DE102006007753A1

DE102006007753A1 - Systeme und Verfahren für die Verringerung von Hopping

Info

Publication number: DE102006007753A1
Application number: DE102006007753A
Authority: DE
Inventors: Bradford J. Edwards Holt; Stephen V. Chillicothe Lunzman; Michael D. Morton Strnad; John A. Dunlap Yeoman
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US20060191692A1; US7364003B2

Abstract

Ein System zur Verringerung von Hopping/Springen in einer angetriebenen Maschine wird vorgesehen. Eine Steuervorrichtung ist betreibbar, um einen Aggressivitätsbefehl, basierend auf einer Bedienereingabe, aufzunehmen. Ein Sensor ist betreibbar, um einen Parameter zu messen, der das Hopping/Springen anzeigt, und ein Hopping-Signal, welches eine Größe des Hoppings der Maschine anzeigt, basierend auf der Messung, auszugeben. Ein Aggressivitätsmanager ist betreibbar, um eine Aggressivität, die durch den Aggressivitätsbefehl angezeigt wird, basierend auf der Größe des Hoppings der Maschine, zu reduzieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf die Steuerung der Betriebsparameter einer selbst angetriebenen Arbeitsmaschine und insbesondere auf die Verringerung des Hoppings einer selbst angetriebenen Arbeitsmaschine.
Hintergrund
Selbstangetriebene Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Motorgrader, müssen oft auf unebenem Erdboden oder unter Bedingungen mit schlechter Traktion arbeiten. Um eine bessere Traktion vorzusehen, sind diese Maschinen oft mit Allradantriebssystemen (AWD-Systemen, AWD = all wheel drive) ausgerüstet. Bei Bedienungen mit schlechter Traktion können die Vorderräder einer Allradmaschine, die normalerweise zum Lenken verwendet werden, auch angetrieben sein, um die Traktion zu steigern. Beispielsweise kann ein Motorgrader in einem Allradbetriebszustand betrieben werden, um eine maximale Traktion zu erreichen, wenn man auf einer seitlichen Neigung gradet bzw. abzieht oder Schnee von einer Straße entfernt.
Jedoch können bei gewissen Bedingungen, wie beispielsweise in Schnee oder in loser Erde, Allradmaschinen einen Zustand des Springens (englisch hop) erfahren, der als "Hopping" bekannt ist. Das Hopping kann auftreten, wenn die angetriebenen Vorderräder der Maschine Bedingungen mit schlechter Traktion erfahren, die bewirken, dass sie abwechselnd durchdrehen, was eine Einsenkung in der Oberfläche erzeugt, wobei sie dann hängen bleiben, was somit den Vorderteil der Maschine nach oben drückt, wenn die Vorderräder die vordere Wand der Einsenkung hinauf steigen, die gerade erzeugt wurde. Wenn die Kraft des Schubes groß genug ist, können die Vorderräder der Maschine tatsächlich vom Boden abspringen, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall ist. Wenn das Gewicht des Vorderteils der Ma schine wieder herunterkommt, können die Vorderräder eine weitere Einsenkung erzeugen, was somit bewirkt, dass die Maschine wieder hüpft bzw. springt. Diese Sprünge bzw. Hopps können auf einer speziellen niedrigen Frequenz (beispielsweise 2–3 Hz) resonant werden, und zwar abhängig von der Konfiguration der Maschine.
Das Hopping hat verschiedene nicht wünschenswerte Effekte. Beispielsweise kann das Hopping bewirken, dass die Maschine Traktion verliert und somit ineffizient arbeitet. Es kann auch zur Folge haben, dass eine übermäßig große Kraft auf die Vorderradaufhängung ausgeübt wird, wenn die Maschine hüpft. Weiterhin kann ein übermäßig starkes Hopping einen Schaden an der Oberfläche verursachen, die die Maschine vorbereitet, wobei es beispielsweise bewirkt, dass ein mit dem Boden in Berührung stehendes Werkzeug der Maschine (wie beispielsweise ein Grader-Schild) springt, wenn es über die Oberfläche läuft.

Systeme des Standes der Technik zur Verringerung des Hopping sind entwickelt worden. Ein solches System wird beschrieben im US-Patent 5 474 147 von Yesel und anderen. Bei diesem System werden die Vorderräder der Maschine durch Hydraulikmotoren angetrieben. Das Hopping der Maschine wird detektiert durch Abfühlen von Fluktuationen des Hydraulikmotordrucks. Wenn Fluktuationen von mehr als einer gewisse Größe und einer gewissen Frequenz detektiert werden, dann verringert die Steuervorrichtung das Hydraulikmotordrehmoment um eine vorbestimmte Größe.

Jedoch kann das in dem '147'-Patent beschriebene System durch nicht resonantes Hopping ausgelöst werden, was somit zu einem ineffizienten Betrieb der Maschine führt. Weiterhin verringert die Steuervorrichtung bei diesem System nicht das Drehmoment proportional zur Größe des Hopping der Maschine. Folglich kann es erforderlich sein, dass das System das Hydraulikmotordrehmoment mehrmals in Aufeinanderfolge herunterstufen muss, um das Hopping zu eliminieren. Dies kann bewirken, dass die Maschine plötzlich an Geschwindigkeit verliert, was den Bediener der Maschine durcheinander bringen kann.

Das hier offenbarte Hopping-Verringerungssystem ist darauf gerichtet, einen oder mehrere dieser Nachteile der Hopping-Verringerungssysteme des Standes der Technik zu lösen.

