HYDROMASCHINE MIT ELEKTRONISCH GESTEUERTEN VENTILEN

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine ventilgesteuerte Hydromaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Regelungsverfahren einer solchen Hydromaschine.

Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die als Motor sowie als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förderbzw. Schluckvolumen über die Ventilsteuerung nahezu stufenlos verstellbar ist, wobei im Stand der Technik auch eine gestufte Verstellung bekannt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß diesem Stand der Technik ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder dieser Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein nieder- druckseitiges Ventil und ein hochdruckseitiges Ventil mit einem Druckmittelzulauf oder einem Druckmittelablauf verbindbar ist. Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die elektrische Pumpen-Motor-Steuerung ansteuerbar und im jeweiligen Arbeitsraum im sogenannten„füll mode", im„partial mode" oder im„idel mode" zu betreiben sind. Dadurch kann das Förder- oder Schluckvolumen in diesem besonderen Fall stufenlos von einem Maximalwert auf Null verstellt werden.

Über eine Steuereinheit der Pumpen-Motor-Steuerung wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen- Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittssteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.

Hydromaschinen mit über die Ventilsteuerung veränderbarem Schluck-/Fördervo|umen nennt man auch Digital-Displacement-Units (DDU). Bei derartigen Hydromaschinen sind grundsätzlich alle Verdrängerprinzipien denkbar. Vorteilhaft sind jedoch Kolbenmaschinen, insbesondere in Radialkolbenbauweise, da diese es ermöglichen, den Ein- und Ausgang für jeden Verdränger separat auszuführen und somit aktiv zu kontrollieren. Dabei kann es durchaus sinnvoll sein, zwischen Pumpen- und Motorbetrieb zu unterscheiden, so dass dann das Kontrollelement für den Nieder- bzw. Hochdruckanschluss unterschiedlich aussehen kann.

Um in einem hydraulischen System, wie es unter Anderem in der Fig. 2 dargestellt ist, beispielsweise den vorherrschenden Hydraulikdruck zu erhöhen, wird die Hydroma- schine vorstehend beschriebener Bauart auf den Pumpen-Modus geschaltet, wodurch Druckmittel in das System gegeben wird. Überflüssige Druckmittel-Mengen können jedoch in diesem Modus nicht von der als Pumpe arbeitenden Hydromaschine aus dem System abgenommen werden. D.h., dass ggf. überschüssiges Druckmittel dann nur durch den Verbraucher, durch Leckage, zusätzliche Druckspeicher, usw. aus dem System entfernt werden kann.

Wird ein sehr schneller Druckaufbau im System benötigt, muss demzufolge die von der Hydromaschine maximal förderbare Druckmittel-Menge (im "full-mode") schnellstmöglich gefördert werden. Dies führt jedoch ggf. zu Überschwingungen im Druckverlauf aufgrund eines von der Regelungsträgheit abhängigen Druckmittelüberschusses. Das Druckmittel kann jedoch nur über die vorstehend genannte Leckage oder über die unterschiedlichen Verbraucher aus dem System entfernt werden, was letztlich zu einem langsamen Abklingen des Systemdrucks auf den Sollwert führt. In anderen Worten ausgedrückt, wenn die Regelung einen Stellwert unter Null anfordert (was der Fall sein kann, wenn der Druck im System einen sehr hohen Wert erreicht), dann stellt die DDU Einheit den Volumenstrom ab (alle Kolben-Zylinder-Einheiten sind auf Leerlauf geschaltet), da im Pumpenbetrieb keine negative Fördermenge möglich ist. Ist daher der Überdruck im System zu hoch, wird nur über die Komponenten im System Druck abgebaut. Die Eigendynamik dieses Druckabbaus ist jedoch vom System und dessen Betriebspunkt abhängig und daher schwierig zu regeln.

Angesichts dieser aktuellen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hydromaschine der vorstehenden Gattung sowie ein Regelverfahren für diese Hydromaschine bereitzustellen, um einen Solldruck akkurater einstellen zu können.

