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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur eines dynamischen Giermomentes an einer mobilen Arbeitsmaschine, wie einem Traktor.
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Beim Fahren mobiler Arbeitsmaschinen mit Heckanbauten und/oder Frontanbauten treten insbesondere bei Kurvenfahrt infolge der Massen von Heck- oder Frontanbau sogenannte Giermomente, d. h. unerwünschte, destabilisierende Momente um die Fahrzeughochachse auf.
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In der
DE 199 44 333 A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung des Giermomentes mittels Reifensensoren beschrieben. Über die Verformung des Reifens werden die Radkräfte ermittelt und entsprechend für die Fahrstabilität verrechnet. Das Fahrzeug kann dabei zwar stabilisiert werden, jedoch werden zusätzlich auf das Fahrzeug wirkende Kräfte von Anbaugeräten nicht berücksichtigt.
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In [Ulrich, A; Göhlich, H.: Fahrdynamik von Schleppern mit und ohne Arbeitsgeräte bei höheren Fahrgeschwindigkeiten. In: Grundl. Landtechnik. 1983, Bd. 33, Nr. 4., S. 108–115] wird die Problematik von Schwingungen einer mobilen Arbeitsmaschine um eine Querachse des Fahrzeugs, sogenannten Nickschwingungen, beschrieben. Zur Verbesserung der Fahrdynamik wird vorgeschlagen, dass die Anbaugeräte nicht starr, sondern um eine Querachse schwenkbar angekoppelt werden.
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Aus der
DE 39 42 057 A1 ist ein Traktor mit angelenktem Anbaugerät bekannt, bei dem die elektrohydraulische Hubwerks-Regeleinrichtung zusätzlich bei Transportfahrten als aktives System zur Dämpfung von Nickschwingungen des Traktors arbeitet. Um negative Auswirkungen der Schwingungsdämpfung auf normale Arbeitsabläufe bzw. Betriebszustände der Hubwerksregelung zu vermeiden, wird deren Wirksamkeit abhängig von verschiedenen Einschaltbedingungen begrenzt, wobei dies besonders einfach geschieht, wenn durch geeignete Ausbildung des Reglers das Schwingungsdämpfungs-System abhängig von den Einschaltbedingungen Transportstellung und Fahrgeschwindigkeit erfolgt.
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Aus der nächstkommenden
DE 101 14 091 A1 ist eine Vorrichtung für eine mit einem Frontanbau oder Heckanbau versehene mobile Arbeitsmaschine bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine mechanische Komponente, die dem Frontanbau oder dem Heckanbau eine dem dynamischen Giermoment entgegenwirkende Schwenkbewegung um eine Hochachse aufprägt. Die Vorrichtung ist geeignet, das dynamische Giermoment an einer Fahrzeughochachse zu kompensieren. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung für eine mit einem Frontanbau oder Heckanbau versehene mobile Arbeitsmaschine offenbart. Es wird ein Momentanpol in einem Schnittpunkt zwischen zweier Linien gebildet, die als Verlängerung einer Radachse jeweils eines Rades an einer gelenkten Achse der Arbeitsmaschine gedacht sind. Der Heckanbau wird um eine Hochachse geschwenkt. Das Verfahren ist geeignet, das dynamische Giermoment an einer Fahrzeughochachse zu kompensieren.
