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Die
Erfindung betrifft Portalhubstapler entsprechend dem Oberbegriff
des ersten Patentanspruches.
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Die
Erfindung ist anwendbar für
Portalhubstapler, sogenannte Straddle Carrier.
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Portalhubstapler
sind in Seehäfen
und Containerterminals zum Transportieren und Stapeln von Containern
eingesetzt. Sie werden im allgemeinen hydraulisch gelenkt, d. h.
von ihrem Dieselmotor wird eine Hydraulikpumpe angetrieben, die
das Öl
aus einem Behälter über Regelventile
in Hydraulikzylinder drückt,
welche dann über
Lenkgestänge
die Räder des
Fahrzeuges zu Lenkeinschlägen
bewegen.
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Bei
einer hydraulischen Lenkung ist allerdings als nachteilig anzusehen,
daß das
ganze Hydrauliksystem mit Pumpe, Zylinder, Ventilblock, Ölbehälter und
Verrohrung auf dem ohnehin beengten Fahrzeug erheblichen Platz wegnimmt
und das Gewicht des Fahrzeuges erhöht, weiterhin immer das Risiko
einer Umweltverschmutzung durch Ölleckagen
besteht ein außerdem
ein relativ hoher Wartungsaufwand notwendig ist.
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Straddle
Carrier werden oft dieselelektrisch angetrieben und besitzen dann
für jedes
angetriebene Rad ihres Fahrwerkes einen eigenen regelbaren Motor.
Mit einem elektronischen Regler ist damit die Drehzahl eines jeden
einzelnen Antriebsrades separat und unabhängig voneinander kontinuierlich
präzise
einstellbar.
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Für andere
Fahrzeuge mit solchen drehzahlverstellbaren Einzelradantrieben sind
schon Lenksysteme bekannt geworden, welche ohne eigene Lenkhydraulik
auskommen. Die Lenkung wird bei ihnen nur über die Drehzahlverstellung
der einzelnen Räder
vorgenommen. Durch Vorgabe unterschiedlicher Drehzahlsollwerte für die einzelnen
Fahrantriebe werden die Achsen zum Lenkeinschlag bewegt. Hier sei
als Beispiel die
EP
1 028 049 A2 genannt. Der dort gezeigte Containertransportwagen
hat vier durchgehende lenkbare Achsen, also acht Räder, von
denen vier Räder
einzeln angetrieben sind. Er wird dadurch gelenkt, daß jeweils
das linke und das rechte Rad einer angetriebenen Achse von einer elektronischen
Lenkregelung eine Drehzahldifferenz und eine Drehmomentendifferenz
vorgegeben bekommen, so daß die
Achse sich um ihr senkrechtes Drehlager in der Mitte der Achse dreht
und damit einen Lenkeinschlag macht. Bei Vorgabe von gleichen Drehzahlen
links und rechts fährt
die Achse dann wieder gerade aus.
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Als
ein zweites bekanntes Beispiel seien gummibereifte Portalkrane (sogenannte
RTG, Rubber-tyred gantry cranes) genannt, welche im Gegensatz zu
einem Portalhubstapler eine erheblich breitere Spurweite haben und
mehrere Containerstapel mit einer Laufkatze auf dem Portal überspannen.
Deren Lenkung erfolgt durch einzeln angetriebene Doppelräder auf
jeder Seite des Portals. Von einem Doppelrad bekommt das linke und
das rechte Rad jeweils eine geringfügig differierende Drehzahl,
so daß das Doppelrad
einen Lenkeinschlag macht. Auch solche RTG's benötigen damit keine extra Hydraulik
für die Lenkung.
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Portalhubstapler
haben allerdings eine andere Lenkgeometrie als der in
EP 1 028 049 A2 genannte
Containertransportwagen oder auch RTG's. Denn beim Portalhubstapler sind die
Achsen nicht von links nach rechts durchgehend wie bei einem Wagen,
da sich in der Mitte zwischen den Fahrträgern der zu transportierende
Container am Hubwerk befindet. Doppelräder wie beim RTG sind andererseits
an einem Portalstapler aber auch nicht unterzubringen, denn die
mögliche
Breite des Fahrwerks ist sehr begrenzt, so daß nur Einzelräder mit
Radnabengetriebe und eventuellen Radnabenmotoren innerhalb der vorgegebene
Maximalbreite des Fahrwerksträgers Platz
haben, jedoch keine Doppelräder.
