CN101952159A - 控制系统和包括该控制系统的作业机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于作业机械(101)的控制系统(300)，包括操作员控制元件(307)、电子控制单元(351)和用于改变该作业机械的方向的设备(301)，该电子控制单元(351)适于接收表示从操作员控制元件(307)的位置起的期望方向的输入信号，并产生用于与该操作员控制元件的位置相对应地经由所述设备(301)改变所述作业机械的方向的输出信号。控制系统(300)包括电子安全装置(353)，该电子安全装置(353)适于根据操作员控制元件(307)的位置而受到控制，并且适于根据该操作员控制元件的位置来分别允许经由所述输出信号控制所述设备(301)和阻止经由所述输出信号控制所述设备(301)。

Description

控制系统和包括该控制系统的作业机械
技术领域
本发明涉及一种用于作业机械的控制系统，该控制系统包括用于改变该作业机械的方向的设备、操作员控制元件和电子控制单元，该电子控制单元适于接收表示从操作员控制元件的位置起的期望方向的输入信号，并产生用于与操作员控制元件的位置相对应地经由所述设备改变所述作业机械的方向的输出信号。该操作员控制元件优选由转向杆构成。
背景技术
例如，在包括前车架和后车架的、不同类型的铰接式作业机械中，存在这种控制系统，所述车架各承载有至少一个轮轴。车架经由竖轴彼此以铰接方式连接，并且车架经由在这两个部分之间布置的两个液压缸围绕所述接头部相对于彼此以可枢转方式安装。装料机(例如轮式装载机或翻斗车)是这种作业机械的一个实例。
下面，将针对该控制系统布置在轮式装载机中以控制其转向缸时的情形来描述本发明。这绝不应视为限制本发明的应用领域的实例。
传统上，用于改变作业机械的方向的设备包括液压系统，该液压系统适于经由控制阀来控制液压缸的运动。
轮式装载机中的转向具有高的安全性要求。通常，轮式装载机具有常规的方向盘控制，但同时还可以配备有转向杆控制。在运输期间使用方向盘，而转向杆用于在较低速度下的作业，例如，在翻斗车或卡车装载时，这是为了提高操作员的舒适度。因此，操作员使用转向杆来请求转向方向和转向速度。
控制系统通常设计成使得操作员利用方向盘控制来以机械方式调节液压阀，液压阀则将液压动力传递给转向缸。转向杆控制也将液压动力传递给转向缸，但是其液压阀通常由电信号控制，即，操作员使转向杆倾斜，转向杆则产生电信号。在特定情形中，期望操控来自转向杆的电信号，这能够通过经由控制单元(机用计算机)将信号从转向杆传递给液压阀来实现。其实例有斜波元件(滤波器)和取决于该作业机械的速度的转向速度，其目的是在装载操作中实现平滑控制，但仍然在运输期间实现方向稳定(无摆动)的转向。
为了提高安全性，控制系统能够设计成使得方向盘控制具有最高优先级，即，如果方向盘和转向杆被同时使用，则占优势的是方向盘。
对于用于该机械中的关键安全功能(例如转向杆控制)的电子设备，提出了越来越高的需求。利用其电子设备的转向杆控制是一种复杂系统，可能会引起很多故障。一个特定问题在于：在转向杆控制中，可能发生故障(例如，即便转向杆处于中立位置或者转向杆已被锁定于特定位置，也发生转向)。因此，对于机用计算机和其它电子设备提出了非常高的质量需求，这导致高的成本。
发明内容
本发明的主要目的在于制造一种以成本有效的方式提供高安全性的控制系统。特别地，本发明涉及一种纠正在转向杆控制中发生故障的问题(例如，即便转向杆处于中立位置也发生转向)的控制系统。
利用根据权利要求1所述的发明实现了这个目的。因此，这是利用包括一种电子安全装置的控制系统来实现的，该电子安全装置适于根据操作员控制元件的位置而受到控制，并且适于根据操作员控制元件的位置来分别允许经由所述输出信号控制该设备和阻止经由所述输出信号控制该设备。
根据本发明的一个实施例，该安全装置包括布置在控制单元与所述设备之间的控制组件，该控制组件用于以如下方式改变方向：仅当控制单元产生的输出信号对应于操作员控制元件的位置时，才允许所述输出信号通过。