Diese Aufgabe wird durch eine Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei Gegenstand der Unteransprüche.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den aktuellen Betriebsmodus, in dem sich eine Hydromaschine (vorzugsweise DDU) befindet, nicht insgesamt, sondern partiell, d.h. für zumindest eine ausgewählte Kolben-/Zylindereinheit in Abhängigkeit einer Abweichung von einem erfassten Ist-Wert zu einem Soll-Wert zu wechseln und somit die Hydromaschine teilweise in einem Pumpenbetriebsmodus und teilweise in einem Motorbetriebsmodus gleichzeitig zu betreiben. Innerhalb der Betriebsmodi kann dann noch ggf. individuell oder betriebsmoduszugehörig auf Volllast-, Teillast- oder Leerlaufbetrieb geregelt werden.

Erfindungsgemäß hat demzufolge eine Hydromaschine eine Anzahl von Kolben-/Zylin- der-Einheiten, die jeweils über vor- und nachgeschaltete Ventile steuerbar sind, die wiederum mittels einer elektronischen Regelung aktivierbar sind, um die Hydromaschine wahlweise in einen Pumpenbetriebsmodus und/oder einen Motorbetriebsmodus zu wechseln. Dabei ist es vorgesehen, dass die Regelung wahlweise die einzelnen Kol- ben-/Zylinder-Einheiten oder Einheitengruppen getrennt voneinander in individuell auswählbare bzw. ausgewählte Betriebsmodi schaltet.

Das Wechseln des Arbeitsmodus gezielt ausgewählter Kolben-/Zylinder-Einheiten (Pumpe zu Motor oder Motor zu Pumpe), um von einer positiven Druckmittelförderung (Pumpenbetrieb) in eine negative Druckmittelförderung (Motorbetrieb) wechseln zu können (je nach Anforderung/Vorgabe eines vorzugsweise digitalen Druckreglers) hat den Vorteil einer deutlich verbesserten Steuerbarkeit der Hydromaschine. Da die Akto- rik (Pumpe/Motor) im positiven und (gleichzeitig teilweise) negativen Bereich arbeiten kann, können schnellere Regelungen entworfen werden, die so schnell wie möglich Druckmittel fördern. Wenn dadurch ein zu hoher Druck im System entsteht (Über- schwingen), kann dieser vom Regelaktor aktiv abgebaut werden (schneller Abbau), statt warten zu müssen, bis das System die überflüssige Druckmittelmenge verbraucht hat.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Regelung innerhalb des für ausgewählte Kolben-/Zylinder-Einheiten oder Einheitengruppen individuell ausgewählten Betriebsmodus in Volllast- oder Teillastbetrieb wahlweise schaltet. In anderen Worten ausgedrückt, erfolgt ein Einstellen des Schluck- und/oder Fördervolumens der Kolben-/Zylinder-Einheiten individuell oder gruppenweise ausschließlich für die ausgewählten und/oder die nicht ausgewählten Einheiten. Auf diese Weise kann ein Druckabbau im Fall eines Überschwingens oder ein Druckaufbau im Fall einer Unterschwingens in feiner geregelter Weise erfolgen.

Die Regelung der Hydromaschine kann ferner vorzugsweise mit der Regelung der Verbraucher des Systems abgeglichen werden (Fördermenge der Pumpe und Schluckvolumen des Motors können zueinander abgestimmt sein) wodurch die Regelung insgesamt verbessert wird.

