IT202100030143A1 - Metodo e sistema di controllo di un circuito idraulico di un veicolo da lavoro - Google Patents

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IT202100030143A1
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electric motor
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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 da lavoro 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 organi o 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 un impianto idraulico alimentato da un motore elettrico che guida in rotazione una pompa idraulica, 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, cos? come l?apertura e la chiusura della benna o delle forche, sono realizzati 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 (o rilascio) tutto il flusso della pompa ? inviato al serbatoio; durante 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 pompato dalla 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.
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. Inoltre il flusso d?olio, a parit? di apertura della spoletta mobile, sar? maggiore verso l?attuatore che ha il carico idraulico minore.
Nei veicoli elettrificati, la velocit? di rotazione del motore elettrico asservito al circuito idraulico di alimentazione degli organi da lavoro pu? essere controllata in modo indipendente da altri sottosistemi. Infatti mentre, nei veicoli dotati di motore a combustione interna, la velocit? di rotazione delle pompe idrauliche dipende dalla velocit? di rotazione del motore a combustione interna, nei veicoli elettrificati manca tale dipendenza.
La presente richiedente, in un prototipo non divulgativo, ha implementato una strategia di controllo del motore elettrico, secondo cui la velocit? di rotazione ? controllata in modo da risultare proporzionale alla somma delle deflessioni delle leve di controllo dei diversi attuatori idraulici. Tuttavia, si ? riscontrato un comportamento degli organi idraulici diverso da quello desiderato e talvolta difficile da controllare.
Tuttavia, il fatto di controllare la velocit? di rotazione del motore elettrico in modo proporzionale all?attivazione degli organi idraulici risulta fondamentale per minimizzare il consumo di energia elettrica al fine di prolungare il tempo di attivit? del veicolo da lavoro elettrificato.
E? evidente che ? indifferente parlare della somma delle deflessioni, evidentemente calcolate rispetto ad una posizione di rilascio delle stesse leve, oppure parlare del grado di apertura delle corrispondenti valvole oppure del gradi di attivazione degli stessi organi idraulici del circuito idraulico.
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 migliorare la risposta degli organi da lavoro. In particolare, quando il controllo del motore elettrico che guida in rotazione la pompa idraulica che alimenta il circuito di controllo degli organi da lavoro ? proporzionale alla somma delle deflessioni delle leve di controllo degli organi idraulici. 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, di calcolare un grado di apertura nominale di ciascuna valvola direzionale in funzione del rispettivo segnale di controllo generato dalla rispettiva leva di controllo e di correggere il segnale di controllo di apertura di ciascuna valvola di controllo in funzione di una tabella di riduzione dell?apertura delle valvole, che tiene conto della contemporanea attivazione di tutte le valvole direzionali.
Grazie a tale tabella di limitazione, si ha un comportamento tale per cui il comportamento degli organi idraulici risulta essere quello desiderato.
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, in funzione della deflessione di una singola leva di controllo di un attuatore idraulico;
nelle figura 3 ? mostrato un esempio di circuito idraulico di controllo di due attuatori idraulici asserviti al controllo di un braccio della macchina da lavoro di figura 1;
nella figura 4 ? mostrato un diagramma di flusso di controllo di due organi idraulici attivati contestualmente. 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 P operativamente collegata ad un motore elettrico M per essere guidata in rotazione esclusivamente 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 ?Joystick Axis? di uno degli attuatori e la velocit? di rotazione del motore elettrico ?Motor Speed?, 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.
Inoltre quando ? attivato un solo attuatore, il grado di apertura della relativa valvola direzionale pu? seguire un?altra strategia di controllo, ad esempio si pu? decidere di avere sempre il massimo grado di apertura, regolando il flusso di olio mediante il controllo del motore elettrico. La leva di controllo ? indicata in figura 3 con ?JOYSTICK?. Un joystick ? generalmente adoperato per il controllo del braccio e della benna potendo essere azionato lungo due assi reciprocamente perpendicolari.
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 e forma.
Secondo un primo aspetto della presente invenzione, la velocit? di rotazione del motore elettrico ? pari alla somma delle velocit? di rotazione, ciascuna calcolata in funzione della deflessione della rispettiva leva di controllo a disposizione dell?operatore.
Dal momento che la leva del joystick pu? essere inclinata secondo due direzioni perpendicolari tra loro, esso ? idoneo a controllare il braccio secondo una prima direzione Y e la benna secondo una seconda direzione X perpendicolare alla prima.
