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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Schichtdicke eines durch einen Straßenfertiger auf einen Untergrund aufzubringenden Materialeinbaus, wobei der Straßenfertiger einen Traktor, zumindest einen höhenverstellbar an dem Traktor angebrachten Zugarm und eine starr an dem zumindest einen Zugarm angebrachte Bohle aufweist.
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Allgemein läuft ein Straßenfertiger mit einem Kettenfahrwerk auf einem vorbereiteten Untergrund, auf den eine zu fertigende Straßendecke bzw. ein zu fertigender Straßenbelag aufzubringen ist. In Fahrtrichtung hinten am Straßenfertiger ist eine höhenverstellbare Bohle vorgesehen, an deren Vorderseite ein Vorrat des Straßenbelagmaterials angehäuft ist, der durch eine Fördereinrichtung gefördert und verteilt wird, die dafür Sorge trägt, daß auf der Vorderseite der Bohle immer eine ausreichende, jedoch nicht zu große Menge des Straßenbelagmaterials bevorratet gehalten wird. Die Höhe der unteren Hinterkante der Bohle gegenüber der Oberfläche des vorbereiteten Untergrundes, der gegebenenfalls auch durch eine alte Straßenbelagdecke gebildet sein kann, legt die Dicke der gefertigten Straßendecke vor ihrer anschließenden weiteren Festigung durch Walzen fest. Die Bohle ist starr in der Regel an zwei Zugarmen gehalten, die in einem Mittenbereich des Traktors des Straßenfertigers höhenverstellbar angebracht sind, derart, daß durch eine Höhenverstellung der Neigungswinkel der Unterseite der Bohle eingestellt werden kann, um dadurch ein Aufschwimmen bzw. ein Abschwimmen der Bohle auf dem einzubringenden Material und damit eine Ebenheit und Höhe des einzubringenden Materials steuern zu können.
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Die Messung der Einbauhöhe, d. h. der Schichtdicke, am Straßenfertiger ist bisher auf direktem Wege nicht oder nur mit einem sehr hohen Aufwand möglich. Auch bei der Messung einer Höhe an der Bohlenhinterkante, siehe beispielsweise
DE 19647150 A1 oder
US 5,401,115 wird nicht die Schichtdicke ermittelt, sondern nur eine Höheninformation bezogen auf eine Referenz ermittelt. Diese Referenz kann beispielsweise eine gespannte Schnur, der Bordstein oder eine bereits aufgebrachte benachbarte Straßendecke sein. Somit wird dort nicht die Schichtdicke in Relation zu dem Untergrund, auf den die Straßendecke aufgebracht wird, erfasst, was bei Messung der Höhe an der Bohlenhinterkante nicht möglich ist, da dort bereits Material aufgebracht ist und somit ein direkter Zugriff auf den Untergrund nicht mehr möglich ist.
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Die genannte
DE 19647150 A1 offenbart eine Steuervorrichtung zum Steuern des mittels eines Strassenfertigers auf einen Untergrund aufbringbaren Materialeinbaus, wobei der Strassenfertiger einen Traktor und eine mittels zumindest eines Zugarms an dem Traktor derart angebrachte, schwimmende Bohle, wobei die Bohle in Betriebsfahrtrichtung hinter dem Traktor angeordnet ist, aufweist. Ein erstes Ende des zumindest einen Zugarms ist mittels einer höhenverstellbaren Koppelvorrichtung an dem Traktor befestigt, und ein zweites Ende des zumindest einen Zugarms ist starr an der schwimmenden Bohle befestigt. Die Steuervorrichtung weist eine Vorrichtung zum Erfassen der Höhe im Bereich der in Bewegungsrichtung hinteren Bohlenunterkante bezüglich einer Referenzhöhe, eine Vorrichtung zum Erfassen der Neigung des zumindest einen Zugarms bezüglich einer Bezugsebene, und eine Vorrichtung zum Steuern der Höhe der höhenverstellbaren Koppelvorrichtung aufgrund der erfassten Neigung und der erfassten Höhe der hinteren Bohlenunterkante auf.