Zusammenfassung

Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Verminderung des Hopping in einer angetriebenen Maschine gerichtet. Ein Aggressivitätsbefehl basierend auf einer Bedienereingabe wird aufgenommen. Ein Parameter, der das Hopping bzw. Aufspringen anzeigt, wird gemessen, und eine Größe des Hopping der Maschine wird basierend auf der Messung bestimmt. Eine Aggressivität, die durch den Aggressivitätsbefehl angezeigt wird, wird proportional zur angezeigten Größe des Hopping der Maschine verringert.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Verringerung des Hopping bzw. Springens bei einer angetriebenen Maschine gerichtet. Eine Steuervorrichtung ist betreibbar, um einen Aggressivitätsbefehl basierend auf einer Bedienereingabe aufzunehmen. Ein Sensor ist betreibbar, um einen Parameter zu messen, der das Hopping anzeigt, und ein Hopping-Signal auszugeben, welches die Größe des Hopping bzw. Aufspringens der Maschine anzeigt, und zwar basierend auf dieser Messung. Eine Steuereinrichtung ist betreibbar, um eine Aggressivität zu reduzieren, die durch den Aggressivitätsbefehl angezeigt wird, und zwar proportional zu der angezeigten Größe des Hoppings der Maschine.

Es sei bemerkt, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind und nicht die Offenbarung einschränken, wie sie beansprucht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 sieht eine schematische Seitenansicht einer Arbeitsmaschine mit einem Hopping-Verringerungssystem gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung vor.

2 ist eine schematische Darstellung einer Allradmaschine mit einem Hopping-Verringerungssystem gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

