DE69520261T2

DE69520261T2 - Steuerung für hydraulische Pumpen mit variabler Fördermenge in hydrostatischen Antrieben mit geschlossenem Kreislauf für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE69520261T2
Application number: DE69520261T
Authority: DE
Inventors: Corrado Brevini; Maurizio Brevini
Original assignee: SAM Hydraulik SpA
Current assignee: SAM Hydraulik SpA
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-23
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2015-11-24
Also published as: ITRE940100A1; EP0716251A1; DE69520261D1; DK0716251T3; ITRE940100A0; IT1269663B; DE69520261T3; EP0716251B2; EP0716251B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für hydraulische Pumpen mit variabler Verdrängung in hydrostatischen Antrieben mit geschlossenem Kreislauf für Fahrzeuge.
Wie dies bekannt ist, ermöglicht es ein hydrostatisches Getriebe für Fahrzeuge, einen kontinuierlichen und stufenlos regelbaren Antrieb zwischen Primärmaschine (für gewöhnlich endotherm) und der Ausgangstriebachse des Antriebsmotors, namentlich eines hydrostatischen Motors mit fester und variabler Verdrängung, so zu erhalten, dass sich das ganze System wie ein hydrodynamischer Antrieb mit kontinuierlich und stufenlos verstellbaren Verhältnis verhält. Darüber hinaus steht bei einem hydrostatischen Getriebe für Kraftfahrzeuge das von der Pumpe mit variabler Verdrängung bestrichene Volumen in einem direkten Verhältnis zur Pumpenrotationsgeschwindigkeit und damit der Maschinenrotationsgeschwindigkeit, so dass bei einer niedrigen Rotationsgeschwindigkeit die Pumpenverdrängung nahezu null ist und somit das von der Pumpe absorbierte Drehmoment niedrig gehalten wird. Auf diese Weise kann die Maschine schnell ihre Rotationsgeschwindigkeit erhöhen, um höhere Leistungen zu erreichen. Schließlich bewirkt bei einem hydrostatischen Getriebe für Fahrzeuge der belastungsinduzierte Druck eine Verringerung der Pumpenverdrängung, die umgekehrt proportional zu diesem Druck ist, so dass die Maschine keine Überlastung erfährt, die bei einem hohen Arbeitsdruck auftreten würde, und sie kann regelmäßig auch mit ziemlich hohen Arbeitsdruckwerten arbeiten.
Die traditionellen hydrostatischen Antriebe für Kraftfahrzeuge sind durch das Fehlen einer Bremswirkung während der Fahrzeugabbremsung gekennzeichnet, weswegen eine häufige Verwendung der mechanischen Bremsen oder das Vorhandensein eines geeigneten Regelventils für die hydraulische Strömung erforderlich ist, das vom hydraulischen Druck des Bremskreislaufs gesteuert wird, was eine Überhitzung und einen Verschleiß der Komponenten des Bremssystems hervorruft. Auch benötigen die bekannten hydrostatischen Getriebe für Automobile hohe Maschinenrotationsgeschwindigkeiten, wodurch keine reibungslose Kontrolle der übertragenen Energie ermöglicht wird und die Maschine auf einer Rotationsgeschwindigkeit mit hohem spezifischen Brennstoffverbrauch gehalten wird. Schließlich ermöglichen die erwähnten Getriebe für gewöhnlich kein feines Erfühlen der hebelbetätigten Drosselfunktion, was zu ruckartigen Arbeiten der Steuerung führt, wobei die Steuerung des durch das Getriebe absorbierten Drehmoments aufgrund der mechanischen Steuerhysterese, deren Größe hauptsächlich zufallsbedingt ist, ebenfalls kaum reproduzierbar ist.
