DE19751995A1 - Differentiallenksystem für eine Maschine - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Dif­ ferentiallenksystem für eine Maschine und insbesondere auf ein Differentiallenksystem mit verbessertem Wirkungs­ grad.

Differentiallenksysteme sind in der Technik bekannt zur Anwendung bei Bremslenkmaschinen und Raupenmaschinen. Das Differentiallenkprinzip basiert auf dem Vorsehen einer Eingangsgröße an ein Differential einer Maschine, was wirkungsvoll die Drehgeschwindigkeit von einer Aus­ gangswelle steigert und die Drehgeschwindigkeit der an­ deren Ausgangswelle senkt. Die Differenz der Drehge­ schwindigkeiten zwischen den jeweiligen Ausgangswellen bewirkt, daß sich die Maschine in Richtung der niedrig­ sten Ausgangsdrehzahl dreht. Der Drehgrad wird bestimmt durch den Grad der Differenz der Drehgeschwindigkeit zwi­ schen den jeweiligen Ausgangswellen. Die Eingangsgröße an das Differential kann auf ein Niveau gesteigert werden, was zur Folge hat, daß einer der Ausgänge eine Null-Dreh­ zahl erreicht, was bewirkt, daß die Maschine um das Rad oder die Raupe schwenkt, die sich nicht dreht. Genau so kann die Eingangsgröße an das Differential auf ein Niveau gesteigert werden, was bewirkt, daß einer der Ausgänge sich in der entgegengesetzten Richtung dreht, und mit ei­ ner Rate, die gleich der Drehrate bzw. -geschwindigkeit der anderen Ausgangswelle ist. Wenn ein Ausgang sich in einer Richtung dreht und der andere Ausgang sich in der anderen Richtung mit der gleichen Rate dreht, führt die Maschine eine Punktdrehung aus.

Beim Hauptteil der bekannten Maschinen mit Differential­ lenksystemen wird die Eingangsgröße an das Differential durch einen Strömungsmittelmotor vorgesehen. Viele dieser Systeme verwenden eine dafür vorgesehene Pumpe mit va­ riabler Verdrängung, die direkt mit dem Strömungsmittel­ motor in Regelungsweise (closed loop) verbunden ist, wor­ auf im allgemeinen als hydrostatische Antriebsschleife Bezug genommen wird. Bei diesen Systemen nimmt die Lei­ stung, die benötigt wird, um die Pumpe mit variabler Ver­ drängung zu drehen, auch bei einer Verdrängung von Null-Leistung vom Motor auf. Bei Maschinen, die keine häufigen Lenkeingaben erfordern, wird die Leistung verschwendet, die erforderlich ist, um die Pumpe zu drehen. Folglich wird der Gesamtwirkungsgrad der Maschine verringert.

Bei anderen Differentiallenksystemen ist der Strömungs­ mittelmotor mit einer dafür vorgesehenen Pumpe durch ein Richtungssteuerventil verbunden. Bei diesen Systemen ar­ beitet die Pumpe auf einem vorbestimmten Druckpegel und erzeugt eine konstante Flußrate. Wenn der Lenkeingabe­ motor nicht verwendet wird, wird der unter Druck gesetzte Fluß von der Pumpe zum Reservoir über ein Entlastungsven­ til oder eine andere Art von Steuerventil zurückgeführt. Wiederum wird die Leistung verschwendet, die benötigt wird, um die Pumpe auf dem vorbestimmten Druckpegel zu betreiben. Zusätzlich erzeugt bei diesen Systemen der Fluß, der zum Reservoir zurückgeführt wird, Wärme, die zusätzliche Kühlkapazität erfordert, um die Öltemperatur auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Die verschwendete Leistung und die Notwendigkeit für eine gesteigerte Kühl­ kapazität verringert den Gesamtbetriebswirkungsgrad der Maschine.