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Ausgehend beispielsweise von der
DE 19647150 A1 besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der exakten Schichtdicke eines Materialeinbaus, der durch einen Straßenfertiger auf einen Untergrund aufgebracht wird, zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke eines durch einen Straßenfertiger auf einen Untergrund aufzubringenden Materialeinbaus, wobei der Straßenfertiger einen Traktor, zumindest einen an dem Traktor höhenverstellbar und drehbar angebrachten Zugarm, eine starr an dem zumindest einen Zugarm angebrachte schwimmende Bohle, die mit dem Zugarm einen Zugarm-Bohlen-Verbund bildet, und ein mit seiner Unterseite auf dem Untergrund aufliegendes Fahrwerk aufweist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Abstandssensor zum Erfassen eines relativen Abstands zwischen einer Bezugsposition des Traktors und einer Bezugsposition des Zugarm-Bohlen-Verbunds, wobei die Bezugsposition des Traktors eine vorbestimmte Positionsbeziehung zu der Unterseite des Fahrwerks aufweist und die Bezugsposition des Zugarm-Bohlen-Verbunds eine vorbestimmte Positionsbeziehung zu einer unteren Hinterkante der Bohle aufweist; und
eine Einrichtung zum Bestimmen der Schichtdicke auf der Grundlage des erfaßten relativen Abstands und der vorbestimmten Positionsbeziehungen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke eines durch einen Straßenfertiger auf einen Untergrund aufzubringenden Materialeinbaus, wobei der Straßenfertiger einen Traktor, zumindest einen an dem Traktor höhenverstellbar und drehbar angebrachten Zugarm, eine starr an dem zumindest einen Zugarm angebrachte schwimmende Bohle, die mit dem Zugarm einen Zugarm-Bohlen-Verbund bildet, und ein mit seiner Unterseite auf dem Untergrund aufliegendes Fahrwerk aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Erfassen eines relativen Abstands zwischen einer Bezugsposition des Traktors und einer Bezugsposition des Zugarm-Bohlen-Verbunds, wobei die Bezugsposition des Traktors eine vorbestimmte Positionsbeziehung zu der Unterseite des Fahrwerks aufweist und die Bezugsposition des Zugarm-Bohlen-Verbunds eine vorbestimmte Positionsbeziehung zu einer unteren Hinterkante der Bohle aufweist; und
Bestimmen der Schichtdicke auf der Grundlage des erfassten relativen Abstands und der vorbestimmten Positionsbeziehungen.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, auf der Grundlage der Erfassung eines relativen Abstands zwischen einem ersten Bezugspunkt am Traktor eines Straßenfertigers und einen zweiten Bezugspunkt am Zugarm-Bohlenverbund des Straßenfertigers die exakte Schichtdicke eines aufzubringenden Materialeinbaus zu ermitteln. Dies ist möglich, da der erste Bezugspunkt auf dem Traktor des Straßenfertigers eine definierte Positionsbeziehung zu der Unterseite des Fahrwerks des Straßenfertigers, die auf dem Untergrund aufliegt, besitzt, und die zweite Bezugsposition auf dem Zugarm-Bohlen-Verbund eine definierte Positionsbeziehung zu der unteren Bohlenhinterkante, die die Dicke der aufzubringenden Materialschicht festlegt, besitzt.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist der Abstandssensor ein Höhensensor, der am Traktor des Straßenfertigers angebracht ist und somit die erste Bezugsposition definiert. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Abstandssensor am Zugarm-Bohlen-Verbund des Straßenfertigers angebracht sein und somit die zweite Bezugsposition definieren.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die beiden Bezugspositionen in einer bezüglich einer Traktorlängsachse im wesentlichen senkrechten Linie über der unteren Bohlenhinterkante angeordnet. In einem solchen Fall kann durch die vorliegende Erfindung die Schichtdicke ermittelt werden, indem der erfaßte relative Abstand und die Beabstandung der Bezugsposition auf dem Zugarm-Bohlen-Verbund von der unteren Bohlenhinterkante von der Beabstandung der Bezugsposition des Traktors von der Auflagefläche des Fahrwerks des Straßenfertigers abgezogen werden.
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Bei genaueren Ausführungsbeispielen zur Ermittlung der Schichtdicke müssen ferner Straßenlängsneigungsänderungen berücksichtigt werden. Die Straßenlängsneigungsänderungen können ohne weiteres durch einen an dem Traktor des Straßenfertigers angebrachten Neigungssensor erfaßt werden, da die Traktorlängsachse im allgemeinen parallel zur Straßenlängsachse ist.
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Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung müssen die Bezugspositionen nicht in einer im wesentlichen senkrechten Linie über dem Bereich der Bohlenhinterkante angeordnet sein, sondern können allgemein zwischen dem Bereich der Bohlenhinterkante und dem Zugpunkt, an dem Zugarm-Bohlen-Verbund höhenmäßig einstellbar und drehbar an dem Traktor des Straßenfertigers angebracht ist, vorgesehen sein. In einem solchen Fall zur Ermittlung der Schichtdicke kann der durch den Abstandssensor erfaßte relative Abstand aufgrund unterschiedlicher Neigungswinkel des Zugarms bezüglich des Traktors variieren, obwohl die tatsächliche Schichtdicke unverändert bleibt. Um dies zu berücksichtigen, wird bei solchen Ausführungsbeispielen die Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds erfaßt und bei der Schichtdickenbestimmung berücksichtigt, um fehlerhafte Einflüsse einer von einer vorbestimmten Lage abweichenden Lage des Zugarm-Bohlen-Verbunds bezüglich des Traktors zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise ein Neigungssensor verwendet, der stationär an dem Zugarm-Bohlen-Verbund angebracht ist. Ferner kann, um die geometrischen Verhältnisse am Straßenfertiger unabhängig von der Straßenlängsneigung betrachten zu können, zusätzlich die Straßenlängsneigung erfaßt und bei der Schichtdickenbestimmung berücksichtigt werden.