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Aus der
DE 37 39 379 A1 ist eine Aufhängevorrichtung mit Bodenbearbeitungswerkzeug mit einem Rahmen, in dem das rotierende Werkzeug, insbesondere eine Walze, angebracht ist und mit einer Kupplung zur Befestigung an Front oder Heck einer Zugmaschine bekannt, die insbesondere für Kurvenfahrten geeignet ist. Rahmen und Kupplung sind über zwei um die vertikale Achse verschwenkbare Lenker verbunden, deren Anlenkpunkte am Rahmen bei Frontanbau näher aneinander oder bei Heckanbau weiter entfernt voneinander liegen als der Abstand der Anlenkpunkte an der Kupplung, derart, dass die Verlängerung der Drehachse des Werkzeuges durch den Mittelpunkt des durch die Zugmaschine beschriebenen Kreises verläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine Reduzierung des dynamischen Giermomentes an einer mobilen Arbeitsmaschine mit Fontanbau und/oder Heckanbau möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompensation eines dynamischen Giermomentes an einer Fahrzeughochachse einer mit einem Frontanbau und/oder einem Heckanbau versehenen mobilen Arbeitsmaschine umfasst mindestens eine mechanische Komponente, die dem Frontanbau und/oder dem Heckanbau eine dem dynamischen Giermoment entgegenwirkende Schwenkbewegung um eine Hochachse aufprägt oder eine solche Schwenkbewegung erlaubt. Das verminderte Giermoment führt zu einer verbesserten Fahrstabilität der Arbeitsmaschine Bevorzugt sind als mechanische Komponenten zwei Unterlenker eines Dreipunktanbaus vorgesehen, deren Länge verstellbar ist. Ein Dreipunktlenker ist eine bekannte, standardisierte Verbindung zwischen Arbeitsmaschinen und ihren Frontanbauten und/oder Heckanbauten, die über zwei Unterlenker und einen Oberlenker verfügt, die einerseits mit der Arbeitsmaschine und andererseits mit einer Ankoppelebene des Anbaugerätes (Frontanbau oder Heckanbau) verbunden sind. Gewöhnlich sind an den Unterlenkern Hubarme vorgesehen, mit denen diese und damit das Anbaugerät angehoben, abgesenkt oder in einer vorgegebenen Höhe gehalten werden. Werden die Unterlenker in der Länge verstellbar ausgeführt, kann das Anbaugerät um eine in der Koppelebene durch den Koppelpunkt des Oberlenkers verlaufende Hochachse geschwenkt werden. Die Koppelpunkte des Oberlenkers und der Unterlenker müssen hierfür als Gelenke, beispielsweise Kugelgelenke, ausgeführt sein, die eine solche Schwenkbewegung erlauben.
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Werden die Unterlenker jeweils mit einem Feder-Dämpfer-Element versehen, ist eine passive, nachgebende Schwenkbewegung möglich, die das Giermoment teilweise kompensiert.
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Vorzugsweise erfolgt die Längenverstellung und damit auch die Schwenkbewegung jedoch aktorisch, d. h. mittels eines Antriebselementes. Insbesondere kommt hierfür eine hydraulische Verstellung in Frage.
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Zu diesem Zweck können die Unterlenker selbst als hydraulische Verstellzylinder ausgebildet sein. Bevorzugt werden die längenverstellbaren Unterlenker jedoch mit je einem separaten hydraulischen Verstellzylinder versehen, da so eine höhere Stabilität erreichbar ist. Die hydraulischen Verstellzylinder können dabei über, unter oder seitlich vom Unterlenker angeordnet sein und parallel zu diesem oder in einem Winkel dazu liegen.
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In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist als mechanische Komponente ein Drehgelenk vorgesehen, das an der Koppelebene des Frontanbaus und/oder des Heckanbaus in senkrechter Richtung angeordnet ist und um das der Frontanbau und/oder der Heckanbau schwenkbar ist.
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Vorzugsweise ist zwischen der Koppelebene und dem Frontanbau und/oder Heckanbau mindestens ein Feder-Dämpfer-Element angeordnet, welches die Schwenkbewegung des Frontanbaus und/oder Heckanbaus beschränkt. Die auf diese Weise nachgebende Schwenkbewegung kompensiert das auftretende Giermoment zumindest zum Teil.
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In einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform ist zwischen der Koppelebene und dem Frontanbau und/oder Heckanbau mindestens ein hydraulischer Verstellzylinder angeordnet, mit dem der Frontanbau und/oder Heckanbau aktiv schwenkbar ist. Insbesondere kommen hierfür zwei hydraulische Verstellzylinder zum Einsatz.
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Bevorzugt ist am oder im Frontanbau und/oder Heckanbau eine Identifikationseinheit angeordnet, die Anbaukenndaten des Frontanbaus und/oder Heckanbau an eine in der Arbeitsmaschine angeordnete Steuereinheit drahtlos oder drahtgebunden überträgt. Die Steuereinheit steuert und/oder regelt die Schwenkbewegung unter Berücksichtigung der Anbaukenndaten und/oder dynamischer Kenndaten der Arbeitsmaschine. Auf diese Weise ist eine Abstimmung der Ausgleichsbewegungen auf diese Daten möglich, um eine besonders effiziente Kompensation des Giermomentes zu erreichen.
