DE102013005991A1

DE102013005991A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels einer richtungssteuerbaren Maschine

Info

Publication number: DE102013005991A1
Application number: DE102013005991.7A
Authority: DE
Inventors: Irina Hagen; Moritz Nick; Hermann Christ
Original assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Current assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: DE102013005991B4; US20140188340A1; US9248859B2

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels (α3) wenigstens eines lenkbaren Rades (3) eines Satz 12 lenkbarer Räder (3, 4), einer richtungssteuerbaren Maschine (10), wobei die Maschine (10) wenigstens den Satz 12 lenkbarer Räder (3, 4) und wenigstens antreibbare Räder (1, 2) aufweist, die einen bestimmten Radstand (a1) von den lenkbaren Rädern (3, 4) haben und mit einer bestimmten Spurweite (b1) voneinander beabstandet sind, wobei über eine ermittelte Radgeschwindigkeitsdifferenz der beiden angetriebenen Räder (1; 2) eine Gierrate (Ψ) und ein realer Kurvenradius (r1) des kurveninneren angetriebenen Rades (1) ermittelt wird. Aus diesen Werten kann dann über den geometrischen Zusammenhang von Achsstand (a1) und Spurweite (b1) der Maschine (10) der Lenkwinkel (α) bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels wenigstens eines lenkbaren Rades eines Satzes lenkbarer Räder einer richtungssteuerbaren Maschine, wobei die Maschine wenigstens den Satz lenkbarer Räder und wenigstens einen Satz antreibbarer Räder aufweist, die einen bestimmten Radstand a₁ von den lenkbaren Rädern haben und mit einer bestimmten Spurweite b₁ voneinander beabstandet sind.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei selbstfahrenden, richtungssteuerbaren Maschinen und insbesondere Baumaschinen, die mit einer geringen Geschwindigkeit betrieben werden, eine Maschinensteuerung in Abhängigkeit des vorliegenden Lenkwinkels eines Satzes lenkbarer Räder vorzunehmen.
So ist es bekannt, über entsprechende Navigationseinrichtungen eine solche richtungssteuerbare Maschine fernzusteuern und ihr, in Abhängigkeit ihrer Position und einem geforderten Arbeitsweg, Lenkimpulse zuzuspielen. Eine solche Steuerung kann nur dann genau funktionieren, wenn die jeweiligen zur Steuerung verwendeten Lenkwinkel der lenkbaren Räder bekannt sind.
In diesem Zusammenhang ist es üblich, eine Lenkwinkelerfassung während des Betriebs vorzusehen. Solche Lenkwinkelsensoren können beispielsweise Potentiometer sein, die in Abhängigkeit des Lenkwinkels des jeweiligen Rades ein unterschiedliches Signal an eine Steuer- oder Kontrolleinheit weiterleiten.
Als nachteilig hat sich jedoch hier herausgestellt, dass solche Lenkwinkelsensoren hohe Ausfallwahrscheinlichkeiten aufweisen. Darüber hinaus hat sich herausgestellt, dass die Eindeutigkeit der durch solche Lenkwinkelsensoren erzielten Ergebnisse nicht immer zufriedenstellend ist.
Vorliegender Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels eines lenkbaren Rades eines Satzes lenkbarer Räder einer richtungssteuerbaren Maschine der eingangs genannten Art anzubieten, die eine genaue, preiswerte und betriebssichere Ermittlung des Lenkwinkels einer solchen Maschine ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Insbesondere wird diese Aufgabe also durch ein Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels α₃ wenigstens eines lenkbaren Rades eines Satzes lenkbarer Räder einer richtungssteuerbaren Maschine gelöst, wobei die Maschine wenigstens den Satz lenkbarer Räder und wenigstens einen Satz antreibbarer Räder aufweist, die einen bestimmten Radstand a₁ von den lenkbaren Rädern haben und mit einer bestimmten Spurweite b₁ voneinander beabstandet sind, mit folgenden Schritten:

– Detektion der Radgeschwindigkeit wenigstens zweier antreibbarer Räder;
– Ermittlung einer Geschwindigkeitsdifferenz Δv zwischen den Geschwindigkeiten v₁, v₂ der beiden Räder;
– Ermittlung der Gierrate (Ψ) über den Zusammenhang
– Ermittlung des realen Kurvenradius r₁ des kurveninneren angetriebenen Rades über den Zusammenhang
– Ermittlung des Lenkwinkels α₃ über den Zusammenhang
wobei v₁ der Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades, v₂ der Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades, Ψ der Gierrate, α₃ dem Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades, r₁ dem Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades, r₂ dem Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades, a₁ dem Radstand und b₁ Spurweite entspricht.

Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:

– Detektion der Geschwindigkeit (v₁, v₂) bzw. damit direkt zusammenhängender Größen, wobei es sich um Messgrößen handelt, die im Gegensatz zu fahrzeugspezifischen Konstanten kontinuierlich erfasst werden, wie beispielsweise die Drehzahl n₁, n₂ wenigstens zweier Räder des Satzes antreibbarer Räder;
– Ermittlundes realen Kurvenradius r₁ des kurveninneren angetriebenen Rades über den Zugsammenhang
wobei
– Ermittlung des Lenkwinkels α₃ über den Zusammenhang
wobei v₁ der Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades, v₂ der Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades, Ψ der Gierrate, α₃ dem Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades, r₁ dem Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades, r₂ dem Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades, a₁ dem Radstand und b₁ der Spurweite entspricht.

Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels α₃ wenigstens eines Rades eines Satzes lenkbarer Räder einer richtungssteuerbaren Maschine gelöst, wobei die Maschine wenigstens den Satz lenkbarer Räder und wenigstens einen Satz antreibbarer Räder aufweist, die einen bestimmten Radstand a₁ von den lenkbaren Rädern haben und mit einer bestimmten Spurweite b, voneinander beabstandet sind, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl an Radgeschwindigkeitssensoren zur Ermittlung der jeweiligen Radgeschwindigkeit v₁, v₂ bzw. damit direkt zusammenhängende Größen, wie beispielsweise der Drehzahl n₁, n₂ der antreibbaren Räder, und eine Steuereinrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie die ermittelten Radgeschwindigkeiten v₁, v₂ und/oder damit direkt zusammenhängende Parameter, wie beispielsweise die Drehzahl n₁, n₂ der antreibbaren Räder empfängt, und daraus den Lenkwinkel α₃ des wenigstens einen lenkbaren Rades ermittelt.
Im Umfang der Erfindung werden unter „Radgeschwindigkeitssensoren” sämtliche Sensoren verstanden, über die die Geschwindigkeit eines Rades ermittelbar ist, also auch solche Sensoren, die eine Drehzahldetektion eines Rades oder ähnlicher Parameter erlauben, aus denen dann die Radgeschwindigkeit des Rades ermittelt werden kann.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels einer richtungssteuerbaren Maschine, werden also keine, insbesondere an den lenkbaren Rädern angeordneten, Lenkwinkelsensoren verwendet, sondern über geeignete Geschwindigkeits- oder Drehzahlsensoren etc. an den angetriebenen Rädern und über eine zugeordnete Steuereinrichtung basierend auf den maschinenspezifischen Daten eine Bestimmung der jeweiligen Lenkwinkel vorgenommen.
In diesem Zusammenhang sei erneut angemerkt, dass anstelle der Detektion der Radgeschwindigkeit der einzelnen antreibbaren Räder, natürlich auch deren Drehzahl bestimmt werden kann, um dann über die Drehzahl und den bekannten Raddurchmesser auf die Radgeschwindigkeit zu schließen. Auch sei erwähnt, dass neben der bisher beschriebenen Ermittlung des Lenkwinkels α₃ eines kurveninneren Rades, natürlich auch über die weiteren bekannten Fahrzeuggeometrien jeder andere Lenkwinkel der Maschine ermittelt werden kann.
Ein wesentlicher Vorteil im beanspruchten Verfahren bzw. bei der beanspruchten Vorrichtung liegt in der hohen Betriebssicherheit, da eine sehr viel geringere Anzahl an mechanischen Teilen zur Lenkwinkelbestimmung nötig ist. Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die direkte Ermittlung des real anliegenden Lenkwinkels am jeweilig lenkbaren Rad, wobei insbesondere Fehldetektionen infolge maschinenspezifischer Ungenauigkeiten vermieden werden.
Eine Unterscheidung zwischen kurveninnerem und kurvenäußerem Rad, sei es angetriebenes Rad oder lenkbares Rad, ist im Zusammenhang mit dem beanspruchten Verfahren bzw. der beanspruchten Vorrichtung über die jeweils detektierte Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Rades möglich. So ist der Betrag des kurvenäußeren Rades in einer Kurvenfahrt naturgemäß höher als der Betrag der Geschwindigkeit des kurveninneren Rades. Bei der Ermittlung des Lenkwinkels wird dieser Tatsache Rechnung getragen, sodass beispielsweise bei der Ermittlung der Radgeschwindigkeitsdifferenz Δv immer eindeutige Ergebnisse erzielbar sind.
Erfindungsgemäß wird über die Radgeschwindigkeitssensoren an den angetriebenen Rädern ein Geschwindigkeitssignal für jedes Rad bzw. ein Drehzahlsignal für jedes Rad ermittelt. Über diese beiden Signale von den beiden angetriebenen Rädern, kann dann entweder durch Bestimmung der Gierrate und des realen Radius r₁ des angetriebenen Rades oder über die Ermittlung des realen Kurvenradius r₁ und des Mittelpunktradius r₀ der Lenkwinkel α₃ ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt dazu über eine Steuereinrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie die erforderlichen Ermittlungen vornehmen und Rückschlüsse aus den Fahrzeuggeometrien und den detektierten Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlwerten etc. schließen kann.
Als Sensoren können hier beispielsweise die aus dem Stand der Technik bekannten Drehzahlmesssensoren in Verbindung mit einer elektronischen Steuereinheit oder Sensoren zur Druckmessung zur Detektion der bei einem hydraulischen Antrieb an den jeweiligen Hydraulikpumpen anstehenden Drücke verwendet werden. Auch ist es möglich, über geeignete Kraftsensoren bzw. Füllstandsmessungen an hydraulischen Stellgliedern Rückschlüsse auf die Radgeschwindigkeitswerte der angetriebenen Räder zu ziehen.
