IT202100027794A1 - Metodo e sistema di controllo di un circuito idraulico di un veicolo da lavoro - Google Patents

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IT
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hydraulic
directional valves
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control levers
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IT102021000027794A
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Andrea Gravili
Stefano Liberti
Adriano Garramone
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Cnh Ind Italia Spa
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?METODO E SISTEMA DI CONTROLLO DI UN CIRCUITO IDRAULICO DI UN VEICOLO DA LAVORO?
Campo di applicazione dell?invenzione
La presente invenzione ? relativa al campo dei metodi e sistemi di controllo di circuiti idraulici di veicoli da lavoro ed in particolare di veicoli elettrificati, in cui cio? il circuito idraulico ? alimentato esclusivamente da una elettro-pompa.
Stato della tecnica
Nell?ambito dei veicoli da lavoro e agricoli l?azionamento degli utilizzatori, quali bracci e relativi utensili ? realizzato mediante un circuito idraulico.
Il circuito idraulico ? alimentato da una pompa idraulica guidata in rotazione da un motore primo, molto spesso un motore a combustione interna. Tuttavia, il progressivo sviluppo tecnologico dei sistemi di alimentazione a batteria consente di progettare veicoli da lavoro a trazione elettrica e/o con impianti idraulici azionati da motori elettrici, come un circuito idraulico di attuazione di almeno un attuatore idraulico asservito alla movimentazione di un organo idraulico da lavoro.
Per ?organo idraulico da lavoro? si intende uno tra quei componenti quali bracci, benne, etc.. distinti e separati da quelli inerenti alla movimentazione del veicolo da lavoro, quali ad esempio trasmissioni, sistemi frenanti, etc. Di seguito, per comodit? si fa riferimento ad un ?organo idraulico? intendendosi un ?organo idraulico da lavoro?.
Nelle macchine da lavoro gli organi maggiormente conosciuti ed implementati sono i bracci dotati di benna o forche od altri dispositivi.
Il sollevamento e abbassamento del braccio ? realizzato mediante almeno un attuatore idraulico lineare a doppio effetto. Esso comprende una coppia di camere contrapposte che si riempiono e svuotano alternativamente per realizzare il sollevamento o l?abbassamento del braccio.
Esistono diverse tipologie di valvole per il controllo di attuatori idraulici. Quelle che risultano maggiormente implementate sono quelle direzionali a centro aperto. Tali valvole, in relazione alla posizione della relativa spoletta mobile, ripartiscono il fluido di olio idraulico pompato dalla pompa idraulica in un primo flusso destinato ad una delle camere dell?attuatore idraulico, mentre il secondo, restante, flusso ? inviato ad un serbatoio di raccolta, a cui la pompa idraulica attinge per ricircolare l?olio idraulico.
In particolare quando la spoletta ? in posizione di riposo tutto il flusso della pompa ? inviato al serbatoio, durate la fase di regolazione, il flusso della pompa idraulica ? ripartito tra l?attuatore ed il serbatoio. Quando la spoletta ? in posizione di massima apertura tutto il flusso della pompa ? inviato all?attuatore.
La posizione della spoletta mobile ? generalmente controllata dall?operatore mediante un joystick disposto nella cabina di pilotaggio del veicolo.
Il segnale elettrico generato dal joystick ? acquisito da un?unit? di elaborazione, la quale, lo elabora per controllare proporzionalmente la valvola direzionale di controllo. In altre parole, maggiore ? la deflessione della leva di controllo del braccio e maggiore ? l?olio inviato al relativo attuatore idraulico. La valvola direzionale di controllo ? evidentemente del tipo elettro-idraulico.
Il segnale elettrico generato dal joystick ? anche elaborato per controllare la velocit? di rotazione del motore elettrico che guida in rotazione la pompa idraulica. Quando vengono attivati contemporaneamente due o pi? organi idraulici, il flusso di olio generato dalla pompa idraulica ? ripartito tra i corrispondenti due o pi? attuatori ed il serbatoio di recupero.
Tuttavia, l?attuatore che ? soggetto ad un maggiore carico (pressione), che si oppone al suo movimento, viene riempito con una quantit? di flusso di olio idraulico inferiore a quella di cui avrebbe necessit?.