In anderen Systemen wird das unter Druck gesetzte Strö­ mungsmittel, welches benötigt wird, um den Lenkeingabe­ motor zu betreiben, von der Hauptsystempumpe genommen, wie beispielsweise der Werkzeugpumpe, um die extra dafür vorgesehene Pumpe zu eliminieren. Jedoch ist es bei die­ sen Arten von Systemen normalerweise nötig, eine größere Pumpe vorzusehen, um die kombinierten Flußanforderungen von sowohl dem Werkzeugsystem als auch dem Lenkeingabemo­ tor zu erfüllen. Größere Pumpen erfordern mehr Leistung, um sie anzutreiben. Wie oben bemerkt, fordern größere Pumpen normalerweise größere Kühlsysteme, um die Tempe­ ratur des Öls auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Folglich wird der Gesamtbetriebswirkungsgrad der Maschine gesenkt.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Differentiallenksystem vorgesehen und zur Anwendung in einer Maschine geeignet, die einen Motor besitzt, eine Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel, die mit einem Arbeitssystem verbunden ist, ein Differential bzw. Differentialgetriebe, welches zwischen ersten und zweiten Ausgängen angeordnet ist, und einen Lenkeingabemechanis­ mus. Das Differentiallenksystem weist einen Lenkmotor mit variabler Verdrängung auf, und zwar mit einem Verdrän­ gungseinstellmechanismus und einer Ausgangswelle, die mit dem Differential verbunden ist. Der Lenkmotor ist strö­ mungsmittelmäßig mit der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel verbunden. Der Verdrängungseinstellmecha­ nismus ist in entgegengesetzten Richtungen von einer Null-Verdrängungs-Position zu einer Maximalverdrän­ gungsposition beweglich. Ein Lenkmotoreingabesteuermecha­ nismus ist mit dem Verdrängungseinstellmechanismus ver­ bunden und ansprechend auf den Lenkeingabemechanismus be­ treibbar, um die Verdrängung des Lenkmotors zu steuern. Ein erster Sensor ist mit dem Lenkeingabemechanismus as­ soziiert und ist betreibbar, um die Richtung und den Grad der Drehung des Lenkeingabemechanismus abzufühlen. Ein zweiter Sensor ist mit der Ausgangswelle des Lenkmotors assoziiert und ist betreibbar, um die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit der Lenkmotorausgangswelle ab zu­ fühlen. Ein Mikroprozessor ist vorgesehen und ist be­ treibbar, um die abgefühlten Signale von den ersten und zweiten Sensoren aufzunehmen, und um ein Steuersignal an den Lenkmotoreingabesteuermechanismus zu liefern, um die Verdrängung des Lenkmotors ansprechend auf die Bewegung des Lenkeingabemechanismus zu verändern.

Fig. 1 ist eine teilweise diagrammartige und teilweise schematische Darstellung eines Differentiallenk­ systems, welches die vorliegende Erfindung ver­ körpert;

Fig. 2 ist ein Graph, der eine typische Beziehung zwi­ schen der Verdrängung eines Lenkmotors und seinem Ausgangsdrehmoment darstellt;

Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Aus­ gangsdrehzahl des Lenkmotors und dem Flußvolumen darstellt, welches über den Lenkmotor geleitet wird; und

Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Drehzahl des Lenkmotors und dem Schwenk- bzw. Lenkradius der Maschine bei verschiedenen Ma­ schinendrehzahlen darstellt.

Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere Fig. 1 ist eine Maschine 10 sehr allgemein veranschaulicht. Die Ma­ schine 10 weist einen Motor 12 auf, eine Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel 14, ein Arbeitssystem 16, welches mit der Pumpe 14 verbunden ist, ein Differential bzw. Differentialgetriebe 18, welches mit dem Motor 12 durch ein Getriebe 20 verbunden ist, erste und zweite Ausgänge 22, 24, die sich vom Differential 18 erstrecken, und einen Lenkeingabemechanismus 26. Eine Welle 28 ist zwischen dem Motor 12 und dem Getriebe 20 angeschlossen. Ein Differentiallenksystem 30 ist vorgesehen und ist be­ treibbar, um die Laufrichtung der Maschine 10 sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung zu steuern. Die ersten und zweiten Ausgänge 22, 24 aus dem Differential 18 sind treibend mit jeweiligen linken und rechten An­ trieben 32, 34 durch jeweilige Ausgangswellen 36, 38 ver­ bunden. Die linken und rechten Antriebe bzw. Antriebs­ mittel 36, 38 könnten in Form von Raupen oder Rädern sein.

Die Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel 14 könnte irgendeine Art von Hydraulikpumpe sein und könnte entweder eine Bauart mit variabler oder fester Verdrän­ gung sein. Jedoch wird bei der gegenwärtigen Anordnung eine Pumpe mit variabler Verdrängung bevorzugt. Es sei bemerkt, daß die Pumpe einen maximal verfügbaren Fluß be­ sitzt, der auf der Betriebsgeschwindigkeit bzw. -drehzahl der Pumpe basiert, und auf ihrem Fluß pro Umdrehung bei maximaler Verdrängung.

Das Arbeitssystem 16 weist mindestens eine Betätigungs­ vorrichtung und ein assoziiertes Steuerventil auf, um die Bewegung der Betätigungsvorrichtung zu steuern. Es sei bemerkt, daß das Arbeitssystem 16 mehr als eine Betäti­ gungsvorrichtung und assoziierte Steuerventile aufweisen könnte. Wie gezeigt, wird das ausgelassene Strömungsmit­ tel aus dem Arbeitssystem 16 zu einem Reservoir 39 ge­ leitet.

