DE602004000544T2 - Verfahren zur Steuerung des Umschaltens eines Zweigeschwindigkeitsmotors - Google Patents

Verfahren zur Steuerung des Umschaltens eines Zweigeschwindigkeitsmotors Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drehfluiddruckvorrichtungen des Typs, in welchen ein Gerotorradsatz typischerweise als der Fluidverdrängungsmechanismus dient, und genauer bezieht sie sich auf derartige Vorrichtungen, die mit der Fähigkeit zu mehreren Drehzahlverhältnissen (Mehrfachverdrängung) versehen sind. Darüber hinaus bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes Verfahren zur Steuerung des Umschaltens (zwischen unterschiedlichen Drehzahlverhältnissen) einer derartigen Vorrichtung mit mehreren Drehzahlen.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung auf vorteilhafte Weise für Vorrichtungen verwendet werden kann, die über andere Fluidverdrängungsmechanismen als Gerotorradsätze verfügen (wie z.B. Radialkolben- und Nockenvorrichtungen), eignet sich die vorliegende Erfindung besonders für eine Verwendung mit Vorrichtungen, die Gerotorradsätze verwenden, weshalb sie in Zusammenhang damit beschrieben werden wird. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung besonders für solche Vorrichtungen geeignet, die während des größten Teils ihres Betriebszyklus als Motoren dienen, und die Erfindung wird im Zusammenhang damit beschrieben werden.
  • Motoren, die Gerotorradsätze benutzen, können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wobei eine der allgemeineren Anwendungen der Fahrzeugantrieb ist und wobei das Fahrzeug eine motorbetriebene Pumpe aufweist, die unter Druck stehendes Fluid zu einem Fahrzeughydraulik-Antriebskreis führt, und ein Paar Gerotormotoren einschließt, wobei jeder Motor (typischer-, jedoch nicht notwendigerweise) einem der Antriebsräder zugeordnet ist. Für den Fachmann versteht sich, dass viele Gerotormotoren einen Walzengerotorradsatz verwenden, und insbesondere in größeren Motortypen mit höheren Drehmomenten, die typischerweise in Antriebsanwendungen verwendet werden, und die nachfolgenden Bezüge auf einen "Gerotor" verstehen sich dahingehend, dass sowohl ein konventioneller Gerotor wie ein Walzengerotor eingeschlossen wird. Für die Zwecke dieser Erfindung kann der "Gerotor" entweder einen IGR (intern erzeugter Rotor) oder einen EGR (extern erzeugter Rotor) aufweisen, wobei beide Rotoren dem Fachmann inzwischen allgemein wohlbekannt sind.
  • Gerotormotoren mit mehreren Drehzahlen sind aus den US-Patentschriften 4 480 971, 6 068 460 und 6 099 280 bekannt, die alle auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen sind. Die Vorrichtung aus US-4 480 971 wird kommerziell weit verbreitet verwendet und verfügt über eine allgemein zufrieden stellende Leistungsfähigkeit, während in jüngerer Zeit die Vorrichtungen von US-6 068 460 und US-6 099 280 ebenfalls kommerziell benutzt werden. Wie für den Fachmann wohlbekannt kann ein Gerotormotor als eine Vorrichtung mit einem Mehrfach-Drehzahlverhältnis (Mehrfachverdrängung) betrieben werden, indem eine Ventilanordnung bereitgestellt wird, die auf effektive Weise Fluid zwischen sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Fluidvolumenkammern des Gerotorradsatzes "umwälzen" kann. Während der Einlassanschluss mit sämtlichen sich ausdehnenden Volumenkammern kommu niziert und alle sich zusammenziehenden Volumenkammern mit dem Auslassanschluss in Verbindung stehen, wird der Motor in dem normalen (LSHT)-Modus bzw. einem Modus mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment betrieben. Wenn ein Teil des Fluids von bestimmten der sich zusammenziehenden Volumenkammmern (die "Umwälz"-Kammern) zurück zu den sich ausdehnenden Volumenkammern umgewälzt wird, besteht die Folge in einem Betrieb in einem (HSLT)-Modus bzw. einem Modus mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment. Der HSLT-Modus erbringt das gleiche Resultat, wie wenn die Verdrängung des Gerotorradsatzes verringert werden würde, jedoch mit der gleichen Fluiddurchflussrate durch den Gerotor.
  • Die Gerotormotoren mit mehreren Drehzahlen, die gemäß den oben genannten Patenten angefertigt sind und kommerziell von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung vertrieben werden, arbeiten sowohl in dem LSHT- wie in dem HSLT-Modus äußerst zufriedenstellend. Allerdings ist beobachtet worden, dass wenn der Motor von einem Modus in den anderen Modus (und insbesondere von dem HSLT-Modus zu dem LSHT-Modus) umgeschaltet wird, unmittelbar dann eine Tendenz zum Auftreten einer Kavitation in dem Gerotorradsatz besteht, wenn ein Umschalten von einem Modus in den anderen auftritt. Während des Umschaltens von dem HSLT- in den LSHT-Modus erhöht sich die effektive "Verdrängung" des Motors, während die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Pumpendurchfluss mindestens kurzfristig allgemein konstant bleiben. Somit wird der Gerotorradsatz plötzlich auf eine Geschwindigkeit "verlagert", die einer momentanen Fluiddurchflussrate entspricht, welche höher als diejenige Rate ist, die die Pumpe unmittelbar bereitstellen kann.