Dal punto di vista dell?operatore, la velocit? di attuazione di un attuatore soggetto al maggiore carico ? notevolmente inferiore in proporzione alla deflessione della relativa leva di controllo quando ? contemporaneamente attivo un altro attuatore soggetto ad un minor carico.
Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.
Sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di risolvere il problema della ripartizione del flusso idraulico tra due o pi? attuatori.
L?idea di base della presente invenzione ? quella di generare un flusso idraulico proporzionale alla somma dei segnali di controllo generati dalle leve di controllo azionabili dall?operatore e di ripartire il flusso idraulico in funzione dei segnali di controllo delle valvole elettro-idrauliche attive, in modo che la ripartizione dell?olio idraulico non risente di differenti carichi applicati agli attuatori risultando dunque indipendente dalla pressione (carico) misurata in ciascuna delle porte di mandata.
Pi? in particolare, la ripartizione del flusso di olio ? realizzata eseguendo una correzione sull?apertura delle elettro-valvole mediante la misura di valori di pressione misurati nella porta di mandata della pompa idraulica e nelle porte di mandata delle valvole attive. Cosicch? tutte le valvole percepiscono un medesimo e comune valore di pressione/carico idraulico.
Il risultato ? che la ripartizione dell?olio idraulico risulta indipendente dal carico idraulico percepito da ciascun attuatore e dalla rispettiva valvola direzionale. Pi? in dettaglio viene calcolato il rapporto n-mo Yn = [(P - Pmax)^0.5]/[(P - Pn)^0.5]
Dove P ? la pressione misurata nella porta di mandata della pompa idraulica, Pmax ? il valore di pressione massimo misurato tra tutte le porte di mandata delle valvole elettro-idrauliche attive e Pn ? la pressione misurata alla porta di mandata della valvola elettro-idraulica n-ma.
L?area di efflusso della valvola n-ma, secondo la presente invenzione ? modificata moltiplicando il valore dell?area di efflusso nominale, funzione del segnale generato dalla relativa leva di controllo, per il corrispondente rapporto Yn.
Il carico idraulico immediatamente a monte della spoletta mobile dipende dal carico idraulico collegato alla relativa porta di mandata cio? dalla pressione misurata nella porta di mandata. Con la presente invenzione, tramite la correzione dell?area di efflusso, tutte le valvole attive ?vedono? un medesimo valore del carico idraulico, cosicch? ogni valvola eroga il flusso di olio idraulico in funzione soltanto della deflessione della rispettiva leva di controllo e dunque in modo indipendente rispetto al carico applicato ai corrispondenti attuatori.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nella figura 1 ? mostrata una macchina da lavoro ed in particolare una pala meccanica comprendente due o pi? organi idraulici da lavoro;
nella figura 2 ? mostrato un diagramma di controllo della velocit? di rotazione dell?elettropompa che alimenta il circuito idraulico della macchina da lavoro di figura 1;
nella figura 3 ? mostrato un circuito idraulico modificato secondo la presente invenzione ed implementato nella macchina da lavoro secondo la figura 1;
nella figura 4 ? mostrato un diagramma di flusso rappresentativo del metodo di controllo del circuito idraulico di figura 3.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti o funzioni.
Si dovrebbe anche notare che i termini "primo", "secondo", "terzo", "superiore", "inferiore" e simili possono essere usati qui per distinguere vari elementi. Questi termini non implicano un ordine spaziale, sequenziale o gerarchico per gli elementi modificati a meno che non sia specificatamente indicato o desumibile dal testo.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
La figura 1 mostra un esempio di macchina da lavoro CWL dotata di organi da lavoro idraulici B, TO ed in particolare un braccio B ed una benna TO.
Il braccio ? azionato da un attuatore idraulico A1 a doppia azione in s? noto.
La benna ? azionata da un attuatore idraulico A2 a doppia azione in s? noto.
Entrambi gli attuatori sono alimentati da un medesimo circuito idraulico HB, vedi figura 3, dotato di una pompa idraulica PP operativamente collegata ad un motore elettrico M per essere guidato in rotazione da questo.
Il motore elettrico ? alimentato mediante una sorgente di energia elettrica.
La figura 2 mostra un diagramma che mette in relazione una deflessione della leva di controllo di uno degli attuatori e la velocit? di rotazione del motore elettrico, quando un solo attuatore per volta ? attivato.
Si nota che l?andamento ? lineare con intersezione con l?asse delle ascisse in quanto si prevede una cosiddetta banda di guardia, entro cui la deflessione della leva di controllo ? trascurata. La leva di controllo ? indicata in figura con JOYSTICK oppure ROLLER.
I segni identificativi JOYSTICK e ROLLER sono stati selezionati adoperando i termini anglosassoni dei dispositivi normalmente posizionati in cabina per il controllo del braccio e benna, vale a dire il joystick e per il controllo di un dispositivo ausiliario mediante una rotella ROLLER.
Nel seguito si far? riferimento ad una ?leva di controllo? oppure ?leva di comando?, tenendo a mente che le interfacce uomo-macchine per il controllo degli organi idraulici da lavoro possono avere qualunque natura.
Secondo un primo aspetto della presente invenzione, la velocit? di rotazione del motore elettrico ? pari alla somma delle velocit? calcolate in funzione della deflessione di ciascuna delle leve di controllo a disposizione dell?operatore.
Con riferimento alla figura 3, si nota che ciascun attuatore A1, A2, A3 ? alimentato per il tramite di una elettro-valvola V1, V2, V3 direzionale a centro aperto.
Come descritto sopra, quando la spoletta mobile di ciascuna valvola ? in posizione di regolazione, una prima porzione del flusso ? inviata all?attuatore, mentre una seconda porzione ? inviata al serbatoio di recupero T, da cui attinge la pompa idraulica PP.
Ciascuna valvola ? dotata di due porte di mandata a cui ? associato un sensore di pressione P?11, P?12 per la valvola V1, P?21, P?22 per la valvola V2, etc..
Inoltre, alla porta di mandata della pompa idraulica PP ? associato un ulteriore sensore di pressione P?.
Secondo la presente invenzione, l?unit? di elaborazione CONTROL UNIT, ? disposta per acquisire i segnali generati dalle leve di controllo rappresentativi delle relative deflessioni ed i segnali di pressione misurati mediante i suddetti sensori di pressione P?, P?11, P?12, P?21, P?22, etc..
In funzione dei segnali acquisiti, l?unit? di elaborazione genera i segnali di controllo delle valvole V1 ? V3.
L?unit? di elaborazione, per ciascun n-mo attuatore attivo calcola il rapporto Yn = [(P - Pmax)^0.5]/[(P - Pn)^0.5] Dove P ? la pressione misurata nella porta di mandata della pompa idraulica, Pmax ? il valore di pressione massimo misurato tra tutte le porte di mandata delle valvole elettro-idrauliche attive
Pmax = max (P1, P2, P3).
E? evidente che per ciascuna valvola solo una porta per volta pu? essere attiva. Preferibilmente, i sensori di pressione dai quali leggere i valori di pressione sono selezionati in relazione al verso della deflessione della relativa leva di controllo. Per esempio, se si comanda il sollevamento del braccio, la leva del joystick ? spostata a destra e dunque solo la misura del sensore P?11 ? considerata, mentre il sensore P?12 ? trascurato. Pertanto, ha senso considerare un solo indice P?1, P?2, P?3 piuttosto che il doppio indice P?11, P?12, etc.. nelle equazioni in quanto una sola porta per volta pu? essere pressurizzata. Pn, dunque, ? la pressione misurata alla porta di mandata attiva della valvola elettro-idraulica n-ma.