Das Differentiallenksystem 30 weist einen Lenkmotor 40 mit variabler Verdrängung auf, einen Lenkmotor-Eingabe­ steuermechanismus 42, erste und zweite Sensoren 44, 46 und einen Mikroprozessor 50. Der Lenkmotor 40 ist strö­ mungsmittelmäßig mit der Pumpe 14 durch eine Leitung 52 verbunden und besitzt einen Verdrängungseinstellmecha­ nismus 54 und eine Ausgangswelle 56. Eine erste hydrau­ lisch betriebene Bremse 57 ist mit der Ausgangswelle 56 des Lenkmotors 40 verbunden und ist betreibbar, um selek­ tiv die Ausgangswelle 56 von einer Drehung abzuhalten. Ein elektrisch betätiges Steuerventil 58 steuert die Be­ tätigung der ersten Bremse 57. Der Verdrängungseinstell­ mechanismus 54 ist bewegbar von einer Null-Verdrängung oder Neutral-Position in entgegengesetzten Richtungen auf eine Maximal-Verdrängungsposition, die in der Zeichnung mit "L" und "R" bezeichnet wird. Ein Positionssensor 59 ist mit dem Verdrängungseinstellmechanismus 54 assoziiert und ist betreibbar, um ein elektrisches Signal an den Mi­ kroprozessor 50 zu leiten, welches die Position des Ver­ drängungseinstellmechanismus 54 darstellt.

Der Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus 42 ist zwischen dem Verdrängungseinstellmechanismus 54 und dem Lenkein­ gabemechanismus 26 verbunden bzw. angeschlossen. Der Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus 42 weist einen mecha­ nischen Mechanismus 60 auf. In der vorliegenden Anordnung weist der mechanische Mechanismus 60 eine Zahnstangen- Zahnrad-Verbindung 61 zwischen einer Welle 62 des Lenk­ eingabemechanismus und des Verdrängungseinstellmechanis­ mus 54 auf. Eine hydraulische Betätigungsvorrichtung 64 ist zwischen der Zahnstangen-Zahnrad-Verbindung 61 und dem Verdrängungseinstellmechanismus 54 angeordnet. Die hydraulische Betätigungsvorrichtung 64 ist selektiv be­ weglich, um eine Einstellung für den Verdrängungsein­ stellmechanismus 54 vorzusehen, um irgendwelche Fehler zwischen dem Grad der Lenkung bzw. Lenkbewegung, die vom Lenkeingabemechanismus 26 angefordert wird, und der dar­ aus resultierenden Ausgangsgröße aus dem Lenkmotor 40 zu kompensieren. Ein elektromagnetbetätigtes Steuerventil 66 ist zwischen der hydraulischen Betätigungsvorrichtung 64 und der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel 14 angeordnet und ist betreibbar, um die Position der hy­ draulischen Betätigungsvorrichtung 64 zu steuern.

Der erste Sensor 44 ist betreibbar, um die Richtung und den Grad der Drehung der Welle 62 des Lenkeingabemecha­ nismus 26 abzufühlen. Der zweite Sensor 46 ist betreib­ bar, um die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der Lenkmotorausgangswelle 56 abzufühlen.

Dritte, vierte und fünfte Sensoren 68, 70, 72 sind je­ weils mit den ersten und zweiten Ausgangswellen 22, 24 und der Motorausgangswelle 28 assoziiert. Die dritten, vierten und fünften Sensoren 68, 70, 72 sind betreibbar, um die Richtung und Drehzahl der jeweiligen Ausgangswel­ len 22, 24, 28 abzufühlen.

Zweite und dritte Bremsen 74, 76 sind mit den jeweiligen ersten und zweiten Ausgangswellen 36, 38 verbunden und sind betreibbar, um selektiv die Drehgeschwindigkeit der jeweiligen Ausgangswellen 36, 38 zu steuern. Erste und zweite elektrisch betätigte Proportionalventile 78, 80 sind jeweils zwischen der Quelle von unter Druck gesetz­ tem Strömungsmittel 14 und den jeweiligen zweiten und dritten Bremsen 74, 76 verbunden. Die ersten und zweiten elektrisch betätigten Proportionalventile 78, 80 und das elektromagnetbetätigte Steuerventil 66 sind mit der Hy­ draulikpumpe 14 stromabwärts eines elektrisch gesteuerten Akkumulatorladeventils 82 verbunden.

Ein Akkumulator 84 ist mit der Hydraulikpumpe 14 stromab­ wärts des Akkumulatorladeventils 82 verbunden und ist be­ reibbar, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel an das elektrisch betätigte Steuerventil 58 und die ersten und zweiten elektrisch betätigten Proportionalventile 78, 80 zu liefern, und zwar in dem Fall, daß die Hydraulikpumpe 14 nicht das benötigte Strömungsmittel mit dem erwünsch­ ten Druck erzeugen kann. Ein sechster Sensor 85 ist mit dem Akkumulator 84 verbunden und ist betreibbar, um ein elektrisches Signal an den Mikroprozessor 50 zu leiten, welches das Druckniveau im Akkumulator 84 darstellt.

