DE19927961A1 - Verfahren zum Bestimmen von Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel einer Axialkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen von Systemparametern wie Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel einer Axialkolbenmaschine beschrieben, bei welchem die Betriebsdrehzahl, der Arbeitsdruck und der Schwenkwinkel durch eine Frequenzanalyse eines erfaßten Körperschallsignals von der Axialkolbenmaschine ermittelt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird anstelle des Körperschallsignals ein Flüssigkeitsschallsignal oder ein Luftschallsignal verwendet, bei welchem durch Frequenzanalyse eines erfaßten Flüssigkeitsschallsignals oder Luftschallsignals der Axialkolbenmaschine der jeweilige Systemparameter bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Systemparametern wie Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel einer Axialkolbenmaschine.

Die steigende Komplexität und der seitens der Kunden und Anwender gewünschte Komfort sowie neue Einsatzgebiete führen bei hydrostatischen Antrieben mit Axialkolbenmaschinen zu vermehrtem Einsatz von Sensoren, um den Antrieb entsprechend optimal regeln zu können. Um den Betriebszustand als Ausgangs­ punkt für eine optimale Regelung zuverlässig einschätzen zu können, sind für den hydrostatischen Antrieb die Betriebsdrehzahl, der Arbeitsdruck bzw. Betriebs­ druck und der Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine wichtige Kenngrößen.

Bisher sind bei den Axialkolbenmaschinen diese Systemparameter bzw. Zu­ standsgrößen durch spezielle Drehzahl-, Arbeitsdruck- bzw. Schwenkwinkelsen­ soren ermittelt worden. Nachteilig dabei ist, daß eine bestimmte Anzahl von Sen­ soren unterschiedlicher Bauart und unterschiedlichen Wirkprinzips eingesetzt werden. Dies hat Nachteile hinsichtlich der Kosten, der Vereinfachung der hy­ drostatischen Antriebe sowie auch der Instandhaltung und Reparaturfreundlich­ keit.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Bestimmen insbe­ sondere von Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel einer Axialkol­ benmaschine zu schaffen, welches mit einheitlichen Sensoren arbeitet, eine hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Systemparameter aufweist sowie eine ko­ stengünstige und reparaturfreundliche Axialkolbenmaschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen defi­ niert.

Gemäß der Erfindung wird mit dem Verfahren zum Bestimmen von Systempara­ metern wie Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel von Axialkol­ benmaschinen, welche eine Anzahl von n Kolben aufweisen, zumindest ein Kör­ perschallsignal, Flüssigkeitsschallsignal oder Luftschallsignal erfaßt, mittels wel­ chem über dessen Frequenzanalyse (harmonische Analyse) die Systemparameter ermittelt werden.

Durch ihre diskontinuierliche Arbeitsweise erzeugen die Axialkolbenmaschinen - wie alle Kolbenmaschinen - Wechselkräfte, welche die gesamte Axialkolbenma­ schine zu Schwingungen anregt. Derartige Strukturschwingungen werden als Körperschall bezeichnet. Wenn der Körperschall von der Axialkolbenmaschine an die Luft abgegeben wird, entsteht aus dem Körperschall Luftschall, welcher bei entsprechender Frequenzlage durch das menschliche Ohr wahrnehmbar ist. Wenn der Körperschall beispielsweise an ein Hydraulikfluid abgegeben wird, entsteht aus dem Körperschall Flüssigkeitsschall.

Da der Körperschall auf der Basis der Wechselkräfte der Axialkolbenmaschine entsteht und da die Wechselkräfte ihrerseits abhängig sind von der Betriebsdreh­ zahl, dem Arbeitsdruck und dem Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine, ent­ hält der Körperschall Informationen über diese Systemparameter und ermöglicht daher deren entsprechende Auswertung. Der Körperschall steht mit den ihn ver­ ursachenden Wechselkräften in einem festen funktionalen Zusammenhang, solan­ ge sich die Schallübertragungsstrecke vom Entstehungsort der Wechselkraft bis zur Position an der Axialkolbenmaschine, an welcher der Körperschallsensor an­ gebracht ist, nicht ändert. Damit beinhaltet das Körperschallsignal sämtliche In­ formationen, welche auch in der Wechselkraft vorhanden sind.

