IT202100018932A1 - Metodo e sistema di controllo di un attuatore idraulico per un veicolo da lavoro elettrificato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

?Metodo e sistema di controllo di un attuatore idraulico per un veicolo da lavoro elettrificato?

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa al campo dei veicoli da lavoro elettrificati, ed in particolare del tipo comprendenti un circuito idraulico di attuazione di almeno un organo idraulico, tra cui un braccio e/o una benna.

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.

Gli attuatori idraulici implementati per la movimentazione degli organi sono del tipo a doppia camera, vale a dire un pistone mobile divide due camere chiuse alternatamente alimentabili dalla pompa idraulica.

Esistono diverse tipologie di valvole per il controllo dei circuiti 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 e fino al raggiungimento della posizione di ?banda morta? tutto il flusso della pompa ? inviato al serbatoio, dalla posizione di ?banda morta? fino alla posizione di ?fine regolazione?, tale intervallo di posizioni viene definito fase di regolazione, il flusso della pompa idraulica ? ripartito tra l?attuatore ed il serbatoio, dalla posizione di ?fine regolazione? fino alla posizione di ?massima apertura? della valvola 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 progressivo sviluppo tecnologico dei sistemi di alimentazione a batteria consente di progettare veicoli da lavoro elettrici.

Il problema fondamentale dell?elettrificazione di veicoli da lavoro consta nel fatto che i circuiti idraulici di controllo di bracci, pale, etcc., sono molto ben collaudati e affidabili, pertanto, i veicoli elettrici continuano a comprendere 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 distinti e separati da quelli inerenti la movimentazione del veicolo da lavoro, quali ad esempio trasmissioni, sistemi frenanti, etcc.

L?elettrificazione di un veicolo da lavoro comporta l?eliminazione del motore a combustione interna in favore di almeno un motore elettrico.

Si pu? ad esempio prevedere un primo motore elettrico impiegato esclusivamente per guidare in rotazione la pompa idraulica di alimentazione di almeno un organo idraulico da lavoro. Si pu? prevedere un secondo motore elettrico impiegato per la movimentazione del veicolo.

Nel seguito, per comodit?, un organo idraulico da lavoro ? appellato semplicemente come ?organo idraulico? intendendosi che ? destinato a compiere operazioni di lavoro ma non ? destinato alla movimentazione del veicolo da lavoro.

Vi sono molte differenze tra i motori a combustione interna ed i motori elettrici. Oltre alla sostanziale diversa fonte di energia, il motore a combustione interna, quando attivo, presenta un regime minimo di rotazione, indispensabile al suo funzionamento, mentre un motore elettrico entra in rotazione non appena alimentato elettricamente.

Tutto ci? ha delle ripercussioni sul funzionamento della pompa idraulica guidata dal motore elettrico.

Un regime minimo di rotazione del motore elettrico implica un consumo di energia elettrica non necessario per l?intrinseco funzionamento dello stesso.

Il risparmio di energia elettrica ? essenziale per consentire la diffusione di veicoli elettrificati, in sostituzione di tradizionali veicoli da lavoro equipaggiati con motori a combustione interna.

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 proporre un metodo e sistema per il risparmio di energia elettrica in un veicolo elettrificato da lavoro. In particolare per quei veicoli da lavoro completamente sprovvisti di un motore a combustione interna.

Lo scopo della presente invenzione ? quella di modificare il comportamento del motore elettrico, rispetto al motore a combustione interna, e della valvola di controllo del circuito idraulico di alimentazione di un organo idraulico per mantenere il medesimo comportamento di un veicolo tradizionale, ma con un netto risparmio di energia elettrica.

L?idea di base ? quella di coordinare il funzionamento del motore elettrico e la movimentazione della spoletta mobile della valvola direzione in funzione di una posizione del joystick.

Pi? in particolare, al superamento della cosiddetta banda morta o banda di guardia, adiacente alla posizione di rilascio della leva del joystick, la spoletta mobile di una elettro-valvola direzionale a centro aperto viene automaticamente portata alla posizione di ?massima apertura? della valvola, mentre la portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica a cilindrata fissa ? controllata direttamente o indirettamente sulla base della posizione della leva del joystick.

A tale proposito, vale la pena evidenziare che l?operatore di un veicolo tradizionale, per ottenere una maggiore o minore portata di olio idraulico, agisce sul pedale dell?acceleratore variando la velocit? di rotazione del motore a combustione interna.

