DE102004028053A1

DE102004028053A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kippvermeidung eines Flurförderzeugs

Info

Publication number: DE102004028053A1
Application number: DE200410028053
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Bavendiek; Thorsten Biermann; Rainer Prof. Dr. Bruns
Original assignee: STILL GmbH
Current assignee: STILL GmbH
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kippvermeidung eines Flurförderzeugs, bei dem ein Fahrzeugaufbau (3) des Flurförderzeugs mittels mindestens eines Stellglieds (4) relativ zu mindestens einer Fahrzeugachse (1) aktiv um eine Längsachse des Flurförderzeugs geneigt wird. Das Stellglied wird von einer elektrischen Steuervorrichtung angesteuert. Erfindungsgemäß wird in der elektrischen Steuervorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter des Flurförderzeugs ein Kippkoeffizient (LAMBDA¶K¶) ermittelt und wird die Neigung des Fahrzeugaufbaus (3) in Abhängigkeit von dem Kippkoeffizient (LAMBDA¶K¶) eingestellt. Als Betriebsparameter zum Ermitteln des Kippkoeffizienten werden (LAMBDA¶K¶) die Radlasten (F¶Rij¶) des Flurförderzeugs verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem ein Fahrzeugaufbau des Flurförderzeugs mittels mindestens eines Stellglieds relativ zu mindestens einer Fahrzeugachse aktiv um eine Längsachse des Flurförderzeugs geneigt wird, wobei das Stellglied von einer elektrischen Steuervorrichtung angesteuert wird, und eine Vorrichtung zur Kippvermeidung eines Flurförderzeugs. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Flurförderzeug mit einem derartigen System zur Kippvermeidung ist beispielsweise aus der DE 101 54 805 A1 bekannt. Das in dieser Druckschrift dargestellte, als Gabelstapler ausgeführte Flurförderzeug weist als Hinterachse eine Pendelachse auf. Der Fahrzeugaufbau, also insbesondere eine Fahrzeugrahmen, eine Fahrerkabine und ein Heckgewicht, können aktiv gegenüber der auf der Fahrbahn aufstehenden Pendelachse geneigt werden. Diese Funktion wird verwendet, um während einer Kurvenfahrt den Schwerpunkt des Flurtörderzeugs zur Kurveninnenseite zu verlagern und dadurch die Stabilität des Flurförderzeugs zu erhöhen. Die Gefahr eines Umkippens des Flurförderzeugs auf die Kurvenaußenseite wird hierdurch erheblich verringert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Kippvermeidung und ein Flurförderzeug zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, bei dem die Stärke der Neigung des Fahrzeugaufbaus in Abhängigkeit von der Betriebssituation auf ein geeignetes Maß eingestellt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

