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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Maschinensystem und insbesondere ein Maschinensystem mit tätigkeitsabhängigen Wirtschaftlichkeitsbetriebsmodi.
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Hintergrund
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Fahrbare Maschinen wie Radlader, Bulldozer, Motorgrader und andere Arten von Schwermaschinen werden für eine Reihe von Arbeitstätigkeiten eingesetzt. Um diese Arbeitstätigkeiten auszuführen, weisen die Maschinen üblicherweise eine Hauptantriebseinheit wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine auf, die zum Vorwärtstreiben der Maschine mit Traktionseinrichtungen der Maschine gekoppelt ist. Die Hauptantriebseinheit kann auch zum Antreiben eines an die Maschine angebrachten Arbeitswerkzeugs zugeschaltet werden.
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Eine Maschinenbauart ist als Maschine mit „hoher Leerlaufdrehzahl” bekannt. Während des Betriebs einer Maschine mit hoher Leerlaufdrehzahl ist die Motorleistung der Hauptantriebseinheit normalerweise so hoch eingestellt, dass sie dazu ausreicht, schnell diejenige maximale Leistung zu erzeugen, die von den Traktionseinrichtungen und dem Arbeitswerkzeug gefordert werden könnte. D. h., um sicherzustellen, dass die Maschine eine ausreichende Motorleistung hat, um die Maschine und das Arbeitswerkzeug unter allen Bedingungen zu bewegen, wird die Hauptantriebseinheit auf eine maximale Motorleistung eingestellt (d. h. Drehzahl, Drehmoment oder eine Kombination von Drehzahl und Drehmoment), auch wenn die von der Maschine aktuell durchgeführte Arbeitstätigkeit eine geringere Leistung von der Hauptantriebseinheit erfordert. Diese hohe Motorleistung kann unwirtschaftlich sein und zu unnötig hohem Kraftstoffverbrauch, Rauhigkeit der Maschine, übermäßigen Abgasemissionen und lauten Motorgeräuschen führen.
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Eine Möglichkeit, den unnötigen Kraftstoffverbrauch, die übermäßigen Abgasemissionen und das Motorgeräusch, das mit einer Maschine, die mit hoher Leerlaufdrehzahl läuft, verknüpft ist, zu reduzieren, ist in dem
US Patent Nr. 4,955,344 (das Patent '344) offenbart, das für Tatsumi et al. am 11. September 1990 erteilt wurde. Das Patent '344 offenbart eine Baumaschine mit einem Motor und einer Hydraulikpumpe, die zum Antreiben eines Aktuators eingesetzt wird. In einem Ausführungsbeispiel weist die Maschine drei Betriebsmodi auf: einen Modus „Power” (Hochleistungsbetriebsmodus), einen Modus „Economy” (Wirtschaftlichkeitsbetriebsmodus) und einen Modus „Light” (Niedrigleistungsbetriebsmodus). In dem Modus „Power” ist die maximale Pumpenverdrängung entsprechend einem Betriebsbereich für „Bewegen mit hoher Last” oder „schwerer Aushubvorgang” auf einen kleineren Wert eingestellt und der Verbrennungsmotor wird in einem hohen Drehzahlbereich betrieben. In dem Modus „Economy” ist die maximale Pumpenverdrängung entsprechend einem Betriebsbereich für „Bewegen mit geringer Last” oder „leichter Aushubvorgang” auf einen größeren Wert eingestellt und die maximale Drehzahl des Verbrennungsmotors ist auf eine Drehzahl beschränkt, die geringer ist als die Drehzahl in dem Modus „Power”. In dem Modus „Light” ist die maximale Verdrängung der Hydraulikpumpe entsprechend einem Bereich, in welchem der Verbrennungsmotor genau geregelt werden muss, auf den gleichen Wert wie im Modus „Light” eingestellt, jedoch ist die Motordrehzahl auf eine viel niedrigere Drehzahl begrenzt. Diese Auswahl an maximaler Pumpenverdrängung und Motordrehzahl ermöglicht es, dass die Baumaschine mit der gewählten optimalen Motordrehzahl und der gewählten optimalen Leistung, die von der Pumpe aufgenommen wird, betrieben werden kann, wodurch der Kraftstoffverbrauch verringert und auch das Motorgeräusch reduziert wird.
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Obwohl die Baumaschine des Patents
'344 den Kraftstoffwirkungsgrad, die Abgase und das Motorgeräusch verbessern mag, indem die Betriebsmodi „Economy” und „Light” bereitgestellt werden, kann sie u. U. noch verbesserungsfähig sein. Insbesondere kann die Maschine sogar innerhalb der Betriebsmodi „Economy” und „Light” zum Ausführen von Arbeitstätigkeiten eingesetzt werden, die weniger als die durch den ausgewählten Modus bereitgestellte maximale Motorleistung erfordern. Wenn ein Betrieb in dem Modus „Economy” erfolgt, erfordert beispielsweise die Arbeitstätigkeit „Abladen” weniger Motorleistung als die Arbeitstätigkeit „Erde ausheben”. Obwohl die maximal verfügbare Leistung des Verbrennungsmotors während des Betriebs im Modus „Economy” geringer ist als die maximal verfügbare Leistung des Verbrennungsmotors während des Betriebs im Modus „Power”, kann die Arbeitstätigkeit „Abladen” dem Verbrennungsmotor immer noch weit weniger abfordern als im Modus „Economy” verfügbar ist. Diese verfügbare Überschussleistung kann zu unnötigem Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen und Motorgeräusch führen. Und wenn der Modus „Economy” weit genug abgesenkt wird, so dass der Kraftstoffverbrauch, die Abgasemissionen und das Motorgeräusch durch die in diesem Modus verfügbare Leistung im Wesentlichen unbeeinflusst sind, mag die verfügbare Leistung für einige eine hohe Leistung erfordernde Arbeitstätigkeiten, die für diese Baumaschine vorgesehen sind, ungenügend sein.