Triebwerke von Axialkolbenmaschinen weisen in der Regel eine ungerade Anzahl von Zylindern bzw. Verdrängerkammern auf. Eine Anzahl von neun Kolben ist dabei typisch. Da Axialkolbenmaschinen sowohl als Pumpe als auch als Motor arbeiten können, bezieht sich die Erfindung allgemein auf das Bestimmen von Betriebsdrehzahl, Arbeitsdruck und Schwenkwinkel bei Axialkolbenmaschinen.

Erfindungsgemäß wird gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Betriebsdrehzahl aus der Grundfrequenz des Kolbenkraftverlaufs (Wechsel­ kraft) durch Frequenzanalyse der Grundfrequenz ermittelt, wobei die aus der Fre­ quenzanalyse ermittelte Grundfrequenz des Kolbenkraftverlaufs durch die Anzahl der Kolben der Axialkolbenmaschine dividiert wird.

Während einer vollständigen Umdrehung einer als Pumpe betriebenen Axialkol­ benmaschine wird jede Verdrängerkammer während der Hälfte der Umdrehung mit der Hochdruckseite und während der anderen Hälfte der Umdrehung mit der Niederdruckseite verbunden. Wenn die entsprechende Verdrängerkammer mit der Hochdruckseite verbunden ist, führt der Kolben einen Förderhub aus. In den Tot­ punkten erfolgt die Umsteuerung von Hochdruck zu Niederdruck und umgekehrt. Durch Ausgleichsströmungen infolge hydraulischer Kapazitäten dauert der Um­ steuervorgang eine gewisse Zeit, d. h. erfolgt nicht unendlich schnell, so daß der Druckaufbau und der Druckabbau in der jeweiligen Verdrängerkammer ebenfalls mit endlicher Geschwindigkeit abläuft. Dieser Druckverlauf wirkt auf den Ver­ drängerkolben und führt zu einer dynamischen Belastung der Struktur der Axial­ kolbenmaschine, wodurch sich ein definierter Verlauf der Kolbenkraft bzw. der Wechselkraft ergibt. Jeder einzelne Kolben führt zu einem derartigen Kolben­ kraftverlauf bzw. Verlauf der Wechselkraft, wobei bei mehreren vorhandenen Kolben eine Überlagerung der einzelnen, durch die Kolben induzierten Kolben­ kraftverläufe erfolgt. Da die Kolbenkraft bzw. deren Verlauf bei Kenntnis der Anzahl der Kolben einer Axialkolbenmaschine bei einer vollen Umdrehung eine der Anzahl der Kolben entsprechende Anzahl von Maxima im Kolbenkrafiverlauf aufweist und diese Kolbenkraft zu einem definierten Körperschallverlauf führt, aus welchem diese Maxima ebenfalls ableitbar sind, ist es möglich, aus dem Kör­ perschallverlauf beispielsweise die Betriebsdrehzahl der Axialkolbenmaschine zu bestimmen.

Wenn jedoch die Axialkolbenmaschine beispielsweise im drucklosen Zustand läuft, so wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Betriebsdrehzahl der Axialkolbenmaschine vorzugsweise aus Schwingungsanteilen bestimmt, welche aus den gemessenen Unwuchten des Triebwerks der Axialkolbenmaschine ermit­ telt werden. Somit ist es möglich, sowohl bei mit Arbeitsdruck belasteten Kolben der Axialkolbenmaschine als auch in deren drucklosem Laufzustand die Betriebs­ drehzahl zu bestimmen.

Der Systemparameter Betriebsdrehzahl wird nun so bestimmt, daß zunächst ein Kolbenkraftabhängiges Körperschallsignal erzeugt wird, indem der Körperschall mittels Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmern gemessen wird. Daran schließt sich die Durchführung einer harmonischen Analyse dieses Körperschallsignals an, aus welcher dessen Grundfrequenz ermittelt wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Systempara­ meter Arbeitsdruck aus der Amplitude der der Kolbenanzahl entsprechenden Harmonischen bestimmt, welche aus der Frequenzanalyse ermittelt werden. Die­ se Vorgehensweise ist möglich, da der Kolbenkraftverlauf wesentlich durch den Verlauf des Arbeitsdruckes innerhalb der Axialkolbenmaschine bestimmt wird.