1 zeigt ein als Gabelstapler ausgeführtes Flurförderzeug in Heckansicht. Zu erkennen sind eine Fahrzeugachse 1 – in diesem Fall die Hinterachse –, zwei Hinterräder 2, der Fahrzeugaufbau 3 und zwei Stellglieder 4 zum Neigen des Fahrzeugaufbaus relativ zur Fahrzeugachse 1.
Der Fahrzeugaufbau 3 wird vorzugsweise mittels hydraulischer Aktoren (alternativ: elektromagnetisch, pneumatisch und elektrischer Spindelantrieb) um die Fahrzeugslängsachse bzw. zur Fahrzeugslängsachse näherungsweise parallele Achsen relativ zur durch die Radaufstandspunkte gebildeten Ebene geneigt. Die Ansteuerung der Stellglieder 4 erfolgt über eine elektrische Steuervorrichtung, deren Steuersignal mindestens in Abhängigkeit der Querbeschleunigung des Flurförderzeugs bzw. einer durch Kombination anderer Größen, wie zum Beispiel Fahrgeschwindigkeit und Lenkwinkel, zu einer der Querbeschleunigung äquivalenten Größe erzeugt wird. Diese Größen können sowohl direkt gemessen als auch berechnet werden. Optional können die Radlasten bzw. das Verhältnis der Radlasten von linker zu rechter Fahrzeugseite in die Steuerung einfließen, wodurch eine zu starke Überkompensation des Wankwinkels vermieden werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Anordnung zur Kippvermeidung besteht darin, dass ein Eingriff des Systems im gesamten Betriebsbereich nicht zur Destabilisierung des Fahrzeuges führen kann.
Zum Betrieb der im folgenden beschriebenen Regeleinrichtung zur Kippvermeidung, muss die mobile Arbeitsmaschine ein Fahrwerk besitzen bei dem die Räder 2 bzw. die Achsen 1 relativ zum Fahrzeugaufbau 3 beweglich sind und zwar mindestens so, dass die durch die Radmittelpunkte aufgespannte Fläche relativ zum Fahrzeugaufbau 3 um die Fahrzeuglängsachse bzw. eine zur Fahrzeuglängsachse nahezu parallele Achse neigbar ist. Beispielsweise können die in den Patenten DE 100 55 751 A1 , DE 100 62 565 A1 und DE 101 20 598 A1 beschriebenen Achsen verwendet werden. Sind, wie dies bei Fahrzeugen mit Drehschemellenkung oftmals der Fall ist, beide Räder einer Fahrzeugachse dicht nebeneinander angeordnet bzw. wird gar nur ein Rad verwendet, so ist eine entsprechend bewegliche Aufhängung der Räder der anderen Achse ausreichend.
Zur Steuerung der relativen Achsbewegung dienen entweder translatorisch oder rotatorisch arbeitende, vorzugsweise hydraulische Stellglieder 4, alternativ können jedoch auch elektromagnetische, pneumatische oder elektrische Stellglieder verwendet werden, wie beispielsweise Spindelantriebe. Die Stellglieder 4 sind so anzuordnen und anzusteuern, dass die möglichen Relativbewegung zwischen Achsen 1 und Fahrzeugaufbau 3 beeinflussbar sind, mindestens jedoch die bereits beschriebene Relativbewegung des Fahrzeugaufbaus 3 zu den Rädern 2 um die Fahrzeuglängsachse.
Die Regeleinrichtung besteht aus der Sensorik, einer Steuervorrichtung inklusive Mikrokontroller und mindestens einem der bereits beschriebenen Stellglieder 4. Die Wirkungsweise der Regeleinrichtung ist prinzipiell dadurch beschrieben, dass das Kippen des Flurförderzeugs bei Kurvenfahrten durch Neigen des Fahrzeugaufbaus 3 zur Kurvenmitte hin vermieden wird. Hierzu berechnet die Regeleinrichtung Stellgrößen in Abhängigkeit von Sensorsignalen, mit denen der dynamische Fahrzustand des Flurförderzeugs in ausreichender Genauigkeit ermittelt werden kann. Im Folgenden werden mögliche Ausführungen des Regelalgorithmus mit der entsprechenden Sensorik erläutert.
Zunächst wird ein Kippkoeffizient ⋀_K definiert, der die Radlasten der kurveninneren und kurvenäußeren Fahrzeugseite ins Verhältnis setzt, die Beziehung lautet
in dieser Formel bezeichnet R_L die Radlasten der linken Fahrzeugseite und R_R die Radlasten der rechten Fahrzeugseite. Der Kippkoeffizient nimmt bei Geradeausfahrt den Wert Null an, das Fahrzeug würde in einer Linkskurve kippen, wenn der Kippkoeffizient ⋀_K den maximalen Wert 1 erreicht bzw. würde in einer Rechtskurve bei Annahme des Minimalwertes –1 kippen. Proportional zum Kippkoeffizienten wird der Neigewinkel des Aufbaus 3 geregelt. Um hierbei die Fahrzeugdynamik nicht negativ zu beeinflussen und den Energiebedarf der Stellglieder 4 in Grenzen zu halten, besitzt der Regler eine Neutralzone, die ca. ± 20% des maximalen Wertes des Kippkoeffizienten beträgt. Ferner wird das Stellsignal mit einem Tiefpassfilter gefiltert, dessen Eckfrequenz in etwa dem doppelten, der von einem durchschnittlichen Fahrer erreichbaren maximalen Lenkfrequenz beträgt.
Im Folgenden werden drei Methoden zur Berechnung des Fahrzeugschwerpunktes, der auftretenden Querbeschleunigung bzw. der auf das Fahrzeug wirkenden Zentrifugalkraft beschrieben, die letztlich zur Berechnung der Radlasten bzw. des Kippkoeffizienten ⋀_K genutzt werden. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems ist eine redundante Ausführung des Systems durch parallele Verwendung mehrerer Berechnungsmethoden im Regelalgorithmus möglich.
a) Direkte Messung der Radlasten
Zur direkten Bestimmung der Radlasten bietet sich die Messung der Stellkräfte der verwendeten Stellglieder 4 an. Die Stellkräfte können entweder direkt gemessen werden, z.B. mit Dehnungsmessstreifen, oder die Stellkräfte sind proportional zu anderen Messgrößen, wie z. B. dem Druck bei hydraulischen Stellgliedern oder aber dem Strom oder der Spannung bei elektrischen oder elektromagnetischen Stellglieder, so dass eine Umrechnung in eine Stellkraft mittels eines Proportionalitätsfaktors möglich ist. Desweiteren sind die Stellkräfte in Radlasten umzurechnen. Bei Einzelradaufhängungen ist hierzu die Berücksichtigung des Hebelgesetze zwischen Radlast und Stellkraft des Stellglieds ausreichend, bei Starrachsen muss jedoch die folgende Transformationsvorschrift, die sich aus dem in der 1 dargestellten Modell ableiten lässt, verwendet werden
Die Formelzeichen bedeuten im Einzelnen: F_Rij die Radlasten, F_Zij die Kräfte der Stellglieder in vertikaler Richtung, b_i die Spurweite der jeweiligen Achse und c_i der Abstand der Lagerungen der Stellglieder an der jeweiligen Achse. Die Indizes bedeuten: i = v,h vom bzw. hinten und j = l,r links bzw. rechts. Die auf diese Weise ermittelten Radlasten werden im weiteren Rechenalgorithmus in die Gleichung zur Berechnung des Kippkoeffizienten ⋀_K eingesetzt.
b) Indirekte Bestimmung des Kippkoeffizienten bzw. der Radlasten
Zur indirekten Bestimmung des Kippkoeffizienten bzw. der Radlasten ist zunächst die Ermittlung der Schwerpunktshöhe des Fahrzeuges und der Längskoordinate des Fahrzeugschwerpunktes nötig.