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In jedem Fall ist erfindungsgemäß ein Abstandssensor vorgesehen, der einen relativen Abstand zwischen einer Bezugsposition auf dem Traktor (beispielsweise dem Chassis) eines Straßenfertigers und einer Bezugsposition auf der Bohle oder dem Zugarm desselben erfaßt. Auf der Grundlage des relativen Abstands wird die Schichtdicke erfaßt, die dann unter Verwendung entsprechender Regelalgorithmen genutzt werden kann, um ein optimiertes Einbauverhalten des Straßenfertigers realisieren zu können.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Straßenfertigers, bei dem ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung realisiert ist;
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2a) bis 2c) schematische Darstellungen zur Veranschaulichung, wie erfindungsgemäß Straßenlängsneigungsänderungen berücksichtigt werden;
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3 eine schematische Seitenansicht eines Straßenfertigers, bei dem ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung realisiert ist;
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4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung, wie unterschiedliche Zugarmneigungen erfindungsgemäß berücksichtigt werden;
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5 eine schematische Darstellung dessen, wie die erfaßte Schichtdicke zur Steuerung der Einbauhöhe eines Straßenfertigers verwendet werden kann; und
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6 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wie die erfaßte Schichtdicke zur Steuerung der Einbauhöhe eines Straßenfertigers verwendet werden kann.
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Wie in 1 dargestellt ist, besitzt ein Straßenfertiger einen Traktor, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, ein Kettenfahrwerk 12, mit dem der Straßenfertiger auf einem vorbereiteten Untergrund 14 fährt, eine Bohle 16 und zwei Zugarme 18, von denen in 1 nur einer gezeigt ist. Die Bohle 16 ist starr an dem Zugarm 18 befestigt, wobei das der Bohle 16 gegenüberliegende Ende des Zugarms 18 an einem Zugpunkt 20 drehbar über eine höhenverstellbare Einrichtung an dem Traktor 10 befestigt ist. Die höhenverstellbare Einrichtung kann beispielsweise aus einer Hydraulikeinrichtung bestehend aus einem Kolben und einem Zylinder sowie einer Ventilvorrichtung zum Steuern der Lage des Kolbens in dem Zylinder bestehen.
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Der Traktor 10 besitzt einen Asphaltmaterialbehälter 22, wobei Asphaltmaterial aus diesem Behälter durch eine entsprechende, an sich bekannte Regelung der Drehzahl einer Materialverteilungsschnecke 24 im wesentlichen über den gesamten Breitenbereich der Bohle konstant verteilt werden kann.
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Bewegt sich der Straßenfertiger in Fahrtrichtung, d. h. in 1 nach rechts, schwimmt die Bohle 16 auf dem Asphalt der zu fertigenden Straßendecke auf. Die Dicke der zu fertigenden Straßendecke vor ihrer Endverfestigung durch Straßenwalzen wird durch eine Ausregelung der Höhenlage der Hinterkante 26 der Bohle 16 eingestellt. Diese Höhenregelung wird durch eine Veränderung des Anstellwinkels der Bohle 16 herbeigeführt und erfolgt typischerweise, wie bereits oben erläutert, durch die Ansteuerung von Stellzylindern, mittels derer der Zugpunkt 20 des Zugarms 18 höhenmäßig einstellbar ist.
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Der insoweit beschriebene Straßenfertiger hat einen herkömmlichen Aufbau, so daß in Anbetracht des Wissens des Fachmanns auf dem vorliegenden Gebiet auf eine weitere detailliertere Beschreibung des Straßenfertigers verzichtet werden kann.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun ein Höhensensor 28, der als Abstandssensor dient, stationär bezüglich des Traktors 10 des Straßenfertigers angebracht, beispielsweise mittels einer starren Verbindung 30 zum Chassis des Traktors. Der Höhensensor 28, bzw. die Unterkante desselben, bildet bei diesem Ausführungsbeispiel die Bezugsposition des Traktors 10 des Straßenfertigers, und mißt den relativen Abstand hs zu einer Bezugsposition auf dem Zugarm-Bohlen-Verbund, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine obere Kante 32 der Bohle 16 gebildet ist. Der Höhensensor 28 ist ferner derart angeordnet, daß eine Meßachse 34 zur Erfassung des Abstands zwischen Höhensensor 28 und Bezugsposition 32 durch die untere Bohlenhinterkante 26 verläuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich daher der Höhensensor 28 vorzugsweise direkt über der unteren Bohlenhinterkante, wie in 1 gezeigt ist. Die Meßachse verläuft bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zu einer Traktorlängsachse 36.