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Das offenbarte Maschinensystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der zuvor erläuterten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Maschinensteuerungssystem gerichtet. Das Steuerungssystem kann eine Antriebsquelle, eine Bedienereingabeeinrichtung, ein Arbeitswerkzeug und eine Steuerung beinhalten, die mit der Antriebsquelle und der Bedienereingabeeinrichtung in Kommunikationsverbindung ist und mehrere auswählbare Antriebsquellenbetriebsmodi enthält. Die Bedienereingabeeinrichtung kann dazu ausgestaltet sein, ein Signal zu erzeugen, das einen gewünschten Betriebsmodus der Antriebsquelle angibt, wobei wenigstens einer der mehreren auswählbaren Antriebsquellenbetriebsmodi einen Betriebsmodus „Economy” enthält. Arbeitswerkzeug kann von der Antriebsquelle zum Ausführen einer Arbeitstätigkeit angetrieben werden. Eine Pumpe wird von der Antriebsquelle zum Druckbeaufschlagen eines Fluids und zum Bewegen des Arbeitswerkzeugs angetrieben wird, Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, eine aktuell ausgeführte Arbeitstätigkeit des Arbeitswerkzeugs als Hochleistungs-Arbeitstätigkeit oder Niedrigleistungs-Arbeitstätigkeit zu klassifizieren. Wenn das Bedienereingabeeinrichtungssignal den Betriebsmodus „Economy” angibt, kann die Steuerung dazu ausgebildet sein, die Höchstdrehzahleinstellung und die Förderleistung der Pumpe zu erhöhen, wenn die aktuell ausgeführte Arbeitstätigkeit als Hochleistungs-Arbeitstätigkeit klassifiziert ist, und die Höchstdrehzahleinstellung und die Förderleistung der Pumpe zu verringern, wenn die aktuell ausgeführte Arbeitstätigkeit als Niedrigleistungs-Arbeitstätigkeit klassifiziert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine gerichtet. Das Verfahren kann das Erzeugen einer Leistung, die mit einer maximalen Druckfluidströmungsrate verknüpft ist, und das Zuführen der Leistung zum Ausführen einer Arbeitstätigkeit beinhalten. Das Verfahren kann auch das Empfangen einer Eingabe, die einen gewünschten Leistungserzeugungsmodus „Economy” angibt, und das Klassifizieren einer aktuell ausgeführten Arbeitstätigkeit als Hochleistungs-Arbeitstätigkeit oder Niedrigleistungs-Arbeitstätigkeit aufweisen. Wenn die Eingabe den Leistungserzeugungsmodus „Economy” angibt, kann die das Verfahren das Verringern der Leistungserzeugung und der maximalen Druckfluidströmungsrate aufweisen, wenn die gerade ausgeführte Arbeitstätigkeit als Niedrigleistungs-Arbeitstätigkeit klassifiziert ist, und das Erhöhen der Leistungserzeugung und der maximalen Druckfluidströmungsrate aufweisen, wenn die gerade ausgeführte Arbeitstätigkeit als Hochleistungs-Arbeitstätigkeit klassifiziert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaft offenbarten Maschine,
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2 ist eine schematische und veranschaulichende Darstellung eines beispielhaft offenbarten Steuerungssystems zur Verwendung mit der Maschine der 1, und
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3 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Betriebsweise des in der 2 dargestellten Steuerungssystems zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Maschine 10. Die Maschine 10 kann eine fahrbare Maschine sein, die irgendeine Tätigkeit ausführt, die in einer Industrie wie beispielsweise Bergbau, Baugewerbe, Landwirtschaft oder irgendeine andere im Stand der Technik bekannte Industrie vorkommt. Beispielsweise kann die Maschine 10 eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Radlader, ein Bagger, ein Löffelbagger, ein Motorgrader oder irgendeine andere geeignete und eine Tätigkeit ausführende Maschine. Die Maschine 10 kann einen Getriebezug 11, zumindest eine Traktionseinrichtung 14, ein Arbeitswerkzeug 32 und einen Bedienerstand 20 enthalten.
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Wie in der 2 gezeigt, kann der Getriebezug 11 eine Antriebsquelle 12, einen Drehmomentwandler 18 und ein Getriebe 16 enthalten. Diese Komponenten können zum Antreiben der Maschine 10 zusammenarbeiten. Der Getriebezug 11 oder eines oder mehrere von dessen Bauteilen können auch dazu eingesetzt sein, Leistung bereitzustellen, so dass das Arbeitswerkzeug 32 betrieben werden kann.
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Die Antriebsquelle 12 kann als Verbrennungsmotor ausgeführt sein, wie beispielsweise als Dieselmotor, Benzinmotor, mit gasförmigem Kraftstoff angetriebener Motor (beispielsweise ein Erdgasmotor) oder irgendeine andere Art von Verbrennungsmotor, die einem Fachmann bekannt ist. Die Antriebsquelle 12 kann alternativ eine keine Verbrennung ausführende Antriebsquelle sein, wie beispielsweise eine Kraftstoffzelle, eine Energiespeichereinrichtung, ein Elektromotor oder irgendeine andere ähnliche Einrichtung. Die Antriebsquelle 12 kann dazu eingebunden sein, eine Traktionseinrichtung 14 anzutreiben, wodurch die Maschine 10 bewegt wird.