• Berechnung der Schwerpunkthöhe des Fahrzeuges mit Last Zur Berechnung der Schwerpunkthöhe des Fahrzeuges mit Last sei zunächst vorausgesetzt, dass die Masse m_MA und die Schwerpunkthöhe z_SP,0 des unbeladenen Fahrzeuges bekannt sind und als Konstanten im Algorithmus verwendet werden. Ferner wird die Lastmasse m_L mittels Kraftmessung bzw. Druckmessung am Hubzylinder des Hubgerüstes bestimmt. Die Höhenkoordinate des Lastschwerpunktes h_L wird mit einem Wegsensor gemessen. Die Schwerpunkthöhe des beladenen Fahrzeugs ist aus dem in 2 dargestelltem Modell ableitbar und berechnet sich nach der Gleichung:
Wird beispielsweise aus Kostengründen kein Wegsensor verwendet sondern ein Wegschalter, so ist die Höhe, in der der Schalter angebracht ist, als konstanter Wert der Hubhöhe h_L im Rechenalgorithmus einzupflegen. Das Signal der Hubhöhe der Last kann ferner optional dazu verwendet werden, die Fahrgeschwindigkeit ab einer bestimmten Hubhöhe zu verringern und dadurch die Kippstabilität weiter zu erhöhen.
• Berechnung des Fahrzeugschwerpunktes in Längsrichtung Die Maße in Fahrzeuglängsrichtung beziehen sich im Folgenden auf die Vorderachse als Koordinaten-Nullpunkt. Zur Berechnung des Fahrzeugschwerpunktes in Längsrichtung ist zusätzlich zur Lastmasse m_L die Messung der Neigezylinderkraft F_Neig notwendig, so dass der Hebelarm der Last c nach der Formel
bestimmt wird, wobei l_Neig der Abstand zwischen der Lagerung des Hubgerüstes am Rahmen und der Lagerung des Neigezylinders am Hubgerüst ist. Soll auf die Messung der Neigezylinderkraft verzichtet werden, so kann der Lastschwerpunkt ungünstig zu c ≈ 0,5 bis 1,2 m gewählt werden und fest in die Regelung implementiert werden. Dabei ist jedoch Vorsicht bei der Verwendung eines Teppichdorns oder ähnlichen Anbaugeräten geboten. Mit den bekannten Größen Lastmasse m_L, Lastschwerpunkt c, dem Abstand zwischen Vorderachse und Gabelträger x, der Fahrzeugmasse m_MA und dem Fahrzeugschwerpunkt in Längsrichtung x_SP,0 des unbeladenen Fahrzeuges wird der Gesamtschwerpunkt des beladenen Fahrzeuges in Längsrichtung nach der Formel
berechnet und in die Regelung implementiert.
• Direkte Ermittlung der Querbeschleunigung Zur direkten Messung der Querbeschleunigung a_y des Fahrzeuges werden zwei, in Querrichtung des Fahrzeuges ausgerichtete Sensoren im möglichst großem Abstand möglichst nahe der Fahrzeugmittelebene des Fahrzeuges angebracht. Aus diesen Beschleunigungen können die Querbeschleunigung und die Giergeschwindigkeit für den Fahrzeugschwerpunkt wie folgt berechnet werden:
• Indirekte Ermittlung der Querbeschleunigung aus kinematischen Größen Hierbei wird die Querbeschleunigung aus der Fahrgeschwindigkeit und dem Lenkwinkel sowie den zeitlichen Ableitungen dieser beiden Größen berechnet. Ferner sind der Radstand und der Fahrzeugschwerpunkt in Längsrichtung benötigt und gehen in die Berechnung ein. Die Berechnungsformel lautet:
• Berechnung des Kippkoeffizienten ∧_K Bei der indirekten Bestimmung des Kippkoeffizienten ∧_K mittels der Schwerpunktskoordinaten und der Querbeschleunigung des Fahrzeuges wird abschließend der bereits definierte Kippkoeffizient ∧_K nach der
berechnet. In dieser Beziehung werden zudem die mittlere Spurweite des Fahrzeuges b_m und die Erdbeschleunigung g verwendet.

Claims

Verfahren zur Kippvermeidung eines Flurförderzeugs, bei dem ein Fahrzeugaufbau (3) des Flurförderzeugs mittels mindestens eines Stellglieds (4) relativ zu mindestens einer Fahrzeugachse (1) aktiv um eine Längsachse des Flurtörderzeugs geneigt wird, wobei das Stellglied von einer elektrischen Steuervorrichtung angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrischen Steuervorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter des Flurförderzeugs ein Kippkoeffizient (∧_K) ermittelt wird und die Neigung des Fahrzeugaufbaus (3) in Abhängigkeit von dem Kippkoeffizient (∧_K) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter zum Ermitteln des Kippkoeffizienten (∧_K) die Radlasten (F_Rij) des Flurförderzeugs verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Radlasten (F_Rij) die auf die Stellglieder zum Neigen des Fahrzeugaufbaus (3) wirkenden Kräfte (F_Zij) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter zum Ermitteln des Kippkoeffizienten (∧_K) die Höhe des Schwerpunkts (z_SP) des Flurförderzeugs mit Last verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter zum Ermitteln des Kippkoeffizienten (∧_K) die Querbeschleunigung (a _y,SP) des Schwerpunkts des Flurförderzeugs verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Querbeschleunigung (a_y,SP) des Schwerpunkts des Flurförderzeugs an mit mindestens zwei in Längsrichtung des Flurförderzeugs beabstandeten Stellen die Querbeschleunigung (a _y,vorn, a_y,hinten) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Querbeschleunigung (a _y,SP) des Schwerpunkts des Flurförderzeugs die Längslage (x _SP) des Schwerpunkts des Flurtörderzeugs mit Last ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Querbeschleunigung (a _y,SP) des Schwerpunkts des Flurtörderzeugs die Fahrgeschwindigkeit (v _vx) und der Lenkwinkel (δ) des Flurförderzeugs verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kippkoeffizienten (∧_K) eine Neutralzone definiert ist, wobei bei einer Veränderung des Kippkoeffizienten (∧_K) innerhalb der Neutralzone der Fahrzeugaufbau nicht geneigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kippkoeffizienten (∧_K) ein Tiefpassfilter vorgesehen ist, derart, dass Frequenzen, die deutlich oberhalb der maximalen Lenkfrequenz eines durchschnittlichen Fahrers liegen, keinen Einfluss auf die Neigung des Fahrzeugaufbaus haben.
Flurförderzeug zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.