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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung betrifft allgemein Maschinen und insbesondere eine Getriebesteuerung für eine Erdbewegungsmaschine.
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Hintergrund
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Bestimmte Maschinenanwendungen, wie etwa Lader, die Lasttransportfunktionen ausführen, stellen einzigartige Anforderungen im Betrieb dar, die Auswirkungen auf die betriebliche Effizienz der Maschine haben können. Zum Beispiel wird bei einem Radlader, der auf einen Haufen trifft, vom Bediener typischerweise verlangt, das Getriebe des Laders herunterzuschalten, die Sperrkupplung (lock-up clutch bzw. LUC) eines gegebenenfalls vorhandenen Drehmomentwandlers zu lösen, und/oder auf andere Weise den Antriebsstrang der Maschine auf geeignete Weise vorzubereiten, bevor die Maschine auf den Haufen trifft, um so sicherzustellen, dass ein ausreichendes Drehmoment verfügbar sein wird, um die Schaufel in den Haufen zu drücken, ohne eine Motorunterdrehzahl, Motorverzögerung, übermäßige Getriebelast und/oder andere Wirkungen auf den Antriebsstrang zu verursachen.
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Derzeit wird von erfahrenen Bedienern erwartet, dass sie wissen, wie sie unter solchen Betriebsbedingungen die Maschine herunterschalten oder andere Maßnahmen ergreifen. Relativ unerfahrene oder unaufmerksame Bediener können jedoch oft versäumen, unter diesen oder ähnlichen Betriebsbedingungen Maßnahmen zu ergreifen, wie etwa das Herunterschalten der Maschine, was dann zu einer langfristigen Erhöhung im Verschleiß von Maschinenkomponenten und einer verringerten betrieblichen Maschineneffizienz führen kann, insbesondere im Hinblick auf die Kraftstoffökonomie. Daher vertraut man zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf Bedienerschulung, Erfahrung und Aufmerksamkeit, um die Bedienungseffizienz von Maschinen zu verbessern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Übersichtsdarstellung einer Maschine in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung.
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2 ist ein Blockdiagramm eines Maschinensystems in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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3 und 4 sind Übersichtsdarstellungen einer Maschine mit einem Arbeitswerkzeug in zwei Betriebsstellungen in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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5 ist ein Blockdiagramm für ein Maschinensteuersystem in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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6 ist ein Blockdiagramm für ein Steuerschema in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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7 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Antriebsstränge, und insbesondere ein Getriebesteuersystem für Arbeitsmaschinen, die während des Betriebs auf Lasten treffen können. Die bestimmte beschriebene Ausführungsform betrifft einen Radlader mit einem stufenlos variablen Getriebe, doch sollte klar sein, dass die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren in gleicher Weise auf andere Typen von Maschinen mit unterschiedlichen Getriebetypen anwendbar sind. Die Offenbarung umfasst eine Funktionalität, die auf der Grundlage verschiedener Betriebsparameter der Maschine, darunter verschiedene funktionale Stellungen eines Arbeitswerkzeugs der Maschine, einen Lastanstieg antizipiert. Auf der Grundlage dieser Bestimmung ist das Steuersystem, wenn es aktiv ist, dazu ausgebildet, automatisch Maßnahmen zu ergreifen, um ein Drehzahlverhältnis eines Getriebes der Maschine in Vorwegnahme einer Laständerung einzustellen, bevor die Laständerung verwirklicht wird. Auf diesem Weg können Maschinenkomponenten vor übermäßiger und wiederholter Belastung bei reduzierter Eingabe von dem Maschinenbediener geschützt werden.
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Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen innerhalb mehrerer Ansichten gleiche Teile darstellen, zeigt die 1 einen Lader 20 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform. Der Lader 20 umfasst einen Fahrzeugabschnitt 22, der mit einer Schaufel oder einem Werkzeug 24 an einer Frontseite des Fahrzeugabschnittes 22 verbunden ist. Der Fahrzeugabschnitt 22 umfasst ein Fahrwerk 26, das hier als ein Rahmen für den Fahrzeugabschnitt 22 verkörpert ist, der typischerweise aus Stahl oder einem anderen Metall gebildet ist. Das Fahrwerk 26 trägt entweder direkt oder indirekt verschiedene Teile des Laders 20, wie etwa einen Motor, Karosserieplatten, Hydrauliksysteme und andere Teile. Das Fahrwerk 26 selbst wird von einer Vielzahl von Rädern 28 getragen, die drehbar mit dem Fahrwerk 26 verbunden sind. Ein Bediener besetzt eine Kabine 30, die Teil des Fahrzeugabschnittes 22 ist und an einem oberen mittleren Abschnitt des Fahrwerks 26 befestigt ist. Wie gezeigt ist die Kabine 30 ein umschlossener Aufbau, der den Bediener des Laders 20 während des Betriebs aufnimmt. Die verschiedenen Bedienersteuerungen der Maschine, die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind, können verschiedene Pedale, Hebel, Schalter, Steuerknüppel, und oder andere Typen von Einrichtungen umfassen, die der Bediener verwenden kann, um die Bewegung der Maschine und der Werkzeuge zu steuern.
