ist. Zweckmäßig kann es sein, wenn die erste Frequenz größer ist als die zweite Frequenz.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die erste Frequenz um einen to ganzzahligen Faktor größer ist als die zweite Frequenz. Dies bedeutet, daß die Periodendauer der zweiten Frequenz ein Vielfaches der Periodendauer der ersten Frequenz ist.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Amplitude der Steuergröße modulierbar ist.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Steuergröße ein Vorsteuer­ druck oder ein Druck nach einem Schieber, wie Hauptschieber, Kolben oder ähnliches, eines Ventiles ist.

Ebenso ist es zweckmäßig, wenn eine Druckamplitude eines Vorsteuerdruckes und/oder eines Druckes nach einem Hauptschieber eines Ventiles auf einen vorgebbaren Wert geregelt oder gesteuert wird. Die Regelung oder Steuerung kann von einer Elektronikeinheit, wie Steuereinheit, durchgeführt werden, wobei diese Steuereinheit im wesentlichen mit Sensoren in Signalverbindung steht.

Weiterhin ist es nach den erfinderischen Gedanken zweckmäßig, wenn zumindest ein Drucksensor einen Vorsteuerdruck und/oder einen Druck nach einem Hauptschieber detektiert und diese Größe zur Steuerung oder Regelung einer Druckamplitude verwendet wird.

Zweckmäßig ist es, wenn die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion eines Stromes modulierbar ist. Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die Amplitude des Steuergrößen­ anteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion eines Stromes reduzierbar oder erhöhbar ist.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion einer Temperatur modulierbar ist. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Amplitude des Steuer­ größenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion einer Temperatur reduzierbar oder erhöhbar ist.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, wenn die erste und/oder die zweite Frequenz der Steuergröße modulierbar ist. Die Frequenzen können in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Druckmittelanlage oder des Fahrzeuges gewählt werden, wobei die Frequenzen in Abhängigkeit von einzelnen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur, des Drucks und/oder anderen Parametern, verändert werden kann.

Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn das Tastverhältnis des Ventiles als Funktion des Betriebspunktes veränderbar ist.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Frequenz des einen Steuergrößen­ anteiles im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1000 Hz, vorzugsweise im Beteich von 200 Hz bis 600 Hz liegt.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Frequenz des Steuergrößenanteiles mit der kleineren Frequenz um einen Faktor 1/3 bis 1/50 kleiner ist als die Frequenz des Steuergrößenanteiles mit der höheren Frequenz.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Gedanken kann es bei einem Ver­ fahren zur Ansteuerung eines Ventiles, wie beispielsweise Magnetventil, ins­ besondere zur Verwendung in einer Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beispielsweise eine Magnetspule durch eine vorgebbare Steuergröße, wie ein Erregerstrom, gesteuert wird, vorteilhaft sein, wenn die Steuergröße durch eine Überlagerung von zwei Signalanteilen mit unterschiedlicher Frequenz gesteuert wird.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Druckmittelanlage und

Fig. 2 ein Diagramm.

Die Fig. 1 zeigt eine Druckmittelanlage 1, beispielsweise eines Fahrzeuges, mit einer Antriebseinheit, einem Getriebe und einem Drehmomentüber­ tragungssystem im Antriebsstrang des Fahrzeuges.

Mittels der Druckmittelanlage 1 kann beispielsweise das übertragbare Drehmoment des Drehmomentübertragungssystems im Antriebsstrang des Fahrzeuges gesteuert werden. Die Hydraulikanlage 1 weist zumindest eine Druckmittelverdrängungsmaschine 2 auf, welche beispielsweise als Pumpe ausgestaltet ist. Die Druckmittelverdrängungsmaschine stellt den Systemdruck zur Ansteuerung eines Verbrauchers 3, wie beispielsweise eines Drehmomentübertragungssystems, zur Verfügung. Das Drehmomentüber­ tragungssystem 3 kann eine druckmittelbetätigte Kupplung, wie beispiels­ weise Anfahrkupplung oder Wandlerüberbrückungskupplung, sein. Weiterhin kann das Drehmomentübertragungssystem eine Kupplung einer Vorrichtung zur Drehrichtungsumkehr, wie Wendesatz, sein.

