EP1065379A2 - Elektrohydraulische Druckversorgung mit verstellbarer Pumpe und regelbarem elektrischem Antrieb - Google Patents

Elektrohydraulische Druckversorgung mit verstellbarer Pumpe und regelbarem elektrischem Antrieb Download PDF

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EP1065379A2
EP1065379A2 EP00110414A EP00110414A EP1065379A2 EP 1065379 A2 EP1065379 A2 EP 1065379A2 EP 00110414 A EP00110414 A EP 00110414A EP 00110414 A EP00110414 A EP 00110414A EP 1065379 A2 EP1065379 A2 EP 1065379A2
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EP
European Patent Office
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pump
adjustment
pressure
speed
control
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EP00110414A
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English (en)
French (fr)
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EP1065379A3 (de
EP1065379B1 (de
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Reinhard Dr. Orthmann
Michael Dr. Jürging
Gerald Dr. Bolz
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Publication of EP1065379A3 publication Critical patent/EP1065379A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/07—Pressure difference over the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/09—Flow through the pump

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of the independent claim.
  • Electrohydraulic pressure supplies have found a variety of applications. They are used in electrohydraulic control devices, in hydraulic ones Lifting and lowering loads, when operating hydraulic actuators and not most recently in automotive hydraulics. In automotive hydraulics have electro-hydraulic Pressure supplies e.g. Used in power steering and in electro-hydraulic actuated actuators. To control the volume flow delivered by the hydraulic pump So far, three different principles have been followed.
  • the delivery rate is one with an electric motor driven hydraulic pump controlled by regulating the speed of the electric motor becomes.
  • the electric motor is operatively connected to the hydraulic pump and the volume flow delivered by the hydraulic pump depends on the speed of the electric drive motor.
  • the hydraulic pump itself has except through the Speed of the drive via no control systems with which the delivered volume flow can be influenced.
  • the drive motor must be able to both Process large volume flows with small load side system pressures as well small volume flows with high load-side system pressures.
  • the volume flow promoted is proportional to the speed of the drive motor, while the load-side system pressure is proportional the torque applied by the engine. This leads to the drive motors in these electrohydraulic systems both on high speed and on a high torque must be designed. This makes the electric drive motors complex and expensive.
  • electro-hydraulic systems have been proposed in which the electric drive is operated at constant speed. This enables the optimization of the electric motor towards a speed. Because the electric motor is the most complex component of electrohydraulic Systems can be optimized by optimizing the electric motor constant speed towards cost advantages.
  • the required volume flow of the hydraulic pump is set by regulating a by-pass valve. This principle of regulation assumes that the pump constantly delivers at least the set volume flow. Since the Target volume flow must also be made available if there is no hydraulic power these systems have a relatively high unused power loss.
  • the power that can be drawn from the electrical system is electrical Pump drive limited. That is why higher performance is required for hydraulic pumps mechanical drives used e.g. via a belt drive or chain drive to the Internal combustion engine of the motor vehicle are coupled. The drive speed of the pump is thereby coupled to the speed of the internal combustion engine and not controllable independently.
  • the volume flow delivered is regulated by means of an adjustment of the swallowing volume of the connected hydrate pump. Depending on one System pressure controls the absorption volume of the pump.
  • a disadvantage of these Systems is that the volume flow conveyed depends on the speed of the internal combustion engine depends. Because the necessary system pressure even at low engine speeds In these systems, pumps must be provided relatively large maximum swallowing volume can be used.
  • the internal combustion engine must have the swallowing volume as small as possible can be set, otherwise the system pressure will rise to unpredictably high values would. Therefore, in these systems, the swallowing volume of the pump must be over one relatively large range adjustable, resulting in large mechanical designs for the variable displacement pumps leads.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrohydraulic pressure supply with an adjustable one Specify pump and variable speed drive, which is both optimization of the electric drive as well as the optimization of the adjustable pump with regard to Allows minimizing the necessary component sizes.
  • the invention consists in the interaction of two independently adjustable Energy converter and that through a speed-adjustable electric motor, which is a variable displacement pump drives and a variable displacement pump with variable absorption volume.
  • the electric motor converts electrical power consisting of voltage U and current I (lossy) into mechanical Power in speed n and torque T um.
  • the pump is changing (also lossy) convert this mechanical power into hydraulic power.
  • the hydraulic Power is determined by the pressure difference ⁇ p and the volume flow Q. Die Pressure difference ⁇ p is usually impressed on the system by the consumer.
  • the volume flow Q results from the swallowing volume and the engine speed n.
  • the torque T that the motor has to apply results from the swallowing volume V and Pressure difference ⁇ p.
  • the swallowing volume V determines the distribution of the power to the engine speed n and the torque T.
  • the current I flowing in the electric motor is predominantly by determines the torque T, the voltage U is mainly determined by the engine speed n influenced. Size and electrical losses in the electric motor are essentially determined by the maximum torque T required by the motor, ie by the current I.
  • the conveyed volume flow of the electrohydraulic pressure supply is in the essentially set via the speed adjustment of the regulated electric motor.
  • the speed of the electric drive motor is largely independent of that Adjustable pump suction volume. Largely independent means that for the Setting the speed and the swallowing volume only the specified time currently required target volume flows and reference pressures must be observed.