Preferibilmente, secondo la presente invenzione, soltanto una pompa idraulica alimenta il circuito idraulico di alimentazione dell?attuatore idraulico dell?organo idraulico.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, la posizione della leva del joystick controlla direttamente la velocit? di rotazione del motore elettrico che guida in rotazione la pompa idraulica a cilindrata fissa generando la suddetta portata di olio idraulico.

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 ? mostrato un diagramma di controllo della spoletta di una elettro-valvola direzionale a centro aperto secondo la tecnica nota;

nella figura 2 ? mostrato un diagramma di controllo della spoletta di una elettro-valvola direzionale a centro aperto e di un motore elettrico asservito ad una pompa idraulica a cilindrata fissa alimentante un circuito idraulico di alimentazione di un organo da lavoro;

nella figura 3 ? mostrato un circuito elettroidraulico a centro aperto di controllo di due organi idraulici da lavoro;

nella figura 4 ? mostrato un veicolo da lavoro implementante la presente invenzione;

nella figura 5 ? mostrato un diagramma di flusso del metodo oggetto della presente invenzione. I blocchi rappresentati in tratteggio sono opzionali.

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 come etichette 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 dell?arte nota mostra un diagramma lineare che mette in relazione l?apertura STK della spoletta mobile della valvola elettro-idraulica direzionale a centro aperto di controllo di un attuatore idraulico di un organo idraulico da lavoro e la posizione della leva di controllo J.

Generalmente, la leva di controllo ? realizzata mediante un joystick disposto nella cabina di pilotaggio del veicolo da lavoro o agricolo.

? necessario notare che, nella figura 1, la portata di olio idraulico generata dalla pompa idraulica a cilindrata fissa non ? riportata, in quanto essa non dipende dalla posizione della leva di controllo J, ma dipende unicamente dal regime di rotazione del motore primo, il quale, quando ? a combustione interna, ha un regime minimo di rotazione (idle), comportando una portata minima di olio idraulico generata dalla pompa idraulica.

La figura 2, diversamente dalla figura 1, riporta sia la legge di controllo dell?apertura STK della spoletta mobile (linea continua) della elettro-valvola direzionale a centro aperto, ma anche la portata di olio idraulico generata dalla pompa idraulica a cilindrata fissa (linea tratteggiata).

La pompa idraulica, in un veicolo elettrificato, ? evidentemente guidata in rotazione da un motore elettrico M, rappresentato in figura 3.

Si nota che al superamento della soglia DB1 di deviazione della leva, rispetto ad una relativa posizione di rilascio, la spoletta della valvola passa rapidamente alla posizione di ?massima apertura?.

In altre parole, il segnale generato dalla leva di controllo induce l?elettro-valvola a funzionare come un interruttore ON/OFF. Al tempo stesso, per?, l?entit? della deviazione della leva di controllo regola, linearmente, la portata di olio idraulico generata dalla pompa a cilindrata fissa attraverso la regolazione del numero di giri della pompa o del motore elettrico M che la guida in rotazione. Infatti, la linea tratteggiata che mette in relazione la portata di olio idraulico con la deviazione della leva di controllo J ? circa lineare.

In altre parole, grazie alla presente invenzione, pur implementando una elettro-valvola direzionale a centro aperto, l?olio idraulico indirizzato al serbatoio di recupero ? nullo in tutte le posizioni della spoletta mobile. Questo significa, che viene minimizzata l?energia di pompaggio non utile all?azionamento dell?attuatore idraulico.

Infatti, tali elettro-valvole direzionali a centro aperto sono disposte in fase di regolazione per partizionare la portata di olio idraulico generata dalla pompa idraulica, mandandone una parte agli attuatori ed un?altra non utilizzata a serbatoio, sprecando energia, ma secondo la presente invenzione, tale partizionamento ? totalmente eliminato.

Pertanto, si pu? concludere che l?elettro-valvola ? controllata in modo da comportarsi come una valvola deviatrice ON/OFF, con le regolazioni di portata realizzate agendo direttamente sul regime di rotazione della pompa idraulica o del motore elettrico M che la guida in rotazione.

Vale la pena evidenziare che la commutazione da OFF ad ON avviene in una banda DB1 ? DB2 abbastanza ristretta rispetto al dominio delle deviazioni -angolari- della leva di controllo.

La portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica ? proporzionale alla deviazione della leva di controllo con la retta di proporzionalit? che intercetta il punto DB2 sull?asse delle ascisse.

? evidente che le deviazioni della leva di controllo rispetto alla posizione di riposo, sono angolari, in quanto il joystick, generalmente ? fissato ad una relativa base mediante un giunto sferico o una cerniera.