L?area di efflusso della valvola n-ma, secondo la presente invenzione ? modificata moltiplicando il valore dell?area di efflusso nominale A?n, funzione del segnale generato dalla relativa leva di controllo, per il corrispondente rapporto Yn. Cosicch? il valore corretto dell?area di efflusso A?nc = Yn * A?n. ;La figura 4 mostra un esempio di implementativo del metodo oggetto della presente invenzione: ;- (i) Acquisizione di un valore di deflessone di due o pi? leve di controllo JOYSTICK, ;- (ii) Acquisizione di un valore di pressione da ciascuno di detti sensori di pressione P?, P?1, P?2,.. P?n ;- (iii) Calcolo di un valore di velocit? di rotazione del motore proporzionale ad una somma delle deflessioni delle due o pi? leve di controllo, ;- (iv) calcolo di un valore di apertura di efflusso nominale (A?1, A?2, A?3) di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) attivate proporzionalmente a corrispondenti deflessioni di dette due o pi? leve di controllo, ;- (v) correzione di detto valore di apertura di efflusso di ciascuna di dette due o pi? valvole attivate, in funzione di valori di pressione misurati mediante detti sensori di pressione (P?1, P?2, P?3) e detto ulteriore sensore di pressione (P?) in modo che il carico idraulico immediatamente a monte di dette due o pi? valvole direzionali attivate converge ad un valore comune. ;In cui la correzione realizzata al passo v comprende: ;a. calcolo del rapporto ;Yn = [(P - Pmax)^0.5]/[(P - Pn)^0.5] ;dove n rappresenta l?n-ma valvola attivata, P ? il valore di pressione misurato mediante detto ulteriore sensore di pressione (P?), Pmax ? il valore di pressione massimo misurato tra tutte le porte di mandata delle valvole direzionali (V1, V2, V3) attivate tale che ;Pmax = max (P1, P2, P3) e ;b. moltiplicazione di detto rapporto per detto valore nominale di apertura di efflusso (A?1, A?2, A?3) ottenendo un valore di apertura corretto A?nc = Yn * A?n;
c. impostazione di detto valore di apertura corretto per ciascuna di dette valvole direzionali attivate.
Efflusso o area di efflusso o apertura sono sinonimi.
La presente invenzione pu? essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando questo programma ? eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l?ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando detto programma ? eseguito su di un computer.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (7)

RIVENDICAZIONI
1. Sistema di controllo di un circuito idraulico (HB) di un veicolo da lavoro (CWL) il circuito idraulico comprendendo - una pompa idraulica (PP) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (A1, A2, A3) e corrispondenti
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) a centro aperto e corrispondenti
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK, ROLLER) degli attuatori idraulici
- un?unit? di elaborazione (CONTROL UNIT) operativamente collegata con
. le due o pi? leve di controllo per acquisire un relativo segnale rappresentativo di una deflessione delle due o pi? leve di controllo,
. le due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3)
. il motore elettrico (M),
l?unit? di elaborazione essendo configurata per impostare una velocit? di rotazione del motore elettrico proporzionale ad una somma delle deflessioni delle due o pi? leve di controllo, e per controllare un valore di una sezione di efflusso di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3), attivate in apertura, proporzionalmente a corrispondenti deflessioni di dette due o pi? leve di controllo; il sistema essendo caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di pressione (P?1, P?2, P?3) associato ad una porta di mandata di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali ed un ulteriore sensore di pressione (P?) associato ad una porta di mandata della pompa idraulica ed in cui detta unit? di elaborazione ? configurata per calcolare un valore nominale (A?1, A?2, A?3) di apertura di efflusso di dette due o pi? valvole direzionali attivate in funzione della sola deflessione della corrispondente leva di controllo e per correggere detta apertura di efflusso nominale di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali attivate, in funzione di valori di pressione misurati mediante detti sensori di pressione (P?1, P?2, P?3) e detto ulteriore sensore di pressione (P?) in modo che il valore di carico idraulico di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali attivate converge ad un valore comune.
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta correzione ? realizzata
a. calcolando il rapporto
Yn = [(P - Pmax)^0.5]/[(P - Pn)^0.5]
dove n rappresenta l?n-ma valvola attivata, P ? il valore di pressione misurato mediante detto ulteriore sensore di pressione (P?), Pmax ? il valore di pressione massimo misurato tra tutte le porte di mandata delle valvole direzionali (V1, V2, V3) attivate tale che
Pmax = max {P1, P2, P3} e
b. moltiplicando detto rapporto per detto valore nominale di apertura di efflusso (A?1, A?2, A?3) ottenendo un valore di apertura corretto (A?nc = Yn * A?n) e poi
c. impostando detto valore di apertura corretto per ciascuna di dette valvole direzionali attivate.
3. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno di detti due o pi? attuatori idraulici ? del tipo a doppia azione ed in cui ciascuna di dette corrispondenti due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) comprende una prima ed una seconda porta di mandata ed in cui a ciascuna di dette porte ? associato un sensore di pressione (P?11, P?12, P?21, P?22, P?31, P?32), ed in cui detta unit? di elaborazione ? configurata per selezionare segnali generati dai sensori di pressione (P?11, P?12, P?21, P?22, P?31, P?32) corrispondenti ad un verso di deflessione della corrispondente leva di controllo.
4. Metodo di controllo di un circuito idraulico (HB) di un veicolo da lavoro (CWL), il circuito idraulico comprendendo - una pompa idraulica (PP) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (A1, A2, A3) e corrispondenti
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) a centro aperto e corrispondenti
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK, ROLLER) degli attuatori idraulici,
- un sensore di pressione (P?1, P?2, P?3) associato ad una porta di mandata di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali ed
- un ulteriore sensore di pressione (P?) associato ad una porta di mandata della pompa idraulica
il metodo comprende i seguenti passi
- (i) Acquisizione di un valore di deflessone di due o pi? leve di controllo,
- (ii) Acquisizione di un valore di pressione da ciascuno di detti sensori di pressione
- (iii) Calcolo di un valore di velocit? di rotazione del motore proporzionale ad una somma delle deflessioni delle due o pi? leve di controllo,
- (iv) calcolo di un valore di apertura di efflusso nominale (A?1, A?2, A?3) di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) attivate, proporzionalmente alle deflessioni di dette corrispondenti due o pi? leve di controllo,
- (v) correzione di detto valore di apertura di efflusso di ciascuna di dette due o pi? valvole attivate, in funzione di valori di pressione misurati mediante detti sensori di pressione (P?1, P?2, P?3) e detto ulteriore sensore di pressione (P?) in modo che il valore del carico idraulico di ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali attivate converge ad un valore comune.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detta correzione ? realizzata
a. calcolando il rapporto
Yn = [(P - Pmax)^0.5]/[(P - Pn)^0.5]
dove n rappresenta l?n-ma valvola attivata, P ? il valore di pressione misurato mediante detto ulteriore sensore di pressione (P?), Pmax ? il valore di pressione massimo misurato tra tutte le porte di mandata delle valvole direzionali (V1, V2, V3) attivate tale che
Pmax = max (P1, P2, P3) e
b. moltiplicando detto rapporto per detto valore di apertura di efflusso nominale (A?1, A?2, A?3) ottenendo un valore di apertura corretto (A?nc = Yn * A?n) e poi
c. impostando detto valore di apertura corretto per ciascuna di dette valvole direzionali attivate.
6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui ciascuno di detti due o pi? attuatori idraulici ? del tipo a doppia azione ed in cui ciascuna di dette corrispondenti due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) comprende una prima ed una seconda porta di mandata ed in cui a ciascuna di dette porte ? associato un sensore di pressione (P?11, P?12, P?21, P?22, P?31, P?32), ed in cui detta correzione comprende un passo preliminare di selezionare segnali generati dai sensori corrispondenti ad un verso di deflessione della corrispondente leva di controllo.
7. Veicolo da lavoro (CWL) comprendente un circuito idraulico per l?attuazione di due o pi? organi idraulici (B, TO, etc), il circuito comprendendo
- una pompa idraulica (PP) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (A1, A2, A3) e corrispondenti,
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3) a centro aperto e corrispondenti,
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK, ROLLER) degli attuatori idraulici,
- un?unit? di elaborazione (CONTROL UNIT) operativamente collegata con
. le due o pi? leve di controllo per acquisire un relativo segnale rappresentativo di una deflessione delle due o pi? leve di controllo,
. le due o pi? valvole direzionali (V1, V2, V3)
. il motore elettrico (M),
in cui l?unit? di elaborazione ? configurata secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6173573B1 (en) * 1996-02-28 2001-01-16 Komatsu Ltd. Control device for hydraulic drive machine
EP1291467A1 (en) * 2000-05-23 2003-03-12 Kobelco Construction Machinery Co., Ltd. Construction machinery
EP3567166A1 (en) * 2018-05-11 2019-11-13 Takeuchi Mfg. Co., Ltd. Hydraulic drive unit of hydraulic excavator

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