Gerade bei Maschinen, bei denen der Lenkwinkel der lenkbaren Räder mit der Geschwindigkeit der angetriebenen Räder gekoppelt wird, um beispielsweise eine ideale Kurvenfahrt der Maschine sicherzustellen, ist das zuvor beschriebene Verfahren bzw. die zuvor beschriebene Vorrichtung von besonderem Vorteil, da die Lenkwinkelermittlung nahtlos in den Kopplungsprozess zwischen Geschwindigkeit der angetriebenen (Hinter-)Räder und der Lenkwinkeleinstellung der lenkbaren (Vorder-)Räder integriert werden kann. Insofern betrifft die Erfindung also auch eine Maschine, bei der der Lenkwinkel auf die vorgenannte Art ermittelt wird bzw. eine Maschine, bei der eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels vorgesehen ist, und bei der dann eine direkte Rückkopplung zwischen Lenkwinkel und Antriebsgeschwindigkeit der angetriebenen Räder vorgenommen wird, um eine optimale und insbesondere schlupffreie Kurvenfahrt zu gewährleisten.
Um insbesondere auch bei Radschlupf genaue Lenkwinkelwerte zu ermitteln, bzw. um eine Fehlermittlung des Lenkwinkels aufgrund des Vorliegens von Schlupf an wenigstens einem angetriebenen Rad auszuschließen, wird vorzugsweise eine Schlupfdetektion durchgeführt. Je nachdem ob Schlupf an den angetriebenen Rädern bzw. an wenigstens einem angetriebenen Rad vorliegt oder nicht, wird dann ein entsprechender Schlupfindikator gesetzt. Bei positiv gesetztem Schlupfindikator wird dann vorzugsweise der (zuvor ermittelte) Wert des Lenkwinkels während der Lenkwinkeldetektion beibehalten. Würde bei einem positiv gesetzten Schlupfindikator, also bei Vorliegen von Schlupf, der Wert des Lenkwinkels entsprechend dem Verfahrenswert verändert, würde die Gefahr bestehen, dass ein Schlupf am Vorderrad und die damit direkt einhergehende Geschwindigkeitsänderung fälschlicherweise als Lenkwinkeländerung bzw. neu gesetzter Lenkwinkel interpretiert bzw. ein Lenkwinkel falsch ermittelt wird.
In obigem Zusammenhang ist es möglich, zur Schlupfdetektion eine Plausibilitätskontrolle der detektierten Radgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen wenigstens eines angetriebenen Rades durchzuführen. Hier sind unterschiedliche Möglichkeiten gegeben.
Insbesondere ist es möglich, bei der Plausibilitätskontrolle den Verlauf der Radgeschwindigkeiten und/oder den Verlauf der Drehgeschwindigkeiten und/oder damit direkt zusammenhängender Parameter zu ermitteln und mit einem Verlaufsschwellenwert zu vergleichen, wobei bei Unter- bzw. Überschreitungen dieses Schwellenwertes ein positiver Schlupfindikator gesetzt wird.
Hier kann beispielsweise der Verlaufschwellenwert eine minimale zulässige Gesamtdauer t_min der gesamt detektierten Radgeschwindigkeitsänderung über einen Zeitraum t sein. Ein geeigneter Zeitraum ist beispielsweise 0,5 Sekunden ≤ t_min ≤ 2 Sekunden, insbesondere t_min = 1 Sekunde. Das bedeutet, dass Schlupf vorliegt bzw. angenommen wird, sobald sich die Geschwindigkeit wenigstens eines Rades oder die Radgeschwindigkeitsdifferenz beider Räder über einen sehr kurzen Zeitraum t < t_min, also beispielsweise unter einer Sekunde, von einem Ausgangsgeschwindigkeitswert auf einen Endgeschwindigkeitswert ändert. Eine solche Überprüfung ist dann aussagekräftig, wenn zum Zeitpunkt t = 0 die Geschwindigkeitsänderung bzw. die Änderung der Radgeschwindigkeitsdifferenz detektiert und nach der minimal zulässigen Gesamtdauer t_min diese Änderung bereits beendet ist und die Geschwindigkeit einen neuen Wert erreicht hat. Obiges gilt natürlich identisch auch für die Drehzahlen bzw. Drehzahländerungen der Räder.
Auch ist es möglich, dass der Verlaufsschwellenwert eine maximal zulässige Änderung der Radgeschwindigkeit und/oder der Drehgeschwindigkeit über den Plausibilitätszeitraum ist, und insbesondere eine maximal zulässige Änderung von 10% bis 30%, insbesondere 20%. Hier wird also der Verlaufsschwellenwert als maximal zulässiger Änderungswert der Radgeschwindigkeit und/oder der Radgeschwindigkeitsdifferenz angenommen, wobei eine Verlaufsschwellenwertüberschreitung dann vorliegt, wenn sich beispielsweise die Radgeschwindigkeit auf einen Schlag, also insbesondere innerhalb eines bestimmten Zeitraumes t um 10% bis 30% bzw. insbesondere 20% ändert. Auch hier ist dieser Änderungswert wieder über den Gesamtzeitraum vom Beginn der Änderung bis zum Ende der Änderung zu verstehen. Obiges gilt natürlich identisch auch für die Drehzahlen der Räder.
Auch ist es möglich, den Verlaufsschwellenwert so zu setzen, dass er eine detektierte Radgeschwindigkeitsänderung eines Rades von ungefähr 0% bei einer detektierten Radgeschwindigkeitsänderung des anderen Rades von > 0% umfasst. Wenn also an einem Rad eine Radgeschwindigkeitsänderung festgestellt wird und am anderen Rad keine Radgeschwindigkeitsänderung festgestellt wird, lässt dies auf Schlupf schließen. Wird der Verlaufsschwellenwert also gemäß diesen Bedingungen gesetzt, kann in der Plausibilitätskontrolle, also beim direkten Vergleich der detektierten Radgeschwindigkeiten etc. mit dem gesetzten Verlaufsschwellenwert auf Schlupf überprüft und bei Bedarf der positive Schlupfindikator gesetzt werden. Auch hier sind natürlich Änderungen an den Drehzahlen der Räder entsprechend detektierbar und wertbar.