Vorzugsweise wird eine Übertragungsfunktion aufgestellt, welche frequenzab­ hängig Verstärkungen und Abschwächungen des Körperschallsignals infolge von Strukturesonanzen des Körperschallsignals auf seinem Weg durch Bautei­ le/Baugruppen der Axialkolbenmaschine bis zu einem, den Körperschall aufneh­ menden Sensor berücksichtigt. Diese Übertragungsfunktion gewährleistet also ebenfalls, und zwar frequenzabhängig, die Berücksichtigung von Einflüssen der Struktur der Bauteile bzw. der Baugruppen der Axialkolbenmaschine auf das Körperschallsignal, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens gemäß der Erfin­ dung erhöht wird. Dieses Wichtungsergebnis unter Berücksichtigung der Über­ tragungsfunktion, welche auch als Korrekturwert-Funktion bezeichnet werden kann, ermöglicht die Bestimmung des Arbeitsdruckes der Axialkolbenmaschine. Vorzugsweise wird die Übertragungsfunktion empirisch bestimmt und berück­ sichtigt verschiedene, mathematisch nicht exakt erfaßbare Einflüsse in der Materi­ alstruktur bzw. dem strukturellen Aufbau der Komponenten der Axialkolbenma­ schine.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine aus dem Amplitudenverhältnis der ge­ raden Harmonischen und der ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz des Kolbenkraftverlaufs (Wechselkraft) der Axialkolbenmaschine bestimmt. Der Kolbenkraftverlauf ist direkt abhängig vom Körperschallsignal und wird daraus abgeleitet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Schwenkwinkel der Axialkol­ benmaschine durch folgende Schritte bestimmt. Zunächst wird ein Kolbenkraft­ abhängiges Körperschallsignal erzeugt, und zwar durch Messen des Körperschalls mittels Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmern; anschließend wird die harmonische Analyse des Körperschallsignals durchgeführt und werden dessen Grundfrequenz und Harmonische einschließlich deren Amplituden ermit­ telt. Schließlich erfolgt mittels einer Übertragungsfunktion ein Wichten der mit­ tels der harmonischen Analyse gewonnenen Harmonischen, woran sich das Wichten der Amplitudenverhältnisse der geraden und der ungeraden Harmoni­ schen anschließt. Anschließend wird der Schwenkwinkel bestimmt. Vorzugswei­ se werden die Übertragungsfunktion empirisch ermittelt und das Amplitudenver­ hältnis empirisch gewichtet.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird mittels eines Verfahrens zum Bestimmen der Betriebsdrehzahl, des Arbeitsdruckes und des Schwenkwin­ kels einer Axialkolbenmaschine dieser jeweilige Systemparameter durch eine Frequenzanalyse eines zuvor erfaßten Flüssigkeitsschallsignals oder Luftschallsi­ gnals der Axialkolbenmaschine ermittelt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung wer­ den nun in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfizhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Kolbenkraftverlauf über dem Drehwinkel der Axialkolbenmaschine für einen einzelnen Zylinder;

Fig. 2 den Gesamtkolbenkraftverlauf über dem Drehwinkel einer mehrzylindri­ gen Axialkolbenmaschine;

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Kolbenwechselkraft bei großem Schwenkwinkel; und

Fig. 4 den Gesamtkolbenkraftverlauf über dem Drehwinkel einer mehrzylindri­ gen Axialkolbenmaschine bei großem Schwenkwinkel.

Nachfolgend wird das Verfahren beispielhaft anhand einer Axialkolbenmaschine mit neun Kolben erläutert, wobei diese neun Kolben die Grundlage für die Erläu­ terung zu den Figuren bilden. Das Prinzip gilt gleichermaßen für alle anderen Anzahlen von Kolben, ob gerade oder ungerade. Die Erläuterung zu den einzel­ nen Figuren erfolgt auf der Basis der Arbeit der Axialkolbenmaschine als Pumpe, d. h. Arbeit der Axialkolbenmaschine im Pumpenbetrieb.

In Fig. 1 ist der Kolbenkraftverlauf über dem Drehwinkel für einen Zylinder einer Axialkolbenmaschine dargestellt. Dieser Verlauf zeigt die dynamische Belastung der Maschinenstruktur infolge der vorhandenen Kolbenwechselkraft. Während einer Umdrehung von 360° ist jede Verdrängerkammer während 180° mit der Hochdruckseite und während 180° mit der Niederdruckseite verbunden. Wenn die Verdrängerkammer mit der Hochdruckseite verbunden ist, führt der Kolben einen Förderhub aus. Im Bereich der Totpunkte erfolgt die Umsteuerung von Hochdruck zu Niederdruck bzw. von Niederdruck zu Hochdruck. Die in Fig. 1 dargestellte Funktion ist keine reine Rechteckfunktion, da Ausgleichsströmungen infolge hydraulischer Kapazitäten einen eine endliche Zeit dauernden Umsteuer­ vorgang bedingen. Dadurch erfolgt auch der Druckaufbau bzw. der Druckabbau in der jeweiligen Verdrängerkammer nicht unendlich schnell.