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Da der Höhensensor 28 starr am Traktor angebracht ist und die Traktorlängsachse 36 allgemein parallel zu dem Untergrund 14, d. h. der Straßenlängsachse, ist, besitzt die durch den Höhensensor 28 definierte Bezugsposition, die stationär am Traktor 10 befestigt ist, einen definierten Abstand Hf von dem Untergrund 14, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Abstand vom Höhensensor 28 zur Unterseite des Kettenfahrwerks 12 definiert ist. Da ferner die Bezugsposition 32 der Bohle 16 eine definierte Beabstandung Hb von der unteren Bohlenhinterkante aufweist, kann die Schichtdicke he des aufgebrachten Materialeinbaus durch folgende Gleichung 1 berechnet werden: he = Hf – (Hb + hs) Gl. 1
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Die obere Gleichung 1 liefert exakte Ergebnisse für die Schichtdicke, so lange sich der Höhensensor bzw. Abstandssensor auf einer im wesentlichen senkrechten Linie bezüglich der Bohlenhinterkante befindet, und so lange sich die Straßenlängsneigung nicht ändert.
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Da die Straßenlängsneigung jedoch nicht in allen Fällen als konstant angesehen werden kann, werden bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Straßenlängsneigungsänderungen bei der Ermittlung der Schichtdicke he berücksichtigt. Zu diesem Zweck wird die Straßenlängsneigung erfaßt, vorzugsweise mittels eines an dem Traktor 10 stationär angebrachten Neigungssensors 38, um Änderungen der Straßenlängsneigung festzustellen. Der Längsneigungssensor 38 erfaßt die absolute Neigung der Straßenlängsachse bezüglich der Horizontalen, also der Erdoberfläche. Die Straßenlängsneigung ist über den stationär am Traktor angebrachten Neigungssensor 38 erfaßbar, da sich die Neigung der Fertigerlängsachse 36 entsprechend einer Straßenlängsneigungsänderung ändert.
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In 2a) ist eine schematische Seitenansicht des Straßenfertigers von 1 gezeigt, wobei zu Zwecken der Klarheit jedoch lediglich die für die folgende Erläuterung wesentlichen Bestandteile dargestellt sind. Der Fertiger bewegt sich entlang eines Untergrunds 14, der keine Längsneigungsänderung besitzt. Durch den Höhensensor 28 wird somit ein Abstand hs erfaßt, der zu einem richtigen Ergebnis für die Schichtdicke he führt.
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Findet nun jedoch eine Straßenlängsneigungsänderung um Δα statt, so ändert sich der durch den Höhensensor 28 erfaßte Abstand um Δhs auf hs – Δhs, da eine Drehung des Traktors des Straßenfertigers um das Hinterrad 40, d. h. exakt ausgedrückt um die Kettenhinterkante des Kettenfahrwerks 12, stattfindet. Da der Zugarm-Bohlen-Verbund des Straßenfertigers freischwimmend und am Zugarm 20 drehbar gelagert ist, folgt der Zugarm-Bohlen-Verbund dieser Drehung des Traktors nicht unmittelbar. Somit bleibt der Abstand der unteren Bohlenhinterkante zu dem Untergrund und somit die Schichtdicke he, unverändert, so daß das Sensorsignal hs – Δhs eine falsche Bestimmung der Schichtdicke zur Folge hätte.
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Sobald der Straßenfertiger die Untergrundlängsneigungsänderung vollständig passiert hat, so daß sich auch die Bohle 16 über dem Bereich mit geänderter Längsneigung befindet, nehmen der Zugarm-Bohlen-Verbund und der Traktor aufgrund des entsprechenden Aufschwimmens bzw. Abschwimmens der Bohle 16 wiederum ihre vorbestimmte Beziehung ein, so daß der Höhensensor 28 nun wieder das korrekte Ausgangssignal hs für die Schichtdicke he liefert.
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Während einer Untergrundlängsneigungsänderung, wie sie in 2b) dargestellt ist, d. h. in anderen Worten, während im Bereich des Höhensensors die Traktorlängsachse 36 und die Untergrundlängsachse 14 nicht parallel zueinander verlaufen, muß das Ausgangssignal des Höhensensors 28 um Δhs korrigiert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, wie insbesondere 2b) zu entnehmen ist, beträgt der Abstand des Höhensensors 28 von dem Drehpunkt, d. h. der Einfachheit halber von dem Hinterrad 40 des Straßenfertigers B. Sobald sich der Traktor des Straßenfertigers auf dem um Δα geneigten Untergrund befindet, hat sich auch die Fertigerlängsachse um den Winkel Δα gedreht, so daß der Korrekturwert Δhs wie folgt zu berechnen ist: Δhs = tanΔα·B.
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Der Winkel Δα kann vorzugsweise aus dem aktuellen mittels des Neigungssensors 38 erfaßten Meßwertes und dem Mittelwert aus dem letzten n Meßwerten des Neigungssensors 38 wie folgt berechnet werden: Δα = αL(n) – αa, wobei n die Anzahl der Messungen ist, die benötigt werden, um den Neigungsverlauf in etwa für die Länge des Straßenfertigers zu bestimmen, αL(n) der Mittelwert der zuletzt gemessenen Längsneigungswerte ist, und αa der aktuelle Längsneigungswert ist.