  • Die Umwälzfluidvolumenkammern weisen die größte Tendenz zu einer Kavitation auf, da dort eine größere Restriktion in dem Umwälzströmungsweg als in den Strömungswegen von und zu denjenigen Volumenkammern vorliegt, die normal (ohne Umwälzung) betrieben werden. Wie für den Fachmann wohlbekannt bewirkt eine innerhalb eines Fluidverdrängungselements wie z.B. einem Gerotorradsatz auftretende Kavitation wesentliche unerwünschte Geräusche und kann schließlich auch zu einer Beschädigung des Verdrängungsmechanismus führen. Typischerweise hält die Kavitation an, bis das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit verlangsamt wird, bei der die Pumpenströmung die Drehzahl (Verlagerung) des Gerotorradsatzes in dem Motor "einholt".
  • Ein weiteres Problem, das in Verbindung mit dem Verfahren des Umschaltens (und wiederum insbesondere von dem HSLT-Modus in den LSHT-Modus) beobachtet worden ist, besteht darin, dass wenn das Umschalten an einem Fahrzeug zu schnell ausgeführt wird, beispielsweise bei einem Fahrzeug, das eine Ladung bewegt, eine Tendenz besteht, dass sich die Ladung aufgrund ihres Impulses selbst dann weiter bewegt, wenn sich das Fahrzeug verlangsamt. Somit besteht die potentielle Gefahr des Verlustes mindestens eines Teils der Ladung. Schließlich ist bei mehreren Gelegenheiten beobachtet worden, dass ein abruptes Verlangsamen des Fahrzeugs zu einem Schleudern des Fahrzeugs führt, was bei mehrfacher Wiederholung wiederum einen übermäßigen Reifenverschleiß bewirken kann.
  • Kurze Zusammenfassung der Erfindung
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer verbesserten fluiddruckbetätigten Vorrichtung mit einem Mehrfachdrehzahlverhältnisvermögen, bei der das Schalten von einem Modus in den anderen zu keiner wesentlichen Kavitation und Geräuschbildung führt.
  • Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Steuern des Schaltens einer fluiddruckbetätigten Vorrichtung mit mehreren Drehzahlverhältnissen, wobei das Schalten ohne irgendein wesentliches Auftreten der oben beschriebenen beim Stand der Technik bestehenden Probleme vollzogen wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Steuerung des Umschaltens einer fluiddruckbetätigten Vorrichtung mit mehreren Drehzahlverhältnissen, wobei jeder unterschiedliche Typ an Schaltvorgang auf eine Weise bewerkstelligt werden kann, die sich für diesen jeweiligen Umschaltvorgang am besten eignet.
  • Die obigen und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Steuerung des Umschaltens einer fluiddruckbetätigten Vorrichtung mit mehreren Drehzahlverhältnissen zwischen einem ersten Drehzahlverhältnis und einem zweiten Drehzahlverhältnis gelöst, wobei die Vorrichtung einen Fluiddruckverdrängungsmechanismus umfasst, der eine Mehrzahl von sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Fluidvolumenkammern ausbildet. Eine Motorventilanordnung ist betätigbar, um eine Fluidverbindung zu und von den Fluidvolumenkammern in dem ersten Drehzahlverhältnis herzustellen. Eine Schiebeventilanordnung ist zur Bewerkstelligung des ersten Drehzahlverhältnisses in einem ersten Zustand sowie in einem zweiten Zustand betätigbar, um das zweite Drehzahlverhältnis durch ein Miteinanderverbinden einer Mehrzahl der Volumenkammern als Umwälzvolumenkammern zu bewerkstelligen. Das Verfahren weist den Schritt des Umschaltens der Schiebeventilanordnung zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand in Ansprechen auf Änderungen in einem Pilotdrucksignal zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck auf.
  • Das verbesserte Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksteuerventil in Fluidverbindung mit einer Quelle von unter Druck stehendem Fluid bereitgestellt wird, wobei das Drucksteuerventil betätigbar ist, das Pilotdrucksignal zu der Schiebeventilanordnung in Ansprechen auf Änderungen eines elektrischen Befehlssignals zwischen einem ersten Signal und einem zweiten Signal zu übertragen. Wenn ein Umschalten in den zweiten Zustand befohlen wird, beinhaltet das Verfahren eine Veränderung des elektrischen Befehlssignals von dem ersten Signal zu dem zweiten Signal über einen ersten Zeitraum T1. Wenn ein Umschalten in den ersten Zustand befohlen wird, beinhaltet das Verfahren eine Veränderung des elektrischen Befehlssignals von dem zweiten Signal zu dem ersten Signal über einen zweiten Zeitraum T2 hinweg, wobei T2 größer als T1 ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Axialschnitt eines Gerotormotors mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment von dem Typ, für welchen das verbesserte Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
  • 2 ist ein Hydraulikschema des gesamten Steuersystems zum Schalten des in 1 illustrierten Gerotormotors.
  • 3 ist eine etwas schematische Ansicht, die den schaltbaren Gerotormotor illustriert, der das verbesserte Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung verwenden kann, wobei sich der Motor in dem LSHT-Modus befindet.
  • 4 ist eine etwas schematische Ansicht ähnlich wie 3, die den Gerotormotor in dem HSLT-Modus illustriert.