Der Mikroprozessor 50 empfängt kontinuierlich die Signale von den ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften und sechsten Sensoren 44, 46, 68, 70, 72, 85 und dem Posi­ tionssensor 59. Es sei bemerkt, daß die Sensoren 68, 70 die gleiche Information liefern können, die vom Sensor 46 geliefert wird, da die Drehzahl der Ausgangswelle 46 di­ rekt proportional zur Drehzahldifferenz zwischen den lin­ ken und rechten Ausgangswellen 36, 38 ist. Eine Bediener­ befehlseingabesteuerung 86 leitet ein Signal an den Mi­ kroprozessor 50, um das Arbeitssystem 16 zu steuern. Der Mikroprozessor 50 sieht elektrische Signale vor, um den Betrieb des jeweiligen elektrisch betätigten Steuerven­ tils 58 und der ersten und zweiten elektrisch betätigten Proportionalventile 78, 80 zu steuern. Der Mikroprozessor 50 liefert auch ein elektrisches Signal, um die Verdrän­ gung der Hydraulikpumpe 14 zu steuern. Indem er die Dreh­ zahl des Motors 12 kennt, steuert der Mikroprozessor 50 die Verdrängung der Hydraulikpumpe 14, um den benötigten Fluß für das System 16 und den Lenkmotor 40 zu liefern.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Graph bzw. eine Kurve ver­ anschaulicht und stellt im allgemeinen bei einem gegebe­ nen Druck der Hydraulikpumpe 14 die Beziehung zwischen der Verdrängung des Lenkmotors 40 und dem daraus resul­ tierenden Drehmoment der Ausgangswelle 56 dar. Die Ver­ tikalachse stellt die Lenkmotorverdrängung von einer Ver­ drängung von Null zu ihrer maximalen Verdrängung dar. Die Horizontalachse stellt die Drehmomentausgabe in der Welle 56 von einem Drehmoment von Null bei einer Verdrängung von Null zu steigendem Drehmoment bei steigenden Verdrän­ gungen des Lenkmotors 40 dar. Bei einer gegebenen Ver­ drängung des Lenkmotors 40 beispielsweise, wie von der Horizontallinie 88 dargestellt, wird ein Drehmoment in der Welle 56 erzeugt, wie von der Vertikallinie 90 darge­ stellt. Das Differential 18 erfordert unterschiedliche Drehmomentniveaus, um die Ausgangswelle 56 mit verschie­ denen Drehgeschwindigkeiten zu drehen.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein Graph veranschaulicht und stellt im allgemeinen die Beziehung zwischen dem Strö­ mungsmittelvolumen dar, welches durch den Lenkmotor 40 geleitet wird, und der Drehzahl der Ausgangswelle 56 des Lenkmotors 40. Die Vertikalachse stellt das Flußvolumen dar, welches durch den Lenkmotor 40 läuft, und die Hori­ zontalachse stellt die daraus resultierende Drehzahl der Lenkmotorausgangswelle 56 dar. Verschiedene Lenkmotorver­ drängungspositionen werden durch Linien 92, 94, 96 veran­ schaulicht. Für eine gegebene Verdrängungseinstellung des Lenkmotors 40 läuft ein gegebenes Strömungsmittelvolumen durch den Lenkmotor 40, wie durch eine horizontale ge­ strichelte Linie 98 dargestellt, die resultierende Dreh­ zahl der Ausgangswelle 56 wird durch eine vertikale ge­ strichelte Linie 100 dargestellt. Für die gleiche Ver­ drängungseinstellung und ein unterschiedliches Strö­ mungsmittelvolumen folgt genauso, durch eine gestrichelte Linie 102 dargestellt, eine geringere Ausgangsdrehzahl, wie von einer gestrichelten Linie 104 dargestellt. Für eine andere Verdrängung des Lenkmotors 40, wie durch die Linie 94 dargestellt, resultiert eine Flußrate wie von einer gestrichelten Linie 106 dargestellt, in einer Aus­ gangsdrehzahl, wie von einer gestrichelten Linie 108 dar­ gestellt. Für noch eine weitere Verdrängung des Lenkmo­ tors 40, wie von der Linie 96 dargestellt, resultiert ei­ ne Flußrate, wie von einer gestrichelten Linie 110 darge­ stellt, in einer Ausgangsdrehzahl, wie von einer gestri­ chelten Linie 112 dargestellt. Es sei bemerkt, daß, wenn die Verdrängungseinstellung des Lenkmotors 40 gesenkt wird, die gleiche Flußrate durch den Lenkmotor 40 in ei­ ner höheren Ausgangsdrehzahl für die Ausgangswelle 56 re­ sultiert.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein Graph veranschaulicht und stellt im allgemeinen die Beziehung zwischen der Aus­ gangsdrehzahl des Lenkmotors 40 und dem Schwenk- bzw. Lenkradius der Maschine 10 dar. Die Vertikalachse stellt die Ausgangsdrehzahl des Lenkmotors 40 von einer Ge­ schwindigkeit von Null aufwärts dar, und die Horizontal­ achse stellt den Lenkradius der Maschine 10 von einer Schwenkdrehung bzw. Punktdrehung am linken Ende zu einem im wesentlichen geraden Lauf am rechten Ende dar. Ver­ schiedene Fahrzeugbodengeschwindigkeiten werden durch je­ weilige Linien 114, 116, 118, 120 abgebildet. Die von der Linie 114 gezeigte Boden- bzw. Fahrgeschwindigkeit ist die größte, und die von der Linie 120 gezeigte Fahr­ geschwindigkeit ist die kleinste.