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Das Getriebe 16 kann eine Leistung von der Antriebsquelle 12 auf die Traktionseinrichtung 14 übertragen. Insbesondere kann das Getriebe 16 als ein Mehrganggetriebe, bidirektionales Getriebe, mechanisches Getriebe ausgeführt sein, die einen Leerlauf, mehrere Vorwärtsgänge, einen oder mehrere Rückwärtsgänge und eine oder mehrere Kupplungen (nicht gezeigt) aufweisen. Das Getriebe 16 kann die Kupplungen selektiv betätigen, um vorbestimmte Zahnradkombinationen (nicht gezeigt) in Eingriff zu bringen, so dass eine gewünschte Getriebeübersetzung erzeugt wird. Das Getriebe 16 kann ein Automatikgetriebe sein, bei dem das Schalten basierend auf der Drehzahl der Antriebsquelle, einem maximalen, vom Bediener ausgewählten Übersetzungsverhältnis und einem in einer Steuerung abgespeicherten Getriebekennfeld erfolgt. Alternativ kann das Getriebe 16 ein manuelles Getriebe sein, bei dem der Bediener manuell den Gang wählt, der einzulegen ist. Das Getriebe 16 kann mit der Antriebsquelle 12 über einen Drehmomentwandler 18 verbunden sein. Der Ausgang des Getriebes 16 kann mit einer drehbar angetriebenen Traktionseinrichtung 14 über eine Welle 23 verbunden sein, wodurch die Maschine 10 fortbewegt wird.
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Die Traktionseinrichtung 14 kann die Drehbewegung, die von dem Getriebe 16 bereitgestellt wird, in die translatorische Bewegung der Maschine 10 umsetzen. Die Traktionseinrichtung 14 kann Räder aufweisen, die auf jeder Seite der Maschine 10 vorhanden sind. Alternativ kann die Traktionseinrichtung 14 Raupen, Bänder oder irgendeine andere Art von angetriebenen Traktionseinrichtungen enthalten. Die Traktionseinrichtung 14 kann durch das Getriebe 16 so angetrieben sein, dass sie sich gemäß einer Abtriebsdrehbewegung des Getriebes 16 dreht.
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An einer einzigen Maschine 10 können zahlreiche verschiedene Arbeitswerkzeuge 32 anbringbar sein und über einen Bedienerstand 20 steuerbar sein. Ein Arbeitswerkzeug 32 kann irgendeine Einrichtung enthalten, die dazu verwendet wird, eine bestimmte Arbeitstätigkeit auszuführen, wie beispielsweise eine Baggerschaufel, ein Planierschild, ein Baggerlöffel, eine Aufreißeinrichtung oder irgendeine im Stand der Technik bekannte, eine Arbeitstätigkeit ausführende Einrichtung. Das Arbeitswerkzeug 32 kann über eine Direktanlenkung, ein Gelenksystem, über ein oder mehrere Hydraulikzylinder, über einen Motor oder auf irgendeine andere geeignete Weise mit der Maschine 10 verbunden sein. Das Arbeitswerkzeug 32 kann verschwenken, drehen, sich verschieben, hin und her schwingen, sich anheben oder sich in irgendeiner anderen bekannten Weise relativ zur Maschine 10 bewegen.
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Ein Hydrauliksystem 22 kann mehrere Komponenten aufweisen, die miteinander zusammenwirken, um ein Arbeitswerkzeug 32 zu betätigen. Insbesondere kann das Hydrauliksystem 22 ein oder mehrere Hydraulikzylinder 24, eine Pumpe 28 für ein Druckfluid, einen Tank 30 und ein Steuerventil 42 enthalten. Das Fluid kann mittels der Pumpe 28 aus dem Tank 30 abgesaugt werden und dann druckbeaufschlagt werden. Sobald das Fluid druckbeaufschlagt ist, kann der Fluidstrom durch das Steuerventil 42 dosiert werden und dem Hydraulikzylinder 24 oder irgendwelchen anderen Komponenten der Maschine 10 zugeführt werden, um eine nützliche Arbeit auszuführen. Ein Fluid mit niedrigem Druck kann in den Tank 30 zurückgeleitet werden, um eine weitere Verwendung mittels der Pumpe 28 zuzulassen. Es ist auch möglich, dass das Hydrauliksystem 22 zusätzliche oder andere Komponenten als die, die in der 2 dargestellt sind und oben aufgelistet sind, enthält, wie beispielsweise Akkumulatoren, Rückschlagventile, Drossel- oder Schaltventile, Druckkompensationselemente, Drosselöffnungen oder andere im Stand der Technik bekannte Hydraulikkomponenten.
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Der Hydraulikzylinder 24 kann dazu verwendet werden, eine Betätigungskraft für verschiedene Komponenten der Maschine 10 wie beispielsweise ein Arbeitswerkzeug 32 bereitzustellen. Das Arbeitswerkzeug 32 kann mit dem Gestell der Maschine 10 über eine Direktanlenkung oder über ein Gelenksystem mit dem Hydraulikzylinder 24, der eines der Teile in dem Gelenksystem bildet, verbunden sein. Wenn der Hydraulikzylinder 24 aus- oder einfährt, kann das Gelenksystem so konfiguriert sein, dass es zulässt, dass sich ein Arbeitswerkzeug 32 verschiebt oder dreht, wodurch es dem Bediener ermöglicht ist, eine gewünschte Tätigkeit auszuführen. In einem Gelenksystem können mehrere Hydraulikzylinder 24 eingesetzt sein, um zusätzliche Freiheitsgrade bei der Bewegung des Arbeitswerkzeugs 32 zu erzeugen.