  • 5 ist ein Graph, der sowohl das Eingangssignal von dem Fahrzeugführer wie das Befehlssignal für das Drucksteuerventil gemäß dem verbesserten Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung illustriert, wobei beide Signale als eine Funktion der Zeit dargestellt sind.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Nun auf die Zeichnungen Bezug nehmend, welche die Erfindung nicht einzugrenzen beabsichtigen, illustriert 1 einen allgemein mit 10 bezeichneten Gerotormotor vom Ventil-in-Stern-("VIS")-Typ mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment (LSHT), der im Allgemeinen gemäß der auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragenen Patentschrift US-A-5 211 551 angefertigt ist. Im Einzelnen ist der in 1 dargestellte Gerotormotor 10 ein Motor mit mehreren Drehzahlverhältnissen, der gemäß den oben erwähnten US-Patentschriften 6 068 460 und 6 099 280 angefertigt ist. Allerdings versteht sich, dass sich die vorliegende Erfindung nicht auf einen VIS-Gerotormotor begrenzt, und wie im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" erwähnt begrenzt sich die Erfindung noch nicht einmal auf Vorrichtungen, die ausschließlich vom Gerotortyp sind, sondern sie wird lediglich durch das in den beiliegenden Ansprüchen spezifisch angeführte Maß begrenzt.
  • Der in 1 dargestellte VIS-Motor 10 umfasst eine Mehrzahl von Abschnitten, die z.B. durch eine Mehrzahl von Bolzen 11 aneinander befestigt werden, wobei in 1 nur ein Bolzen, in den 3 und 4 jedoch alle Bolzen dargestellt sind. Der Motor umfasst eine Endkappe 13, eine Abstandsplatte 15, eine Umschaltplatte 17 (die auch als eine "Auswahlplatte" bezeichnet werden kann), eine stationäre Ventilplatte 19, einen allgemein mit 21 bezeichneten Gerotorradsatz, eine Ausgleichsplatte 22 und ein vorderes Lagergehäuse 23, das eine Abtriebswelle 25 drehbar abstützt. Die Endkappe 13 bildet einen Fluideinlassanschluss 13a und einen Fluidauslassanschluss 13b aus (die einer vereinfachten Darstellung halber zwar in 1 nicht dargestellt sind, jedoch in den Schemata der 2, 3 und 4 gezeigt werden). Wie für den Fachmann auf dem Gebiet von Motoren wohlbekannt wird, wenn der Anschluss 13a zu dem Auslassanschluss und der Anschluss 13b zu dem Einlassanschluss wird, die Drehrichtung der Abtriebswelle 25 umgekehrt.
  • Der ebenfalls in den 3 und 4 gezeigte Gerotorradsatz 21 ist beim Stand der Technik wohlbekannt und wird in den oben erwähnten Patenten ausführlicher illustriert und beschrieben, weshalb er hier nur kurz erläutert werden wird. Der Gerotorradsatz 21 weist ein innenverzahntes Ringbauteil 27 auf, das eine Mehrzahl von allgemein halbzylindrischen Öffnungen ausbildet, wobei ein zylindrisches Walzenbauteil 29 in jeder der Öffnungen angeordnet ist und als die Innenzähne des Ringbauteils 27 fungiert. Innerhalb des Ringbauteils 27 ist exzentrisch ein außenverzahntes Sternbauteil 31 angeordnet, das typischerweise einen Außenzahn weniger als die Anzahl der Innenzähne oder Walzen 29 aufweist, wodurch es ermöglicht wird, dass das Sternbauteil 31 relativ zu dem Ringbauteil 27 umläuft und sich dreht. Die Umlauf- und Drehbewegung des Sterns 31 innerhalb des Rings 27 bildet eine Mehrzahl von Fluidvolumenkammern 33 aus, die zu jedem gegebenen Zeitpunkt jeweils entweder eine sich ausdehnende Fluidvolumenkammer 33E oder eine sich zusammenziehende Fluidvolumenkammer 33C ist. Wie für den Fachmann auf dem Gebiet von Gerotoren wohlbekannt befindet sich zu jedem gegebenen Zeitpunkt ebenfalls eine der Volumenkammern in einem Zustand eines "Übergangs" zwischen einem sich ausdehnenden und einem sich zusammenziehenden Zustand. In der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber liegen insgesamt neun Volumenkammern 33 vor.
  • Immer noch hauptsächlich auf 1 Bezug nehmend bildet der Stern 31 eine Mehrzahl von geraden Innenkeilzähnen aus, die mit einem Satz balliger Außenkeilzähne 35 in Eingriff stehen, welche um ein Ende einer Hauptantriebswelle 37 herum ausgebildet sind. An dem gegenüberliegenden Ende der Antriebswelle 37 ist ein weiterer Satz balliger Außenkeilzähne 39 angeordnet, der dazu ausgelegt ist, mit einer Mehrzahl von geraden Innenkeilzähnen, die durch die Abtriebswelle 25 ausgebildet sind, in Eingriff zu stehen.
  • Immer noch hauptsächlich auf 1, jedoch nun auch in Zusammenhang mit den 3 und 4 Bezug nehmend, wird das Sternbauteil 31 zusätzlich etwas ausführlicher beschrieben werden. In der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber weist der Stern 31 eine Baugruppe aus zwei getrennten Bereichen einschließlich eines Hauptsternbereichs 41, der die Außenzähne des Sterns beinhaltet, und eines Einsatzes bzw. Steckteils 43 auf. Der Hauptbereich 41 und der Einsatz 43 wirken zur Ausbildung der verschiedenen Fluidzonen, -durchläse und -anschlüsse zusammen, die in den oben genannten Patenten ausführlich beschrieben sind, weshalb sie hier nicht weiter ausführlich erörtert werden. Das Sternbauteil 31 bildet eine zentrale Verteilerzone 45 aus, die durch eine Endfläche 47 ausgebildet wird, welche in einem gleitenden Dichteingriff mit einer benachbarten Oberfläche 49 der stationären Ventilplatte 19 steht.
