DE19931141B4

DE19931141B4 - Fahrzeug-Antriebsanordnung

Info

Publication number: DE19931141B4
Application number: DE19931141A
Authority: DE
Inventors: Lars Kjaer; Per Lindholdt; Asger Flintholm
Original assignee: Sauer Danfoss Holding ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions Holding ApS
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-07-07
Also published as: US6422333B1; GB0015237D0; GB2351716B; GB2351716A; DE19931141A1

Abstract

Es wird eine Fahrzeug-Antriebsanordnung mit mindestens zwei angetriebenen Rädern (2-5) angegeben, deren Antriebsmomente durch eine Steuereinrichtung einzeln regelbar sind, wobei die Steuereinrichtung mit einer Sensoranordnung mit mindestens einem Sensor (12, 13, 15-18) verbunden ist. DOLLAR A Mit einer derartigen Antriebsanordnung möchte man den Radschlupf verhindern. DOLLAR A Hierzu ermittelt die Steuereinrichtung (20) mit Hilfe eines Signals der Sensoranordnung (12, 13, 15, 16) für jedes Rad (2-5) fortlaufend ein maximales Drehmoment, ermittelt das Antriebsmoment eines jeden Rades (2-5) fortlaufend und verkleinert das Antriebsmoment dem Betrag nach, wenn das ermittelte Antriebsmoment einen vorbestimmten Grenzabstand zum maximalen Drehmoment nicht mehr einhält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Antriebsanordnung mit mindestens zwei angetriebenen Rädern, deren Antriebsmomente durch eine Steuereinrichtung einzeln regelbar sind, wobei die Steuereinrichtung mit einer Sensoranrodnung mit mindestens einem Sensor verbunden ist.

Eine derartige Fahrzeug-Antriebsanordnung ist aus DE 196 38 421 A1 bekannt. Das dort beschriebene Fahrzeug ist hydraulisch angetrieben. Die Steuereinrichtung ist mit mehreren Sensoren verbunden. Eine Gruppe von Sensoren ermittelt die jeweilige Geschwindigkeit der Räder. Ein weiterer Sensor stellt fest, ob das Fahrzeug sich auf einer geneigten Fläche bewegt, deren Neigungswinkel größer als 7° ist. Durch Vergleich der Rollgeschwindigkeiten der Räder, die sich aufgrund der Raddimensionen und der Umdrehungsgeschwindigkeiten ergeben, wird ein Radschlupf errechnet. Wenn der Radschlupf zu groß wird, d.h. wenn die Geschwindigkeit eines Rades sich stark von der Geschwindigkeit eines anderes Rades unterscheidet, dann wird die Verdrängung des hydraulischen Motors des Rades mit der größten Radgeschwindigkeit vermindert. Der Sensor, der die Bewegung auf einer geneigten Fläche feststellt, wird verwendet, um die Leistungsverminderung eines Antriebsmotors in bestimmten Zuständen zu verhindern, nämlich dann, wenn das Fahrzeug bergauf oder bergab fährt.

Eine ähnliche Ausgestaltung ist aus US 5 201 570 A bekannt. Dort sind vier Räder mit Hydraulikmotoren angetrieben. Die Radgeschwindigkeit jedes Rades wird überwacht. Wenn sich die Geschwindigkeiten stark unterscheiden, dann wird das "schnellste" Rad gebremst.

Derartige Methoden, um einen Schlupf zu verhindern, werden als reaktive Verfahren bezeichnet. Es muß also zunächst einmal ein Schlupf aufgetreten sein. Wenn man einen derartigen Schlupf festgestellt hat, wird die Antriebsleistung des Rades vermindert, so daß das Rad von der Gleitreibung wieder zur Rollreibung übergeht.

Aus der Automobilindustrie sind verschiedene Arten von reaktiven Verfahren bekannt und werden bei Antischlupfsystemen verwendet. In manchen Fällen wird das Rad, von dem man annimmt, daß es durchdreht, auch gebremst.

Derartige Antriebsanordnungen haben sich in vielen Fällen bewährt. Sie sind aber mit dem Nachteil behaftet, daß ein Radschlupf erst einmal auftreten muß, bevor man ihn wieder beseitigen kann. Diese Antriebsanordnungen sind daher nicht für Fahrzeuge geeignet, die die Unterlage, auf der sie fahren, nicht beschädigen dürfen. Ein typisches Beispiel für eine derartige Situation tritt bei selbstfahrenden Rasenmähern auf, wie sie beispielsweise für Golfplätze verwendet werden. Ein durchdrehen des Rad wird die Grasnabe beschädigen. Damit wird der Zweck des Rasenmähers, den Rasen zu pflegen, ins Gegenteil verkehrt.

DE 196 20 581 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Ermittlung des Drehverhaltens eines Fahrzeugrades, die einen Encoder mit permanent-magnetischen Arealen aufweist, die in der Reifenwandung des Fahrzeugrades eingelagert oder auf der Reifenwandung angebracht sind. Wenn sich das Rad gegenüber einem stationären, magnetempfindlichen Meßwertaufnehmer bewegt, der zwei oder mehrere, in unterschiedlichen radialen Abständen von der Drehachse angeordnete Meßelemente aufweist, dann werden elektrische Signale erzeugt, die an eine elektrische Schaltung zur Auswertung weitergegeben werden. Die Meßelemente des Meßwertaufnehmers sind nicht nur radial, sondern auch in Umfangsrichtung zueinander versetzt, so daß sich bei einer Verformung des Reifes in Folge der an dem Reifen angreifenden Kräfte eine Änderung der Phasenlage zwischen den von den Meßelementen abgegebenen Meßsignalen ergibt. Diese Änderung der Phasenlage wird als Maß für die von dem Rad auf die Fahrbahn übertragenen Momente und/oder für den momentanen Reibbeiwert ausgewertet.

