DE102010018386A1

DE102010018386A1 - Driving stability enhancement system for articulated vehicle, has hydraulic steering cylinder installed at frames of vehicle, between front end and rear end, where hydraulic steering cylinder acts as stabilization cylinder

Info

Publication number: DE102010018386A1
Application number: DE201010018386
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: IBAF INST fur BAUMASCHINEN ANTRIEBS und FOERDERTECHNIK GmbH; Ibaf Institut fur Baumaschinen Antriebs- und Fordertechnik GmbH
Current assignee: IBAF INST fur BAUMASCHINEN ANTRIEBS und FOERDERTECHNIK GmbH; Ibaf Institut fur Baumaschinen Antriebs- und Fordertechnik GmbH
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2011-10-27

Abstract

The system has a hydraulic steering cylinder (4) that is installed at frames (1, 2) of an articulated vehicle, between a front end and a rear end, where the hydraulic steering cylinder acts as a stabilization cylinder. The stabilization cylinder is arranged in a region of a center pivot steering. The stabilization cylinder is arranged in a horizontal direction and/or a vertical direction and in parallel to the steering cylinder, where hydraulic control of a supplementary cylinder is controlled directly by the steering cylinder.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Knicklenkung ist ein Lenksystem, bei dem keine Räder oder Achsen durch Lenkeinschläge bewegt werden. Diese bleiben gerade ausgerichtet an ihren Maschinenrahmenteilen befestigt. Gelenkt wird, wie der Name sagt, durch das „Knicken” der Maschine. Man hat als Standardbauweise zwei Maschinenbaueinheiten, den Vorder- (1) und den Hinterwagen (2), die mit einem Knickgelenk (3) verbunden sind. Die Lenkbewegung wird z. B. bei Radladern bis zu einem Knickwinkel von max. +/–50° durch ein Stangenlenkgetriebe mit zwei oder einem Hydrauliklenkzylinder (4) ermöglicht (1). Zwei oder ein Lenkzylinder werden/wird von einer separaten hydraulischen Steuereinheit der Lenkanlage (5) versorgt. Ausser der Lenkbewegung ist bei knickgelenkten Fahrzeugen über die Lenkanlage zugleich die Fahrstabilität zu gewährleisten. Diese doppelte Funktion der Lenkanlage ist insbesondere bei schnellfahrenden Industriefahrzeugen mit Knicklenkung gefordert, wo sie Einfluss auf zwei Baueinheiten mit großer Masse hat.The articulated steering is a steering system in which no wheels or axles are moved by steering angles. These remain straight aligned attached to their machine frame parts. It is steered, as the name says, by the "bending" of the machine. One has as standard construction two mechanical units, the front ( 1 ) and the rear carriage ( 2 ) with an articulated joint ( 3 ) are connected. The steering movement is z. B. in wheel loaders up to a kink angle of max. +/- 50 ° by a rod steering gearbox with two or one hydraulic steering cylinder ( 4 ) ( 1 ). Two or one steering cylinder are / is controlled by a separate steering control hydraulic unit ( 5 ) provided. In addition to the steering movement is to ensure the driving stability at articulated vehicles on the steering system at the same time. This dual function of the steering system is particularly required in high-speed industrial vehicles with articulated steering, where it has influence on two units with large mass.

Bei den heute bekannten Ausführungsformen von Hydrauliklenkanlagen sind in der Praxis die Steifigkeits- oder Dämpfungsparameter dieser Lenkanlage nicht berücksichtigt. Auch die Geometrie D, d_t, L und die Anordnung a, b, c, d der Lenkzylinder, 1 sind in der Praxis nicht hinsichtlich der Fahrstabilität optimiert, sondern aufgrund von praktischen Einsatz- und Konstruktionsanforderungen, bestimmt. All diese Parameter der Lenkanlage haben einen wesentlichen Einfluß insbesondere auf die Fahrstabilität des knickgelenktes Fahrzeugs.In today's known embodiments of hydraulic steering systems, the stiffness or damping parameters of this steering system are not taken into account in practice. Also the geometry D, d _t , L and the arrangement a, b, c, d of the steering cylinder, 1 are not optimized in practice with regard to driving stability, but determined on the basis of practical application and design requirements. All these parameters of the steering system have a significant influence in particular on the driving stability of the articulated vehicle.

