DE19961052A1 - Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen - Google Patents

Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen mittels eines in mehrere Richtungen verschiebbaren Betätigungselementes in Form eines Pedals oder eines beispielsweise als Joystick ausgebildeten Steuerhebels und ist insbesondere für Steuerung von Arbeitsmaschinen mit hydraulischen Antrieben geeignet. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen zu schaffen, bei der die Verschiebung oder Verstellung des Betätigungselementes eine der Geschwindigkeit und/oder dem Betätigungsweg adäquate Widerstandskraft in der Größenordnung der bei direkt wirkenden hydraulischen Kräften spürbar ist, wird gelöst, indem parallel zu der für die Erzeugung der Steuersignale angeordneten Gebereinrichtung (3) zusätzliche, der jeweiligen Bewegungsrichtung des Betätigungselementes zugeordnete in einem Zylinder (4) zwischen zwei Endpositionen verschieblich geführte Kolben (5) so angeordnet werden, daß sich in der Ausgangslage des Betätigungselementes jeder Kolben in der Endposition befindet, bei der der Kolben (5) maximal aus dem Zylinder ragt. DOLLAR A Dabei kann das Betätigungselement sowohl ein um eine horizontale Achse drehbares Pedal, ein kardanisch gelagerter Steuerhebel in der Art eines Joystick, ein in einer Ebene verschiebbarer Griff oder auch ein Steuerrad sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen mittels eines in eine mehrere Richtungen verschiebbaren Betätigungselementes in Form eines Pedals oder eines beispielsweise als Joystick ausgebildeten Steuerhebels und ist insbesondere für Steuerung von Arbeitsmaschinen mit hydraulischen Antrieben geeignet.
Arbeitsmaschinen mit hydraulischen Antrieben wie beispielsweise Bagger oder Frontlader werden vielfach über Steuerhebel und -pedale gesteuert, deren Bewegung über Schieber- und Ventilsysteme direkt auf den Hydraulikkreislauf weitergeleitet wird. Durch die Rückwirkung der Hydraulikflüssigkeit setzen diese Steuerhebel bei ihrer Betätigung der Hand oder dem Fuß einen gewissen Widerstand entgegen.
Diese Widerstandskraft dient dem Führer der Arbeitsmaschine als Feedback für die von ihm vorgenommenen Handlungen und ermöglicht somit eine leichtere Ausführung von Bewegungen der Maschine.
Die Notwendigkeit, zur Auslösung einer Reaktion die Hydraulikflüssigkeit im System zu verschieben, bewirkt weiterhin eine Dämpfung der Steuerhebelbewegungen, so daß die Rückkopplung von nicht kontrollierbaren Maschinenschwingung und ruckartigen Bewegungen der Maschine weitgehend verhindert werden kann.
Diese Vorteile entfallen, wenn die Steuerhebelbewegungen nicht direkt auf das Hydrauliksystem übertragen werden, sondern ein Steuerrechner zwischen Betätigungselemente und Hydrauliksystem geschaltet wird. In diesem Falle wird die Bewegung des Steuerhebels über elektrische Zwischenglieder, wie beispielsweise Schiebe- oder Drehwiderstände in ein elektrisches analoges oder zumeist digitales Signal umgewandelt. Der Widerstand, den der Maschinenführer der bei Betätigung eines derartigen Steuerhebels fühlt, wird vielfach durch die verwendete Rückstellfeder bestimmt und richtet sich im wesentlichen nach der mechanischen Empfindlichkeit des elektrischen Sensors.
Bei Baggern oder ähnlich stark bewegten Arbeitsmaschinen liegen diese Kräfte weit unter denen, die der Führer des Gerätes beispielsweise zur Absicherung seiner stabilen Haltung in der Kabine als Stützkräfte über Hände und Füße benötigt.