DE 43 17 030 C2 zeigt ein Verfahren zum Erkennen des Fahrzustandes an einem Fahrzeug bei nasser Fahrbahn, bei dem in einen Rechner die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Raddrehzahlen und die Außentemperatur eingegeben werden, wobei im Rechner aus der Raddrehzahl und der Fahrzeuggeschwindigkeit die Radgeschwindigkeit berechnet wird und wobei die eingegebenen Signale in einem Kennfeldrechner verarbeitet werden. In dem Kennfeldrechner gibt es verschiedene Kennfelder, nämlich ein Nässekennfeld und ein Reibkennfeld. Die Signale ei nes Nässesensors und eine Schlupfberechnung können eingegeben werden, so daß alle in den Kennfelderrechner eingegebenen Daten zusammen mit der Anzeige eines Temperatursensors zu einer Fahrzustandsbewertung aufbereitet werden können. Aus der Fahrzustandsbewertung können bei jeder Geschwindigkeit Anzeigen über Wasserhöhe und Aquaplaning sowie über Schlupf- und Reibbeiwerte berechnet werden.

JP 5-295760 A zeigt ein Baufahrzeug mit Rädern, das ein Anti-Schlupf-System aufweist. Dieses mißt den Beladungszustand des Fahrzeugs über einen Sensor und bestimmt daraus einen Schwellenwert für ein Antriebsmoment des Fahrzeugs. Das tatsächliche Antriebsmoment wird ebenfalls gemessen und mit dem Schwellenwert verglichen. Über diesen Vergleich wird nun eine Kraftstoffeinspritzanlage eines Hauptantriebs des Fahrzeugs derart gesteuert, daß das von diesem Hauptantrieb erzeugte Antriebsmoment den Schwellenwert nicht übersteigt.

EP 0 434 059 A1 zeigt ein Kontrollsystem für Fahrzeuge zur Vermeidung eines Gleitens des jeweiligen Fahrzeugs auf einer Fahrbahn. Hierzu weist das System Sensoren zur Bestimmung der positiven und negativen Beschleunigung des Fahrzeugs und zur Überwachung des übertragenen Drehmoments zwischen den angetriebenen Rädern und der Straßenoberfläche auf. Über die Informationen der Sensoren wird in einer Steuereinheit das Niveau der Straßenhaftung bestimmt und ein kritischer Drehmomentwert abgeleitet. Außerdem ist die Steuereinheit mit Drosseleinrichtungen verbunden, über die ein vom Antriebsmotor des Fahrzeugs ausgehendes Drehmoment stellbar ist. Über diese Drosseleinrichtungen steuert die Steuereinheit das Drehmoment des Motors derart, daß das zwischen den angetriebenen Rädern und der Straße übertragene Drehmoment unter dem kritischen Drehmomentwert bleibt.

In US 4 301 881 ist eine Fahrzeuganordnung insbesondere für Rasenmäher mit Eigenantrieb dargestellt, die in der Lage ist, abrupte Richtungsänderungen vorzunehmen. Hierzu weist die Fahrzeuganordnung zwei Antriebsräder und mindestens ein Laufrad auf. Die Antriebsräder werden unabhängig voneinander über einen jeweiligen Motor von einer Pumpe angetrieben. Der Druck an den jeweiligen Motoren wird dabei je nach Auslenkungsgrad des Fahrzeugs über ein Ventilsystem gesteuert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Risiko eines Radschlupfes kleinzuhalten.

Diese Aufgabe wird bei einer Antriebsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung mit Hilfe eines Signals der Sensoranordnung für jedes Rad fortlaufend ein maximales Drehmoment ermittelt, das Antriebsmoment eines jeden ade fortlaufend ermittelt und das Antriebsmoment das einzelnen Rades dem Betrag nach verkleinert, wenn das ermittelte Antriebsmoment einen vorbestimmten Grenzabstand zum maximalen Drehmoment nicht mehr einhält.

Unter Antriebsmoment soll im vorliegenden sowohl ein Moment verstanden werden, das zum Vortrieb des Fahrzeugs dient, als auch ein Moment, das zum Bremsen des Fahrzeugs dient. Letzter Fall tritt beispielsweise dann auf, wenn das Fahrzeug bergab rollt und durch den Motor gebremst werden soll.