Breitere Fahrwerke mit Doppelrädern
sind ungeeignet, da sie breitere Lücken zwischen den Containerstapeln
notwendig machen und damit die Lagerkapazität des Stapelplatzes vermindern.
Hydraulikfreie Radlenkungen gibt es daher bei Portalhubstaplern
bisher nicht.
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Bei
Portalstaplern sind bisher dagegen Lenkungen üblich, bei denen die Räder (Radgabeln)
einzeln am jeweils rechten oder linken Fahrträger in senkrechten Drehzapfen
drehbar gelagert sind. Um diese senkrechten Drehzapfen können die
Räder gelenkt
werden, indem sie vom Hydraulikzylinder über Lenkgestänge und
Hebel geschwenkt werden. Dabei ist jeder Drehzapfen so angeordnet,
daß seine
theoretisch verlängerte
senkrechte Drehachse genau mittig durch das Rad und weiter durch
den Aufstandpunkt des Rades auf dem Boden führt. Der Lenkrollradius ist
also Null. Mit dieser Lenkgeometrie lassen sich die Räder aber
durch Drehzahldifferenzen nicht zum Einschlagen bewegen, weil ein
horizontaler Hebelarm (Achsschenkel) nicht gegeben ist.
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Nachteilig
an dem genannten Stand der Technik ist, daß Portalstapler ein eigenes
Hydrauliksystem zum Lenken benötigen,
wodurch das Gewicht des Fahrzeuges sich erhöht und besonders im Bereich
der Maschinenbühnen
wenig Platz zur Verfügung
steht. Diese Lenkung muß regelmäßig gewartet werden.
Leckagen am Fahrzeug können
zur Umweltverschmutzung führen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, die oben angegebenen Nachteile
des bekannten Standes der Technik zu beseitigen und eine Lenkung
für Portalstapler
anzugeben, welche ohne hydraulische oder sonstige separate Lenkantriebe
auskommt und nur durch Drehzahl- oder
Drehmomentendifferenzen der Antriebsräder gelenkt wird.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Portalhubstapler nach den Merkmalen des
ersten Patentanspruches gelöst.
Unteransprüche
gegen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Die
erfindungsmäßige Lösung sieht
eine spezielle Lenkgeometrie und ein zugehöriges Lenkregelungssystem vor.
Dabei ist der Drehzapfen und damit die vertikale Lenkdrehachse der
Radlenkung mit einem gewissen Abstand in horizontaler Richtung vom
Aufstandspunkt des Rades, d.h. mit einem gewissen Lenkrollradius,
auszuführen.
Der Lenkrollradius ist definiert als der Abstand zwischen Mitte
der Radaufstandsfläche
bis zum Durchstoßpunkt
der verlängerten
Lenkdrehachse durch die Fahrbahn. Der Lenkrollradius kann durch
Einfügen
von Achsschenkeln einer gewissen Länge oder durch eine größere Einpreßtiefe der
Radfelgen erzeugt werden. Damit ergibt sich eine Achsschenkellenkung
des Rades, bei dem die Vortrieb- oder Bremskraft, die das angetriebene
Rad im Aufstandspunkt auf den Boden bringt, gleichzeitig (über den
Achsschenkel als Hebelarm) ein Drehmoment um die vertikale Radlenkachse
erzeugt. Dieses Drehmoment, welches das Rad zum Lenken bewegen will,
muß kompensiert werden
durch das gegenläufige
Lenkmoment eines anderen Rades auf der gleichen Fahrzeugseite, mit dem
es über
ein Lenkgestänge
oder ähnlichem
mechanisch gekoppelt ist. Bei unterschiedlichen Antriebs- oder Bremsmomenten
oder bei Drehzahlunterschieden der beiden gekoppelten Räder machen dann
beide Räder
einen synchronen Lenkeinschlag.