Rüttel- oder ruckartige Bewegungen können sehr leicht in die Steuerung eingetragen werden und die sichere Führung des Gerätes unmöglich machen.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen zu schaffen, bei der die Verschiebung oder Verstellung des Betätigungselementes eine der Geschwindigkeit und/oder dem Betätigungsweg adäquate Widerstandskraft in der Größenordnung der bei direkt wirkenden hydraulischen Kräften spürbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem entsprechend den Merkmalen des Hauptanspruches parallel zu der für die Erzeugung der Steuersignale angeordneten Gebereinrichtung (3) zusätzliche, der jeweiligen Bewegungsrichtung des Betätigungselementes zugeordnete in einer Zylinder (4) zwischen zwei Endpositionen verschieblich geführte Kolben (5) so angeordnet werden, daß sich in der Ausgangslage des Betätigungselementes jeder Kolben in der Endposition befindet bei der der Kolben (5)Maximal aus dem Zylinder ragt.
Dabei kann das Betätigungselement sowohl ein um eine horizontale Achse drehbares Pedal, ein kardanisch gelagerter Steuerhebel in der Art eines Joystick, ein in einer Ebene verschiebbarer Griff oder auch ein Steuerrad sein.
Bei jeder Bewegung des Betätigungselementes wird der jeweils in der Bewegungsrichtung zugeordnete Kolben durch die Betätigungselemente oder ein damit verbundenen Mitnehmer (11) in Richtung der zweiten Endposition respektive in die Zylinder hinein verschoben.
Der vom Kolben und der Zylinder umschlossene Hohlraum ist mit einem unter einem definierten Druck stehenden liquiden Medium gefüllt, das bei der Verschiebung des Kolbens über eine Einrichtung zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit als Dämpfungsglied (6) aus dem Lumen des Zylinders (4) abfließen und einströmen kann.
Insbesondere wenn die Steuervorrichtung bei Maschinen mit hydraulischem Antrieb eingesetzt wird, erweist es sich als vorteilhaft, wenn als unter definierten Druck stehendes liquides Medium eine Hydraulikflüssigkeit eingesetzt wird, wobei der definierte Druck erfindungsgemäß aus dem Steuerkreislauf einer Hydraulikpumpe (71) abgeleitet werden kann.
Ebenso ist es aber auch im Sinne der Erfindung, wenn der Druck durch einen bekannten Druckspeicher (7) bereitgestellt wird.
Alternativ wird es als im Sinne der Erfindung liegend angesehen, wenn das unter definierten Druck stehenden liquide Medium eine Flüssigkeit ist, deren Viskosität durch Einwirkung einer Steuerkomponente veränderbar ist.
Beispielsweise kann hierfür eine magnetische Flüssigkeit eingesetzt werden, wodurch es möglich wird, über eine an einer Drossel angebrachten Elektromagneten die Abströmgeschwindigkeit und somit die Dämpfung der Steuervorrichtung elektrisch zu beeinflussen.
Weiterhin liegt es natürlich im Bereich der Erfindung, wenn das liquide Medium ein komprimiertes Gas ist.
Indem der Druck des liquiden Medium aus der bereits erwähnten konstanten Grundkomponente die beispielsweise aus dem Steuerkreislauf einer Hydraulikpumpe (71) abgeleitet wird und einer vom Maschinenzustand abhängigen Auflastkomponente besteht, kann erreicht werden, daß beispielsweise der Baggerfahrer einen sich der Schaufel entgegenstellenden Widerstand fühlen kann.
Das ist beispielsweise möglich, indem zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit eine einstellbare oder in Abhängigkeit von Systemparametern gesteuerte Drossel (61) eingesetzt wird, oder indem die Drossel (61) mit Vorrichtungen zur Beeinflussung der Viskosität des liquiden Medium gekoppelt wird.
Indem die zuvor erwähnte Drossel (61) mit einem parallel geschalteten Ventil (62) verbunden ist, wird die umgehende Rückstellung des Betätigungselementes gewährleistet.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen Fig. 1-4 in Form von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung in Form eines einfach wirkenden Pedals,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung in Form eines als Kipphebel ausgeführten Pedals,
Fig. 3 ein Steuervorrichtung in Form eines Joysticks mit einer Drossel-Ventil-Kombination,
Fig. 4 ein Steuervorrichtung in Form eines Joysticks mit mehreren Drossel-Ventil-Kombination und einer arbeitskreisabhängigen Drosselsteuerung.
Beispiel 1
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführung als einfaches Pedal stellt die Grundidee der Erfindung dar.