Die Steuereinrichtung ermittelt also für jedes Rad fortlaufend ein maximales Drehmoment und zwar mit Hilfe von Signalen aus der Sensoranordnung. Das maximale Drehmoment ist das Moment, bei dem das Rad durchdreht (bei Antrieb) oder blockiert (beim Bremsen). Eine derartige Schlupfbedingung tritt auf, wenn die parallel zum Untergrund gerichtete Kraft am Auflagepunkt zwischen Rad und Untergrund (im folgenden "Antriebskraft") größer ist als die Haftkraft, die sich beispielsweise aus dem Produkt aus Reibungskoeffizienten und Normalkraft errechnen läßt. Die Normalkraft ist zwar vom Grundsatz her bekannt. Sie wird hauptsächlich durch das Gewicht des Fahrzeugs (mit Fahrer und Zubehör) bestimmt. Diese ändert sich jedoch im Betrieb durch verschiedene Umstände. Diese Umstände können durch die Sensoranordnung festgestellt werden, so daß man mit einer höheren Zuverlässigkeit das maximal zulässige Drehmoment ermitteln kann. Wenn man nun dafür sorgt, daß das Antriebsmoment, das auf das einzelne Rad wirkt, kleiner gehalten wird als das maximal zulässige Moment, dann kommt ein Schlupf erst gar nicht zum Entstehen. Eine Beschädigung des Untergrundes wird also zuverlässig vermieden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Sensoranordnung einen Neigungssensor aufweist. Ein maßgeblicher Faktor bei der Bestimmung der Normalkraft aus der Gewichtskraft ist die Neigung des Fahrzeugs gegenüber der Schwerkraftrichtung. Je stärker das Fahrzeug geneigt ist, desto geringer wird die Normalkraft zur Unterlage und desto größer wird die Gefahr eines Schlupfes. Darüber hinaus ergibt sich bei einer Neigung des Fahrzeugs auch eine andere Gewichtsverteilung auf die einzelnen Räder und damit eine Änderung der Normalkraftverteilung auf die Räder. Auch diese Änderung kann berücksichtigt werden, so daß beispielsweise die weiter unten angeordneten Räder eine stärkere Antriebsleistung erhalten als die weiter oben angeordneten Räder.

Hierbei ist bevorzugt, daß der Neigungssensor eine Neigung parallel zur Fahrzeuglängsrichtung und eine Neigung quer zur Fahrzeuglängsrichtung ermittelt. In den meisten Fällen wird das Fahrzeug sowohl längs als auch quer geneigt sein. Durch die getrennte Ermittlung der beiden Neigungswinkel läßt sich die Steuerung aber vereinfachen und verbessern.

Vorzugsweise weist die Sensoranordnung einen Normalkraftsensor auf. Die Normalkraft bestimmt sich zwar, wie oben ausgeführt, grundsätzlich nach dem Gewicht des Fahrzeugs, das nach einem bestimmten Schlüssel auf die einzelnen Räder verteilt wird. Dieses Gewicht kann sich aber ändern. Beispielsweise können verschiedene Fahrer mit unterschiedlichen Körpergewichten eingesetzt werden. Das Fahrzeug verbraucht Kraftstoff, wodurch sich sein Gewicht während des Betriebs verringert. Wenn das Fahrzeug irgendwelche Produkte verteilt, beispielsweise Dünger ausbringt oder Rasensamen sät, dann ändert sich das Fahrzeuggewicht ebenfalls. Durch den Normalkraftsensor läßt sich diese Änderung im Betrieb oder zwischen einzelnen Betriebsabschnitten ermitteln.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Normalkraftsensor als Wiegezelle ausgebildet. In diesem Fall wiegt er tatsächlich das Fahrzeug. Man kann das Wiegen darauf beschränken, daß das Fahrzeug auf einer horizontalen Ebene besteht, wenn man später die Neigung berücksichtigt.

In einer anderen oder zusätzlichen Ausgestaltung kann der Normalkraftsensor als Druckfühler ausgebildet sein, der einen Reifendruck des angetriebenen Rades ermittelt. Der Reifendruck ist ebenfalls ein Maß für die Belastung des Reifens und damit für die in Vertikalrichtung wirkende Kraft. Wenn das Fahrzeug auf einer horizontalen Ebene steht, dann ist der Reifendruck unmittelbar ein Maß für die Normalkraft. Bei einer geneigten Unterlage muß man die Normalkraft entsprechend umrechnen.

Schließlich kann der Normalkraftsensor auch ein Federverhalten einer Fahrzeugfederung überwachen. Je stärker das Fahrzeug belastet ist, desto stärker federt es ein. Die Auswertung der Federcharakteristik erlaubt zumindest mittelbar eine Aussage über das Fahrzeuggewicht und damit auch über die Normalkraft an dem angetriebenen Rad.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einem Speicher verbunden, in dem Fahrzeugdaten abgelegt sind. Diese Daten können neben dem Standard-Fahrzeuggewicht auch Angaben über den Rollwiderstand des Fahrzeugs, den Zugkraftbedarf für einen eventuellen Anhänger und/oder für eine angehängte Arbeitsmaschine, wie beispielsweise ein Mähwerk oder ähnliches umfassen. Der Speicher kann auch Informationen darüber enthalten, wie sich bestimmte Eingriffe in die Antriebsleistung auf die einzelnen Motoren auswirken.

Hierbei ist bevorzugt, daß für vorbestimmte Fahrzeugdaten-Sensorsignalkombinationen die entsprechenden maximalen Drehmomente der jeweiligen Räder in Tabellenform im Speicher abgelegt sind. Beispielsweise kann man die Normalkraft jedes einzelnen Rades als Funktion der Neigungswinkel in der Tabelle ablegen. Die Tabelle erlaubt einen schnelleren Zugriff auf die Ergebnisse als eine Berechnung.