  • Die Endfläche 47 des Sterns 31 bildet einen Satz Fluidanschlüsse 51 aus, die jeweils mittels eines durch den Einsatz 43 ausgebildeten Fluiddurchlasses 53 mit der Verteilerzone 45 in kontinuierlicher Fluidverbindung stehen. Weiterhin bildet die Endfläche 47 einen Satz Fluidanschlüsse 55 auf, die alternierend zu den Fluidanschlüssen 51 angeordnet sind und wobei sich jeder der Fluidanschlüsse 55 radial nach ihnen erstreckt und sich zu einer (nur in 3 dargestellten) äußeren Verteilerzone 57 hin öffnet, welche die zentrale Verteilerzone 45 umgibt. Die stationäre Ventilplatte 19 legt eine Mehrzahl von stationären Ventildurchlässen 59 fest, wobei in 1 nur einer dieser Durchlässe dargestellt ist. Wenn das Sternbauteil 31 umläuft und sich dreht, tritt jeder der durch den Einsatz 43 ausgebildeten Fluidanschlüsse 51 und 55 in eine kommutierende Fluidverbindung mit jedem der stationären Ventildurchlässe 59, wodurch alternierend Hochdruckfluid zu jeder Volumenkammer 33 geführt wird, während diese eine sich ausdehnende Volumenkammer 33E ist, und anschließend wird Niederdruckfluid von jeder Volumenkammer 33 aufgenommen, während diese eine sich zusammenziehende Volumenkammer 33C ist. Die gerade beschriebene Ventilanordnung ist für den Fachmann auf dem Gebiet von Gerotormotoren wohlbekannt und sie ist ausführlicher in den oben genannten Patentschriften illustriert und beschrieben, wobei im folgenden und in den beiliegenden Ansprüchen auf diese Anordnung als die "Motorventilanordnung" Bezug genommen wird, d.h. diejenige Ventilanordnung, die den grundlegenden normalen Betrieb des Motors bewerkstelligt.
  • Nun hauptsächlich auf die 3 und 4, jedoch auch in gewissem Umfang auf die 1 und 2 Bezug nehmend, wird diejenige Anordnung, durch die der Motor 10 der vorliegenden Erfindung einen Betrieb mit mehreren Drehzahlverhältnissen bewerkstelligt, beschrieben werden. Der Motor 10 umfasst eine Schiebeventilspule 61 die wie in 2 schematisch dargestellt durch eine Druckfeder 63 zu einem ersten Zustand hin vorgespannt wird, der in 3 dargestellt ist und bei dem sich der Motor 10 in seinem normalen Betriebsmodus mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment befindet ("LSHT-Modus"). Wie schematisch in 2 dargestellt und wie in 1 ersichtlich, ist jede Volumenkammer des Motors, die im Umwälzbetrieb arbeiten soll (und die daher auch als eine "Umwälzvolumenkammer 33R" bezeichnet wird), durch ihren jeweiligen stationären Ventildurchlass 59 mittels eines Fluiddurchlasses 65 mit der Schiebeventilspule 61 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass in den 3 und 4 jeder "Durchlass" 65 schematisch tatsächlich als zwei getrennte Durchlässe erscheint, wobei ein Durchlass zwischen der Schiebeventilspule 61 und dem Sternanschluss (51 oder 55) und der andere Durchlass zwischen der Schiebeventilspule 61 und der Umwälzvolumen 33R vorliegt. Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Ansprüche wird jedoch jedes derartige "Paar" lediglich als "der Durchlass 65" beschrieben.
  • In dem LSHT-Modus von 3 befindet sich die Schiebeventilspule 61 in einer Position, die jeden der Durchlässe 65 von den anderen Durchlässen 65 und weiterhin jeden Fluiddurchlass 65 von einer "Quelle" von Umwälzfluid isoliert, wobei die Quelle allgemein mit "67" gekennzeichnet ist. Wie für den Fachmann auf dem Gebiet von Zweigeschwindigkeitsmotoren mittlerweile wohlbekannt kann die Quelle 67 einfach der Einlassanschluss 13a sein (siehe 3), und in dem Fall eines bidirektionalen Motors könnte die Quelle 67 auch mit dem anderen Anschluss 13b verbunden werden (wenn der Anschluss 13b als der Einlassanschluss fungiert). Somit wird eine gewisse Art von Wechselventilanordnung, die allgemein mit 69 gekennzeichnet ist, vorgesehen, sodass derjenige der Anschlüsse 13a oder 13b, der bei dem höheren Druck liegt, in Fluidverbindung mit dem Fluiddurchlass steht, der die Quelle 67 aufweist. Die mit der Quelle 67 und der Schiebeventilspule 61 in Verbindung stehenden strukturellen und betrieblichen Einzelheiten sind für den Fachmann mittlerweile wohlbekannt und für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, weshalb sie hier nicht weiter beschrieben werden.