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In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Lader 20 ein an einem Frontabschnitt davon angeordnetes Schaufelwerkzeug 24 auf. Die Schaufel 24 ist aus Metall hergestellt und umfasst zwei parabolisch oder in ähnlicher Weise geformte Platten, mit einer Metallplatte, die um den Umfang jeder Platte gekrümmt ist und sich horizontal zwischen diesen erstreckt, um so eine konkave Umschließung zu bilden, die sich von dem Lader 20 weg gerichtet öffnet. Im Allgemeinen kann die Schaufel eine beliebige Gestalt aufweisen, die in der Lage ist, eine Nutzlast aufzunehmen.
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Wie gezeigt ist die Schaufel 24 an dem Fahrzeugabschnitt 22 über ein Gestänge angebracht, das ein Paar paralleler Arme 32 umfasst, die sich zwischen einem hinteren Abschnitt der Schaufel 24 und einer weiteren Stelle an dem Fahrwerk 26 erstrecken, wie etwa an eine Stelle unmittelbar vor der Kabine 30. Die Arme 32 sind so angeordnet, dass sie gemeinsam relativ zu dem Fahrwerk 26 um eine Armschwenkachse 27 schwenken, die mit Bolzen (nicht sichtbar) zusammenfällt, die das Fahrwerk 26 mit den jeweiligen Enden der Arme 32 verbinden. Jeder Arm 32 ist eine längliche Metallstruktur, die an einem Ende schwenkbar an dem Fahrwerk 26 angebracht ist, und an einem gegenüberliegenden Ende schwenkbar an einem hinteren Abschnitt der Schaufel 24 angebracht ist. Für jeden Arm 32 ist eine hydraulische Hubzylinderanordnung 34 oder ein anderer Aktuator zum Heben des Arms 32 schwenkbar an dem Fahrwerk 26 unterhalb des Arms 32 angebracht, und zwar an einer Stelle des Arms 32 zwischen der Schaufel 24 und der Befestigungsstelle des Arms 32 an dem Fahrwerk 26.
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In einer Ausführungsform ist die Hubzylinderanordnung 34 ein Aktuator – wie etwa ein Hydraulikzylinder, der eine durch eine Einhüllung umschlossene Stange aufweist, so dass die Stange relativ zu der Einhüllung ausfährt oder einfährt – der in der Lage ist, seine Länge zu vergrößern oder zu verkürzen, wodurch er den jeweiligen Arm 32 veranlasst, um seine jeweilige Befestigung an dem Fahrwerk 26 nach oben zu schwenken, oder seine Länge zu verkürzen, wodurch er den Arm 32 dazu zwingt, sich nach unten um seine Befestigung an dem Fahrwerk 26 zu drehen. Werden die Arme 32 um ihre jeweiligen Befestigungspunkte an dem Fahrwerk 26 gedreht, wird die Schaufel 24 entsprechend angehoben oder abgesenkt. Im Allgemeinen kann alternativ oder zusätzlich zu den Hubzylinderanordnungen 34 ein beliebiger Aktuator oder anderer Mechanismus verwendet werden, der in der Lage ist, die Arme 32 anzuheben. Ein Armhubsensor 29 ist angeordnet, um eine Neigung der Arme 32 relativ zu dem Fahrwerk 26 zu messen und ein Armhubsignal bereitzustellen, das diese angibt. Alternativ kann das Armhubsignal durch einen Versetzungs- oder Verdrängungssensor erzeugt werden, der einer oder beiden Hubzylinderanordnungen 34 zugeordnet ist. In solchen Ausführungsform kann ein Hub der Arme 32 mit der Ausdehnung der Hubzylinder in Korrelation stehen. Das Armhubsignal wird an ein Steuergerät 232 (2) geliefert.
