DE102007018449A1

DE102007018449A1 - Verfahren zur Antischlupfregelung hydrostatischer Fahrzeugantriebe und hydrostatischer Fahrzeugantrieb mit einer Anti-Schlupf Regelung

Info

Publication number: DE102007018449A1
Application number: DE102007018449A
Authority: DE
Inventors: Thomas Waschkowski
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anti-Schlupf-Regelung eines hydrostatischen Fahrantriebs mit mindestens einer von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Pumpe und mehreren von der mindestens einen Pumpe angetriebenen Hydromotoren, die jeweils Antriebsrädern oder Antriebsachsen zugeordnet sind, und weist folgende Verfahrensschritte auf: Mit jeweils einer Sensoranordnung wird die Radgeschwindigkeit der Antriebsräder bestimmt. Aus den Radgeschwindigkeiten wird ein Schlupf eines Antriebsrades bestimmt und ein entsprechendes Schlupfsignal ausgegeben. Nach Maßgabe des Schlupfsignals wird das Schluckvolumen des zum Antriebsrad gehörigen Hydromotors und damit dessen Drehmoment reduziert, wobei zugleich nach Maßgabe des Schlupfsignals das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder reduziert wird. Die Erfindung betrifft außerdem einen hydrostatischen Fahrzeugantrieb, der mit diesem Anti-Schlupf-System ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anti-Schlupfreglung hydrostatischer Fahrzeugantriebe gemäß Anspruch 1 und einen hydrostatischen Fahrzeugantrieb mit einer Anti-Schlupf Regelung gemäß Anspruch 6.
Klassische Anti-Schlupf Regelsysteme sind dazu bestimmt, das Durchdrehen von Rädern an einem Fahrzeug durch Drehmomentreduktion am betroffenen Rad so weit wie möglich zu vermeiden. Radschlupf ist dabei eine von zahlreichen Parametern wie Untergrund, Bereifung, Drehzahl, Geschwindigkeit u. v. a. abhängige Störgröße, bei der der Regler erst eingreifen kann, wenn bereits eine signifikante Regeldifferenz vorliegt. In der technischen Literatur werden solche Regelsysteme üblicherweise als Störgrößenregelsysteme bezeichnet.
In hydrostatischen Antrieben treibt eine Brennkraftmaschine (BKM), typischerweise ein Dieselmotor, eine oder mehrere hydraulische Pumpen an, die ihrerseits mehrere Hydromotoren versorgen. Die Hydromotoren sind dabei jeweils einem Antriebsrad oder zumindest einer Antriebsachse zugeordnet. Als Stellgröße für die Anti-Schlupfregelung dient dabei herkömmlich das Schluckvolumen der Hydromotoren. Wenn das Sensorsystem das Durchdrehen eines Rades feststellt, wird das Schluckvolumen des dem betroffenen Antriebsrad zugeordneten Hydromotors zurückgefahren. Dadurch verringert sich dessen Drehmoment, das damit nur noch in geringerem Ausmaß auf der Abtriebsseite zur Verfügung steht, wodurch dem Durchdrehen dieses Rades entgegengewirkt wird.
Ein derartiges Regelsystem ist relativ instabil, insbesondere führt die Reduzierung des Schluckvolumens des Hydromotors dazu, dass damit gleichzeitig der Systemdruck ansteigt, weil die Pumpe nach wie vor einen gleich hohen Volumenstrom fördert. Aus dem erhöhten Systemdruck resultiert wiederum eine Erhöhung des Gesamtdrehmoments und eine Beschleunigung des Fahrzeugs, die eine neue, zusätzliche Störgröße für das Regelsystem bildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunden ein Anti-Schlupf System mit verbesserter Störgrößenreduktion für einen hydrostatischen Fahrantrieb bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Anti-Schlupf Regelung eines hydrostatischen Fahrantriebs gelöst, wobei der Fahrantrieb mindestens einer von einem Verbrennungsmotor angetriebene Pumpe und mehrere von der mindestens einen Pumpe angetriebene Hydromotoren aufweist, die jeweils Antriebsrädern oder Antriebsachsen zugeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Mit jeweils einer Sensoranordnung wird die Radgeschwindigkeit der Antriebsräder bestimmt. Aus den Radgeschwindigkeiten wird ein Schlupf eines Antriebsrades bestimmt und ein entsprechendes Schlupfsignal ausgegeben. Nach Maßgabe des Schlupfsignals wird das Schluckvolumen des zum Antriebsrad gehörigen Hydromotors und damit dessen Drehmoment reduziert. Zugleich wird nach Maßgabe des Schlupfsignals das den Vortrieb bestimmende Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder reduziert.
Bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Gesamtdrehmoments aller Antriebsräder durch Verringerung des von der Pumpe geförderten Volumenstroms oder dadurch dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine zurückgefahren wird. In anderer Ausführung des Erfindungsgedankens kann das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Getriebes reduziert werden. Ebenso sind Kombinationen hiervon mit Vorteil anwendbar, besondere Vorteile bietet insbesondere die Ausführungsform, bei der sowohl der Volumenstrom der Pumpe als auch das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment, also bspw. deren Drehzahl, zurückgenommen werden. In diesem Fall ist die Regelung vorzugsweise so ausgelegt, dass das Stellsignal zur Verringerung des Drehmoments der Brennkraftmaschine demjenigen zur Reduzierung des Pumpenstroms vorauseilt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch durch einen hydrostatischen Fahrzeugantrieb mit mindestens einer von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Pumpe und mehreren von der Pumpe angetriebenen Hydromotoren gelöst, wobei mindestens zwei Antriebsrädern oder Antriebsachsen jeweils ein Hydromotor zugeordnet ist und eine Antischlupfregelung vorgesehen ist, die einen Sensor zur Detektion eines durchdrehenden Rades ausweist und das Drehmoment des zugeordneten Hydromotors nach Maßgabe des vom Sensor abgegebenen Schlupfsignals reduziert, sowie eine Einrichtung aufweist, die zugleich das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder nach Maßgabe des Schlupfsignals reduziert.
Die Reduzierung des Gesamtdrehmoments kann durch eine Fahrantriebsregelung erfolgen, die nach Maßgabe des Schlupfsignals den Pumpen-Volumenstrom, das Drehmoment der Brennkraftmaschine oder das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes reduziert
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren.
Es zeigen:
1A, 1B: Ein Ausführungsbeispiel mit einer Pumpe und drei Hydromotoren;
2A, 2B: Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;
3: Ein Blockschaltbild des Anti-Schlupfregelsystems
4: Eine schematische Darstellung der für die Anti-Schlupfregelung charakteristischen Signalverläufe über die Zeit.
In 1 ist auf den Teilblättern 1A und 1B ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Anti-Schlupf-Regelsystems am Beispiel eines Fahrantriebs mit Steuerungselektronik dargestellt.
1A zeigt die Antriebssteuerung 17, die Anti-Schlupfregelungseinheit 18 und die Brennkraftmaschine 1, die über ein eigenes Ansteuerungssystem verfügt und üblicherweise mittels Gaspedal und/oder Vorwärts-/Rückwärtshebel bedient wird. In 1 sind hiervon nur die für die Anti-Schlupfregelung relevanten Schaltungsteile dargestellt; die grundlegende Fahrzeugsteuerung ist herkömmlich ausgeführt. Die Einheiten 1, 17, 18 sind über einen CAN-Bus 19 (Controller Area Network) miteinander verbunden, über den die Recheneinheiten die relevanten Regelgrößen für Pumpenreduktion und BKM-Reduktion austauschen. In jeder der Einheiten sind hierzu ein CAN-Treiber 20 und entsprechende Bus-Kontakte 13 (CAN Abschirmung 14, CAN High 15 und CAN Low 16) vorgesehen, um sowohl den Volumenstrom der Pumpe 2 als auch die BKM-Drehzahl nach Maßgabe des ermittelten Radschlupfs regeln zu können.
1B stellt das Fahrzeug mit den Schnittstellen zu Sensoren und Aktuatoren dar. Die Pumpe 2 wird mechanisch, bspw. über ein Getriebe von der Brennkraftmaschine (BKM) 1 angetrieben. Der von der Pumpe 2 geförderte Volumenstrom, wird über die Antriebssteuerung 17 mittels der Pumpenverstelleinheit 10 geregelt. Die Verstellung der Pumpe 2 erfolgt hydraulisch mittels der Ventileinheit 9, die mit der Antriebssteuerung 17 über die Steuerleitungen 25 verbunden ist und von dieser elektronisch angesteuert wird. Die Rückmeldung der Pumpendrehzahl erfolgt mittels des Drehzahlsensors 8 über die Messleitung 26 zur Antriebssteuerung 17, wodurch dieser Regelkreis geschlossen wird.