Wenn man eine Fahrzeugfahrgeschwindigkeit wie von der Li­ nie 114 abgebildet betrachtet, resultiert eine Lenkmo­ torausgangsdrehzahl, wie von einer Linie 122 angezeigt, in einem Lenkradius, wie von einer Linie 124 angezeigt. Wenn man genauso eine Fahrzeugfahrgeschwindigkeit, wie von der Linie 120 angezeigt, betrachtet, resultiert eine Lenkmotorausgangsdrehzahl, wie von einer Linie 126 ange­ zeigt, in einem Lenkradius, wie von einer Linie 128 an­ gezeigt. Wie aus einer Ansicht des Graphen bzw. der Kur­ vendarstellung leicht verständlich wird, kann die Maschi­ ne, wenn die Boden- bzw. Fahrgeschwindigkeit der Maschine 10 langsamer ist, die Maschine 10 den gleichen Lenkradius mit einer langsameren Motorausgangsdrehzahl erreichen. Wie man im Graphen sieht, wird die Maschine 10, wenn bei einer ausgewählten Fahrgeschwindigkeit der Maschine 10 die Motorausgangsdrehzahl gesenkt wird, sich um einen größeren Lenkradius drehen, und wenn die Motordrehzahl gesteigert wird, wird der Lenkradius kleiner gemacht.

Es sei bemerkt, daß verschiedene Formen der vorliegenden Maschine 10 und des Differentiallenksystems verwendet werden könnten, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte der Lenkeingabesteu­ ermechanismus 42 eine wohl bekannte Automobil-Lenkeinheit sein, wobei eine Lenkeingabe durch den Bediener hydrau­ lisch an den Verdrängungseinstellmechanimus 54 übermit­ telt wird. Genauso könnten der Lenkmotor 40, die erste Bremse 57 und die Ausgangswelle 56 alle ein integraler Teil des Differentials sein und allgemein mit Differen­ tiallenkmechanismus bezeichnet werden.

Wenn die vorliegende Maschine 10 in gerader Linie fährt, liefert der Mikroprozessor 50 ein Signal an das Steuer­ ventil 58, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel zu liefern, um die erste Bremse 57 zu betätigen, was somit verhindert, daß sich die Ausgangswelle 56 des Lenkmotors 40 dreht. Da sich die Ausgangswelle 56 nicht dreht, ar­ beitet das Differential 18 in wohl bekannter Weise, um Leistung an die linken und rechten Antriebsmittel 32, 34 zu liefern. Falls erwünscht ist, die Maschine 10 nach links zu lenken, nimmt der Bediener eine Eingabe am Len­ keingabemechanismus 26 vor. Die Bedienereingabe wird durch den Lenkmotoreingabesteuermechanismus 42 an den Verdrängungseinstellmechanismus 54 geleitet, um entspre­ chend die Verdrängung des Lenkmotors 40 zu verändern. Der erste Sensor 44 detektiert die Richtung und den Grad der Drehung der Welle 62 und leitet ein Signal, welches diese anzeigt an den Mikroprozessor 50. Der Mikroprozessor 50 leitet ein Signal an das Steuerventil 58, um die erste Bremse 57 zu lösen. Sobald die Verdrängung bzw. Verschie­ bung oder Betätigung des Lenkmotors 40 vorgenommen worden ist, zwingt unter Druck gesetztes Strömungsmittel von der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel 14 die Ausgangswelle 56 zur Drehung. Wie in Fig. 3 veranschau­ licht, hat ein gegebenes Strömungsmittelvolumen, welches durch den Lenkmotor 40 fließt zur Folge, daß die Aus­ gangswelle 56 sich mit einer vorbestimmten Geschwindig­ keit dreht. Die Geschwindigkeit der Ausgangswelle 56, die durch das Differential wirkt, bewirkt, daß die ersten und zweiten Ausgangswellen 36, 38 des Differentials 18 sich mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen, was dahingehend wirkt, daß sich die Maschine 10 um einen vorbestimmten Lenkradius dreht. Der Mikroprozessor 50 vergleicht den daraus resultierenden Lenkradius, wie er von den dritten und vierten Sensoren 68, 70 detektiert wird, mit dem ge­ wünschten Lenkradius, wie von der Eingabe des Bedieners angefordert. Wenn der daraus resultierende tatsächliche Lenkradius nicht korrekt ist, leitet der Mikroprozessor 50 ein Signal an das Steuerventil 66. Das Steuerventil 66 wiederum leitet unter Druck gesetztes Strömungsmittel an die Betätigungsvorrichtung 64, um die Position des Ver­ drängungseinstellmechanismus 54 einzustellen, der wie­ derum das Drehmoment an die Ausgangswelle 56 einstellt. Durch Einstellen des Drehmomentes an die Ausgangswelle 56 und ihrer Drehzahl wird der Lenkradius verändert, um mit dem übereinzustimmen, der von der Eingabe des Bedieners angefordert wurde.