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Das Aus- und Einfahren des Hydraulikzylinders 24 kann bewirkt werden, indem ein Kräfteungleichgewicht der Kräfte erzeugt wird, die an einer in einem Rohrstück 27 jedes Hydraulikzylinders 24 angeordneten Kolbenanordnung 25 wirken. Insbesondere kann jeder Hydraulikzylinder 24 eine erste Kammer und eine zweite Kammer, die durch die Kolbenanordnung 25 getrennt sind, enthalten. Die Kolbenanordnung 25 kann zwei einander gegenüberliegende Hydraulikflächen aufweisen, wovon eine sowohl mit der ersten als auch der zweiten Kammer verbunden ist. Die erste und zweite Kammer können wahlweise mit einem Druckfluid gespeist werden und das Druckfluid kann hieraus abgelassen werden, um ein Ungleichgewicht der auf die zwei Flächen wirkenden Kräfte zu erzeugen. Dieses Kräfteungleichgewicht kann bewirken, dass sich die Kolbenanordnung 25 innerhalb des Rohrstücks axial bewegt.
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Die Pumpe 28 kann einen Druckfluidstrom erzeugen, der in der Maschine 10 angewandt werden kann. Die Pumpe 28 kann eine verstellbare Verdrängerpumpe, eine unverstellbare Verdrängerpumpe, eine verstellbare Förderpumpe oder irgendeine andere Quelle für ein im Stand der Technik bekanntes Druckfluid sein. Die Pumpe 28 kann mit der Antriebsquelle 12 durch beispielweise eine Vorgelegewelle 36, einen Riemen (nicht gezeigt), eine elektrische Schaltung (nicht gezeigt) oder auf irgendeine andere geeignete Weise antriebsmäßig verbunden sein. Obwohl die 2 eine Pumpe 28 zeigt, die das Druckfluid nur dem Hydraulikzylinder 24 zuführt, ist es auch denkbar, dass die Pumpe 28 alternativ zusätzliche Hydraulikkomponenten der Maschine 10 mit dem Druckfluid versorgt.
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Der Tank 30 kann ein Behältnis sein, das dazu ausgebildet ist, einen Fluidvorrat aufzunehmen. Das Fluid kann beispielsweise ein Motorschmieröl, ein Getriebeschmieröl, ein eigenes Hydrauliköl oder irgendein anderes im Stand der Technik bekanntes Fluid sein. Die Pumpe 28 kann das Fluid aus dem Tank 30 absaugen und es in den Tank 30 zurückleiten. Es ist auch möglich, dass die Pumpe 28 an mehrere separate Fluidtanks angeschlossen ist.
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Das Steuerventil 42 kann eine Strömungsverbindung zwischen der Pumpe 28 und dem Tank 30 zulassen. Insbesondere kann das Steuerventil 42 über eine Zufuhrleitung 38 mit der Pumpe 28 und über eine Ablassleitung 40 mit dem Tank 30 verbunden sein, um eine Betätigung des Hydraulikzylinders 24 zu steuern. Das Steuerventil 42 kann wenigstens ein Ventilelement beinhalten, das zum Dosieren des Zustroms des Druckfluids in die erste oder zweite Kammer im Hydraulikzylinder 24 dient und gleichzeitig das Fluid aus der anderen ersten oder zweiten Kammer in den Tank 30 ableitet. In einem Ausführungsbeispiel kann das Steuerventil 42 gegen eine Federvorspannung gesteuert sein, um bewegt zu werden zwischen einer ersten Stellung, in der es dem Fluid ermöglicht ist, in die erste Kammer einzuströmen, während Fluid von der zweiten Kammer in den Tank 30 abgeleitet wird, einer zweiten Neutralstellung, in der das Fluid gegenüber sowohl der ersten als auch der zweiten Kammer abgeblockt ist, und einer dritten Stellung, in der die Strömungsrichtungen aus der ersten Stellung umgekehrt sind. Das Einstellen der Ventilelemente in der ersten, zweiten oder dritten Stellung kann die Druckfluiddurchflussrate in und aus den zugehörigen ersten und zweiten Kammern und eine entsprechende Betätigungsgeschwindigkeit festlegen. Es ist auch denkbar, dass alternativ das Steuerventil 42 durch mehrere unabhängige Dosierventile ersetzt werden kann, die die Füll- und Ablassfunktionen jeder ersten und zweiten Kammer für jeden Hydraulikzylinder 24 separat steuern. Des Weiteren ist es denkbar, dass alternativ das Steuerventil 42 elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise betätigt sein kann.
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Der Bedienerstand 20 kann ein Ort sein, von dem aus der Bediener den Betrieb der Maschine 10 steuert. Der Bedienerstand 20 kann an oder außerhalb der Maschine 10 platziert sein. Der Bedienerstand 20 kann ein oder mehrere Bedienereingabeeinrichtungen 21 enthalten, wie beispielsweise eine Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 21a und eine Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b. Die Bedienereingabeeinrichtungen 21 können im Bereich eines Bedienersitz angeordnet sein und sie können einem Bedienpult zugeordnet sein oder auch nicht. Die Bedienereingabeeinrichtungen 21 können ein- oder mehrachsige Joysticks, Räder, Knöpfe, Druck- und Zieheinrichtungen, Druckknöpfe, Pedale, Schalter und andere im Stand der Technik bekannte Bedienereingabeeinrichtungen sein.