Ein auf der Grundplatte in einem Lager 2 gelagertes Betätigungselement 1 in Form eines Pedals ist über eine Koppeleinrichtungen 31 mit der Gebereinrichtung 3 verbunden.
Neben der Gebereinrichtung 3 ist in Betätigungsrichtung des Pedals unter diesem ein in einem Zylinder 4 zwischen zwei Endpositionen verschieblich geführte Kolben 5 so angeordnet, daß sich in der Ausgangslage des Pedals der Kolben in der oberen Endposition befindet.
Bei Betätigung des Pedals wird der Kolben durch dieses Pedal in die Zylinder hinein verschoben.
Der vom Kolben und der Zylinder umschlossene Hohlraum ist mit Hydraulikflüssigkeit, die bei der Verschiebung des Kolbens über eine Drossel 61 aus dem Lumen des Zylinders 4 in einen Druckspeicher 7 abfließen und bei Rücknahme der zur Betätigung aufgewendeten Kraft über ein Ventil 62 wieder einströmen und damit das Pedal 1 in die Grundstellung rückführen kann, gefüllt.
Durch den im Druckspeicher 7 vorhandenen Druck wird ein gewisser Grundwiderstand des Pedals eingestellt.
Dieser Druck kann bei entsprechender Dimensionierung, wenn beispielsweise die im Druckspeicher enthaltene Gasblase in einer dem Volumen des Zylinders 4 adäquaten Größe ausgelegt ist, wie leicht einzusehen ist, mit dem Betätigungswinkel des Pedals 1 zunehmen. Der Maschinenführer der erhält somit ein Feedback über den Betätigungsgrad des Pedals 1.
Die Einstellung der Drossel 61 bewirkt, daß einem schnellen Durchtreten des Pedals ein höherer Widerstand entgegengesetzt wird, als das bei langsamen Durchtreten des Pedals 1 der Fall ist. Hiermit wird vor allem ausgeschlossen, dass ruckartige Bewegungen oder Schwingungen der Arbeitsmaschine über das Pedal 1 in die Gebereinrichtung 3 eingetragen werden.
Beispiel 2
In Fig. 2 ist die Ausführung des zuvor beschriebenen Pedals als Kipphebel dargestellt. Durch die Verdoppelung von Zylinder 4 und Kolben 5 können hiermit auch Rückstellbewegungen gesteuert werden.
Auch hier wird durch die oberen Endanschläge der Kolben 5 die exakte Einstellung der Grundstellung beim Entlasten des Pedals gewährleistet.
Beispiel 3
Fig. 3 zeigt die Ausführung einer Steuervorrichtung als Joystick, wobei, wie auch in Fig. 4, der Übersichtlichkeit halber nur eine Bewegungsrichtung dargestellt ist.
Prinzipiell ist hierbei gegenüber den vorherigen Beispielen das um eine Achse 2 kippbare Pedal 1 gegen einen um eine kardanische Aufhängung von der hier auch nur eine Achse 2 dargestellt ist ausgetauscht. Um hierbei eine möglichst nur von der Stellgeschwindigkeit abhängige Gegenkraft zu haben, wird in diesem Beispiel vorgeschlagen, den Grunddruck in den Zylindern 4 aus dem Steuerkreislauf der Hydraulikpumpe abzuleiten.
Beispiel 4
Im letzen Beispiel ist erkennbar, daß lediglich der in Bewegungsrichtung befindliche Kolben 5 in den Zylinder 4 geschoben wird.
In diesem Beispiel ist jedem Zylinder 4 ein aus Drossel 61 und Ventil 62 bestehendes Dämpfungsglied 6 zugeordnet. Damit kann verschiedenen Bewegungsrichtungen eine unterschiedliche Dämpfung zugeordnet werden. Beispielsweise ist es hierdurch möglich, seitliche Bewegungen stärker zu dämpfen und dem Maschinenführer ein Gefühle für die exakte Führung in vorwärts-rückwärts Richtung zu übermitteln.