Wie zuvor mit Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 dargelegt, steht das Ausgangsdrehmoment aus dem Lenkmotor 40 an die Ausgangswelle 56 direkt mit der Verdrängung des Lenkmo­ tors 40 in Beziehung. Genauso steht die Ausgangsdrehzahl des Lenkmotors 40 direkt mit dem Lenkradius in Beziehung, und die Drehzahl der Ausgangswelle 56 steht direkt mit dem Strömungsmittelvolumen in Beziehung, welches über den Lenkmotor 40 geleitet wird. Wenn daher das benötigte Drehmoment zur Drehung der Ausgangswelle 56 mit der ge­ wünschten Drehzahl niedrig ist, ist auch der von der Hy­ draulikpumpe 14 erforderliche Strömungsmittelfluß nie­ drig. Indem man die Flußanforderungen des Lenkmotors 40 so niedrig wie möglich hält, gestattet er einen gleich­ zeitigen Betrieb des Arbeitssystems 16 und des Lenkmotors 40, ohne den Gesamtsystemwirkungsgrad zu senken.

Im Fall eines Pumpen- oder Motorversagens liefert der Ak­ kumulator 84 unter Druck gesetztes Strömungsmittel an das elektrisch betätigte Steuerventil 58 und die ersten und zweiten Proportionalventile 78, 80, was eine Notlenkung gestattet. Die Notlenkung wird durch den Mikroprozessor 50 erreicht, der selektiv die Betätigung der zweiten und dritten Bremsen 74, 76 ansprechend auf die Soll-Lenkein­ gabe steuert. Im Fall einer Notlenkung wird die Verdrän­ gung des Lenkmotors 40 auf eine Null-Verdrängungsposition bewegt.

Wie in Fig. 4 zu sehen, steigt, wenn sich der Dreh- bzw. Lenkradius einer Schwenk- bzw. Punktdrehung nähert, die erforderliche Drehzahl des Ausgangs 56 aus dem Lenkmotor 40. Um die Drehzahl der Welle 56 zu steigern, muß das Flußvolumen, welches über den Lenkmotor 40 geleitet wird, für eine gegebene Lenkmotorverdrängung gesteigert werden. Für den gegebenen Druckpegel im System hat die Steigerung der Verdrängung des Lenkmotors 40 eine Steigerung des Ausgangsdrehmomentes der Ausgangswelle 56 zur Folge. Be­ kannterweise fordert die Steigerung der Drehmomentaus­ gangsgröße aus dem Lenkmotor zusätzliche Leistung vom Mo­ tor 12 und erfordert auch zusätzlichen Fluß und/oder Druck von der Hydraulikpumpe 14.

Wenn die Maschine große Mengen an Leistung und/oder Fluß für das Arbeitssystem zum gleichen Zeitpunkt benötigt, wenn es einen kleinen oder engen Lenkradius erreichen muß, kann der Motor 12 stottern bzw. absterben (lug) und/oder die Hydraulikpumpe 14 kann ihre maximale Flußfä­ higkeit erreichen. Wenn es keinen ausreichenden Fluß und Druck an den Lenkmotor 40 gibt, um das notwendige Drehmo­ ment zur Drehung der Ausgangswelle 56 mit der benötigten Drehzahl zu drehen, wird die Maschine 10 nicht den ge­ wünschten Lenkradius ausführen. Wenn der Mikroprozessor 50 detektiert, daß die Flußfähigkeit bzw. Flußkapazität der Hydraulikpumpe 14 ihre maximale Flußkapazität er­ reicht, wirkt das Differentiallenksystem 30 durch die bremsunterstützte Lenkung, um die Lenkung der Maschine 10 zu unterstützen.

Wenn die Maschine 10 mit einem kleinen Lenkradius nach links gelenkt wird, und der Mikroprozessor 50 detektiert, daß die Hydraulikpumpe 14 ihre maximale Flußkapazität er­ reicht, leitet der Mikroprozessor 50 ein Signal an das Steuerventil 78, was eine Bremskraft an die zweite Bremse 74 liefert, welche proportional zum Signal vom Mikro­ prozessor 50 ist. Die Kraft, die auf die zweite Bremse 74 aufgebracht wird, verzögert weiter die Geschwindigkeit der ersten Ausgangswelle 36, die wirkungsvoll das an der Ausgangswelle 56 benötigte Drehmoment reduziert, um den gewünschten Lenkradius zu bewirken. Das Lenken nach rechts mit einem kleinen Lenkradius würde in der gleichen Weise durchgeführt werden, indem der Mikroprozessor 50 ein Signal an das zweite Proportionalventil 80 leitet, um proportional die rechte Bremse 76 anzuwenden.