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Aus dieser Längsneigungsänderung Δα und dem Abstand B kann dann, wie oben erläutert, der Höhenkorrekturwert Δhs ermittelt werden. An dieser Stelle sei angemerkt, daß der Abstand B der Abstand zwischen dem Drehpunkt des Traktors und der Bezugsposition des Traktors in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Längsachse des Traktors ist, wobei dieser Abstand geometriebedingt einen festen Wert aufweist. Obwohl in den Figuren der Abstand B der Einfachheit halber vom Mittelpunkt des Hinterrads ausgehend dargestellt ist, soll nochmals hervorgehoben werden, daß dieser Drehpunkt durch das hintere Ende des Kettenfahrwerks, d. h. den hinteren Auflagepunkt desselben definiert ist. Somit kann unter Berücksichtigung von Untergrundlängsneigungsänderungen die Schichtdicke he wie folgt gemäß Gleichung 2 ermittelt werden: he = Hf – (Hb + hs) ± (tan(Δα)·B) Gl. 2
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Die vorliegende Erfindung wurde oben anhand eines Beispiels erläutert, bei dem der Höhensensor 28 im wesentlichen auf einer Linie senkrecht zu der unteren Bohlenhinterkante angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch allgemein auf Fälle anwendbar, bei denen ein Abstandssensor einen relativen Höhenmeßwert zwischen Traktor des Straßenfertigers und dem Zugarm-Bohlen-Verbund desselben ermittelt. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in 3 gezeigt, wobei in 3 solche Elemente, die denen von 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Höhensensor 28 wiederum starr an dem Traktor 10 des Straßenfertigers angebracht, nunmehr jedoch derart, daß eine Meßachse 42 desselben angeordnet ist, um eine Relativabstandsmessung zwischen Traktor 10 und einer Bezugsposition 44 des Zugarms 18 zu erfassen. Die Bezugsposition 44 kann dabei durch eine beliebige Einrichtung gebildet sein, die eine relative Höhenmessung zwischen Zugarm und Traktor ermöglicht, beispielsweise ein länglicher Vorsprung oder dergleichen. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Bezugsposition 44 des Zugarms 18 von der unteren Bohlenhinterkante 26 um eine Entfernung A beabstandet. An dieser Stelle sei angemerkt, daß sich die Meßachse 42 und damit die Bezugspunkte auf Traktor und Zugarm an einer beliebigen Stelle zwischen unterer Bohlenhinterkante 26 und Zugpunkt 20 befinden können, solange eine Relativhöhenmessung zwischen Traktor 10 und Zugarm-Bohlen-Verbund 18 möglich ist.
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Befindet sich die Meßachse 42 in einem Abstand A von der unteren Bohlenhinterkante 26, so werden richtige Ergebnisse bezüglich der Schichtdicke he ohne eine entsprechende Kompensation nur dann geliefert, wenn der in 3 gezeigte Fall vorliegt, d. h. wenn die Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds 16, 18 bezüglich des Traktors 10 eine solche ist, daß obige Gleichung 1, bzw. obige Gleichung 2 im Falle einer Längsneigungsänderungkompensation, korrekte Ergebnisse bezüglich der Schichtdickenbestimmung liefern. Weicht die Lagebeziehung zwischen Zugarm-Bohlen-Verbund und Traktor 10 bezüglich des zwischen der Traktorlängsachse 36 und dem Zugarm-Bohlen-Verbund vorliegenden Winkels jedoch von einer solchen Beziehung ab, liefert der Höhensensor 28 trotz zunächst gleichbleibender Schichtdicke ein verändertes Signal hs, so daß ein falsches Ergebnis bei der Schichtdickenbestimmung erhalten wird. Somit ist es notwendig, eine Kompensation abhängig von der Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds durchzuführen, wobei zu diesem Zweck die Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds 16, 18 durch einen stationär an demselben angebrachten Neigungssensor 46 erfaßt wird.
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Der Neigungssensor 46 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an dem Zugarm 18 angebracht, wobei es jedoch klar ist, daß derselbe aufgrund der starren Verbindung zwischen Bohle 16 und Zugarm 18 an einer beliebigen Stelle des Zugarm-Bohlen-Verbunds angebracht sein kann. Bereits an dieser Stelle sei angemerkt, daß der Neigungssensor 46 vorzugsweise im Bereich des Zugpunkts 20 angebracht ist, um zu bewirken, daß Vibrationen der Bohle 16 einen möglichst geringen Einfluß auf das Ausgangssignal des Neigungssensors 46 besitzen.
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Der Neigungssensor 46 erfaßt die absolute Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds bezüglich der Horizontalen, also der Erdoberfläche. Aufgrund der gegebenen Geometrie des starren Zugarm-Bohlen-Verbunds kann aus der durch den Neigungssensor 46 erfaßten Neigung ohne weiteres die Neigung einer gedachten Linie zwischen unterer Bohlenhinterkante 26 und Bezugsposition 44 des Zugarm-Bohlen-Verbunds ermittelt werden, indem ein entsprechender geometriebedingter Offsetwinkel berücksichtigt wird. Der Offsetwinkel würde beispielsweise Null betragen, wenn der Neigungssensor eine Neigung von 0° anzeigt, wenn die gedachte Linie zwischen unterer Bohlenhinterkante 26 und der Bezugsposition 44 des Zugarm-Bohlen-Verbunds horizontal verläuft. Es ist somit möglich, den Neigungssensor bereits derart zu kalibrieren, daß er ein Ausgangssignal erzeugt, das der Neigung der angesprochenen gedachten Linie entspricht.