Bei einer Axialkolbenmaschine mit neun Kolben, d. h. mit neun Verdrängerkam­ mern ergibt sich ein Gesamtkolbenkraftverlauf bzw. ein Verlauf der Gesamtwech­ selkraft über dem Drehwinkel wie in Fig. 2. Bei dem Neun-Kolben-Triebwerk der beschriebenen Axialkolbenmaschine ergibt sich somit ein Verlauf der Ge­ samtkolbenkraft, welcher ein jedem Kolben zugeordnetes Maximum im Gesamt­ kolbenkraftverlauf zeigt.

Sowohl der für einen Kolben dargestellte Verlauf gemäß Fig. 1 als auch der für neun Kolben dargestellte Verlauf der Gesamtkolbenkraft gemäß Fig. 2 zeigen, daß die Umsteuerzeiten für Kompression und Dekompression etwa gleich lang sind. Dies trifft jedoch nur zu, wenn die hydraulischen Kapazitäten, welche die Ölvo­ lumina in den Verdrängerkammern sind, während Kompression und Dekompres­ sion gleich groß sind. Dies trifft nur dann zu, wenn der Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschine Null ist. Mit zunehmendem Schwenkwinkel weichen die Verdrängerkammervolumina in den beiden Totpunkten immer stärker voneinan­ der ab. Während das Kammervolumen bei Kompression stetig größer wird, wird das Kammervolumen bei Dekompression in gleichem Maße kleiner. Das führt dazu, daß bei großem Schwenkwinkel der Druckaufbau wesentlich länger dauert und der Druckabbau wesentlich schneller erfolgt. Die Berücksichtigung dieser Unterschiede im Umsteuerbereich bzw. die Auswirkungen auf die Wechselkraft sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Aus Fig. 3 ist die Unsymmetrie im Verlauf der Kolbenkraft (Wechselkraft) bei großem Schwenkwinkel, d. h. auch bei unterschiedlichen hydraulischen Kapazitä­ ten, dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Druckaufbau wesentlich langsamer als der Druckabbau erfolgt.

Liegen mehrere Kolben vor, wie im Beispiel von Fig. 4, bei welcher der Gesamt­ kolbenkraftverlauf für ein Neun-Kolben-Triebwerk dargestellt ist, so läßt sich ebenfalls ein asymmetrischer Verlauf der Gesamtkolbenkraft im Bereich des durch einen einzelnen Zylinder ausgegebenen Signals erkennen.

Wie zuvor beschrieben, wird der Verlauf der Kolbenkraft, d. h. der Wechselkraft nicht nur durch konstante geometrische Größen wie Kolbendurchmesser, Kolben­ anzahl, Umsteuerkerben etc., sondern entscheidend auch durch die Betriebsdreh­ zahl, den Arbeitsdruck und den Schwenkwinkel geprägt. Dadurch, daß der Ver­ lauf der Wechselkraft auch Informationen über die Betriebsdrehzahl, den Arbeits­ druck und den Schwenkwinkel enthält, ist der Informationsgehalt über die ge­ nannten drei Systemparameter sehr hoch, weil aus dem Körperschall die Informa­ tionen ermittelbar sind, mittels welcher die genannten Systemparameter ermittelt werden. Diese Informationen werden dadurch deutlich bzw. können dadurch aus dem Körperschallsignal abgeleitet werden, daß das Körperschallsignal einer Fre­ quenzanalyse unterzogen wird.

Die Betriebsdrehzahl errechnet sich dabei direkt aus der Grundfrequenz der Wechselkraft geteilt durch die Anzahl der Kolben. Im drucklosen Zustand wird die Betriebsdrehzahl unter Zuhilfenahme von Schwingungsanteilen ermittelt, wel­ che aus der Unwucht des Triebwerkes resultieren.