  • Nun hauptsächlich auf die 2 und 4 Bezug nehmend kann die Schiebeventilspule 61 entgegengesetzt zu der Kraft der Druckfeder 63 durch ein Drucksignal 71 umgeschaltet werden, das von einer Quelle von unter Druck stehendem Fluid wie z.B. einer Systemladepumpe 73 übertragen wird. Der Fluidstrom von der Ladepumpe 73 zu der Schiebeventilspule 61 wird durch ein Druckminderungs-("Drucksteuer")-Ventil 75 gesteuert, dessen spezifische Konstruktion und betriebliche Einzelheiten für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich sind, und die, da sie jenseits des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen, hier nicht weiter beschrieben werden. Es ist ausreichend festzuhalten, dass das Druckminderungsventil 75 den als das Drucksignal 71 übertragenen Druck steuern kann, um die Schiebeventilspule 61 von der schematisch in 2 (und in 3) dargestellten Position zu der in 4 gezeigten Stellung zu verschieben. Die Position der Schiebeventilspule 61 beinhaltet in 4 einen zweiten Zustand, der einem Betriebsmodus des Motors 10 mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment entspricht ("HSLT-Modus"). In dem HSLT-Betriebsmodus befindet sich die Schiebeventilspule 61 in einer derartigen Position, dass jeder der Fluiddurchlässe 65 in offener Verbindung mit der Quelle 67 und somit in Verbindung mit jedem der anderen Durchlässe 65 steht. Wenn sich die drei Umwälzvolumen 33R ausdehnen und zusammenziehen, fließt das Fluid lediglich entlang den Volumenkammern 33R hin und her, sowie durch die Fluiddurchlässe 65 und die Quelle 67. Das bislang Beschriebene steht in kommerzieller Verwendung und ist daher mittlerweile allgemein wohlbekannt.
  • Nun hauptsächlich auf 2 in Zusammenhang mit 1 Bezug nehmend liegt in Fluidverbindung mit dem Ausgang der Ladepumpe 73 stehend eine Fluidleitung 81 vor, die in Verbindung mit dem Fluideinlass eines magnetbetätigten Steuerventils 83 steht. Das Steuerventil 83 wird durch eine Druckfeder 85 zu einem/einer "Normal"-Modus bzw. -Position ("N") hin vorgespannt, in dem/der das Steuerventil 83 eine Fluidleitung 89 mit einem Systemreservoir R verbindet. Das Steuerventil 83 kann von seinem in 2 dargestellten normalen Modus "N" durch einen elektromagnetischen Magnetabschnitt 87 zu einem/einer Schaltmodus bzw. -position ("S") auf eine Weise umgeschaltet werden, die im folgenden beschrieben werden wird. Befindet sich das Steuerventil 83 in dem Schaltmodus "S", wird unter Druck stehendes Fluid von der Fluidleitung 81 zu dem (ebenfalls in 1 dargestellten) Fluiddurchlass 89 übertragen, der mit dem Motor 10 an einer (lediglich in 1 gezeigten) Befestigung 91 in Fluidverbindung steht.
  • Nun auf die 1 und 2 Bezug nehmend ist ersichtlich, dass das vordere Lagergehäuse 23 eine ringförmige Kammer 93 ausbildet, und dass eine Mehrzahl von axialen Fluiddurchlässen 95 in einer offenen Verbindung mit der Kammer 93 steht, wobei jeder Umwälzvolumenkammer 33R einer der Durchlässe 95 zugeordnet ist. Somit liegen in der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber drei axiale Durchlässe 95 vor (was schematisch in 2 dargestellt ist). Es sollte sich verstehen, das für ein vollständiges Erreichen der Vorzüge der vorliegenden Erfindung der Fluiddurchlass 89 im Stande sein sollte, mit mindestens jeder der Umwälzvolumenkammern 33R zu kommunizieren, jedoch liegt die Möglichkeit, dass der Fluiddurchlass 89 mit allen Volumenkammern 33 (in dieser Ausführungsform mit allen neun Kammern) kommunizieren kann, ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
  • Vorzugsweise werden der Motor 10 und somit das in 2 dargestellte Steuersystem gemäß der Anmeldung US-SN. 10/282 633 vom 29.10.2002 für Michael W. Barto, Mark D. Schuster, John B. Heckel und Marvin L. Bernstrom mit dem Titel "Anti-Cavitation System For Two-Speed Motors" angefertigt, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist. Angesichts dieser Anmeldung werden bestimmte Aspekte des in 2 dargestellten Steuersystems hier nur kurz beschrieben werden, um den erforderlichen Hintergrund für die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu bilden.
  • Nun hauptsächlich auf 2 Bezug nehmend wird, wenn sich das Steuerventil 83 in dem Schaltmodus "S" befindet, unter Druck stehendes Fluid von der Ladepumpe 73 durch den Fluiddurchlass 89 übertragen, um das Fluid in mindestens den Umwälzvolumenkammern 33R (welche in 4 dargestellt sind) zu ergänzen. Somit strömt das unter Druck stehende Fluid in dem Durchlass 89 durch die ringförmige Kammer 93 und jeden der axialen Fluiddurchlässe 95, wodurch der jeweiligen umgewälzten Umwälzvolumenkammer 33R zusätzliches Fluid zugeführt wird. Das Steuerventil 83 befindet sich lediglich dann in dem Schaltmodus "S", wenn ein Bedarf besteht, dass Ergänzungsfluid zu diesen Fluidvolumenkammern, die die Umwälzvolumenkammern 33R waren; übertragen werden soll, bis der Motor von dem HSLT-Modus in den LSHT-Modus umgeschaltet wird.