Zusätzlich kann die Steuereinrichtung mit einer Eingabeeinrichtung verbunden sein, mit deren Hilfe Umgebungs- und/oder Betriebsparameter vorgebbar sind. Als Umgebungsparameter kann man beispielsweise den Zustand des Untergrundes bezeichnen. Bei einem Rasen könnte man eine grobe Unterscheidung treffen nach normal, naß und trocken. Als Betriebsparameter kann man vorgeben, ob ein Anhänger gezogen werden muß oder andere Arbeitsmaschinen angeschlossen sind.

Vorzugsweise erhöht die Steuereinrichtung dann, wenn sie die Antriebsleistung eines Rades vermindert, die Antriebsleistung mindestens eines anderen Rades. In diesem Fall bleibt die Gesamtantriebsleistung des Fahrzeugs konstant, so daß der Fahrer in den meisten Fällen nicht einmal eine Änderung der Antriebsverteilung merkt.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Steuereinrichtung in einem Betriebsfall, in dem die Absenkung der Antriebsleistungen aller angetriebenen Räder erforderlich ist, eine Warnung erzeugt. Der Fahrer kann dann entscheiden, welche Maßnahmen er trifft. Beispielsweise kann er einen anderen Reibungskoeffizienten vorgeben, so daß das maximal zulässige Drehmoment anders berechnet wird. Da in diesem Fall aber ein erhöhtes Risiko eines Radschlupfes besteht, muß der Fahrer hier sehr behutsam vorgehen. Die Erhöhung dieses Reibungskoeffizienten kann das System auch automatisch vornehmen. In diesem Fall muß der Fahrer ebenfalls eine Warnung erhalten.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einem Lenkwinkelsensor verbunden. Die Steuereinrichtung kann damit die Winkelstellung von gelenkten Rädern ermitteln. Sobald ein Rad ausgelenkt ist, d.h. nicht mehr in der Hauptbewegungsrichtung des Fahrzeugs abrollt, hat es einerseits einen höheren Fahrwiderstand und neigt andererseits eher zum Schlüpfen. Mit Hilfe des Lenkwinkelsensors kann dieser Effekt berücksichtigt werden.