而且，该控制组件(例如包括两个继电器)布置在用于将输出信号传输到所述设备的线路(例如形式为液压回路)上。通过根据转向杆位置而分别自动打开和关闭所述线路，获得了一种安全系统。
根据另一实施例，所述电子安全装置包括适于感测操作员控制元件的第一间隔角和该操作员控制元件的第二间隔角的装置，所述第一间隔角与第一转向方向相关联，所述第二间隔角与第二转向方向相关联。在该安全装置中，优选完全独立于根据操作员控制元件的位置而输入到控制单元的信号来感测操作员控制元件的位置。这意味着：相对于传统的转向杆控制，该安全组件成为一种并行的独立系统。优选地，用于感测操作员控制元件的所述间隔角的所述装置包括与操作员控制元件的第一间隔角相关联的第一开关和与操作员控制元件的第二间隔角相关联的第二开关。
通过以下描述，本发明的其他优选实施例和优点是显而易见的。
附图说明
下面，将参考附图所示的实施例来更详细地描述本发明，其中：
图1以侧视图示出一种轮式装载机；
图2以俯视图示意性示出该轮式装载机；
图3示出用于控制该轮式装载机的控制系统的第一优选实施例；并且
图4示出用于转向杆控制的安全装置的可替代实施例。
具体实施方式
图1示出轮式装载机101的侧视图。轮式装载机101包括前车辆部分102和后车辆部分103，所述部分各包括车架和一对驱动轴112、113。后车辆部分103包括驾驶室114。车辆部分102、103以如下方式彼此连接：即，它们能够利用与这两个部分连接的两个液压缸104、105来围绕竖轴117相对于彼此枢转。因此，也参见图2，液压缸104、105设置在沿车辆纵向方向的中心线的不同侧，以使轮式装载机101转向或转动。
轮式装载机101包括用于搬运物体或材料的设备111。设备111包括载荷臂单元106和装配在该载荷臂单元上的铲斗形式的工具107。这里，铲斗107装填有材料116。载荷臂单元106的第一端以可枢转方式连接到前车辆部分102，以便实现铲斗的提升运动。铲斗107以可枢转方式连接到载荷臂单元106的第二端以便实现铲斗的倾斜运动。
载荷臂单元106能够利用两个液压缸108、109而相对于前车辆部分102被举升和降低，两个液压缸108、109中的每一个均在一端连接到前车辆部分102并在另一端连接到载荷臂单元106。铲斗107能够利用第三液压缸110而相对于载荷臂单元106倾斜，该第三液压缸110在一端连接到前车辆部分102并在另一端经由连杆臂系统115连接到铲斗107。
在图2中，以示意性俯视图示出了轮式装载机101。这里，该轮式装载机处于如下位置：车辆部分102、103围绕接头部117相对于彼此成一定角度。
图3示出用于控制轮式装载机101的两个液压缸104、105的控制系统300。用连续线标记的线路表示液压线路，而用短划线标记的线路表示电子线路。控制系统300包括用于改变该作业机械的方向的设备301，而设备301则包括液压回路302。
液压回路302包括第一控制阀单元304，该第一控制阀单元304由车辆方向盘形式的第一操作员控制元件305以机械方式调节。液压回路302还包括第二控制阀单元306，该第二控制阀单元306经由转向杆形式的第二操作员控制元件307而被以电子方式控制。转向杆307被示出为处于两个倾斜位置。
该系统是载荷传感(LS)系统并且包括带有可变排量的泵308和储罐309。泵308由柴油发动机形式的车辆推进发动机344驱动。泵308经由换向阀310且经由被致动的控制阀单元304、306感测来自转向缸104、105的压力(LS信号)。该泵则设定一个压力，该压力比转向缸的压力高出特定数目的巴。由此，存在向转向缸104、105流出的油流，其水平取决于被致动的控制阀单元304、306得到调节的程度。
液压缸104、105以如下方式布置：即，第一液压缸104的活塞侧311和第二液压缸105的活塞杆侧312连接到泵308以使车辆向右转向，并且第一液压缸104的活塞杆侧313和第二液压缸105的活塞侧314连接到泵以使车辆向左转向。
液压缸104、105与泵308的连接能够利用控制阀单元304经由方向盘控制或者利用控制阀单元306经由转向杆控制来执行，因此液压缸的调节也可如此执行。