Die DE-C-43 19 280 offenbart eine Steuerung für hydraulische Pumpen mit variabler Verdrängung in hydrostatischen Antrieben mit geschlossenem Kreislauf für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das technische Ziel dieser Erfindung ist es, eine Pumpensteuerung anzugeben, die die Nachteile der herkömmlichen Steuerungen vermeidet.
Dieser Zweck wird durch Verwendung einer Pumpensteuerung für Fahrzeuge gemäß Anspruch 1 angestrebt.
Mehr Details sind aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, welche ein Beispiel eines Systemaufbaus veranschaulicht:
Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Aufbau der erfindungsgemäßen Steuerung.
Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung des Strömungsregulierungsventils.
Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung des Druckminderventils mit fester Einstellung.
Fig. 4 zeigt eine Schnittzeichnung des Druckminderventils mit hebelbetätigter Einstellung.
Fig. 5 zeigt eine Schnittzeichnung des die Belastung erfassenden Spulenventils.
Fig. 6 zeigt eine Schnittzeichnung des Doppelrückschlagventils.
In Fig. 1 ist folgendes gezeigt: das Strömungsregulierungsventil 1, das Druckminderventil mit fester Einstellung 2, das Druckminderventil mit hebelbetätigter Einstellung 3, das die Belastung erfassende Spulenventil 4, das Doppelrückschlagventil 5, die Hilfspumpe 10, der hydraulische proportionale, mechanisch rückgekoppelte Servoantrieb 23, die elektrisch betätigten Wegeventile 74 mit drei Wegen und zwei Positionen.
In Fig. 2 ist folgendes gezeigt: das Strömungregulierungsventil 1, das von einem Verschluss 6 gebildet wird, der in eine Laufbuchse 7 hinein bewegbar ist, die auf einer ihrer Seiten durch einen Abstandshalter 8 verschlossen ist. Auf dem Abstandshalter 8 ist ein Sitz für ein Differentialbereich- Sicherheitsventil ausgebildet, welches die Fördermenge der Hilfspumpe (in Fig. 1 mit 10 gekennzeichnet) steuert. Der Verschluß 6 wird durch die Feder 11, welche auf die Federhalterung 12 aufgepasst ist, auf den Sitz 9 gedrückt. Die Position der Federhalterung 12 ist durch Einwirken auf Einstellschraube 13, die auf die Abdeckung 14 aufgepasst ist, einstellbar. Das Strömungsregulierungsventil wird durch die über die Hilfspumpe erzeugte Strömung betätigt, welche eine kalibrierte Öffnung 15 so kreuzt, dass sie einen Druckverlust proportional zur Pumpenströmung und damit zur Pumpenrotationsgeschwindigkeit erzeugt.
In Fig. 3 ist folgendes gezeigt: das Druckminderventil 2 mit fester Einstellung, das von einer Spule 16 mit einer Laufbuchse 17 gebildet wird, deren eines Ende axial zwischen der Schulter 18 der Spule 16 und dem Federring 19 in Position gehalten wird. Die Spule 16 kann sich innerhalb des kurzen Rohrs 20 bewegen. Innerhalb der Laufbuchse sind zwei koaxiale zylindrische Sitze 21, 22 ausgebildet, die durch die Schulter 23 getrennt sind. Das kurze Rohr 20 zeigt drei radiale Hohlräume 24, 25, 26. Die Spule 16, die Laufbuchse 17 und das kurze Rohr 20 begrenzen Hohlräume, welche näherungsweise ringförmig 27, 28, 29, 30, 31 sind. Diese Hohlräume befinden sich jeweils: bei dem nach der kalibrierten Öffnung befindlichen Druck; beim Rücklaufleitungsdruck; bei dem zur Rotationsgeschwindigkeit proportionalen Druck; bei dem nach der kalibrierten Öffnung bestehenden Druck; bei dem vor der kalibrierten Öffnung befindlichen Druck. Der Hohlraum 27 wird auf einer Seite von der Abdeckung 32 verschlossen, wohingegen der Hohlraum 31 auf einer Seite durch den Stopfen 33 verschlossen wird. Die Spule 16 wird durch die Feder 34, die sich innerhalb des Hohlraums 31 