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Die Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 21a mag eine Eingabe, die für einen gewünschten Betriebsmodus bezeichnend ist, von einem Bediener empfangen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 21a ein Kipphebelschalter mit drei auswählbaren Stellungen sein. Jede Stellung des Kipphebelschalters kann einem vorgegebenen Betriebsmodus entsprechen. In einem Ausführungsbeispiel können die drei Modi sein: „Normal”, „Economy 1” und „Economy 2”. Der Normalmodus kann einen Standardbetrieb der Maschine 10 ermöglichen. Die Modi „Economy 1” und „Economy 2” können einen verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad, bessere Abgasemissionen, Verbrennungsmotorgeräusche und eine verringerte Maschinenrauhigkeit durch Regeln der Antriebsquelle 12 und der Pumpe 28 schaffen.
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Die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b kann eine Eingabe von einem Bediener empfangen, die für eine Soll-Drosseleinstellung der Antriebsquelle 12 bezeichnend ist. Beispielsweise kann die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b ein Schalter oder Knopf mit einer Stellung „An” und einer Stellung „Aus” sein. Wenn die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b angeschaltet ist, kann sie die Antriebsquelle 12 auf einer im Wesentlichen konstanten Soll-Drehzahl halten. Diese Soll-Drehzahl mag durch den Bediener festgelegt werden, bevor die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b eingreift. Wenn die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b ausgeschaltet ist, kann der Bediener die Drehzahl der Antriebsquelle 12 über eine Drosseleinrichtung (nicht gezeigt) frei anpassen. Es ist auch denkbar, dass die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b automatisch in Erwiderung auf eine oder mehrere Eingaben eingestellt wird.
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Ein Steuerungssystem 34 kann Komponenten enthalten, die die Leistung der Maschine 10 und deren Komponenten überwachen und ändern. Insbesondere kann das Steuerungssystem 34 einen Arbeitstätigkeitssensor 44 und eine mit dem Arbeitstätigkeitssensor 44 in Kommunikationsverbindung stehende Steuerung 48 enthalten. Die Steuerung 48 kann auch mit der Antriebsquelle 12, dem Getriebe 16, dem Hydrauliksystem 22 und dem Bedienerstand 20 kommunizieren. Die Steuerung 48 mag mit der Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 21a über eine Kommunikationsleitung 50 kommunizieren, um den vom Benutzer ausgewählten Betriebsmodus zu erfassen. Die Steuerung mag auch mit der Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b über eine Kommunikationsleitung 58 kommunizieren, um die vom Bediener gewählte Drosseleinstellung zu erfassen. Die Steuerung kann die Drehzahl der Antriebsquelle 12 und die Förderleistung der Pumpe 28 über die Kommunikationsleitungen 52 bzw. 54 regeln.
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Der Arbeitstätigkeitssensor 44 kann der Steuerung 48 Informationen bereitstellen, die zum Klassifizieren einer derzeitigen Tätigkeit verwendet werden können. Beispielsweise kann der Arbeitstätigkeitssensor 44 ein Positions- oder Geschwindigkeitssensor des Arbeitswerkzeugs 32, ein Bewegungsgeschwindigkeitssensor der Maschine 10, ein Übersetzungssensor des Getriebes 16, ein Drehzahlsensor der Antriebsquelle 12, ein mit der Steuerung des Arbeitswerkzeugs 32 gekoppelter Bedienereingabesensor, ein dem Druckfluid, das das Arbeitswerkzeug 32 antreibt, zugehöriger Drucksensor oder irgendein anderer Sensor sein, der mit der Leistung, dem Betrieb und/oder der Produktivität der Maschine 10 verknüpft ist. Die Art und Anzahl der Sensoren, die verwendet werden, können in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. Beispielsweise kann ein Positions- oder die Geschwindigkeit einer Arbeitstätigkeit messender Sensor ein Potentiometer, ein Tachometer oder ein optischer Encoder sein. Ein Druckarbeitstätigkeitssensor kann als piezoelektrischer Wandler, kapazitiver Sensor oder als Dehnungsmesser ausgebildet sein. Der Arbeitstätigkeitssensor kann auch irgendein anderer im Stand der Technik bekannter Sensortyp sein. Der Arbeitstätigkeitssensor 44 kann der Steuerung 48 über eine Kommunikationsleitung 56 eine mit der Arbeitstätigkeit zusammenhängende Maßnahme übermitteln. Die Steuerung 48 kann die von einem oder mehreren Arbeitstätigkeitssensoren 44 stammenden Informationen in irgendeiner Kombination verwenden, um eine aktuell ausgeführte Arbeitstätigkeit zu klassifizieren.