Auch ist von Vorteil, wenn das Fahrzeug mit einer Hilfskraft unterstützten Lenkung ausgerüstet ist, die mit der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung bei der Bestimmung des maximalen Drehmoments das Lenkverhalten des gelenkten Rades berücksichtigt. Zusätzlich oder anstelle des Lenkwinkelsensors kann damit auch das dynamische Verhalten des Rades bei einer Lenkbewegung berücksichtigt werden. In der Regel wird während der Lenkbewegung das maximale Drehmoment herabgesetzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines typischen Fahrzeugs, das mit der Fahrzeugantriebsanordnung ausgerüstet ist,
2 ein schematisches Blockschaltbild des Fahrzeugantriebs und
3 eine Realisierung des Fahrzeugantriebs mit einem hydraulischen System.
1 zeigt ein Fahrzeug 1, das als selbstfahrender Rasenmäher ausgebildet ist, wie er beispielsweise auf Golfplätzen oder in Parkanlagen Verwendung findet. Das Fahrzeug 1 weist Vorderräder 2, 3 und Hinterräder 4, 5 auf, die alle angetrieben sind. Das Fahrzeug weist angebaute Arbeitsgeräte auf, beispielsweise ein Mähwerk 6, mit dem der Rasen geschnitten werden soll. Für einen nicht näher dargestellten Fahrer ist ein Fahrersitz 7 vorgesehen, vor dem sich ein Lenkrad 8 befindet. Unter halb des Lenkrades sind nicht näher dargestellte Steuerelemente, wie Fahr- oder Bremspedal 9, vorgesehen.
Das Fahrzeug 1 weist ein ebenfalls nur schematisch dargestelltes Fahrgestell 10 auf, an dem die Räder 2–5 befestigt sind. Die übrige Masse des Fahrzeugs ist über eine Federanordnung, die durch eine Feder 11 symbolisiert ist, an dem Fahrgestell 10 gelagert. Die Einfederung der Feder 11 kann über einen Sensor 12 ermittelt werden. Ein weiterer Sensor 13 ist als Wiegezelle ausgebildet, der das Fahrzeug ermitteln kann. Diese Sensoren sind ebenfalls nur schematisch dargestellt. Es ist für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar, wo man derartige Sensoren anordnen kann, um das Gewicht des Fahrzeugs oder eine damit eng verbundene Auflagekraft auf den Untergrund zu ermitteln.
Das Fahrzeug 1 ist in einer Situation dargestellt, wie sie typischerweise im Gelände auftritt. Dort muß das Fahrzeug vielfach Flächenabschnitte befahren, die gegenüber der Horizontalen geneigt sind. 1a stellt eine Neigung der Unterlage 14 dar, die in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 liegt und mit der Horizontalen einen Winkel α_x einschließt. 1b stellt eine Neigung quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 dar. Hier wird der Neigungswinkel mit α_y bezeichnet.
Wenn das Fahrzeug 1 einen geneigten Flächenabschnitt befährt, dann treten zwei Effekte auf. Zum einen wird die Normalkraft, d.h. die Kraft, mit der die Räder 2–5 auf der Unterlage 14 aufstehen, vermindert. Diese Kraft ist senkrecht zur Unterlage 14 gerichtet. Bei einer horizontalen Unterlage entspricht die Normalkraft der Gewichtskraft der durch das entsprechende Rad abgestützten Teile des Fahrzeugs. Bei einer geneigten Fläche wird diese Gewichtskraft mit dem Cosinus α, d.h. des entsprechenden Neigungswinkels, vermindert.
Zum zweiten ändert sich auch die Gewichtsverteilung. Die weiter unten angeordneten Räder (in 1a die Hinterräder 4, 5 und in 1b die Räder 3) werden stärker belastet als die weiter oben gelegenen Räder 2.
Damit ein Fahrzeug 1 mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus fahren kann, müssen die Räder insgesamt eine Kraft liefern, die dem Fahrwiderstand F_FW des Fahrzeugs entspricht. Dieser besteht aus dem Rollwiderstand F_RW, dem Windwiderstand F_WW, dem Neigungswiderstand F_NW und der Zugkraft F_ZK, die allerdings nur dann erforderlich ist, wenn ein Anhänger oder ein Arbeitsgerät mitgezogen werden muß. Der Neigungswiderstand kann bei abwärtsgerichteter Unterlage 14 negativ sein, also zum Vortrieb des Fahrzeugs beitragen. Das gleiche gilt für den Windwiderstand, wenn der Wind von hinten kommt.
Dementsprechend ergibt sich der Fahrwiderstand zu FFW = FRW + FWW + FNW + FZK
Bei Rasenmähern oder ähnlich langsam fahrenden Arbeitsgeräten kann der Windwiderstand vernachläßigt werden. Dementsprechend wird er für die folgenden Betrachtungen weglassen. Der Fahrwiderstand ergibt sich dann aus: FFW = FRW + FNW + FZK
Die Antriebskraft F_R der einzelnen Räder 2–5 wird vom Moment M ihrer Motoren 22–25 (2) und dem Raddurchmesser d aufgrund der folgenden Gleichung bestimmt:
Wenn eine Beschleunigung des Fahrzeugs erreicht werden soll, dann müssen die Räder zusätzlich zum Fahrwiderstand F_FW auch die Kraft liefern, die für die Beschleunigung erforderlich ist, d.h. FFW + FBE = FR,2 + FR,3 + FR,4 + FR,5 wobei F_BE die für die Beschleunigung erforderliche Kraft bezeichnet und F_Rn die Kraft des Rades n angibt.
Für jedes Rad gibt es eine durch den Motor 22–25 gesetzte Grenze für die Antriebsleistung, die dieses Rad liefern kann. In manchen Fällen ist es aber gar nicht möglich, diese Antriebsleistung in vollem Umfang auszuschöpfen, weil das entsprechende Rad bereits bei einer geringeren Antriebskraft durchrutscht. In diesem Fall entsteht ein Radschlupf.
Die obere Grenze der Antriebskraft des einzelnen Rades wird von der Normalkraft F_N zwischen der Unterlage 14 und dem betreffenden Rad 2–5 und dem Reibungskoeffizienten μ zwischen dem Rad und der Unterlage bestimmt. Die maximale Antriebskraft F_max für jedes einzelne Rad kann mit dem folgenden Ausdruck bestimmt werden: Fmax = μ × FN
Ein unerwünschter Radschlupf kann daher vermieden werden, wenn die Antriebskraft des einzelnen Rades F_R unter der maximalen Antriebskraft F_max des betreffenden Rades gehalten wird.
Die Normalkraft F_N kann nun auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Beispielsweise kann man sie aus einer detaillierten Untersuchung der Fahrzeuggeometrie berechnen. Eine andere Alternative ist, daß man die Normalkraft F_N jedes angetriebenen Fahrzeugrades ermittelt, wenn das Fahrzeug auf einer ebenen Unterlage steht und gleichmäßig belastet. Wenn das Fahrzeug dann auf eine geneigte Unterlage 14 kommt, wie dies in den 1a und 1b dargestellt ist, kann man über Neigungssensoren 15, 16 die entsprechende Neigung feststellen und die Normalkraft umrechnen. Diese Art der Winkelmessung wird zwar bei einer Beschleunigung unter Umständen ein geringfügig falsches Ergebnis zur Folge haben. Die dadurch bestimmten Normalkräfte auf die Unterlage 14 ergeben aber eine ausreichende Annäherung zu den tatsächlich herrschenden Normalkräften, so daß man einen unerwünschten Radschlupf mit großer Sicherheit ausschließen kann.