befindet und auf die Federhalterung 35 aufgepasst ist, gedrückt. Die Einstellung der Federhalterung erfolgt über die Einstellschraube 36, welche auf den Stopfen 33 aufgepasst ist. Alle verschiedenen Drücke auf Hohlräume 27, 28, 29, 30, 31 wirken auf die Spule 16 und die Laufbuchse 17. Dies erzeugt in Kombination mit der durch die Feder 34 erzeugten Kraft einen Druck innerhalb des Hohlraums 29, der proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe ist, so dass das Druckminderventil 2 mit fester Einstellung durch den Druckabfall reguliert wird, welcher durch das Strömungsregulierungsventil 1 erzeugt wird, wobei der Druckabfall proportional zur Rotationsgeschwindigkeit ist.
In Fig. 4 ist folgendes dargestellt: das Druckminderventil mit hebelbetätigter variabler Einstellung 3, das von einer Spule 37 gebildet wird, die in eine Laufbuchse 38 hinein beweglich ist. Die Spule 37 wird durch die Feder 39 gedrückt, welche auf die Federhalterung 40 aufgepasst ist, und wird auch durch die Feder 41 gedrückt, die auf die Federhalterung 42 aufgepasst ist. Die Feder 41 ist auch auf die Federhalterung 42 aufgepasst, deren Position durch Einwirken auf die Einstellschraube 44, welche auf den Kolben 45 aufgepasst ist, eingestellt werden kann. Der Kolben 45 wird über den exzentrischen Stift 46 des Schaftes 47 bewegt, welcher von einem externen Hebel betätigt wird. Der Kolben 45 und der externe Hebel werden durch die Kraft der Sicherungsschraube 48 in der Ruheposition angeordnet. Die Spule 37 und die Laufbuchse 38 begrenzen näherungsweise ringförmige Hohlräume 49, 50 und 51, die jeweils wie folgt gelegen sind: beim modulierten Druck, der von dem Druckminderventil 3 mit hebelbetätiger Einstellung erzeugt wird; bei einem Druck, der proportional zur Pumpenrotationsgeschwindigkeit ist und der vom Druckminderventil 2 mit fester Einstellung erzeugt wird beim Rückleitungsdruck. Das Druckminderventil 3 mit hebelbetätigter Einstellung wirkt als Druckminderventil mit hebelgesteuerter Einstellung, wobei es eine Sicherungsfeder aufweist, deren Kraft, die proportional zum Ventileinstelldruck ist, durch Einwirken auf die Schraube 44 einstellbar ist.
In Fig. 5 ist folgendes dargestellt: ein die Belastung erfassendes Spulenventil 4, das von einer Spule 52 gebildet wird, die sich in das Ventilgehäuse 53 bewegen kann. Die Spule wird durch den Führungskolben 54 und die Einstellfeder 55, die auf die Federhalterung 56 aufgepasst ist und durch Einwirken auf die Schraube 57, welche auf die Abdeckung 58 aufgepasst ist, einstellbar ist, gedrückt. Der Führungskolben 54 ist in eine Führungslaufbuchse 59 hinein beweglich, welche auf einer Seite durch die Abdeckung 60 verschlossen ist. Die Spule 52, das Ventilgehäuse 53, die Abdeckung 58, der Führungskolben 54 und die Führungslaufbuchse 59 begrenzen näherungsweise ringförmige Hohlräume (61, 62, 63, 64 und 65) und befinden sich jeweils an folgenden Stellen: beim modulierten Druck, der vom Druckminderventil 3 mit hebelbetätiger Einstellung erzeugt wird; beim Rückleitungsdruck; beim modulierten Druck, der von dem die Belastung erfassenden Spulenventil 4 erzeugt wird; beim Druck nach der kalibrierten Öffnung 15, beim modulierte Druck, der von dem die Belastung erfassenden Spulenventil 4 erzeugt wird. Beim freien Ende des Führungskolbens 54 wirkt der durch Belastung induzierte Druck, der am größten zwischen den beiden Drücken ist, die in den Verbindungsleitungen von der