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Die Steuerung 48 kann in Form eines einzelnen Mikroprozessors oder in Form von mehreren Mikroprozessoren ausgebildet sein, die eine Einrichtung zum Steuern eines Betriebs der Maschine 10 enthalten. Zahllose kommerziell verfügbare Mikroprozessoren können so ausgestaltet sein, dass sie die Funktionen der Steuerung 48 ausführen, und es ist anzumerken, dass die Steuerung 48 ohne Weiteres ein üblicher Maschinenmikroprozessor sein kann, der zum Steuern von zahllosen Maschinenfunktionen fähig ist. Die Steuerung 48 kann einen Speicher, eine sekundäre Speichereinrichtung, einen Prozessor und irgendwelche anderen Komponenten zum Starten einer Anwendung enthalten. Mit der Steuerung 48 können zahlreiche andere Schaltungen verknüpft sein, wie beispielsweise eine Energieversorgungsschaltung, eine Signalaufbereitungsschaltung, eine Datenerfassungsschaltung, eine Signalausgabeschaltung, eine Signalverstärkungsschaltung und andere Arten von Schaltungen, die im Stand der Technik bekannt sind.
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Es ist auch möglich, dass die Steuerung 48 ein oder mehrere Kennfelder enthält, die in einem internen Speicher der Steuerung 48 abgespeichert sind. Jedes dieser Kennfelder mag eine Datenzusammenstellung in Form von Tabellen, Kurven und/oder Gleichungen enthalten. Insbesondere können diese Kennfelder mit auswählbaren Betriebsmodi korrelieren, wie beispielsweise dem Modus „Economy 1”, dem Modus „Economy 2” und dem Modus „Normal”. Jedes einen auswählbaren Betriebsmodus betreffende Kennfeld mag Informationen enthalten, die dazu verwendet werden können, spezifische Arbeitstätigkeiten zu klassifizieren, die gerade in diesem Modus ausgeführt werden. Diese Arbeitstätigkeiten können umfassen: Erdarbeiten, Verfahren der Maschine, Abladen und andere vom Bediener gewünschte Arbeitstätigkeiten. Jedes einen Betriebsmodus betreffende Kennfeld kann Daten enthalten, die dazu verwendet werden können, eine Hochleistungseinstellung [high power setting] oder eine Niedrigleistungseinstellung [low power setting] zu implementieren. Für jeden Betriebsmodus kann es unterschiedliche Hoch- und Niedrigleistungseinstellungen geben. Diese Betriebsmodi können von einem Bediener manuell gewählt werden oder von einer Steuerung 48 automatisch gewählt werden.
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Jeder auswählbare Betriebsmodus kann eine vorbestimmte Menge an Bedingungen und Grenzwerten enthalten, die dazu verwendet werden können, die laufende Arbeitstätigkeit zu klassifizieren. Die Bedingungen mögen erfüllt werden, indem (mittels Arbeitstätigkeitssensoren 44) gemessene oder simulierte Werte mit Grenzwerten mit Hilfe eines vorbestimmten Algorithmus verglichen werden (z. B. mag die Bedingung prüfen, ob ein Grenzwert größer oder geringer ist als ein gemessener Wert). Die Grenzwerte können in dem Speicher der Steuerung 48 gespeichert sein und/oder vom Bediener zugeführt werden. Die Grenzwerte können beispielsweise eine Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine 10, eine minimal und/oder maximal zulässige Drehzahl der Antriebsquelle 12, ein aktuelles und/oder gewünschtes Übersetzungsverhältnis des Getriebes 16, eine Stellung des Arbeitswerkzeugs 32 und ein Druck des Fluids, das das Arbeitswerkzeug 32 antreibt, sein. Die Grenzwerte können von der Steuerung 48 alleine oder in irgendeiner Kombination verwendet werden.
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Jeder auswählbare Modus kann auch Einstellwerte enthalten, die die Steuerung 48 dazu verwenden kann, die Drehzahl der Antriebsquelle und die Pumpenförderleistung für den gewünschten Betriebsmodus zu implementieren. Die Einstellwerte für einen Betriebsmodus „Normal” können beispielsweise eine Solldrehzahl der Antriebsquelle im Bereich von 2.100–2.300 U/min und eine Sollpumpenförderleistung von ungefähr 250 cm3/Umdrehung sein. Die Einstellwerte für einen Niedrigleistungsmodus „Economy 1” können eine Solldrehzahl der Antriebsquelle von ungefähr 1.800 U/min und eine Sollpumpenförderleistung von ungefähr 200 cm3/Umdrehung sein. Die Einstellwerte für einen Niedrigleistungsmodus „Economy 2” können eine Solldrehzahl der Antriebsquelle von ungefähr 1.700 U/min und eine Sollpumpenförderleistung von ungefähr 175 cm3/Umdrehung sein. Eine Hochleistungseinstellung innerhalb entweder des Modus „Economy 1” oder „Economy 2” kann mit einer Erhöhung der gewünschten Drehzahl der Antriebsquelle im Bereich zwischen 2.100 und 2.300 U/min einhergehen. Eine Hochleistungseinstellung entweder im Modus „Economy 1” oder „Economy 2” kann mit einer Zunahme der Sollpumpenförderleistung auf ungefähr 250 cm3/Umdrehung verknüpft sein.
