DE2111359A1

DE2111359A1 - Regeleinrichtung fuer eine Hydropumpe

Info

Publication number: DE2111359A1
Application number: DE19712111359
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dipl-Ing Leutner; Roman Romes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-03-10
Filing date: 1971-03-10
Publication date: 1972-09-28
Also published as: DD95760A5; US3788775A; FR2129570A5; IT949930B; GB1376829A; CH533241A

Description

Wd/Fu 4.3.71

Anlage zur
Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, Stuttgart

Regeleinrichtung für eine Hydropumpe

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für eine verstellbare hydrostatische Pumpe, deren Stellglied mit Hilfe eines druckmittelbeaufschlagten Kraftverstärkers einstellbar ist.

Aus der DT-AS 1 267 092 ist eine mechanisch-hydraulische Regeleinrichtung bekannt, die es gestattet, das Produkt aus Fördermenge und Förderdruck einer Pumpe stets konstant zu halten, d. h. deren Drehmoment bzw. Leistung. Zu diesem Zweck wird der Förderdruck über eirien hydraulisch beaufschlagten Kolben als Kraft auf einen einarmigen Hebel geleitet, auf den andererseits der Leistungssollwert in Form einer Federkraft wirkt. Der Abstand des Wirkorts der Kolbenkraft zum Hebeldrehpunkt ist dabei proportional der Fördermenge der Pumpe.

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• Diese Regeleinrichtung ist wohl einfach im Aufbau, hat aber den Nachteil, daß sie ortsgebunden an die Pumpe ist, da der Kolben im Kraftverstärker der Pumpenverstellung geführt ist. Im übrigen sind die Kräfte an den Regelorganen teilweise recht hoch, so daß diese entsprechend stark dimensioniert werden müssen, wodurch die Regeleinrichtung voluminös wird.

Aus der DT-OS 1 4-98 288 ist weiterhin eine mechanisch-hydraulische Einrichtung zur Leistungsregelung bekannt geworden, die auch eine Begrenzung des Höchstdruckes der Pumpe erlaubt. Diese Einrichtung ist ebenfalls ortsgebunden an die Pumpe, sehr kompliziert im Aufbau,und sie erfordert ebenfalls einen großen Platzbedarf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die relativ preiswert ist und infolge des niedrigen Leintungsniveaus der Signalgewinnung und -verarbeitung nur einen sehr kleinen Bauraurn beansprucht, und die außerdem sehr flexibel in der räumlichen Anordnung ist.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Lage-Ist-Wert des Stellglieds der Pumpe mit einem einen Differenzdruck erzeugenden Mittel gemessen wird, daß dieser Lage -I st -V/er t in einem hydraulischen Summierverstärker mit dem ebenfalls als Differenzdruck vorliegenden Lage-Soll-VJert verglichen, die Differenz der beiden Signale verstärkt wird und als Differenzdruck auf ein den Kraftverstärker steuerndes Servoventil einwirkt.

Auf diese V/eise entsteht ein Lageregelkreis, dessen Übertragungsverhalten proportional ist, d. h. die Fördermenge der Pumpe ist proportional dem als Sollwert am Summierverstärker anstehenden Differenzdruck. Bereits dieser Teil des Regelsystems allein

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ist als Fördermengenregelung funktionsfähig, wenn keine weiteren Funktionen erforderlich sind. Der Sollwert des Stellglieds kann als elektrisches Signal über einen elektrohydraulischen Wandler vorgegeben v/erden, der dieses Signal in einen proportionalen hydraulischen Differenzdruck umwandelt, welcher dem Verstärker als Sollwert aufgeschaltet wird.

Eine Leistungsbegrenzung und -regelung wird möglich, wenn der Lage-Soll-Wert am Verstärker Ausgangssignal eines hydraulischen Verstärkers ist, in dem der als Differenzdruck vorliegende Ist-Wert der hydraulischen Leistung der Pumpe mit dem als Differenzdruck vorliegenden Leistungs-Soll-Wert verglichen und die Differenz verstärkt wird.