variablen Pumpe zum hydrostatischen Motor vorhanden sind, in den Hohlraum 66 der Führungslaufbuchse 59. Das vorstehend beschriebene, die Belastung erfassende Spulenventil 4 ermöglicht es, einen modulierten Druck zu erzeugen, der umgekehrt proportional zu dem durch die Belastung induzierten Druck ist, jedoch direkt proportional zur Pumpenrotationsgeschwindigkeit. Darüber hinaus hängt der Wert des modulierten Druckes von der durch die Schraube 57 geregelten Einstellung ab. Der modulierte Durck wirkt auf den hydraulischen proportionalen Servoantrieb 73, der mechanisch in die Position der variablen Pumpe rückgekoppelt wird, und wird von den elektrisch betätigten Wegeventilen 74 mit drei Wegen und zwei Positionen gesteuert, welche die Bewegngsrichtung wählen, oder, wahlweise, durch ein elektrisch gesteuertes Wegeventil mit vier Wegen und drei Positionen. Der hydraulische proportionale Servoantrieb 73 mit mechanischer Rückkoppung in Position variiert die Pumpenverdrängung so, dass die Pumpenverdrängung direkt proportional zum modulierten Druck ist, welcher von dem die Belastung erfassenden Spulenventil 4 erzeugt wird. Die variable Pumpenverdrängung ist auf diese Weise direkt proportional zur Pumpenrotationsgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zu dem belastungsinduzierten Druck.
In Fig. 6 ist folgendes dargestellt: das Doppelrückschlagventil 5, das von einer Kugel 67 gebildet wird, die von dem durch die Belastung induzierten Druck in Abhängigkeit davon, welcher dieser beiden Drücke, die in den Verbindungsleitungen zwischen der variablen Pumpe und dem hydrostatischen Motor vorhanden sind, am höchsten ist, gegen den Sitz 68 oder den Sitz 69 gedrückt wird. In den Hohlräumen (70 und 71) herrschen jeweils die beiden verschiedenen Drücke vor, die in den Verbindungleitungen herrschen: Auf diese Weise befindet sich das Loch 72 am höchsten der beiden Drücke, welcher der durch die Belastung induzierte Druck ist.
Wie dies festzustellen ist, erreicht die Erfindung vollständig das Ziel. Insbesondere schwenkt die variable Pumpe, da der belastungsinduzierte Druck auch während der Abbremsung des Fahrzeugs wirkt, da er der erwähnte Druck ist, der durch den hydrostatischen Motor erzeugt wird, wenn er gebremst wird, gegen die minimale Verdrängung, wodurch die Maschine bei hoher Rotationwgeschwindigkeit gebremst wird: Dies bewirkt eine effektive Bremswirkung, wobei keine Notwendigkeit für das Vorhandensein von Strömungsregulierungsventilen auf dem Bremskreis besteht, wodurch ein Überhitzen und Verschleiß der mechanischen Bremselemente vermieden wird. Die bekannten hydrostatischen Antriebe für Fahrzeuge verhalten sich genau umgekehrt, was bedeutet, dass bei einem solchen Getriebe die variable Pumpe während der Abbremsung des Fahrzeugs gegen ihre maximale Verdrängung drängt, wodurch die Maschine bei geringer Rotationsgeschwindigkeit gebremst wird, was eine kaum effektive Bremswirkung bewirkt. Die Erfindung ermöglichst es auch, das höchste Ausgangsdrehmoment der Maschine im mittleren Rotationsgeschwindigkeitsbereich zu erreichen, der dem maximalen Ausgangsdrehmoment und dem Rotationsgeschwindigkeitsbereich mit minimalem spezifischen Brennstoffverbrauch entspricht. Dies wird durch die besondere Einstellung des Druckminderventils ermöglicht, die es erlaubt, hochmodulierte Druckwerte sogar mit niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten zu erreichen. Das Druckminderventil 3 