Über die Druckmittelleitung 4 wird mittels des Schiebers 5 der Druck in der Druckmittelleitung 6 und in der Druckmittelkammer 7 des Verbrauchers gesteuert. Die axiale Position des Schiebers 5 des Ventiles bestimmt den Druck in der Druckmittelleitung 6, bzw. in der Druckkammer 7 des Ver­ brauchers 3. Der Schieber 5 ist in axialer Richtung betrachtet druckbeauf­ schlagt in Abhängigkeit von dem Druck P_F in der Druckkammer 8. Weiterhin kann ein Kraftspeicher 9 eine axiale Kraftbeaufschlagung auf den Schieber 5 erzeugen.

Das Vorsteuerventil 10 steht über die Druckmittelleitung 11 mit der Druckmittelverdrängungsmaschine 2 in Wirkverbindung und steuert den Druck im Bereich 12, welcher der Steuerdruck P_S im wesentlichen ist. Der Steuerdruck P_S bestimmt im Raumbereich 8 die Kraftbeaufschlagung des Schiebers 5 in axialer Richtung. Das Ventil 20 mit seinem Schieber 21 und dem Ventilsitz 22 bestimmt den Druck P_S im Raumbereich 8. Ist das Ventil 20 geschlossen, d. h. der Schieber kommt im Bereich des Ventilsitzes 22 zur Anlage, so ist der Druck P_F bezüglich des Druckes im Raumbereich 12 oder des Druckes in der Versorgungsleitung 13 maximal. Öffnet das Ventil 20 zumindest kurzzeitig und der Schieber 21 gibt dem Ventilsitz 22 frei, so kann ein Abschluß des Hydraulikmediums aus dem Bereich 12 entlang des Pfeiles 23 erfolgen, so daß eine Druckreduktion des Steuerdruckes P_S im Raumbe­ reich 8 erfolgen kann.

Durch die Kraftbeaufschlagung des Schiebers 5 erfolgt eine axiale Ver­ lagerung des Schiebers 5 in der Langlochbohrung 14, woraufhin die Steuerkanten 15a bzw. 15b in eine axiale Position gelangen, daß entweder die Pumpe 2 in Verbindung mit der Druckmittelleitung 6 gebracht wird oder der Abfluß 16 mit der Druckmittelleitung 16 in Fluidverbindung steht, so daß eine Druckreduzierung im Bereich 7 erfolgen kann. Über die Druckmittelleitung 18 wird der Druck im Raumbereich 6 auf den Raumbereich 17 übertragen, so daß eine Axialkraft im Raumbereich 17 auf den Kolben 5 einwirkt. Die Axialkraft entspricht dem im Bereich 17 wirkenden Druck mal der Differenz der Querschnittsfläche A minus der Querschnittsfläche B.

Die Steuereinheit 30 steht über die Signalleitungen 31a und 31b mit Sensoren und gegebenenfalls mit anderen Elektronikeinheiten in Signalverbindung und steuert die axiale Position des Schiebers 21 des Ventiles 20 an. Über die Signalleitung 32 kann beispielsweise der Magnet 33 des Magnetventiles 20 derart gesteuert werden, daß der Schieber 21 in eine gezielt gewählte axiale Position oder eine gezielt gewählte Bewegung überführt wird.

Zur Minimierung der Hysterese des Kolbens 5 bei dem Betrieb der Druck­ mittelanlage wird der Schieber 21 in eine Schwingung versetzt, die durch eine Überlagerung von zwei Anteilen mit unterschiedlicher Frequenz generiert werden kann. Der eine Anteil des Steuersignales, wie des Steuerstromes, wird mit einer hohen Frequenz von beispielsweise 100 Hz bis 1000 Hz, vorzugsweise von 200 Hz bis 600 Hz, gesteuert, wobei die zweite Frequenz eine kleinere Frequenz ist, wobei die Frequenz beispielsweise um einen Faktor 1/3 bis 1/50, vorzugsweise von 1/5 bis 1/25, kleiner ist. Der erste Anteil des Steuersignales wird somit mit einer ersten Chopper-Frequenz moduliert, wobei der zweite Anteil des Steuersignales mit einer kleineren Frequenz gesteuert wird. Die Stromamplitude des Steuersignalanteiles mit der kleineren Frequenz wird geregelt oder gesteuert, damit der Schieber 5, 21 zwar noch schwingt, bei dem Ventil 20 jedoch kein Sitzprellen auftritt. Die Modulation der Stromamplitude kann derart erfolgen, daß beispielsweise bei kaltem Öl und/oder bei kleinen Vorsteuerdrücken große Amplitudensignale gesteuert werden und bei heißem Öl und/oder bei hohen Vorsteuerdrücken kleine Amplituden oder verschwindende Amplituden gesteuert werden.