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Der erfaßte Neigungswinkel kann nun verwendet werden, um einen Korrekturanteil für die erfaßte Zugarmneigung zu bestimmen, um ein von einem vorbestimmten Lageverhältnis abweichendes Lageverhältnis zwischen dem Zugarm-Bohlen-Verbund und dem Traktor 10 bei der Bestimmung der Schichtdicke zu kompensieren.
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Zu Zwecken der Erläuterung wurde die Darstellung von 3 in eine geometrische Darstellung gemäß 4 überführt, bei der der Winkel αz der Neigung einer gedachten Linie 48 zwischen unterer Bohlenhinterkante 26 und Bezugsposition 44 des Zugarm-Bohlen-Verbund entspricht. Der Winkel αz kann aufgrund der bekannten geometrischen Verhältnisse ohne weiteres aus der durch den Neigungssensor 46 erfaßten Neigung ermittelt werden, bzw. bei einer entsprechenden Kalibirierung bereits durch den Neigungssensor ausgegeben werden.
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Der Winkel αz ändert sich mit einer Höheneinstellung an dem Zugpunkt 20. Somit ändert sich der durch den Abstands- bzw. Höhensensor 28 an der Position 44 gemessene Abstand hs entsprechend. Aufgrund der drehbaren, schwimmenden Anbringung des Zugarm-Bohlen-Verbunds an dem Traktor ändert sich jedoch die Schichtdicke he an der unteren Bohlenhinterkante 26 nicht zeitgleich mit der Höheneinstellung am Zugpunkt 20. Die aufgrund der durchgeführten Höheneinstellung erfaßte Höhe hs würde somit jedoch jeweils zu falschen Ergebnissen bei der Bestimmung der Schichtdicke he führen, wenn nicht die Neigung des Zugarm-Bohlen-Verbunds in einem solchen Fall bei der Bestimmung berücksichtigt werden würde. Diese Berücksichtigung muß eine Kompensation eines trotz einer gleichbleibenden Schichtdicke geänderten Abstandssignals ermöglichen.
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In 4 ist hs der durch den Abstandssensor erfaßte relative Abstand, A der Abstand zwischen Bohlenhinterkante 26 und Bezugsposition 44 in Fahrtrichtung und αz, wie oben ausgeführt wurde, ein von dem Ausgangssignal des Neigungssensors 30 abhängiger Neigungswinkel. Anhand der Darstellung von 4 können folgende Gleichungen definiert werden: tan(αz) = Hb'/A ==> Hb' = A·tan(αz)
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Für den Fall von 3 entspricht die in 4 gezeigte Größe Hb' dem Abstand Hb. In diesem Fall stellt αz lediglich den bei dem gezeigten Beispiel vorliegenden geometrisch bedingten Neigungswinkel der gedachten Linie 48 dar.
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Ändert sich nun jedoch die Neigung des Zugarms 18, beispielsweise durch eine Höhenverstellung am Zugpunkt 20, so ändert sich gleichzeitig die Neigung der gedachten, d. h. imaginären Linie 48 zwischen unterer Bohlenhinterkante 26 und Bezugsposition auf dem Zugarm-Bohlen-Verbund. Das Ausgangssignal des Abstandssensors 28 ändert sich somit ansprechend auf die relative Lageverschiebung zwischen Zugarm-Bohlen-Verbund und Traktor, obwohl die Schichtdicke he unverändert bleibt. Somit muß die Änderung des Ausgangssignals des Höhensensors 28 kompensiert werden, um dennoch ein korrektes Ergebnis bei der Bestimmung der Schichtdicke he unter Verwendung des Sensorsignals des Abstandssensors 28 zu erhalten.
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Dies kann erreicht werden, indem der Ausdruck Hb in den Gleichungen 1 und 2 durch den Ausdruck Hb', wie er oben hergeleitet wurde, ersetzt wird.
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Somit ergibt sich für den Fall des Ausführungsbeispiels, wie es in 3 gezeigt ist, bei dem der Abstands- bzw. Höhen-Sensor von der hinteren Bohlenkante beabstandet ist, folgende Berechnung der Schichtdicke he: he = Hf – hs – (A·tan(αz)) Gl. 3
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Gegenüber den Gleichungen 1 und 2 ist somit die Beabstandung Hb durch die neigungsbedingt tatsächlich vorliegende Beabstandung Hb' = A·tan(αz) ersetzt.
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Um eine allgemein gültige Berechnungsgleichung, mit deren Hilfe die Schichtdicke berechnet werden kann, zu implementieren, sind die geometrischen Verhältnisse am Straßenfertiger unabhängig von der Straßenlängsneigung zu betrachten, was durch eine Erfassung der Längsneigung der Straße und eine Berücksichtigung der erfaßten Längsneigung bei der Berechnung der Schichtdicke erfolgen kann. Die Erfassung der Straßenlängsneigung kann vorzugsweise durch den Längsneigungssensor 38 erfolgen, der an dem Traktor 10 des Straßenfertigers angebracht ist.