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In einer Ausführungsform ist die Schaufel 24 über ein Kippgelenk 36, das die Winkelstellung der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 steuert, zusätzlich mit den Armen 32 verbunden. In einer Ausführungsform umfasst das Kippgelenk 36 einen größeren Kipparm 38 und einen kleineren Kipparm 40. Der größere Kipparm 38 ist eine längliche Metallstruktur, die an ihrem mittleren Abschnitt drehbar mit einer ersten Querstrebe 41 verbunden ist, die sich horizontal zwischen entsprechenden mittleren Abschnitten der Arme 32 erstreckt. In einer Ausführungsform verbindet eine hydraulische Kippzylinderanordnung 42 oder ein anderer Aktuator zum Stellen der Winkelstellung der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 ein oberes Ende des größeren Kipparms 38 drehbar mit einer zweiten Querstrebe 43, die sich zwischen den Armen 32 in der Nähe ihrer Verbindungen mit dem Fahrwerk 26 erstreckt. Wie die Hubzylinderanordnung 34 ist die Kippzylinderanordnung 42 in 1 als ein linearer Hydraulikaktuator verkörpert, der in der Lage ist, seine Länge zu vergrößern oder zu verkürzen, wodurch er den größeren Kipparm 38 um seine Verbindung mit der ersten Querstrebe 41 dreht.
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Das Ende des größeren Kipparms 38 gegenüber der Kippzylinderanordnung 42 ist über den kleineren Kipparm 40 mit der Schaufel 24 verbunden, der ein längliches Metallstück ist, das sich zu einem hinteren Abschnitt der Schaufel 24 über den Verbindungen der Schaufel 24 mit den Armen 32 erstreckt und damit verbunden ist. In einer Ausführungsform kann die Kippzylinderanordnung 42 ihre Länge vergrößern, und dadurch über das Kippgelenk 36 die Schaufel 24 veranlassen, einwärts zu schwenken, wobei sich ein unterer vorderer Rand der Schaufel 24 nach oben dreht. In ähnlicher Weise kann die Kippzylinderanordnung 42 ihre Länge verkürzen, und dadurch über das Kippgelenk 36 die Schaufel 24 veranlassen, zu kippen, wobei der untere vordere Rand der Schaufel 24 sich nach unten dreht. Ein Sensor 39 ist angeordnet, um eine Winkelstellung der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 zu messen und ein Schaufelkippsignal an ein Steuergerät 232 (2) zu liefern. Obwohl der Sensor 39 als der Kippzylinderanordnung 42 zugeordnet dargestellt ist, kann alternativ ein Drehimpulsgeber oder ein anderer Typ von Sensor sein, der beliebigen der Bolzenverbindungen zugeordnet ist, die sich an dem Kippen der Schaufel 24 beteiligen, zum Beispiel einem Kipparm-Hauptschwenkbolzen 50, einem Schaufelkippbolzen 52, und/oder anderen geeigneten Messstellen.
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2 ist ein Prinzipskizze eines Antriebsstrangs und Werkzeugsystems 200 des Laders 20. Wie zuvor beschrieben umfasst der Lader 20 ein Gelenksfahrwerk 26 mit zwei Achsen 202 (2), die mit Laufwerkselementen, in diesem Fall, einem Satz von Rädern 28, verbunden sind. Das Fahrwerk 26 trägt auch einen Motor 110, der eine über eine Verbindungswelle 210 und eine Kupplung 209 mit einem Getriebe 208 verbundene Ausgangswelle 204 umfasst. Eine Ausgangswelle 212 des Getriebes 208 ist mit einem Splitter 214 verbunden, der zwei Antriebswellen 216 antreibt, jeweils eine für jede Achse 202. Das Getriebe 208 ist dazu ausgebildet, selektiv eine Motordrehzahl und ein Motordrehmoment 110, die von dem Motor 110 an der Verbindungswelle 210 bereitgestellt werden, in eine variable Drehzahl und ein variables Drehmoment an der Ausgangswelle 212 umzuwandeln, die dann auf die Laufwerkselemente oder Räder 28 ausgeübt werden.
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Das Getriebe 208 kann durch einen beliebigen bekannten Getriebetyp verkörpert werden, wie etwa ein stufenlos variables Getriebe, das, wie in der Technik bekannt, einen Variator umfasst, ein hydrostatisches Getriebe mit einer Pumpe mit variabler Verdrängung, die betrieben wird, um Fluid an einen Motor mit fester oder variabler Verdrängung zu liefern, ein Zahnradgetriebe mit einem Drehmomentwandler mit oder ohne Sperrkupplungsfunktion (LUC) usw. Jede Antriebswelle 216 überträgt über ein jeweiliges Differenzial 218 Leistung auf die Räder 28, so dass an der Motorausgangswelle 204 bereitgestellte Drehleistung wirksam auf die Räder 28 übertragen wird. Obwohl zwei angetriebene Achsen 202 dargestellt sind, können in Abhängigkeit von dem Fahrzeugtyp auch eine einzelne Achse oder mehr als zwei Achsen verwendet werden. Darüber hinaus können, obwohl Räder dargestellt sind, auch andere Typen von Laufwerkselementen, wie etwa Raupen, verwendet werden.
