DE102004013897B4

DE102004013897B4 - Portalhubstapler mit elektrischer Lenkung

Info

Publication number: DE102004013897B4
Application number: DE102004013897A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. Bauer
Original assignee: Noell Mobile Systems and Cranes GmbH
Current assignee: Konecranes Global Oy
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: FI20050303A0; DE102004013897A1; FI123444B; FI20050303A

Abstract

Portalhubstapler mit elektrischer Lenkung, bestehend aus einem Ober- und einem Unterrahmen, die durch Stützen untereinander verbunden sind, wobei am Oberrahmen ein Hubwerk mit Hebezeugen angeordnet ist und der Unterrahmen aus zwei Fahrwerksträgern (54, 55) mit Rädern (41, 42, 43, 44) besteht, die in den Gassen zwischen Containern verfahren, wobei das Drehmoment oder die Drehzahl eines jeden lenkbaren Rades (41, 42, 43, 44) separat verstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
– zwei oder mehrere Einzelräder (41, 42 bzw. 43, 44) auf jeweils einer Fahrzeugseite über ein Lenkgestänge (50) miteinander verbunden sind,
– weiterhin ein Abstand oder Lenkrollradius (52) zwischen einer Drehachse (53, 56) und einer Senkrechten (57) eines jeden lenkbaren Rades (41, 42, 43, 44) besteht und ein elektronisches Lenkregelungssystem (25, 26, 27, 28) jedem lenkbaren Rad (41, 42, 43, 44) die Drehzahl oder das Drehmoment so vorgibt, daß die Räder (41, 42, 43, 44) zu Lenkeinschlägen bewegt werden,...

Description

Die Erfindung betrifft Portalhubstapler entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.
Die Erfindung ist anwendbar für Portalhubstapler, sogenannte Straddle Carrier.
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.
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.
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.
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.
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.
Das Dokument DE 695 17 406 T2 beschreibt einen gummibereiften Portalkran (RTG). Dieser Kran weist keine Einzelräder auf, sondern Doppelräder. Portalhubstapler weisen eine enge U-Form um einen einzelnen Container auf und sind in der Lage, mit diesem mit einer hohen Beschleunigung zu verfahren, insbesondere in engen Gassen zwischen Containern. Das ist vor allem durch die Einzelräder möglich, die sehr schmal bauende Fahrwerksträger ergeben und in ihrem Inneren einen regelbaren Motor aufweisen.
Portalhubstapler haben 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 vorgegebenen 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.
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.
Aus DE 694 09 637 T2 geht eine Servolenkung hervor, bei der gegenüberliegende Räder über eine Spurstange gekoppelt sind. Diese Räder sind also nicht auf einer einzigen Seite eines Fahrzeuges angeordnet. Die Lenkkraft wird hier durch die Muskelkraft des Fahrers erzeugt und mechanisch vom Lenkrad über die Spurstange auf die Räder aufgebracht. Die elektrischen Antriebsmotore an den Rädern erzeugen also nur Hilfslenkkräfte, Welche die Muskelkraft des Fahrers unterstützen, um Ihm das Lenken zu erleichtern. Im Gegensatz dazu wird bei der vorgeschlagenen Lösung die komplette Lenkkraft über die Motoren in den Rädern erzeugt und keine mechanisch übertragene Lenkkraft durch den Fahrer aufgebracht, sondern die Lenkung wird durch eine Regelstruktur bewirkt, also rein durch elektronische Signalübertragung („steer-by-wire"). Diese Reglerstruktur ist speziell für die Lenkgeometrie des Portalhubstaplers mit seinen nur fahrzeuglängsseitig, nicht aber quer gekoppelten Rädern, entworfen worden.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch einen Portalhubstapler nach den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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.
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.
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 vor, 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.
Das elektronische Lenkregelungssystem kann eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Rechner sein, in welchem eine speziell zum Zwecke der Lenkregelung entwickelte Software implementiert ist.
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,

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.
Es zeigen:
1 einen sechsrädrigen Portalhubwagen in Seitenansicht, ohne Hubwerk und Spreader,
2 Portalhubstapler, Ansicht von hinten,
3 Prinzipdarstellung der Lenkgeometrie in Draufsicht, bei Geradeausfahrt
4 Prinzipdarstellung der Lenkgeometrie bei Kurvenfahrt mit eingeschlagenen Rädern
5 Reglerstruktur der Lenkregelung
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.
Die zugehörige Reglerstruktur zeigt 5.
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.
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.
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.
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.
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.

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 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
48
49
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

Claims

Portalhubstapler mit elektrischer Lenkung, bestehend aus einem Ober- und einem Unterrahmen, die durch Stützen untereinander verbunden sind, wobei am Oberrahmen ein Hubwerk mit Hebezeugen angeordnet ist und der Unterrahmen aus zwei Fahrwerksträgern (54, 55) mit Rädern (41, 42, 43, 44) besteht, die in den Gassen zwischen Containern verfahren, wobei das Drehmoment oder die Drehzahl eines jeden lenkbaren Rades (41, 42, 43, 44) separat verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß – zwei oder mehrere Einzelräder (41, 42 bzw. 43, 44) auf jeweils einer Fahrzeugseite über ein Lenkgestänge (50) miteinander verbunden sind, – weiterhin ein Abstand oder Lenkrollradius (52) zwischen einer Drehachse (53, 56) und einer Senkrechten (57) eines jeden lenkbaren Rades (41, 42, 43, 44) besteht und ein elektronisches Lenkregelungssystem (25, 26, 27, 28) jedem lenkbaren Rad (41, 42, 43, 44) die Drehzahl oder das Drehmoment so vorgibt, daß die Räder (41, 42, 43, 44) zu Lenkeinschlägen bewegt werden, und – das Drehmoment, welches ein Rad (41, 42, 43, 44) zum Lenken bringt, kompensiert wird durch ein gegenläufiges Lenkmoment eines anderen Rades (41, 42, 43, 44) auf der gleichen Fahrzeugseite, so daß bei unterschiedlichen Antriebs- und Bremsmomenten oder bei Drehzahlunterschieden der beiden gekoppelten Räder (41, 42, bzw. 43, 44) diese einen synchronen Lenkeinschlag ausführen.
Portalhubstapler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lenkbaren Räderpaare (41, 42, und 43, 44) durch ein Lenkgestänge (50) mit Umlenkhebeln (51) miteinander verbunden sind.
Portalhubstapler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkeinschläge einzelner oder mehrerer mechanisch gekoppelter Räder (41, 42, 43, 44) mit elektronischen Lenkwinkelgebern (12, 13) erfaßt und als rückgekoppelte Istwerte (14, 15) dem elektronischen Lenkregelungssystem (25, 26, 27, 28) zugeführt werden.
Portalhubstapler mit Lenkung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Lenkregelungssystem (25, 26, 27, 28) eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Rechner sind, in welchem eine speziell zum Zwecke der Lenkregelung entwickelte Software implementiert ist.