Die Anwendung der jeweiligen zweiten und dritten Bremsen 74, 76, um bei der Lenkung zu helfen, ist vorzugsweise auf die Anwendung während engen Kurven eingeschränkt. Dies basiert auf der Tatsache, daß man mehr Leistung be­ nötigt, um die Ausgangswelle 74/76 des Differentials 18 während eines fortgeschritteneren bzw. graduelleren oder stetigeren Lenkradius zu bremsen. Da Leistung gleich der Drehzahl des gebremsten Elementes mal dem Drehmoment ist, ist es besser, die Bremswirkung aufzubringen, wenn die Drehzahl der Ausgangswelle 74, 76 sich mit niedrigerer Rate dreht. Durch Anwendung der bremsunterstützten Len­ kung nur bei einem engen Lenkradius wird der Gesamtsy­ stemwirkungsgrad verbessert, während man immer noch die erforderliche Lenkfähigkeit vorsieht. Die Anwendung einer bremsunterstützten Lenkung sieht die Möglichkeit vor, ei­ nen kleineren Lenkmotor 40 zu verwenden, da die Größe des Lenkmotors 40 direkt proportional zum maximal erforderli­ chen Drehmoment ist, welches benötigt wird, um den Mecha­ nismus im Differential 18 anzutreiben. Indem man die Grö­ ße des Lenkmotors 40 klein hält, sieht man auch die Mög­ lichkeit vor, die Hauptquelle für unter Druck gesetztes Strömungsmittel 14 klein zu halten.

Im Hinblick auf das Obige ist es leicht offensichtlich, daß das vorliegende Differentiallenksystem 30 die benö­ tigte Lenkfähigkeit mit einem verbesserten Systemwir­ kungsgrad vorsieht. Der verbesserte Systemwirkungsgrad wird vorgesehen durch Anwendung eines Lenkmotors 40 mit variabler Verdrängung, der eine Ausgangsdrehzahl für die Ausgangswelle 56 vorsieht, die die Lenkanforderungen zu­ friedenstellt, ohne einen übermäßig großen Lenkfluß von der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel an das Reservoir zu leiten. Zusätzlich kann durch Anwendung der bremsunterstützten Lenkung in Kombination mit dem Lenkmotor 40 in dem System erforderliche Hydrauliklei­ stung verringert werden, und die Größe des Lenkmotors 40 mit variabler Verdrängung und/oder der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel 14 kann bezüglich der Nennkapazität kleiner sein.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile dieser Erfindung kön­ nen aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Differentiallenksystem ist zur Anwendung in einer Ma­ schine vorgesehen und weist einen Motor mit variabler Verdrängung auf, der betriebsmäßig mit einem Differential verbunden ist, welches zwischen ersten und zweiten Aus­ gangsgliedern angeordnet ist. Der Motor mit variabler Verdrängung ist eine übermittige Bauart und die Verdrän­ gung davon wird von Null auf Maximum in beiden Richtungen der Bewegung variiert. Unter Druck gesetztes Strömungs­ mittel zum Antrieb des Lenkmotors wird von der Hauptsy­ stempumpe empfangen. Ein Mikroprozessor fühlt die Rich­ tung und Rate der Drehung des Lenkmotorausgangs ab, die Drehzahl der Ausgänge aus dem Differential und die Größe der Lenkeingabe, und steuert die Ausgangsdrehzahl des Lenkmotors an das Differential ansprechend auf die Größe der Lenkeingabe. Folglich ist die von der Hauptsystem­ pumpe aufgenommene Strömungsmittelmenge nur auf jene be­ grenzt, die notwendig ist, um den Lenkmotor mit einer Ra­ te zu drehen, die notwendig ist, um die gewünschte Len­ keingangsgröße zu erfüllen. Da der Lenkmotor nur den Fluß verwendet, der notwendig ist, um den Lenkmotorausgang mit einer gewünschten Drehzahl zu drehen, und da das Lenkmo­ tordrehmoment im allgemeinen proportional zur Lenk­ motorverdrängung ist, wird der Gesamtbetriebswirkungsgrad im Vergleich mit bekannten Differentiallenksystemen ge­ steigert.

Claims (13)

1. Differentiallenksystem, welches zur Anwendung in ei­ ner Maschine geeignet ist, und zwar mit einem Motor, einer Quelle von unter Druck gesetztem Strömungs­ mittel, die mit einem Arbeitssystem verbunden ist, mit einem Differential bzw. Differentialgetriebe, welches zwischen ersten und zweiten Ausgängen ange­ ordnet ist und mit einem Lenkeingabemechanismus, wo­ bei das Differentiallenksystem folgendes aufweist:
einen Lenkmotor mit variabler Verdrängung mit einem Verdrängungseinstellmechanismus, der strömungsmit­ telmäßig mit der Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel verbunden ist, wobei der Lenkmotor eine Ausgangswelle besitzt, die mit dem Differential verbunden ist, und wobei der Verdrängungseinstellme­ chanismus in entgegengesetzte Richtungen von einer Null-Verdrängungsposition auf eine Maximalverdrän­ gungsposition beweglich ist;
einen Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus, der mit dem Verdrängungseinstellmechanismus des Lenkmotors verbunden ist und ansprechend auf den Lenkeingabeme­ chanismus betreibbar ist, um die Verdrängung des Lenkmotors zu steuern;
einen ersten Sensor, der mit dem Lenkeingabemecha­ nismus assoziiert ist und betreibbar ist, um die Richtung und den Grad der Drehung des Lenkeingabeme­ chanismus abzufühlen;
einen zweiten Sensor, der mit der Ausgangswelle des Lenkmotors assoziiert ist und betreibbar ist, um die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit der Lenkmo­ torausgangswelle abzufühlen; und
einen Mikroprozessor, der betreibbar ist, um die ab­ gefühlten Signale von den ersten und zweiten Senso­ ren zu empfangen, und um ein Steuersignal an den Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus zu liefern, um die Verdrängung des Lenkmotors ansprechend auf die Bewegung des Lenkeingabemechanismus zu verändern.