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Die Bedienerkabine 30 nimmt verschiedene Maschinensteuereinrichtungen auf, wie vorstehend beschrieben. Wie in 2 dargestellt können solche Einrichtungen ein Gaspedal 220 mit einem Gaspedalsensor (APS) 222 sowie einen Gangschalthebel 224 mit einem Hebelimpulsgeber 226 umfassen. Der Gaspedalsensor 222 und der Hebelimpulsgeber 226 können dazu ausgebildet sein, Signale bereitzustellen, die die gewünschte Fahrgeschwindigkeit des Laders 20 angeben, die von einem Bediener während der Verwendung befohlen wird.
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Der Motor 110 weist eine Schnittstelle 228 auf, die mit einem Kommunikationskanal 230 mit einem Motorsteuergerät 232 verbunden ist. Das Motorsteuergerät 232 arbeitet, um die Funktion verschiedener Motorsysteme zu überwachen und zu steuern, wie etwa Sensorablesungen verschiedener Motorsensoren zu überwachen, die Motordrehzahl- und Lastausgabe zu steuern usw., indem es Informationen empfängt und über den Kommunikationskanal 230 Befehle an verschiedene Motorkomponenten überträgt. Wie gezeigt ist das Motorsteuergerät 232, oder ein anderes, mit dem Steuergerät 232 verbundenes Steuergerät, des Weiteren mit verschiedenen Fahrzeugkomponenten verbunden, die den Betrieb des Motors steuern können. Hier kann das Steuergerät 232 auch als Werkzeugsteuergerät arbeiten, so dass es wie gezeigt das Armhubsignal von dem Armhubsensor 29, und das Schaufelkippsignal von dem Schaufelkippsensor 39 empfängt.
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Das Steuergerät bzw. der Regler 232 ist ein elektronisches Steuergerät, das einen Prozessor umfasst, der im Betrieb mit anderen elektronischen Komponenten wie etwa einer Datenspeichereinrichtung und den verschiedenen Kommunikationskanälen assoziiert ist. In der Veranschaulichung von 2 sind ein Drosselkommunikationskanal 234 und ein Gangschalt-Impulsgeberkommunikationskanal 236 mit dem Steuergerät 232 verbunden und dazu ausgebildet, an das Steuergerät 232 Informationen zu liefern, die die Bedienerbefehle angeben, wie etwa die gewünschte Motordrehzahl oder -last, die gewünschte Vorwärts- oder Rückwärtsfahrtrichtung der Maschine, eine ”Neutral-” oder ”Park”-Stellung des Maschinengetriebes und dergleichen. Eine weitere Angabe durch den Bediener kann bereitgestellt werden, wie etwa ein Hochschalt-, Herunterschalt-, Kupplungssperr-, Kupplungslöse- oder anderes Signal, das für den verwendeten Getriebetyp geeignet ist. Es sollte klar sein, dass zusätzliche oder alternative Verbindungen zwischen dem Steuergerät 232 und den verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemen vorliegen können, jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
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Das Steuergerät 232 ist des Weiteren dazu ausgebildet, Informationen zu empfangen, die Angaben zum Betrieb des verbleibenden Abschnitts des Antriebsstrangs und Werkzeugsystems 200 darstellen. Auf diese Weise ist das Steuergerät 232 über einen Motordrehzahlkommunikationskanal 240 mit einem Motorausgangswellendrehzahlsensor 238, über einen Fahrgeschwindigkeitskommunikationskanal 248 mit einem Fahrzeug-Fahrgeschwindigkeitssensor 246, sowie mit anderen Sensoren, die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind, verbunden.
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Der Antriebsstrang und das Werkzeugsystem 200 umfassen des Weiteren ein Getriebesteuergerät 250, das dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Getriebes 208 zu steuern. Dementsprechend ist das Getriebesteuergerät 250 über einen Getriebekommunikationskanal 254 mit einer Schnittstelle 252 des Getriebes 208 verbunden. Die Schnittstelle 252 kann Strukturen umfassen, die selektiv verschiedene Zahnradsätze des Getriebes 208 in Ansprechen auf Befehle von dem Getriebesteuergerät 250 und/oder dem Steuergerät 232 ein- oder ausrücken, sowie Informationen an das Getriebesteuergerät 250 liefern, die den aktuell eingelegten Gang des Getriebes 208 angeben, sowie weitere Informationen, wie etwa die Leistungsübertragung an die Räder 28 durch das Getriebe 208, die Drehzahl der Ausgangswelle 212, die Drehzahl der Verbindungswelle 210, und dergleichen. Im Betrieb kann das Getriebesteuergerät 250 Gangänderungen des Getriebes 208 auf der Grundlage vorbestimmter Drehzahlschwellen der Verbindungswelle für Hoch- und Herunterschaltänderungen befehlen.
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Solche Gangänderungen können Befehlssignale umfassen, die an den Variator geliefert werden, um die relativen Drehzahlen der Eingangs- und Ausgangszahnräder in einem Leerlaufdrehzustand, in dem keine Motordrehung über das Getriebe übertragen wird, und unter anderen Betriebsbedingungen einzustellen. Unter manchen Bedingungen kann dem Variator befohlen werden, eine Stellung einzunehmen, in der ein Drehmoment an der Ausgangswelle beibehalten wird, während die Motorwelle im Wesentlichen von der Ausgangswelle des Getriebes entkoppelt ist. Dieser Typ von Drehmoment-”Halte”-Stellung kann befohlen werden, wenn sich zum Beispiel ein Radlader ausreichend gegen einen Aggregathaufen gedrückt hat, und der Bediener diese Stellung halten möchte, während die Schaufel beladen wird. Wie klar sein wird, ist das Haltedrehmoment in solchen Fällen erforderlich, um zu verhindern, dass die Maschine von dem Haufen wegrollt.
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In einer Ausführungsform kann ein Herunterschaltbefehl an das Getriebe 208 oder alternativ ein Befehl zum Lösen einer Sperrkupplung (LUC) eines Drehmomentwandlers (nicht dargestellt), der dem Getriebe in bekannter Weise zugeordnet ist, durch das Maschinensteuergerät 232 erzeugt und automatisch an das Getriebesteuergerät 250 geliefert werden, wenn das System 200 voraussagt, dass ein Auftreffen auf einen Haufen unmittelbar bevorsteht. Auf diese Weise kann das Getriebe 208 herunterschalten oder alternativ ein Drehmomentwandler freigegeben werden, bevor das Auftreffen auf den Haufen erfolgt. In Bezug auf die vorliegende Offenbarung kann ein solches automatisches Signal auf der Grundlage verschiedener Aktivierungsparameter während des Betriebs der Maschine bereitgestellt werden. Eine solche Ausführungsform betrifft die erfassten Armhub- und Schaufelkippsignale. Die verschiedenen Schwenkpunkte des Werkzeugsystems sind in 2 als A–G, Y und K markiert, und jeder davon kann in geeigneter Weise verwendet werden, um verschiedene Signale bereitzustellen, die die Stellung und Orientierung der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 und dem Fahrwerk 26 (1) des Laders 20 angeben.
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Insbesondere kann das System 200 dazu ausgebildet sein, einen automatischen Herunterschaltbefehl zu erzeugen, wenn erfasst wird, dass ein Materialgrabzustand vorliegt oder unmittelbar bevorsteht, wie in 4 dargestellt, oder wenn erfasst wird, dass ein Abladezustand, also ein Betriebsvorgang zur Beladung eines Lastwagens, bei dem der Inhalt der Schaufel in einer relativ großen Höhe in Bezug auf den Boden entleert wird, vorliegt oder unmittelbar bevorsteht, wie in 3 dargestellt. Um einen stabilen und vorhersehbaren Maschinenbetrieb sicherzustellen, werden diese Aktivierungsbedingungen mit der Maschinenfahrgeschwindigkeit gekoppelt, so dass die automatische Schaltung nur erfolgen kann, wenn die Maschinenfahrgeschwindigkeit unter einer Aktivierungsschwelle liegt. In einer Ausführungsform können weitere Systemüberprüfungen durchgeführt werden, um die automatische Herunterschaltfunktion zu aktivieren, wenn keinerlei erfasste Maschinenfehlerzustände zum Beispiel in den Armhubstellungs- und/oder den Schaufelkippstellungssensoren vorliegen.
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Nunmehr bezugnehmend auf die 3 und 4 sind dort zwei automatische Schaltaktivierungs-Betriebsstellungen des Laders 20 gezeigt. In 3 ist ein Abladebetrieb veranschaulicht. Hier trägt die Schaufel 24 eine Nutzlast 44. Die Schaufel ist in einer einwärts geschwenkten Stellung, um die Nutzlast 44 zu halten, wenn der Lader 20 sich einer Abladestellung nähert, zum Beispiel entlang einer Lastwagenladefläche (nicht dargestellt). Wenn der Lader 20 die Nutzlast 44 ablädt, kann der Bediener den Lader so verfahren, dass die Schaufel 24 über der Abladestelle (nicht dargestellt) positioniert ist. Um die Nutzlast abzuladen, kann der Bediener dem Kippaktuator 42 befehlen, einzufahren, was den größeren Kipparm 38 veranlasst, zu schwenken und den kleineren Kipparm 40 zu verschieben, um die Schaufel 24 in eine Streckrichtung (im Uhrzeigersinn, wie in 3 dargestellt) zu drücken, so dass die Nutzlast 44 durch die Schwerkraft herausfallen kann.
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Die Drehung der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 erfolgt um den Schaufelschwenkbolzen 52. Eine Höhe H des Schaufelschwenkbolzens 52 relativ zum Boden kann aus dem Hubwinkel α der Arme 32 relativ zu dem Fahrwerk gemäß der folgenden Gleichung abgeleitet werden: H = h + L·sin(α)
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Dabei ist, wie in 3 dargestellt, H die Höhe des Schaufelschwenkbolzens 52 über dem Boden, h die fixe Höhe der Armschwenkachse 27 über dem Boden, L der radiale Abstand der Schaufelschwenkbolzen relativ zu der Schwenkachse 27 der Arme 32, und α der Aufwärtsneigungswinkel der Arme relativ zum Boden. Wie klar sein dürfte, bezieht sich Boden hier auf die Oberfläche, auf welcher die Räder 28 des Laders 20 aufliegen, und diese kann eine horizontale Oberfläche sein oder nicht.
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Eine Materialgrabstellung ist in 4 dargestellt. Da hier der Schaufelschwenkbolzen 52 unterhalb der Höhe h der Armschwenkachse 27 liegt, kann die Höhe des Schaufelschwenkbolzens 52 relativ zum Boden durch die folgenden Gleichung bestimmt werden: H = h – L·sin(α)
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Dabei ist, wie in 4 dargestellt, α der Winkel der Arme 32 relativ zum Boden. In 4 ist auch ein Einwärtsschwenkwinkel β der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 gezeigt, wobei 0 Grad eine Schaufelstellung darstellt, wenn der Kippaktuator 42 in einer Stellung ist, um eine Bodenfläche der Schaufel im Wesentlichen parallel zum Boden ist.
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Auf der Grundlage der Höhe H des Schaufelschwenkbolzens 52, des Kippwinkels α der Schaufel 24, und der Fahrgeschwindigkeit des Laders 20 kann das Steuergerät 232 ein Herunterschalt-/Lösesignal 302 in Übereinstimmung mit einem Zusatzschaltsteuerschema 300 bereitstellen, wie in 5 dargestellt. Insbesondere ist das Steuerschema 300 eine Funktion, die innerhalb eines Maschinensteuergeräts, zum Beispiel des Steuergeräts 232, arbeiten kann. Das Steuerschema 300 kann als Software, die innerhalb eines elektronischen Steuergeräts arbeitet, als Hardware oder in beliebiger anderer Weise implementiert sein. Das Steuerschema 300 kann verschiedene Maschinenbetriebsparameter als Eingänge empfangen, die ein Schaufelhubsignal 308, ein Schaufelkippsignal 306, ein Maschinenfahrgeschwindigkeitssignal 308 und optional ein Fehlerdetektionssignal 310 umfassen.
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In der veranschaulichten Ausführungsform kann das Schaufelhubsignal 304 ein berechneter oder gemessener Parameter sein, der die Höhe der Schaufelschwenkbolzen 52 in Bezug auf die Oberfläche angibt, auf welcher der Lader fährt, wobei diese Höhe in 3 und 4 durch ”H” bezeichnet wird. Ein mögliches Signal, das als Grundlage zur Berechnung der Höhe H verwendet werden kann, kann ein Hubsignal sein, das durch den Hubsensor 29 bereitgestellt wird, der der Schwenkachse 27 der Arme 32 relativ zu dem Fahrwerk 26 zugeordnet ist, wie in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Das Schaufelkippsignal 306 kann ein berechneter oder gemessener Parameter sein, der den Kippwinkel β der Schaufel 24 relativ zu den Armen 32 angibt, wie in 4 dargestellt ist. Ein mögliches Signal, das als Grundlage zur Berechnung des Winkels β verwendet werden kann, kann ein Kippsignal sein, das durch den Kippsensor 39 bereitgestellt wird, der dem Kippaktuator 42 zugeordnet ist, wie in 2 dargestellt ist.
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Das Maschinenfahrgeschwindigkeitssignal 308 kann ein Signal sein, das die Fahrgeschwindigkeit des Laders 20 angibt. Ein mögliches Signal, das als Basis zur Berechnung der Maschinenfahrgeschwindigkeit verwendet werden kann, kann ein Signal sein, das von dem Fahrzeug-Fahrgeschwindigkeitssensor 246 bereitgestellt wird, wie in 2 dargestellt. Das Fehlersignal 310 kann ein Signal sein, das von einer Fehlerdiagnoseroutine (nicht dargestellt) bereitgestellt wird, die innerhalb des Steuergeräts arbeitet und die von den verschiedenen Sensoren der Maschine bereitgestellten Signale überwacht. Wie bekannt können solche Diagnoseroutinen Sensorsignale und Versorgungsspannungen überwachen, um sicherzustellen, dass sie alle innerhalb jeweils akzeptabler Parameter liegen. In dem Fall, dass ein Fehler erfasst wird, zum Beispiel ein Kurz- oder Masseschluss in irgendeinem Sensor, kann ein dem fehlerhaften Sensor entsprechendes Fehlersignal aktiviert werden, um den Fehler an die verschiedenen Module innerhalb des Systems zu kommunizieren, so dass Schritte zur Fehlerbehebung unternommen werden können. Hier kann das Steuerschema 300 zur normalen Getriebeschaltung und/oder Lösung der LUC zurückkehren, falls das Fehlersignal 310 einen Fehler in den Sensoren anzeigt, der für den Betrieb des Steuerschemas 300 relevant ist.
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Ein schematisches Diagramm, das eine bestimmte Implementierung für das Steuerschema 300 veranschaulicht, ist in 6 dargestellt. Hier ist die veranschaulichte Funktionalität in zwei Hauptfunktionen geteilt, und zwar einen Lastabladezustand 400 und einen Materialgrabzustand 402, die jeweils dem Typ von Betriebsbedingungen entsprechen, die in den 3 und 4 dargestellt sind.
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In Bezug auf den Lastabladezustand 400 empfängt das Steuerschema 300 die Maschinenfahrgeschwindigkeit 308 und vergleicht diese mit einer Geschwindigkeits-Aktivierungsschwelle 404 an einer Komparatorfunktion 406. In der veranschaulichten Ausführungsform bestimmt die Komparatorfunktion 406, ob die Maschinenfahrgeschwindigkeit 308 niedriger oder gleich einer Geschwindigkeits-Aktivierungsschwelle von zwischen 24 und 26 km/h mit Hysterese ist, doch können auch andere Geschwindigkeiten verwendet werden. Die Schaufelhöhe H, wie sie durch das Schaufelhubsignal 304 angegeben wird, wird bei einem Komparator 410 mit einem oberen Schwellenwert (L-TH-U) 408 verglichen, um zu bestimmen, ob die Schaufelhöhe größer ist als L-TH-U. In der veranschaulichten Ausführungsform beträgt L-TH-U etwa 1200 mm, doch können auch andere Höhen verwendet werden. Ist die Maschinengeschwindigkeit niedriger als die Schwellengeschwindigkeit, und die Schaufelhöhe größer als die Schwellenhöhe, wird ein UND-Gatter 412 aktiviert, um ein Signal 414 zur Angabe eines Lastabladezustands bereitzustellen.
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In Bezug auf den Materialgrabzustand 402 vergleicht das Steuerschema 300 die Maschinenfahrgeschwindigkeit 308 bei einer Komparatorfunktion 418 mit einer Fahrgeschwindigkeit-Aktivierungsschwelle 416. In der veranschaulichten Ausführungsform bestimmt die Komparatorfunktion 418, ob die Maschinenfahrgeschwindigkeit 308 niedriger oder gleich einer Geschwindigkeits-Aktivierungsschwelle von zwischen 20 und 22 km/h mit Hysterese ist, doch können auch andere Geschwindigkeiten verwendet werden. Das Schaufelhubsignal 304 wird bei einem Komparator 422 mit einem unteren Schwellenwert (L-TH-L) 420 verglichen, um zu bestimmen, ob die Schaufelhöhe geringer als L-TH-L ist. In der veranschaulichten Ausführungsform beträgt L-TH-L etwa zwischen 450 und 550 mm mit Hysterese, doch können auch andere Höhen verwendet werden. Das Schaufelkippsignal 306 wird bei einer Komparatorfunktion 426 mit einer Kipp-Aktivierungsschwelle 424 verglichen. In der veranschaulichten Ausführungsform bestimmt die Komparatorfunktion 426, ob das Schaufelkippsignal 306 niedriger oder gleich einer Kipp-Aktivierungsschwelle von zwischen 15 und 20 Grad mit Hysterese ist, doch können auch andere Winkel verwendet werden. Ist die Maschinengeschwindigkeit niedriger als die Schwellengeschwindigkeit, die Schaufelhöhe niedriger als die Schwellenhöhe, und der Kippwinkel geringer als die Kippwinkelschwelle, wird ein UND-Gatter 428 aktiviert, um ein Signal 430 zur Angabe eines Materialgrabzustands bereitzustellen.
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Ist entweder das Signal 414 zur Angabe des Lastabladezustands oder das Signal 430 zur Angabe des Materialgrabzustands aktiviert, wird ein ODER-Gatter 432 aktiviert, welches wiederum das Herunterschalt-/Lösesignal 302 aktiviert und bereitstellt. Wenn in Abhängigkeit vom Getriebetyp und der Aufmachung des Antriebsstrangs der Maschine das Herunterschalt-/Lösesignal 302 bereitgestellt wird, kann das Signal 302 das Getriebe veranlassen, automatisch auf den nächstniedrigen Gang herunterzuschalten, einen Drehmomentwandler veranlassen, die Sperre aufzuheben, oder ein hydrostatisches Getriebe veranlassen, eine neue, niedrigere äquivalente Übersetzung anzunehmen, unter Vorwegnahme einer Drehmomentänderung in der Bewegung der Maschine, die dazu führen wird, dass die Maschine vor dem Abladen einer Nutzlast, vor dem Auftreffen des Schaufelwerkzeugs auf einen Materialhaufen, dem Eingriff in den Boden zum Graben und anderen ähnlichen Funktionen angehalten wird.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist auf beliebige Maschinen- oder Fahrzeugtypen, darunter Straßen- oder Geländefahrzeuge, anwendbar, die einen Antriebsstrang aufweisen, der eine Vorrichtung umfasst, die in der Lage ist, eine tatsächliche oder äquivalente Übersetzung zwischen einer Antriebsmaschine, zum Beispiel einem Motor, und Laufwerkselementen, zum Beispiel Rädern, zu variieren. In einer offenbarten Ausführungsform überwacht ein Steuersystem verschiedene Maschinenbetriebsparameter, einschließlich einer Stellung des Arbeitswerkzeugs und der Fahrgeschwindigkeit der Maschine. Auf der Grundlage dieser Parameter sagt das Steuersystem eine unmittelbar bevorstehende Veränderung in der Drehmomentlast des Antriebsstranges voraus, wie etwa die Arten von Lasten, die auftreten, wenn der Lader auf einen Materialhaufen trifft, eine Schaufel entlädt, oder gräbt, und verändert automatisch die effektive Übersetzung des Antriebsstrangs. Das Verändern der Übersetzung des Antriebsstrangs kann auf unterschiedliche Weisen in Abhängigkeit von der bestimmten Aufmachung des Antriebsstrangs der Maschine erfolgen. Zum Beispiel kann eine Pumpen- und/oder Motoreinstellung in einem hydrostatischen Getriebe verändert werden, eine Drehmomentwandlersperrkupplung ausgerückt werden, ein Zahnradgetriebe heruntergeschaltet werden usw.
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In einer Ausführungsform betrifft die Offenbarung daher ein Verfahren zur Vorhersage einer Drehmomentänderung in einem Maschinenantriebsstrang, wie in dem in 7 veranschaulichten Flussdiagramm dargestellt. Das Verfahren umfasst das Überwachen der Werkzeugstellung und der Maschinendrehzahl bei 502. Parameter in Verbindung mit der Werkzeugstellung können in Übereinstimmung mit dem bestimmten, durch die Maschine verwendeten Werkzeug ausgewählt werden. Zum Beispiel können in einem Radlader die Höhe einer Bolzenverbindung, die das Werkzeug, in diesem Fall eine Schaufel, mit den anhebbaren Armen der Maschine verbindet, sowie die Winkelorientierung der Schaufel relativ zu den Armen überwacht werden. Die Fahrgeschwindigkeit und die Werkzeugstellung werden bei 504 mit einem jeweiligen Schwellenwert oder Wertebereich verglichen. Wenn die Steuerung bei einer Bestimmung 506 bestimmt, dass die Fahrgeschwindigkeit unterhalb eines Schwellenwerts oder innerhalb eines Bereichs liegt, und bei einer Bestimmung 508, dass die Werkzeugstellung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wird wie hierin allgemein beschrieben bei 510 ein Herunterschaltbefehl ausgeführt.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur Beispiele des offenbarten Systems bzw. der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Implementierungen der Offenbarung sich im Detail von den vorstehenden Beispielen unterscheiden können. Alle Verweise auf die Offenbarung oder deren Beispiele sind als Verweis auf das speziell an dieser Stelle besprochene Beispiel zu verstehen und sollen keine Begrenzung des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen darstellen. Alle Formulierungen einer Unterscheidung und einer Herabsetzung bezüglich bestimmter Merkmale sollen eine geringere Bevorzugung für diese Merkmale angeben, jedoch diese nicht vom Bereich der Offenbarung ausschließen, falls nichts anderes angegeben ist.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert ist in die Beschreibung miteinbezogen, als ob er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in jedweder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, falls hier nichts anderes angegeben ist oder es zum konkreten Zusammenhang nicht in einem klaren Widerspruch steht.