  • the speed of the drive motor can be completely independent within these two system specifications of the displacement volume of the variable pump. This allows the Displacement volume adjustment of the variable pump can be pressure controlled and by the Adjustment of the swallowing volume changed delivery capacity of the pump by the independent Speed control of the electric motor can be compensated.
  • the acquisition of the volume flow can both directly via a volume flow measuring device and indirectly from the reaction of the working machine, e.g. from the travel range of the connected Actuator. This makes it possible to use the variable displacement pump as a device for influencing the torque e.g. to operate as a torque controller for the electric motor.
  • the hydraulic power is determined by the pressure difference ⁇ p and the volume flow Q.
  • the volume flow Q is influenced by the engine speed n of the engine and by the displacement volume V of the variable pump.
  • the combination delivers a variable speed drive motor with a variable displacement pump V two degrees of freedom to influence hydraulic performance. This enables with Advantage, the power consumption by the electric motor to the required hydraulic Adapt performance. The destruction of work done in by-pass lines thereby advantageously avoided.
  • Another advantage of the combination according to the invention is the fact that the required Differential pressure ⁇ p largely independent of the torque T of the electric motor can be.
  • the speed n together with the set swallowing volume V of the variable pump influences the differential pressure ⁇ p.
  • This is used to advantage to limit the maximum torque T that the electric motor must provide. It is more advantageous to have an electric motor with high speed and low torque run to deliver the same power as a low speed electric motor and let great torque run. That determines with engines Torque the component size and thus the cost of the system.
  • the variable displacement pump used as a device for influencing torque e.g. enabled as a torque controller with advantage a torque limitation and thus a smaller drive motor that is optimal and operated with little loss.
  • Another advantage of the combination of speed-controlled drive according to the invention and variable displacement pump is that such an electrohydraulic Pressure supply with unchanged power consumption both high pressure differences ⁇ p at small volume flows Q as well as large volume flows Q with small pressure differences Can produce ⁇ p.
  • examples of such operating states are highly dynamic Adjustment movements and on the other hand holding functions under load. Such operating states occur in motor vehicles e.g. with active chassis, electro-hydraulic brakes and steering on. Electrohydraulic actuators for these systems can be used with the invention Pressure supply works more economically and is built smaller, lighter and cheaper become.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an electrohydraulic pressure supply according to the invention.
  • An electric motor M is operatively connected as a drive motor to a variable displacement pump 1.
  • the speed n of the electric motor M can be regulated by a regulator Reg.
  • a change in the speed of the electric motor is transmitted to the variable displacement pump 1 via the operative connection 2.
  • the control Reg processed as input variables to a predetermined value Q for the required target flow rate and a measured value Q is for the respectively actually conveyed current flow rate of the variable displacement pump.
  • the current volume flow is determined using a device Q for determining the delivered volume flow.
  • the determination of the current volume flow can be carried out directly with a volume flow sensor, or determined indirectly from the reaction of the connected work machine.
  • the connecting lines 3 end with the consumer connections 4.
  • One or more hydraulic actuators and one or more hydraulic storage containers can be connected to the consumer connections 4 on the system side. Exemplary embodiments for the connection of an actuator are shown in FIGS. 2 to 9. Between the connections 4, the differential pressure ⁇ p between the delivery line and the suction line of the variable displacement pump is detected with a pressure measuring device. The differential pressure ⁇ p controls the displacement volume V of the variable pump depending on a reference pressure p Ref . For this purpose, the differential pressure ⁇ p and the reference pressure p Ref are entered into a control Strg. The control Strg controls the pump adjustment PV, which is in operative connection with the adjustment element 5 of the adjustment pump 1. A change of the absorption volume affects the delivered volume flow Q.
  • the regulation Reg fits over the rotational speed n of the delivered volume flow Q is the required Q Volumnestrom intended to.
  • the volume flow can also be determined by determining the travel of the adjusting element 5 and the working speed of the variable pump, for example the speed n.
  • the pump operates below a limit torque defined by p Ref like a constant unit with a maximum absorption volume.
  • the variation of the electric motor speed n modulates the volume flow (including reversing). If the limit torque is exceeded, the control reduces the absorption volume until the limit torque is applied as the load torque.
  • the torque is measured indirectly via the motor current or the differential pressure ⁇ p.
  • the requested volume flow Q should be made available with a reduced swallowing volume by increasing the engine speed.
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of an embodiment according to the invention for reversible Systems with a pump adjustment by an electrical actuator.
  • a hydraulic actuator 6 and a pressure reservoir 7 are connected to the Pump connections 4, a hydraulic actuator 6 and a pressure reservoir 7 are connected.
  • the adjusting member 5 of the variable pump 1 is equipped with an electric actuator 8 operated.
  • the actuator is controlled by the control Ctrl.
  • Fig. 3 shows a schematic diagram of an embodiment according to the invention for reversible Systems with a pump adjustment by a control piston with pressure control valve.
  • a control piston 9 changes the position of the adjusting member 5 the pump 1.
  • the control piston 9 is always connected to the pressure side, which guarantees a pressure-controlled 4/3-way valve 10.