Beschreibungdescription

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines zusätzlichen Kompensationslenkzylinders (Stabilisierungszylinder) für ein konventionelles Lenkgetriebe mit einem Lenkzylinder und entsprechend mit zwei zusätzlichen Kompensationslenkzylindern für ein konventionelles Lenkgetriebe mit zwei Lenkzylindern. Die Anordnung und die Geometrie der Lenk- und Kompensationszylinder sind optimal bestimmt.The invention relates to the use of an additional compensation steering cylinder (stabilizing cylinder) for a conventional steering gear with a steering cylinder and, accordingly, with two additional compensation steering cylinders for a conventional steering gear with two steering cylinders. The arrangement and the geometry of the steering and compensation cylinders are optimally determined.

Einer der aktuellen Trends bei Industriefahrzeugen ist die Erhöhung der Mobilität, also der Möglichkeit der Versetzung mit Geschwindigkeiten von 50 bis 60 km/h und bei militärischen Arbeitsmaschinen sogar 100 km/h. Diese Anforderungen führen, vor allem bei Radmaschinen mit Knicklenkung, zu vielen fahrdynamischen Problemen wie z. B. Schwingungen der Baueinheiten des Fahrzeugs im Knickgelenk um den Winkel +/–γ und eine Kursänderung ψ der Maschine (1). Als Ergebnis bewegt sich das Fahrzeug auf einer Trajektorie T (ausgehend z. B. von der Mitte der Vorderachse als repräsentativem Punkt P) mit schwankender Amplitude A_w und Frequenz 1/T_w. Diese Erscheinung wird in der Technik als Schlingern des Fahrzeugs bezeichnet. Die störenden Phänomene sind vor allem von der Steifigkeit der Lenkanlage abhängig. Durchgeführte experimentelle und virtuelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die globale Steifigkeit der Lenkanlage wesentlich von der Art, der Geometrie und dem Kompressionsverhalten der Hydraulikleitungen (6) – 2, dem Kompressionsmodul des Öls, ungelöster Luft im Öl, dem Druck in der Lenkanlage p_t, p_z sowie der Anordnung a, b, c, d und der Geometrie L, D, d_t der Lenkzylinder abhängig ist. Die durchgeführten Untersuchungen haben auch gezeigt, daß – in Abhängigkeit von der Maschinenkonstruktion – allein im Rahmen der Lenkgetriebeelastizität eine Maschine über 3 Grad geknickt werden kann, 2. Ein solches Verhalten verstärkt das oben erwähnte Schlingern in erheblichem Maße. Die Reifen haben auch einen Einfluß auf die globale Steifigkeit der Lenkanlage, 3 (statische Untersuchungsergebnisse) – während der Fahrt wird dieser Einfluß jedoch geringer. Die Untersuchungen haben auch gezeigt, daß die Fahrstabilität von Radfahrzeugen mit Knicklenkung durch die Erhöhung der Drehsteifigkeit der Lenkanlage verbessert werden kann, 4. Zur Untersuchung wurde ein besonderes Kriterium der technischen Stabilität nach der Norm PN-EN 12643+A1:2009 zugrunde gelegt. Danach soll die Lenkanlage die stabile Fahrt des Fahrzeugs mit maximaler Geschwindigkeit auf einer minimalen Streckenlänge von S = 100 m und auf einer ebenen trockenen Beton/Asphaltstrasse mit einer maximalen Breite des 1,25-fachen des äusseren Reifenumrisses garantieren. Während dieser Testfahrt muß das Fahrzeug 20 m ohne Fahrereingriff stabil fahren. Die seitliche Versetzung des Testfahrzeugs sollte dabei 0,28 m nicht überschreiten, 4. Um den Einfluss der Steifigkeit der Lenkanlage auf die Fahrstabilität des Knickfahrzeugs zu zeigen, bewegte sich in den numerischen Untersuchungen das zu untersuchende Fahrzeug auf einer Bahn mit einem einzelnen Hindernis, das auf das rechte Vorderrad einwirkte. Aus den durchgeführten Simulationen resultiert, daß eine Steigerung der Steifigkeit der Lenkanlage bis zum einem Wert von etwa k_S = 570 kNm/rad einen wesentlichen Einfluß auf die Fahrstabilität des Fahrzeugs hat. Eine weitere Erhöhung dieses Wertes hat keinen wesentlichen Einfluß mehr auf die Verlängerung der Bewegung im durch die Norm zugelassenen Grenzbereich (Fahrstabilität des Fahrzeugs). Zudem führt die Vergrösserung der Steifigkeit der Lenkanlage zu höheren dynamischen Reaktionen zum Beispiel in den Bolzen der Lenkanlage, was deren Haltbarkeit verringert.One of the current trends in industrial vehicles is the increase in mobility, ie the possibility of displacement at speeds of 50 to 60 km / h and in military machines even 100 km / h. These requirements lead, especially in wheeled steering systems, to many driving dynamics problems such. B. oscillations of the structural units of the vehicle in the articulated joint by the angle +/- γ and a course change ψ of the machine ( 1 ). As a result, the vehicle is traveling on a trajectory T (starting, for example, from the center of the front axle as a representative point P) with fluctuating amplitude A _w and frequency 1 / T _w . This phenomenon is referred to in the art as rolling of the vehicle. The disturbing phenomena are mainly dependent on the rigidity of the steering system. Experimental and virtual investigations have shown that the global stiffness of the steering system is essentially dependent on the type, the geometry and the compression behavior of the hydraulic lines ( 6 ) - 2 , the compression modulus of the oil, undissolved air in the oil, the pressure in the steering system p _t , p _z and the arrangement a, b, c, d and the geometry L, D, d _t, the steering cylinder is dependent. The investigations carried out have also shown that - depending on the machine construction - alone in the context of the steering gear elasticity a machine can be bent over 3 degrees, 2 , Such behavior greatly enhances the above-mentioned rolling. The tires also have an influence on the overall stiffness of the steering system, 3 (static test results) - while driving this influence is less. The investigations have also shown that the driving stability of articulated wheeled vehicles can be improved by increasing the torsional stiffness of the steering system, 4 , For the investigation a special criterion of the technical stability after the Standard PN-EN 12643 + A1: 2009 based on. Thereafter, the steering system is to guarantee the stable ride of the vehicle at maximum speed on a minimum length of S = 100 m and on a flat dry concrete / asphalt road with a maximum width of 1.25 times the outer tire contour. During this test drive, the vehicle must drive stable 20 m without driver intervention. The lateral displacement of the test vehicle should not exceed 0.28 m, 4 , In order to show the influence of the rigidity of the steering gear on the running stability of the buckling vehicle, in the numerical investigations, the vehicle to be examined moved on a lane with a single obstacle acting on the right front wheel. It results from the simulations performed that an increase in the rigidity of the steering system up to a value of about k _S = 570 kNm / rad has a significant influence on the driving stability of the vehicle. A further increase in this value no longer has any significant influence on the extension of the movement in the limit area permitted by the standard (driving stability of the vehicle). In addition, increasing the stiffness of the steering system leads to higher dynamic reactions, for example in the bolt of the steering system, which reduces their durability.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels eines knickgelenktes Fahrzeugs mit einem Hydrauliklenkzylinder erläutert, 5. In der konventionellen Lenkanlage, die mit dem Lenkzylinder (4), elastischen Hydraulikleitungen (6) und der Haupteinheit der Lenkanlage (5) zwei durch ein Knickgelenk (3) verbundene Rahmen (1) und (2) lenkt, wird ein zusätzlicher Kompensationslenkzylinder (Stabilisierungszylinder) (7) angeordnet. Wie bereits beschrieben, rufen während der Fahrt eines knickgelenkten Fahrzeuges vornehmlich die von aussen wirkenden Momente M_S ein Knicken der Maschine hervor. Insbesondere infolge der Schlauchdehnung (6) in den Hydraulikleitungen verschiebt sich der Kolben im Lenkzylinder um die Grösse ΔS. Aus der Hydraulikschaltung der Erfindung wird deutlich, dass der zusätzliche Hydraulikzylinder (7) den Lenkzylinder (4) mit einem Teil des „verlorenen” Ölvolumens I-ΔV I versorgt. Als Ergebnis wird das Knicken des Fahrzeuges nachläufig (adaptiv) kompensiert und die Fahrstabiliät wird wesentlich verbessert.The invention is explained below with reference to an exemplary embodiment of a articulated vehicle with a hydraulic steering cylinder, 5 , In the conventional steering system with the steering cylinder ( 4 ), elastic hydraulic lines ( 6 ) and the main steering unit ( 5 ) two through an articulated joint ( 3 ) associated frames ( 1 ) and ( 2 ), an additional compensation steering cylinder (stabilizing cylinder) ( 7 ) arranged. As already described, during driving of an articulated vehicle, especially the externally acting moments M _S cause the machine to buckle. In particular as a result of the tube expansion ( 6 ) in the hydraulic lines, the piston in the steering cylinder shifts by the size ΔS. From the hydraulic circuit of the invention it is clear that the additional hydraulic cylinder ( 7 ) the steering cylinder ( 4 ) is supplied with a portion of the "lost" oil volume I-ΔV I. As a result, the buckling of the vehicle is compensated for (adaptively) and the driving stability is substantially improved.