Ein weiterer Verlaufsschwellenwert kann so gesetzt werden, dass er eine Detektion einer Radgeschwindigkeit v₁ oder v₂ bzw. Drehzahl von ungefähr null und eine Detektion einer Radgeschwindigkeit v₂ bzw. v₁ bzw. Drehzahl von größer null umfasst. Auch eine solche Konstellation lässt auf Schlupf schließen.
Selbstverständlich können die oben beschriebenen Verfahren zur Schlupfdetektion einzeln oder kombiniert miteinander ausgeführt werden.
Zur Durchführung der Schlupfdetektion weist die Steuereinrichtung vorzugsweise eine Schlupfdetektionseinrichtung auf, die derart ausgebildet ist, dass sie die Plausibilitätskontrolle in Abhängigkeit der detektierten Radgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der angetriebenen Räder durchführt, um eine Fehlermittlung des Lenkwinkels aufgrund des Vorliegens von Schlupf an wenigstens einem angetriebenen Rad auszuschließen.
Diese Schlupfdetektionseinrichtung ermöglicht also insbesondere die Protokollierung des Verlaufs der Radgeschwindigkeiten und/oder des Verlaufs der Geschwindigkeitsdifferenz und/oder damit direkt zusammenhängender Parameter, wie beispielsweise der Drehzahlverläufe, des Verlaufszeitraumes, der Verlaufssteigung, der Antriebsenergie der Maschine, des Änderungszeitraumes, etc.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das durch die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen schematisch:
1 eine Seitenansicht einer selbstfahrenden Baumaschine in Form eines Straßenfertigers;
2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer richtungssteuerbaren Maschine inklusive geometrischer Maschinendaten;
3 eine Darstellung der Ausführungsform aus 2 inklusive der Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels eines lenkbaren Rades;
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Lenkwinkels wenigstens eines lenkbaren Rades einer Maschine gemäß 2;
5 ein Lenkschema eines Lenkvorganges der Ausführungsform aus 2; und
6 ein Lenkschema bei Vorliegen von Schlupf bei einer Ausführungsform gemäß 2.
Eine als Straßenfertiger 10 ausgebildete selbstfahrende Baumaschine weist gemäß 1 und 2 ein Fahrwerk mit drei Paaren von Rädern auf, von welchen in 1 lediglich die linksseitigen Räder 1, 3 und 5 sichtbar sind. Die Gesamtheit aller Räder ist in 2 ersichtlich. Die Räder 1, 2 eines erstes Paares sind als Antriebsräder ausgebildet. Zwei weitere Paare 12, 14, die zusammen auf einer Tandemachse angeordnet sind, sind jeweils mit lenkbaren Räder 3, 4 bzw. 5, 6 ausgestattet. Es handelt sich hier also um eine Maschine mit einer doppelt lenkbaren Vorderachse bzw. Tandemachse. Die Vorwärtsfahrtrichtung ist mit V bezeichnet.
Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Bauteile dieselben Bezugsziffern verwendet, wobei zur Unterscheidung bisweilen Hochindizes ihre Anwendung finden.
2 zeigt eine Draufsicht auf das Fahrwerk des Straßenfertigers 10 in einer Kurvenfahrt und insbesondere einer Linkskurve.
Die antreibbaren Räder 1, 2 sind auf einer gemeinsamen Achse angeordnet, wobei die Räder 1, 2 über eine Spurweite b₁ voneinander beabstandet sind. Die antreibbaren Räder 1, 2 sind mit einem Achsstand a₁ von dem Satz 12 lenkbarer Räder 3, 4 beabstandet. Geometrisch ist diese Maschine so aufgebaut, dass auch die einzelnen Räder 1, 2 von den Rädern 3 bzw. 4 um den Achstand a₁ voneinander beabstandet sind.
In 2 befinden sich alle lenkbaren Räder 3, 4, 5, 6 in eingelenktem Zustand, wobei ersichtlich ist, dass entsprechend einer Achsschenkellenkung alle Räder einen anderen Ackermannwinkel aufweisen. Der Ackermann- bzw. Lenkwinkel des kurveninneren Rades 3 ist hier mit dem Bezugszeichen α₃ gekennzeichnet. Bei einer Vorwärtsbewegung gemäß Pfeil V (1) durch die angetriebenen Räder 1, 2 bewegt sich die Maschine 10 durch die Einlenkung der lenkbaren Räder 3, 4, 5, 6 bezüglich des Rades 3 um den Radius r₃.
Wie in 3 dargestellt, verfügt die Maschine 10 über eine Steuereinrichtung 8, über die der Antrieb der angetriebenen Räder 1, 2 und die Lenkung der lenkbaren Räder 3, 4, 5, 6 steuerbar ist. An den angetriebenen Rädern 1, 2 sind zur Ermittlung relevanter Steuerdaten Radgeschwindigkeitssensoren 21, 22 angeordnet, die eine Detektion der jeweiligen Radgeschwindigkeit v₁ bzw. v₂ bzw. deren Drehzahl n₁ bzw. n₂ der angetriebenen Räder 1, 2 erlaubt. Der Antrieb selbst erfolgt beispielsweise über Hydraulikmotoren 31, 32, die den jeweils angetriebenen Rädern 1, 2 zugeordnet sind und den eigenständigen Antrieb des jeweiligen Rades 1, 2 erlauben. Über die Steuereinrichtung 8 kann direkt Zugriff auf die Antriebsmotoren 31, 32 genommen werden.