  • a spring 11 pivots the actuator 5 at 0 pressure maximum swallowing volume and delivers a path-proportional counterforce under pressure.
  • an electrically controlled valve for pressure regulation 12 e.g. a pressure control valve, can at Pressurization, the piston force of the control piston 9 can be set.
  • the control of the valve for pressure control 12 takes place via the control Ctrl. In connection with the Spring force of the piston spring 11 results in a piston position.
  • Fig. 4 shows a schematic diagram of an embodiment according to the invention for reversible Systems with a pump adjustment by a control piston and an electric actuated 4-3-way valve.
  • a differential spool changes 9 the position of the actuator 5 of the pump 1.
  • An electrically controlled 4/3-way valve 13 ensures the pressurization of the respective piston surface of the differential control piston 9.
  • the piston position is determined by the opening time of the 4/3-way valve 13 regulated.
  • the middle position of the valve blocks the oil flow and fixes the piston in it Location.
  • the valve is controlled via the control Ctrl.
  • a pressure controlled 4/3-way valve 10 ensures the direction of the control pressure gradient. The dynamics of the adjustment depends on the height of the pressure drop.
  • FIG. 5 shows a basic illustration of an exemplary embodiment according to the invention for reversible systems with a pump adjustment by means of a control piston with spring which is pressurized to the system.
  • a control piston 9 changes the position of the actuator 5 of the pump 1.
  • the control piston 9 is always connected to the pressure side via the connections 4 and the 4/3 way valve 10.
  • a spring 11 pivots the actuator 5 to maximum absorption volume at 0 pressure and delivers a path-proportional counterforce under pressure.
  • the path of the control piston is proportional to the pressure drop. If the spring 11 is installed with preload, the system only regulates when a limit pressure drop p ref is exceeded.
  • the limit pressure drop p Ref is predetermined by the preload of the spring 11.
  • the parallel connection of differently long and / or differently rigid springs 11 or the use of stepped pistons change the control characteristic of the control piston 9. Since the load torque is approximately pressure-proportional, the differential pressure ⁇ p between the two connections 4 can be used as a control variable.
  • the advantage of this embodiment lies in its passive self-regulation by the spring 11. An active regulation of the control piston 9 by an active control can be dispensed with.
  • FIG. 6 shows a basic illustration of an exemplary embodiment according to the invention for reversible systems with a pump adjustment by an electric actuator.
  • this exemplary embodiment is the Pump 1 cannot be reversed.
  • the Storage container 14 is not a pressure storage container, but only a pressureless storage container for the hydraulic fluid for actuating the hydraulic actuator 6.
  • the adjusting member 5 of the pump 1 is actuated by the electrical actuator 8.
  • the actuator 8 will controlled by the control Ctrl.
  • FIG. 7 shows a basic illustration of an exemplary embodiment according to the invention for reversible systems with a pump adjustment by a control piston with pressure control valve.
  • a control piston changes the position of the adjusting element as shown in Figure 11 Pump.
  • the control piston 9 is connected to the pressure side of the pump 1 via the pump connection 4 connected.
  • a spring 11 pivots the actuator 5 of the pump 1 to the maximum at 0 pressure Swallowing volume and provides a path-proportional counterforce under pressure.
  • About an electric controlled valve for pressure regulation 12, e.g. a pressure control valve, can when pressurized the piston force can be adjusted.
  • the valve is controlled via the Control Ctrl.
  • the piston position results in connection with the spring force.
  • FIG. 8 shows a basic illustration of an exemplary embodiment according to the invention for reversible systems with a pump adjustment by a control piston and an electric actuated 4-3-way valve.
  • a differential changes Control piston 9, the position of the actuator 5 of the pump 1.
  • An electrically controlled 4/3-way valve 13 ensures that the respective piston surface is pressurized.
  • the piston position is regulated via the opening time of the valve 13.
  • the middle position of the valve blocks the oil flow and fixes the piston in position.
  • the valve is controlled via the control Ctrl.
  • the dynamics of the adjustment depend on the height of the pressure drop between the two connections 4.
  • a control piston 9 changes the position of the actuator 5 of the pump 1.
  • the control piston 9 is connected to the pressure side of the pump 1.
  • a spring 11 pivots the actuator 5 to maximum absorption volume at 0 pressure and delivers a path-proportional counterforce under pressure.
  • the path of the control piston corresponds to the pressure drop. If the spring 11 is installed with preload, the system only regulates when a limit pressure drop p ref is exceeded. The limit pressure drop p Ref is predetermined by the preload of the spring 11.
  • the parallel connection of differently long and / or differently stiff springs 11 or the use of stepped pistons in the control piston 9 change the control characteristic. Since the load torque is approximately pressure-proportional, the differential pressure ⁇ p between the two connections 4 can be used as a control variable.