Hierbei kann der Leistungssollwert hydraulisch oder über einen elektrohydraulischen Wandler elektrischer Natur sein. Die Leistungsregelung bzw. -begrenzung folgt exakt der Leistungshyperbel.

ZweckrnU&igerueise v.ärd bei einem Leistungsregelkreis der beschriebenen Art die Beeinf3.ußung der Fördermenge dadurch vorgenommen, da2 in den Signal pfad des Fördermengensollwerts ein fluidischer_; bipolarer Begrenzer eingefügt wird. Sein als Differenzdruck vorliegendes, dem Eingangssignal proportionales Ausgangssignal kann auf einen kontinuierlich einstellbaren Maximalwert begrenzt werden. Dadurch ist innerhalb des durch den Leistungssollwert vorgegebenen Betriebsbereiches eine Regelung und Begrenzung der Fördermenge möglich. Der als Sollwert bzw. Begrenzung für die Fördermenge fungierende einstellbare Maximalwert des Begrenzers kann wiederum über einen elekt'rohydraulisehen Wandler elektrisch vorgegeben werden.

In vorteilhafter Weise wird, der Leistungsregelkreis durch eine Druckbegrenzung bzw. -regelung ergänzt.· Der Sollwert für die Druckbegrenzung bzw. -regelung kann ebenfalls über einen elektrohydraulischen Wandler vorgegeben werden.

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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß alle Betriebsgrößen - Fördermenge, Förderdruck, Förderleistung - von außen über elektrohydraulisehe Wandler mit elektrischen Signalen kleiner Leistung (kleiner als 1 Watt) kontinuierlich angesteuert werden können. Dadurch ist einerseits eine einfache, auch über größere Entfernungen mögliche Steuerbarkeit gewährleistet, andererseits wird im Verein mit der großen Bandbreite der Regelung ein Einsatz der mit einem derartigen Regelsystem ausgestatteten Pumpe als Stellglied in einem Regelkreis möglich.

Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung hat also im wesentlichen zwei Funktionen. Einmal wird durch Vorgabe einer maximalen Fördermenge, einer maximalen Förderleistung und eines maximalen Förderdrucks der Betriebsbereich der Pumpe in den Größen Fördermenge und Förderdruck begrenzt. Zum anderen kann durch kontinuierliche Veränderung eines oder mehrerer der drei Maximalgrößen jeder Punkt des Pumpenkennfeldes hinsichtlich Leistung und Fördermenge angefahren werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben. Diese zeigt in

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Regeln und Begrenzen der Leistung, des Druckes und des FÖrderstroms einer verstellbaren Kolbenpumpe, sowie zur Lageregelung des Stellglieds derselben;

Fig. 2 ein Blockochaltbild einer Summenleistungsregelung; Fig. J ein Diagramm;

Fig. 4 und 5 Einzelheiten des Blockschaltbildes.

In Fig. 1 ist mit Ii ein hydraulisch betätigter Kraftverstärker bezeichnet, der das Stellglied 12 einer verstellbaren Pumpe ±J>, z. B. die Schwenkscheibe einer Axialkolbenpumpe, einstellt. Der Kraftverstärker 11 v/ird von einem Servoventil l4 bekannter Bauart

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gesteuert, dessen Eingang für hydraulische Differenzdrücke eingerichtet ist.

Der Istwert 15 des Stellglieds'12, der bei konstanter Drehzahl der Fördermenge entspricht, also z. B. derSchwenkwinkelc>£ , wird mit einem Lagemeßgerät l6 gemessen, dessen dem Schwenkwinkel cC proportionales Ausgangssignal 17 (Lage-Ist-Wert) ein Differenzdruck ist, der einem hydraulischen "Verstärker 18 zugeführt wird. Dort wird der Lage-Ist-Wert mit dem ebenfalls als Differenzdruck vorliegenden, an den Verstärker 18 angelegten Sollwert 19 des Stellgliedes verglichen. Die Diferenz wird verstärkt dem Servoventil l4 zugeführt. Auf diese V/eise entsteht ein Lageregelkreis, der in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie abgegrenzt ist. Im stationären Zustand entspricht der Schwenkwinkel des Stellglieds 12 dem Sollwert 19 (Führungssignal).