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Als Anbaukenndaten werden dabei insbesondere eine Schwerpunktlage und/oder eine Masse und/oder ein Massenträgheitsmoment um die Drehachse ausgewertet.
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Auf diese Weise können bei unterschiedlichen Anbaugeräten auf einfache Weise deren individuelle Merkmale bei der Kompensation des Giermomentes berücksichtigt werden.
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Als dynamische Kenndaten der Arbeitsmaschine werden ein Lenkwinkel und/oder eine Fahrgeschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung im Bereich mindestens einer Achse der Arbeitsmaschine in einer Querrichtung und oder einer Hochrichtung ausgewertet. Die Kenntnis der dynamischen Kenndaten erlaubt eine Prognose über das zu erwartende Giermoment, so dass eine präventive Gegenbewegung veranlasst werden kann.
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Erfindungsgemäß kommt zum Steuern der Vorrichtung ein Verfahren zur Anwendung, bei dem ein Momentanpol in einem Schnittpunkt zweier Linien gebildet wird, die als Verlängerung einer Radachse jeweils eines Rades an einer gelenkten Achse der Arbeitsmaschine gedacht sind. Eine Schwenkbewegung eines Frontanbau und/oder eines Heckanbau wird dabei so gesteuert und/oder geregelt, dass der Momentanpol auf einer gedachten Verlängerung einer Koppelebene des Frontanbaus und/oder Heckanbaus liegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 eine schematische Ansicht von oben einer mobilen Arbeitsmaschine mit einem Heckanbau und einem Frontanbau mit jeweils einer Vorrichtung zur Kompensation eines dynamischen Giermomentes an einer Fahrzeughochachse,
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2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kompensation eines dynamischen Giermomentes an einer Fahrzeughochachse,
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3 einen Längsschnitt durch einen längenverstellbaren Unterlenker eines Dreipunktanbaus zur Befestigung eines Heckanbaus oder Frontanbaus mit einem hydraulischen Verstellzylinder, und
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4 einen mittels einer senkrechten Drehachse an seiner Koppelebene angeordneten Heckanbau oder Frontanbau mit zwei hydraulischen Verstellzylindern.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine mobile Arbeitsmaschine 1, an deren Chassis 2 ein Heckanbau 3 und ein Frontanbau 4 angeordnet sind. Die Arbeitsmaschine 1 kann beispielsweise ein Traktor oder ein Lader sein. Als Heckanbau 3 oder Frontanbau 4 können z. B. Erntegeräte, Heuwender, Laderschaufeln etc. vorgesehen sein. Heckanbau 3 und Frontanbau 4 sind einmal für Geradeausfahrt gerade (dick) und einmal für Kurvenfahrt geschwenkt (dünn) dargestellt.
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Der Heckanbau 3 und der Frontanbau 4 sind jeweils mittels eines Dreipunktanbaus mit dem Chassis 2 verbunden. Jeder Dreipunktanbau umfasst dabei zwei Unterlenker 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 und einen Oberlenker 6.1, 6.2. Die Unterlenker 5.1, 5.2 des Heckanbaus sind längenverstellbar, indem sie beispielsweise teleskopartig ausgeführt sind. Die Längenverstellung erfolgt aktiv durch hydraulische Verstellzylinder 7. Der Heckanbau 3 weist eine Koppelebene 8.1 auf, die mittels Kugelgelenken mit den Unterlenkern 5.1, 5.2 und dem Oberlenker 6.1 verbunden ist.
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Der Dreipunktanbau des Frontanbaus 4 könnte auf gleiche Weise wie beim Heckanbau 3 ausgeführt sein, weist im gezeigten Beispiel jedoch sowohl längenverstellbare Unterlenker 5.3, 5.4 als auch einen längenverstellbaren Oberlenker 6.2 auf, an der mittels Kugelgelenken die Koppelebene 8.2 des Frontanbaus angeordnet ist. Die hydraulischen Verstellzylinder 7 der Unterlenker 5.3, 5.4 und des Oberlenkers 6.2 liegen diesen oberhalb oder unterhalb jeweils parallel und sind somit verdeckt. Alternativ können auch Unterlenker 5.3, 5.4 und Oberlenker 6.2 selbst als hydraulische Verstellzylinder 7 ausgeführt sein.
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Zum Fahren einer Kurve werden mittels eines Lenkrades 9 über ein Lenkgetriebe 10 und ein Lenktrapez 11 die Vorderräder 12.1, 12.2 eingeschlagen, so dass sich ein Lenkwinkel 13.1, 13.2 ergibt. Das kurveninnere Vorderrad 12.1 wird stärker als das kurvenäußere Vorderrad 12.2 eingeschlagen, da sein zu befahrender Radius geringer als der des kurvenäußeren Vorderrades 12.2 ist. Verlängert man die Radachse der Vorderräder 12.1, 12.2 durch je eine Linie 14.1, 14.2, schneiden sich die Linien 14.1, 14.2 im Mittelpunkt der von den Vorderrädern 12.1, 12.2 befahrenen, konzentrischen Kreisbögen. Dieser Mittelpunkt wird als Momentanpol 15 bezeichnet. Um ein Giermoment infolge der Lenkbewegung und der Massen von Heckanbau 3 und Frontanbau 4 zu kompensieren, werden die hydraulischen Verstellzylinder 7 mittels einer hier nicht gezeigten Steuereinheit 16 so angesteuert, dass der Heckanbau 3 und der Frontanbau 4 eine diesem Giermoment entgegenwirkende Bewegung ausführen. Die Schwenkwinkel 17.1, 17.2 von Heckanbau 3 und Frontanbau 4 sollen dabei so gewählt werden, dass der Momentanpol 15 auf den gedachten Verlängerungen 18.1, 18.2 der Koppelebenen 8.1, 8.2 zu liegen kommt.
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Der Heckanbau 3 wird dabei um eine in der Koppelebene 8.1 durch das Kugelgelenk des Oberlenkers 6.1 verlaufende Hochachse geschwenkt, indem der kurveninnere Unterlenker 5.1 verkürzt und der kurvenäußere Unterlenker 5.2 verlängert wird.
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Das Schwenken des Frontanbaus 4 könnte auf gleiche Weise erfolgen. Abweichend wird hier jedoch der kurveninnere Unterlenker 5.3 und der Oberlenker 6.2 verkürzt, während der kurvenäußere Unterlenker 5.4 unverändert bleibt. Auf diese Weise verläuft die Schwenkbewegung um eine in der Koppelebene 8.2 durch das Kugelgelenk des Unterlenkers 5.4 verlaufende Hochachse.
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In 2 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Kompensation eines dynamischen Giermomentes an einer Fahrzeughochachse gezeigt. Die Steuereinheit 16 erhält als Eingangsgrößen dynamische Kenndaten der Arbeitsmaschine 1. Im gezeigten Beispiel handelt es sich dabei im Einzelnen um folgende:
Der Lenkwinkel 13 kann von einem Sensor am Lenkrad 9, im Lenkgetriebe 10 oder Lenktrapez 11 ermittelt werden. Die Differenz der Lenkwinkel 13.1, 13.2 ist dabei für jeden Radeinschlag bekannt, d. h. jedem Lenkwinkel 13.1 kann ein Lenkwinkel 13.2 eineindeutig zugeordnet werden, so dass nur einer dieser Lenkwinkel 13.1, 13.2 ermittelt werden muss, während der andere in der Steuereinheit errechnet werden kann. Weitere dynamische Kenndaten sind die Fahrgeschwindigkeit 19, die Beschleunigung der Vorderachse 20 und die Beschleunigung der Hinterachse 21 jeweils in Querrichtung und Hochrichtung. Des Weiteren erhält die Steuereinheit 16 Anbaukenndaten 22.1 und 22.2 vom Heckanbau und vom Frontanbau. Diese Anbaukenndaten 22.1, 22.2 sind dabei insbesondere eine Schwerpunktlage und/oder eine Masse und/oder ein Massenträgheitsmoment um die Drehachse.