Con riferimento alla figura 3, si nota che ciascun attuatore BOOM e BUCKET ? alimentato per il tramite di una elettro-valvola rispettivamente V1 e V2 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 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 e per controllare il motore elettrico M che guida in rotazione la pompa idraulica P e per controllare il grado di apertura o equivalentemente la posizione della spoletta mobile all?interno di ciascuna valvola direzionale.
In funzione dei segnali acquisiti, l?unit? di elaborazione genera i segnali di controllo delle valvole V1 e V2 e il segnale di controllo del motore elettrico M.
Secondo la presente invenzione, quando l?unit? di elaborazione rileva che due o pi? leve di controllo sono comandate contemporaneamente esegue i seguenti passi:
- Controllo del motore elettrico in modo da portarsi ad una velocit? di rotazione proporzionale alla somma dei valori di deflessione delle due o pi? leve di controllo,
- Calcolo di un grado di apertura di ciascuna valvola direzionale proporzionale alla deflessione della rispettiva leva di controllo,
- Riduzione del grado di apertura di ciascuna valvola in funzione del valore di deflessione di tutte le leve di controllo.
La seguente tabella mostra un esempio di applicazione della riduzione del grado di apertura delle valvole che alimentano rispettivamente i due attuatori BOOM e BUCKET che controllano rispettivamente la posizione del braccio B rispetto al telaio del veicolo e della benna TO rispetto al braccio.
La prima riga indica un valore percentuale ?Boom Command %? di deflessione rispetto alla deflessione massima della leva di controllo nella direzione Y>0 che controlla l?abbassamento ?Lowering? del braccio B: 0, 20, 40, 60, 80, 100%.
La prima colonna indica un valore percentuale ?Bucket Command %? di deflessione rispetto alla deflessione massima della leva di controllo nella direzione X>0 che controlla il richiamo ?Rollback? della benna TO: 0, 20, 40, 60, 80, 100%.
Poich? il carico idraulico per richiamare la benna ?Load on Bucket Rollback? ? maggiore del carico idraulico per abbassare il braccio ?Load on Boom Lowering?, quando vengono attivati contemporaneamente questi due movimenti viene ridotto solamente il grado di apertura della valvola V1 che alimenta l?abbassamento del braccio ad un valore percentuale ?Boom Command Derating %? tale da avere sull?abbassamento del braccio circa lo stesso carico idraulico rispetto al richiamo della benna.
Il carico idraulico, come noto, ? la pressione percepita da ogni valvola immediatamente a monte della relativa spoletta mobile. In cui ?a monte? tiene conto del verso di circolazione dell?olio idraulico.
Ad esempio quando il segnale nominale di controllo dell?abbassamento del braccio ? pari al 60% del segnale massimo, allora si ha una attenuazione di tale segnale pari al 62%, cosicch? il segnale effettivamente utilizzato per controllare la relativa valvola V1 ? pari a 60%*0,62 = 37,2% per ogni valore del segnale nominale di controllo del richiamo della benna (20, 40, 60, 80, 100%).
In altre parole, il grado di apertura della valvola V1 ? ridotto del 62% rispetto al grado di apertura nominale quando la leva di controllo della valvola V2 ? attivata per richiamare la benna, indipendentemente dal suo grado di deflessione.
Pertanto grazie alla presente invenzione risulta possibile non solo compensare l?incremento di portata dovuta al controllo sommativo della velocit? di rotazione del motore elettrico ma risulta anche possibile differenziare la risposta dei singoli attuatori quando due o pi? di essi sono attivi contemporaneamente in modo che il relativo comportamento resta simile al caso in cui essi vengono attivati singolarmente.
Ciascun organo idraulico pu? muoversi in due direzioni opposte, ad esempio il braccio pu? sollevarsi Y<0 ed abbassarsi Y>0, mentre la benna pu? essere richiamata X>0, cio? ruotare indietro (carico), o pu? essere ribaltata X<0, ovvero ruotare in avanti (scarico).
Si individuano dunque quattro combinazioni. Per ciascuna di tali combinazioni pu? essere prevista una tabella di riduzione del grado di apertura delle valvole direzionali. Vale la pena evidenziare che, la presente invenzione pu? essere applicata anche a soluzioni che prevedono la concomitante attivazione di tre o pi? attuatori idraulici. E? evidente che in tal caso, la tabella di riduzione ha una dimensionalit? pari al numero degli attuatori idraulici. Secondo la presente invenzione, l?unit? di elaborazione ? configurata per eseguire i seguenti passi in successione:
- (Passo i) Acquisizione di un segnale elettrico rappresentativo di una deflessione di ciascuna di dette due o pi? leve di controllo, e poi
- (Passo ii) Calcolo di una velocit? di rotazione del motore elettrico proporzionale ad una somma delle deflessioni delle due o pi? leve di controllo, e
- (Passo iii) calcolo, per ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2), di un valore di apertura della valvola funzione di
un valore della corrispondente deflessione e
valori delle deflessioni delle restanti una o pi? leve di controllo, in modo da ottenere un carico idraulico comune su tutte le valvole attive, e successivamente
- (Passo iv) impostazione di detto valore di apertura calcolato.
Mentre ? evidente che il primo passo di acquisizione deve precedere tutti gli altri passi, l?impostazione della velocit? di rotazione del motore elettrico, passo ii, pu? essere contemporanea alla impostazione della sezione di efflusso delle valvole direzionali, passo iv.
In altre parole il passo ii ed i passi iii e iv possono essere eseguiti in parallelo mediante due ?tasks? paralleli.
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 (P) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (BOOM, BUCKET, ?) e corrispondenti
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, ?) a centro aperto e corrispondenti
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK) 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, ?)
. 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 calcolare, per ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2, ?), un valore di apertura della valvola funzione di
- un valore della corrispondente deflessione e
- valori delle deflessioni delle restanti una o pi? leve di controllo, e successivamente per impostare detto valore di apertura calcolato,
per ottenere un carico idraulico circa comune sulle due o pi? valvole attive.
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto valore di apertura di ciascuna valvola in funzione del valore della deflessione della corrispondente leva di controllo ? una funzione lineare del valore della deflessione.
3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta funzione di apertura comprende una look up table disposta per ridurre il valore di apertura di ciascuna valvola in funzione del valore di apertura delle restanti valvole in modo da ottenere una riduzione diversificata dell?apertura di ciascuna valvola per ottenere detto carico idraulico circa comune su tutte le valvole attive.
4. Veicolo da lavoro (CWL) comprendente un circuito idraulico per l?attuazione di due o pi? organi idraulici (B, TO, ?), il circuito comprendendo
- una pompa idraulica (P) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (BOOM, BUCKET, ?) e corrispondenti,
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, ?) a centro aperto e corrispondenti,
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK) 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, ?)
. il motore elettrico (M),
in cui l?unit? di elaborazione ? configurata conformemente al sistema di controllo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 3.
5. Metodo di controllo di un circuito idraulico (HB) di un veicolo da lavoro (CWL), il circuito idraulico comprendendo - una pompa idraulica (P) ed un motore elettrico (M) operativamente collegato alla pompa idraulica per guidarla in rotazione,
- due o pi? attuatori idraulici (BOOM, BUCKET, ?) e corrispondenti
- due o pi? valvole direzionali (V1, V2, ?) a centro aperto e corrispondenti
- due o pi? leve di controllo (JOYSTICK) 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, ?)
. il motore elettrico (M);
il metodo comprendendo
- (Passo i) Acquisizione di un segnale elettrico rappresentativo di una deflessione di ciascuna di dette due o pi? leve di controllo, e poi
- (Passo ii) Calcolo di una velocit? di rotazione del motore elettrico proporzionale ad una somma delle deflessioni delle due o pi? leve di controllo, e
- (Passo iii) calcolo, per ciascuna di dette due o pi? valvole direzionali (V1, V2, ?), di un valore di apertura della valvola funzione di
un valore della corrispondente deflessione e
valori delle deflessioni delle restanti una o pi? leve di controllo, e successivamente per ottenere un carico idraulico circa comune sulle due o pi? valvole attive,
- (Passo iv) impostazione di detto valore di apertura calcolato.
6. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi (i - iv) della rivendicazione 5, quando detto programma ? fatto girare su di una unit? di elaborazione di un sistema di controllo secondo la rivendicazione 1.
7. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi (i - iv) della rivendicazione 5, quando detto programma ? fatto girare su una unit? di elaborazione di un sistema di controllo secondo la rivendicazione 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5560387A (en) * 1994-12-08 1996-10-01 Caterpillar Inc. Hydraulic flow priority system
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