Der wie angegeben abgegrenzte Lageregelkreis, der als selbständige Einheit ausgebildet sein kann, ist im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 Teil einss Leistungsregelk^aises. In diesem Leistungsregelkreis wird der Sollwert 19 (Führungssignal) des Lagekreises dadurch gewonnen, daß an einem hydraulischen Verstärker 20 der Istwert 21 der hydraulischen Leistung der Pumpe 13 mit dem Sollwert der Leistung verglichen und die Differenz verstärkt wird. Der Istwert 21, der als Differenzdruck vorliegt, entstammt einem Multiplizierer 25, der das als mechanische Größe vorliegende Signal für den Istwert 15 des Stellglieds, das in guter Näherung ein Maß für die Fördermenge der Pumpe 15 ist, mit dem momentanten Wert 24 des Förderdrucks der Pumpe 15 multipliziert.

Über die Änderung des Leistungssollwertes 22, die z, B. über einen elektrohydraulisehen Wandler 25 durch Anlegen einer elektrischen Spannung.erfolgt, kann in Art einer Leistungsregelung das Kennfeld der Pumpe überstrichen werden. Dies ist in Fig. 3 durch die verschiedenenHyperbel mit dem Pfeil F₁ angedeutet. In diesem Diagramm

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ist über dem Förderdruck ρ die Fördermenge Q aufgetragen. In vielen Fällen soll jedoch eine Änderung des Betriebspunktes im Kennfeld durch eine direkte Änderung der Fördermenge erzielt werden. Dann wird der der maxiamlen Leistung der Pumpe entsprechende Sollwert 22 konstant vorgegeben, und der Leistungsregelkreis bewirkt eine Begrenzung des Kennfeldes auf den unter der der maximalen Leistung entsprechenden Hyperbel liegenden Teil. In den Pfad des Sollwerts 19 ist ein bipolarer fluidischer Begrenzer 26 eingeschaltet. Sein Eingangssignal E ist der dem Verstärker 20 entstammende Differenzdruck, sein Ausgangssignal A der Sollwert 19 des Stellglieds. Der Begrenzer 26 hat einen weiteren Eingang B, durch den ein angelegtes Signal den Ausgang A begrenzt. Die Funktion des Begrenzers 26 wird am besten mathematisch formuliert; es gilt

A	= K	. E	wenn	K	. E	All	B
A	= B		wenn	K	. E	B

K = Konstante .

Im angeführten Beispiel kann das auf B wirkende Signal über einen elektrohydraulischen Wandler 28 elektrisch vorgegeben v/erden. Die Änderung dieses Eingangs drückt sich im Diagramm der Flg. j5 durch die verschiedenen Linien konstanter Fördermenge aus, die parallel zur Abszisse verlaufen (gekennzeichnet durch Pfeil F₂). Es wird dadurch ein ähnliches Verhalten erreicht wie im Falle der reinen Lageregelung, Jedoch bleibt darüberhinaus die begrenzende Eigenschaft des Leistungsregelkreises erhalten.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin eine Einrichtung, die eine Begrenzung und Regelung des Förderdruckes 24 gestattet. Dazu, wird der Förderdruck 2'Λ der Pumpe 15 einem proportionalen übertragungsglied 29 zugeführt, das durch einen variablen Schwellwert S und eine einstellbare Proportionalitätskonstante C charakterisiert ist. Bezeichnet man den Eingang des

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Übertragers 29 mit R^f, seinen Ausgang mit A¹, so gilt

A¹ = 0 wenn E¹ ύ s

A' = C . (E^! - S) wenn E' > .S .

Der Ausgang 50 des Übertragers 29 wirkt nun so auf den Verstärker 20, daß, nachdem der Förderdruck 24 den vorgegebenen Schwellwert überschritten hat, das nunmehr durchtretende Ausgangssignal 50 über den Verstärker 20 den Sollwert 19 rasch verkleinert. Zur Anpassung an beliebige Strecken ist die Proportionalitätskonstante des Übertragers 29 einstellbar. Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 kann der Schwellwert des Übertragers 29 über einen elektrohydraulischen Wandler 51 elektrisch vorgegeben werden. Damit ist eine Druckregelung möglich, gekennzeichnet durch den Pfeil F^₇ in Figur 5.

