DE102019110750A1

DE102019110750A1 - System und verfahren zum steuern des kettenschlupfs

Info

Publication number: DE102019110750A1
Application number: DE102019110750.4A
Authority: DE
Inventors: Randall T. Anderson; Timothy A. Evans
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2019-11-07
Also published as: AU2019202430A1; US20190337386A1; US11046180B2

Abstract

Ein Verfahren, ein System und eine Maschine zum Steuern der Leistung eines Motors einer Maschine beinhaltet das Berechnen des Unterschieds zwischen einem gemessenen Kettenschlupf auf Basis der Kettengeschwindigkeit und der Fahrgeschwindigkeit und einem berechneten Soll-Kettenschlupf, der von der Kettengeschwindigkeit und dem Fahrgestellnickwinkel abhängt, Eingeben des Unterschieds in eine Steuerung, um eine Antriebsmotor-Drehmomentgrenze zu ermitteln, und Begrenzen des Motordrehmoments auf die Antriebsmotor-Drehmomentgrenze plus einem Lenksystem-Eingangsdrehmoment.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen selbstangetriebene Maschinen und insbesondere das Steuern die Motorleistung selbstangetriebener Maschinen während des Betriebs.
Stand der Technik
Beim Betreiben selbstangetriebener Maschinen, wie z. B. Raupentraktoren, insbesondere in lockerer Erde, kann die in die Erde eingreifende Kette ein Abscheren des Bodens verursachen, was zu Kettenschlupf führt. In einer solchen Situation bewirken die Räder, Zahnräder oder anderen Antriebsteile, die durch den Motor angetrieben werden, das Drehen der Kette mit einer höheren Geschwindigkeit als sich das Fahrgestell in Bezug auf den Boden bewegt. Ein solcher Kettenschlupf führt zu Energie- und Kraftstoffverlust sowie übermäßigem Verschleiß der Ketten. Fachkundige Benutzer können den Kettenschlupf ausgleichen, dies ist jedoch eine schwierig zu lernende Fähigkeit und erfordert erhebliche Erfahrung und mentale Konzentration. Insbesondere kann, sobald ein Benutzer bemerkt, dass die Kette rutscht, dieser bzw. diese das Fahrzeug verlangsamen und dadurch das vom Motor abgegebene Drehmoment verringern, um eine Überdrehung der Kette zu verhindern. Kettenschlupf tritt jedoch häufig auf, wenn die Maschine für ihren beabsichtigten Zweck verwendet wird und einer übermäßigen Last ausgesetzt ist, wie z. B. Planieren einer erheblichen Menge von Erde. In einem solchen Fall muss der Benutzer, um den Schlupf auszugleichen, sich auf die Last und den Schlupf gleichzeitig konzentrieren und die Maschine verlangsamen, während er trotzdem die Kontrolle über die Anbauteile der Maschine, wie z. B. ein Blatt oder eine Schaufel, behält. Der gleichzeitige Betrieb führt zu erheblicher mentaler und physischer Ermüdung für den fachkundigen Benutzer. Demgemäß ist es vorteilhaft, Kettenschlupf automatisch zu überwachen und zu verringern, um es einem Benutzer zu ermöglichen, Unterwagen- und Kettenverschleiß zu verringern, Kraftstoffersparnis zu erhöhen und Ermüdung des Benutzers zu verringern, indem dem Benutzer ermöglicht wird, sich vollständig auf die Aufgaben, wie z. B. die Steuerung des Blatts, zu konzentrieren.
US-Patent Nummer 5,287,280 mit dem Titel „Method and apparatus for controlling shoe slip of crawler vehicle“ offenbart ein Verfahren zum Verringern des Motors zum Steuern des Kettenschlupfs, sobald Kettenschlupf erkannt wird, durch Einstellen eines Abschaltmodus zum Verringern der Motorleistung eines Motors auf einen vorher festgelegten Wert. Dieses Patent berechnet jedoch keine dynamische Drehmomentgrenze, die Fahrgestellnickwinkel und Lenkpumpendrehmoment einbezieht. Demgemäß sind ein System und Verfahren nötig, um das dem Motor gelieferte Drehmoment auf Basis des Fahrgestellnickwinkels und der Einbeziehung des Lenkpumpendrehmoments kontinuierlich zu begrenzen.
Kurzdarstellung
Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung werden Verfahren zum Steuern eines Motordrehmoments einer Maschine mit einem Motor bereitgestellt, der anfänglich mit einem anfänglich abgegebenen Drehmoment betrieben wird. Die Verfahren beinhalten die Schritte des Berechnens eines ersten Soll-Kettenschlupfs aus einer Fahrgeschwindigkeit einer Zugvorrichtung der Maschine, des Berechnens eines Soll-Kettenschlupfs aus dem Unterschied zwischen der Kettengeschwindigkeit und einer Fahrgeschwindigkeit der Maschine, des Ermittelns einer gesamten Motordrehmomentgrenze auf Basis eines Unterschieds zwischen dem Ist-Kettenschlupf und dem Soll-Kettenschlupf und des Begrenzens des anfänglich abgegebenen Drehmoments auf die gesamte Motordrehmomentgrenze.
Gemäß anderen Ausführungsformen werden Systeme zum Steuern des Kettenschlupfs eines Raupentraktors mit kontinuierlichen Ketten und einem Motor, der anfänglich mit einem anfänglich abgegebenen Drehmoment betrieben wird, bereitgestellt. Die Systeme beinhalten einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, der ein Signal bereitstellt, das eine Kettengeschwindigkeit des Raupentraktors angibt, einen Fahrgestellnickwinkelsensor, der ein Signal bereitstellt, das einen Fahrgestellnickwinkel des Raupentraktors angibt, einen Fahrgeschwindigkeitssensor, der ein Signal bereitstellt, das eine Fahrgeschwindigkeit des Raupentraktors angibt, einen Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor, der ein Signal bereitstellt, das ein Lenksystem-Drehmoment des Raupentraktors angibt, und eine Steuerung, die mit dem Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, dem Fahrgestellnickwinkelsensor, dem Fahrgeschwindigkeitssensor, dem Drehmomentsensor, dem Motordrehzahlsensor, dem Lenkpumpensensor und dem Motor betriebsmäßig verbunden ist. Die Steuerung empfängt die Signale für die Kettengeschwindigkeit, den Fahrgestellnickwinkel, die Fahrgeschwindigkeit und das Lenksystemdrehmoment. Die Steuerung ist außerdem so konfiguriert, dass sie eine gesamte Motordrehmomentgrenze aus den empfangenen Signalen berechnet. Außerdem sendet die Steuerung ein Steuersignal zum Motor, das das anfänglich abgegebene Drehmoment auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzt.
Gemäß anderen Ausführungsformen werden außerdem Maschinen zum Durchführen von Arbeitsfunktionen bereitgestellt. Die Maschinen beinhalten mindestens eine Zugvorrichtung, die einen Boden berührt und sich um ein Fahrgestell der Maschine drehen kann, einen Motor, der in der Lage ist, ein abgegebenes Drehmoment zu produzieren, einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, der ein Signal produziert, das eine Kettengeschwindigkeit der mindestens einen Zugvorrichtung angibt, einen Fahrgeschwindigkeitssensor, der ein Signal produziert, das eine Fahrgeschwindigkeit der Maschine angibt, und eine Steuerung, die mit dem Motor, der mindestens einen Zugvorrichtung, dem Fahrgestellnickwinkelsensor und dem Fahrgeschwindigkeitssensor betriebsmäßig verbunden ist. Die Steuerung kann die vom Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor und vom Fahrgeschwindigkeitssensor produzierten Signale empfangen. Die Steuerung kann außerdem eine gesamte Motordrehmomentgrenze aus den empfangenen Signalen ermitteln. Außerdem kann die Steuerung ein Steuersignal zum Motor senden, das das abgegebene Drehmoment des Motors auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzt.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der Ausführungsformen mithilfe der beigefügten Zeichnungen offensichtlich. In den Zeichnungen gilt:

1 stellt eine exemplarische Raupentraktormaschine gemäß der Offenbarung dar;
2 zeigt eine Diagrammveranschaulichung eines Raupentraktor-Steuersystems für die Raupentraktormaschine von 1;
3 zeigt ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Begrenzen des abgegebenen Drehmoments des Motors auf Basis des Unterschieds zwischen Soll-Kettenschlupf und gemessenem Kettenschlupf veranschaulicht;
4 zeigt ein Diagramm, das exemplarische erste Soll-Kettenschlupfwerte auf Basis der gemessenen Kettengeschwindigkeit darstellt; und
5 zeigt ein Diagramm, das exemplarische zweite Soll-Kettenschlupfwerte auf Basis des gemessenen Fahrgestellnickwinkels darstellt.