Die Steuereinrichtung 8 verfügt unter anderem über eine Schlupfdetektionseinrichtung 9, durch die, wie im Folgenden noch detailliert beschrieben, eine Detektion hinsichtlich des Vorliegens von Schlupf an wenigstens einem der angetriebenen Räder 1 bzw. 2 und insbesondere eine Plausibilitätskontrolle der detektierten Radgeschwindigkeiten v₁, v₂ der angetriebenen Räder 1, 2 bzw. damit direkt verbundener Parameter möglich ist.
Wie in 4 in Verbindung mit den 2 und 3 erläutert, erfolgt die Ermittlung des Lenkwinkels α₃ auf folgende Art und Weise:
In der Steuereinrichtung 8 bzw. einem zugeordneten entsprechenden Gerät sind für die Ermittlung des Lenkwinkels α₃ relevante Fahrzeugdaten der Maschine 10 hinterlegt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um die Spurweite b₁, den Umfang bzw. Radius der Räder 1, 2 und um den Achsstand a₁ der angetriebenen Räder 1 und 2 und des Satzes 12 lenkbarer Räder 3, 4.
Über die mit der Steuereinrichtung 8 verbundenen Radgeschwindigkeitssensoren 21, 22 werden während des Fahr- oder Arbeitsbetriebs der Maschine 10 die Raddrehzahl bzw. die Radgeschwindigkeit der angetriebenen Räder 1, 2 detektiert. Wie bereits eingangs erwähnt, können dabei die Radgeschwindigkeitssensoren solche Sensoren sein, die direkt die Geschwindigkeit der angetriebenen Räder 1, 2 ermitteln oder aber auch solche Sensoren sein, die die Raddrehzahl, also die Umdrehungsgeschwindigkeit ermitteln, woraus sich dann die Geschwindigkeit ermitteln lässt. Ein solches Vorgehen ist in 4 dargestellt.
Es wird also hier über die von den Radgeschwindigkeitssensoren 21, 22 ermittelten Umdrehungsgeschwindigkeiten n₁, n₂ und den bekannten Umfang U der Räder 1 und 2 in Kombination mit den in der Steuereinrichtung 8 hinterlegten Fahrzeugdaten die Geschwindigkeit v₁, v₂ der beiden angetriebenen Räder 1, 2 ermittelt.
Mittels dieser Geschwindigkeit können dann die Gierrate Ψ sowie der Kurvenradius r₁ des kurveninneren angetriebenen Rades 1 oder der Kurvenradius r₀ des Mittelpunktes des Abstandes zwischen dem innen liegenden Rad und dem außen liegenden Rad ermittelt werden.
Berücksichtigt man den Radius r₁ des innen liegenden Rades 1, liegen folgende Zusammenhänge vor:
Zur Berechnung des Kurvenradius r₀ der Fahrzeugmitte, auf welchem sich der Mittelpunkt des Abstandes zwischen dem innen liegenden Rad und dem außen liegenden Rad bewegt, sind folgende Zusammenhänge berücksichtigt:
wobei:

v₁: Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades;
v₂: Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades;
n₁: Drehzahl des kurveninneren angetriebenen Rades;
n₂: Drehzahl des kurvenäußeren angetriebenen Rades;
Ψ: Gierrate;
α₃: Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades;
r₁: Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades;
r₂: Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades;
a₁: Radstand;
b₁: Spurweite.

Wie in 2 dargestellt, steht der so ermittelte Kurvenradius r₁ des kurveninneren angetriebenen Rades 1 in direktem Zusammenhang mit dem Lenkwinkel α₃ und dem Radstand a₁, sodass sich der Lenkwinkel α₃ wie folgt ermitteln lässt:
Alternativ zu diesem Vorgehen lässt sich der Lenkwinkel α₃ auch über die geometrischen Zusammenhänge zwischen den inneren und äußeren Kurvenradien r₁, r₂ der inneren und äußeren angetriebenen Räder r₁, r₂ ermitteln. In einem solchen Fall erhält man den Lenkwinkel α₃ durch folgende Beziehungen:
wobei

v₁: Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades;
v₂: Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades;
n₁: Drehzahl des kurveninneren angetriebenen Rades;
n₂: Drehzahl des kurvenäußeren angetriebenen Rades;
Ψ: Gierrate;
α₃: Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades 3;
r₁: Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades 1;
r₂: Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades 2;
a₁: Radstand;
b₁: Spurweite.

Auch auf diese Weise ergibt sich der Lenkwinkel α₃ dann aus der Beziehung
Unter der Voraussetzung, dass an den angetriebenen Rädern 1, 2 kein Schlupf vorliegt, erhält man so auf sehr einfache Weise einen genauen Lenkwinkel α₃ der Maschine 10.
Die Auswirkung des Lenkvorganges auf die Geschwindigkeit v₁, v₂ der angetriebenen Räder 1, 2 bzw. auf die Drehzahl n₁ des Rades 1 und die Drehzahl n₂ des Rades 2 ist in 5 dargestellt.
Während sich die Maschine im Geradeaus-Lauf bewegt, also einem Zustand bei dem kein Lenkeinschlag α an den steuerbaren Rädern 3, 4, 5, 6 vorliegt, befinden sich die angetriebenen Räder 1, 2 im Gleichlauf. Die Umdrehungszahl n₁ bzw. n₂ der beiden Räder 1, 2 ist identisch. Sobald ein Lenkeinschlag über eine geeignete Stelleinrichtung initiiert wird, verändern sich geometrisch bedingt die Drehzahlen n₁, n₂ der beiden Räder 1, 2, wobei beim kurveninneren Rad 1 eine Drehzahlreduktion Δn₁ und beim kurvenäußeren Rad 2 eine Drehzahlerhöhung +Δn₂ stattfindet. Identisches gilt natürlich für die entsprechende Geschwindigkeitsänderung Δv.
In dem dargestellten Beispiel erfolgt zunächst ein Lenkeinschlag nach links, der für eine erste Lenkdauer t₁ beibehalten wird. Diese Lenkdauer t₁ hängt vom Lenkwinkel α ab. Je größer der Lenkwinkel α ist, umso kürzer ist die Lenkdauer t₁. Während des Lenkvorgangs dreht das kurveninnere Rad 1 mit einer Drehzahl n₁, die kleiner ist, als die Drehzahl n₂ des kurvenäußeren Rades 2. In dem dargestellten Beispiel nimmt die Drehzahl n₁ des kurveninneren Rades 1 während der Lenkdauer t₁ mit zunehmendem Lenkwinkel α zu und die Drehzahl n₂ des kurvenäußeren Rades 2 nimmt mit zunehmendem Lenkwinkel α in gleichem Maß ab. Zum Ende der Lenkdauer t₁ ist die Drehzahlverringerung –Δn₁ des kurveninneren Rades 1 betragsmäßig so groß wie die Drehzahlerhöhung +Δn₂ des kurvenäußeren Rades 2. Die in 5 dargestellte Steigung β₁ des Drehzahlverlaufs des kurveninneren Rades 1 entspricht somit mit umgekehrtem Vorzeichen der Steigung β₂ des Drehzahlverlaufs des kurvenäußeren Rades 2.
Dieser Vorgang wiederholt sich mit umgekehrten Vorzeichen, wenn der Lenkeinschlag mit einem negativen Lenkwinkel –α während einer weiteren Lenkdauer t₂ in die entgegengesetzte Richtung nach rechts erfolgt.
Es sind in 5 noch zwei weitere Lenkvorgänge beispielhaft dargestellt, die während einer dritten Zeitdauer t₃ und einer vierten Zeitdauer t₄ ausgeführt werden, wobei die dritte und vierte Zeitdauer kleiner sind als die erste und zweite Zeitdauer t₁ und t₂, und sich daher auch kleinere Drehzahlerhöhungen +Δn₁' bzw. Drehzahlerniedrigungen +Δn'₂ ergeben.
Wenn die Drehzahländerungen Δn₁, Δn₁' des kurveninneren Rades 1 und die Drehzahländerung Δn₂, Δn₂' des kurvenäußeren Rades 2 betragsmäßig bei einem Lenkeinschlag gleich sind, lässt sich daraus der zugehörige Lenkwinkel α ableiten und somit auf entsprechende Lenkwinkeleinschläge der lenkbaren Räder 3, 4, 5, 6 schließen.
Außerdem lässt sich anhand der Drehzahlen n₁ und n₂ bzw. n₃ und n₄ der Drehzahländerungen Δn₁, Δn₂ bzw. Δn₁', Δn₂' der beiden Räder 1, 2 ermitteln, ob ein Schlupf zwischen beiden Rädern 1, 2 vorliegt. Wenn wie im Beispiel der 5 die Drehzahländerungen Δn₁, Δn₂ bzw. Δn₁', Δn₂' der beiden Räder 1, 2 paarweise betragsmäßig gleich groß sind, liegt kein Schlupf vor. Weichen sie bei gleichem Lenkwinkel α paarweise betragsmäßig voneinander ab, ist ein Schlupf vorhanden.
In gleicher Weise lässt sich auch anhand der Steigungen β₁, β₂, β₁', β₂' der Drehzahlverläufe des kurveninneren Rades 1 und des kurvenäußeren Rades 2 feststellen, ob ein Schlupf zwischen beiden Rädern 1, 2 vorliegt. Wenn gemäß 5 die Steigungen β₁, β₂ bzw. β₁', β₂' paarweise gleich groß sind, ist kein Schlupf vorhanden. Eine Abweichung der beiden Steigungen β₁, β₂ bzw. β₁', β₂' voneinander bedeutet das Vorhandensein von Schlupf.
Für praktische Anwendungen ist es zweckmäßig, eine zulässige maximale Drehzahländerung ±Δn_max bei einem Lenkvorgang vorzusehen, die für beide Räder 1, 2 gilt, und welche für einen Lenkvorgang typisch ist. Bei dem Beispiel von 5 wird diese zulässige maximale Drehzahländerung ±Δn_max bei allen Lenkvorgängen nicht überschritten. Wird diese maximale Drehzahländerung Δn_max überschritten, bedeutet dies, dass die betreffende Räder 1, 2 durchdrehen. Ein typisches Beispiel gemäß 5 ist eine zulässige maximale Drehzahländerung ±Δn_max von 20%.
Der zulässigen maximalen Drehzahländerung ±Δn_max entspricht eine maximale Steigung. Alle Steigungen β₁, β₂ bzw. β₁', β₂' des Ausführungsbeispiels von 5 liegen demgemäß unterhalb der maximalen Steigung.
