WO2011082890A2 - Verfahren zur bestimmung des schluckvolumes einer radialkolbenmaschine - Google Patents

Verfahren zur bestimmung des schluckvolumes einer radialkolbenmaschine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the absorption volume of a radial piston machine according to the preamble of claim 1.
  • the delivery rate of a radial piston machine ie a radial piston motor or a radial piston pump is directly dependent on the absorption volume, which is variable by adjusting the eccentricity.
  • the current intake volume would be suitable as a reference variable - however, neither the intake volume nor the currently set eccentricity can be measured.
  • a contactless rotation angle sensor for an adjustable radial piston engine has been known.
  • the rotational angle sensor is intended to detect the current rotational or swivel angle of a cylinder of the radial piston motor, wherein the rotational angle is proportional to the currently set absorption volume of the radial piston motor.
  • the swivel angle ⁇ of the cylinder is measured while the radial piston engine is running, from which the eccentricity and above that the displacement are calculated.
  • the currently determined absorption volume can thus be used as a reference variable in a control process for regulating the delivery rate of the radial piston machine.
  • the invention is based on the idea that there is a mathematical link between the swivel angle ⁇ , the angle of rotation ⁇ of the drive shaft and the respectively set eccentricity e. Since the displacement itself and also the eccentricity during operation of the radial piston machine are not or only very badly measurable, according to the invention, only the pivot angle is measured and calculated using this using the mathematical relationship, the displacement.
  • a function similar to a sine curve results in which the maxima and minima are shifted relative to the sine curve.
  • Swivel angle ß are achieved in each case in the top and bottom dead center of the radial piston.
  • each time t n is a rotation angle of a n of the drive shaft associated.
  • a number z of pulses per revolution of the drive shaft is generated for determining the times t n .
  • the occurrence of the pulses triggers the measurement of the swivel angle ß n .
  • the drive shaft is assigned a zero position, which corresponds to the top dead center of the eccentric and which is newly determined after each pass, ie a rotation angle of 360 °.
  • the direction of rotation of the drive shaft from the functional curve of the pivot angle ß, d. H. be determined from the relative position of the swivel angle maxima and minima against ⁇ / 2 and 3 ⁇ 12: If the increase of the swivel angle ß from the minimum to the maximum steeper than the fall from the maximum to the minimum, the direction of rotation is considered to be dextrorotatory. In other cases, the direction of rotation is left-turning. The knowledge of the direction of rotation is essential for the calculation of the swallow volume.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an adjustable radial piston engine
  • Fig. 2 is a schematic representation of the geometric relationships for a cylinder of a radial piston engine
  • Fig. 1 shows a trained as a radial piston engine 1 radial piston machine according to the prior art.
  • Five cylinders 2 are arranged in a star shape and pivotally mounted (which is not shown).
  • Each cylinder 2 is associated with a piston 3 which is slidably supported by a shoe on a lifting ring 4.
  • the cam 4 is driven by an eccentric 5 and thus causes the different Hubphasen shown in the drawing.
  • the pivotable mounting of the cylinders, not shown in FIG. 1, is evident from the initially mentioned DE 1 2004 2004 048 1 74 A1, which is hereby incorporated in full in the disclosure content of the present application.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a cylinder 2 of Fig. 1, wherein like reference numerals are used for the same parts.
  • the cylinder 2 is pivotally mounted about a passing through the point S axis in a housing, not shown.
  • the slidingly arranged in the cylinder 2 piston 3 is supported with its shoe 3a slidably on the cam 4, which is driven by the eccentric 5.
  • the eccentric 5 has a pivot point D, through which the axis of a not shown, the eccentric 5 driving drive shaft extends.
  • the distance of the center M from the pivot point D is referred to as deflection or eccentricity e.
  • the deflection e is adjustable for the purpose of changing the lift or displacement volume of the radial piston motor.
  • the pivot angle of the cylinder 2 is ⁇ and the angle of rotation of the drive shaft about the pivot point D, starting from the top dead center of the piston 3, is denoted by ⁇ .