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Abstract

Der geförderte Volumenstrom der elektrohydraulischen Druckversorgung wird im wesentlichen über die Drehzahlverstellung des geregelten Elektromotors eingestellt. Die Drehzahl des eletrischen Antriebsmotors ist hierbei im wesentlichen unabhängig von dem Schluckvolumen der Verstellpumpe einstellbar. Im wesentlichen unabhängig bedeutet, daß für die Einstellung der Drehzahl und des Schluckvolumens lediglich die vorgegebenen jeweils zeitlich aktuell benötigten Sollvolumenströme und Referenzdrücke beachtet werden müssen. Innerhalb dieser beiden Systemvorgaben, kann die Drehzahl des Antriebsmotors völlig unabhängig von dem Schluckvolumen der Verstellpumpe eingestellt werden. Dadurch kann die Schluckvolumenverstellung der Verstellpumpe druckgesteuert erfolgen und die durch die Vertellung des Schluckvolumens geänderte Förderleistung der Pumpe durch die unabhängige Drehzahlregelung des Elektromotors kompensiert werden. Damit is es möglich die Verstellpumpe als Drehmomentwandler für den Elektromotor zu betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Elektrohydraulische Druckversorgungen haben eine Vielzahl von Anwendungen gefunden. Sie kommen zum Einsatz bei elektrohydraulischen Steuereinrichtungen, beim hydraulischen Heben und Senken von Lasten, bei der Betätigung von hydraulischen Stellgliedern und nicht zuletzt in der Kraftfahrzeughydraulik. In der Kraftfahrzeughydraulik haben elektrohydraulische Druckversorgungen z.B. Einsatz gefunden in Servolenkungen und in elektrohydraulisch betätigten Aktoren. Zur Regelung des von der Hydraulikpumpe geförderten Volumenstroms wurden bisher drei verschiedene Prinzipien verfolgt.
In einem bekannten Regelungsprinzip wird die Förderleistung einer mit einem Elektromotor angetriebenen Hydraulikpumpe dadurch geregelt, daß die Drehzahl des Elektromotors geregelt wird. Der Elektromotor steht bei diesen Systemen in Wirkverbindung mit der Hydraulikpumpe und der von der Hydraulikpumpe geförderte Volumenstrom hängt von der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors ab. Die Hydraulikpumpe selbst verfügt außer durch die Drehzahl des Antriebs über keine Regelungssysteme mit denen der geförderte Volumenstrom beeinflußt werden kann. Bei der Auslegung dieser Systeme sind an den elektrischen Antriebsmotor sehr hohe Anforderungen gestellt. Der Antriebsmotor muß in der Lage sein, sowohl große Volumenströme mit kleinen lastseitigen Systemdrücken zu verarbeiten als auch kleine Volumenströme mit hohen lastseitigen Systemdrücken. Der geförderte Volumenstrom ist proportional der Drehzahl des Antriebsmotors, während der lastseitige Systemdruck proportional dem vom Motor aufgebrachten Drehmoment ist. Das führt dazu, daß die Antriebsmotoren in diesen elektrohydraulischen Systemen sowohl auf ein hohe Drehzahl als auch auf ein hohes Drehmoment hin ausgelegt werden müssen. Dies macht die elektrischen Antriebsmotoren aufwendig und teuer.
Man hat deshalb elektrohydraulische Systeme vorgeschlagen, bei denen der elektrische Antrieb mit konstanter Drehzahl betrieben wird. Dies ermöglicht die Optimierung des Elektromotors auf eine Drehzahl hin. Da der Elektromotor der aufwendigste Bestandteil von elektrohydraulischen Systemen ist, lassen sich mit der Optimierung des Elektromotors auf eine konstante Drehzahl hin Kostenvorteile erzielen. Der geforderte Volumenstrom der Hydraulikpumpe wird durch die Regelung eines By-Pass-Ventils eingestellt. Dieses Regelungsprinzip setzt voraus, daß die Pumpe ständig mindestens den Soll-Volumenstrom liefert. Da der Sollvolumenstrom auch zur Verfügung gestellt werden muß, wenn keine hydraulische Leistung benötigt wird, haben diese Systeme eine relativ hohe nicht genutzte Verlustleistung.
Insbesondere im Kraftfahrzeug ist die dem Bordnetz entnehmbare Leistung für den elektrischen Antrieb einer Pumpe begrenzt. Deshalb werden für Hydraulikpumpen höherer Leistung mechanische Antriebe eingesetzt die z.B. über einen Riementrieb oder Kettentrieb an den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges gekoppelt sind. Die Antriebsdrehzahl der Pumpe ist dadurch an die Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt und nicht unabhängig regelbar. Die Regelung des geförderten Volumenstroms erfolgt bei diesen Systemen durch eine Verstellung des Schluckvolumens der angeschlossenen Hydratilikpumpe. Abhängig von einem Referenzdruck steuert der Systemdruck das Schluckvolumen der Pumpe. Nachteilig bei diesen Systemen ist, daß der geförderte Volumenstrom von der Drehzahl des Vebrennungsmotors abhängt. Da der notwendige Systemdruck auch bei niederen Drehzahlen des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt werden muß, müssen bei diesen Systemen Pumpen mit relativ großem maximalen Schluckvolumen eingesetzt werden. Bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors hingegegen muß das Schluckvolumen auf einen möglichst kleinen Wert eingestellt werden können, da ansonsten der Systemdruck zu unvorteihaft hohen Werten ansteigen würde. Deshalb muß bei diesen Systemen das Schluckvolumen der Pumpe über einen relativ großen Bereich verstellbar sein, was zu großen mechanischen Bauformen für die Verstellpumpen führt.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher, eine elektrohydraulische Druckversorgung mit verstellbarer Pumpe und regelbarem Antrieb anzugeben, die gleichzeitig sowohl die Optimierung des elektrischen Antriebs als auch die Optimierung der verstellbaren Pumpe hinsichtlich Minimierung der notwendigen Bauteilgrößen ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung besteht in dem Zusammenwirken zweier unabhängig voneinander verstellbarer Energiewandler und zwar durch einen drehzahlregelbaren Elektromotor, der eine Verstellpumpe antreibt und eine Verstellpumpe mit variablem Schluckvolumen. Der Elektromotor wandelt elektrische Leistung bestehend aus Spannung U und Strom I (verlustbehaftet) in mechanische Leistung und zwar in Drehzahl n und Drehmoment T um. Die Pumpe wandelt (ebenfalls verlustbehaftet) diese mechanische Leistung in hydraulische Leistung um. Die hydraulische Leistung ist bestimmt durch die Druckdifferenz Δp und den Volumenstrom Q. Die Druckdifferenz Δp wird in der Regel vom Verbraucher dem System eingeprägt. Der Volumenstrom Q ergibt sich aus dem Schluckvolumen und der Motordrehzahl n. Das Drehmoment T, daß der Motor aufbringen muß, ergibt sich aus dem Schluckvolumen V und der Druckdifferenz Δp. Bei der Wandlung von hydraulischer Leistung in mechanische Leistung bestimmt das Schluckvolumen V die Aufteilung der Leistung auf die Drehzahl n des Motors und auf das Drehmoment T. Der im Elektromotor fließende Strom I wird vorwiegend durch das Drehmoment T bestimmt, die Spannung U wird vorwiegend durch die Motordrehzahl n beeinflußt. Baugröße und elektrische Verluste im Elektromotor werden im wesentlichen durch das von dem Motor abverlangte maximale Drehmoment T also durch den Strom I bestimmt. Der geförderte Volumenstrom der elektrohydraulischen Druckversorgung wird im wesentlichen über die Drehzahlverstellung des geregelten Elektromotors eingestellt. Die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors ist hierbei weitgehend unabhängig von dem Schluckvolumen der Verstellpumpe einstellbar. Weitgehend unabhängig bedeutet, daß für die Einstellung der Drehzahl und des Schluckvolumens lediglich die vorgegebenen jeweils zeitlich aktuell benötigten Sollvolumenströme und Referenzdrücke beachtet werden müssen. Innerhalb dieser beiden Systemvorgaben kann die Drehzahl des Antriebsmotors völlig unabhängig von dem Schluckvolumen der Verstellpumpe eingestellt werden. Dadurch kann die Schluckvolumenverstellung der Verstellpumpe druckgesteuert erfolgen und die durch die Verstellung des Schluckvolumens geänderte Förderleistung der Pumpe durch die unabhängige Drehzahlregelung des Elektromotors kompensiert werden. Die Erfassung des Volumenstroms kann dabei sowohl direkt über eine Volumenstrommeßeinrichtung als auch indirekt aus der Reaktion der Arbeitsmaschine erfolgen, z.B. aus dem Stellweg des angeschlossenen Aktors. Damit ist es möglich, die Verstellpumpe als Einrichtung zur Drehmomentbeeinflussung z.B. als Drehmomentregler für den Elektromotor zu betreiben.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Die hydraulische Leistung ist bestimmt durch die Druckdifferenz Δp und den Volumenstrom Q. Der Volumenstrom Q wird beeinflußt durch die Motordrehzahl n des Motors und durch das Schluckvolumen V der Verstellpumpe. Erfindungsgemäß liefert also die Kombination eines drehzahlregelbaren Antriebsmotors mit einer Verstellpumpe mit variablem Schluckvolumen V zwei Freiheitsgrade die hydraulische Leistung zu beeinflussen. Dies ermöglicht mit Vorteil, die Leistungsaufnahme durch den Elektromotor an die jeweils geforderte hydraulische Leistung anzupassen. Die Vernichtung von geleisteter Arbeit in By-Pass-Leitungen wird dadurch mit Vorteil vermieden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination ist darin zu sehen, daß der benötigte Differenzdruck Δp weitgehend unabhängig vom Drehmoment T des Elektromotors geliefert werden kann. Auch die Drehzahl n zusammen mit dem eingestellten Schluckvolumen V der Verstellpumpe beeinflußt den Differenzdruck Δp. Dies wird mit Vorteil genutzt, um das maximale Drehmoment T, das der Elektromotor zur Verfügung stellen muß, zu begrenzen. Es ist vorteilhafter, einen Elektomotor mit hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment laufen zu lassen, um die gleiche Leistung zu liefern als einen Elektromotor mit kleiner Drehzahl und großem Drehmoment laufen zu lassen. Bei Motoren bestimmt nämlich das Drehmoment die Bauteilgröße und damit die Kosten des Systems. Die Verstellpumpe eingesetzt als Einrichtung zur Drehmomentbeeinflussung z.B. als Drehmomentregler ermöglicht mit Vorteil eine Drehmomentbegrenzung und damit einen kleineren Antriebsmotor der optimal und verlustarm betrieben wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von drehzahlgeregeltem Antrieb und Verstellpumpe mit variablem Schluckvolumen ist, daß eine derartige elektrohydraulische Druckversorgung bei unveränderter Leistungsaufnahme sowohl hohe Druckdiffrenzen Δp bei kleinen Volumenströmen Q als auch große Volumenströme Q bei kleinen Druckdifferenzen Δp erzeugen kann. Beispiele für solche Betriebszustände sind zum einen hochdynamische Stellbewegungen und zum anderen Haltefunktionen unter Last. Solche Betriebszustände treten in Kraftfahrzeugen z.B. bei aktiven Fahrwerken, elektrohydraulischen Bremsen und Lenkungen auf. Elektrohydraulische Aktoren für diese Systeme können mit der erfindungsgemäßen Druckversorgung wirtschaftlicher arbeiten und kleiner, leichter und kostengünstiger gebaut werden.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Druckversorgung in Kraftfahrzeugen ergibt sich ein weiterer Vorteil. Die bereits beschriebene Möglichkeit der Drehmomentbegrenzung hat vorteilhafte Auswirkungen auf die Steuerungs- und Leistungselektronik. Das Drehmoment T des Elektromotors ist im wesentlichen proportional zum Strom I. Bei einer Drehmomentbegrenzung wird damit auch der Strom I begrenzt. Damit kann auch die Steuerungs- und Leistungselektronik für kleinere Stromstärken ausgelegt werden. Da auch bei der Steuerungs- und Leistungselektronik die Verluste entscheidend von der Stromstärke bestimmt sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Druckversorgung auch die optimale Auslegung und den verlustarmen Betrieb der Steuerungs- und Leistungselektronik.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1
Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrohydraulischen Druckversorgung.
Fig. 2
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen elektrischen Aktuator
Fig. 3
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben mit Druckregelventil
Fig. 4
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben und ein elektrisch betätigtes 4-3-Wege-Ventil
Fig. 5
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen systemdruckbeaufschlagten Steuerkolben mit Feder
Fig. 6
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen elektrischen Aktuator
Fig. 7
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben mit Druckregelventil
Fig. 8
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben und elektrisch betätigtes 4-3-Wege-Ventil
Fig. 9
Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen systemdruckbeaufschlagten Kolben mit Feder
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Druckversorgung. Ein Elektromotor M steht als Antriebsmotor in Wirkverbindung mit einer Verstellpumpe 1. Der Elektromotor M ist in seiner Drehzahl n durch eine Regelung Reg regelbar. Eine Änderung der Drehzahl des Elektromotors wird über die Wirkverbindung 2 auf die Verstellpumpe 1 übertragen. Die Regelung Reg verarbeitet als Eingangsgrößen einen vorgegebenen Wert Q soll für den geforderten Sollvolumenstrom und einen gemessenen Wert Qist für den jeweils tatsächlich geförderten aktuellen Volumenstrom der Verstellpumpe. Der aktuelle Volumenstrom wird mit einer Einrichtung Q zur Bestimmung des geförderten Volumenstroms ermittelt. Die Bestimmung des aktuellen Volumenstroms kann direkt mit einem Volumenstromsensor erfogen, oder indirekt aus der Reaktion der angeschlossenen Arbeitsmaschine ermittelt werden. Die Anschlußleitungen 3 enden mit den Verbraucheranschlüssen 4. An die Verbraucheranschlüsse 4 können systemseitig ein oder mehrere hydaulische Aktoren und ein oder mehrere hydraulische Vorratsbehälter angeschlossen werden. Ausführungsbeispiele für den Anschluß eines Aktors sind in den Fig.2 bis Fig. 9 gezeigt. Zwischen den Anschlüssen 4 wird der Differenzdruck Δp zwischen der Förderleitung und der Saugleitung der Verstellpumpe mit einer Druckmeßeinrichtung erfaßt. Der Differenzdruck Δp steuert abhängig von einem Referenzdruck pRef das Schluckvolumen V der Verstellpumpe. Hierzu wird der Differenzdruck Δp und der Referenzdruck pRef in eine Steuerung Strg eingegeben. Die Steuerung Strg steuert die Pumpenverstellung PV, die in Wirkverbindung mit dem Verstellglied 5 der Verstellpumpe 1 steht. Eine Veränderung des Schluckvolumens beeinflußt den geförderten Volumenstrom