6 zeigt eine schematische Darstellung beim Vorwärtsbetrieb der Maschine 10 gemäß 2 in einem Zustand, in welchem Schlupf an den angetriebenen Rädern 1, 2 vorliegt. Obwohl sich die Maschine 10 hier im Geradeaus-Lauf befindet, der Lenkwinkel α also 0° beträgt, wird an den Rädern 1 und 2 über die Radgeschwindigkeitssensoren 21, 22 (3) in einem relativ kurzen ersten Zeitraum t₁S eine Radgeschwindigkeitsänderung bzw. eine erste Drehzahlverringerung –Δn₁S am kurveninneren Rad 1 und eine Drehzahlerhöhung +Δn₂S am kurvenäußeren Rad 2 festgestellt. Die Drehzahlerhöhung Δn₂S und die Drehzahlverringerung –Δn₁S liegen oberhalb bzw. unterhalb der zulässigen maximalen Drehzahländerungen ±Δn_max d. h. beide Räder 1, 2 drehen durch. In gleicher Weise sind die Steigungen βS₁, βS₂ steiler als die zulässige maximale Steigung, woraus ebenfalls abgeleitet werden kann, dass Schlupf vorliegt.
In einem relativ kurzen zweiten Zeitraum t₂S wird eine Drehzahlverringerung –Δn₂S' des kurvenäußeren Rades 2 und eine Drehzahlerhöhung +Δn₁S' am kurveninneren Rad 1 auf den Ausgangswert der Drehzahl ermittelt, wobei die zugehörigen Steigungen wiederum größer sind, als die zulässige maximale Steigung. Auch hier liegt also wieder Schlupf vor.
Auch bei den Drehzahländerungen +Δn₂S', –Δn₁S', welche innerhalb eines dritten und vierten Zeitraums t₃S bzw. t₄S erfolgen und welche kleiner sind als die zulässigen maximalen Drehzahländerungen ±Δn_max, sind bei dem Beispiel von 6 die Steigungen größer, als die zulässige maximale Steigung. Daher liegt auch hier Schlupf vor, obwohl die zulässigen maximalen Drehzahländerungen ±Δn_max nicht überschritten sind.
Ein Schlupf der Räder 1, 2 kann auch aus dem Umstand heraus ermittelt werden, dass die Zeit, innerhalb welcher eine vorgegebene Drehzahl erreicht wird, kürzer ist, als die Zeit, die bei einem üblichen Lenkvorgang zur Erreichung dieser Drehzahl benötigt wird. Wie die 6 im Vergleich zur 5 veranschaulicht, ist die erste Zeitdauer t₁S, in welcher die Drehzahländerung Δn₁' erfolgt, kürzer als eine zulässige minimale Zeitdauer tL_min, welche zum Erreichen der zulässigen maximalen Drehzahländerungen ±Δn_max nicht unterschritten werden darf (t₁S < tL_min).
In solchen Fällen kann dann in der Steuereinrichtung 8 ein positiver Schlupfindikator gesetzt werden. In diesem Fall wird bei der Ermittlung des Lenkwinkels α keine Änderung am bisher detektierten Lenkwinkel α vorgenommen.
Grundsätzlich wird erfindungsgemäß zur Schlupfdetektion bei der hier dargestellten Ausführungsform eine Plausibilitätskontrolle der detektierten Geschwindigkeiten v₁, v₂ bzw. damit zugeordneter Messwerte vorgenommen. Insbesondere wird bei dieser Plausibilitätskontrolle der Verlauf der Radgeschwindigkeiten v₁, v₂ ermittelt und/oder der Verlauf der Radgeschwindigkeitsdifferenz Δv und/oder damit direkt zusammenhängender Messwerte, und diese Werte mit einem der oben beschriebenen Schwellenwerte verglichen, wobei bei Unter- bzw. Überschreitungen eines der Schwellenwerte ein positiver Schlupfindikator gesetzt wird.
Ein solcher Verlaufsschwellenwert kann also beispielsweise die zulässige minimale Zeitdauer tL_min sein, innerhalb derer die gesamt detektierten Radgeschwindigkeitsänderungen bzw. Drehzahländerungen Δn erfolgen. Der zulässige minimale Zeitdauer tL_min ist bei der Ausführungsform, wie sie in 6 dargestellt ist, beispielsweise auf einen Wert von 1 Sek. gesetzt. Sobald also Drehzahländerungen Δn delektiert werden, die vollständig innerhalb der zulässigen minimalen Zeitdauer tL_min ablaufen, lässt dies auf Schlupf schließen und der Schlupfindikator kann positiv gesetzt werden.
Um eine fehlerfreie Ermittlung des Lenkwinkels zu garantieren, wird erfindungsgemäß also während des Verfahrens zur Lenkwinkelermittlung eine Schlupferkennung durchgeführt und der Wert für den detektierten Lenkwinkel nur dann korrigiert, wenn kein positiver Schlupfindikator gesetzt ist.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels (α₃) wenigstens eines lenkbaren Rades (3) eines Satzes (12) lenkbarer Räder (3; 4) einer richtungssteuerbaren Maschine (10), wobei die Maschine (10) wenigstens den Satz (12) lenkbarer Räder (3; 4) und wenigstens antreibbare Räder (1; 2) aufweist, die einen bestimmten Radstand (a₁) von den lenkbaren Rädern (3; 4) haben und mit einer bestimmten Spurweite (b₁) voneinander beabstandet sind, mit folgenden Schritten: – Detektion der Geschwindigkeit wenigstens zweier antreibbarer Räder (1; 2); – Ermittlung einer Geschwindigkeitsdifferenz (Δv) zwischen den Geschwindigkeiten (v₁; v₂) der beiden Räder (1; 2); – Ermittlung der Gierrate (Ψ) über den Zusammenhang
– Ermittlung des realen Kurvenradius (r₁) des kurveninneren angetriebenen Rades (1) über den Zusammenhang
– Ermittlung des Lenkwinkels (α₃) über den Zusammenhang
wobei v₁ Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades (1); v₂ Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); Ψ Gierrate; α₃ Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades (3); r₁ Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades (1); r₂ Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); a₁, Radstand; b₁ Spurweite.