3 ist eine schematische Darstellung eines Hopping-Verringerungssystems gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
1 veranschaulicht eine beispielhafte selbst angetriebene Arbeitsmaschine 100. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die beispielhafte Maschine 100 ein Motorgrader. Jedoch ist das offenbarte Hopping-Verringerungssystem nicht auf die Anwendung bei Motorgradern eingeschränkt und kann auf andere selbst angetriebene Maschinen angewandt werden.
Wie in 1 veranschaulicht, kann eine selbst angetriebene Arbeitsmaschine 100 einen vorderen Rahmenabschnitt 110 aufweisen, der von lenkbaren Vorderrädern 112 getragen wird, und einen hinteren Rahmenabschnitt 120, der von Tandem-Sätzen von Hinterrädern 122a, b, getragen wird. Die Maschine 100 kann auch einen Motor 130 aufweisen, wie beispielsweise einen Verbrennungsmotor. Der Motor 130 kann angekoppelt sein, um sowohl die Vorderräder 112 als auch die Hinterräder 122a, b über ein Allradsystem anzutreiben (das unten mit Bezug auf 2 besprochen wird).
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Maschine 100 auch ein Werkzeug 140 aufweisen, um eine Boden fläche 50 vorzubereiten. Bei dem veranschaulichten Motorgrader kann beispielsweise das Werkzeug 140 ein Schild 142 aufweisen, um Erde oder andere Materialien zu bewegen, beispielsweise um eine Oberfläche 50 zu graden bzw. zu planieren. Das Schild 142 kann mit dem vorderen Rahmenabschnitt 110 durch eine Zugstange 144 gekoppelt werden. Die Position der Zugstange 144 und somit des Schildes 142 relativ zum vorderen Rahmenabschnitt 110 kann durch eine Verbindungsanordnung 146 gesteuert werden. Die Verbindungsanordnung 146 kann linke und rechte Hubzylinder 148 und einen mittleren Verschiebungszylinder 149 aufweisen. Die linken und rechten Hubzylinder 148 steuern unabhängig die Höhe der linken bzw. rechten Seite des Schildes 142 und können somit verwendet werden, um das Schild 142 relativ zur Oberfläche 50 abzuwinkeln. Der mittlere Verschiebungszylinder 149 kann verwendet werden, um die Zugstange 144, und somit das Schild 142, relativ zum vorderen Rahmenabschnitt 110 seitlich zu verschieben. Die Zylinder 148, 149 können unter Verwendung von beispielsweise Hydraulikzylindern eingerichtet werden.
Die Maschine 100 kann auch eine Bedienerkabine 150 aufweisen. Die Bedienerkabine 150 kann geeignete Bedienereingaben aufweisen, um den Betrieb der Maschine 100 zu steuern. Beispielsweise kann die Bedienerkabine 150 geeignete Eingaben aufweisen, die es dem Bediener gestatten können, die Vorderräder 112 zu lenken (beispielsweise eine Lenkeingabe 152), das Werkzeug 140 zu positionieren und die Geschwindigkeit und die Vorwärts/Rückwärts-Richtung der Maschine 100 zu steuern (unten mit Bezug auf 2 besprochen).
2 veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes Allradsystem 200 für die Maschine 100. Wie in 2 veranschaulicht, kann der Motor 130 der Maschine 110 angekoppelt sein, um einen Satz von (nicht gezeigten) Zahnrädern anzutreiben, und zwar über ein mechanisches Getriebe 210 und ein Differenzial 212. Erste und zweite Sätze von Hinterrädern 122a, b können wiederum durch linke und rechte Kettenantriebe 214 angetrieben werden, die mit den Kettenrädern gekoppelt sind. Der Motor 130 kann auch ange koppelt sein, um linke und rechte Vorderräder 112 über linke und rechte hydrostatische Getriebe (HYSTATs) 220 und entsprechend linke und rechte Hydraulikkupplungen 222 anzutreiben. Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann das Allradsystem 200 auch eine Allradsteuervorrichtung 230 aufweisen, um die Geschwindigkeit und die Richtung der Vorderräder 112 basierend auf Bedienereingaben und Maschinensensoren zu steuern.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weisen die Bedienereingaben eine Gangwahlvorrichtung 242, eine Aggressivitätseingabe 244 und eine Allrad-Betriebszustandsauswahlvorrichtung 246 auf. Die Gangauswahlvorrichtung 242 kann verwendet werden, um die Richtung und die Drehzahl einer Ausgangswelle 216 des mechanischen Getriebes 210 auszuwählen. Beispielsweise kann die Gangauswahlvorrichtung 242 als ein Gangschalthebel eingerichtet werden, der betriebsmäßig mit dem mechanischen Getriebe 210 gekoppelt ist. Die Aggressivitätseingabe 244 kann verwendet werden, um ein Drehzahlverhältnis zwischen zwei unabhängig steuerbaren Getrieben zu steuern. Beispielsweise kann die Aggressivitätseingabe 244 verwendet werden, um die Drehzahl der Vorderräder 112 zu steuern, und zwar durch Steuerung der Drehzahlen der hydrostatischen Getriebe 220 in Verhältnis zur Drehzahl des mechanischen Getriebes 210. Die Betriebszustandsauswahlvorrichtung 246 kann verwendet werden, um zwischen verschiedenen Betriebszuständen des Allradsystems 200 auszuwählen, wie unten besprochen. Andere bekannte Bedienereingaben können auch vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Kriecheingabevorrichtung, wie beispielsweise ein (nicht gezeigtes) Kriechpedal vorgesehen werden, um dem Bediener zu gestatten, die Fahrgeschwindigkeit der Maschine 100 zu modulieren.
Die Maschinensensoren weisen in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel einen mechanischen Getriebeausgangswellensensor (TOS-Sensor) 252 und linke und rechte HYSTAT-Ausgangsdrehzahlsensoren 254 auf. Der mechanische TOS-Sensor 252 kann die Drehzahl und die Richtung der Ausgangswelle 216 des mechanischen Getriebes 210 abfühlen. Die HYSTAT- Ausgangsdrehzahlsensoren 254 können die Ausgangsdrehzahl der jeweiligen hydrostatischen Getriebe 220 abfühlen. Andere bekannte Maschinensensoren können auch vorgesehen sein.
Die Allradsteuervorrichtung 230 kann einen Prozessor und ein computerlesbares Medium aufweisen, wie beispielsweise einen Speicher, der konfiguriert ist, um eine oder mehrere Steuerroutinen (beispielsweise Software) zu speichern, um Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung auszuführen. Wie in 2 gezeigt, kann die Allradsteuervorrichtung 230 betriebsmäßig angeschlossen sein, um Eingangssignale von den Bedienereingaben 242, 244 und 246 und von den Maschinensensoren 252 und 254 aufzunehmen. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 230, wie in 2 gezeigt, betriebsmäßig angeschlossen sein, um Befehle an die hydrostatischen Getriebe 220 und die Kupplungen 222 zu senden, um die Richtung und die Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Vorderräder 112 angetrieben werden.
Während des Betriebs der Allradmaschine 100 kann ein Bediener einen Allradbetriebszustand unter Verwendung einer Allrad-Betriebszustandsauswahlvorrichtung 246 auswählen. Beispielsweise wird die Betriebszustandsauswahlvorrichtung 246 gestatten, dass der Bediener zwischen Aus-, Kriechen- und Manuell-Betriebszuständen auswählt.
Der Aus-Betriebszustand kann bei Bedingungen mit guter Traktion ausgewählt werden, wo die zusätzliche Traktion, die durch den Antrieb der Vorderräder 112 vorgesehen werden würde, nicht wünschenswert ist. In dem Aus-Betriebszustand wird das Allradsystem 200 außer Eingriff gebracht und die Allradsteuervorrichtung 230 kann die Vorderradkupplungen 222 in eine neutrale Position stellen, so dass die Maschine 100 alleine durch die Hinterräder 122a, b angetrieben werden kann. Der Bediener kann dann die Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung der Hinterräder 122a, b durch Anwendung der Gangwahlvorrichtung 242 steuern, um zwischen verschiedenen Gängen des mechanischen Getriebes 210 auszuwählen.
Der Kriech-Betriebszustand kann ausgewählt werden, wenn die Gangwahlvorrichtung 242 in einer neutralen Position ist. Im Kriech-Betriebszustand kann die Maschine 100 alleine durch das Antreiben der Vorderräder 112 angetrieben werden. Der Bediener kann beispielsweise den Kriech-Betriebszustand auswählen, um zu verhindern, dass die Hinterräder 122a, b eine fein gegradete bzw. abgezogene Oberfläche beschädigen, die vom Werkzeug 140 vorbereitet wurde. Im Kriech-Betriebszustand kann die Allradsteuerungsvorrichtung 230 die hydrostatischen Getriebe 220 steuern, um die Vorderräder 112 mit einer Drehzahl anzutreiben, die der Position der Aggressivitätseingabe 244 entspricht, die vom Bediener eingestellt wurde. Beispielsweise kann die Aggressivitätseingabe 244 im Kriech-Betriebszustand konfiguriert sein, um als eine Steuerung für ein kontinuierlich variables Getriebe zu arbeiten, beispielsweise durch Einstellung eines Antriebsverhältnisses der hydrostatischen Getriebe 220 mit Bezug zu den Vorderrädern 112.
Der Manuell-Betriebszustand kann bei Bedingungen mit schlechter Traktion ausgewählt werden, wo der Bediener es wünschenswert findet, die Traktion durch Antrieb von sowohl den Vorderrädern 112 als auch den Hinterrädern 122a, b zu vergrößern. Wenn der Manuell-Betriebszustand ausgewählt ist, kann der Bediener die Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung der Hinterräder 122a, b unter Verwendung der Gangwahlvorrichtung 242 steuern. Die Allrad-Steuervorrichtung 230 kann dann die Antriebsrichtung der Vorderräder 112 steuern, so dass diese die Gleiche ist, wie bei den Hinterrädern 122a, b. Die Allradsteuervorrichtung 230 kann auch die Antriebsgeschwindigkeit der Vorderräder 112 so steuern, dass sie gleich der Geschwindigkeit der Hinterräder 122a, b ist, und zwar multipliziert mit einem Aggressivitätsfaktor, der durch den Bediener unter Verwendung der Aggressivitätseingabe 244 eingestellt werden kann.
Im Manuell-Betriebszustand kann die Allradsteuervorrichtung 230 eine Anzeige der Richtung der Hinterräder 122a, b aufnehmen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 230 ein Signal, welches die Richtung der Ausgangs welle 216 anzeigt, vom Getriebeausgangswellensensor bzw. TOS-Sensor 252 aufnehmen. Alternativ kann die Allradsteuervorrichtung die Fahrtrichtung basierend auf der Position der Gangauswahlvorrichtung 242 bestimmen. Andere Anzeigen der Richtung der Hinterräder 122a, b werden dem Fachmann offensichtlich sein. Die Steuervorrichtung 230 kann dann die Vorderradkupplungen 222 anweisen, die Vorderräder 112 in der gleichen Richtung anzutreiben, wie die Hinterräder 122a, b.
Die Allradsteuervorrichtung 230 kann auch eine Anzeige der Geschwindigkeit der Hinterräder 122a, b aufnehmen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 230 ein Signal, welches die Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle 216 anzeigt, vom TOS-Sensor 252 aufnehmen. Jedoch werden andere Anzeigen der Drehzahl der Hinterräder 122a, b dem Fachmann offensichtlich sein. Die Steuervorrichtung 230 kann dann die hydrostatischen Getriebe 220 steuern, um die Vorderräder 112 mit einer Drehzahl anzutreiben, die gleich der Drehzahl der Hinterräder 122a, b multipliziert mit einem vom Bediener angewiesene Aggressivitätsfaktor A_cmd ist, was einem erwünschten Verhältnis der Geschwindigkeit der Vorderräder 112 zur Geschwindigkeit der Hinterräder 122a, b entspricht.
Der Aggressivitätsfaktor A_cmd kann durch den Bediener unter Verwendung der Aggressivitätseingabe 244 angewiesen werden. Die Aggressivitätseingabe 244 kann unter Verwendung von irgendeiner analogen oder digitalen Eingabevorrichtung eingerichtet werden, wie beispielsweise durch eine Drehscheibe, einen Hebel, ein Pedal, einen berührungsempfindlichen Bildschirm, Knöpfe usw., die ein Signal ausgeben können, dass zur Anzeige des Aggressivitätsfaktors A_cmd geeignet ist. Der Wert des vom Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktors A_cmd kann zumindest teilweise auf einer Position der Aggressivitätseingabe 244 basieren. Beispielsweise kann der Wert von A_cmd proportional zur Position der Aggressivitätseingabe 244 sein.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Allradsteuervorrichtung 230 eine Karte bzw. ein Kennfeld oder eine Tabelle aufweisen, die eine lineare oder nicht-lineare Beziehung zwischen der Position der Aggressivitätseingabe 244 und dem Aggressivitätsfaktor A_cmd festlegt. In einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 230 konfiguriert sein, um mathematische Gleichungen zu verwenden, die eine lineare oder nicht-lineare Beziehung zwischen der Position der Aggressivitätseingabe 244 und dem Wert des Aggressivitätsfaktors A_cmd festlegen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Aggressivitätseingabe 244 dem Bediener gestatten, einen Aggressivitätsfaktor A_cmd anzuweisen, der zwischen 0,90 und 1,20 ist, so dass die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit der Vorderräder 112 so eingestellt werden kann, dass sie zwischen 90% und 120% der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl der Hinterräder 122a, b ist. Wenn die Traktionsbedingungen besonders schlecht sind, wie beispielsweise wenn man eine seitliche Neigung gradet bzw. abzieht, oder wenn man auf Schnee oder auf Sand arbeitet, kann die Auswahl eines hohen Aggressivitätsfaktors verhindern, dass die Vorderräder 112 von der Richtung abwandern, die von dem Bediener vorgegeben wird, beispielsweise unter Verwendung einer Lenkeingabe 152.
Die Allradsteuervorrichtung 230 kann konfiguriert sein, um eine Regelungssteuerung (closed loop) der Geschwindigkeit der Vorderräder 112 in den Manuell- und/oder Kriechbetriebszuständen vorzusehen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die tatsächliche Drehzahl der Vorderräder 112 zurück zur Steuervorrichtung 230 geleitet werden, um eine Regelungssteuerung der Vorderraddrehzahl unter Verwendung von bekannten Algorithmen zu gestatten. Beispielsweise können die HYSTAT-Ausgangsdrehzahlsensoren 254 die tatsächliche Ausgangsdrehzahl der hydrostatischen Getriebe 220 zur Steuervorrichtung 230 zurückspeisen, um eine Regelungssteuerung der Drehzahl der Vorderräder 112 zu gestatten, die proportional zur Ausgangsdrehzahl der hydrostatischen Getriebe 220 gemäß einer vorderen Endgetriebeübersetzung ist.
Wenn ein Bediener einen Aggressivitätsfaktor A_cmd einstellt, der zu hoch für die gegenwärtigen Betriebsbedingungen ist, kann die Maschine 100 ein resonantes Hopping bzw. springen erfahren. Entsprechend kann in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Maschine 100 ein Hopping-Verringerungssystem 300 aufweisen, welches den von dem Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktor A_cmd auf ein Niveau begrenzen kann, welches das resonante Hopping unter den gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Maschine dämpfen oder eliminieren wird.
3 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Hopping-Verringerungssystems 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Das Hopping-Verringerungssystem 300 kann einen Prozessor und ein computerlesbares Medium aufweisen, wie beispielsweise einen Speicher, der konfiguriert ist, um eine oder mehrere Steuerroutinen (beispielsweise Software) zur Ausführung von Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung zu speichern.
Das Hopping-Verringerungssystem 300 kann als Teil der Allradsteuervorrichtung 230 eingerichtet werden, beispielsweise als eine Unterroutine in der Steuervorrichtungssoftware. Alternativ kann das System 300 als eine getrennte Einheit eingerichtet sein.
Das Hopping-Verringerungssystem 300 kann einen oder mehrere Hopping-Sensoren 310 aufweisen. In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist das System 300 eine Vielzahl von Hopping-Sensoren 310a, b auf. Es sei jedoch bemerkt, dass das System 300 einen einzigen Hopping-Sensor 310 aufweisen könnte, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der Hopping-Sensor 310 kann einen Parameter abfühlen, der das Hopping- bzw. Springen der Maschine anzeigt, und ein Signal H ausgeben, welches den Wert des abgefühlten Parameters entspricht. Beispielsweise kann der Hopping-Sensor 310 einen Parameter messen, der eine Veränderung des Wertes erfährt, der mit der Größe eines Hoppings bzw. Sprungvorgangs in Beziehung steht, wie von der Maschine 100 erfah ren. Eine Anzahl von unterschiedlichen Parametern kann zur Messung durch den Hopping-Sensor 310 geeignet sein.
Beispielsweise kann der Hopping-Sensor 310 einen Parameter messen, der die Drehzahl der Vorderräder 112 anzeigt. Wenn die Maschine 100 Hopping zeigt (vom Boden abspringt), kann die Drehzahl der Vorderräder 112 umgekehrt zu der Belastung auf den Vorderrädern 112 variieren. Das heißt, wenn der Vorderteil der Maschine 100 springt, kann die Drehzahl der Vorderräder 112 eine Spitze zeigen, wenn die Vorderräder 112 den Kontakt mit der Oberfläche 50 verlieren. Um diese Fluktuationen zu messen, kann der Hopping-Sensor 310 linke und/oder rechte (nicht gezeigte) Vorderraddrehzahlsensoren aufweisen. Der Raddrehzahlsensor oder die Raddrehzahlsensoren können konfiguriert sein, um Parameter zu messen, die die tatsächliche Drehzahl der Vorderräder 112 anzeigen, oder die eine andere Drehzahl anzeigen, die mit der Drehzahl der Vorderräder 112 in Beziehung steht. Bei einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise der Hopping-Sensor 310 die Drehzahl der Vorderräder 112 basierend auf der Ausgangsdrehzahl der hydrostatischen Getriebe 220 messen (wie beispielsweise durch die HYSTAT-Ausgangsdrehzahlsensoren 254 gemessen), die proportional zur Drehzahl der Vorderräder 112 entsprechend einer vorderen Endantriebsübersetzung ist. Alternativ kann die Drehzahl der Vorderräder 112 in irgendeiner anderen geeigneten Weise bestimmt werden, die dem Fachmann bekannt ist.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Hopping-Sensor 310 eine Last auf einer Komponente des Allradsystems 200 messen, die variiert, wenn die Maschine 100 hüpft bzw. abspringt. Beispielsweise kann der Druck des hydraulischen Strömungsmittels in den hydrostatischen Getrieben 220 mit der variierenden Last variieren, die auf den Vorderrädern 112 aufgebracht wird, wenn die Maschine 100 springt. Entsprechend kann in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung der Hopping-Sensor 310 unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Antriebsdrucksensors eingerichtet werden, der konfiguriert ist, um einen gegenwärtigen Wert des Druckes des hydraulischen Strömungsmittels in den rechten und/oder linken hydrostatischen Getrieben 220 zu detektieren. In manchen Maschinen kann der Druck des hydraulischen Strömungsmittels in den Vorderradkupplungen 222 mit dem Druck in den hydrostatischen Getrieben 220 in Beziehung stehen. Entsprechend kann der Hopping-Sensor 310 in einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines (nicht gezeigten) Kupplungsdrucksensors eingerichtet werden, der konfiguriert ist, um einen gegenwärtigen Wert des Druckes des hydraulischen Strömungsmittels in den rechten und/oder linken hydraulischen Kupplungen 222 zu detektieren.
Auch kann die Last auf den hydrostatischen Getrieben 220 direkt mit der Last auf den Vorderrädern 112 variieren, wenn die Maschine 100 springt. Entsprechend kann in einem Ausführungsbeispiel der Hopping-Sensor 310 unter Verwendung eines linken und/oder rechten (nicht gezeigten) Drehmomentsensors eingerichtet werden, der konfiguriert ist, um ein Ausgangsdrehmoment der linken und/oder rechten hydrostatischen Getriebe 220 zu messen.
Weiterhin kann ein vorderer Rahmenabschnitt 110 der Maschine 100 eine vertikale Beschleunigung und Abbremsung erfahren, wenn die Maschine 100 springt bzw. Hopping zeigt. Entsprechend kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung der Hopping-Sensor 310 die Beschleunigung eines vorderen Teils der Maschine 100 messen. Beispielsweise kann der Hopping-Sensor 310 einen Beschleunigungsmesser aufweisen, der positioniert ist, um die vertikale Beschleunigung eines vorderen Teils des vorderen Rahmenabschnittes 110 zu messen, wenn die Maschine 100 springt.
Wenn die Maschine 100 springt, kann auch das Schild 142 (oder ein anderes Werkzeug 140) in die Oberfläche 50 gedrückt werden, was somit eine Belastung auf dem Schild 142 mit jedem Sprung variiert. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Hopping-Sensor 310 diese Veränderung der Last auf dem Schild 142 beispielsweise messen durch Messung der Veränderungen des Druckes des hydraulischen Strö mungsmittels in den Hubzylindern 148. Das Hopping-Verringerungssystem 300 kann einen oder mehrere Hopping-Sensoren 310 aufweisen, die konfiguriert sind, um einen oder mehrere der oben erwähnten Parameter zu messen. Jedoch sind der spezielle abzufühlende Parameter und die spezielle Einrichtung des Hopping-Sensors 310 nicht auf die oben aufgelisteten Dinge eingeschränkt. Andere Parameter, die das Hopping der Maschine zeigen, und andere Sensoren, um diese Parameter zu messen, werden dem Fachmann offensichtlich sein.
Nicht alle der Veränderungen bei einem abgefühlten Parameter können auf Grund eines resonanten Hoppings kommen. Beispielsweise können einige der Veränderungen in dem Ausgangssignal H des Hopping-Sensors 310 auf Grund von nicht resonantem Hopping sein, welches durch die Rauhigkeit der Oberfläche 50 verursacht wird. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 100 ein nicht resonantes Hopping erfahren, wenn die Vorderräder 112 auf eine Spurrille oder ein Schlagloch in der Oberfläche 50 treffen. Es kann ineffizient sein, den vom Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktor A_cmd basierend auf diesen nicht resonanten Veränderungen des abgefühlten Parameters zu begrenzen. Entsprechend kann das Hopping-Verringerungssystem 300 bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung Variationen der Ausgangsgröße H des Hopping-Sensors 310 herausfiltern, die in anderen Faktoren begründet sind als dem resonanten Hopping, und man kann somit eine Größe des resonanten Hoppings der Maschine 100 bestimmen.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Hopping-Verringerungssystem 300 die Größe des resonanten Hoppings durch Leiten der Ausgangsgröße H des Hopping-Sensors 310 durch einen Filter 320 bestimmen. Der Filter 320 kann ausgelegt sein, um Signale mit einer Frequenz auf der Frequenz f_hop oder nahe dieser durchzulassen, wo das Hopping der speziellen Maschine 100 eine Resonanz zeigen kann und andere Signale abweisen oder dämpfen. Die resonante Hopping-Frequenz f_hop einer Maschine 100 kann beispielsweise vom Maschinengewicht, von der Verteilung des Maschinengewichtes zwi schen den Vorder- und Hinterrädern 122a, b und von anderen Faktoren abhängen. Die Frequenz f_hop für eine spezielle Maschinenkonfiguration kann empirisch bestimmt werden durch Testen eines Ausführungsbeispiels der speziellen Maschinenkonfiguration unter Betriebsbedingungen. Alternativ kann die Frequenz f_hop abgeschätzt oder bestimmt werden durch Modellierung der Leistung der speziellen Maschinenkonfiguration unter Verwendung von Computersimulationstechniken oder durch eine Kombination aus empirischem Test und Simulation. Beispielsweise ist herausgefunden worden, dass f_hop für einen beispielhaften Motorgrader ungefähr 3 Hz ist. Als ein weiteres Beispiel ist herausgefunden worden, dass f_hop für einen ähnlichen Motorgrader, der mit einem Schneepflug ausgerüstet ist, ungefähr 2 Hz ist.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Filter 320 einen Bandpassfilter aufweisen, der eine Mittelfrequenz auf oder nahe der resonanten Hopping-Frequenz f_hop für die spezielle Maschinenkonfiguration ist. Die Selektivität des Filters 320 kann basierend auf empirischen Test und/oder Simulationen ausgewählt werden. Bei dem beispielhaften Motorgrader kann beispielsweise der Filter 320 unter Verwendung eines Butterworth-Bandpassfilters vierter Ordnung eingerichtet werden, der eine Mittelfrequenz von ungefähr 3 Hz und eine Bandbreite von ungefähr 1 Hz hat. Jedoch werden andere geeignete Arten und Konfigurationen von Filtern 320 dem Fachmann offensichtlich sein.
Als eine Alternative zum Filter 320 kann das Hopping-Verringerungssystem 300 stattdessen die Größe des resonanten Hoppings bestimmen, und zwar durch Bestimmung der Stärke der Ausgangsgröße H des Hopping-Sensors 310 auf oder nahe der resonanten Hopping-Frequenz f_hop. Bei dem beispielhaften Motorgrader kann beispielsweise das Hopping-Verringerungssystem 300 konfiguriert sein, um beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformationsfunktion (FFT-Funktion, FFT = fast Fourier transform) am Ausgangssignal H des Hopping-Sensors 310 auszuführen, um die Leistung des Signals H auf oder nahe bei 3 Hz zu bestimmen.
Die Ausgangsgröße des Filters 320 (oder alternativ der FFT-Funktion) ist ein Signal H_res, welches den Teil der Ausgangsgröße H des Sensors 310 entspricht, der auf Grund des resonanten Hopping der Maschine 100 auftritt. In einem Ausführungsbeispiel kann das Hopping-Verringerungssystem 300 eine Absolutwertfunktion 330 an dem gefilterten Signal H_res anwenden, um die Veränderung des abgefühlten Parameters sowohl auf einer steigenden Flanke als auch einer fallenden Falle eines Hoppings der Maschine zu normalisieren. Das System 300 kann auch eine Ratenbegrenzungsfunktion 340 anwenden, um das normalisierte Signal |H_res| zu glätten. Die letztendliche Ausgangsgröße H_amp der Ratenbegrenzungsfunktion 340 ist ein Signal mit einem Wert entsprechend der Größe des resonanten Hoppings der Maschine 100.
Wie in 3 veranschaulicht, wo das Hopping-Verringerungssystem 300 mehr als einen Hopping-Sensor 310 aufweist, beispielsweise wo das System 300 eine Vielzahl von Sensoren 310 aufweist, um den Druck in den linken und rechten hydrostatischen Getrieben 220 abzufühlen, oder den Druck in den linken und rechten Vorderradkupplungen 222, oder die Drehzahl der linken und rechten Vorderräder 112 usw., können die letztendlichen Ausgangsgrößen H_amp aus jedem der Sensoren 310 in eine Maximalwertfunktion 350 eingegeben werden. Die Maximalwertfunktion 350 kann ein Maximal-Hopping-Signal H_max ausgeben, welches den maximalen Wert der Signale H_amp von den verschiedenen Hopping-Sensoren 310 entspricht. Wo das System 300 nur einen einzigen Hopping-Sensor aufweist, kann die Maximalwertfunktion 350 weggelassen werden.
Das Maximal-Hopping-Signal H_max von der Maximalwertfunktion 330 kann in einen Über-Hopping-Detektor 360 eingegeben werden. Der Über-Hopping-Detektor 360 kann den Wert des Maximal-Hopping-Signals H_max mit dem Wert einer Hopping-Toleranz H_tol vergleichen. Der Wert der Hopping-Toleranz H_tol stellt einen Wert des abgefühlten Parameters dar, der einer Größe des resonanten Maschinen-Hoppings entspricht, die als während des Betriebs der Maschine 100 akzeptabel angesehen wird. Der Wert von H_tol kann in einem (nicht gezeigten) Speicher basierend auf empirischen Tests und/oder basierend auf Simulationen des Betriebs der speziellen Maschinenkonfiguration eingestellt werden. Der Über-Hopping-Detektor 360 bestimmt die Größe, falls vorhanden, um die der Wert des Maximal-Hopping-Signals H_max die Hopping-Toleranz H_tol überschreitet, und gibt ein Über-Hopping-Signal H_ovr mit einem Wert aus, der dem Übermaß H_max–H_tol entspricht.
Eine Hopping-Steuervorrichtung 370 kann die Ausgabe des Über-Hopping-Signals H_ovr von dem Über-Hopping-Detektor 340 aufnehmen. Die Hopping-Steuervorrichtung 370 kann dann einen durch Hopping begrenzten Aggressivitätsfaktor A_hop ausgeben, und zwar basierend auf dem Wert des Über-Hopping-Signals H_ovr.
Der durch Hopping begrenzte Aggressivitätsfaktor A_hop kann dem maximalen zulässigen Aggressivitätsfaktor entsprechen, der zulässig ist, wenn das übermäßig große resonante Hopping, welches durch das Über-Hopping-Signal H_ovr gezeigt wird, zu eliminieren ist. Die Größe des durch Hopping begrenzten Aggressivitätsfaktors A_hop, der von der Hopping-Steuervorrichtung 370 ausgegeben wird, kann umgekehrt proportional zur Größe des Über-Hopping-Signals H_ovr sein. Das heißt, je größer der Unterschied zwischen der Größe des resonanten Hoppings H_apm und der Hopping-Toleranz H_tol ist, desto geringer ist der Wert des daraus resultierenden durch Hopping begrenzten Aggressivitätsfaktors A_hop.
In einem Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann die Hopping-Steuervorrichtung 370 eine Proportional-Integrall-Derivativ-Steuervorrichtung (PID-Steuervorrichtung) sein. In diesem Fall kann die Hopping-Steuervorrichtung 370 geeignete Schleifenverstärkungs- (loop-gain) und Derivativ-Verstärkungs- (derivativ-gain) Faktoren aufweisen. Zusätzlich kann der Derivativausdruck durch einen Tiefpassfilter geleitet werden, beispielsweise einen Tiefpassfilter erster Ordnung, um die Effekte des Rauschens und von plötzlichen Veränderungen in der Ausgangsgröße des Sensors 310 zu begrenzen. Jedoch ist die Hopping-Steuervorrichtung 370 nicht auf irgendeine spezielle Art von Steuervorrich tungen beschränkt, und irgendeine von einer Vielzahl von anderen geeigneten Steuervorrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, kann auch verwendet werden. Beispielsweise kann die Hopping-Steuervorrichtung 370 auch unter Verwendung einer Proportional-Integral-Steuervorrichtung (PI-Steuervorrichtung) eingerichtet werden.
Ein Aggressivitätsmanager 380 kann den durch Hopping begrenzten Aggressivitätsfaktor A_hop von der Hopping-Steuervorrichtung 370 und den vom Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktor A_cmd von der Aggressivitätseingabe 244 aufnehmen und einen eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj basierend auf den Signalen A_cmd und A_hop ausgeben. Beispielsweise kann der eingestellte Aggressivitätsfaktor A_adj dem kleineren der Aggressivitätsfaktoren entsprechen, die durch die Signale A_cmd und A_hop angezeigt werden. Das Hopping-Verringerungssystem 300 kann dann den eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj an die Allradsteuervorrichtung 230 ausgeben. In einem Ausführungsbeispiel kann der Aggressivitätsmanager 380 den vom Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktor A_cmd mit dem eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj übersteuern. Somit kann die Größe der Einstellung auf den vom Bediener angewiesenen Aggressivitätsfaktor A_cmd, das heißt der Unterschied zwischen A_cmd und A_adj, direkt proportional zum Wert des Über-Hopping-Signals H_ovr sein. Das heißt, die Größe der Einstellung A_cmd–A_hop kann direkt proportional zum Unterschied des Wertes zwischen der Größe des resonanten Hopping H_amp und der Hopping-Toleranz H_tol sein.
Die Allradsteuervorrichtung 230 kann den eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj vom Aggressivitätsmanager 380 verwenden, um die Antriebsgeschwindigkeit der Vorderräder 112 einzustellen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 230 die hydrostatischen Getriebe 220 anweisen, die Vorderräder 112 mit einer Drehzahl bzw. Geschwindigkeit anzutreiben, die der Drehzahl der hinteren Räder 122a, b entspricht, und zwar multipliziert mit dem eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj, was somit das übermäßig große resonante Hopping eliminiert. Als eine Folge kann die Allradsteuervorrichtung 230 in Verbindung mit dem Hopping-Verringerungssystem 300 eine Regelungssteuerung (closed-loop) des Hoppings der Maschine vorsehen.
Alternativ kann die Allradsteuervorrichtung 230 weiter den eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj konditionieren, bevor die hydrostatischen Getriebe 220 angewiesen werden. Beispielsweise kann die Allradsteuervorrichtung 230 weiter den eingestellten Aggressivitätsfaktor A_adj konditionieren, um Unterschiede bezüglich der Drehgeschwindigkeit der rechten und linken Vorderräder 112 während Lenkungsvorgängen zu kompensieren.
Industrielle Anwendbarkeit
Hopping-Verringerungssysteme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können bei einer Vielzahl von selbstangetriebenen Arbeitsmaschinen angewandt werden. Durch Vorsehen der Verringerung des Aggressivitätsfaktors proportional zur Größe des übermäßig großen Hoppings gestattet das Hopping-Verringerungssystem der vorliegenden Offenbarung die Steuerung des Hopping bzw. Springens bei Maschinen mit Vorder- und Hinterrädern, die durch getrennte Getriebe angetrieben werden. Durch Herausfiltern von nicht resonantem Hopping gestattet das Hopping-Verringerungssystem der vorliegenden Offenbarung, dass selbst angetriebenen Maschinen effizienter betrieben werden. Im Betrieb sorgt das Hopping-Verringerungssystem der vorliegenden Offenbarung für den Betrieb von selbst angetriebenen Maschinen mit maximaler Aggressivität ohne inakzeptables Hopping.
Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Systemen und Verfahren vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele der Offenbarung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Offenbarung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche gezeigt wird.

Claims

Verfahren zur Verringerung von Hopping/Springen bei einer angetriebenen Maschine (100), wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Aufnahme eines Aggressivitätsbefehls basierend auf einer Bedienereingabe (244); Messung eines Parameters, der das Hopping anzeigt, und Bestimmung einer Größe des Hoppings der Maschine basierend auf der Messung; und Verringerung einer Aggressivität, die durch den Aggressivitätsbefehl gezeigt wird, proportional zu der angezeigten Größe des Hoppings der Maschine.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung eines Parameters, der das Hopping anzeigt, die Messung eines Parameters aufweist, der mindestens eine der folgenden Größen anzeigt: Drehzahl eines Vorderrades (112) der Maschine, Druck in einer Kupplung (222), die konfiguriert ist, um ein Vorderrad der Maschine anzutreiben, Druck in einem Getriebe (220), das konfiguriert ist, um ein Vorderrad der Maschine anzutreiben, Drehmomentausgabe eines Getriebes (220), dass konfiguriert ist, um ein Vorderrad der Maschine anzutreiben, Beschleunigung eines Vorderteils (110) der Maschine und Druck in einem Hubzylinder (148) eines Werkzeuges (140) der Maschine.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung einer Größe des Hoppings/Springens einer Maschine die Bestimmung einer Größe des resonanten Hoppings der Maschine aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Messung eines Parameters, der das Hopping anzeigt, aufweist, einen Sensor (310) vorzusehen, der konfiguriert ist, um ein Hopping-Signal auszugeben, welches eine Größe des Hoppings der Maschine anzeigt; und wobei die Bestim mung einer Größe des resonanten Hoppings der Maschine aufweist, dass Hopping-Signal durch einen Bandpassfilter (320) zu leiten und/oder eine Leistung des Hopping-Signals auf einer speziellen Frequenz zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die spezielle Frequenz auf oder nahe einer Frequenz des resonanten Hoppings der Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die spezielle Frequenz zwischen ungefähr 2 Hz und ungefähr 3 Hz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verringerung der Aggressivität Folgendes aufweist: Vergleich der Größe des Hoppings der Maschine mit einer Hopping-Toleranz; und Verringerung der Aggressivität, die durch den Aggressivitätsbefehl angezeigt wird, proportional zu einer Größe, falls vorhanden, um die die Größe des Hoppings der Maschine die Hopping-Toleranz überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verringerung der Aggressivität folgendes aufweist: Ausführung eines Proportional-Integral-Derivativ-Steuralgorithmus basierend auf der Größe des Hoppings der Maschine; und Verwendung einer Ausgangsgröße des Proportional-Integral-Derivativ-Steueralgorithmus, um den Aggressivitätsbefehl zu begrenzen.
System (200, 300) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–8.
Angetriebene Maschine (100), die das System nach Anspruch 9 aufweist.