Die Figur zeigt weiterhin schematisch, daß die Drosseln 61 mit einem Steuerdruck, der über einen Druckwandler 73 aus dem Arbeitskreislauf 72 abgeleitet wird, gesteuert werden können. In diesem Falle steigt mit Ansteigen der Belastung der Maschine, die in den meisten Fällen auch mit erhöhten Schwingungen des Systems einhergehen, automatisch die Dämpfung.
Ebenso kann natürlich auch der über einen Druckwandler 73 transformierte Druck des Arbeitskreislaufes 72 dem Arbeitsdruck in den Zylindern 4 beaufschlagt werden.
Hiermit erhält der Maschinenführer die Rückmeldung über besondere Belastungen der Maschine. Beispielsweise kann sich dadurch beim Auftreffen der Baggerschaufel auf ein Hindernis der Druck im Zylinder 4 soweit erhöhen, daß bei Erreichen der Belastungsgrenze nur noch ein Rücknehmen des Hebels möglich wird, so daß eine mutwillige Überlastung der Maschine verhindert werden kann.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1
Betätigungselement
11
Mitnehmer
2
Achse
3
Gebereinrichtung
31
Koppeleinrichtungen
4
Zylinder
5
Kolben
6
Dämpfungsglied
61
Drossel
62
Ventil
7
Druckspeicher
71
Hydraulikpumpe
72
Arbeitskreislauf
73
Druckwandler

Claims (13)

1. Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen mittels eines in eine mehrere Richtungen verschiebbaren Betätigungselementes (1) und einer damit verbundenen Gebereinrichtung (3) zur Erzeugung eines oder mehrerer der Verschiebung des Betätigungselementes adäquater, elektrischer, pneumatischer, hydraulischer oder optischer Steuersignale, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Bewegungsrichtung des Betätigungselementes zugeordnete in einer Zylinder (4) zwischen zwei Endpositionen verschieblich geführte Kolben (5) vorhanden sind, die so angeordnet sind, daß sich in der Ausgangslage des Betätigungselementes jeder Kolben in der einen Endposition befindet und bei Bewegung des Betätigungselementes der jeweils in der Bewegungsrichtung zugeordnete Kolben durch diesen Betätigungselemente oder ein damit verbundener Mitnehmer (11) in Richtung der zweiten Endposition respektive in die Zylinder hinein verschoben wird,
sowie, daß der vom Kolben und der Zylinder umschlossene Hohlraum mit einem unter einem definierten Druck stehenden liquiden Medium gefüllt ist, das bei der Verschiebung des Kolbens über eine Einrichtung (6) zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit aus dem Lumen des Zylinders (4) abfließen und einströmen kann.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (1)ein Pedal oder ein Kipphebel ist, das um eine Achse (2) drehbar gelagert ist.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement(1) ein kardanisch gelagerter Steuerhebel, ist der rechtwinklig zur seiner Längserstreckung in der Nähe der kardanischen Lagerung eine diesen umgebenden Mitnehmerring (11) aufweist, der in der Ausgangslage auf den Kolben (5) aufliegt.
4. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unter definierten Druck stehenden liquide Medium eine Hydraulikflüssigkeit.
5. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck aus dem Steuerkreislauf einer Hydraulikpumpe (71) abgeleitet wird.
6. Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck durch einen bekannten Druckspeicher (7) bereitgestellt wird.
7. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unter definierten Druck stehenden liquide Medium eine Flüssigkeit ist, deren Viskosität durch Einwirkung einer Steuerkomponente veränderbar ist.
8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das unter definierten Druck stehenden liquide Medium eine magnetische Flüssigkeit ist.
9. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das unter definierten Druck stehenden liquide Medium ein komprimiertes Gas ist.
10. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 4-7 dadurch gekennzeichnet, daß der definierte Druck des liquiden Medium aus einer konstanten Grundkomponente und einer vom Maschinenzustand abhängigen Auflastkomponente besteht.
11. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit eine einstellbare oder in Abhängigkeit von Systemparametern gesteuerte Drossel (61) ist.
12. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit eine mit Vorrichtungen zur Beeinflussung der Viskosität des liquiden Medium gekoppelte Drossel (61) ist.
13. Steuervorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (61) mit einem parallel geschalteten Ventil (62) gekoppelt ist.
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