Q. Die Regelung Reg paßt über die Drehzahl n den geförderten Volumenstrom Qist an den geforderten Volumnestrom Qsoll an. Alternativ zur direkten Messung kann die Erfassung des Volumenstroms auch über die Bestimmung des Stellweges des Verstellgliedes 5 und der Arbeitsgeschwindigkeit der Verstellpumpe, z.B. der Drehzahl n, erfolgen. Die Pumpe arbeitet unterhalb eines Grenzmoments festgelegt durch pRef wie eine Konstanteinheit mit maximalem Schluckvolumen. Die Variation der E-Motordrehzahl n moduliert den Volumenstrom (inkl. Reversieren). Beim Überschreiten des Grenzmoments verringert die Regelung das Schluckvolumen bis das Grenzmoment als Lastmoment anliegt. Die Messung des Drehmoments erfolgt indirekt über den Motorstrom oder den Differenzdruck Δp. Der angeforderte Volumenstrom Qsoll wird bei vermindertem Schluckvolumen durch eine Erhöhung der Motordrehzahl zur Verfügung gestellt.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen elektrischen Aktuator. An den Pumpenanschlüssen 4 sind ein hydraulischer Aktor 6 und ein Druckvorratsbehälter 7 angeschlossen. Das Verstellglied 5 der Verstellpumpe 1 wird mit einem elektrischen Aktuator 8 betätigt. Der Aktuator wird von der Steuerung Strg angesteuert.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben mit Druckregelventil. In diesem Ausführungsbeispiel verändert ein Steuerkolben 9 die Lage des Verstellglieds 5 der Pumpe 1. Der Steuerkolben 9 ist stets mit der Druckseite verbunden, das gewährleistet ein druckgesteuertes 4/3-Wegeventil 10. Eine Feder 11 schwenkt bei 0 Druck das Stellglied 5 auf maximales Schluckvolumen und liefert unter Druck eine wegproportionale Gegenkraft. Über ein elektrisch gesteuertes Ventil zur Druckregelung 12, z.B. ein Druckregelventil, kann bei Druckbeaufschlagung die Kolbenkraft des Steuerkolbens 9 eingestellt werden. Die Steuerung des Ventils zur Druckregelung 12 erfolgt über die Steuerung Strg. In Verbindung mit der Federkraft der Kolbenfeder 11 ergibt sich eine Kolbenstellung.
Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben und ein elektrisch betätigtes 4-3-Wege-Ventil. In diesem Ausführungsbeispiel verändert ein Differential-Steuerkolben 9 die Lage des Stellglieds 5 der Pumpe 1. Ein elektrisch gesteuertes 4/3-Wegeventil 13 sorgt für die Druckbeaufschlagung der jeweiligen Kolbenfläche des Differentialsteuerkolbens 9. Die Kolbenstellung wird über die Öffnungszeit des 4/3-Wege-Ventils 13 geregelt. Die Mittelstellung des Ventils sperrt den Ölstrom und fixiert den Kolben in seiner Lage. Die Steuerung des Ventils erfolgt über die Steuerung Strg. Ein druckgesteuertes 4/3-Wegeventil 10 gewährleistet die Richtung des Steuerdruckgefälles. Die Dynamik der Verstellung hängt von der Höhe des Druckgefälles ab.
Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen systemdruckbeaufschlagten Steuerkolben mit Feder. In diesem Ausführungsbeispiel verändert ein Steuerkolben 9 die Lage des Stellglieds 5 der Pumpe 1. Der Steuerkolben 9 ist über die Anschlüsse 4 und durch das 4/3 Wege-Ventil 10 stets mit der Druckseite verbunden. Eine Feder 11 schwenkt bei 0 Druck das Stellglied 5 auf maximales Schluckvolumen und liefert unter Druck eine wegproportionale Gegenkraft. Der Weg des Stellkolbens ist proportional dem anliegenden Druckgefälle. Wird die Feder 11 mit Vorspannung eingebaut, regelt das System erst beim Überschreiten eines Grenzdruckgefälles pref. Das Grenzdruckgefälle pRef ist durch die Vorspannung der Feder 11 vorgegeben. Die Parallelschaltung verschieden langer und/oder verschieden steifer Federn 11 oder der Einsatz von Stufenkolben verändern die Regelkennlinie des Steuerkolbens 9. Da das Lastmoment in etwa druckproportional ist, kann der Differenzdruck Δp zwischen den beiden Anschlüssen 4 als Steuergröße genutzt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in Ihrer passiven Selbstregulierung durch die Feder 11. Auf eine aktive Regulierung des Steuerkolbens 9 durch eine aktive Steuerung kann verzichtet werden.
Fig. 6 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen elektrischen Aktuator. In diesem Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Pumpe 1 nicht reversierbar. Ein weiterer Unterschied zu Fig. 2 ist darin zu sehen, daß der Vorratbehälter 14 kein Druckvorratbehälter ist, sondern lediglich ein druckloser Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit zur Betätigung des hydraulischen Aktors 6. Das Verstellglied 5 der Pumpe 1 wird durch den elektrischen Aktuator 8 betätigt. Der Aktuator 8 wird von der Steuerung Strg gesteuert.
Fig. 7 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben mit Druckregelventil. Ein Steuerkolben verändert, wie Bild 11 zeigt, die Lage des Verstellglieds der Pumpe. Der Steuerkolben 9 ist über den Pumpenanschluß 4 mit der Druckseite der Pumpe 1 verbunden. Eine Feder 11 schwenkt bei 0 Druck das Stellglied 5 der Pumpe 1 auf maximales Schluckvolumen und liefert unter Druck eine wegproportionale Gegenkraft. Über ein elektrisch gesteuertes Ventil zur Druckregelung 12, z.B. ein Druckregelventil, kann bei Druckbeaufschlagung die Kolbenkraft eingestellt werden. Die Steuerung des Ventils erfolgt über die Steuerung Strg. In Verbindung mit der Federkraft ergibt sich die Kolbenstellung.