Wie oben ausgeführt kann man die Normalkraft auch anders bestimmen, beispielsweise durch die Sensoren 12 und 13 aufgrund der Kenntnisse der Federcharakteristik oder die Verwendung von Wiegezellen. Wie im Zusammenhang mit 2 dargestellt ist, kann man auch den Druck in den Reifen der Räder 4, 5 ermitteln mit Hilfe von Reifendrucksensoren 17, 18. Natürlich können auch die beiden anderen Räder 2, 3 Reifendrucksensoren aufweisen.
Wenn die Normalkraft eines jeden Rades 2–5 mit einem vorgegebenen Reibungskoeffizienten μ multipliziert wird, dann bekommt man die maximale Antriebskraft F_max für jedes einzelne Rad, die nicht überschritten werden darf, wenn ein Radschlupf vermieden soll.
2 zeigt nun eine schematische Darstellung einer Fahrzeug-Antriebsanordnung für das Fahrzeug 1. Die Räder 2–5 und die Motoren 22–25 wurden bereits erwähnt. Jeder Motor 22–25 ist mit einem Antriebsmomentbegrenzer 32–35 versehen. Die Antriebsmomentbegrenzer 32–35 werden über eine Leistungsquelle 19 mit Energie versorgt, beispielsweise mit hydraulischer Flüssigkeit unter entsprechendem Druck oder mit elektrischen Strom unter einer bestimmten Spannung. Die Steuerung der Antriebsmomentbegrenzer erfolgt durch eine Steuereinrichtung 20. Die Steuereinrichtung 20 wiederum bekommt Informationen von verschiedenen Sensoren, beispielsweise von den Neigungssensoren 15, 16, dem Federkraftsensor 12, der Wiegezelle 13, den Reifendrucksensoren 17, 18 oder anderen Sensoren, mit deren Hilfe die Normalkraft auf die Unterlage 14 ermittelt werden kann. Über eine Eingabeeinheit 21 können Umgebungs- oder Betriebsdaten eingegeben werden. Beispielsweise kann man hier einen Wert für den Reibungskoeffizienten μ angeben oder man kann angeben, ob das Fahrzeug mit einem Anhänger oder einer Arbeitsmaschine versehen ist.
Schließlich ist noch ein Speicher 26 vorgesehen, in dem verschiedene Fahrzeugdaten gespeichert sind, beispielsweise das Fahrzeuggewicht, der Rollwiderstand der Räder, die Gewichtsverteilung auf die einzelnen Räder, etc. Darüber hinaus kann im Speicher 26 auch noch eine Tabelle abgelegt sein, in denen die Normalkräfte in Ab hängigkeit von unterschiedlichen Neigungswinkeln αx, αy abgelegt sind.
Die Steuereinrichtung 20 überwacht nun laufend das von jedem einzelnen Motor 22–25 abgegebene Drehmoment. Dieses Moment wird in der Steuereinrichtung 6 in eine aktuelle Antriebskraft umgerechnet. Gleichzeitig berechnet die Steuereinrichtung 20 die maximale Antriebskraft für jedes einzelne Rad 2–5. Hierbei können beispielsweise die Winkel α_x und α_y verwendet werden. Die aktuelle Antriebskraft eines jeden Rades 2–5 wird mit der maximalen Antriebskraft der Räder 2–5 verglichen. Wenn die Antriebskraft eines Rades seine maximale Antriebskraft erreicht, dann wird das Antriebsmoment des entsprechenden Motors reduziert. Man kann hierbei auch einen kleinen Sicherheitsabstand vorsehen oder – wenn die Abschätzung des Reibungskoeffizienten μ mit der nötigen Vorsicht erfolgt ist – auch kleinere Überschreitungen innerhalb eines Sicherheitskorridors zu lassen.
Um die gesamte Antriebsleistung des Fahrzeugs 1 konstant zu lassen, kann die Steuereinheit 20 in Situationen, wo die Antriebsleistung eines Motors vermindert wird, die Antriebsleistung der anderen Motoren erhöhen.
Es kann nun der Fall auftreten, wo bereits drei Räder des Fahrzeugs mit vermindertem Antriebsmoment fahren und das Moment des vierten Motors ebenfalls vermindert werden soll. In diesem Fall könnte der Fahrwiderstand größer sein als die Summe der Antriebskräfte der Räder. In diesem Fall können die Räder 2–5 das Fahrzeug nicht mehr antreiben. Man hat dann mehrere Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, daß Fahrzeug 1 anzuhalten und einen anderen Weg zu suchen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Fahrer den Reibungskoeffi zienten μ erhöht. In diesem Fall berechnet das System einen höheren Wert der maximalen Antriebskraft der Räder. Da dies zu einem Radschlupf führen könnte, muß diese Vorgehensweise mit einer Warnung an den Fahrer verbunden werden. Schließlich kann man auch vorsehen, daß der Reibungskoeffizient automatisch erhöht wird. Auch hier ist eine Warnung an den Fahrer notwendig.
Die Antriebsanordnung kann sowohl elektrisch als auch hydraulisch realisiert werden. 3 zeigt nun eine Ausgestaltung mit einer hydraulischen Realisierung. Elemente, die denen in 2 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, auch wenn sie im vorliegenden Fall konkretisiert worden sind.
Die vier Räder 2–5 des Fahrzeugs 1 sind jeweils mit einem hydraulischen Motor 22–25 über starre Achsen verbunden. Die hydraulischen Motoren 22–25 haben eine feste Verdrängung und können in beide Richtungen arbeiten, so daß das Fahrzeug vorwärts und rückwärts fahren kann. Die Motoren 22–25 sind parallel geschaltet und mit einer Pumpe 19 mit variabler Verdrängung verbunden. Die Pumpe 19 wird von einem nicht näher dargestellten Verbrennungsmotor angetrieben, der mit fester Drehzahl arbeiten kann. Die Pumpe 19 ist mit einem Sensor 27 versehen, der die Steuereinrichtung 20 mit Daten über die aktuelle Verdrängung und die Durchflußrichtung der Pumpe 19 versorgt. Der Differenzdruck über die Pumpe 19 wird mit einem Differenzdrucksensor 28 ermittelt.
Zwischen der Pumpe 19 und jedem Motor 22–25 befindet sich ein Begrenzerventil 32–35, das zur Regelung des Druckabfalls über den einzelnen Motor 22–25 verwendet wird. Der Druckabfall über den jeweiligen Motor 22–25 bestimmt das Moment, das von dem jeweiligen Motor 22–25 geleistet wird. Die Begrenzerventile 32–35 können beispielsweise als Magnetventile ausgebildet sein, die von der Steuereinrichtung 20 gesteuert werden. Die Begrenzerventile 32–35 werden also zur Einstellung des Druckabfalls über die Motor verwendet, wobei der Druckabfall für das erzeugte Moment hauptsächlich verantwortlich ist. Die Ventile 32–35 arbeiten daher als Drehmomentbegrenzer. Die übrigen Sensoren entsprechen denen aus 2. Zusätzlich ist dargestellt, daß jedes Rad 2-5 mit einem Reifendrucksensor versehen ist.