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Die Längsneigung des Traktors, die durch den Neigungssensor 33 erfaßt wird, kann nun berücksichtigt werden, um aus der erfaßten Zugarm-Bohlen-Verbund-Neigung einen lagekompensierter Zugarm-Bohlen-Verbund-Neigungswinkel zu ermitteln. Analog ergibt sich ein lagekompensierter Neigungswinkel αzL der gedachten Linie zwischen unterer Bohlenhinterkante und Höhensensorposition gemäß: αzL = αz – αL wobei αL die erfaßte Längsneigung des Traktors des Straßenfertigers ist.
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Verändert sich die Straßenlängsneigung werden beide Meßwerte αL und αz im gleichen Maße verändert. Der lagekompensierte Neigungswinkel αzL ändert sich dabei nicht. Verändert sich jedoch nur die Höhenposition vom Zugpunkt des Straßenfertigers, wird auch eine Veränderung vom lagekompensierten Zugarmneigungswinkel αzL festgestellt. Diese Neigungsänderung ist jedoch, wie oben erläutert wurde, für die Schichtdickenberechnung entscheidend.
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Zur Ermittlung der Schichtdicke ist dann in Gleichung 3 der Neigungswinkel αz durch den lagekompensierten Neigungswinkel αzL zu ersetzen.
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Sollen nun zusätzlich Untergrundlängsneigungsänderungen berücksichtigt werden, wie oben bezugnehmend auf 2 erläutert wurde, lautet die entsprechende Gleichung 4 zur Bestimmung der Schichtdicke wie folgt: he = Hf – hs – (A·tan(αzL)) ± (tan(Δα)·B) Gl. 4
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Die letztgenannte Berechnungsgleichung gilt prinzipiell solange der Höhensensor beabstandet von der Bohlenhinterkante im Bereich zwischen Bohlenhinterkante und Zugpunkt angeordnet ist.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Höhensensor im wesentlichen senkrecht über dem Drehpunkt des Traktors 10 des Straßenfertigers, d. h. über dem hinteren Rad des Kettenfahrwerks 12 angeordnet sein, so daß eine Straßenlängsneigungskompensation, wie sie bezugnehmend auf 2 beschrieben wurde, entfallen kann, da der Abstand B = 0 ist. Andererseits ist es vorteilhaft, den Höhensensor möglichst nahe im Bereich der Hinterkante der Bohle anzuordnen, um durch den Ausdruck A·tan(αzL) aufgrund von Vibrationen eingebrachte Fehler möglichst gering zu halten. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß bevorzugt, den Neigungssensor 46 im Bereich des Zugpunktes 20 anzuordnen, da dadurch durch Vibrationen der Bohle bedingte Ungenauigkeiten im Ausgangssignal des Neigungssensors 46 minimiert werden können.
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An dieser Stelle sei angemerkt, daß bei der praktischen Realisierung der vorliegenden Erfindung ein Relativabstandssensor auf jeder Seite eines Zugarm-Bohlen-Verbunds, der aus einer Bohle, einem linksseitigen und einem rechtsseitigen Zugarm besteht, vorgesehen sein kann. Zu diesem Zweck kann auch an jedem Zugarm ein Neigungssensor angeordnet sein. Somit können für die linke Seite und die rechte Seite getrennte Schichtdickenwerte ermittelt werden, aus denen dann ein mittlerer Schichtdickenwert bestimmt werden kann.
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Die entsprechend der vorliegenden Erfindung erfaßte Schichtdicke kann nun in einer Regelkreisstruktur für eine Höhenregelung der Einbauhöhe verwendet werden, siehe 5. Eine Einrichtung zur Erfassung der Schichtdicke ist dabei in 5 schematisch als Schichtdickenermittlungseinrichtung 61 dargestellt, durch die, wie oben erläutert wurde, die Schichtdicke an der Bohlenhinterkante der Bohle 16 exakt bestimmt werden kann. Das Ausgangssignal 62 der Schichtdickenermittlungseinrichtung 61 wird dann mit einem Höhensollwert 64 verglichen, beispielsweise durch eine Differenzbildung und einem Zugpunkt-Regler 66 zugeführt, der aus der Differenz zwischen Höhenistwert und Höhensollwert eine Stellgröße 68 in bekannter Weise ermittelt und der Höheneinstelleinrichtung 70 zuführt, um eine entprechende Einstellung des Zugpunkts 20 durchzuführen. Somit wird über den Höhenregler 66 der Zugpunkt direkt angesteuert. Die Zeitkonstante der Regelstrecke wird durch die Zylinderzeitkonstante im wesentlichen bestimmt. Dies führt im Vergleich zur Zeitkonstante der Bohle zu einem relativ schnellen Regelkreis.