Fig. 8 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen Steuerkolben und ein elektrisch betätigtes 4-3-Wege-Ventil. In diesem Ausführungsbeispiel verändert ein Differential Steuerkolben 9 die Lage des Stellglieds 5 der Pumpe 1. Ein elektrisch gesteuertes 4/3-Wegeventil 13 sorgt für die Druckbeaufschlagung der jeweiligen Kolbenfläche. Die Kolbenstellung wird über die Öffnungszeit des Ventils 13 geregelt. Die Mittelstellung des Ventils sperrt den Ölstrom und fixiert den Kolben in seiner Lage. Die Steuerung des Ventils erfolgt über die Steuerung Strg. Die Dynamik der Verstellung hängt von der Höhe des Druckgefälles zwischen den beiden Anschlüssen 4 ab.
Fig. 9 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels für nicht reversierbare Systeme mit einer Pumpenverstellung durch einen systemdruckbeaufschlagten Kolben mit Feder. In diesem Ausführungsbeispiel verändert ein Steuerkolben 9 die Lage des Stellglieds 5 der Pumpe 1. Der Steuerkolben 9 ist mit der Druckseite der Pumpe 1 verbunden. Eine Feder 11 schwenkt bei 0 Druck das Stellglied 5 auf maximales Schluckvolumen und liefert unter Druck eine wegproportionale Gegenkraft. Der Weg des Stellkolbens entspricht dem anliegenden Druckgefälle. Wird die Feder 11 mit Vorspannung eingebaut, regelt das System erst beim Überschreiten eines Grenzdruckgefälles pref. Das Grenzdruckgefälle pRef ist durch die Vorspannung der Feder 11 vorgegeben. Die Parallelschaltung verschieden langer und/oder verschieden steifer Federn 11 oder der Einsatz von Stufenkolben im Steuerkolbe 9 verändern die Regelkennlinie. Da das Lastmoment in etwa druckproportional ist, kann der Differenzdruck Δp zwischen den beiden Anschlüssen 4 als Steuergröße genutzt werden.

Claims (11)

  1. Elektrohydraulische Druckversorgung mit einem drehzahlregelbaren elektrischen Antriebsmotor (M) und einer Verstellpumpe (1), deren Schluckvolumen (V) durch ein Verstellglied (5) veränderbar ist, mit Anschlußleitungen (3) und Verbraucheranschlüssen (4) umfassend
    eine Regelung (Reg) zur Drehzahlregelung des Antriebsmotors (M) und einer Einrichtung (Q) zur Bestimmung des geförderten Volumenstroms ( Qist), wobei die Regelung (Reg) mindestens den geförderten Volumenstrom (Qist ) und einen Sollvolumenstrom (Qsoll) als Eingangsgrößen hat,
    eine Pumpenverstellung (PV) zur Betätigung des Verstellgliedes (5) der Verstellpumpe (1) und einer Steuerung (Strg) zur Ansteuerung der Pumpenverstellung (PV) und einer Druckmeßeinrichtung (Δp) zur Bestimmung des Differenzdrucks (Δp), wobei die Steuerung (Strg) mindestens einen Referenzdruck (pRef) und den Differenzdruck (Δp) als Eingangsgrößen hat.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl (n) des Antriebsmotor (M) im wesentlichen unabhänhig von der Verstellung des Schluckvolumens (V) der Verstellpumpe (1) einstellbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellpumpe (1) als Einrichtung zur Drehmomentbeeinflussung für den Antriebsmotor (M) betreibbar ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für reversierbare Systeme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Druckvorratbehältet- (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) ein elektrischer Aktuator (8) ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für reversierbare Systeme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Druckvorratbehälter (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Ventil zur Druckregelung (12), einem Steuerkolben (9) mit mindestens einer Feder (11) und einem hydraulisch betätigten 4-3-Wege-Ventil (10) besteht.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für reversierbare Systeme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Druckvorratbehälter (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Differentialsteuerkolben (9), einem hydraulisch betätigten 4-3-Wege-Ventil (10) und einem elektrisch betätigten 4-3-Wege-Ventil 13 besteht.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für reversierbare Systeme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Druckvorratbehälter (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Steuerkolben (9) mit mindestens einer Feder (11) und einem hydraulisch betätigten 4-3-Wegeventil (10) besteht.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für nicht-reversierbare Syteme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Vorratsbehälter (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) ein elektrischer Aktuator (8) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für nicht-reversierbare Syteme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Vorratsbehälter (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Ventil zur Druckregelung (12) und einem Steuerkolben (9) mit mindestens einer Feder (11) besteht.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für nicht-reversierbare Syteme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Vorratsbehälter (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Differentialsteuerkolben (9) und einem elektrisch betätigten 4-3-Wege-Ventil (13) besteht.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für nicht-reversierbare Syteme mit einem hydraulischen Aktor (6) und einem Vorratsbehälter (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenverstellung (PV) aus einem Steuerkolben (9) mit mindestens einer Feder (11) besteht.
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