Darüber hinaus ist ein hydraulisches System mit mehreren Volumenstromquellen (Pumpen) von jeweils unterschiedlicher Größe denkbar. Eine übergeordnete Regelung/ Überwachung könnte mögliche Drucküberschwingungen im System erfassen und entscheiden, von welcher DDU welche Kolben-Zylinder-Einheit in den Motorbetrieb gewechselt werden soll - mit dem Ziel, die Pulsation im System so klein wie möglich zu halten. Hier sei darauf verwiesen, dass dann, wenn Kolben-Zylindereinheiten unterschiedlicher Nenngröße zur Verfügung stehen, eine Berechung dahingehend ermöglicht wird, welche dieser Kolben-Zylinder-Einheiten gebraucht wird/werden, um eine bestimmte Druckmittelmenge (z.B. Hydrauliköl, Kühlmittel, etc.) aus dem System zu entfernen.

Das Regelungsverfahren nach Anspruch 7 sieht die folgenden grundsätzlichen

- Erfassen eines Ist-Druckwerts in einem an die Hydromaschine angeschlossenen Hydrauliksystem oder eines Drehmomentwerts,

- Vergleichen des Ist-Druckwerts oder Ist-Drehmomentwerts (an einer Antriebswelle für die Kolben-Zylinder-Einheiten) mit einem Soll-Wert und Bestimmen einer Abweichung und - Wechseln des aktuellen Betriebsmodus individuell für ausgewählte oder auswählbare Kolben-Zylinder-Einheiten oder Einheitengruppen der Hydromaschine in Abhängigkeit der Abweichung.

Dieses Verfahren ist insbesondere bei einer Hydromaschine (DDU) mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anwendbar.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitende Figur näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Druckregelung mit einer DDU/ DVR Einheit, in welcher die einzelnen Zylinder zwischen Pumpen- und/oder Motorbetrieb frei wechselbar sind,

Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau eine Hydromaschine vorliegend in Radialkolbenbauform und

Fig. 3 zeigt eine Druckregelung mit einer DDU/DVR Einheit gemäß dem Stand der Technik zum Vergleich.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Druckregelung mit einer Hydromaschine, vorzugsweise DDU/DVR Einheit 1 abgebildet, im Wesentlichen bestehend aus einer elektrischen/elektronischen Maschinenregelung 2 mit einem Eingabe-Interface 4 zur Eingabe eines Solldruckwerts für ein Hydrauliksystem 6 (beispielsweise eine Baumaschine) und einem Ausgabe-Interface 8, an das die DDU-DVR Einheit 1 (Hydromaschine) angeschlossen ist.

Die Hydromaschine 1 kann beispielsweise eine ventilgesteuerte Kolbenmaschine (Axial- oder Radialkolbenmaschine) sein, die im Pumpen- und/oder Motor-Modus mit veränderbarem Förder- und/oder Schluckvolumen betrieben werden kann. Eine solche Kolbenmaschine, wie sie beispielhaft in der Fig. 2 dargestellt ist, hat gemäß der bereits eingangs gegebenen Beschreibung zum Stand der Technik eine Mehrzahl von Kolben 10, die in separaten Zylinder-Druckräumen 12 gleitend geführt sind und die über individuell zugeordnete Niederdruck- 14 und Hochdruckventile 16 gesteuert werden. Die Niederdruckventile 14 verbinden die von den Kolben 10 jeweils volumenveränderbaren Druckräumen 12 mit einem Druckmitteltank 18, wohingegen die Hochdruckventile 16 die jeweiligen Druckräume 12 beispielsweise mit einem Verbraucher oder Verbrauchern des Hydrauliksystems 6 verbinden, wobei zwischen den Verbrauchern und der Hydroma- schine 1 weitere (nicht gezeigte) hydraulische Regelungselemente zwischengefügt sein können.

Grundsätzlich erlauben DDU Einheiten ein schnelles Wechseln des Betriebsmodus der Hydromaschine vom Pumpenbetrieb in den Motorbetrieb und umgekehrt. Darüber hinaus ist es wie vorstehend bereits angeführt wurde, möglich, die Hydromaschine innerhalb des ausgewählten Betriebsmodus in einen Volllast-, einen beliebigen Teillast- oder Leerlaufbetrieb zu schalten.

Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, den Betriebsmodus einzelner Kolben-/ Zylinder-Einheiten 10 innerhalb der Hydromaschine 1 in Abhängigkeit der erfassten Druckverhältnisse im Hydrauliksystem 6 vom Pumpen- in den Motorbetrieb zu wechseln oder umgekehrt. D.h. wird im Fall eines Pumpenbetriebs zur Erhöhung des vorherrschenden Drucks im System 6 auf einen Solldruck zu viel Druckmittel in das Hydrauliksystem 6 gegeben (Überschwingverhalten), können erfindungsgemäß ein oder sogar mehrere (ausgewählte) Zylinder-/Kolben-Einheiten 10 der (gleichen) Hydromaschine 1 in den Motorbetriebsmodus mit ggf. zusätzlich entsprechend ausgewähltem Volllastoder Teillastbetrieb gewechselt werden. Diese Kolben-/Zylinder-Einheit(en) 10 der Hydromaschine 1 können dann die Druckmittel-Übermenge schnell und kontrolliert aus dem System 6 (vorzugsweise Hydrauliksystem) entfernen.

Da demzufolge die Aktorik des Systems (der Hydromaschine) sowohl in dem positiven Bereich (Druckmittel fördern) als auch in dem negativen Bereich (Druckmittel verbrauchen/abbauen) individuell arbeiten kann, ist es möglich, die Regelung 2 für die individuelle Ansteuerung der einzelnen Kolben-/Zylinder-Einheiten 0 oder ausgewählter Einheiten-Paare zu entwerfen, um schnell zum gewünschten Solldruckwert zu kommen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die vorstehende Regelung 2 zum geziel- ten Wechsel einzelner Zylinder-/Kolbeneinheiten 10 im Pumpenbetriebsmodus der Hydromaschine 1 vom Pumpenbetrieb in den Motorbetrieb prinzipiell auch in umgekehrter Richtung im Motorbetriebsmodus der Hydromaschine 1 funktioniert, nämlich vom Motorbetrieb in den Pumpenbetrieb. D. h., soll ein Systemdruck auf einen bestimmten Druck abgebaut werden, wird die Hydromaschine 1 in den Motorbetriebsmodus gewechselt. Im Fall eines regelungsbedingten Unterschwingens des Solldrucks steuert die Regelung 2 erfindungsgemäß einzelne ausgewählte Kolben-/Zylinder-Einheiten 10 oder Einheiten-Paare an, um diese ausgewählte Einheiten 10 in den Pumpenbetriebsmodus ggf. bei weiterhin auswählbarem Voll- oder Teillastbetrieb zu wechseln und damit den Systemdruck auf den gewünschten Solldruck zu erhöhen (Unterschwingen wird vermieden bzw. schnell kompensiert). Dieser Regelvorgang, nämlich das Umschalten vom Motorbetrieb in den Pumpenbetrieb gemäß vorstehender Ausführung, gilt insbesondere für eine Drehmomentregelung, wonach ein Hydromotor zunächst ein Drehmoment auf der Welle erzeugt und dann durch das Wechseln in den Pumpenbetrieb Drehmoment (-an- teile) aus der Welle abgebaut werden. Hierdurch ergeben sich verbesserte Regelungseigenschaften.

Offenbart wird folglich eine Hydromaschine (DDU-Einheit) 1 mit einer Anzahl von Kol- ben-/Zylinder-Einheiten 10, die jeweils über vor- und nachgeschaltete Ventile 14, 16 steuerbar sind, die wiederum mittels einer elektronischen Regelung 2 aktivierbar sind, um die Hydromaschine 1 wahlweise in einen Pumpenbetriebsmodus und/oder einen Motorbetriebsmodus zu wechseln. Erfindungsgemäß schaltet die Regelung in Abhängigkeit von bestimmten Regelgrößen wahlweise die einzelnen Kolben-/Zylinder-Ein- heiten 10 oder Einheitengruppen getrennt voneinander in individuell auswählbare Betriebsmodi.