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Eine effizientere, verbesserte Regelkreisstruktur ist in
6 gezeigt. Hinsichtlich de Einzelheiten einer solchen Regelkreisstruktur, jedoch unter Verwendung eines Höhenistwerts, der an der Bohlenhinterkante bezugnehmend auf eine Referenz erfaßt wird, wird auf die
DE 19647150 A1 verwiesen, deren Offenbarung bezüglich der Einbauhöhensteuerung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Bei einer solchen Regelung wirken sich Änderungen der Einbauhöhe, Sollwert oder Istwert, nicht direkt auf den Zugpunkt aus. Zu diesem Zweck sind eine getrennte Höhenüberwachung und Zugpunktregelung vorgesehen.
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Die vorliegende Erfindung kann zur Steuerung der Einbauhöhe eines Straßenfertigers verwendet werden, indem die Höhenmessung an der Hinterkante der Bohle, wie sie gemäß der
DE 19647150 A1 durchgeführt wird, durch die erfindungsgemäße Schichtdickenerfassung ersetzt wird.
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Dabei ist festzustellen, daß neben einer zu erreichenden Schichtdicke in jedem Fall die Straßenebenheit gewährleistet sein muß. Dabei besitzt die Straßenebenheit gegenüber der einzubauenden Schichtdicke eine höhere Priorität, d. h. das Regelsystem muß in erster Linie für die Ebenheit der Straße sorgen.
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Von dieser Überlegung ausgehend müssen im Prinzip zwei Regelkreise realisiert werden, ein Ebenheitsregelkreis, der für die Ebenheit der Straße sorgt, und ein Schichtdickenregelkreis, der für eine konstante Schichtdicke sorgt.
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Damit dies erreicht werden kann, ist die Schichtdicke als mittlere Schichtdicke in einem Straßensegment zu berechnen, beispielsweise über eine Zeitdauer von 10 bis 20 Sekunden. Weiterhin muß der Regelkreis für die Schichtdicke dem Regelkreis für die Straßenebenheit untergeordnet sein.
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Die sich aus diesen Überlegungen ergebende Regelkreisstruktur ist in
6 dargestellt, wo schematisch eine Schichtdickenberechnungseinrichtung
80, die die Ausgangssignale des Längsneigungssensors
33, des Höhensensors
28 und des Neigungssensors
30 empfängt, gezeigt ist. Die Schichtdickenberechnungseinrichtung
80 gibt einen Schichtdickenistwert
82 aus. Dieser Schichtdickenistwert
82 wird mit einem Schichtdickensollwert
84 verglichen, beispielsweise durch eine Differenzbildung
86. Der Differenzwert wird dann einer Schichtdickenüberwachungseinrichtung
88 zugeführt, die aus einer Schichtdickenabweichung Δhe einen Neigungssollwertänderungswert Δα und aus diesem wiederum einen Neigungssollwert bestimmt. Der Neigungssollwert wird dann, beispielsweise durch eine Differenzbildung
90, mit der durch den Neigungssensor
30 erfaßten Zugarmneigung
92 verglichen, wobei das Ergebnis des Vergleichs einem Zugpunktregler
94 zugeführt wird, der daraus eine Stellgröße
96 für die Höheneinstellvorrichtung
70 zum Einstellen des Zugpunkts
20 des Zugarms
18 bestimmt. Bezüglich der Einzelheiten der in
6 gezeigten Regelkreise sei wiederum auf die Offenbarung der
DE 19647150 A1 verwiesen.
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Abschließend bleibt festzustellen, daß die Regelung der Ebenheit der Straße basierend auf dem Ausgangssignal des Neigungssensors 30 Priorität gegenüber dem Schichtdickenregelkreis haben muß, wobei der Ebenheitsregelkreis mit einer schnellen Zeitkonstante durchgeführt wird, während zur Schichtdickenregelung eine Betrachtung über eine gewisse Strecke erfolgt, so daß hier Fehler aufgrund von Steinen bzw. Mulden im Untergrund, die über den Höhensensor erfaßt werden, ausgeglichen werden. Anders ausgedrückt hat die Ebenheit der Straße absolute Priorität, während es ausreichend ist, die Schichtdicke im Mittel innerhalb bestimmter Grenzen zu halten.
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Wie oben beschrieben wurde, kann ein Neigungssensor am Traktor des Straßenfertigers angebracht sein, um eine Straßenlängsneigung, Straßenlängsneigungsänderung bzw. eine Längsneigung des Untergrunds zu erfassen. Alternativ kann die Straßenlängsneigung über eine Ort-Neigungstabelle vorgegeben werden, in der für jeden Ort bzw. Straßenabschnitt ein zugehöriger Straßenlängsneigungswert abgelegt ist. Ein Ortsbestimmungssystem, z. B. GPS, kann dann den Bezug zum entsprechenden Straßenneigungsistwert herstellen. Die Ermittlung der Straßenlängsneigung erfolgt in der Regel beim Design der Straße und liegt somit fest. Alternativ kann die Straßenlängsneigung auch messtechnisch ermittelt werden.