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Mit
solchen Rädern
auf Achsschenkeln sind die unterschiedlichsten Lenkgeometrien für Portalhubstapler
ausführbar,
zu denen dann aber auch jeweils unterschiedliche Reglerstrukturen
für das
Lenkregelsystem entworfen werden müssen.
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Das
Drehmoment oder die Drehzahl eines jeden lenkbaren Rades sind separat
verstellbar. Weiterhin gibt ein elektronisches Lenkregelungssystem jedem
lenkbaren Rad die Drehzahl und das Drehmoment so vorgibt, daß die Räder zu Lenkeinschlägen bewegt
werden. Weiterhin ist es vorteilhaft wenn die Lenkeinschläge einzelner
oder mehrerer mechanisch gekoppelter Räder mit elektronischen Lenkwinkelgebern
erfaßt
und als rückgekoppelte
Istwerte dem elektronischen Lenkregelungssystem zugeführt werden.
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Das
elektronische Lenkregelungssystem kann eine speicherprogrammierbare
Steuerung oder ein Rechner sein, in welchem eine speziell zum Zwecke
der Lenkregelung entwickelte Software implementiert ist.
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Im
Folgenden wird als ein Beispiel nur die Lenkgeometrie und die zugehörige Reglerstruktur
eines Portalwagens gezeigt, von dessen sechs Rädern vier separat angetrieben
und lenkbar sind, und zwei nicht angetrieben und nicht lenkbar sind.
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Es
zeigen:
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1 einen
sechsrädrigen
Portalhubwagen in Seitenansicht, ohne Hubwerk und Spreader,
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2 Portalhubstapler,
Ansicht von hinten,
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3 Prinzipdarstellung
der Lenkgeometrie in Draufsicht, bei Geradeausfahrt
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4 Prinzipdarstellung
der Lenkgeometrie bei Kurvenfahrt mit eingeschlagenen Rädern
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5 Reglerstruktur
der Lenkregelung
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Die 1 und 2 zeigen
die Ausführung eines
sechsrädrigen
Portalhubwagens, wobei am rechten und linken Fahrträger 54, 55 jeweils
3 Räder 41–46 angebracht
sind. Das jeweils mittlere Rad 45, 46 ist nicht
lenkbar und nicht angetrieben. Das jeweils vordere 41, 43 und
hintere Rad 42, 44 sitzen auf Achsschenkeln, sind
in einem vertikalen Lenkdrehzapfen 53 lenkbar und mit einem
regelbaren Radnabenmotor 1, 2, 3, 4 (5)
angetrieben. Wie die 3 zeigt, sind die vorderen 41, 43 und
hinteren Räder 42, 44 mit
einem über
einen Umkehrhebel 51 die Lenkbewegungsrichtung umkehrenden
Lenkgestänge 50 miteinander
gekoppelt. Bekommt nun z. B. das vordere Rad 41, 43 einen
geringfügig
größeren Drehzahlsollwert
als das die Fahrzeuggeschwindigkeit erfordert, und das hintere Rad 42, 44 einen
um den gleichen Betrag kleineren Drehzahlsollwert, so schlagen wegen
der Achsschenkel die Räder 41, 42 und 44, 43 entgegengesetzt
ein. Das Lenkgestänge 50 sorgt
dabei für
exakt entgegengesetzt gleichen Einschlag der Räder 41, 42 und 44, 43.
Ist der gewünschte
Lenkwinkel erreicht, so werden beiden Rädern 41, 42, 43, 44 leiche
Drehzahlen vorgegeben, und der eingestellte Lenkwinkel bleibt in
der Kurvenfahrt erhalten. Nach der Kurve kann die Lenkung wieder
gerade gerichtet werden (4), wenn man nun umgekehrt dem
hinteren Rad 42, 44 einen größeren und dem vorderen Rad 41, 43 einen
kleineren Drehzahlsollwert vorgibt, solange, bis die Räder 41, 42, 43, 44 wieder
gerade stehen.