Die Neigungssensoren 15, 16 messen laufend die Winkel α_x, α_y. Die im Speicher 26 gespeicherten Daten über das Fahrzeug enthalten außer den beschriebenen Daten auch die Regelcharakteristiken der Ventile 32–35, d.h. den Zusammenhang zwischen ihren Steuersignalen, Strömungsgeschwindigkeiten und dem Druckabfall, der Drehzahl der Pumpe, der Verdrängung der Motoren 22–25 und Daten über ihren Wirkungsgrad.
Im folgenden wird die Funktion der Antriebsanordnung bei einem vorwärts und aufwärts fahrenden Fahrzeug beschrieben. Es ist für den Fachmann ohne weiteres möglich, diese Verfahrensweise auch auf ein vorwärts und abwärts oder ein rückwärts aufwärts oder abwärts fahrendes Fahrzeug zu übertragen.
Das Antriebsmoment der Motoren 22–25 wird laufend ermittelt. Mit Hilfe des Differenzdrucksensors 28 wird der Differenzdruck über die Pumpen 19 gemessen. Aufgrund der Drehzahl der Pumpe 19 und der Strömungsrichtung, die über den Sensor 27 zur Verfügung steht, sowie aus der Stellung und der Charakteristik der Ventile 32–35 kann der Druckabfall über jeden Motor bestimmt werden. Aus dem Druckabfall und der Verdrängung und des Wirkungsgrades eines jeden Motors 22–25 kann das aktuelle Drehmoment bestimmt werden, das mit Hilfe des Radius des jeweiligen Rades 2–5 in die aktuelle Antriebskraft umgesetzt werden kann. Die aktuelle Antriebskraft wird mit der maximalen Antriebskraft verglichen. Wenn die maximale Antriebskraft von einem der Motoren 22–25 droht überschritten zu werden, wird das Begrenzungsventil 32–35 des entsprechenden Motors gedrosselt, um den Druckabfall über den Motor zu vermindern. Diese Druckverminderung bewirkt einen erhöhten Druckabfall über die anderen Motoren. Hierbei wird ihre Antriebskraft erhöht, so daß die gesamte Antriebskraft des Fahrzeugs 1 konstant gehalten wird. Natürlich muß auch die erhöhte Antriebskraft der anderen Motoren 22–25 laufend daraufhin überwacht werden, ob die maximale Kraft nicht überschritten wird.
Bei dieser Überwachung kann es dann vorkommen, daß die Antriebsleistung für weitere Motoren vermindert werden muß. Hierbei kann es vorkommen, daß nach einer entsprechenden Antriebskraftverminderung die Summe aller Antriebskräfte nicht mehr ausreicht, um das Fahrzeug vorwärts zu bewegen. In diesem Fall kann der Fahrer entweder einen anderen Weg suchen, der beispielsweise eine geringere Steigung aufweist, oder er oder die Steuereinrichtung 20 können den Reibungskoeffizienten erhöhen, was wiederum die zulässige Maximalkraft erhöht. Da in diesem Fall die Gefahr besteht, daß die Räder durchdrehen oder schlüpfen, muß diese Vorgehensweise allerdings mit erhöhter Vorsicht gehandhabt werden. Die Steuereinrichtung gibt dann auch eine entsprechende Warnung aus.
Beim Abwärtsfahren des Fahrzeugs auf einem Hang kann bei einer entsprechenden Steigung die Situation entstehen, daß die Motoren 22–25 als Pumpen arbeiten, die von den Rädern 2–5 angetrieben werden. In diesem Fall sind die Druckverhältnisse an der Pumpe 19 umgekehrt, d.h. der niedrigere Druck befindet sich an der Einlaufseite und der höhere Druck an der Rücklaufseite. Der höhere Druck an der Rücklaufseite bedeutet, daß die Motoren 22–25 gegen einen hohen Druck pumpen müssen. Diese erfordert eine größere Kraft, gegen die die Räder 2–5 drehen müssen, so daß das Fahrzeug gebremst wird. Wenn dieser Bremsdruck noch nicht ausreicht, können die Ventile 32–35 stärker gedrosselt werden, um den Gegendruck zu erhöhen. Außerdem kann man durch eine entsprechende Regelung der Ventile 32, 33 bzw. 34, 35, die den am weitesten bergauf liegenden Rädern zugeordnet sind, erreichen, daß sich diese Motoren nicht gegen die Fahrtrichtung drehen. Dies muß verhindert werden, weil sonst Schlupf auftritt und man die Kontrolle über das Fahrzeug verliert. Eine derartige Situation könnte in folgendem Fall entstehen: Das Fahrzeug fährt vorwärts bergab. Wenn in diesem Fall der Differenzdruck über die Motoren 22, 23 eine Kraft erzeugt, die größer als die maximale Antriebskraft der hinteren Räder 4, 5 ist, weil die Reibung der Hinterräder gegen die Unterlage in dieser Situation nicht mehr zum Drehen zwingen können, dann kann man mit Hilfe der Ventile 34, 35 den Druckabfall über die hinteren Motoren 24, 25 vermindern, so daß diese Räder nicht mehr gegen die Bewegungsrichtung drehen.
Die Antriebsanordnung kann natürlich auch mit Elektromotoren betrieben werden, die beispielsweise mit einem Frequenzumrichter angetrieben werden. Mit Hilfe der Daten aus dem Frequenzumrichter kann das aktuelle Moment des einzelnen Rades bestimmt und geregelt werden, wenn das Moment bezogen auf die Maximalkraft zu groß ist. Die Bestimmung der Maximalkraft kann aber auf gleiche Weise erfolgen, wie oben beschrieben.
In nicht näher dargestellter Weise kann die Steuereinrichtung auch mit einem Lenkwinkelsensor verbunden sein, der den Lenkwinkel oder -einschlag von gelenkten Rädern des Fahrzeugs ermittelt. Wenn gelenkte Räder aus der Geradeausstellung ausgelenkt sind, dann erhöht sich für die anderen, nicht ausgelenkten Räder der Fahrwiderstand des Fahrzeugs. Für die ausgelenkten Räder ergibt sich unter Umständen eine etwas abweichende Normalkraftverteilung. Beispielsweise kann das kurvenäußere Rad eine etwas größere Normalkraft erhalten als das kurveninnere Rad. Durch den Lenkwinkelsensor ist die Steuereinrichtung in der Lage, diese Situationen zu erkennen und bei der Bemessung des maximalen Drehmoments oder der maximalen Antriebskraft zu berücksichtigen.
Zusätzlich zum oder anstelle des Lenkwinkelsensors kann die Steuereinrichtung auch mit einer hilfskraftunterstützten Lenkung verbunden sein. In diesem Fall kann sie Informationen auch über das Lenkverhalten des gelenkten Rades finden. In der Zeit, in der das Rad auf dem Untergrund nicht nur abrollt, sondern gleichzeitig seine Richtung ändert, also sich um eine vertikale Achse dreht, ist das Reibungsverhalten zwischen Rad und Untergrund etwas geändert, so daß dieser Änderung bei der Berechnung der maximalen Antriebskraft Berücksichtigung finden sollte. Während einer Lenkbewegung wird die maximale Antriebskraft daher etwas vermindert.