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Die Anbaukenndaten 22.1, 22.2 werden dabei beispielsweise in einer am Frontanbau 4 und/oder Heckanbau 3 angeordneten Identifikationseinheit 23.1, 23.2 vorgehalten. Die Identifikationseinheit 23.1, 23.2 überträgt die Anbaukenndaten 22.1, 22.2 drahtlos oder drahtgebunden an mit Eingängen der Steuereinheit 16 verbundene Empfänger 24.1, 24.2. Die Steuereinheit steuert und/oder regelt die Schwenkwinkel 17.1, 17.2 von Heckanbau 3 und Frontanbau 4 unter Berücksichtigung der Anbaukenndaten 22.1, 22.2 und der dynamischen Kenndaten 13, 19, 20, 21 mit dem Ziel, bezüglich des Momentanpols 15 die in 1 gezeigte Situation herzustellen, indem sie eine Betätigung der hydraulischen Verstellzylinder 7 zur Verstellung der Länge der Unterlenker 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 veranlasst. Gegebenenfalls kann so auch die Länge von Oberlenkern 6 verändert werden (nicht dargestellt).
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3 zeigt einen längenverstellbaren Unterlenker 5, der ein Aufnahmegehäuse 25 mit einer verstellbaren Führungsstange 26 und integrierter Führung 27 aufweist. Ein hydraulischer Verstellzylinder 7 ist am Aufnahmegehäuse 25 über einen ersten Verbindungsbolzen 28 befestigt. Der hydraulische Verstellzylinder 7 weist eine Kolbenstange 29 und einen zweiten Verbindungsbolzen 30 auf, mit dem die Kolbenstange 29 an der Führungsstange 26 befestigt ist, so dass diese längsverschoben werden kann. Über Hydraulikanschlüsse 31 wird eine gezielte aktive oder passive Verstellung der Kolbenstange 29 erreicht. Im Ausführungsbeispiel liegt der hydraulische Verstellzylinder 7 parallel zum Unterlenker 5. Er kann jedoch auch in einem Winkel dazu angeordnet sein.
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4 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung zur Kompensation eines dynamischen Giermomentes an einer Fahrzeughochachse. Dabei ist ein Heckanbau 3 mittels eines senkrechten Drehgelenkes 32 an seiner Koppelebene 8.1 angeordnet. Die Koppelebene 8.1 kann mit einem herkömmlichen Dreipunktanbau an der Arbeitsmaschine 1 befestigt sein. Es sind zwei hydraulische Verstellzylinder 7 so angeordnet, dass sie den Schwenkwinkel 17 vorgeben können. Gegebenenfalls ist hier auch ein hydraulischer Verstellzylinder 7 ausreichend, insbesondere wenn er auf Zug und Druck arbeiten und annähernd gleiche Kräfte ausüben kann.
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Sinngemäß ist diese Anordnung auch für einen Frontanbau anwendbar.
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Alternativ zu einer aktiven Verstellung mittels hydraulischer Verstellzylinder 7 oder zusätzlich können die Unterlenker jeweils mit einem Feder-Dämpfer-Element versehen sein, das eine passive, nachgebende Schwenkbewegung möglich, die das Giermoment teilweise kompensiert. Ebenso ist die Anordnung eines oder mehrerer Feder-Dämpfer-Elemente zwischen der Koppelebene 8.1, 8.2 und dem Heckanbau 3 oder Frontanbau 4 in Verbindung mit dem Drehgelenk 32 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsmaschine
- 2
- Chassis
- 3
- Heckanbau
- 4
- Frontanbau
- 5
- Unterlenker
- 6
- Oberlenker
- 7
- Hydraulischer Verstellzylinder
- 8
- Koppelebene
- 9
- Lenkrad
- 10
- Lenkgetriebe
- 11
- Lenktrapez
- 12
- Vorderrad
- 13
- Lenkwinkel
- 14
- Linie
- 15
- Momentanpol
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Schwenkwinkel
- 18
- Verlängerung
- 19
- Fahrgeschwindigkeit
- 20
- Beschleunigung der Vorderachse
- 21
- Beschleunigung der Hinterachse
- 22
- Anbaukenndaten
- 23
- Identifikationseinheit
- 24
- Empfänger
- 25
- Aufnahmegehäuse
- 26
- Führungsstange
- 27
- Integrierte Führung
- 28
- Erster Verbindungsbolzen
- 29
- Kolbenstange
- 30
- Zweiter Verbindungsbolzen
- 31
- Hydraulikanschlüsse
- 32
- Senkrechtes Drehgelenk