Detaillierte Beschreibung
Bezugnehmend auf 1 ist eine vereinfachte Ansicht der exemplarischen mobilen Maschine 10 dargestellt. Die Maschine 10 beinhaltet mindestens eine Zugvorrichtung 12, wie z. B. eine Kette oder ein Rad, die den Boden berühren und die Maschine 10 lenken und/oder antreiben kann. Die Maschine 10 beinhaltet außerdem ein Fahrgestell 14, das die Zugvorrichtungen 12 am Rest der Maschine 10 befestigt. Das Fahrgestell 14 kann eine Kabine 15 beinhalten, in dem ein Benutzer sitzen und die Maschine 10 durch Lenkräder, Hebel oder andere Steuermechanismen betreiben kann. Die Maschine 10 kann mindestens ein Arbeitsgerät 16 haben, wie z. B. ein erdbewegendes Blatt oder eine Trennvorrichtung, das/die durch den Steuermechanismus betrieben und mittels des einen oder der mehreren Motoren oder Hydraulikzylinder zur Durchführung von Arbeitsgängen bewegt werden kann.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Maschine 10 ein Raupentraktor und die Zugvorrichtungen 12 sind ein Paar kontinuierliche oder endlose Ketten, die im Wesentlichen parallel und um den Rest der Maschine 10 drehbar sind. Eine Vielzahl von Zahnkränzen 18 sind mit den Ketten 12 verbunden oder verzahnt, um die Ketten 12 zu drehen, wenn Drehmoment durch einen Motor ausgeübt wird.
Auch wenn die veranschaulichte Maschine 10 ein Raupentraktor ist, ist selbstverständlich, dass die Maschine 10 andere Maschinen mit Ketten sein kann, wie z. B. ein Raupenlader-Bagger, Biomasse-Vollernter usw., oder Fahrzeuge mit Rädern, wie z. B. Bergwerkswagen, Lastkraftwagen für das Gelände und für die Straße, Radlader, Motor-Grader usw. Somit können die Zugvorrichtungen 12 Räder, eine Kombination aus Ketten und Rädern oder jedwede andere im Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Bewegen einer Maschine sein. Außerdem kann die Maschine 10 mehr als ein Paar kontinuierliche Ketten haben.
Wie in 2 dargestellt, kann die Maschine 10 einen Motor 20 und ein Getriebe 22, das den Motor 20 mit den Zugvorrichtungen 12 koppelt, beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform koppelt das Getriebe 22 den Motor 20 mit den Zugvorrichtungen 12 über die Zahnkränze 18. Es ist jedoch selbstverständlich, dass andere Konfigurationen enthalten sind. Wenn die Zugvorrichtungen 12 zum Beispiel Räder sind, kann es sein, dass keine Zahnkränze 18 verwendet werden.
Der Motor 20 liefert Leistung oder Drehmoment für die Zugvorrichtungen 12, um die Zugvorrichtungen 12 zu drehen und dadurch die Maschine 10 zu lenken und/oder anderweitig zu manövrieren. Der Betrieb der Zugvorrichtungen 12 und des mindestens einen Arbeitsgeräts 18 kann durch einen Benutzer mithilfe einer Vielzahl von Hebeln oder anderen Steuermechanismen gesteuert werden, die zumindest teilweise die Leistung des Motors 20 steuern können. Der Motor 20 kann jedweder Typ sein, der eine reduzierbare Drehmomentabgabe aufweist. In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Motor 20 elektronisch. Der Motor 20 kann jedoch eine Energiequelle sein, die nicht auf Verbrennung basiert, wie z. B. eine Brennstoffzelle, eine Energiespeichervorrichtung oder ein ähnlicher Mechanismus, oder der Motor 20 kann ein Verbrennungsmotor sein, wie z. B. ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein von gasförmigem Kraftstoff angetriebener Motor oder jedwede andere Art von Motor, wie für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich.
Der Motor 20 kann mit dem Getriebe 22 über eine direkte mechanische Kupplung, einen elektrischen oder hydraulischen Kreislauf oder auf jedwede andere geeignete Weise verbunden sein. Das Getriebe 22 kann, in einigen Ausführungsformen, einen Drehmomentwandler beinhalten, der mit dem Motor 20 antreibend verbunden ist. Das Getriebe 22 kann einen Strom von unter Druck stehendem Fluid produzieren, das zu einem Motor geleitet wird, der der mindestens einen Zugvorrichtung 12 zugeordnet ist, um die Bewegung davon anzutreiben. Alternativ könnte das Getriebe 22 einen Generator beinhalten, der so konfiguriert ist, dass er einen elektrischen Strom produziert, der verwendet wird, um einen Elektromotor anzutreiben, der irgendeinem oder allen der Zugvorrichtungen 12, einer mechanischen Getriebevorrichtung oder jedwedem anderen geeigneten Mittel, das im Stand der Technik bekannt ist, zugeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Ausgang des Getriebes 22 der Eingang in ein Differenziallenkgetriebegehäuse 24 sein, das wiederum die Zugvorrichtungen 12 dreht. Das Differenziallenkgetriebegehäuse 24 kann die Zugvorrichtungen 12 über Antriebswellen drehen, die das Getriebegehäuse 24 und die Zugvorrichtungen 12 oder Zahnkränze 18 verbinden.
Die Maschine kann ferner ein Lenksystem 26 beinhalten, das mit dem Motor 20 verbunden ist. Das Lenksystem 26 wird durch den Motor 20 angetrieben oder anderweitig betrieben, um eine Kraft oder ein Drehmoment zu produzieren, die/das in der Lage ist, die Maschine 10 zu lenken (z. B. die Maschine 10 nach rechts oder links lenken). Das Lenksystem 26 kann durch das abgegebene Drehmoment des Motors 20 angetrieben oder anderweitig betrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform lenkt das Lenksystem 26 die Maschine durch Abgeben von Drehmoment zu einer oder mehreren Zugvorrichtungen 12. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Lenksystem 26 durch den Motor 20 angetrieben, um eine Lenksystem-Drehausgabe für das Differenziallenkgetriebegehäuse 24 bereitzustellen, das zusammen mit der Ausgabe des Getriebes 22 die Zugvorrichtungen 12 dreht.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Maschine 10 zusätzlich ein Steuersystem 28 in Kommunikation mit Komponenten der Maschine 10 und des Motors 20 beinhalten, um den Betrieb der Maschine 10 zu überwachen und zu beeinflussen. Das Steuersystem 28 kann mindestens einen Fahrgeschwindigkeitssensor 30, mindestens einen Fahrgestellnickwinkelsensor 32, einen Getriebe-Ausgangsdrehzahlsensor 34, einen Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36, einen Motordrehzahlsensor 38 und mindestens einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 beinhalten. Die Maschine 10 kann ferner eine Steuerung 42 beinhalten, die mit dem mindestens einen Fahrgeschwindigkeitssensor 30, dem mindestens einen Fahrgestellnickwinkelsensor 32, dem Getriebe-Ausgangsdrehzahlsensor 34, dem Lenksystem-Eingangsgeschwindigkeitssensor 36, dem Motordrehzahlsensor 38, dem mindestens einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40, dem Motor 20 und einer Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 betriebsmäßig und kommunikativ verbunden ist. Wie nachfolgend erklärt, kann die Steuerung 42 Eingangssignale von den Sensoren empfangen, um eine gesamte Motordrehmomentgrenze zu berechnen, und dann ein Steuersignal zum Motor 20 senden, um die Drehmomentabgabe so zu begrenzen, dass der Kettenschlupf ausgeglichen wird. Der mindestens eine Fahrgeschwindigkeitssensor 30 kann verwendet werden, um die Fahrgeschwindigkeit (Vg) oder das gesamte Tempo oder die gesamte Geschwindigkeit der Maschine 10 in Bezug auf den Boden zu ermitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fahrgeschwindigkeitssensor 30 ein elektronischer Empfänger, der die Fahrgeschwindigkeit durch Überwachen der Position der Maschine 10 im Zeitverlauf mithilfe globaler Positionsbestimmungssysteme („GPS“) und Filtern der Zeit- und Positionsbestimmungsdaten mit einem Beschleunigungsmesser ermittelt. Durch Berechnen der Fahrgeschwindigkeit auf diese Weise kann die absolute Geschwindigkeit der Maschine 10 in Bezug auf den Boden genau angenähert werden, während gleichzeitig jegliche potenzielle Änderungen bei der Höhe berücksichtigt werden. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Fahrgeschwindigkeit durch jedwede geeignete Mittel ermittelt werden kann. Der Fahrgeschwindigkeitssensor 30 kann zum Beispiel ein elektronischer Empfänger sein oder einen solchen beinhalten, der mit einem lokalen Funk- oder Laserübertragungssystem kommuniziert, um einen relativen Ort und die Geschwindigkeit selbst zu ermitteln, ein Empfänger, der eine relative 3D-Position und Geschwindigkeit aus Funk- oder Lasersignalen von mehreren Orten trianguliert, ein bodenabtastendes Radarsystem zum Ermitteln der Fahrgeschwindigkeit der Maschine 10, eine Inertialreferenzeinheit (IRU), ein Positionssensor, der der Zugvorrichtung 12 zugeordnet ist, oder jedwede andere bekannte Lokalisierungs- und Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung, die verwendet werden kann, um Positionsinformationen zu empfangen oder zu ermitteln, die einer Maschine zugeordnet sind. Ein Signal, das diese Fahrgeschwindigkeit oder, alternativ, die Positions- und Zeitrohdaten angibt, kann vom Geschwindigkeitssensor 30 zur Steuerung 42 über ihre Kommunikationsverbindung kommuniziert werden. Auch wenn der Fahrgeschwindigkeitssensor 30 als an den Zugvorrichtungen 12 angebracht oder in deren Nähe befindlich darstellt ist, kann der Fahrgeschwindigkeitssensor 30 an jedwedem geeigneten Ort an der Maschine 10 sein.
Der mindestens eine Fahrgestellnickwinkelsensor 32 kann einen Fahrgestellnickwinkel messen, der den Nick- oder Ausrichtungswinkel des vorderen Endes der Maschine 10 in Bezug auf das hintere Ende darstellt, was dem Oberflächengefälle entspricht, das die Maschine 10 durchquert. Der Fahrgestellnickwinkelsensor 32 befindet sich bevorzugt am Fahrgestell 14 der Maschine 10, kann sich jedoch an jedweder stabilen Fläche der Maschine 10 befinden. In einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Fahrgestellnickwinkelsensor 32 den Fahrgestellnickwinkel mithilfe einer Inertialmesseinheit (IMU) durch Messen der Längsbeschleunigung und Nickrate des Motors 10. Es ist jedoch selbstverständlich, dass der Fahrgestellnickwinkel durch andere Mittel berechnet werden kann. Der Fahrgestellnickwinkelsensor 32 kann zum Beispiel ein Neigungsmesser-Gyroskop, eine Wasserwaage, mehrere GPS-Geräte, die sich an verschiedenen Orten an der Maschine 10 befinden, oder jedwedes andere im Stand der Technik bekannte Instrument, entweder getrennt oder in Kombination sein und/oder beinhalten. Ein Signal, das diesen Fahrgestellnickwinkel angibt, kann vom Fahrgestellnickwinkelsensor 32 zur Steuerung 42 über ihre Kommunikationsverbindung kommuniziert werden.
Der Getriebe-Ausgangsdrehzahlsensor 34 kann dem Getriebe 22 betriebsmäßig zugeordnet sein, um die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 22 direkt zu messen. Es wird erwägt, dass alternative Techniken für das Ermitteln der Ausgangsdrehzahl implementiert werden können, wie z. B. Überwachen verschiedener Parameter des Raupentraktors 10 und in Reaktion das Ermitteln eines Werts der Ausgangsdrehzahl vom Getriebe 22 oder Überwachen eines Drehzahlbefehls, der zum Getriebe 22 gesendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Getriebe-Ausgangsdrehzahlsensor 34 zur Steuerung 42 ein Signal senden, das die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 22 angibt. Jedoch werden auch andere Ausführungsformen erwägt. Die Motordrehzahl, die Drehmomentwandler-Ausgangsdrehzahl, die Getriebe-Ausgangsdrehzahl und andere Parameter können zum Beispiel verwendet werden, wie im Stand der Technik allgemein bekannt, um die Ausgangsdrehzahl vom Getriebe 22 zu berechnen, die dann als ein Signal zur Steuerung 42 gesendet werden kann.
Der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 kann das Eingangsdrehmoment, das nötig ist, damit das Lenksystem 26 die Lenkleistung der Maschine 10 aufrechterhält messen oder anderweitig ermitteln. Der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 kann am Lenksystem 26 montiert sein, um das Lenksystem-Eingangsdrehmoment zu messen. Alternativ kann der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 ein Drucksensor sein, der zusammen mit dem befehligten Pumpendruck verwendet wird, um das erforderliche Lenksystem-Eingangsdrehmoment zu berechnen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 einen Dehnungsmesssensor, einen piezoresistiven Drucksensor oder jedwede andere Art von Druckmessvorrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist, verkörpern. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 mit der Steuerung 42 kommunizieren, die Benutzersteuerungseingangssignale von den Steuermechanismen in der Kabine 15 empfängt, um den Lenksystembefehl, der zur Aufrechterhaltung der aktuellen Lenkleistung erforderlich ist, dynamisch zu ermitteln. Der Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 kann ein Signal senden, dass der Steuerung 42 das Lenksystem-Eingangsdrehmoment über eine zugehörige Kommunikationsverbindung angibt.
Der Motordrehzahlsensor 38 kann dem Motor 20 betriebsmäßig zugeordnet sein, um die Drehzahl oder Leistung des Motors 20 zu erkennen. In einer exemplarischen Ausführungsform kann der Motordrehzahlsensor 38 die Drehungen pro Minute (U/min) einer Ausgangswelle oder Nockenwelle messen. In einer bevorzugten Ausführungsform, die auf der Betriebsdrehzahl des Motors 20 basiert, kann der Motordrehzahlsensor 38 das maximal verfügbare abgegebene Drehmoment für den Motor 20 bei einer bestimmten Drehzahl berechnen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Motordrehzahlsensor 38 das maximal verfügbare abgegebene Drehmoment des Motors 20 aus Basis von vorher festgelegten Berechnungen der maximalen Drehmomentmenge, die der Motor 20 bei bestimmten Betriebsdrehzahlen produzieren kann. Ein Signal, das das maximal verfügbare abgegebene Drehmoment des Motors 20 oder, alternativ, die Betriebsdrehzahl-Rohdaten des Motors 20 angibt, kann vom Motordrehzahlsensor 38 zur Steuerung 42 über ihre Kommunikationsverbindung kommuniziert werden.