Claims

Fahrzeug-Antriebsanordnung mit mindestens zwei angetriebenen Rädern, deren Antriebsmomente durch eine Steuereinrichtung einzeln regelbar sind, wobei die Steuereinrichtung mit einer Sensoranordnung mit mindestens einem Sensor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) mit Hilfe eines Signals der Sensoranordnung (12, 13, 15–18) für jedes Rad (2–5) fortlaufend ein maximales Drehmoment ermittelt, das Antriebsmoment eines jeden Rades (2–5) fortlaufend ermittelt und das Antriebsmoment des einzelnen Rades dem Betrag nach verkleinert, wenn das ermittelte Antriebsmoment einen vorbestimmten Grenzabstand zum maximalen Drehmoment nicht mehr einhält.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung einen Neigungssensor (15, 16) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungssensor (15, 16) eine Neigung parallel zur Fahrzeuglängsrichtung und eine Neigung quer zur Fahrzeuglängsrichtung ermittelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung einen Normalkraftsensor (12, 13, 17, 18) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Normalkraftsensor (13) als Wiegezelle ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Normalkraftsensor (17, 18) als Druckfühler ausgebildet ist, der einen Reifendruck des angetriebenen Rades ermittelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Normalkraftsensor (12) ein Federverhalten einer Fahrzeugfederung (11) überwacht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) mit einem Speicher (26) verbunden ist, in dem Fahrzeugdaten abgelegt sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für vorbestimmte Fahrzeugdaten-Sensorsignalkombinationen die entsprechenden maximalen Drehmomente der jeweiligen Räder (2–5) in Tabellenform im Speicher (26) abgelegt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) mit einer Eingabeeinrichtung (21) verbunden ist, mit deren Hilfe Umgebungs- und/oder Betriebsparameter vorgebbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) dann, wenn sie die Antriebsleistung eines Rades (2–5) vermindert, die Antriebsleistung mindestens eines anderen Rades (2–5) erhöht.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) in einem Betriebsfall, in dem die Absenkung der Antriebsleistungen aller angetriebenen Räder (2–5) erforderlich ist, eine Warnung erzeugt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) mit einem Lenkwinkelsensor verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug (1) mit einer Hilfskraft unterstützten Lenkung ausgerüstet ist, die mit der Steuereinrichtung (20) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (20) bei der Bestimmung des maximalen Drehmoments das Lenkverhalten des gelenkten Rades (2–5) berücksichtigt.