Das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel gestattet die Überstreichung des Kennfeldes durch Druck-, Mengen- oder Leistungsregelung. Im allgemeinen wird lediglich eine der drei Betriebsgrößen geregelt, während für die anderen beiden eine Begrenzung existiert. Es sind jedoch mannigfache Mischformen denkbar. Je nach Regelmodus können die Wandler 25, 28 oder 51 entfallen und durch einstellbare P'entvferte - hydraulisch oder mechanisch-ercetzt werden. Die Existenz des Leistungs-Ist-Wertes, d. h. des Signales 20, das der tatsächlichen Förderleistung der Pumpe proportional ist, gestattet im Falle einer Summenleistungsregelung interessante Lösungen, die sich durch räumliche Unabhängigkeit und gute Flexibilität in der Privilegierung einzelner Pumpen auszeichnen. So zeigt z. B. das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 zwei Pumpen 55 und 54, die gemeinsam von einer Kraftmaschine 55 angetrieben sind und jeweils mit der erfindungsgemäßen Leistungsregelung ausgestattet sind. Der Pumpe 55 wird der Sollwert 56 der gesamten zur Verfügung stehenden Leistung der Antriebsmaschine zugeführt, d. h. die Pumpe 55 kan ihren Leistungsbedarf stets voll decken. Der Leistungs-Soll-Wert 57 der Pumpe 5^ wird dadurch gebildet, daß

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an einem hydraulisehen Summierverstärker 38 vom Sollwert 36 (Signal) der Leistungs-Ist-Wert 39 der Pumpe 33 subtrahiert wird. Dadurch' ist stets gewährleistet, daß die Summo der Leistungen der beiden Pumpen die vorgegebene Grenzleistung (Signal 36) nicht überschreiten, und daß im Falle einer geringen Leistungsaufnahme der Pumpe 33 der zur Verfügung stehende Leistungsrest 37 von der Pumpe 34 voll in Anspruch genommen v/erden kann.

Das Ausgangsbeispiel nach der Fig. 4 zeigt das Lagemeßgerät 14 des Ausführungsbeispiel der Fig. 1.

Die Lage des Stellglieds 12 wird auf eine fest eingespannte Feder 40 übertragen, die eine proportionale Auslenkung erfährt. Diese Auslenkung wird durch ein Doppeldüsen-Prallplattensystem bekannter Bauart in einen proportionalen DiiEirenzdruck umgesetzt, der zwischen den Leitungen 4l und 42 liegt. Die Druckversorgung des Systems erfolgt durch einen konstanten Druck 46, der z. B. einer Hilfspurnpe entstammt. Der Förderstrom wird über je eine Drossel 43, 44 den Leitungen 4l, 42 und den Düsen 45, 46 zugeführt. Die LagemeCung durch ein derartiges System zeichnet sich durch geringen Aufwand, gute Linearität und Auflösung sowie durch Unempfindlichkeit gegen Tempera tür schwankungeil aus. Im Rahmen des gesamten erfindungsgemäßen Systems führen auch Sehwankungen im Versorgungsdruck 46 lediglich zu einer geringfügigen Veränderung der Kreisverstärkung, da sich die gesamte Signalgewinnung und Verarbeitung auf den gleichen Versorgungsdruck 46 beziehen.

Das Ausführungr.büispiel nach der Fig. 5 zeigt den Multiplizierer 23 des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1. Dieser ist genauso aufgebaut wie das in Fig. 4 gezeigte LagenjeSfjerät, lediglich mit dem Unterschied,, da,? die hydraulische Brücke nicht durch einen konstanten Versorgungsdruck 46, sondern durch den Druck 47 der Pumpe 21 erfolgt. Die als Prallplatte dienende Feder 4? kann mit der Feder 4o dr.s vorigen Ausführungsbeispiels indentisch sein.