Die Hauptgeometrie D_K, d_K und die Anordnung a_K, b_K, c_K, d_K des Stabilisierungs- bzw. Kompensationslenkzylinders (7) ist abhängig von der Hauptgeometrie D, d_t und der Anordnung a, b, c, d, des Lenkzylinders (4) und vom Knickwinkel γ des Vorder- (1) und des Hinterwagens (2), sie ist im allgemeinen Fall nach folgender Abhängigkeit zu bestimmen, 5: A_K,t/A_t = A_K,z/A_z = h(a, b, c, d, y)/h_K(a_K, b_K, c_K, d_K, γ) mit

A_t, A_K,t [m²]: – Kolbenfläche des Lenk- und Kompensationszylinders,
A_z, A_K,z [m²]: – Ringfläche des Lenk- und Kompensationszylinders,
h, h_K [m]: – Abstände der Kraftwirkungslinien von Lenk- und Kompensationszylinder von Knickgelenkachse,

wobei:

A_t = πD²/4 und A_K,t = πD_K ²/4

oder

A_z = π(D² – d_t ²)/4 und A_K,z = π(D_K ² – d_K ² )/4

The main geometry D _K , d _K and the arrangement a _K , b _K , c _K , d _{K of} the stabilization or compensation steering cylinder ( 7 ) depends on the main geometry D, d _t and the arrangement a, b, c, d, of the steering cylinder ( 4 ) and the bending angle γ of the front ( 1 ) and the rear carriage ( 2 ), it is in the general case to determine the following dependence, 5 :

A _{K, t} / A _t = A _{K, z} / A _z = h (a, b, c, d, y) / h _K (a _K , b _K , c _K , d _K , γ)

With

A _t , A _{K, t} [m ² ]: Piston surface of the steering and compensation cylinder,
A _z , A _{K, z} [m ² ]: - Ring surface of the steering and compensation cylinder,
h, h _K [m]: - Distances of the force action lines of steering and compensation cylinder of articulated axis,

in which:

A _t = πD ^2/4 and A _{K, t} = πD _K ^2/4

or

A _z = π (D ² -d _t ² ) / 4 and A _{K, z} = π (D _K ² -d _K ² ) / 4

Die Auslegung und Dimensionierung des Stabilisierungszylinders wird wesentlich vereinfacht, wenn der Stabilisierungszylinder (7) in vertikaler Ebene parallel, d. h. „über” oder „unter” dem Lenkzylinder (4) angeordnet wird, da sich hier die geometrischen Abhängigkeiten aufheben und der Stabilisierungszylinder (7) mit dem Lenkzylinder (4) identisch ausgelegt werden kann. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Platzverhältnisse im Raum des Knickgelenkes ausreichend sind. Bei der Entwicklung von knickgelenkten Fahrzeugen kann diese Möglichkeit des vertikal parallelen Einbaus der Hydraulikzylinder berücksichtigt werden.The design and dimensioning of the stabilizing cylinder is greatly simplified when the stabilizing cylinder ( 7 ) in a vertical plane parallel, ie "above" or "below" the steering cylinder ( 4 ), since here the geometric dependencies cancel and the stabilization cylinder ( 7 ) with the steering cylinder ( 4 ) can be designed identically. The prerequisite for this, however, is that the space available in the space of the articulated joint is sufficient. In the development of articulated vehicles, this possibility of vertically parallel installation of the hydraulic cylinders can be taken into account.

Die Kompensationszylinder können auch ohne eine direkte hydraulische Koppelung mit den Lenkzylindern über eine durch separate Hydraulikleitungen 8 mit den Kompensationszylindern verbundene Steuereinheit 5 elektronisch so geregelt werden, daß zum einen die vorher beschriebenen Geometrieverhältnisse berücksichtigt werden sowie die Druckschwankungen im Lenkzylinder ausgeglichen werden (6).The compensation cylinders can also without a direct hydraulic coupling with the steering cylinders via a separate hydraulic lines 8th Control unit connected to the compensation cylinders 5 be electronically controlled so that on the one hand, the previously described geometry ratios are taken into account and the pressure fluctuations in the steering cylinder are compensated ( 6 ).

In der Erfindung wird auch die optimale Anordnung a, b, c, d der Lenkzylinder vorgeschlagen, die ausser anderen Vorteilen, eine sehr gute sog. strukturelle Steifigkeit gewährleistet. Die Analysen zeigen, dass für die Erhöhung der globalen Steifigkeit der Lenkanlage das Viereck, dessen Spitzen die Befestigungspunkte der Lenkzylinder darstellen, ein Trapez mit einer deutlichen Differenz zur Parallelen sein sollte. Die konkreten Verhältnisse der Trapezseiten hängen unter anderem von den Konstruktionsparametern des Fahrzeugs und der Lenkzylinder/Stabilisierungszylinder ab. Eine so gestaltete Lenkanlage gewährleistet auch große Übertragungswinkel, die über die richtige Funktion und Zuverlässigkeit entscheiden, sowie eine Minimierung des Aufnahmevermögens der Lenkzylinder bei Erhaltung des nötigen Lenkmoments der Lenkanlage.In the invention, the optimal arrangement a, b, c, d of the steering cylinder is proposed, which ensures other than other advantages, a very good so-called. Structural rigidity. The analyzes show that to increase the overall rigidity of the steering system, the quadrangle, the tips of which represent the attachment points of the steering cylinders, should be a trapezoid with a significant difference to the parallels. The concrete conditions of the trapezoidal sides depend inter alia on the design parameters of the vehicle and the steering cylinder / stabilization cylinder. Such a steering system also ensures large transmission angle, which decide on the correct function and reliability, as well as minimizing the capacity of the steering cylinder while maintaining the necessary steering torque of the steering system.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.The invention is not limited to the embodiment, but in the context of the disclosure often variable.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.All new, disclosed in the description and / or drawing single and combination features are considered essential to the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Standard PN-EN 12643 + A1: 2009 [0004]

Claims

System for improving the driving stability of vehicles, characterized in that at least one additional hydraulic cylinder is installed on the frame of the articulated vehicle, between the front and rear wheels, which acts as a stabilizing cylinder.

System for improving the driving stability of vehicles according to claim 1, characterized in that the stabilizing cylinder is preferably arranged in the region of the articulated steering.

System for improving the driving stability of vehicles according to claim 1 or 2, wherein the stabilizing cylinder is arranged in the horizontal and / or vertical direction and preferably parallel to the existing steering cylinder.

System for improving the driving stability of vehicles according to claim 1, 2, or 3, characterized in that the hydraulic control of the additional cylinder takes place directly from the original steering cylinder or via a central hydraulic control of the, preferably regulated, in each case a separate control of steering and additional cylinder is made.