  • Zur ausschließlichen Zufuhr des Ergänzungsfluids in demjenigen Fall, wenn dies wirklich erforderlich und nützlich ist, wird ein in 2 dargestellter Positionssensor 99 betriebsfähig mit der Schiebeventilspule 61 verbunden, der ein Signal 101 bereitstellt, welches als ein "Änderungserfassungs"-Signal bezeichnet werden kann, da es eine Änderung in dem Status bzw. der Richtung von dem LSHT-Modus zu dem HSLT-Modus (oder umgekehrt) anzeigt. Das Signal 101 wird zu einer Motorsteuerlogik übertragen, die in 2 schematisch dargestellt und mit 103 bezeichnet ist. Die Steuerlogik 103 empfängt das Änderungserfassungssignal 101, und wenn der Zustand des Signals 101 (z.B. Strom, Betriebsart usw.) angibt, dass die Schiebeventilspule 61 zwischen Modi schaltet (besonders wenn sie von dem HSLT- in den LSHT-Modus schaltet), überträgt die Steuerlogik 103 ein geeignetes Befehlssignal 105 zu dem Magnetabschnitt 87 des Steuerventils 83 und schaltet es von seinem normalen Modus "N" in seinen Schaltmodus "S" um. Somit befindet sich das Steuerventil 83 nur dann in dem Schaltmodus "S", wenn sich die Schiebeventilspule 61 zwischen den HSLT- und LSHT-Betriebsmodi verändert. Allerdings ist der Positionssensor 99 optional, und die Position der Umschaltspule 61 könnte auf der Basis der Kenntnis der Beziehung zwischen Kraft und Ablenkung der Druckfeder 63 sowie auf dem Umstand, dass das Pilotdrucksignal 71 "befohlen" und somit bekannt ist, bloß angenommen (berechnet) werden.
  • Immer noch auf 2 Bezug nehmend umfasst das dort dargestellte Steuersystem ein Umschaltmodul 107 einschließlich eines Umschalthebels 109, mittels dessen der Fahrzeugführer manuell zwischen dem LSHT-Modus (durchgezogene Linien in der Figur) und dem HSLT-Modus (gestrichelte Linien) auswählen kann. Die Stellung des Umschalthebels 109 bestimmt eine gewisse Charakteristik (z.B. Spannung, Strom oder relative Einschaltdauer usw.) eines elektrischen Eingangssignals 111, das von dem Umschaltmodul 107 zu der Motorsteuerlogik 103 übertragen wird. Wie am besten in 5 ersichtlich kann das allgemein mit 111 bezeichnete Eingangssignal entweder aus einem Signal 111A bestehen, durch welches befohlen wird, dass der Motor 10 von dem LSHT-Modus in den HSLT-Modus "hoch"-geschaltet wird, oder aus einem Signal 111B, durch welches angeordnet wird, dass der Motor von dem HSLT-Modus zurück in den LSHT-Modus "herunter"-geschaltet wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wann immer der Umschalthebel 109 von einem Modus (entweder LSHT oder HSLT) zu dem anderen Modus bewegt wird, die Veränderung in dem Eingangssignal 111 (von 111A und 111B, oder umgekehrt) auf geeignete Weise von der Motorsteuerlogik 103 registriert, die ein elektrisches Befehlssignal 113 erzeugt. Das Befehlssignal 113 wird zu einem Magnetabschnitt 115 des Druckminderungs-(Drucksteuer)-Ventils 75 übertragen. Für den Fachmann sollte sich verstehen, dass die strukturellen und betrieblichen Einzelheiten des Drucksteuerventils 75 keine wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung bilden. Statt dessen besteht die einzige Notwendigkeit darin, dass das Ventil 75 das Pilotdrucksignal 71 in Ansprechen auf Änderungen in dem elektrischen Eingangssignal 113 zwischen einem ersten Signal-"Pegel" (entsprechend dem Eingangssignal 111A) und einem zweiten Signal-"Pegel" (entsprechend dem Eingangssignal 111B) variieren kann, was nachfolgend ausführlicher illustriert und beschrieben werden wird.
  • In der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber umfasst die Motorsteuerlogik 103 einen mobilen Vickers-Verstärker mit der Bauteilenummer "731-F16 10 EN39". In dem Verstärker ist ein Mikrocontroller eingeschlossen, der von Microchip Technology kommerziell vertrieben wird und die Bezeichnung "PIC 16C711-I/P" aufweist. Die Software für eine Anpassung des Verstärkers an die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung muss natürlich spezifisch für die jeweilige Anwendung und das jeweilige Fahrzeug geschrieben werden, was nun ausführlicher beschrieben werden wird.
  • Im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung des Schaltsteuerverfahrens der vorliegenden Erfindung sollte sich verstehen, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Amplitude des in 5 allgemein mit 113 bezeichneten Befehlssignals im Wesentlichen proportional zu dem durch das Drucksteuerventil 75 übertragenen Pilotdrucksignal 71 ist. Eine derartige Proportionalität ist zwar kein wesent liches Merkmal der Erfindung, wird jedoch teilweise deshalb bevorzugt, um eine Visualisierung des Betriebs und der Auswirkung des Schaltsteuerverfahrens der Erfindung zu erleichtern.
  • Gemäß einem der Vorteile der Erfindung sei darauf hingewiesen, dass vorzugsweise die in der Motorsteuerlogik 103 integrierte Software bestimmte Werte einschließen würde, die entweder von einer Fahrzeuganwendung zu der nächsten variiert werden könnten (und als ein "konstanter Wert" eingestellt werden würden), oder die von der Logik während des Betriebs des Fahrzeugs (als ein "variabler Wert") ausgelesen werden würden. Ein Beispiel für einen "konstanten Wert" könnte das Fahrzeuggewicht oder ein bestimmter anderer von dem Abnehmer bevorzugter Betriebsparameter sein. Ein Beispiel für einen "variablen Wert" wäre die momentane Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Es wird davon ausgegangen, dass es sich für den Fachmann auf dem Gebiet von Fahrzeugen und Motoren mit mehreren Geschwindigkeiten versteht, dass ein Verfahren zur Steuerung des Umschaltens eines Motors mit mehreren Geschwindigkeiten derartige Faktoren und Parameter wie z.B. das Fahrzeuggewicht und die Fahrzeuggeschwindigkeit berücksichtigen sollte. Ebenfalls wird davon ausgegangen, dass es an Hand der vorliegenden Beschreibung im Vermögen des Fachmanns liegt, die diversen anderen Konstanten und Variablen für ein bestimmtes Fahrzeug, die in der Software der Steuerlogik 103 eingeschlossen werden sollten, auszuwählen, um ein optimales Schalten dieses jeweiligen Fahrzeugs zu bewerkstelligen.
  • Nun hauptsächlich auf 5 Bezug nehmend wird, wenn der Fahrzeugführer den Umschalthebel 109 von der in 2 dargestellten Position zu der HSLT-Position bewegt, das Eingangssignal 111A zu der Steuerlogik 103 übertragen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Eingangssignal 111A von der Steuerlogik 103 empfangen worden ist, das Befehlssignal von einem "Minimal"-Signal 113B zu einem "Startsignal" 113B verändert. Wie in 5 ersichtlich vollzieht sich die Änderung von dem Minimalsignal 113A zu dem Startsignal 113B ziemlich schnell, sodass nahezu unmittelbar das Drucksignal 71 auf einen Druck ansteigt, welcher der Kraft der Feder 63 in etwa entspricht oder leicht darunter liegt. Mit anderen Worten wird die Schiebeventilspule 61 schnell in einen Zustand gebracht, von dem aus unmittelbar das Schalten in den HSLT-Modus ausgelöst werden kann.
  • Anschließend variiert die Steuerlogik 103 das Befehlssignal 113 von dem Startsignal 113B zu einem "Maximal"-Signal 113C, das einem Maximaldrucksignal 71 entspricht und für eine vollständige Bewerkstelligung des Umschaltens des Motors 10 von dem LSHT-Modus zu dem HSLT-Modus erforderlich ist. In den beiliegenden Ansprüchen kann das Startsignal 113B das erwähnte "erste Signal" sein, während das Maximalsignal 113C das erwähnte "zweite Signal" ausbilden kann. Lediglich beispielshalber könnte das Drucksignal 71 nun auf ungefähr den "Lade"-Druck ansteigen, der in vielen Fahrzeugantriebssystemen in dem Bereich von etwa 400 psi bis zu etwa 500 psi liegen könnte. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet die Steuerlogik 103 die verschiedenen in die Software integrierten Variablen und Konstanten, um die Änderung des Drucksignals 71 und somit das Umschalten in den HSLT-Modus innerhalb desjenigen Zeitraums zu bewerkstelligen, der für die jeweilige Fahrzeuganwendung als optimal erachtet wird (in 5 als "T1" dargestellt). Obgleich in 5 der Übergang von dem Startsignal 113B zu dem Maximalsignal 113C (der als das "Auframpen" bezeichnet wird) als eine lineare Änderung dargestellt ist, versteht sich für den Fachmann, dass dies für die Erfindung nicht wesentlich ist und dass jede Art von nicht linearem oder teilweise linearem Übergang verwendet werden kann. Beispielsweise kann die "Verstärkung" des Übergangs aus Steuerungs- und Stabilitätsgründen halber langsam beginnen und sich dann zu dem Maximalsignal 113C hin beschleunigen.
  • Lediglich beispielshalber im Zusammenhang mit der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde die Steuerlogik 103 für eine Verwendung mit einem Zweigeschwindigkeitsmotor programmiert, der in einem Kompaktlader mit einem Gewicht von ungefähr 8000 pound installiert wurde. Die Zeit T1 für den Übergang von dem Startsignal 113B zu dem Maximalsignal 113C (von dem LSHT-Modus zu dem HSLT-Modus) wurde auf zwischen etwa 1,0 und etwa 1,5 s eingestellt.
  • Wenn zu einem gewissen Zeitpunkt während des Betriebs des Fahrzeugs der Fahrzeugführer bestimmt, dass ein Herunterschalten von dem HSLT-Modus zurück zu dem LSHT-Modus geeignet ist, bewegt der Fahrzeugführer den Umschalthebel 109 zurück zu der in 2 dargestellten LSHT-Position. Die Bewegung des Umschalthebels 109 führt dazu, dass sich das Eingangssignal von dem Signal 111A zurück in das Signal 111B verändert. In Ansprechen auf die Veränderung in dem Eingangssignal (von 111A zu 111B) verringert die Steuerlogik 103 das Befehlssignal rasch von dem Maximalsignal 113C zu einem "oberen" Signal 113D, das ausgewählt wird, um die wahrscheinliche Hysterese des Systems zu berücksichtigen und um die Schiebeventilspule 61 in einen Zustand zu bringen, in der sich die Spule zwar immer noch in dem Umwälzmodus befindet, jedoch gerade an dem Rückkehrpunkt zu der in 2 gezeigten Position. Es sollte sich verstehen, dass eine Reduzierung des Befehlssignals von dem Pegel des Maximalsignals 113C zu dem Pegel des oberen Signals 113D vor einer Durchführung des nächsten Steuerschritts für die Zwecke der vorliegenden Erfindung optional ist.