Der Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 kann verwendet werden, um die Dreh- oder Kettengeschwindigkeit (Vt) der Zugvorrichtungen 12 zu ermitteln. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kettengeschwindigkeit durch Überwachen des Ausgangs des Getriebes 22 berechnet und als durchschnittliche Kettengeschwindigkeit genommen. Der Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 kann zum Beispiel einen Drehgeschwindigkeitssensor haben, der sich am Ausgang des Getriebes 22 befindet, um die Drehgeschwindigkeit der Zahnkränze 18 zu messen, wenn die Drehgeschwindigkeit aller Zahnkränze 18 gleich ist, was dadurch zum Berechnen der Kettengeschwindigkeit verwendet werden kann. Alternativ kann, wenn die Zugvorrichtungen 12 Räder sind, sich der Drehgeschwindigkeitssensor direkt am Rad befinden. Die Kettengeschwindigkeit Vt kann außerdem aus einer Getriebeeingangs- oder -ausgangsdrehzahl berechnet werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermittelt der Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 die durchschnittliche Dreh- oder Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtungen 12 über einen Zeitraum. Außerdem können mehrere Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensoren 40 verwendet werden. Es kann zum Beispiel ein Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 an jeder Kette oder jedem Rad der Maschine 10 verwendet werden. Ein Signal, das diese Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtungen angibt, kann von jedem der Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensoren 38 zur Steuerung 42 über ihre Kommunikationsverbindung kommuniziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Maschine 10 einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 für jede Zugvorrichtung 12 oder ein einzelner Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 ist in der Lage, die Kettengeschwindigkeit für jede Zugvorrichtung 12 zu ermitteln. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensoren 40 am Getriebe 22 und am Lenksystem 26 platziert und können die Ausgangsdrehzahlen messen. Das Getriebe 22 und das Lenksystem 26 können an dem Differenzial-Planetengetriebegehäuse 24 angebracht sein, das eine linke und eine rechte Antriebswelle aufweist. Die linken und rechten Antriebswellen sind durch die Zahnkränze 18 verbunden, die die linken bzw. rechten Zugvorrichtungen 12 drehen. Durch Messen der Ausgangsdrehzahlen des Getriebes 22 und Lenksystems 26, während die Betriebsfaktoren des Getriebegehäuses 24 und der Antriebswellen bekannt sind, kann die Kettengeschwindigkeit jeder Zugvorrichtung 12 unabhängig ermittelt werden. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erhöht das Lenksystem 26 die Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtung 12 um dieselbe Menge, um die es die Kettengeschwindigkeit der anderen Zugvorrichtung 12 verringert. Die Verwendung der Ausgangsdrehzahl des Getriebes 22 und anschließendes Skalieren der Menge durch die korrekten Verhältnisse in Bezug auf das Lenksystem 26 kann dem Nehmen der durchschnittlichen Kettengeschwindigkeiten der linken und rechten Zugvorrichtungen 12 gleichwertig sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Maschine 10 eine Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 mit einem Anzeigeabschnitt, der es einem Benutzer ermöglicht, die Maschine 10 zu überwachen, und einem Benutzerabschnitt, der es einem Benutzer ermöglicht, Funktionen der Maschine 10 zu steuern. Der Anzeigeabschnitt der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 kann eine grafische Anzeige beinhalten, um den Status und/oder die Leistung der Maschine 10 oder Systeme oder Komponenten davon für den Bediener widerzuspiegeln. Die Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 kann eines von einer Flüssigkristallanzeige, einem CRT, einem PDA, einer Plasmaanzeige, einem Touchscreen, einem Monitor, einem tragbaren Handgerät oder jedwede andere Anzeige sein, die im Stand der Technik bekannt ist. Der Benutzerabschnitt der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 kann ferner Eingaben beinhalten, mit denen ein Benutzer die Maschine 10 steuern kann. Der Benutzerabschnitt kann eine Tastatur, ein Lenkrad, einen Joystick, eine Maus, einen Touchscreen, eine Spracherkennungsvorrichtung oder jedwedes andere Eingabegerät, das im Stand der Technik bekannt ist, umfassen, die es einem Bediener ermöglicht, mit der Steuerung 42 zu interagieren. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 in der Kabine 15 angeordnet, beinhaltet die Benutzersteuerungsmechanismen und ist durch einen Benutzer während der Verwendung der Maschine 10 betreibbar. Außerdem kann, wie nachfolgend beschrieben, die Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 es dem Benutzer ermöglichen, die Einstellungen der Maschine 10 anzupassen, um den gesamten Soll-Kettenschlupfwert zu erhöhen oder zu verringern.
Die Steuerung 42 ist mit der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 verbunden, sodass ein Benutzer einen Betriebsmodus mithilfe der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 auswählen kann. Der Benutzer kann zum Beispiel auf der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 einen Fahrmodus entsprechend den Einstellungen der Steuerung 42 auswählen, der einen konservativeren oder aggressiveren Betrieb bereitstellt. Außerdem kann, wenn die Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 die Steuermechanismen beinhaltet, die Steuerung 42 dann den Betrieb des Motors 20 und der zugehörigen Antriebsstrangkomponenten entsprechend beeinflussen, damit diese der angeforderten Manipulation entsprechen. Wenn die Steuerung 42 Signale in Verbindung mit den Rohdatenwerten der Fahrgeschwindigkeit, des Fahrgestellnickwinkels, der Ausgangsdrehzahl des Getriebes 22, des Lenksystem-Eingangsdrehmoments und der Kettengeschwindigkeit empfängt, kann die Steuerung 42 die Signale analysieren, um die entsprechenden Werte zu berechnen oder anderweitig zu ermitteln. Die Steuerung 42 ist außerdem mit dem Motor 20 steuerbar verbunden und kann das abgegebene Drehmoment des Motors 20 auf eine gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzen oder anderweitig verringern, die sie, wie nachfolgend beschrieben, ermitteln kann.
Die Steuerung 42 kann geeignete Hardware und Software zum Durchführen einer solchen Analyse oder zum Steuern der Maschine 10 beinhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerung 42 einen Prozessor und einen computerlesbaren Speicher beinhalten, die durch einen Bus verbunden sind. Der Prozessor 70 kann irgendeiner einer Reihe bekannter Computerprozessorarchitekturen sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Einzelchip-Prozessoren oder herkömmliche Computerarchitekturen. Der computerlesbare Speicher kann jedwede Kombination aus flüchtigem und nicht-flüchtigem Speicher sein, einschließlich drehbaren Medien, Flash-Speicher, herkömmlichem RAM, ROM oder anderer nicht flüchtiger programmierbarer Speicher, beinhaltet jedoch keine Trägerwellen oder andere propagierte Medien. Die Steuerung 42 kann außerdem einen Kommunikationsport beinhalten, der Unterstützung für die Kommunikation mit externen Vorrichtungen bereitstellt, wie z. B. ein Motorcomputer oder Funk für die Kommunikation mit einem externen System über ein Netzwerk.
Im Betrieb stellt der Motor 20 ein abgegebenes Drehmoment bereit, das die Zugvorrichtungen 12 dreht und dadurch die Maschine 10 antreibt, was, für Raupentraktoren, durch Aufwenden von Kraft auf oder anderweitiges Bewegen von Material unter der Maschine 10 bewirkt wird. Für Raupentraktoren sind die Ketten 12 kontinuierlich und im Allgemeinen in Form einer horizontal länglichen Schleife und haben vertikale Elemente, die sich von der Außenfläche der Kette nach außen erstrecken. Wenn sich die Ketten drehen, ziehen die vertikalen Elemente am oberflächenberühenden Abschnitt der Ketten 12 auf dem Boden nach hinten und treiben dadurch die Maschine 10 nach vorne. Für radbasierte Maschinen drehen sich die Räder, und die Reibung zwischen dem Boden und den Rädern treibt die Maschine 10 nach vorne.
Aufgrund einer Reihe von Faktoren, wie z. B. Bodenzusammensetzung und axiale Last, die auf die Maschine 10 wirkt, können sich die Drehvorrichtungen 12 schneller drehen als sich die Maschine 10 nach vorne bewegt, was zu Kettenschlupf oder Kettenrutschen führt. Während des Kettenschlupfs haben die Drehvorrichtungen 12 eine Drehkettengeschwindigkeit, die größer ist als die Fahrgeschwindigkeit des Fahrgestells 14. In bestimmten Umständen kann der Kettenschlupf dazu führen, dass Zugvorrichtungen 12 außer Kontrolle geraten oder sich drehen, während das Fahrgestell 14 und die Maschine 10 allgemein sich nicht oder nicht so schnell wie gewünscht bewegen. In solchen Situationen liefert, sofern nicht manuell durch einen Benutzer angepasst, der Motor 20 weiterhin denselben Grad an Drehmoment für die Zugvorrichtungen 12, auch wenn sich das Fahrgestell 14 nicht mit einer gewünschten Geschwindigkeit bewegt. Die zusätzliche Leistung des Motors 20 und die Drehung der Ketten 12 führen zu Kraftstoffverschwendung und können zu Schäden am Unterwagen der Maschine 10 und den Drehvorrichtungen 12 führen.
Kettenschlupf tritt im Allgemeinen auf, wenn seitliche Vorwärtskräfte, die durch die Zugvorrichtungen 12 erzeugt werden, und der Boden nicht ausreichen, um die Maschine 10 die Fläche entlang nach vorne zu treiben. Kettenschlupf ist normalerweise das Ergebnis der Bodenzusammensetzung (z. B. wenn die Erde zu lose ist, damit die Zugvorrichtungen 12 in sie eingreifen und nachfolgend die Maschine nach vorne treiben können) oder einer schweren Last, die auf die Maschine 10 wirkt (z. B. das Blatt einer Planierraupe drückt einen schweren Dreckhaufen). Kettenschlupf tritt außerdem wahrscheinlicher auf, wenn die Maschine 10 sich bergauf bewegt, da weniger Gravitationsnormalkraft auf die Maschine wirkt. Gravitationsnormalkraft trägt dazu bei, die Traktion zwischen der Maschine 10 und dem Boden aufrechtzuerhalten.
Bezugnehmend auf 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens 100 zum Begrenzen oder anderweitiges Steuern des Drehmoments oder der Leistung des Motors 20 veranschaulicht, um Kettenschlupf zu minimieren und zu verhindern, und diese kann mit dem System von 1 implementiert werden.
Wie in Kasten 102 dargestellt, werden die Eingangswerte ermittelt. Werte für Kettengeschwindigkeit, Fahrgeschwindigkeit und Fahrgestellnickwinkel werden berechnet oder anderweitig ermittelt. In einem bevorzugten Verfahren wird die Kettengeschwindigkeit durch den Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 gemessen oder anderweitig berechnet, die Fahrgeschwindigkeit wird durch den Fahrgeschwindigkeitssensor 30 berechnet und der Fahrgestellnickwinkel wird durch den Fahrgestellnickwinkelsensor 32 berechnet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Eingangswert für das Lenksystemdrehmoment durch den Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 ermittelt. In noch einer bevorzugten Ausführungsform werden die Eingangswerte für die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 22 durch den Getriebe-Ausgangsdrehmomentsensor 34 ermittelt.
In einer exemplarischen Ausführungsform werden die ermittelten Eingangswerte durch die jeweiligen Sensoren berechnet und zur Steuerung 42 als Signale gesendet, die die entsprechenden Werte angeben. Wie zuvor beschrieben, können jedoch die Rohdaten für die Werte durch die jeweiligen Sensoren gemessen, zur Steuerung 42 als Signale gesendet werden, die die Eingangsrohwerte angeben, und die Eingangswerte können nachfolgend durch die Steuerung 42 berechnet oder ermittelt werden.
In Schritten 104 und 106 werden die ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfwerte ermittelt. Die ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfwerte werden aus der Kettengeschwindigkeit bzw. dem Fahrgestellnickwinkel berechnet bzw. anderweitig ermittelt. Der erste Soll-Kettenschlupf ist die Soll- oder Zielmenge des Kettenschlupfs, den die Maschine 10 auf Basis der gemessenen Kettengeschwindigkeit haben sollte. Der zweite Soll-Kettenschlupf ist die Soll- oder Zielmenge des Kettenschlupfs, den die Maschine 10 auf Basis des gemessenen Fahrgestellnickwinkels haben sollte.
In einem bevorzugten Verfahren empfängt die Steuerung 42 ein Signal von dem mindestens einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40, das die Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtung 12 enthält, und ein Signal vom Fahrgestellnickwinkelsensor 32, das den Fahrgestellnickwinkel der Maschine 10 enthält. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Steuerung 42 Rohdaten vom Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 und Fahrgestellnickwinkelsensor 32 empfangen und dann die Kettengeschwindigkeit und den Fahrgestellnickwinkel berechnen kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vergleicht die Steuerung 42 die Kettengeschwindigkeit mit einem ersten Algorithmus oder einem vorher festgelegten Diagramm oder Graphen, um den ersten Soll-Kettenschlupf zu ermitteln, und sie vergleicht den Fahrgestellnickwinkel mit einem zweiten ersten Algorithmus oder einem vorher festgelegten Diagramm oder Graphen, um den entsprechenden zweiten Soll-Kettenschlupf zu ermitteln.
In Schritt 104 wird der erste Kettenschlupf durch die Steuerung 42 durch Ermitteln eines Soll-Kettenschlupfs für die Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtungen 12, die durch den Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40 gemessen wird, auf Basis eines ersten Algorithmus oder einem vorher festgelegten Diagramm oder Graphen berechnet oder anderweitig ermittelt. Die Steuerung 42 berechnet entweder den ersten Soll-Kettenschlupf durch Eingeben der Kettengeschwindigkeit in einen ersten Algorithmus oder ermittelt den ersten Soll-Kettenschlupf durch Finden des entsprechenden Soll-Kettenschlupfs in einem ersten Diagramm oder Graphen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Soll-Kettenschlupfwert durch Ermitteln eines Soll-Kettenschlupfs in Verbindung mit der gemessenen Kettengeschwindigkeit auf einem ersten vorher festgelegten Diagramm oder Graphen ermittelt. Wie in 4 dargestellt, kann, in einer exemplarischen Ausführungsform, das erste Diagramm so eingestellt werden, dass der berechnete erste Soll-Kettenschlupf für geringe Kettengeschwindigkeiten hoch ist, sich nach einer Kurve auf die Umkehrung der Kettengeschwindigkeit erheblich verringert oder zurückgeht, und dann bei höheren Geschwindigkeiten ein minimaler Wert bzw. eine Wertuntergrenze ist. Da die Kettengeschwindigkeit der Nenner der Ist-Schlupfberechnung ist, verhindert ein solches erstes Diagramm oder ein solcher erster Algorithmus einen großen Unterschied zwischen dem Ist-Schlupf und dem ersten Soll-Kettenschlupf bei niedrigeren Kettengeschwindigkeiten. Die Korrelation der Regression des ersten Soll-Kettenschlupfs auf die Umkehrung der Kettengeschwindigkeit nähert eine konstante lineare Soll-Kettenschlupfmenge für die Maschine 10 an.
Zurückkehrend zu 3 wird in Schritt 106 der zweite Soll-Kettenschlupf durch die Steuerung 42 durch Ermitteln eines Soll-Kettenschlupfs für den Fahrgestellnickwinkel des Fahrgestells 14, der durch den Fahrgestellnickwinkelsensor 32 gemessen wird, auf Basis eines zweiten Algorithmus oder einem vorher festgelegten Diagramm oder Graphen berechnet oder anderweitig ermittelt. Der zweite Soll-Kettenschlupf kann sich mit gemessenen Änderungen für den Fahrgestellnickwinkel unterscheiden und ist nicht auf vorher festgelegte Werte für bestimmte Bereiche des Fahrgestellnickwinkels eingestellt. Die Steuerung 42 berechnet entweder den zweiten Soll-Kettenschlupf durch Eingeben des Fahrgestellnickwinkels in einen zweiten Algorithmus oder ermittelt den zweiten Soll-Kettenschlupf durch Finden des entsprechenden Soll-Kettenschlupfs in einem zweiten Diagramm oder Graphen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Soll-Kettenschlupfwert durch Ermitteln eines Soll-Kettenschlupfs in Verbindung mit dem gemessenen Fahrgestellnickwinkel auf einem zweiten vorher festgelegten Diagramm oder Graphen ermittelt. Wie in 5 dargestellt, kann, in einer exemplarischen Ausführungsform, das zweite Diagramm so eingestellt sein, dass der zweite Soll-Kettenschlupf bei einem minimalen Wert oder einer Wertuntergrenze liegt, wenn der gemessene Fahrgestellnickwinkel klein ist, und wenn der Fahrgestellnickwinkel groß ist, was angibt, dass sich die Maschine 10 eine Steigung hoch bewegt, ist der zweite Soll-Kettenschlupfwert sehr hoch. Wie nachfolgend beschrieben, ist, durch Drängen des zweiten Soll-Kettenschlupfs auf einen hohen Wert, wenn der Fahrgestellnickwinkel über einem Schwellenwert liegt, der gesamte Soll-Kettenschlupf hoch, wenn die Maschine 10 bergauf fährt, und die Drehmomentabgabe des Motor wird nicht unnötig verringert. Außerdem ist, wenn der Fahrgestellnickwinkel angibt, dass die Maschine 10 bergab fährt (z. B. der Fahrgestellnickwinkel ist negativ), der zweite Soll-Kettenschlupf der minimale Wert oder die Wertuntergrenze.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat der zweite Soll-Kettenschlupf einen minimalen Wert für einen Fahrgestellnickwinkel von etwa 10 %. Der zweite Soll-Kettenschlupf erhöht sich dann linear für Erhöhungen des Fahrgestellnickwinkels bis zu einem Fahrgestellnickwinkel von etwa 20 %, wo der entsprechende zweite Soll-Kettenschlupfwert etwa 100 % ist. Der zweite Soll-Kettenschlupf erhöht sich dann weiter linear für Erhöhungen des Fahrgestellnickwinkels bis zu einem Fahrgestellnickwinkel von etwa 30 %, wo der entsprechende zweite Soll-Kettenschlupfwert etwa 150 % ist.
Exemplarische Diagramme, die zum Berechnen der ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe verwendet werden, sind in 4 bzw. 5 dargestellt. In einer exemplarischen Ausführungsform haben die ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe einen maximalen Wert zwischen etwa 130 % und 170 %, wie z. B. zwischen etwa 140 % und 160 %, wie z. B. etwa 150 %, und einen minimalen Wert zwischen 0 % und 40 %, wie z. B. zwischen etwa 10 % und 30 %, wie z. B. etwa 20 %.
Zurückkehrend zu 3 wird in Schritt 108 ein vollständiger oder gesamter Soll-Kettenschlupf ermittelt. Der gesamte Soll-Kettenschlupf wird durch die Steuerung 42 auf Basis der ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe berechnet oder sonst ermittelt. In einem bevorzugten Verfahren wird der vollständige Soll-Kettenschlupf als der größere der ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe berechnet. Demgemäß ist der gesamte Soll-Kettenschlupf größer, wenn entweder die Kettengeschwindigkeit gering ist (wenn der erste Soll-Kettenschlupf hoch ist) oder der Fahrgestellnickwinkel hoch ist (wenn der zweite Soll-Kettenschlupf hoch ist).
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der vollständige Soll-Kettenschlupf durch einen Benutzer, entweder direkt oder indirekt, angepasst werden. Ein Benutzer kann zum Beispiel einen Betriebsmodus auf der Bedienerschnittstellenvorrichtung 44 auswählen, der dem Standardbetrieb, einem konservativen Betrieb mit geringeren Soll-Kettenschlupfen, einem aggressiven Betrieb mit höheren Soll-Kettenschlupfen oder irgendeiner Reihe anderer Einstellungen entspricht.
Auch wenn der vollständige Kettenschlupf als auf Basis der ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe ermittelt beschrieben wurde, werden andere Ausführungsformen erwägt. Der vollständige Soll-Kettenschlupf kann zum Beispiel nur aus einem der ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfe ermittelt werden. Außerdem kann der vollständige Soll-Kettenschlupf auf Basis von Soll-Kettenschlupfen neben den ersten und zweiten Soll-Kettenschlupfen ermittelt werden. Der vollständige Soll-Kettenschlupf kann zum Beispiel aus einem oder mehreren Soll-Kettenschlupfen auf Basis eines gemessenen Gewichts einer Last, die auf die Maschine 10 wirkt, oder der Dichte und/oder Konsistenz der Bodenfläche ermittelt werden, und dieser kann mit ersten und/oder zweiten Soll-Kettenschlupfen in jedweder Variation oder Kombination davon verwendet werden.
In Schritt 110 wird der gemessene oder Ist-Kettenschlupf ermittelt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Ist-Kettenschlupf mithilfe der Kettengeschwindigkeit (Vt) der Zugvorrichtungen 12 und der Fahrgeschwindigkeit (Vg) berechnet. Der Ist-Kettenschlupf (S) ist das Verhältnis des Unterschieds zwischen der Kettengeschwindigkeit (Vt) und der Fahrgeschwindigkeit (Vg) gegenüber der Kettengeschwindigkeit (Vt), die durch folgende Gleichung dargestellt wird: $S = \frac{V t - V g}{V t} .$
Demgemäß ist, wenn die Zugvorrichtungen 12 nicht rutschen, die Kettengeschwindigkeit gleich der Fahrgeschwindigkeit und der Ist-Schlupf ist null, und wenn die Zugvorrichtungen 12 ein vollständiges Rutschen erfahren, ist die Fahrgeschwindigkeit null und der Ist-Schlupf ist eins. Außerdem ist, da der Ist-Schlupf als ein Verhältnis des Kettenschlupfs berechnet wird, für denselben Unterschied zwischen Kettengeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeit der Ist-Schlupf größer, wenn die Kettengeschwindigkeit größer ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform empfängt die Steuerung 42 ein Signal vom Fahrgeschwindigkeitssensor 30, das die Fahrgeschwindigkeit enthält, und ein Signal vom Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor 40, das die Kettengeschwindigkeit enthält, und berechnet den Ist-Schlupf.
In Schritt 112 wird der Schlupffehler berechnet. Der Kettenschlupffehler ist der Unterschied zwischen dem gesamten Soll-Kettenschlupf und dem gemessenen Kettenschlupf und er kann verwendet werden, um die Leistung des Motors 20 zu begrenzen. Der Schlupffehler ermittelt auf Basis der beobachteten Kettengeschwindigkeit und des Fahrgestellnickwinkels, ob der gemessene oder Ist-Kettenschlupf der Maschine 10 innerhalb des gesamten Soll-Kettenschlupfs ist oder diesen übersteigt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schlupffehler als der gesamte Soll-Kettenschlupf minus dem gemessenen Schlupf berechnet. Wie nachfolgend beschrieben, kann, wenn der gemessene Schlupf unter dem gesamten Soll-Kettenschlupf ist, das anfänglich abgegebene Drehmoment des Motors 12 auf dem anfänglichen Niveau bleiben. Wenn der gemessene Schlupf jedoch den gesamten Soll-Kettenschlupf übersteigt, wird das abgegebene Drehmoment des Motors 20 begrenzt, um unnötigen Schlupf zu verhindern.
Wie zuvor erörtert, ist der gemessene Schlupf für denselben linearen Geschwindigkeitsschlupf größer, wenn die Kettengeschwindigkeit gering ist. Außerdem tritt Kettenschlupf häufig auf, wenn sich die Maschine 10 bergauf bewegt, da die Menge der Gravitationsnormalkraft, die auf die Maschine 10 wirkt, verringert ist. Der Kettenschlupf, der auftritt, wenn sich die Maschine 10 bergauf bewegt, ist jedoch im Allgemeinen nötig, um ausreichend Kraft zu produzieren, um die Maschine 10 anzutreiben. Demgemäß verhindert das Ermitteln eines hohen gesamten Soll-Kettenschlupfs, wenn entweder die Kettengeschwindigkeit gering ist oder der Fahrgestellnickwinkel hoch ist, dass der gemessene Kettenschlupf größer ist als der gesamte Soll-Kettenschlupf. Wie nachfolgend erklärt, wird dadurch verhindert, dass die Leistung des Motors 20 durch die Steuerung 42 unnötig begrenzt wird.
Als Nächstes wird, wie in Schritt 114 dargestellt, eine endgültige oder gesamte Motordrehmomentgrenze berechnet. Die Grenze für das gesamte vom Motor abgegebene Drehmoment wird durch die Steuerung 42 auf Basis der empfangenen Eingaben oder Signale berechnet oder anderweitig ermittelt. Die gesamte Motordrehmomentgrenze, die durch die Steuerung 42 ermittelt wird, entspricht dem maximalen Drehmoment, das der Motor 20 ausgeben kann, sodass die Kettengeschwindigkeit der Zugvorrichtungen 12 fast der Fahrgeschwindigkeit des Fahrgestells 14 entsprechen würde, da eine gewisse Menge Kettenschlupf nötig ist, um die Maschine 10 zu bewegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform berechnet die Steuerung 42 zuerst eine Antriebsmotor-Drehmomentgrenze aus dem Kettenschlupffehler und der vorherigen Antriebsdrehmomentgrenze, um ein maximales abgegebenes Drehmoment des Motors 20 zu ermitteln, das der jeweils geringeren Drehmomentmenge entspricht, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass der Ist-Kettenschlupf größer ist als der gesamte Soll-Kettenschlupf. Je höher der berechnete Schlupffehler, desto geringer wäre die Antriebsmotor-Drehmomentgrenze. Wenn die Steuerung 42 ermittelt, dass kein Kettenschlupf vorhanden ist oder dass der Ist-Kettenschlupf innerhalb des gesamten Soll-Kettenschlupfs liegt, wäre die Antriebsmotor-Drehmomentgrenze im Wesentlichen bei oder über der Betriebsleistung des Motors minus dem Drehmoment, das für die Lenkung erforderlich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Antriebsmotor-Drehmomentgrenze durch die Steuerung 42 berechnet und auf Basis des Schlupffehlers und einer voreingestellten integralen Steuerverstärkung ermittelt, die ermittelt, wie aggressiv oder stabil das System sein wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die integrale Steuerverstärkung ein konstanter Wert, der die Menge der Änderung der Motordrehmomentgrenze pro Schlupffehler darstellt. Die integrale Steuerverstärkung kann jedoch auf Basis einer Reihe von Faktoren, wie z. B. dem Getriebedrehmoment, variieren. In einer exemplarischen Ausführungsform wird die integrale Steuerverstärkung mit dem Fehlersignal multipliziert, um zu ermitteln, wie stark die Drehmomentgrenze für jeden Schritt nach oben oder unten geht.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Lenksystemdrehmoment, das durch den Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 gemessen wird, zur Antriebsmotorgrenze hinzugefügt, um die gesamte Motordrehmomentgrenze zu berechnen oder anderweitig zu ermitteln. Das Lenksystemdrehmoment ist die Drehmomentmenge, die durch den Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor 36 als nötig berechnet wird, um die Maschine 10 angemessen zu lenken (z. B. die Maschine 10 nach links oder rechts zu lenken). Da das Lenksystemdrehmoment nach Berechnung der Antriebsmotor-Drehmomentgrenze in die gesamte Motordrehmomentgrenze einbezogen wird, kann die resultierende Motordrehmomentgrenze jeglichen Bedarf berücksichtigen, der durch Lenken oder sonstiges Manövrieren der Maschine 10 verursacht wird.
Außerdem kann die endgültige Motordrehmomentgrenze andere Faktoren oder Vorgänge berücksichtigen, die Drehmoment vom Motor 20 nutzen. Wenn das Arbeitsgerät 18 oder eine Pumpe, die das Arbeitsgerät 18 betreibt, zum Beispiel Drehmoment vom Motor 12 nutzt, kann das Drehmoment, das für das Betreiben des Arbeitsgeräts 18 nötig ist, zur Antriebsmotor-Drehmomentgrenze und zum Lenkpumpendrehmoment hinzugefügt werden, um die endgültige Motordrehmomentgrenze zu ermitteln.
Und schließlich, wie in Schritt 116 dargestellt, wird das abgegebene Drehmoment des Motors 20 begrenzt. Das anfänglich abgegebene Drehmoment des Motors 20 wird durch die Steuerung 42 auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzt oder verringert. Nach Berechnen der gesamten Motordrehmomentgrenze sendet die Steuerung 42 ein Steuersignal zum Motor 20, das das maximal abgegebene Drehmoment des Motors 20 auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzt. Infolgedessen wird, wenn der gemessene Kettenschlupf größer war als der gesamte Soll-Kettenschlupf, der Motor 20 kein überschüssiges Drehmoment mehr ausgeben, die Zugvorrichtungen 12 drehen sich langsamer und der Kettenschlupf wird verringert.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Offenbarung ist anwendbar auf eine Maschine 10, wie z. B. einen Raupentraktor, und insbesondere auf das automatische Steuern oder sonstige Anpassen der Leistung bei Motorsteuersystemen allgemein und insbesondere auf das automatische Anpassen der Drehmomentgrenze des Motors 20 der Maschine 10, um Ketten- oder Radrutschen zu verringern. Wenn die Zugvorrichtungen 12 (Ketten oder Räder) der Maschine 10 nicht ausreichend in den Boden greifen und genug Kraft bereitstellen, um die Maschine 10 nach vorne zu treiben, drehen sich die Zugvorrichtungen 12, ohne dass die Maschine 10 so schnell wie gewünscht nach vorne getrieben wird, was zu geringerer Kraftstoffersparnis und Schäden am Unterwagen der Maschine 10 führen kann. Statt die Maschine 10 manuell zu verlangsamen, insbesondere wenn ein Bediener gleichzeitig Arbeitsgeräte 18 unter eine Last steuert, kann das System an Bord der Maschine 10 das anfänglich abgegebene Drehmoment des Motors 20 verringern, um Kettenrutschen zu verringern.
Das offenbarte Verfahren und System erlaubt eine kontinuierliche Anpassung der Drehmomentabgabe des Motors 20, sodass minimaler Kraftstoff durch Kettenrutschen verschwendet wird und es zu weniger Schäden am Unterwagen der Maschine 10 kommt. Außerdem ist, wenn die Maschine 10 bergauf fährt, trotz des Ist- oder gemessenen Schlupfs, der gesamte Soll-Kettenschlupf ausreichend hoch, sodass das abgegebene Drehmoment des Motors 20 nicht unnötig verringert wird. Außerdem bezieht das Verfahren und System das Drehmoment, das nötig ist, um die Maschine 10 zu lenken, und andere Bedarfe ein, sodass der Betrieb und die Leistung der Maschine 10 nicht unverhältnismäßig behindert werden.
Kettenrutschen tritt auf, wenn die Zugvorrichtung 12 der Maschine 10 sich mit einer schnelleren Rate dreht oder anderweitig bewegt, als sich die Maschine 10 bewegt. Sofern dies nicht ausgeglichen wird, fährt der Motor 20 dann mit der Abgabe von Drehmoment mit derselben Rate fort, was zu Kraftstoffverschwendung führt, da die Motorleistung nicht genutzt wird. Außerdem, da sich die Zugvorrichtungen 12 immer noch drehen, ohne dass sich die Maschine 10 so schnell wie gewünscht bewegt, erhöht der Kettenschlupf Verschleiß am Unterwagen der Maschine 10 und den Zugvorrichtungen 12. Durch Überwachen der Kettengeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeit Vg, um Kettenrutschen zu verhindern, kann die Kraftstoffersparnis erhöht und Verschleiß am Unterwagen der Maschine 10 und den Zugvorrichtungen verringert werden. Bisher bekannte Verfahren zum Verringern von Kettenschlupf beinhalteten, dass ein Benutzer die Motorleistung manuell verringert, wie z. B. durch Steuern eines Hebels an der Maschine 10, wenn der Benutzer beobachtete, dass sich die Zugvorrichtungen 12 schneller drehten, als sich die Maschine 10 bewegte. Der manuelle Ausgleich des Kettenschlupfs ist jedoch eine schwierig zu lernende Fähigkeit und erfordert erhebliche Erfahrung und mentale Konzentration. Durch das automatische Messen der Kettengeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeit, um die Menge des Kettenschlupfs zu ermitteln, und das Einbeziehen des gesamten Drehmomentbedarfs an den Motor 20, um die gesamte Motordrehmomentgrenze zu ermitteln, kann Kettenschlupf verringert werden, ohne dass ein Benutzer das Motordrehmoment manuell verringert. Das automatische Anpassen des Drehmoments des Motors 20 ermöglicht es weniger erfahrenen Benutzern, die Maschine 10 ohne Kettenschlupf zu betreiben, verringert Ermüdung des Benutzers beim Betreiben der Maschine 10 und erhöht die Benutzerfreundlichkeit der Maschine 10.
Außerdem ist Kettenschlupf häufiger, wenn sich die Maschine 10 bergauf bewegt, da die Menge der Gravitationsnormalkraft, die auf die Maschine 10 wirkt, verringert ist. Der Kettenschlupf, der auftritt, wenn die Maschine 10 auf einer Steigung nach oben fährt, ist im Allgemeinen nötig, da jedwede Verringerung der Motorleistung zur Verringerung der Kettengeschwindigkeit in solchen Situationen den Betrieb der Maschine 10 schwieriger machen oder sogar verhindern könnte, dass sich die Maschine 10 die Steigung hinauf bewegt. Durch Ermitteln eines großen gesamten Soll-Kettenschlupfs, wie jedwede mögliche Ist-Kettenschlupfberechnung, wenn die Maschine 10 eine ausreichend steile Steigung nach oben fährt, die durch einen gemessenen Fahrgestellnickwinkel ermittelt wird, berechnet die Steuerung 42 eine hohe gesamte Motordrehmomentgrenze, die die Motorleistung nicht behindert. Daher kann, durch Einstellen des Soll-Kettenschlupfs auf einen hohen Wert, wenn die Maschine 10 eine steile Steigung durchquert, der Motor 20 weiterhin genug Drehmoment abgeben, um die Maschine 10 die Steigung hinauf zu treiben.