Vale anche la pena evidenziare che la linea indicante la relazione tra la deviazione della leva di controllo e la portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica ? indicato con ?Rev? che in terminologia anglosassone indica ?velocit? di rotazione?. Ci? perch? la portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica ? funzione della velocit? di rotazione della pompa stessa o del motore elettrico M che la guida in rotazione.

Tuttavia, come descritto di seguito, il controllo della portata di olio idraulico pu? essere realizzato in molti modi.

La figura 3 mostra un esempio di circuito elettro-idraulico a centro aperto di alimentazione di attuatori idraulici di organi idraulici da lavoro e sono indicati con ?BOOM? e BUCKET?, cio? etichette tratte dalla terminologia anglosassone che indica un braccio ?Boom? di un veicolo da lavoro o agricolo ed una relativa benna ?Bucket?.

Nella figura 3 sono mostrate due elettro-valvole direzionali a centro aperto V1 e V2, in cui almeno una ? controllata secondo quanto descritto sopra.

Secondo la variante preferita di figura 3, una sola pompa idraulica a cilindrata fissa P alimenta due o pi? attuatori idraulici mediante le rispettive elettro-valvole.

Quando viene azionato un attuatore alla volta ? certamente possibile attuare il metodo sopra descritto. Quando invece vengono azionati contemporaneamente due o pi? attuatori allora le valvole sono controllate in modo da funzionare secondo lo schema tradizionale di figura 1.

Nella figura 3 si nota che ciascuno degli attuatori ? del tipo a doppio effetto, cio? possiede due camere contrapposte che servono ad esempio a sollevare ed abbassare un braccio. Ciascuna camera comprende una porta attraverso cui l?olio idraulico ? forzato ad entrare oppure ad uscire.

L?olio idraulico ? forzato ad uscire dalla porta di una prima camera quando olio idraulico ? pompato nella seconda camera, opposta alla prima, dello stesso attuatore.

L?elettro-valvola ? configurata per mantenere chiusa la porta di entrambe le camere contrapposte quando la leva di controllo ? in posizione di rilascio, in modo da mantenere fermo detto organo idraulico. In tali condizioni, la spoletta mobile si trova in una posizione centrale nel corpo valvola. In tale posizione, tutta la portata di olio generata dalla pompa idraulica ? generalmente indirizzata al serbatoio di raccolta T. Quando la spoletta mobile ? in posizione centrale nel corpo valvola, cio? inibisce il passaggio di olio verso entrambe le camere dell?attuatore, tutto l?olio idraulico ? indirizzato al serbatoio di raccolta T.

Ciascuna valvola ? rappresentata con tre cassetti, in modo in s? noto. Ricordando che si tratta di una valvola proporzionale, cio? in grado di raggiungere posizioni intermedie tra la posizione di completa chiusura e completa apertura verso l?una o l?altra camera dell?attuatore.

Tuttavia, il controllo realizzato dall?unit? di elaborazione ?Control Unit? ? fatto in modo da farla funzionare, come una valvola deviatrice ON/OFF, denominata anche valvola discreta, in contrapposizione con il concetto di valvola proporzionale.

Dalla figura 3 si nota anche che l?unit? di controllo acquisisce la posizione della leva di controllo (JOYSTICK) e su tale base controlla la velocit? di rotazione ?Rev? del motore elettrico M e l?apertura ?STK? delle valvole V1 e V2.

LA figura 4 mostra un veicolo da lavoro WL, una pala meccanica, con un braccio B con l?attuatore idraulico A1 corrispondente all?etichetta ?BOOM? di figura 3 ed una pala T con il relativo attuatore A2 corrispondente all?etichetta BUCKET di figura 3.

Il veicolo WL ? dotato di un pacco batterie BAT ed un motore elettrico M con almeno un circuito idraulico similare a quello di figura 3, fissati ad un relativo telaio F.

La figura 5 mostra un esempio di diagramma di flusso del metodo di controllo oggetto della presente invenzione.

Come si nota, il diagramma di flusso ? ricorsivo, in quanto le regolazioni descritte sopra sono effettuate sostanzialmente in tempo reale.

Il primo blocco ? chiuso in loop su s? stesso fintanto che non viene rilevato il superamento della banda di guardia DB1 (0 = yes), in tal caso si eseguono in successione i passi i ed ii descritti sopra. Dopo si ritorna al passo 0.

Secondo la variante preferita indicata dal blocco tratteggiato, si prevede di mantenere il motore elettrico spento o ad un regime inferiore ad una predeterminata soglia, passo 01, fintanto che la leva di controllo J ? rilasciata.

Come anticipato sopra, il controllo della portata di olio idraulico pu? essere realizzato indirettamente, controllando la velocit? di rotazione del motore elettrico che guida in rotazione la pompa idraulica.