第一控制阀单元304包括两个阀或滑阀315、316，这两个阀一个布置在另一个外侧并相对于彼此旋转。然而，在图中，滑阀315、316被示意性地图示为用于线性移动。控制阀单元304还包括液压马达317，该液压马达317适于以如下方式操作：即，使得该图中的下滑阀316“猎取”上滑阀315从而关闭该上滑阀315。当操作员转动方向盘时，特定量的油被供应到控制阀单元，从而产生特定的输出。当下滑阀316已经捕获上滑阀315时，该输出停止。
第二控制阀单元306包括定向阀318和减压阀319，该定向阀318确定转向方向并且还确定转向流量，该减压阀319确保先导压力被与泵压力无关地限制到确定的水平。控制阀单元306还包括两个电控阀320、321，这两个电控阀320、321经由来自转向杆307的电信号来调节。电控阀320、321相互并联地布置在线路328上。线路328还在其两侧连接到定向阀318以使定向阀318克服弹簧力而移动。泵308经由与所述电控阀之间的线路328相连的线路329连接到电控阀320、321。这意味着：经由转向杆307致动右侧的阀321在定向阀318上产生油压，以使定向阀318克服弹簧力在该图中向右移动，并且，经由转向杆307致动左侧的电控阀320在定向阀318上产生油压，以使定向阀318克服弹簧力在该图中向左移动。
因此，为了向右转向，右侧的电控阀321被致动并然后向定向阀318输出与所述电信号成比例的油压。电信号(油压)越高，则定向阀318被调节得越多，并由此获得越大的转向流量。相应地，为了向左转向，左侧的电动、电控阀320被以相应方式致动。
当控制阀单元306未被致动时，来自换向阀310的LS信号(参见线路350)经由定向阀318通向所述储罐309，由此，理论上将变成无压力的。对于第一控制阀单元304而言同样适用，当第一控制阀单元304未被致动时，LS信号也通向所述储罐309。由此，泵308的压力被向下调节并且仅维持低压。因此，这两个电控阀320、321以如下方式布置：即，致动所述阀中的一个阀使得定向阀318沿一个方向移动，而致动另一个阀则使得定向阀318沿另一方向移动。
为了防止出现负压力和超过该系统中的最大确定压力的压力，该系统包括由附图标记322一同表示的上止阀(top-up valve)和冲击阀。该上止阀和冲击阀的功能是之前公知的，因此这里将不再更详细地描述。
第一控制阀单元304和第二控制阀单元306在泵308与液压缸104、105之间布置在并行线路上。根据操作员选择哪一个操作员控制元件(即方向盘305或者转向杆307)来控制车辆，利用与选定的控制元件连接的控制阀单元来控制液压缸104、105。然后，与未使用的操作员控制元件连接的另一控制阀单元被设定在非工作位置。
系统1还包括优先级区分装置323，该优先级区分装置323适于确保方向盘控制具有最高优先级，也就是说，如果方向盘305和转向杆307被同时使用，则方向盘是占优势的，或者具有优先权。优先级区分完全以液压方式执行。
优先级区分装置323包括顺序阀324和节流阀325形式的优先级区分阀。顺序阀324被弹簧偏压，并且线路327连接到顺序阀324，以利用油压来克服弹簧力打开该顺序阀324，并且线路327经由第一控制阀单元304连接到转向缸104、105。当第一控制阀单元304处于中立位置时，该顺序阀不受影响，但当通过操作方向盘305使第一控制阀单元304移位时，顺序阀324与转向缸104、105的压力相通，然后该顺序阀打开。
此外，顺序阀324布置在将定向阀318的两侧相连的线路331上。更精确地，该顺序阀与两个电控阀320、321并联地布置并且以如下方式连接到从这些电控阀到定向阀318的相应线路：即，当顺序阀324被施加足够高的压力时，顺序阀324打开，并且定向阀318的两侧上的压力被程度或高或低地平衡。