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Die
zugehörige
Reglerstruktur zeigt 5.
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Der
Lenkwinkelsollwert 6 des Fahrzeuges kommt von einem Lenkrad 5 mit
elektronischem Winkelgeber. Er wird zunächst im Rechenprogramm 7 mit
den Daten der Fahrzeuggeometrie umgerechnet in zwei separate Lenkwinkel 8, 9 für jeweils
die linke und die rechten Fahrzeugseite, da die Räder auf
der Innenseite der Kurve stärker
einschlagen müssen
als auf der Außenseite.
Dabei ist es wiederum vorteilhaft, die Lenkwinkel 8, 9 der
einzelnen Räder
so vorzugeben, daß sich
bei einer Kurvenfahrt die gedachten Verlängerungen der einzelnen Achsschenkel
in einem einzigen Kreismittelpunkt schneiden.
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Der
Lenkwinkelsollwert 8, 9 der jeweiligen Seite wird
nun in den Lenkwinkelreglern 10, 11 verglichen
mit dem Lenkwinkelistwert 14, 15 vom elektronischen
Lenkwinkelgeber 12, 13 auf dem jeweiligen Fahrträger. Die
Regeldifferenz wird im jeweiligen Lenkwinkelregler 10,11 zu
einem Stellsignal 20, 21 bzw. 23, 24 umgerechnet,
welches den Drehzahlreglern 25, 26 bzw. 27, 28 für die Radmotoren
des vorderen 1 bzw. 3 und hinteren 2 bzw. 4 Rades
mit jeweils umgekehrten Vorzeichen als Zusatzsollwert 20, 21 bzw. 23, 24 auf
ihren jeweiligen Hauptdrehzahlsollwert 19 bzw. 22 aufaddiert
wird.
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Der
Hauptdrehzahlsollwert 17 für das gesamte Fahrzeug kommt
von einem Fußfahrgeber 16, mit
dem der Fahrer die Fahrgeschwindigkeit vorgibt. Er wird im Rechenprogramm 18 mit
Hilfe der Lenkwinkelistwerte 14, 15 und den Daten
der Fahrzeuggeometrie in Hauptdrehzahlsollwerte 19, 22 für die jeweilige
Fahrzeugseite umgerechnet, weil ja bekanntlich die Räder auf
der Fahrzeugseite im inneren der Kurve langsamer drehen müssen als
auf der Kurvenaußenseite.
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Im
Normalbetrieb wird das Fahrzeug elektrisch von den Radmotoren gebremst.
Dabei bleibt das Fahrzeug voll lenkbar. Nur bei sehr starker Bremsung
greifen die mechanischen Bremsen mit ein.
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Aus
Sicherheitsgründen
ist es vorteilhaft, entweder die mechanischen Bremsen des Portalhubstaplers
an den nicht angetriebenen oder nicht gelenkten Rädern anzubringen,
oder aber die mechanischen Bremsen mit elektronisch regelbarer Bremskraft
auszuführen,
so daß ungleichmäßiges Ziehen der
mechanischen Bremsen vermieden werden kann. Sonst wäre beim
mechanischen Bremsen die Lenkung nicht mehr kontrollierbar und das
Fahrzeug würde
Haken schlagen. In jedem Fall muß bei Ausfall eines Radantriebes
das Fahrzeug zur Sicherheit automatisch abgebremst werden, wobei
die noch funktionierenden Radantriebe das Fahrzeug während der Bremsung
weiter lenken können.