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 (10)

RIVENDICAZIONI

1. Metodo di controllo di un attuatore idraulico per un veicolo da lavoro elettrificato, il veicolo comprendendo - un circuito idraulico (HC) operativamente collegato ad una pompa idraulica a cilindrata fissa ed un motore elettrico disposto per guidare in rotazione la pompa idraulica,

- un attuatore idraulico disposto per essere alimentato dal circuito idraulico attraverso una elettrovalvola direzionale a centro aperto ed

- una leva (J) di controllo disposta per controllare un?apertura della elettrovalvola, la leva comprendendo una posizione di rilascio corrispondente ad una posizione di apertura nulla dell?elettrovalvola in cui tutto il flusso della pompa ? inviato ad un serbatoio idraulico (T), ed una posizione di massima deviazione corrispondente ad una posizione di massima apertura dell?elettrovalvola in cui tutto il flusso della pompa ? inviato all?attuatore idraulico,

il metodo comprendendo i seguenti passi:

- (0) Monitoraggio di una posizione della leva di controllo, quando ? rilevata una deviazione della leva di controllo, rispetto alla posizione di rilascio, che eccede una predeterminata soglia di guardia (Dead_B1), - (i) Controllo della elettro-valvola in modo da forzarla alla posizione di massima apertura e (ii) controllo di una portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica in funzione della deviazione della leva di controllo.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica ? proporzionale alla deviazione della leva di controllo.

3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, ulteriormente comprendente un passo di mantenere spento o ad un regime inferiore ad una predeterminata soglia il motore elettrico fintanto che la deviazione della leva di controllo non eccede detta predeterminata soglia di guardia.

4. Metodo secondo una delle rivendicazioni 1 - 3, in cui detto controllo della portata di olio idraulico ? realizzato indirettamente, controllando la velocit? di rotazione del motore elettrico che guida in rotazione la pompa idraulica.

5. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto attuatore idraulico ? del tipo a doppia azione con due camere contrapposte ed in cui ciascuna camera comprende una porta di ingresso e uscita di olio idraulico, in cui entrambe le porte sono collegate a detta elettro-valvola; l?elettro-valvola essendo configurata per mantenere chiusa la porta di entrambe le camere contrapposte quando detta leva di controllo ? in posizione di rilascio, in modo da mantenere fermo detto organo idraulico.

6. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi (0 - ii) di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.

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 (0 - ii) di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.

8. Veicolo agricolo o da lavoro elettrificato, comprendente un organo idraulico da lavoro quale un braccio e/o una benna e/o una forca, il veicolo comprendendo

- un circuito idraulico operativamente collegato ad una pompa idraulica a cilindrata fissa ed un motore elettrico disposto per guidare in rotazione la pompa idraulica,

- un attuatore idraulico disposto per essere alimentato dal circuito idraulico attraverso una elettro-valvola direzionale a centro aperto

- una leva di controllo (J) disposta per controllare un?apertura della elettrovalvola, la leva comprendendo una posizione di rilascio corrispondente ad una posizione di apertura nulla dell?elettrovalvola in cui tutto il flusso della pompa ? inviato ad un serbatoio idraulico, ed una posizione di massima deviazione corrispondente ad una posizione di massima apertura dell?elettrovalvola in cui tutto il flusso della pompa ? inviato all?attuatore idraulico, e

- mezzi di elaborazioni operativamente collegati con

detta leva di controllo,

detto motore elettrico,

detta elettrovalvola,

e configurati per (0) monitorare una posizione della leva di controllo e per (i) controllare l?elettrovalvola in modo da forzarla alla massima apertura e (ii) controllare una portata di olio idraulico generato dalla pompa idraulica in funzione della deviazione della leva di controllo, quando ? rilevata una deviazione della leva di controllo, rispetto alla posizione di rilascio, che eccede una predeterminata soglia di guardia (Dead_B1).

9. Veicolo secondo la rivendicazione 8, in cui detti mezzi di elaborazione sono ulteriormente configurati per mantenere spento o ad un regime inferiore ad una predeterminata soglia il motore elettrico fintanto che la deviazione della leva di controllo non eccede detta predeterminata soglia di guardia (Dead_B1).

10. Veicolo secondo una qualunque delle rivendicazioni 8 o 9, in cui detti mezzi di elaborazione sono ulteriormente configurati per calcolare una velocit? di rotazione del motore elettrico in funzione della portata di olio idraulico corrispondente alla deviazione della leva di controllo e per controllare il motore elettrico in modo da raggiungere la velocit? di rotazione calcolata.