Verfahren zur Ermittlung des Lenkwinkels (α₃) wenigstens eines lenkbaren Rades (3) eines Satzes (12) lenkbarer Räder einer richtungssteuerbaren Maschine (10), wobei die Maschine (10) wenigstens den Satz (12) lenkbarer Räder (3; 4) und wenigstens antreibbare Räder (1; 2) aufweist, die einen bestimmten Radstand (a₁) von den lenkbaren Rädern (3; 4) haben und mit einer bestimmten Spurweite (b₁) voneinander beabstandet sind, mit folgenden Schritten: – Detektion der Geschwindigkeit (v₁; v₂) oder eines damit direkt zusammenhängenden Messwertes, insbesondere der Drehzahl (n₁; n₂), wenigstens zweier antreibbarer Räder (1; 2); – Ermittlung des realen Kurvenradius (r₁) des kurveninneren angetriebenen Rades (1) über den Zusammenhang
– Ermittlung des Lenkwinkels (α₃) über den Zusammenhang α₃ = arctan
wobei v₁ Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades (1); v₂ Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); Ψ Gierrate; α₃ Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades (3); r₁ Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades (1); r₂ Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); a₁ Radstand; b₁ Spurweite.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlupfdetektion durchgeführt wird, um eine Fehlermittlung des Lenkwinkels (α₃) aufgrund des Vorliegens von Schlupf an wenigstens einem der angetriebenen Räder (1; 2) auszuschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schlupfdetektion eine Plausibilitätskontrolle der detektierten Radgeschwindigkeit (v₁; v₂) wenigstens eines der angetriebenen Räder (1; 2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plausibilitätskontrolle der Verlauf der Radgeschwindigkeit (v₁; v₂) wenigstens eines Rades (1; 2) und/oder der Verlauf der Radgeschwindigkeitsdifferenz (Δv) der zwei Räder (1; 2) und/oder damit direkt zusammenhängender Parameter ermittelt und mit einem Verlaufschwellenwert verglichen wird, wobei bei Unter- bzw. Überschreiten des Verlaufschwellenwertes ein positiver Schlupfindikator gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufschwellenwert eine maximal zulässige Änderung der Radgeschwindigkeit (v₁; v₂) und/oder Änderung der Radgeschwindigkeitsdifferenz (Δv) über den Plausibilitätszeitraum ist, und insbesondere eine maximal zulässige Änderung von 10%–30%, insbesondere 20% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsschwellenwert eine Radgeschwindigkeitsänderung eines Rades (1; 2) von ungefähr 0% bei einer detektierten Radgeschwindigkeitsänderung des anderen Rades (2; 1) von > 0% ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesetztem positivem Schlupfindikator der zuvor ermittelte oder gesetzte Wert des Lenkwinkels (α) beibehalten wird.
Vorrichtung zur Ermittlung des Lenkwinkels (α₃) wenigstens eines Rades (3) eines Satzes (12) lenkbarer Räder (3; 4) einer richtungssteuerbaren Maschine (10), wobei die Maschine (10) wenigstens den Satz (12) lenkbarer Räder (3; 4) und wenigstens antreibbare Räder (1; 2) aufweist, die einen bestimmten Radstand (a₁) von den lenkbaren Rädern (3; 4) haben und mit einer bestimmten Spurweite (b₁) voneinander beabstandet sind, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Mehrzahl an Radgeschwindigkeitssensoren (21; 22) zur Ermittlung der jeweiligen Radgeschwindigkeit (v₁; v₂) der antreibbaren Räder (1; 2), und eine Steuereinrichtung (8), die derart ausgebildet ist, dass sie die ermittelten Radgeschwindigkeiten (v₁; v₂) der antreibbaren Räder (1; 2) empfängt und daraus über wenigstens einen der folgenden Zusammenhänge den Lenkwinkel (α₃) des wenigstens einen lenkbaren Rades ermittelt:
v₁ Geschwindigkeit des kurveninneren angetriebenen Rades (1); v₂ Geschwindigkeit des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); Ψ Gierrate; α₃ Lenkwinkel des kurveninneren lenkbaren Rades (3); r₁ Kurvenradius des kurveninneren angetriebenen Rades (1); r₂ Kurvenradius des kurvenäußeren angetriebenen Rades (2); r₀ Kurvenradius des Mittelpunktes des Radabstandes des kurveninneren und des kurvenäußeren Rades (1, 2); a₁ Radstand; b₁ Spurweite.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) eine Schlupfdetektionseinrichtung (9) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass eine Plausibilitätskontrolle der detektierten Radgeschwindigkeiten (v₁; v₂) der angetriebenen Räder (1; 2) durchführbar ist, um eine Fehlermittlung des Lenkwinkels (α₃) aufgrund des Vorliegens von Schlupf an wenigstens einem angetriebenen Rad (1; 2) auszuschließen.