mit hebelbetätigter Einstellung wirkt darauf hin, den modulierten Druck bei einem maximalen Wert zu halten, der dem maximalen Ausgangsdrehmoment der Primärmaschine entspricht, wodurch eine Überlastung aufgrund der höchsten Rotationsgeschwindigkeiten vermieden wird. Auf diese Weise wird die Maschine sogar bei mittleren Rotationsgeschwindigkeiten am maximalen Ausgangsdrehmoment genutzt, so dass der Brennstoffverbrauch verringert wird und eine glattere Steuerung ermöglicht wird. Darüber hinaus ermöglicht das vorstehend beschriebene System eine perfekte Steuerung der Drosselfunktion des modulierten Drucks: Dies ist während der Bewegungen des Fahrzeugs mit geringer Geschwindigkeit ratsam, oder dann, wenn es notwendig ist, einen Teil der Ausgangsleistung der Maschine dazu zu verwenden, andere Vorrichtungen zu betreiben oder das Fahrzeug schnell anzuhalten. Ein solches Ergebnis wird aufgrund der Verwendung des Druckminderventils 3 mit hebelbetätigter Einstellung erreicht, das grundsätzlich ein Druckminderventil ist; Auf diese Weise wird der Wert des modulierten Druckes einfach durch die Winkelposition des Steuerhebels bestimmt, und umgekehrt ermöglicht die Hebelposition eine direkte, wiederholbare und glatte Steuerung der Werte des modulierten Druckes. In bekannten hydrostatischen Antrieben für Fahrzeuge wird die Drosselfunktion dadurch erreicht, dass wahlweise Einstellvariationsvorrichtungen für das Druckminderventil 2 oder variable Membranventile eingesetzt werden, bei denen die modulierten Druckwerte durch Variation des Querschnitts einer Öffnung gesteuert werden: In diesem Fall wird die Ventileinstellung durch die Fluidviskosität beeinflusst, und somit durch die Fluidtemperatur, was zu einer kaum glatten und/oder wiederholbaren Arbeitsweise der Drosselfunktion führt. Die Erfindung erlaubt durch ein externes Druckminderventil auch eine variable Pumpensteuerfunktion, was eine proportionale hydraulische Fernsteuerung des hydrostatischen Leistungsantriebs ermöglicht: beispielsweise über ein hydraulisches proportionales Joystick oder mit einem Druckminderventil, das auf dem Steuerfeld des Fahrzeugs angeordnet ist. Auf die gleiche Weise ist es möglich, den hydrostatischen Leistungsantrieb unter Einsatz eines elektrisch betätigten Druckminderventils zu steuern, welches auf der variablen Pumpe oder, wahlweise, in Reihe auf den Hydraulikkreislauf-Verbindungen angebracht ist: In diesem Fall wird die Steuerung über elektrische Drähte fernbetätigt, was kennzeichnend ist für ein Potentiometer oder eine elektronische Joystick-Steuerung oder auch eine Fernsteuerung. Darüber hinaus arbeitet das beschriebene Steuersystem praktisch unbeeinflusst von der mechanischen Hysterese, die in der Steuervorrichtung für variable Pumpenverdrängung vorhanden ist: Dies rührt daher, dass ihre spezielle Ausgestaltung charakteristisch für einen hydraulischen proportionalen Servoantrieb ist, der mechanisch in Position rückgekoppelt wird, was es ermöglicht, die mechanischen Reibungseffekte auf die Variationen der Pumpenverdrängung stark zu verringern. Schließlich kann diese Vorrichtung als Druckabschlußventil ausgebildet werden, das die Pumpenverdrängung verringern kann, wenn der Arbeitsdruck der Pumpe einen vorgegebenen Wert überschreitet, um zu vermeiden, dass die spezifische Förderarbeit durch die Antistoßventile abgeleitet wird, wodurch der Brennstoffbedarf und die Arbeitsfluidtemperatur verringert werden.