  • For the indicated rotation angle ⁇ results in a position designated by the point E of the eccentric, in which the cylinder 2 has been pivoted by the angle ß.
  • the function of the swivel angle ⁇ is plotted in FIG. 3 and shown in solid lines, on the one hand for a maximum eccentricity e and on the other hand for half the maximum eccentricity (e / 2). For comparison, corresponding sinusoids are shown in dashed lines. It can be seen that the zero crossings are identical, but not the maxima and minima.
  • the maximum for the swivel angle ß occurs before ⁇ / 2, the minimum for ß occurs after the minimum of the sinusoid.
  • the maximum with ß ma x and the minimum with ß m in are drawn. From the illustrated function curve, ie from the relative position of ⁇ max and ⁇ min with respect to ⁇ 12 and 3 ⁇ 12, the direction of rotation of the drive shaft can be determined. derive le as follows: The direction of rotation is considered to be dextrorotatory if the increase in the swivel angle ß from the minimum to the maximum is steeper than the fall from the maximum to the minimum; in all other cases the direction of rotation is left-turning.
  • the deflection or eccentricity e can be calculated according to the abovementioned tan function.
  • the displacement v of the radial piston engine 1 and the displacement e there is a unique relationship:
  • One of the cylinders 2 is equipped with an angle sensor, not shown, which measures the swivel angle ß - as known from the aforementioned prior art.
  • the zero point of the swivel angle ß is achieved in each case in the upper and lower end position of the piston (top dead center, bottom dead center).
  • an unillustrated pulse generator For one complete revolution of the drive shaft, an unillustrated pulse generator generates a number of z pulses in a pulse detector. Z does not necessarily have to be an integer. This is z. B. then the case when the pulse is not arranged directly on the drive shaft, but is driven by a pinion gear with non-integer ratio.
  • Each pulse n stores the time of its detection t n .
  • each pulse triggers a measurement of the swivel angle ß.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine (1) mit verstellbarer Exzentrizität e, mit schwenkbar angeordneten Zylindern (2) und mit einer einen Exzenter (5) antreibenden Antriebswelle, wobei der Drehwinkel der Antriebswelle mit α und der Schwenkwinkel der Zylinder (2) mit β bezeichnet sind. Es wird vorgeschlagen, dass der Schwenkwinkel β gemessen und aus den Messwerten für β die Exzentrizität (e) und daraus das Schluckvolumen (v) berechnet werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 .
Es ist bekannt, dass die Förderleistung einer Radialkolbenmaschine, also eines Radialkolbenmotors oder einer Radialkolbenpumpe direkt vom Schluckvolumen abhängig ist, welches durch Verstellung der Exzentrizität veränderbar ist. Für eine Regelung der Förderleistung wäre das aktuelle Schluckvolumen als Führungsgröße geeignet - allerdings sind weder das Schluckvolumen noch die aktuell eingestellte Exzentrizität messbar.
Durch die DE 10 2007 003 800 B3 wurde ein Verfahren zur Regelung eines hydrostatischen Antriebs bekannt, wobei das aktuelle Schluckvolumen eines Hydromotors aus dem aktuellen elektrischen Verstellstrom mit Hilfe einer Verstellstromkennlinie abgeleitet wird.
Durch die DE 10 2004 048 174 A1 der Anmelderin wurde eine Einrichtung zur Bestimmung des Schluckvolumens eines verstellbaren Radialkolbenmotors bekannt, welcher schwenkbar gelagerte Zylinder aufweist. Zur Bestimmung des Schluckvolumens ist ein Drehwinkelgeber vorgesehen, welcher den Schwenkwinkel der Zylinder misst, der proportional zum aktuellen Schluckvolumen ist.
Durch die DE 10 2006 043 291 A1 der Anmelderin wurde ein berührungsloser Drehwinkelsensor für einen verstellbaren Radialkolbenmotor bekannt. Der Drehwinkelsensor soll den aktuellen Dreh- oder Schwenkwinkel eines Zylinders des Radialkolbenmotors erfassen, wobei der Drehwinkel proportional zum aktuell eingestellten Schluckvolumen des Radialkolbenmotors ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das aktuelle Schluckvolumen der Radialkolbenmaschine möglichst einfach und genau ermittelt werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird bei laufender Radialkolbenmaschine der Schwenkwinkel ß der Zylinder gemessen, daraus die Exzentrizität und darüber das Schluckvolumen berechnet. Das aktuell ermittelte Schluckvolumen kann somit als Führungsgröße in einem Regelprozess zur Regelung der Förderleistung der Radialkolbenmaschine verwendet werden. Damit ergibt sich eine schnelle und genaue Regelung. Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass zwischen dem Schwenkwinkel ß, dem Drehwinkel α der Antriebswelle und der jeweils eingestellten Exzentrizität e eine mathematische Verknüpfung besteht. Da das Schluckvolumen selbst und auch die Exzentrizität während des Betriebes der Radialkolbenmaschine nicht oder nur sehr schlecht messbar sind, wird erfindungsgemäß nur der Schwenkwinkel gemessen und über diesen unter Verwendung der mathematischen Beziehung das Schluckvolumen errechnet. Für die Funktion des Schwenkwinkels ß in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel α ergibt sich eine einer Sinuskurve ähnliche Funktion, bei der die Maxima und Minima gegenüber der Sinuskurve verschoben sind. Die Nullpunkte des
Schwenkwinkels ß werden jeweils im oberen und im unteren Totpunkt des Radialkolbens erreicht.
Nach einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird der Schwenkwinkel ß zu definierten Zeitpunkten tn gemessen, wobei jedem Zeitpunkt tn ein Drehwinkel an der Antriebwelle zugeordnet wird. Durch die Zuordnung des Drehwinkels zum Messzeitpunkt und damit zum gemessenen Schwenkwinkel ßn lässt sich die Exzentrizität e berechnen.
Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante werden zur Festlegung der Zeitpunkte tn eine Anzahl z von Impulsen pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugt. Das Auftreten der Impulse löst die Messung des Schwenkwinkels ßn aus. Somit erhält man pro Umdrehung der Antriebswelle eine hinreichende Anzahl z von Messwerten für den Schwenkwinkel ß und damit errechnete Werte des aktuellen Schluckvolumens. Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante ist der Antriebswelle eine Nulllage zugeordnet, welche dem oberen Totpunkt des Exzenters entspricht und die nach jedem Durchgang, d. h. einem Drehwinkel von 360 ° neu bestimmt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante kann die Drehrichtung der Antriebswelle aus dem Funktionsverlauf des Schwenkwinkels ß, d. h. aus der relativen Lage der Schwenkwinkel-Maxima und -Minima gegenüber ττ/2 und 3 π 12 bestimmt werden : Ist der Anstieg des Schwenkwinkels ß vom Minimum zum Maximum steiler als der Abfall vom Maximum zum Minimum, so gilt die Drehrichtung als rechtsdrehend. In abweichenden Fällen gilt die Drehrichtung als linksdrehend. Die Kenntnis der Drehrichtung ist wesentlich für die Berechnung des Schluckvolumens.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert, wobei sich aus der Zeichnung/oder der Beschreibung weitere Merkmale und/oder weitere Vorteile ergeben können. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines verstellbaren Radialkolbenmotors, Fig. 2 eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse für einen Zylinder eines Radialkolbenmotors und
Fig. 3 den Funktionsverlauf des Schwenkwinkels ß in Abhängigkeit vom
Drehwinkel a.
Fig. 1 zeigt eine als Radialkolbenmotor 1 ausgebildete Radialkolbenmaschine nach dem Stand der Technik. Fünf Zylinder 2 sind sternförmig angeordnet und schwenkbar (was nicht dargestellt ist) gelagert. Jedem Zylinder 2 ist ein Kolben 3 zugeordnet, der sich mit einem Schuh gleitend an einem Hubring 4 abstützt. Der Hubring 4 wird von einem Exzenter 5 angetrieben und bewirkt somit die unterschiedlichen, in der Zeichnung dargestellten Hubphasen. Die in Fig. 1 nicht dargestellte schwenkbare Lagerung der Zylinder geht aus der eingangs genannten DE 1 0 2004 048 1 74 A1 hervor, die hiermit in vollem Umfang in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Zylinder 2 aus Fig. 1 , wobei gleiche Bezugszahlen für gleiche Teile verwendet werden. Der Zylinder 2 ist um eine durch den Punkt S gehende Achse schwenkbar in einem nicht dargestellten Gehäuse gelagert. Der gleitend in dem Zylinder 2 angeordnete Kolben 3 stützt sich mit seinem Schuh 3a gleitend auf dem Hubring 4 ab, der von dem Exzenter 5 angetrieben wird. Der Exzenter 5 weist einen Drehpunkt D auf, durch welchen die Achse einer nicht dargestellten, den Exzenter 5 antreibenden Antriebswelle verläuft. Der Hubring
4 weist einen Mittelpunkt M auf; der Abstand des Drehpunktes D vom Schwenkpunkt
5 ist mit A bezeichnet. Der Abstand des Mittelpunktes M vom Drehpunkt D wird als Auslenkung oder Exzentrizität e bezeichnet. Die Auslenkung e ist zwecks Veränderung des Hub- oder Schluckvolumens des Radialkolbenmotors verstellbar. Der Schwenkwinkel des Zylinders 2 ist mit ß und der Drehwinkel der Antriebswelle um den Drehpunkt D, ausgehend vom oberen Totpunkt des Kolbens 3, ist mit α bezeichnet. Für den eingezeichneten Drehwinkel α ergibt sich eine durch den Punkt E bezeichnete Position des Exzenters, bei welchem der Zylinder 2 um den Winkel ß verschwenkt wurde. Aus dem Dreieck DSE lässt sich folgende Beziehung ableiten : tanß = e ■ sin a/(A + e ■ cosa)
Man erkennt aus dieser Beziehung, dass der Schwenkwinkel ß einerseits vom Drehwinkel α und andererseits von der eingestellten Exzentrizität e abhängt.
Die Funktion des Schwenkwinkels ß ist in Fig. 3 aufgetragen und in durchgezogenen Linien dargestellt, und zwar einerseits für eine maximale Exzentrizität e und andererseits für die halbe maximale Exzentrizität (e/2). Zum Vergleich sind entsprechende Sinuskurven in gestrichelten Linien eingezeichnet. Man erkennt, dass die Nulldurchgänge identisch sind, allerdings nicht die Maxima und Minima. Das Maximum für den Schwenkwinkel ß tritt vor ττ/2, das Minimum für ß tritt nach dem Minimum der Sinuskurve auf.
Im Diagramm sind das Maximum mit ßmax und das Minimum mit ßmin eingezeichnet. Aus dem dargestellten Funktionsverlauf, d. h. aus der relativen Lage von ßmax und ßmin gegenüber π 12 und 3 π 12 lässt sich die Drehrichtung der Antriebswel- le wie folgt ableiten: Die Drehrichtung gilt als rechtsdrehend, wenn der Anstieg des Schwenkwinkels ß vom Minimum zum Maximum steiler als der Abfall vom Maximum zum Minimum ist; in allen anderen Fällen gilt die Drehrichtung als linksdrehend.
Rechtsdrehend wird mit d = 1 und linksdrehend mit d = -1 definiert.
Aus den so ermittelten Werten für ß und α lässt sich nach der oben genannten tan-Funktion die Auslenkung oder Exzentrizität e errechnen. Für das Schluckvolumen v des Radialkolbenmotors 1 und die Auslenkung e gibt es eine eindeutige Beziehung:
v = f (e) ,
sodass die Kenntnis des Wertes der Auslenkung e äquivalent zur Kenntnis des Schluckvolumens v ist.
Das Maximum des Schwenkwinkels ßmax tritt in Fig. 2 (linke Hälfte) dann auf, wenn der Strahl des Winkels ß den Kreis mit dem Radius e um D im Punkt E' tangiert. Dann ergeben sich das rechtwinklige Dreieck DE'S und die einfache Beziehung:
sinßmax = e/A
Einer der Zylinder 2 ist mit einem nicht dargestellten Winkelsensor ausgestattet, der den Schwenkwinkel ß misst - wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Der Nullpunkt des Schwenkwinkels ß wird jeweils in der oberen und unteren Endlage des Kolbens (oberer Totpunkt, unterer Totpunkt) erreicht. Pro ganzer Umdrehung der Antriebswelle erzeugt ein nicht dargestellter Impulsgeber eine Anzahl von z Impulsen in einem Impulsdetektor. Dabei muss z nicht notwendigerweise eine ganze Zahl sein. Das ist z. B. dann der Fall, wenn der Impulsgeber nicht direkt auf der Antriebswelle angeordnet ist, sondern über einen Zahntrieb mit nicht ganzzahligem Übersetzungsverhältnis angetrieben wird. Von jedem Impuls n wird der Zeitpunkt seiner Detektion tn gespeichert. Außerdem löst jeder Impuls eine Messung des Schwenkwinkels ß aus. Dieser Messwert wird dem Auslösezeitpunkt tn zugeordnet: ßn = ß(tn). Da die Impulse im Allgemeinen keinen festen Winkellagen der Antriebswelle zugeordnet sind, wird bei jedem Umlauf die Nulllage neu bestimmt.
In der Umgebung der Nulldurchgänge ist der Schwenkwinkel ßn zu klein für eine brauchbare Genauigkeit. Verschärft wird das dann zusätzlich, wenn der Exzenter nur schwach ausgelenkt ist, d. h. wenn die Auslenkung e kleine Werte annimmt. Dieses Problem wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst: wenn die Drehzahl der Antriebswelle groß gegenüber der Verstellgeschwindigkeit des Exzenters ist, kann man nur die Extremwerte von ß der letzten Umdrehung der Antriebswelle verwerten und e über die eindeutige Beziehung ßmax(e) bestimmen. Diese Beziehung lautet, wie oben erwähnt:
sinßmax = e/A, d. h. der maximale Schwenkwinkel ßmax hängt nur von der Geometrie, d. h. der aktuellen Auslenkung e ab.
Bezuqszeichen
1 Radialkolbenmotor
2 Zylinder
3 Kolben
3a Schuh
4 Hubring
5 Exzenter
S Schwenkpunkt Zylinder
D Drehpunkt Exzenter
E, E' Exzenterlage
M Mittelpunkt von Hubring
A Abstand
e Exzentrizität α Drehwinkel
ß Schwenkwinkel
ßmax Maximum
ßmin Minimum

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung des Schluckvolumens einer Radialkolbenmaschine (1 ) mit verstellbarer Exzentrizität e, mit schwenkbar angeordneten Zylindern (2) und mit einer einen Exzenter (5) antreibenden Antriebswelle, wobei der Drehwinkel der Antriebswelle mit α und der Schwenkwinkel der Zylinder (2) mit ß bezeichnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel ß gemessen und aus den Messwerten für ß die Exzentrizität (e) und daraus das Schluckvolumen (v) berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel ß zu definierten Zeitpunkten tn gemessen und dass jedem Zeitpunkt tn ein Drehwinkel an der Antriebswelle zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Festlegung der Zeitpunkte tn eine Anzahl z von Impulsen pro Umdrehung der Antriebswelle erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebswelle eine Nulllage zugeordnet ist, welche der oberen Totpunktlage des Exzenters (5) entspricht, und dass die Nulllage nach jeder Umdrehung neu bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass näherungsweise nur die Extremwerte ßmax des Schwenkwinkels ß einer Umdrehung der Antriebswelle verwertet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Extremwerten ßmax die aktuelle Exzentrizität (e) berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Antriebswelle aus dem Funktionsverlauf ß = f(a) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung als rechtsdrehend definiert ist, wenn der Anstieg des Schwenkwinkels ß vom Minimum ßmin zum Maximum ßmax steiler als der Abfall vom Maximum ßmax zum Minimum ßmin ist, und dass die Drehrichtung bei abweichendem Funktionsverlauf als linksdrehend gilt.
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