因此，优先级区分装置323适于感测在用于方向盘305的第一控制阀单元304中是否发生流动。当记录到这种流动时，优先级区分得以启动。该系统包括连接到液压油线路的元件336，该元件336适于在优先级区分阀324的不同侧上产生压力差，以便使优先级区分阀324移动。更精确地，将止回阀336形式的阀两端的压降记录为所述流动。止回阀336被弹簧偏压，并且具有特定的较低开启压力，以便引起受该弹簧控制的压降。节流阀337与止回阀336并联地布置，其目的是在流动停止时平衡压降。止回阀336布置在位于第一控制阀单元304与储罐309之间的线路338上，即，位于方向盘305的控制阀单元304(控制阀单元的出口)之后。在止回阀336的两侧上，线路340、341连接到线路338，所述线路340、341还连接到顺序阀324以调节该顺序阀324。
该系统包括电子控制单元351，该电子控制单元351适于接收表示从转向杆307的位置起的期望方向的输入信号，并产生向所述设备301输出的、用于与转向杆的位置相对应地改变该作业机械的方向的输出信号。控制单元351适于产生向所述电控阀320、321输出的输出信号。更精确地，该系统包括适于记录转向杆偏转并产生给控制单元351的相应信号的装置352。用于记录转向杆偏转的该装置352例如由双霍尔传感器构成。根据一种替代方案，可以使用电位计。
控制系统300还包括电子安全装置353，该电子安全装置353适于根据转向杆307的位置而受到控制，并且适于根据转向杆的位置分别允许经由所述输出信号控制该设备和阻止经由所述输出信号控制所述设备301。更精确地，安全装置353适合独立于来自控制单元351的输出信号致动所述设备301。安全装置353适于直接致动所述电控阀320、321。
安全装置353适于在转向杆设于不表示第一转向方向的位置时阻止与作业机械的第一转向方向相对应地致动所述设备301。因此，安全装置353布置成：当转向杆设于表示第二转向方向的位置时，阻止与作业机械的第一转向方向相对应地致动所述设备。换言之，当转向杆处于与向左转向方向相对应的倾斜位置时，对于向右转向方向，所述设备被阻止，反之亦然。安全装置353还适于在转向杆设于中立位置时阻止与作业机械的转向方向相对应地致动所述设备。下面对此更详细地说明。
安全装置353适于在转向杆的位置对应于第一转向方向时断开第二电控阀321，并且在转向杆的位置对应于第二转向方向时断开第一电控阀320。安全装置353适于在转向杆处于中立位置时将第一电控阀320和第二电控阀321都断开。第一电控阀320和第二电控阀321中的每一个均由螺线管致动并且各自的螺线管被接地以实现所述断开，参见以下进一步的说明。
电子安全装置353包括适于感测转向杆的第一间隔角和该转向杆的第二间隔角的装置355，所述第一间隔角与第一转向方向相关联，所述第二间隔角与第二转向方向相关联。用于感测转向杆的间隔角的所述装置355与用于记录转向杆偏转的所述装置352分开(并且独立地)布置。用于感测转向杆的所述间隔角的所述装置355包括与转向杆的第一间隔角相关联的第一开关357和与转向杆的第二间隔角相关联的第二开关359。开关357、359通过转向杆偏转而被以机械方式致动。
电子安全装置353还包括布置在控制单元351与所述设备之间的控制组件361，该控制组件361用于以如下方式改变方向：仅当所述控制单元产生的输出信号对应于转向杆的位置时，才允许该输出信号通过。该控制组件361包括分别控制通向所述设备的相应通信线路的打开和关闭的装置363、365，并且，用于感测转向杆的所述间隔角的所述装置355适于根据感测到的间隔角来控制所述控制装置363、365。所述控制装置361包括至少一个继电器363、365。
在图3中，用于提高转向杆307的安全功能性的预期功能在原理上是明显的。当向左转向时，开关357将释放继电器365，从而使向右转向不可能(经由第二电控阀321的螺线管)。继电器365将该螺线管下拉接地，从而使其不能输出。这使得该转向非常能够抵抗关于EMC的干扰，并且能够消除沿错误方向的意外转向偏转。当向左转向时，开关359将拉动继电器363，这将pwm控制作用从ECU 351一直传送至第一电控阀320的螺线管，并且转向以正常方式进行。当转向杆307在中间位置时，第二电控阀321的螺线管和第一电控阀320的螺线管这两者均将被降至接地，从而使沿两个方向都不能输出。