Claims

1. Steuerung für hydraulische Pumpen mit variabler Verdrängung in hydrostatischen Antrieben mit geschlossenem Kreislauf für Fahrzeuge, aufweisend:

eine Pumpe mit variabler Verdrängung, die dafür ausgelegt ist, durch Verbindungsleitungen mit einem hydrostatischen Motor verbunden zu werden;

eine Hilfspumpe (10), die mit einem Strömungsregulierungsventil (1) und einem Druckminderventil mit fester Einstellung (2) verbunden ist;

ein Druckminderventil mit einer hebelbetätigten variablen Einstellung (3), das mit einem die Belastung erfassenden Spulenventil (4) verbunden ist;

einen proportionalen hydraulischen Servoantrieb (73) mit Positionierungssystem mit mechanischer Rückkopplung, der mit der Pumpe mit variabler Verdrängung verbunden ist und dafür ausgelegt ist, Wegeventile (74) anzutreiben;

ein Doppelrückschlagventil (5), das mit der Pumpe mit variabler Verdrängung verbunden ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das die Belastung erfassende Spulenventil (4) so ausgelegt ist, daß es einen modulierten Druck erzeugt, der umgekehrt proportional zu einem durch Belastung hervorgerufenen Druck ist und direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe mit variabler Verdrängung ist, wobei die variable Verdrängung der Pumpe mit variabler Verdrängung direkt proportional zum modulierten Druck ist und auf den Servoantrieb (73) wirkt, der wiederum die Pumpenverdrängung ändert.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Belastung erfassende Spulenventil (4) eine Spule (52) aufweist, die in ein Ventilgehäuse (53) hinein bewegbar ist und von einem Antriebskolben (54) und einer Einstellfeder (55) geschoben wird.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der modulierte Druck auf den proportionalen hydraulischen Servoantrieb (73) mit Positionierungssystem mit mechanischer Rückkopplung ausgeübt wird.

4. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der modulierte Druck von den Wegeventilen (74) gesteuert wird.

5. Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der modulierte Druck von einem elektrisch betätigten Wegeventil (74) mit drei Wegen und zwei Positionen gesteuert wird.

6. Steuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der modulierte Druck von einem elektrisch betätigten Wegeventil mit vier Wegen und drei Positionen gesteuert wird.

7. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsregulierungsventil (1) einen Verschluß (6) aufweist, der in eine Laufbuchse (7) hinein bewegbar ist, wobei das Strömungsregulierungsventil durch die Hilfspumpe (10) durch eine kalibrierte Öffnung (15) versorgt wird, wobei ein Druckabfall proportional zur Rotationsgeschwindigkeit der variablen Pumpe herbeigeführt wird.

8. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckminderventil mit fester Einstellung (2) eine Spule (16) aufweist, welche innerhalb eines kurzen Rohrs (20) bewegbar ist, das an einem seiner Enden mit einer Laufbuchse (17) versehen ist, wobei das kurze Rohr (20) mit drei radialen Hohlräumen (24, 25, 26) ausgestattet ist, wobei ein zur Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe mit variabler Verdrängung proportionaler Druck erzeugt wird.

9. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckminderventil mit durch Hebel betätigbarer Einstellung (73) eine Spule (37) aufweist, die in eine Laufbuchse (38) hinein bewegbar ist und von einer Feder (41) gedrückt wird, die auf einen Federhalter (42) aufgepaßt ist, wobei die Position des Federhalters (42) mittels einer Einstellschraube (44) einstellbar ist, welche auf einem Federschubkolben (45) angeordnet ist, welcher durch einen exzentrischen Stift (46) axial bewegt wird, der wiederum durch den Hebel betätigt wird.

10. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelrückschlagventil (5) eine Kugel (67) aufweist, die durch den durch die Belastung hervorgerufenen Druck in Abhängigkeit davon, auf welcher der Verbindungsleitungen zwischen der Pumpe mit variabler Verdrängung und dem Motor der höchste Druck anliegt, zu zwei verschiedenen Sitzen (68, 69) hin gedrückt wird, wobei der höchste Druck durch die Verbindungsleitung durch eine Öffnung zugeführt wird.

11. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Druckminderventil für den externen Druck aufweist, das dafür ausgelegt ist, die Pumpe mit variabler Verdrängung proportional fernzusteuern.

12. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch betätigtes Druckminderventil auf der Pumpe mit variabler Verdrängung angebracht ist.