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Mit
der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- – es wird
kein eigenes Hydrauliksystem zum Lenken des Portalstaplers gebraucht,
- – das
Gewicht des Fahrzeuges wird geringer, und es steht auf ihm mehr
Platz zur Verfügung,
- – die
erfundene Lenkung ist wartungsfrei,
- – es
werden außer
der elektronischen Lenkregelung keinen zusätzlichen Komponenten für die neue
Lenkung gebraucht, da die Einzelradantriebe und Lenkwinkelgeber
ohnehin auf den Fahrzeugen schon vorhanden sind,
- – die
Lenkung ist ölfrei,
daher stark vermindertes Risiko von Umweltverschmutzungen wegen
Leckagen,
- – dieselelektrisch
angetriebene Portalstapler können
vollkommen ohne Hydraulikanlagen und Öl ausgeführt werden, wenn zusätzlich die
auf dem Markt schon erhältlichen
elektrischen Spreader und elektrische Bremsen eingesetzt werden,
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- 1
- Radmotor
für linkes
Vorderrad
- 2
- Radmotor
für linkes
Hinterrad
- 3
- Radmotor
für rechtes
Vorderrad
- 4
- Radmotor
für rechtes
Hinterrad
- 5
- Lenkrad
mit elektrischem Winkelgeber
- 6
- Lenkwinkelsollwert
des gesamten Fahrzeuges
- 7
- Rechenprogramm
zum Errechen der Lenkwinkelsollwerte für die rechte und linke
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- Fahrzeugseite
- 8
- Lenkwinkelsollwert
linke Fahrzeugseite
- 9
- Lenkwinkelsollwert
rechte Fahrzeugseite
- 10
- Lenkwinkelregler
linke Fahrzeugseite
- 11
- Lenkwinkelregler
rechte Fahrzeugseite
- 12
- Lenkwinkelgeber
(elektronisch) linke Fahrzeugseite
- 13
- Lenkwinkelgeber
(elektronisch) rechte Fahrzeugseite
- 14
- Lenkwinkelistwert
linke Seite
- 15
- Lenkwinkelistwert
rechte Seite
- 16
- Fußfahrgeber
(Fahrpedal) zur Vorgabe der Fahrzeuggeschwindigkeit
- 17
- Hauptdrehzahlsollwert
für das
gesamte Fahrzeug
- 18
- Rechenprogramm
zum Errechnen der Hauptdrehzahlsollwerte für die linke und
-
- rechte
Fahrzeugseite
- 19
- Hauptdrehzahlsollwert
für die
linke Fahrzeugseite
- 20
- Zusatzsollwert
für das
linke Vorderrad
- 21
- Zusatzsollwert
für das
linke Hinterrad
- 22
- Hauptdrehzahlsollwert
für die
rechte Fahrzeugseite
- 23
- Zusatzsollwert
für das
rechte Vorderrad
- 24
- Zusatzsollwert
für das
rechte Hinterrad
- 25
- Frequenzumrichter
mit Drehzahlregler für
den Radmotor links vorne
- 26
- Frequenzumrichter
mit Drehzahlregler für
den Radmotor links hinten
- 27
- Frequenzumrichter
mit Drehzahlregler für
den Radmotor rechts vorne
- 28
- Frequenzumrichter
mit Drehzahlregler für
den Radmotor rechts hinten
- 29
-
- 30
-
- 31
-
- 32
-
- 33
-
- 34
-
- 35
-
- 36
-
- 37
-
- 38
-
- 39
-
- 40
-
- 41
- Linkes
Vorderrad, lenkbar und angetrieben
- 42
- Linkes
Hinterrad, lenkbar und angetrieben
- 43
- Rechtes
Vorderrad, lenkbar und angetrieben
- 44
- Rechtes
Hinterrad, lenkbar und angetrieben
- 45
- Linkes
mittleres Rad, nicht lenkbar und nicht angetrieben
- 46
- Linkes
mittleres Rad, nicht lenkbar und nicht angetrieben
- 47
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- 48
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- 49
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- 50
- Lenkgestänge
- 51
- Umkehrhebel
für Lenkgestänge
- 52
- Abstand
zwischen 56 und 57, Lenkrollradius
- 53
- Lenkdrehzapfen
- 54
- Fahrträger links
- 55
- Fahrträger rechts
- 56
- Lenkdrehachse
- 57
- Mittelachse
der Radaufstandsfläche
auf dem Boden