能够通过利用ECU 351上的数字输入信号监视开关357、359并且观察返回的pwm信号来诊断不希望的转向偏转以及功能是否完全正常。例如：如果左转，则开关357应该释放继电器365，继电器365则将第二电控阀321的螺线管降至接地。在此情况下，所返回的pwm信号应该为零。这样，能够安全地使得不可能有任何与向右转向有关的输出。当右转时，也应该对相同部件进行监视，这是为了确保开关、继电器功能和pwm信号改变状态，并且完全可操作。能够通过检验pwm信号的返回、例如通过发送来自pwm输出的短脉冲并检验返回来诊断所述开关的故障。能够通过检验开关的位置来诊断继电器的故障。利用ECU同时进行诊断，其中转向杆的位置也被收集和使用。应该在转向杆的两个方向和中立位置上连续进行诊断。在转向杆被致动以及它被停用时都应该进行诊断。
图4示出了布置在控制单元351与所述设备之间的用于改变方向的可替代控制组件362。这里，实线表示电子线路。更精确地，继电器363、365被电子控制电路CPLD(复杂可编程逻辑器件)364替代。利用这种电路364，能够以与继电器相同的方式来实现分别用于pwm信号的打开和关闭。CPLD是一种可编程逻辑电路，并且它优选集成在未来的“安全ECU”中。
不应认为本发明局限于上述示例性实施例，而是可在以下权利要求的范围内构思多个进一步的变型和修改。在特定情形中，期望操控来自转向杆的电信号(斜波元件、最大电平等)，这能够通过经由机用计算机将信号从转向杆传输到液压阀来实现。
例如用于改变方向的上述设备不限于液压回路，而是能够例如包括机械系统或者这两者的组合。此外，本发明不限于车架转向式作业机械/车辆，而是还能够用于具有另一种转向技术(例如调节前轮相对于车架的角度)的作业机械/车辆来实现。
作为优选由转向杆或操纵杆(其适于绕枢转接头部进行枢转运动)构成的操作员控制元件的替代方案，它可以由方向盘构成(即，适于绕旋转轴进行旋转运动的操作员控制元件)。然后，所述开关适于感测方向盘的旋转方向。

Claims (19)

1.用于作业机械(101)的控制系统(300)，所述控制系统(300)包括操作员控制元件(307)、电子控制单元(351)和用于改变所述作业机械的方向的设备(301)，所述电子控制单元(351)适于接收表示从所述操作员控制元件(307)的位置起的期望方向的输入信号，并产生用于与所述操作员控制元件的位置相对应地经由所述设备(301)改变所述作业机械的方向的输出信号，
其特征在于，所述控制系统(300)包括电子安全装置(353)，所述电子安全装置(353)适于根据所述操作员控制元件(307)的位置而受到控制，并且适于根据所述操作员控制元件的位置来分别允许经由所述输出信号控制所述设备(301)和阻止经由所述输出信号控制所述设备(301)。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)包括布置在所述控制单元(351)与所述设备(301)之间的控制组件(361，363)，所述控制组件用于以如下方式改变方向：仅当所述控制单元(351)产生的输出信号对应于所述操作员控制元件(307)的位置时，才允许所述输出信号通过。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)适于在所述操作员控制元件(307)设于不表示第一转向方向的位置时阻止与所述作业机械的第一转向方向相对应地致动所述设备(301)。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)适于在所述操作员控制元件(307)设于表示第二转向方向的位置时阻止与所述作业机械的第一转向方向相对应地致动所述设备(301)。