  • Nachdem das Drucksignal 71 auf einen Druck entsprechend dem oberen Signal 113D reduziert worden ist, verwendet die Steuerlogik 103 danach gemäß einem sehr wichtigen Aspekt der Erfindung die in die Software integrierten Variablen und Konstanten, um das Befehlssignal von dem oberen Signal 113D auf eine Weise zu einem "unteren" Signal 113E zu verändern, die für die jeweilige Fahrzeuganwendung optimal ist. In den beiliegenden Ansprüchen kann das obere Signal 113D das "zweite Signal" ausmachen, während das untere Signal 113E das erwähnte "erste Signal" (mit Bezug auf ein Schalten in den "ersten Zustand") bildet. Wie in 5 ersichtlich wird der Übergang (der als das "Abrampen" bezeichnet wird) von dem oberen Signal 113D zu dem unteren Signal 113E über einen Zeitraum T2 hinweg bewerkstelligt, der vorzugsweise größer als die Zeit T1 für das Auframpen ist. In der vorliegenden Ausführungsform und lediglich beispielshalber wurde die Zeit T2 für den Übergang (Abrampen) von dem oberen Signal 113D zu dem unteren Signal 113E (von dem HSLT-Modus zu dem LSHT-Modus) auf zwischen etwa 1,5 und etwa 3,0 s in der Steuerlogik 103 eingestellt, die beispielshalber in Verbindung mit dem oben erwähnten Kompaktlader verwendet wurde.
  • Aus 5 ist ersichtlich, dass das untere Signal 113E ungefähr dem Startsignal 113B entspricht (was ein Grund dafür ist, dass beide Signale in den beiliegenden Ansprüchen als das "erste Signal" bezeichnet werden können), und somit ist an dem Ende des Abrampens das Drucksignal 71 erneut ungefähr gleich wie (oder möglicherweise etwas geringer als) die Kraft der Feder 63, um die Rückstellung der Schiebeventilspule 61 auf die schematisch in 2 dargestellte Position sicherzustellen. Nachdem das Befehlssignal über die Zeit T2 für das Abrampen auf das untere Signal 113E verringert worden ist, kann es auf Wunsch rasch weiter hinab auf ungefähr den Pegel des Minimalsignals 113A reduziert werden, um sicherzustellen, dass die Schiebeventilspule 61 in der in 2 dargestellten nicht umgewälzten Position verbleibt.
  • Für den Fachmann auf dem Gebiet der Steuertechnik versteht sich, dass obgleich der Graph von 5 die Signale 111 und 113 bezüglich ihres Stroms darstellt, die verschiedenen oben beschriebenen Rampenvorgänge auch bezüglich ihrer Spannung quantifiziert werden könnten. Jedoch sind die Signale bezüglich ihres Stroms dargestellt worden, um den Bedarf nach einem Ausgleich von Systemvariablen wie z.B. der Temperatur der Spule in dem Magnetabschnitt 115 zu vermeiden.
  • Die Erfindung ist in der obigen Beschreibung ausführlich erläutert worden, und es wird davon ausgegangen, dass sich für den Fachmann an Hand dieser Beschreibung verschiedene Abänderungen und Modifikationen der Erfindung ergeben. Es ist beabsichtigt, dass sämtliche derartigen Abänderungen und Modifikationen in der Erfindung eingeschlossen sind, sofern sie in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Steuern des Schaltens einer fluiddruckbetätigten Vorrichtung (10) mit mehreren Drehzahlverhältnissen zwischen einem ersten Drehzahlverhältnis (3) und einem zweiten Drehzahlverhältnis (4), wobei die Vorrichtung (10) versehen ist mit einem Fluiddruckverdrängungsmechanismus (21), der eine Mehrzahl von sich ausdehnenden (33E) und sich zusammen ziehenden (33C) Fluidvolumenkammern bestimmt; einer Motorventilanordnung (19, 43), die betätigbar ist, um für eine Fluidverbindung zu und von den Fluidvolumenkammern in dem ersten Drehzahlverhältnis (3) zu sorgen, einer Schiebeventilanordnung (61), die betätigbar ist, um in einem ersten Zustand das erste Drehzahlverhältnis zu erreichen und in einem zweiten Zustand das zweite Drehzahlverhältnis (4) zu erreichen, in dem eine Mehrzahl von Volumenkammern als umwälzende Volumenkammern (33R) miteinander verbunden werden; wobei im Zuge des Verfahrens die Schiebeventilanordnung (61) in Ansprechen auf Änderungen eines Pilotdrucksignals (71) zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand verschoben wird; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass (a) ein Drucksteuerventil (75) in Fluidverbindung mit einer Quelle (73) von unter Druck stehendem Fluid bereitgestellt wird, wobei das Drucksteuerventil (75) betätigbar ist, um in Ansprechen auf Änderungen eines elektrischen Steuersignals (113) zwischen einem ersten Signal (113B) und einem zweiten Signal (113C) das Pilotdrucksignal (71) an die Schiebeventilanordnung (61) zu übermitteln; (b) wenn eine Verlagerung in den zweiten Zustand (4) angeordnet wird, das elektrische Befehlssignal (113) für eine bestimmte erste Zeitdauer (T1) von dem ersten Signal (113B) in das zweite Signal (113C) geändert wird; und (c) wenn eine Verlagerung zu dem ersten Zustand (3) angeordnet wird, das elektrische Befehlssignal (113) für eine zweite Zeitdauer (T2) von dem zweiten Signal (113D) zu dem ersten Signal (113E) geändert wird, wobei T2 größer als T1 ist.
  2. Verfahren zum Steuern des Schaltens einer fluiddruckbetätigten Vorrichtung (10) mit mehreren Drehzahlverhältnissen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehzahlverhältnis (3) einen Zustand mit niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment umfasst, welcher den ersten Zustand der Schiebeventilanordnung (61) entspricht, und wobei das zweite Drehzahlverhältnis (4) einen Zustand mit hoher Drehzahl und niedrigem Drehmoment umfasst, der dem zweiten Zustand der Schiebeventilanordnung (61) entspricht.
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