Die Pumpe 2 versorgt die Hydromotoren 3, 4, 5, die bspw. als Schrägachsentriebwerke ausgebildet sind und von denen jeweils eines den Hinterrädern und eines der Vorderachse 6 zugeordnet ist. In gleicher Weise können auch mehrere Pumpen, bspw. je eine für jeden Hydromotor vorhanden sein. Ebenso kann auch für jedes der Vorderräder ein eigener Hydromotor vorgesehen werden.
Die Radgeschwindigkeit wird im gezeigten Beispiel über die Abtriebsdrehzahlen der Hydromotoren 3, 4, 5 mittels der Drehzahlsensoren 7 gemessen. Die Anti-Schlupfregelungseinheit 18 empfängt deren Sensorsignale und ermittelt daraus in der nachfolgend beschriebenen Weise Soll-Geschwindigkeit und Schlupf. Der ermittelte Schlupfwert dient einerseits zur Regelung des Schluckvolumens der Hydromotoren 3, 4, 5, die über die zugeordneten Ventileinheiten 11 und Verstelleinrichtungen 12 verstellt werden, und andererseits zur vorgenannten Pumpen- bzw. BKM-Reduktion.
Das Regelsystem arbeitet in der Weise, dass beim Auftreten von Schlupf das Schluckvolumen des betroffenen Hydromotors zurückgefahren wird, um dessen Drehmoment zu reduzieren. Zugleich wird der Schlupfwert über den CAN-Bus 19 an die Antriebssteuereinheit 17 und an die Brennkraftmaschine 1 weitergeleitet. Über die Antriebssteuereinheit 17 wird beim Auftreten von Schlupf der von der Pumpe P2 geförderte Volumenstrom reduziert. Außerdem wird die BMK-Drehzahl zurückgenommen, um mit diesen Maßnahmen dem Durchdrehen der Antriebsräder entgegen zu wirken.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt, wobei die Bezugszeichen für gleiche Bauteile beibehalten wurde. Im Unterschied zu 1A werden die Regelgrößen hier nicht über den CAN-Bus zwischen der Antriebssteuerung 17 und der Anti-Schlupf Regelung 18 ausgetauscht. Diese beiden Einheiten sind vielmehr logisch zu einer Steuer- und Regeleinheit zusammengefasst. Lediglich die Brennkraftmaschine 1 bleibt ein eigenständiges Gerät. Die Daten zur BKM-Reduktion werden deshalb weiterhin über den CAN-Bus übertragen. Die Arbeitsweise der Anti-Schlupf Regelung ist die gleiche wie in 1, auf deren Beschreibung diesbezüglich verwiesen wird.
3 zeigt den prinzipiellen Ablauf der erfindungsgemäßen Anti-Schlupf-Regelung am Beispiel mit zwei hinteren Antriebsrädern plus einer angetriebenen Vorderachse und drei zugeordneten Hydromotoren, deren Schluckvolumen jeweils über eine Verstelleinheit und entsprechend ausgelegte Aktuatoren 33 geregelt wird. Hierzu werden die Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Antriebsräder jeweils über geeignete Sensoren 7 erfasst. Aus den in der Regel unterschiedlichen Radgeschwindigkeiten wird zunächst ein Referenzwert 27 bestimmt, der bspw. die langsamste der gemessenen, von Null verschiedenen Geschwindigkeiten sein kann. Dieser Referenzwert gibt dann die Soll-Geschwindigkeit für alle Räder vor.
Der Schlupfwertbestimmung 28 erfolgt durch Differenzbildung zwischen den Ist-Geschwindigkeiten der Antriebsräder und der Soll-Geschwindigkeit und wird im Beispiel der 3 in Prozent der Ist-Geschwindigkeit an einen Regler, bspw. einen PID-Regler 29 ausgegeben. Hierbei wird ein vorgegebbarer Toleranzwert 30 berücksichtigt, der eine maximal zulässige Abweichung von der Sollgeschwindigkeit (max. erlaubte Geschwindigkeit 31) bestimmt. Je höher die erlaubte Toleranz ist, desto weniger bildet sich eine Regelgröße ab. Bei Überschreiten der maximal erlaubten Radgeschwindigkeit erfolgt ein Ausregeln durch das Anti-Schlupf Regelsystem. Der PID Regler 29 gibt über einen Verstärker 32 eine entsprechende Stellgröße an den Aktuator 33 der Verstelleinheit des betroffenen Hydromotors aus. Art und Einstellungen des Reglers können sehr verschieden ausgestaltet und individuell an die jeweilige Fahrzeugart und deren Erfordernisse angepasst werden.