5.根据权利要求3或4所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)适于在所述操作员控制元件(307)设于中立位置时阻止与所述作业机械的转向方向相对应地致动所述设备(301)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其特征在于，所述设备(301)包括液压回路(302)，所述液压回路(302)适于向液压致动器(104，105)供应流体以产生所述作业机械的方向改变，并且所述液压回路(302)包括至少一个电控式控制阀(318)，所述控制阀(318)适合基于来自所述控制单元的输出信号来控制向所述液压致动器(104，105)的流体供应。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述液压回路包括被直接控制的第一电控阀(320)和第二电控阀(321)，所述第一电控阀(320)和所述第二电控阀(321)布置成与所述控制阀(318)液压连通，并适于经由来自所述控制单元(351)的所述输出信号被直接控制，并且，所述第一电控阀(320)适于产生第一转向方向，而所述第二电控阀(321)适于产生第二转向方向。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)适于在所述操作员控制元件(307)的位置对应于所述第一转向方向时断开所述第二电控阀(321)，并在所述操作员控制元件(307)的位置对应于所述第二转向方向时断开所述第一电控阀(320)。
9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于，所述安全装置(353)适于在所述操作员控制元件处于中立位置时将所述第一电控阀(320)和所述第二电控阀(321)都断开。
10.根据权利要求8-9中的任一项所述的控制系统，其特征在于，所述第一电控阀(320)和所述第二电控阀(321)中的每一个均由螺线管致动，并且相应的螺线管被接地以实现所述断开。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其特征在于，所述电子安全装置(353)包括适于感测所述操作员控制元件(307)的第一间隔角和所述操作员控制元件(307)的第二间隔角的装置(355)，所述第一间隔角与第一转向方向相关联，所述第二间隔角与第二转向方向相关联。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，用于感测所述操作员控制元件的所述间隔角的所述装置(355)包括第一开关(357)和第二开关(359)，所述第一开关(357)与所述操作员控制元件的第一间隔角相关联，所述第二开关(359)与所述操作员控制元件的第二间隔角相关联。
13.根据权利要求11或12所述的控制系统，其特征在于，所述电子安全装置(353)包括分别控制通向所述设备的相应通信线路的打开和关闭的装置(361，362)，并且，用于感测所述操作员控制元件(307)的所述间隔角的所述装置(355)适于根据感测到的间隔角来控制所述控制装置(361，362)。
14.根据权利要求13所述的控制系统，其特征在于，所述控制装置包括继电器(363，365)。
15.根据权利要求13或14所述的控制系统，其特征在于，每个所述控制装置(361，362)均布置在通向所述设备的两条并行通信线路中的每一条上。
16.根据前述权利要求中的任一项的控制系统，其特征在于，所述作业机械(101)包括第一车架和第二车架，所述第一车架和所述第二车架经由枢转接头部(117)彼此以可枢转方式连接，从而允许方向改变。
17.根据权利要求16所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统(300)包括至少一个液压致动器(104，105)，所述至少一个液压致动器(104，105)布置在车架部分之间，以在所述车架部分之间产生相对枢转，从而产生所述方向改变。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其特征在于，所述操作员控制元件(307)由操作员控制杆构成。
19.作业机械(100)，其特征在于，所述作业机械(100)包括根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统。
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