Informationen über den Arbeitsdruck bzw. Systemdruck sind in der Amplitude der Grundfrequenz der Wechselkraft enthalten. Dabei ist zu berücksichtigen, daß zwischen der Amplitude der Wechselkraft und des Körperschalls ein frequenzab­ hängiger Zusammenhang besteht, welcher die Grundlage für die Bestimmung der Übertragungsfunktion bildet. Diese Übertragungsfunktion berücksichtigt fre­ quenzabhängig Verstärkungen und Abweichungen des Körperschallsignals durch Strukturresonanzen auf dem Weg bis zu einem Körperschallsensor.

Schließlich können Informationen über den Schwenkwinkel der Axialkolbenma­ schine aus dem Amplitudenverhältnis der geraden Harmonischen zu den ungera­ den Harmonischen der Grundfrequenz abgeleitet werden. Mathematisch gesehen besitzen punktsymmetrische Funktionen wie die Wechselkraft bei einem Schwenkwinkel Null nur spektrale Komponenten bei einfacher, dreifacher, fünf fachen siebenfacher usw. Grundfrequenz. Diese Spektralbestandteile nennt man ungerade Harmonische der Grundfrequenz. Die geraden Harmonischen (zweifa­ che, vierfache, sechsfache usw. Grundfrequenz) sind theoretisch nicht vorhanden. Bei großem Schwenkwinkel ist diese Symmetrie jedoch nicht mehr vorhanden. Bei großen Schwenkwinkeln besitzen diese Funktionen dann sowohl gerade als auch ungerade Harmonische. Bei der Bestimmung des Schwenkwinkels aus dem Amplitudenverhältnis muß beachtet werden, daß zwischen den Amplituden der Wechselkraft und denen des Körperschalls ein frequenzabhängiger Zusammen­ hang besteht, welcher berücksichtigt werden muß, was über entsprechende empi­ risch gewonnene oder abgeleitete Übertragungsfunktionen erfolgt.

Gleiche Effekte und Ergebnisse werden erhalten durch Verwenden eines Luft­ schallsignals anstelle des Körperschallsignals. Daneben ist es grundsätzlich auch möglich, nur eine gemessene Dehnung einer kraftdurchflossenen Struktur als ein Signal analog zum Körperschall zu verwenden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen von Systemparametern Betriebsdrehzahl, Ar­ beitsdruck und Schwenkwinkel einer Axialkolbenmaschine mit einer An­ zahl von n Kolben, bei welchem die Systemparameter durch eine Fre­ quenzanalyse (harmonische Analyse) eines erfaßten Körperschallsignals, Flüssigkeitsschallsignals oder Luftschallsignals von der Axialkolbenma­ schine ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Betriebsdrehzahl aus der mittels der Frequenzanalyse ermittelten Grundfrequenz des Kolbenkraft­ verlaufes (Wechselkraft) geteilt durch die Anzahl der Kolben bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Betriebsdrehzahl im drucklosen Zustand der Axialkolbenmaschine mittels aus gemessenen Unwuchten (Drehfrequenz) des Triebwerks der Axialkolbenmaschine er­ mittelten Schwingungsanteilen bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Arbeitsdruck aus der Am­ plitude der der Kolbenanzahl entsprechenden Harmonischen ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem eine Übertragungsfunktion auf gestellt wird, welche frequenzabhängig Verstärkungen und Abschwächun­ gen des Körperschallsignals infolge von Strukturresonanzen des Körper­ schallsignals auf seinem Weg durch Bauteile/Baugruppen der Axialkol­ benmaschine bis zu einem, den Körperschall aufnehmenden Sensor be­ rücksichtigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Übertragungsfunktion empi­ risch bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Schwenkwinkel aus dem Amplitudenverhältnis der geraden Harmonischen und der ungeraden Har­ monischen der aus der Frequenzanalyse ermittelten Grundfrequenz des Kolbenkraftverlaufs (Wechselkraft) der Axialkolbenmaschine bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem der Schwenkwinkel durch fol­ gende Schritte bestimmt wird:

• - Erzeugen eines Kolbenkraft-abhängigen Körperschallsignals durch Messen des Körperschalls mittels Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsaufnehmern;
• - Durchführen der harmonischen Analyse des Körperschallsignals;
• - Ermitteln von dessen Grundfrequenz und Harmonischen ein­ schließlich deren Amplituden;
• - Wichten der Harmonischen mit einer Übertragungsfunktion; und
• - Wichten der Amplitudenverhältnisse der geraden und der ungera­ den Harmonischen; und
• - Bestimmung des Schwenkwinkels.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Übertragungsfunktion empi­ risch ermittelt wird und die Amplitudenverhältnisse empirisch gewichtet werden.