Erfindungsgemäß werden nun die Regelgrößen für die Hydromotoren mit der BKM- und Pumpenregelung 34, d. h. mit dem Vortrieb des Fahrzeugs verknüpft, der durch den von der Pumpe geförderten Volumenstrom, die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1, und/oder die Getriebeübersetzung bestimmt wird. Die Regelgrößen werden hierzu einer Bereichsanpassung hinsichtlich ihrer Start- und Endwerte zugeführt und den Stellgrößen an den Aktuatoren 35, 36 der Pumpe bzw. der Brennkraftmaschine angepasst. Bei der Pumpe kann je nach Fahrzeug und Einsatzgebiet eine teilweise bis vollständige Rücknahme der Pumpensollwerte erfolgen, wobei im Falle einer hundertprozentigen Rücknahme das Fahrzeug in der Regel aber zum Stehen kommt. Als praktikabler Wert hat sich in der Praxis ein Stell-/Regelbereich R von 0% < R ≤ 50% als sinnvoll erwiesen. Hierbei wird das für den Vortrieb verantwortliche Gesamtdrehmoment entsprechend zurückgefahren, wodurch das Durchdrehen einzelner Räder in vorteilhafter Weise ausgeregelt werden kann.
Da erfindungsgemäß die Anti-Schlupf Regelung die von der Fahrsituation abhängige und vergleichsweise träge Antriebssteuerung/-regelung von Pumpe und Brennkraftmaschine überlagert, ist ferner eine Anpassung hinsichtlich der Zeitkonstanten erforderlich, die bspw. durch eine Integration über die Zeit in einem den jeweiligen Aktuatoren 35, 36 vorgeschalteten Filter 37 erfolgen kann. Gute Ergebnisse erhält man, wenn hier ebenfalls ein PID-Regler vorgesehen wird, dem ein Filter erster Ordnung nachgeschaltet ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn beim Auftreten von Schlupf sowohl der von Pumpe geförderte Volumenstrom als auch die Drehzahl der Brennkraftmaschine zurückgefahren werden. Allerdings tritt bei der Sollwertreduktion der Brennkraftmaschine in der Regel eine Verzögerung in der Systemreaktion auf, wenn die geforderte Leistung wieder abgerufen werden soll, bspw. wenn hierzu Ladedrücke von Turboladern o. dgl. erzeugt werden müssen, die naturgemäß Zeit benötigen, um die Motorleistung nach einer Sollwertreduktion wieder aufzubauen. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Signal für die Verbrennungsmotorreduktion dem der Pumpenreduktion etwas vorauseilt, was durch entsprechende Ausgestaltung des den jeweiligen Aktuatoren 35, 36 vorgeschalteten Filters 37 ohne weiteres realisiert werden kann.
In 4 sind charakteristische Signalverläufe über die Zeit aufgetragen, die in der Praxis leicht an der realen Schaltung abgenommen werden können und bspw. zur Identifizierung und Überprüfung des erfindungsgemäßen Regelverhaltens herangezogen werden können. Die durchgezogene Kurve stellt den Schlupf 21 dar, der im wesentlichen dem Kurvenverlauf der Radgeschwindigkeit 22 folgt. Punktiert aufgetragen ist weiter der invertierte Volumenstrom der Pumpe der somit die Pumpenreduktion 24 wiedergibt. Wie die Darstellung zeigt folgt die gemessene Reduktion des Pumpenstroms exakt dem Verlauf des Radschlupfs. Gleiches gilt für das Schluckvolumen 23 des betroffenen Hydromotors, das in der gestrichelt gezeichneten Kurve dargestellt ist. Die Kurven zeigen, dass sich mit einer Reduzierung des Hydromotor-Schluckvolumens in Verbindung mit einer Reduzierung des von der Pumpe geförderten Volumenstroms, d. h. einer entsprechenden Reduzierung des Gesamtdrehmoments des Fahrzeugsantriebs eine effiziente Anti-Schlupf Regelung ergibt.

1: Brennkraftmaschine (BKM)
2: hydraulische Pumpe
3: Hydromotor (Vorderachse)
4: Hydromotor (linkes Hinterrad)
5: Hydromotor (rechtes Hinterrad)
6: Vorderachse
7: Drehzahlsensor (Hydromotor-Abtriebsachse)
8: Drehzahlsensor (Pumpe)
9: Ventileinheit für elektronische Pumpenverstellung
10: Pumpenverstelleinrichtung
11: Ventileinheit für elektronische Verstellung eines Hydromotors
12: Verstelleinrichtung (Hydromotor)
13: Bus Kontakte
14: Can Abschirmung
15: Can High
16: Can Low
17: Antriebssteuereinheit
18: Anti-Schlupf-Regelungseinheit
19: CAN Bus
20: CAN Treiber
21: Schlupf
22: Radgeschwindigkeit
23: Motor-Schluckvolumen
24: Volumenstromreduktion (Pumpe)
25: Steuerleitungen
26: Messleitung
27: Bestimmung des Referenzwerts
28: Schlupfwert-Bestimmung
29: PID-Regler
30: Toleranz
31: Bestimmung „max. erlaubte Geschwindigkeit"
32: Verstärker
33: Aktuatoren (Hydromotoren)
34: BKM- und Pumpenregelung
35: Aktuator (BKM)
36: Aktuator (Pumpe)

Claims

Verfahren zur Anti-Schlupf Regelung eines hydrostatischen Fahrantriebs mit mindestens einer von einer Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Pumpe (2) und mehreren von der mindestens einen Pumpe (2) angetriebenen Hydromotoren (3, 4, 5), die jeweils Antriebsrädern oder Antriebsachsen zugeordnet sind, mit folgenden Schritten: Mit jeweils einer Sensoranordnung (7) wird die Radgeschwindigkeit der Antriebsräder bestimmt; Aus den Radgeschwindigkeiten wird ein Schlupf eines Antriebsrades bestimmt und ein entsprechendes Schlupfsignal (28) ausgegeben; nach Maßgabe des Schlupfsignals (28) wird das Schluckvolumen des zum Antriebsrad gehörigen Hydromotors (3, 4, 5) und damit dessen Drehmoment reduziert; zugleich wird nach Maßgabe des Schlupfsignals das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder reduziert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder durch Zurücknahme des Pumpen-Volumenstroms reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder durch Regelung der Brennkraftmaschine (1) reduziert wird, indem deren Drehzahl zurückgefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Getriebes reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder sowohl durch Zurücknahme des Pumpen-Volumenstroms als auch durch Verringerung der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) reduziert wird, wobei das Stellsignal zur Verringerung der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) demjenigen zur Reduzierung des Pumpenstroms vorauseilt.
Hydrostatischer Fahrzeugantrieb mit – mindestens einer von einer Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Pumpe (2) und mehreren von der Pumpe (2) angetriebenen Hydromotoren (3, 4, 5), wobei mindestens zwei Antriebsrädern oder Antriebsachsen jeweils ein Hydromotor zugeordnet ist, – einer Antischlupfregelung (3), die einen Sensor (7) zur Detektion eines durchdrehenden Rades ausweist und das Drehmoment des zugeordneten Hydromotors (3, 4, 5) nach Maßgabe eines vom Sensor (7) abgegebenen Schlupfsignals reduziert – einer Einrichtung, die zugleich das Gesamtdrehmoment aller Antriebsräder nach Maßgabe des Schlupfsignals reduziert.
Hydrostatischer Fahrzeugantrieb nach Anspruch 5, bei welchem eine Fahrantriebsregelung vorgesehen ist, die nach Maßgabe des Schlupfsignals die Pumpen-Verstelleinrichtung derart regelt, dass der Pumpen-Volumenstrom reduziert wird.
Hydrostatischer Fahrzeugantrieb nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem eine Fahrantriebsregelung vorgesehen ist, die nach Maßgabe des Schlupfsignals die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) reduziert.
Hydrostatischer Fahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei welchem eine Fahrantriebsregelung vorgesehen ist, die nach Maßgabe des Schlupfsignals das Übersetzungsverhältnis eines Getriebes reduziert.