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In Erwiderung auf eine Eingabe, die über die Betriebsmodus-Auswahleinrichtung 21a empfangen wurde, kann die Steuerung 48 den Betrieb der Maschine 10 von einem Betriebsmodus zu einem anderen Betriebsmodus wechseln (beispielsweise vom Betriebsmodus „Economy 1” zum Betriebsmodus „Normal”). Innerhalb jedes Betriebsmodus kann die Steuerung 48 auch zwischen einer Hoch- oder Niedrigleistungseinstellung wechseln, indem eine spezifische Komponente oder ein spezifischer Prozess gesteuert wird, wie beispielsweise die Drehzahl der Antriebsquelle 12 und/oder die Förderleistung der Pumpe 28. Die Steuerung 48 kann die Drehzahl der Antriebsquelle 12 beispielsweise dadurch regeln, dass der verfügbare Kraftstoff und/oder der verfügbare Lufteinlassstrom verringert oder erhöht wird (d. h. Ändern des verfügbaren Energiepotenzials). Änderungen der Förderleistung der Pumpe 28 können beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Pumpe 28 einem „Destroking” oder „Restroking” unterliegt. Diese Regelung kann es der Steuerung 48 ermöglichen, in effizienter Weise auf eine Arbeitstätigkeit des Arbeitswerkzeugs der Maschine 10 zu erwidern. Die Steuerung 48 kann irgendeinen Steuerungsalgorithmus verwenden, wie beispielsweise eine Zweipunktregelung, eine Proportionalsteuerung, eine Proportional-Integral-Differenzial-Regelung, eine adaptive Steuerung, eine modellbasierte Steuerung, eine logikbasierte Steuerung oder irgendeine andere im Stand der Technik bekannte Steuerungsweise. Die Steuerung 48 kann entweder eine Feedforward- oder Feedback-Steuerung einsetzen.
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Die 3 behandelt eine beispielhafte Verfahrensweise des Betriebs der Maschine 10. Die 3 wird nachfolgend im Einzelnen erläutert.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das offenbarte Steuerungssystem mag in jeder Maschine anwendbar sein, in der eine übergeordnete Steuerung des Kraftstoffverbrauchs, der Maschinenrauhigkeit, der Abgasemissionen und des Motorgeräusches gewünscht wird. Insbesondere kann das offenbarte Steuerungssystem mehrere auswählbare Betriebsmodi bereitstellen, die zumindest einen Wirtschaftlichkeitsmodus enthalten, wobei jeder Modus den Betrieb einer Antriebsquelle und/oder einer Druckfluidquelle beeinflusst. Des Weiteren kann das offenbarte Steuerungssystem die Antriebsquelle und die Druckfluidquelle basierend auf der Klassifikation von Niedrig- und Hochleistungsarbeitstätigkeiten automatisch regulieren. Diese Anpassung gemäß der aktuellen Arbeitstätigkeit kann möglicherweise insgesamt eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, der Maschinenrauhigkeit, der Abgasemissionen und des Motorgeräusches leisten. Es wird nun die Funktionsweise des Steuerungssystems 34 erläutert.
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Wie zuvor beschrieben, kann der Bediener eine Bedienereingabeeinrichtung 21a einsetzen, um zwischen verschiedenen Modi auszuwählen, enthaltend einen Modus „Normal”, einen Modus „Economy 1” und einen Modus „Economy 2”. Die Steuerung 48 kann die von dem Bediener vorgenommene Wahl des Modus empfangen, wie es in dem Flussdiagramm der 3 (Verfahrensschritt 300) gezeigt ist. Nach dem Empfangen der Auswahl des Modus kann die Steuerung 48 ermitteln, welcher der verfügbaren Modi ausgewählt wurde (Verfahrensschritt 310). Wenn der Bediener den Betriebsmodus „Normal” auswählt, mag die Steuerung 48 eine aktuelle Drehzahl der Antriebsquelle 12 auf ihre maximal zulässige Drehzahl einstellen und die Förderleistung der Pumpe 28 auf ihre maximale Förderleistung (Verfahrensschritt 330). Der Bediener kann den Modus „Normal” für Arbeitstätigkeiten auswählen, bei denen die Wirtschaftlichkeit für das Ansprechverhalten und/oder das Leistungsvermögen der Maschine 10 geopfert wird. Die Steuerung 48 kann so lange in dem Modus „Normal” verbleiben, bis der Bediener einen neuen Betriebsmodus auswählt.
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Wenn der Bediener einen Betriebsmodus „Economy” auswählt, kann die Steuerung 48 mit dem Arbeitstätigkeitssensor 44 kommunizieren, um Daten zu empfangen, die die von der Maschine 10 aktuell durchgeführten Arbeitstätigkeiten betreffen. Die Steuerung 48 mag dann gemäß dem offenbarten Steuerungsalgorithmus ermitteln, ob die Maschine 10 einen Hoch- oder Niedrigleistungsbetrieb fordert (Verfahrensschritt 320).
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Die Maschine 10 kann beispielsweise ein Radlader sein, der einen Beladungszyklus ausführt. Dieser Beladungszyklus kann im Wesentlichen aus den Arbeitstätigkeiten Erde ausheben, Heranfahren an ein zu beladendes Fahrzeug, Abladen und Zurückfahren zu der Erdaushebestelle bestehen. Während dieses Beladungszyklus kann die Steuerung Messwerte empfangen, die die Position und/oder den Winkel des Arbeitswerkzeugs 32, die Bewegungsgeschwindigkeit der Maschine 10, die aktuelle Drehzahl der Antriebsquelle 12, die Position einer Bedienereingabeeinrichtung, die zum Manipulieren des Arbeitswerkzeugs 32 eingesetzt ist, und/oder das aktuelle Übersetzungsverhältnis des Getriebes 16 betreffen. Die Steuerung 48 mag diese Messungen mit den in ihrem Speicher abgespeicherten Kennfeldern in Bezug setzen, um zu Klassifizieren, was für eine Arbeitstätigkeit oder welcher Teil des Beladungszyklus der Maschine 10 gerade ausgeführt wird (beispielsweise kann eine vorbestimmte Position des Arbeitswerkzeugs 32 mit der Tätigkeit Ausheben verknüpft werden). Die Steuerung 48 kann die Tätigkeit Ausheben als Hochleistungs-Arbeitstätigkeit klassifizieren und die Steuerung 48 kann automatisch darauf erwidern, indem die Drehzahl der Antriebsquelle 12 und die Förderleistung der Pumpe 28 auf beispielsweise die gleichen Einstellungen wie im Modus Normal erhöht werden (Verfahrensschritt 330). Die Steuerung 48 kann diese erhöhten Einstellungen so lange beibehalten, bis die Bedingungen für den Hochleistungsbetrieb nicht länger erfüllt sind. Genauer gesagt kann das Umschalten vom Hoch- zum Niedrigleistungsbetrieb erfolgen, wenn die Maschine 10 ihre Arbeitstätigkeit Ausheben beendet und mit ihrer Arbeitstätigkeit Heranfahren weitermacht (d. h., wenn die Steuerung 48 eine Niedrigleistungstätigkeit des Beladungszyklus detektiert und klassifiziert).