2. Differentiallenksystem nach Anspruch 1, welches eine Bremse aufweist, die mit der Lenkmotorausgangswelle verbunden ist.

3. Differentiallenksystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bremse angewandt wird, wenn sowohl die ersten als auch die zweiten Ausgänge aus dem Differential sich in die gleiche Richtung und im wesentlichen mit der gleichen Rate drehen.

4. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Bremse durch Druck aufgebracht wird.

5. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei der Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus eine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkeingabemechanismus und dem Lenkmotor-Verdrängungseinstellmechanismus auf­ weist.

6. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei der Lenkmotor-Eingabesteuermechanismus eine hydraulische Betätigungsvorrichtung aufweist, die in den Mecha­ nismen zwischen dem Lenkeingabemechanismus und dem Lenkmotor-Verdrängungseinstellmechanismus angeordnet ist, und zwar betreibbar ansprechend darauf, daß der Mikroprozessor einen Fehler zwischen der gewünschten Ausgangsdrehzahl der Lenkmotorausgangswelle und der tatsächlichen Drehzahl der Lenkmotorausgangswelle detektiert, um die Position des Verdrängungsein­ stellmechanismus einzustellen, um den Fehler zu eli­ minieren.

7. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, welches ei­ nen Akkumulator aufweist, der mit der Quelle von un­ ter Druck gesetztem Strömungsmittel durch ein elek­ trisch gesteuertes Akkumulatorladeventil verbunden ist.

8. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, welches ein elektrisch gesteuertes Richtungsventil aufweist, welches zwischen dem Akkumulator und der hydrauli­ schen Betätigungsvorrichtung angeordnet ist und be­ treibbar ist, um die Bewegung der hydraulischen Be­ tätigungsvorrichtung ansprechend auf den Empfang ei­ nes elektrischen Signals vom Mikroprozessor zu steu­ ern.

9. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, welches zweite und dritte Bremsen aufweist, die jeweils mit den ersten und zweiten Ausgängen aus dem Differen­ tial verbunden sind, und selektiv betreibbar sind, um beim Lenken der Maschine zu helfen, und zwar im­ mer dann, wenn die Drehgeschwindigkeit von einem der ersten und zweiten Ausgänge aus dem Differential sich in einem Drehzahlbereich zwischen ungefähr 20% der Drehgeschwindigkeit des anderen und Null dreht.

10. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Quelle von unter Druck gesetztem Strömungsmittel ei­ ne maximal verfügbare Flußrate besitzt, und wobei die jeweiligen der zweiten und dritten Bremsen se­ lektiv aufgebracht werden, und zwar ansprechend dar­ auf, daß der Fluß von der Quelle von unter Druck ge­ setztem Strömungsmittel im allgemeinen seine maximal verfügbare Flußrate erreicht.

11. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei das Eingangsdrehmoment an das Differential eine Diffe­ rentialdrehzahl bzw. -geschwindigkeit zwischen den ersten und zweiten Ausgängen des Differentials vor­ sehen muß, und wobei ein Ausgangsdrehmoment vom Lenkmotor erzeugt wird, welches im allgemeinen pro­ portional zur Verdrängung des Lenkmotors ist, wobei die jeweilige eine der zweiten und dritten Bremsen selektiv aufgebracht bzw. angewandt wird, wenn das vom Differential angeforderte Drehmomentniveau im allgemeinen dem vom Lenkmotor erzeugten Drehmoment gleich ist oder es überschreitet.

12. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, wobei er­ ste und zweite elektromagnetbetätigte Ventile zwi­ schen der Quelle von unter Druck gesetztem Strö­ mungsmittel und der jeweiligen zweiten und dritten Bremse positioniert sind, und wobei der Mikroprozes­ sor ein Signal an das geeignete der ersten und zwei­ ten elektromagnetbetriebenen Ventile liefert, um proportional die zweite oder dritte Bremse anzuwen­ den.

13. Differentiallenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten elektromagnetbetriebenen Ventile mit dem Akkumulator stromabwärts des Akkumulatorla­ deventils verbunden sind.