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Bekanntlich ist das Ausgangssignal einer Brückenschaltung proportional dem Produkt aus Verso3?gungsgröße und der Brückenverstimmung. Im vorliegenden Fall wird die hydraulische Brücke vom Pumpendruck 47 gespeist, die Verstimmung ist proportional der durch das Stellglied 12 eingeleiteten Verschiebung der Feder 48; demnach liegt zwischen den Leitungen 49 und 50 ein Differenzdruck, der dem Produkt aus Fumpendruck und Lage des Stellglieds - und damit der Fördermenge - proportional ist. Ein kleiner Teil des Förderstroms der Pumpe Γ2 fließt den Leitungen 49, 50 wiederum über jeweils eine. Drossel 5-Ίj 52 und dann den Düsen 53>* 5^ zu.

Für die Summierverstärker 18 und 20 kommen Geräte in Betracht, die entweder auf dem Prinzip des Prallplattenverstärkers beruhen oder das fluidisehe Prinzip des Impulsaustauschens (momentum exchange amplifier) benützen. Denkbar sind auch hydraulische Operationsverstärker in closed loop-Bauweise nach dem Implusaustauschprinzip.

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Ansprüche:

1.j Regeleinrichtung für eine verstellbare hydrostatische Pumpe, deren Stellglied mit Hilfe eines druckmittelbeaufschlagten Kraftverstärkers einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daI3 der Lage-Ist-Wert des Stellglieds (12) der Pumpe (13) mit einem einen Differenzdruck erzeugenden Mittel (lö) gemessen wird, daß dieser Lage-Ist-Wert in einem hydraulischen Summierverstärker (l8) mit dem ebenfalls als Differenzdruck vor- . liegenden Lage-Soll-Wert verglichen, die Differenz der beiden Signale verstärkt wird und als Differenzdruck auf ein den Kraftverstärker (11) steuerndes Servoventil (l4) einwirkt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lage-Soll-Wert am Verstärker (l8) Ausgangssignal eines hydraulischen Verstärkers (20) ist, in dem der als Diffenzdruck vorliegende Ist-Wert der hydraulischen Leistung der Pumpe mit dem als Differenzdruck vorliegenden Leistungs-Soll-V/ert verglichen und die Differenz verstärkt wird.

3, Regeleinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ist-Wert der hydraulischen Leistung der Pumpe -mit einem Multiplizierglied (23) gemessen wird, dessen Ausgangssignal ein Differenzdruck ist.

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k. Regeleinrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß dem I-Iultiplisierglied (2;)) die Stellung des Stellglieds und der Förderdruck der Pumpe direkt zugeführt werden.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet., dafr im Signalpfad zwischen den Verstärkern (18, 20) ein Begrenzungsglied (26) für den Sollwert des Lageregelkreises der 'Pumpe angeordnet ist, dessen Eingangs- und Ausgangs- ^ signal ein Differenzdruck ist.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Ausgangswert des Begrenzers (26) durch Einspeisen einer Führungsgröße veränderbar ist.

7·. Regeleinrichtung nach einem'der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß für den Förderdruck der Pumpe ein proportionales Übertragungsglied (29) mit Schwellwert und einstellbarer Steigung vorgesehen ist, dessen als hydraulischer Druck vorliegendes Aus- w .gangssignal auf einen der beiden Verstärker (l8, 20) aufgeschaltet wird, so daß bei Zunahme des Förderdrucks die Fördermenge verkleinert v;ird.

8, Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schvrellvrert durch Anlegen einer Führungsgröße veränderbar ist.

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9. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet., daß die Sollwerte der Regelgröße Fördermenge, Förderdruck und hydraulische Leistung der Pumpe einzeln oder in beliebiger Zusammenstellung durch Vorschalten von elektrohydraulisch^! Wandlern (25, 28, 51) vor die entsprechenden Eingänge des Verstärkers (20), des Begrenzungsgliedes (26) und des Übertragungsgliedes (29) elektrisch vorgegeben werden.

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