Es ist offensichtlich, dass die vorhergehende Beschreibung Beispiele des offenbarten Systems und der Technik bereitstellt. Es ist jedoch denkbar, dass andere Implementierungen der Offenbarung im Detail von den vorhergehenden Beispielen abweichen können. Alle Bezugnahmen auf die Offenbarung oder auf Beispiele davon sollen auf das jeweils an dieser Stelle beschriebene Beispiel Bezug nehmen und sollen keine Begrenzung des allgemeinen Umfangs der Offenbarung implizieren. Jeglicher Ausdruck von Unterscheidung und Herabsetzung in Bezug auf bestimmte Merkmale soll auf keine Bevorzugung dieser Merkmale hinweisen, diese jedoch nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, soweit dies nicht anderweitig angegeben ist.
Die Angabe von Wertebereichen soll, sofern hierin nicht anderweitig angegeben, lediglich als eine Kurzschreibweise für die Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, dienen, zudem ist jeder einzelne Wert in die Beschreibung aufgenommen, als ob er einzeln aufgeführt wäre. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, sofern nichts anderes angegeben ist oder der Zusammenhang nicht eindeutig etwas Anderes besagt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5287280 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Motordrehmoments einer Maschine mit einem Motor, der anfänglich mit einem anfänglichen Ausgangsdrehmoment betrieben wird, das Verfahren umfassend: Berechnen eines Soll-Kettenschlupfs aus einer Kettengeschwindigkeit einer Zugvorrichtung der Maschine; Berechnen eines Soll-Kettenschlupfs aus dem Unterschied zwischen der Kettengeschwindigkeit und einer Fahrgeschwindigkeit der Maschine; Ermitteln einer gesamten Motordrehmomentgrenze auf Basis eines Unterschieds zwischen dem Ist-Kettenschlupf und dem Soll-Kettenschlupf; und Begrenzen des anfänglichen Ausgangsdrehmoments auf die gesamte Motordrehmomentgrenze.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fahrgeschwindigkeit von einem GPS berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Berechnen eines zweiten Soll-Kettenschlupfs aus einem Fahrgestellnickwinkel der Maschine.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gesamte Motordrehmomentgrenze außerdem auf einem Unterschied zwischen dem Ist-Kettenschlupf und dem zweiten Soll-Kettenschlupf basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gesamte Motordrehmomentgrenze auf einem Unterschied zwischen dem Ist-Kettenschlupf und dem größeren des Soll-Kettenschlupfs und dem zweiten Soll-Kettenschlupf basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das anfängliche Ausgangsdrehmoment sich nicht verringert, wenn der Fahrgestellnickwinkel über 20 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gesamte Motordrehmomentgrenze die Kombination aus einem Lenksystem-Eingangsdrehmoment und einer Antriebsmotor-Drehmomentgrenze ist, die aus einem Unterschied zwischen dem Ist-Kettenschlupf und dem größeren des Soll-Kettenschlupfs und dem zweiten Soll-Kettenschlupf ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antriebsmotor-Drehmomentgrenze ferner aus einer integralen Steuerverstärkung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Soll-Kettenschlupf bei geringen Kettengeschwindigkeiten am höchsten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Soll-Kettenschlupf sich bei Erhöhungen der Kettengeschwindigkeit verringert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Soll-Kettenschlupf immer höher ist als der Soll-Kettenschlupf, wenn der Fahrgestellnickwinkel mindestens 30 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gesamte Motordrehmomentgrenze jedwede Drehmomentmenge zwischen null und einem maximalen Drehmoment des Motors sein kann.
System zum Steuern des Kettenschlupfs eines Raupentraktors mit durchgehenden Ketten und einem Motor, der anfänglich bei einem anfänglichen Ausgangsdrehmoment betrieben wird, das System umfassend: einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, der ein Signal bereitstellt, das eine Kettengeschwindigkeit des Raupentraktors angibt; einen Fahrgeschwindigkeitssensor, der ein Signal bereitstellt, das eine Fahrgeschwindigkeit des Raupentraktors angibt; einen Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor, der ein Signal bereitstellt, das ein Lenksystem-Drehmoment des Raupentraktors angibt; und eine Steuerung, die mit dem Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, dem Fahrgeschwindigkeitssensor, dem Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor und dem Motor betriebsmäßig verbunden ist; wobei die Steuerung die Signale für die Kettengeschwindigkeit, die Fahrgeschwindigkeit und das Lenksystem-Drehmoment empfängt, wobei die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie eine gesamte Motordrehmomentgrenze aus den empfangenen Signalen berechnet, und wobei die Steuerung ein Steuersignal zum Motor sendet, das das anfängliche Ausgangsdrehmoment auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzt.
System nach Anspruch 13, wobei der Fahrgeschwindigkeitssensor eine Fahrgeschwindigkeit mithilfe eines GPS ermittelt.
System nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Fahrgestellnickwinkelsensor, der ein Signal bereitstellt, das einen Fahrgestellnickwinkel des Raupentraktors angibt; und wobei die Steuerung außerdem mit dem Fahrgestellnickwinkelsensor betriebsmäßig verbunden ist.
System nach Anspruch 13, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie eine Antriebsmotor-Drehmomentgrenze aus den empfangenen Kettengeschwindigkeits-, Fahrgestellnickwinkel- und Fahrgeschwindigkeitssignalen berechnet.
Maschine zum Durchführen einer Arbeitsfunktion, die Maschine umfassend: mindestens eine Zugvorrichtung, die einen Boden berührt und sich um ein Fahrgestell der Maschine drehen kann; einen Motor, der in der Lage ist, ein Ausgangsdrehmoment zu produzieren; einen Fahrgestellnickwinkelsensor, der ein Signal produziert, das einen Fahrgestellnickwinkel der Maschine angibt; einen Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor, der ein Signal produziert, das eine Kettengeschwindigkeit der mindestens einen Zugvorrichtung angibt; einen Fahrgeschwindigkeitssensor, der ein Signal produziert, das eine Fahrgeschwindigkeit der Maschine angibt; einen Steuerung, die mit dem Motor, der mindestens einen Zugvorrichtung, dem Fahrgestellnickwinkelsensor und dem Fahrgeschwindigkeitssensor betriebsmäßig verbunden ist; wobei die Steuerung die Signale empfangen kann, die durch den Fahrgestellnickwinkelsensor, den Zugvorrichtung-Geschwindigkeitssensor und den Fahrgeschwindigkeitssensor produziert werden, die Steuerung eine gesamte Motordrehmomentgrenze aus den empfangenen Signalen ermitteln kann und die Steuerung ein Steuersignal zum Motor senden kann, das das Ausgangsdrehmoment des Motors auf die gesamte Motordrehmomentgrenze begrenzen kann.
Maschine nach Anspruch 17, wobei die Maschine ferner einen Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor umfasst, der in der Lage ist, ein Signal zu produzieren, das ein Lenksystem-Eingangsdrehmoment angibt, und der mit der Steuerung betriebsmäßig verbunden ist, wobei die Steuerung das Signal, das durch den Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor produziert wird, empfangen und ferner die gesamte Motordrehmomentgrenze aus dem Signal, das durch den Lenksystem-Eingangsdrehmomentsensor produziert wird, ermitteln kann.
Maschine 17, wobei der Fahrgeschwindigkeitssensor die Fahrgeschwindigkeit durch GPS ermittelt.
Maschine nach Anspruch 18, wobei die Steuerung die gesamte Motordrehmomentgrenze aus einem Unterschied zwischen dem gesamten Soll-Kettenschlupf, der aus den Fahrgestellnickwinkel- und Kettengeschwindigkeitssignalen ermittelt wird, und einem Ist-Kettenschlupf, der aus der Kettengeschwindigkeit und Fahrgeschwindigkeitssignalen ermittelt wird, ermittelt.