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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. 4,995,344 (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.
Die Bedienereingabeeinrichtung kann dazu ausgestaltet sein, ein
Signal zu erzeugen, das einen gewünschten Betriebsmodus
der Antriebsquelle angibt. Das Arbeitswerkzeug kann von der Antriebsquelle
zum Ausführen einer Arbeitstätigkeit angetrieben
werden. Die Steuerung kann dazu ausgebildet sein, eine aktuell ausgeführte
Arbeitstätigkeit zu klassifizieren und den Betrieb der
Antriebsquelle basierend auf dem Signal der Bedienereingabeeinrichtung
und der Klassifizierung einzustellen.
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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
von Leistung und das Zuführen der Leistung zum Ausführen
einer Arbeitstätigkeit beinhalten. Das Verfahren kann auch
das Empfangen einer einen gewünschten Leistungserzeugungsmodus
angebenden Eingabe, das Klassifizieren einer aktuell ausgeführten
Arbeitstätigkeit und das Einstellen der Leistungserzeugung
basierend auf der Eingabe und der Klassifizierung beinhalten.
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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
ungefähr 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.
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Zusammenfassung
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MASCHINENSYSTEM MIT TÄTIGKEITSABHÄNGIGEN
WIRTSCHAFTLICHKEITSMODI
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Es
ist ein Steuerungssystem (34) für eine Maschine
(10) offenbart. Das Steuerungssystem (34) kann
eine Antriebsquelle (12), eine Bedienereingabeeinrichtung
(21), ein Arbeitswerkzeug (32) und eine Steuerung
(48) enthalten, die mit der Antriebsquelle und der Bedienereingabeeinrichtung
in Kommunikationsverbindung ist. Die Bedienereingabeeinrichtung
kann so ausgebildet sein, dass ein Signal erzeugt wird, das einen
gewünschten Betriebsmodus der Antriebsquelle angibt. Das
Arbeitswerkzeug kann von der Antriebsquelle zum Ausführen
einer Arbeitstätigkeit angetrieben sein. Die Steuerung
kann dazu ausgebildet sein, eine aktuell ausgeführte Arbeitstätigkeit
zu klassifizieren und den Betrieb der Antriebsquelle basierend auf
dem Arbeitstätigkeitssignal und der Klassifizierung einzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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