Als weitere Verbesserung kann eine Ansteuerung derart erfolgen, daß die Amplitude der Schwingung des Schiebers im Vorsteuerkreis oder des Ventiles 20 gerade so hoch eingeregelt oder gesteuert wird, daß der Schieber 5 des Ventiles noch schwingt. Indem man die Druckamplitude des Hauptkreises in einen langsamen Regler als Eingang gibt, wobei die Stellgröße die Stromam­ plitude des Ventiles ist, ist es möglich, Hysteresestreuungen der einzelnen Störungen sowie Veränderungen über die Lebensdauer auszugleichen. Kurzfristige Änderungen in Abhängigkeit beispielsweise von Druck und Temperatur werden von diesem "langsamen Regler" unabhängig.

Die Ansteuerung der Steuergröße, wie beispielsweise des Steuerstromes des Ventiles 20, zur Hystereseminimierung in einem hydraulischen Druckregelkreis mittels Variation der Stromamplitude kann mittels eines Proportionalvor­ steuerventiles bei konstanter oder variabler Grund-Chopper-Frequenz erfolgen.

In der Fig. 1 ist das Ventil 20 als Proportionalventil dargestellt, wobei der Schieber 5 der Hauptschieber des Ventiles ist und das Ventil 10 ein Vorsteuerventil zur Zurverfügungstellung des Steuerdruckes im Bereich 12 oder im Bereich 8 ist.

Die Fig. 2 zeigt zwei Signale als Funktion der Zeit, wobei die Kurve 100 die Spannung des Magnetventils darstellt und die Kurve 101 den Strom als Funktion der Zeit. Man erkannt in der Abb. 1 die Periodendauer t₁ der hochfrequenten Schwingung oder des hochfrequenten Steuersignalanteiles sowie die Periodendauer t₂ des niederfrequenten Signalanteiles. Die Periodendauer des niederfrequenten Signalanteiles, wie in der Fig. 2 mit t₂ bezeichnet, ist ein Vielfaches der Periodendauer t₁ der hochfrequenten Schwingung oder des hochfrequenten Signalanteiles.

Die Kurve 100 ist im Bereich t₁ über einen Teilbereich Δt₁ maximal und über einen Zeitbereich Δt₂ im wesentlichen null. Das Verhältnis zwischen Δt₁ und Δt₂ gibt das Tastverhältnis an, wobei über die Zeitdauer Δt₁ das volle Signal zur Verfügung steht und über die Zeitdauer Δt₂ das Signal im wesentlichen null ist. Während das Spannungssignal im Zeitbereich Δt₁ maximal ist, steigt der Strom 101 von im wesentlichen null auf einen vorgebbaren Wert an, während der Strom im Zeitbereich Δt₂ wieder absinkt. Während der nächsten Periode steigt der Strom wieder zunächst an und sinkt anschließend wieder ab, wobei der mittlere Strom ansteigt. Durch das Tastverhältnis Δt₁ zu Δt₂ kann der mittlere Strom eingestellt oder eingeregelt werden. Während der ersten drei Perioden T₁ ist Δt₁ im wesentlichen größer als Δt₂, wobei in der vierten Periode beginnend mit dem Zeitpunkt t das Tastverhältnis Δt₁ zu Δt₂ verändert wurde und die Zeitdauer Δt₁ kleiner ist als die Zeitdauer Δt₂. Dadurch wird erreicht, daß der mittlere Strom über die Zeitdauer t₁ absinkt. Durch die Modulation der Amplitude, respektive durch die Modulation des Tastverhältnisses Δt₁ zu Δt₂ kann eine Modulation des mittleren Steuerstromes erreicht werden.

Man erkennt sehr deutlich in der Fig. 2, daß modulierte Ansteigen und Absenken des Stromes als Funktion der Zeit, wobei dem hochfrequenten Ansteigen und Absenken des Stromes eine langwellige Schwingung überlagert ist. Bei geringen Vorsteuerdrücken im Bereich 8 der Fig. 1 kann die Amplitude der Schwingung groß sein, da ein geringer Druck bedeutet, daß der Schieber 21 relativ weit vom Sitz entfernt ist oder das Ventil relativ weit geöffnet ist. Bei dieser weiten Öffnung des Ventiles können Variationen des Weges ermöglicht werden, die jedoch nicht zu einem Sitzprellen führen können. Bei höheren Drücken im Bereich 8 sollte die Amplitude der Wegmo­ dulation des Schieber 21 geringer sein, da ein Sitzprellen vermieden werden sollte. Das Sitzprellen ist bei höheren Drücken insofern problematischer, weil der Öffnungsgrad des Ventiles geringer ist und somit schon bei geringeren Modulationen des Weges ein Sitzprellen auftreten könnte.

Die Ansteuerung des Steuersignales oder der Steuergröße durch ein Signal, welches aus zwei Schwingungsanteilen besteht, ist in der Fig. 2 dargestellt. Neben der dargestellten Modulation des Tastverhältnisses kann auch eine Modulation der Amplitude der hochfrequenten oder niederfrequenten Schwingung beispielsweise als Funktion des Stromes oder des Steuerdruckes oder anderer Betriebsparameter durchgeführt werden. Ebenso kann eine Frequenzmodulation der niederfrequenten oder der hochfrequenten Schwin­ gung beispielsweise als Funktion des Stromes oder des Steuerdruckes oder einer anderen Betriebsgröße durchgeführt werden.

Wird das Proportionalventil 20 durch ein Signal gesteuert, welches einen hochfrequenten und einen niederfrequenten Anteil aufweist, so folgt der Schieber 5 in der Regel nur dem niederfrequenten Anteil, da die Trägheit des Schiebers eine hochfrequente Bewegung in der Regel nicht erlaubt.

Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvor­ schläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.

In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzie­ lung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unter­ ansprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.

Die Erfindung ist auch nicht auf die Ausführungsbeispiele der Beschreibung beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfah­ rensschritten erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschritt­ folgen führen, auch soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.

Claims (15)

1. Druckmittelanlage, wie beispielsweise hydraulische Anlage, in einem Kraftfahrzeug mit zumindest einer Druckmittelverdrängungsmaschine, wie beispielsweise Pumpe, und einem von einer Steuereinheit an­ steuerbaren Ventil zur Ansteuerung eines Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Steuergröße, wie einen Steuerstrom oder eine Steuerspannung, zur Ansteuerung des Ventils vorgibt, wobei die Steuergröße aus zumindest zwei Steuergrößenanteilen generiert wird, wobei der eine Steuergrößenanteil mit einer ersten Frequenz moduliert ist und der zweite Steuergrößenanteil mit einer zweiten Frequenz moduliert ist.

2. Druckmittelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz größer ist als die zweite Frequenz.

3. Druckmittelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Frequenz um einen ganzzahligen Faktor größer ist als die zweite Frequenz.

4. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Steuergröße modulierbar ist.

5. Druckmittelanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße ein Vorsteuerdruck oder ein Druck nach einem Hauptschieber eines Ventiles ist.

6. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckamplitude eines Vorsteuerdruckes und/oder eines Druckes nach einem Hauptschieber eines Ventiles auf einen vorgebbaren Wert geregelt oder gesteuert wird.

7. Druckmittelanlage, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Druck­ sensor einen Vorsteuerdruck und/oder einen Druck nach einem Hauptschieber detektiert und diese Größe zur Steuerung oder Regelung einer Druckamplitude verwendet wird.

8. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion eines Stromes modulierbar ist.

9. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion eines Stromes reduzierbar oder erhöhbar ist.

10. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion einer Temperatur modulierbar ist.

11. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Steuergrößenanteiles mit der kleineren oder der größeren Frequenz als Funktion einer Temperatur reduzierbar oder erhöhbar ist.

12. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die zweite Frequenz der Steuer­ größe modulierbar ist.

13. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des einen Steuergrößenanteiles im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1000 Hz, vorzugsweise im Bereich von 200 Hz bis 600 Hz liegt.

14. Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Steuergrößenanteiles mit der kleineren Frequenz um einen Faktor 1/3 bis 1/50 kleiner ist als die Frequenz des Steuergrößenanteiles mit der höheren Frequenz.

15. Verfahren zur Ansteuerung eines Magnetventiles, insbesondere zur Verwendung in einer Druckmittelanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Magnetspule durch eine vorgebbare Steuergröße, wie ein Erregerstrom, gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuergröße durch eine Überlagerung von zwei Signalanteilen mit unterschiedlicher Frequenz gesteuert wird.