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Wenn im Schritt 320 die Steuerung 48 feststellt, dass die Maschine 10 eine Niedrigleistungs-Arbeitstätigkeit ausführt, wie beispielsweise das Heranfahren oder ein Zurückkehren, kann die Steuerung 48 dann ermitteln, ob der Bediener den Modus „Economy 1” oder den Modus „Economy 2” ausgewählt hat (Verfahrensschritt 340). Wenn der Bediener den Modus „Economy 1” ausgewählt hat, kann die Steuerung 48 die Drehzahl der Antriebsquelle 12 auf ungeffähr 80% der für die Antriebsquelle maximal zulässigen Drehzahl einstellen bzw. reduzieren und die Förderleistung der Pumpe 28 auf ungefähr 80% der maximalen Pumpenförderleistung einstellen bzw. reduzieren (Verfahrensschritt 360). Die Steuerung 48 kann diese reduzierte Drehzahl der Antriebsquelle 12 und Förderleistung der Pumpe 28 so lange beibehalten, bis die Steuerung 48 Bedingungen detektiert und klassifiziert, die eine höhere Leistung erfordern, oder bis der Bediener einen anderen Betriebsmodus auswählt. Beispielsweise kann die Maschine 10 in dem Modus „Economy 1” verbleiben, während sie zu ihrer Beladungstätigkeit unterwegs ist.
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Wenn der Bediener den Modus „Economy 2” wählt, dann kann die Steuerung 48 die Drehzahl der Antriebsquelle 12 auf ungefähr 70% der für die Antriebsquelle maximal zulässigen Drehzahl einstellen bzw. verringern und die Förderleistung der Pumpe 28 auf ungefähr 70% der maximalen Pumpenförderleistung einstellen bzw. verringern (Verfahrensschritt 350). Die Steuerung 48 kann diese reduzierte Drehzahl der Antriebsquelle und Pumpenförderleistung so lange aufrechterhalten, bis sie Arbeitstätigkeiten erfasst und klassifiziert, die eine höhere Leistung erfordern, oder bis der Bediener einen anderen Betriebsmodus auswählt. Während entweder der Modus „Economy 1” oder „Economy 2” läuft, kann die Steuerung 48 fortlaufend die von der Maschine 10 ausgeführten Arbeitstätigkeiten überwachen und klassifizieren. Die Steuerung 48 kann die temporären Drehzahleinstellungen der Antriebsquelle 12 und die temporären Förderleistungseinstellungen der Pumpe 28 in erforderlicher Weise erhöhen (Rückkehr zu Verfahrensschritt 330).
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Wenn die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b während des Betriebs der Maschine 10 aktiv ist, kann die Steuerung 48 zusätzlich zu der Absenkung des Leistungsgrenzwertes der Antriebsquelle auch aktiv die aktuellen Drehzahlen der Antriebsquelle und/oder die Pumpenförderleistungen ändern, um sich den verringerten Sollwerten anzugleichen. Alternativ kann die Steuerung 48 nur die Drosselblockierung-Auswahleinrichtung 21b rausschmeißen, was erforderlich macht, dass der Bediener ein Reset durchführt und/oder ein Übersteuern vornimmt, wenn dies gewünscht wird.
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Gegenüber dem Stand der Technik können mehrere Vorteile mittels des entsprechend einer Arbeitstätigkeit anzupassenden Wirtschaftlichkeitsmodussystems realisiert werden. Insbesondere kann das offenbarte System mehrere auswählbare Maschinenbetriebsmodi bereitstellen und automatisch die Drehzahl der Antriebsquelle und die Pumpenförderleistung einstellen, wenn eine Arbeitstätigkeit einen Hochleistungsbetrieb erforderlich macht. Diese Kombination von auswählbaren Wirtschaftlichkeitsmodi und automatischen Arbeitstätigkeitseinstellungen kann zu einer verbesserten Wirtschaftlichkeit ohne zusätzliche Komplexität bei der Bedienereingabe schaffen.
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Für Fachleute ist es offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an dem offenbarten Wirtschaftlichkeitsmodussystem in Abhängigkeit von Arbeitstätigkeiten vorgenommen werden können, ohne dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Weitere Ausführungsbeispiele des Maschinensteuerungssystems werden für Fachleute unter Berücksichtigung der Beschreibung und bei der Realisierung des hierin offenbarten Maschinensteuerungssystems offensichtlich. Die Beschreibung und die Ausführungsbeispiele sind als rein beispielhaft zu erachten. Der Schutzbereich wird durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben.