DE4327667A1

DE4327667A1 - Steuerungsvorrichtung für verstellbare Hydromaschinen

Info

Publication number: DE4327667A1
Application number: DE4327667A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Goellner; Eckhard Dipl Ing Skirde
Original assignee: Sauer Sundstrand GmbH and Co
Current assignee: Sauer Sundstrand GmbH and Co
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1993-08-17
Publication date: 1995-02-23
Also published as: US5881629A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für verstellbare Hydro maschinen, insbesondere für verstellbare Axialkolbenmaschinen mit einem Servosystem und ein Verfahren zur Schwenkwinkelregelung.

Bekannte elektrisch proportionale Schwenkwinkelregelungen für Hydro maschinen, insbesondere für Axialkolbenmaschinen, weisen eine aufwendi ge mechanische Schwenkwinkelrückführung (siehe Fig. 1) auf. Bei der artigen Schwenkwinkelregelungen wird die Position des Schwenkwinkels auf eine Meßfeder übertragen, die ihrerseits im Kraftgleichgewicht mit der Ansteuerung des Steuerschiebers ist, welcher über seine Steuerkanten den Schwenkwinkel steuert. Der Steuerschieber wird entweder mechanisch mit einem Proportionalmagneten oder hydraulisch mittels Torquemotor mit einem Düse-Prall-Platte-System bzw. mit einem elektrisch proportiona len Druckminderventil betätigt. Die mechanische Schwenkwinkelrückfüh rung ist deshalb so aufwendig, weil verstellbare Hydraulikmaschinen im geschlossenen Kreislauf eine präzise Nullstellung aufweisen müssen. Zu diesem Zweck muß innerhalb der mechanischen Schwenkwinkelrückfüh rung eine Nulleinstellung vorgesehen werden, und außerdem müssen die Hydromaschinen in beide Richtungen operieren, so daß die Rückfüh rungsfeder in beiden Richtungen wirksam sein muß.

Zur Ansteuerung des Servosystems werden in bekannter Weise Torque motoren (siehe Fig. 2), proportionalmagneten-gesteuerte Druckminderven tile (Fig. 3) oder aber direkt auf den Steuerkolben des Steuerungssystems der Hydromaschine wirkende Proportionalmagnete (siehe Fig. 4) einge setzt.

Der Torquemotor besitzt dabei ein bzw. zwei Spulen, die eine zum Spulenstrom proportionale Kraft in den Luftspalten des magnetischen Kreises erzeugen. Diese Kraft wird über den Anker auf ein Düse-Prall platte-System gegeben und erzeugt so ein Differenzdrucksignal, welches proportional dem Strom ist. Der Differenzdruck wirkt auf den Steuer schieber und steht im Gleichgewicht mit der Kraft der Rückführungs feder. Mittels der Steuerkanten des Steuerkolbens, die über Steuerbohrun gen mit dem Servokolben des Servosystems in Verbindung stehen, wird der gewünschte Schwenkwinkel erreicht. Relativ komplex ist die hydrauli sche Ansteuerung des Steuerschiebers (Vorsteuersystem) in Verbindung mit der Rückführung des Schwenkwinkels durch die Meßfeder.

Derartige Systeme sind in US-PS 5,205,201 offenbart.

Alternativ zum Torquemotor wird in bekannter Weise für das hydrauli sche Vorsteuersystem ein proportionalmagnet-gesteuertes Druckminderven til eingesetzt, welches einen Druck erzeugt, der proportional zum Strom ist. Je ein Ventil wirkt auf eine Stirnfläche des Steuerkolbens. Zur Rückführung des Schwenkwinkels wird bei einem derartigen System ebenfalls eine Rückführungsfeder eingesetzt.

Gleichermaßen wird eine Rückführungsfeder eingesetzt im Fall einer direkten Betätigung des Ventilschiebers mittels eines Proportionalmagne ten. Der Proportionalmagnet wirkt auf eine Stirnfläche des Steuerkolbens.

Allen diesen Systemen ist gemein, daß sie die aufwendige mechanische Rückführung des Schwenkwinkels sowie eine mechanische Nulleinstellung des Rückführungsgestänges benötigen. Die Nulleinstellung ist, bedingt durch die Addition von Fertigungstoleranzen, notwendig. Zusätzlich erfordert die Anordnung der Rückführungsfeder zwischen Schwenkscheibe oder Servokolben und dem Steuerschieber einen zum Teil erheblichen Aufwand. All dies führt zu hohen Kosten für die Realisierung eines Verfahrens mit einem System zur kompletten Verstellung einer Hydroma schine.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein einfacheres, genaueres und kostengünstigeres Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Schwenkwinkelregelung für Hydromaschi nen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, für das Verfahren durch die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale gelöst.

Danach ist bei einer verstellbaren Hydromaschine, insbesondere einer Axialkolbenmaschine, mit einem Servosystem, das mit einer Schwenk scheibe verbunden ist, das Fördervolumen/Schluckvolumen stufenlos veränderbar. Die Hydromaschine weist einen Sensor auf, der mit einer den Schwenkwinkel regelnden elektronischen Steuerungseinheit verbunden ist, sowie ein Servosystem, das mittels eines elektrohydraulischen Wand lers druckgesteuert ist.

Die verstellbare Hydromaschine mit der Vorrichtung gemäß der Erfin dung dient zur Realisierung des Verfahrens zur Schwenkwinkelregelung mit elektronischer Schwenkwinkelrückführung. Das Verfahren umfaßt dabei die Schritte: Drucksteuern des Servosystems mittels eines elek trohydraulischen Wandlers; Zuführen eines Signales zu der elektronischen Steuerungseinheit von einem Sensor; und Regeln des Schwenkwinkels der Schwenkscheibe der jeweiligen Hydromaschine durch die Steuerungsein heit.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen einer verstellbaren Hydro maschine mit Servosystem zur stufenlosen Schwenkwinkelregelung mit elektronischer Schwenkwinkelrückführung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schnittbild einer elektrohydraulischen Servoverstellung mit Vorsteuerung durch einen Torquemotor;

Fig. 2 ein Schema einer Schwenkwinkelregelung einer Axialkolben pumpe mit Vorsteuerung durch einen Torquemotor;

Fig. 3 ein Schema einer Schwenkwinkelregelung mit Vorsteuerung durch Proportionaldruckminderventil,

Fig. 4 ein Schema einer Schwenkwinkelregelung mit direkter An steuerung durch einen Proportionalmagneten;

Fig. 5 ein Schema einer einstufigen Drucksteuerung mit elektroni scher Schwenkwinkelrückführung;

Fig. 6 ein Schema einer einstufigen Drucksteuerung mit elektroni scher Schwenkwinkelrückführung;

Fig. 7 ein Schema einer zweistufigen Drucksteuerung mit elektroni scher Schwenkwinkelrückführung;

Fig. 8 ein Schema einer zweistufigen Drucksteuerung mit Vorsteue rung durch digitale Ventile und elektronischer Schwenkwin kelrückführung;

Fig. 9 ein Schema einer einstufigen Drucksteuerung mit elektroni scher Drehzahlrückführung.

Fig. 1 zeigt ein Schnittbild des relativ komplexen Aufbaus einer elek trohydraulischen Servoverstellung mit Vorsteuerung durch einen Torque motor 19. Der Torquemotor 19 dient der Steuerung des Steuerkolbens 4, der seinerseits in mechanischer Verbindung mit einer Rückführungsfeder 20 ist. Eine zusätzlich vorzusehende Nulleinstellung 22 innerhalb der mechanischen Rückführung muß außerdem vorgesehen werden. Die Schemata gemäß der Fig. 2, 3 und 4 beschreiben jeweils eine Schwenk winkelregelung mit Vorsteuerung durch einen Torquemotor; ein Proportio naldruckminderventil bzw. mit einer direkten Ansteuerung durch einen Proportionalmagneten. Eine Axialkolbenpumpe 1, die je nach Betriebsart über das Servosystem 4 geschwenkt wird, ist über Arbeitsleitungen 13 vorzugsweise mit einem Hydromotor verbunden. Mechanisch mit der Axialkolbenpumpe 1 verbunden ist eine Füll- bzw. Ladepumpe 3, die über den Steuerschieber 7 und die Steuerleitungen 21 das Servosystem 4 beaufschlagt. Des weiteren ist zwischen der Ladepumpe 3 und den Arbeitsleitungen 13 für jede Förderrichtung ein Rückschlagventil 14 vorgesehen, welches zur Einspeisung in die Niederdruckleitung dient. Der Steuerschieber 7 ist über die Rückführungsfeder 20 und ein entspre chendes Gestänge (nicht gezeigt) mechanisch mit der Schwenkscheibe oder dem Servokolben verbunden. Die Beaufschlagung der Vorsteuerung des Steuerschiebers 7 erfolgt gemäß Fig. 2 über einen Torquemotor 19, gemäß Fig. 3 über zwei Proportionaldruckminderventile 17 bzw. gemäß Fig. 4 über eine direkte Ansteuerung durch zwei Proportionalmagnete.

Fig. 5 zeigt eine vorzugsweise Ausführungsform zur elektronischen Schwenkwinkelrückführung gemäß der Erfindung. Hierbei ist die kon ventionelle mechanische Rückführung samt der Nulleinstellung 22 und der Rückführungsfeder 20 eliminiert. Ein entsprechendes Signal der Lage der Schwenkscheibe bzw. des Servokolbens wird an die elektronische Steue rungseinheit 12, die vorzugsweise ein Mikrocomputer ist, von einem mit der Schwenkscheibe bzw. dem Servokolben verbundenen Sensor 6 gelie fert, der vorzugsweise ein linearer Wegaufnehmer ist. Alternativ dazu kann auch ein Winkelsensor eingesetzt werden, der direkt mit der Schwenkscheibe verbunden ist. Die Rückführung des Schwenkwinkel-Ist- Wertes wird vorzugsweise über die elektronische Steuereinheit 12 reali siert, die den Schwenkwinkel in einem vorzugsweise geschlossenen Regel kreis regelt. Eine derartige Regelung führt nicht nur zu einer Kostenre duzierung, sondern es werden auch die heutigen Nachteile einer begrenz ten Genauigkeit der Regelung durch die Steuerung im offenen Kreis eliminiert. Insbesondere fällt der sogenannte "Downhill-Effekt" weg. Dieser Effekt tritt bei der Umkehrung des Leistungsflusses im hydro statischen Getriebe auf, da sich bei einer Umkehrung die Momente am Servosystem umkehren. Bei einer solchen Umkehrung des Leistungsflusses muß der konventionelle Schwenkwinkelregler auf der anderen Servoseite Druck aufbauen und dazu durch das Totband des Steuerschiebers 7 fahren. Dadurch wird eine ungewollte Schwenkwinkelvergrößerung ver ursacht.

Besondere Vorteile dieser Art der Schwenkwinkelregelung im geschlosse nen Regelkreis ergeben sich vorzugsweise durch die Drucksteuerung zur Ansteuerung des Servosystems 4. Eine solche Art der Ansteuerung ermöglicht es, daß beim Ausfall der elektronischen Steuereinheit 12 bzw. des elektrohydraulischen Wandlers 25 (z. B. Proportionalmagnet 8 oder Torquemotor 19) der Ansteuerdruck des Servokolbens zu Null wird und die Axialkolbenpumpe 1 durch eine Feder (nicht gezeigt) des Servosy stems 6 zurückgeschwenkt wird. Dieses Verhalten wird nicht erreicht, wenn konventionelle Servoventile zur Ansteuerung des Servokolbens eingesetzt werden, wie es bei Zylindersteuerungen bzw. -regelungen üblich ist.

In Fig. 6 ist eine einstufige Drucksteuerung mit elektronischer Schwenk winkelrückführung dargestellt, bei der zwei einzelne Proportionaldruckmin derventile 17 mit je einem Proportionalmagneten 8 angeordnet sind.

Fig. 7 zeigt die Ansteuerung des Servokolbens ähnlich zu der in Fig. 5, jedoch mit zwei 3/2-Wege-Druckminderventilen 18, die jedoch mittels eines Düse-Prallplatte-Systems eines Torquemotors 19 vorgesteuert wer den. Dieses System weist, bedingt durch den Torquemotor 19, ein erheb lich verbessertes dynamisches Verhalten auf.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Vorsteuerung mittels digitaler Ventile 10 ausgeführt ist. Diese digitalen Ventile 10 erzeugen durch eine impulsbreiten-modulierte Ansteuerung in Verbindung mit einer Ablaufblende ein Drucksignal, welches zur Vorsteuerung nutzbar ist. Bei dieser Ausführungsform sind ebenfalls zwei 3/2-Wege-Druckventile 18 angeordnet.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der keine direkte Schwenkwinkel rückführung vorgesehen ist. Hier wird an Stelle des Schwenkwinkels die Drehzahl n des Hydromotors 2 der elektronischen Steuerungseinheit 12 zugeführt und im geschlossenen Kreis geregelt.

Das Verfahren zur stufenlosen Regelung des Volumenstromes von Hydro maschinen 1, 2, bei denen das Servosystem 4 mit der Schwenkscheibe der jeweiligen Hydromaschine 1, 2 verbunden ist, wird mit einer Vorrichtung gemäß der Fig. 5 bis 9 versehenen Hydromaschine 1, 2 ausgeführt. Es weist die Schritte auf:

a) Drucksteuern des Servosystems 4, vorzugsweise mittels eines elektrohydraulischen Wandlers 7, der über eine Vorsteue rung 9 angesteuert wird, die vorzugsweise einen Proportionalmagneten 8, digitale Ventile 10 oder einen Torquemotor 19 aufweist;
b) Zuführen eines Signals zu der Steuerungseinheit 12 von einem Sensor, der als Positionssensor beim Servokolben angebracht ist und ein dem Schwenk winkel der Schwenkscheibe proportionales Signal liefert, als Winkelsensor 6 ein Signal des Schwenkwinkels liefert oder als Drehzahlsensor 15 am Hydromotor 2 ein Signal der Ist-Drehzahl des Hydromotors an die elek tronische Steuerungseinheit liefert; und
c) Regeln des Schwenkwinkels der Schwenkscheibe durch die elektronische Steuerungseinheit 12 auf der Basis des zugeführten Sensorsignals.

Claims

1. Steuerungsvorrichtung für verstellbare Hydromaschinen, insbeson dere für verstellbare Axialkolbenmaschinen mit einem Servosystem (4), das mit einer Schwenkscheibe verbunden ist, so daß das Fördervolu men/Schluckvolumen stufenlos veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

- ein Sensor vorgesehen ist, der mit einer den Schwenkwinkel der Schwenkscheibe regelnden elektronischen Steuerungsein heit (12) verbunden ist, und
- das Servosystem (4) mittels eines elektrohydraulischen Wandlers (7) druckgesteuert ist.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Servosystem (4) einen Servozylinder mit Servokolben aufweist.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der aktuelle Schwenkwinkel der Schwenkscheibe durch einen Sensor (6) erfaßt wird.

4. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) ein Winkelsensor oder Positionssensor an der Schwenkscheibe ist.

5. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) ein Positionssensor am Servokolben des Servosystems (4) ist.

6. Steuerungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydromotor (2) mit einem ein Signal erzeugenden Drehzahlmesser (15) gekoppelt ist, welcher die aktuelle Drehzahl (n) des durch eine verstellbare Axialkolbenpumpe (1) gespeisten Hydromotors (2) erfaßt, wobei das Signal des Drehzahlsensors (6) der elektronischen Steuereinheit (12) zuführbar ist und die elek tronische Steuereinheit (12) die Schwenkwinkelregelung des Axialkolben pumpen-Schwenkwinkels (16) unter Berücksichtigung des Signals des Drehzahlsensors (15) durchführt.

7. Steuerungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Servosystem (4) durch zwei elektrisch betätigte Proportionaldruckminderventile (17) angesteuert ist.

8. Steuerungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Servosystem (4) durch zwei vorgesteuerte Proportionaldruckminderventile (18) angesteuert ist.

9. Steuerungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Servosystem (4) durch ein in beide Richtungen wirkendes Proportionaldruckminderventil angesteuert ist.

10. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionaldruckminderventil durch zwei einfachwirkende (8) oder einen doppelwirkenden elektrischen Aktuator betätigt wird.

11. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung einen Torquemotor (19) aufweist.

12. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung digitale Ventile (10) aufweist.

13. Verfahren zur stufenlosen Regelung des Volumenstromes von Hydromaschinen (1, 2), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei denen das Servosystem (4) mit der Schwenkscheibe der jeweiligen Hydro maschine (1, 2) verbunden ist, gekennzeichnet durch:

- Drucksteuern des Servosystems (4) mittels eines elektrohy draulischen Wandlers (25 oder 17),
- Zuführen eines Signales zu der Steuerungseinheit (12) von einem Sensor, und
- Regeln des Schwenkwinkels der Schwenkscheibe der jeweili gen Hydromaschine (1, 2) durch die elektronische Steue rungseinheit (12).