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Steuereinrichtung zur Lenkung von mehrachsigen Fahrzeugen Die Erfindung
betrifft eine Steuereinrichtung zur Lenkung von mehrachsigen Fahrzeugen mit einzellenkbaren
Rädern DZW. Achsen (Pendelachsen), insbesondere für Schwerlasttransporter, bewegliche
Plattformen, fahrbare Rampen und / oder Krane.
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Bei derartigen Fahrzeugen ist es erforderlich, dass bei einer Kurvenfahrt
jedes Rad bzw. Achse, um einen ganz bestimmten Winkel verstellt wird, damit eine
reibungslose Kurvenfahrt möglich ist.
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Bei bekannten Lenkeinrichtungen wird dafür eine aufwendige Lenkmechanik
benötigt, oder für jedes einzelne Rad werden Kurven oder Funktionsgeber benötigt.
Dabei ist meist nur ein begrenzter Lenkwinkel und eine begrenzte Anzahl lenkbarer
Räder bzw. Achsen möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache Weise mehrachsige
Fahrzeuge zu lenken, wobei der Lenkwinkel beliebig gross sein soll und beliebig
viele Räder bzw. Achsen gelenkt werden sollen. Ausserdem sollte ein Verbund von
mehreren Fahrzeugen möglich sein, die dann gemeinsam von verschiedenen bestimmbaren
Punkten aus gelenkt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Verarbeitung
des Lenksollsignals in gleichartiger Weise für alle Achsen durch eine Steuereinrichtung,
vorzugsweise elektronische, geschieht, die aber entsprechend der geometrischen Lage
der einzelnen Achse, welche in einem Programmspeicher festgehalten ist, den richtigen
Einschlagwinkel berechnet, damit eine reibungslose Kurvenfahrt möglich ist, die
Verarbeitung erfolgt dabei durch eine Schwellwert- und Invertierschaltung, einen
Vergleicher und Speicher, eine Addierschaltung, einen Multiplizierer, einen Funktionsgeber
und eine Logikschaltung, der berechnete Winkel wird dabei direkt als Stellgrösse
einem Stellglied oder als Sollwert einem Regelkreis vorgegeben.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann dadurch erfolgen,
dass die Rechenschaltungen durch Operationsverstärker realisiert sind, die entsprechend
ihrer Funktion als Addierer, Multiplizierer bzw. Vergleicher-Speicher geschaltet
sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
dass der Funktionsgeber eine Winkelfunktion vorzugsweise eine Arc-Cotangens-Funktion
erzeugt.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Lenksignal durch einen
Programmgeber gebildet werden, für ein festes Fahrprogramm, z.B. ziehen um den fflahrzeugmittelpunkt.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bestent darin,
dass bei Kopplung mehrerer SinzelIahrzeuge zu einem festverbundenen oder losen Verband
der Progralemspeicher urlgeschaltet oder umgesteckt werden kann, so dass die Stellsignale
entsprechend der geometrischen Abessunen des Verbandes erzeugt werden.
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Die Räder bzw. Achsen können freilaufend oder mit einem Antriebsmechanismus
versehen sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird dabei die Antriebsrichtung
zur Bestimmung einer gewünschten Fahrtrichtung ebenfalls durch die Steuereinrichtung
vorgegeben.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung kann auch dadurch erfolgen, dass
die Signale als digital codierte Werte dargestellt und in digitalen Rechenschaltungen
verarbeitet werden.
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Eine Hybrid-Lösung ist möglich, wenn die Speicher 24 und 25 durch
einen digitalen Festwertspeicher und einen Digital-Analog-Wandler realisiert werden;
die Programme für den Speicher werden-dabei verarbeitungsrichtig von einer nicht
beschriebenen Steuerung abgerufen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass durch
die gleichartige Verarbeitung des Lenksollwinkels in der Steuereinrichtung eine
Steuerung von
beliebig vielen Rädern bzw. Achsen über einen beliebig
grossen Lenkwinkel möglich ist, dabei können noch zusätzliche Programme ohne grossen
Mehraufwand wie Kreisfahrt oder Kopplung verwirklicht werden.
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Die Ausführungsbeispiele sind in zwei Zeichnungen vereinfacht dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine elektronische Steuereinrichtung zur Verarbeitung
des Benksignals als Blockschaltbild, Fig. 2 eine mögliche Ausführung der wichtigsten
Verarbeitungsstufen mit Operationsverstärkern.
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Nach Fig. 1 erfolgt die Verarbeitung des Signals in mehreren Stufen,
die im folgenden erläutert werden sollen.
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Durch das Lenkrad wird der Abgreifer am Potentiometer 10 verstellt,
dadurch erhält der Schwellwertschalter und Spannungsunkehrer 11 eine Spannung, die
proportional dem Lenkeinschlag ist. Durch den Schwellwertschalter 11 wird erkannt,
ob es sich um einen Rechts- oder Linkseinschlag handelt. Für eine der beiden Richtungen,
z.B. Links, wird dann die Spannung umgekehrt, d.h. bei grösserem Einschlag wird
die Spannung wieder kleiner. Dadurch wird der zu verarbeitende Signalbereich auf
die Hälfte reduziert. Das zusätzlich gebildete Signal für rechts bzw. links, wird
später in der Logikschaltung 19 wieder verarbeitet, so dass der Regler 20 den entsprechenden
Sollwert über die gewünschte Lenkrichtung erhält.
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ueber den Umschalter 12, der im Normalfall geschlossen ist, erhält
der Vergleicher und Speicher 13 das zu verarbeitende Signal. Bei dem ersten Verarbeitungsschritt
ist der Schalter 14 geschlossen und der Schalter 15 in der gezeichneten Stellung,
so dass der Ausgang des Vergleichers und Speichers 13 rnit dem Eingang des Funktionsgebers
16 verbunden ist. Der Funktionsgeber liefert an seinem Ausgang eine Spannung, die
mit der Eingangsspannung durch eine bestimmte Funktion verKnüpft ist. Für diesen
Anvuendungsfall sind mehrere Funktionen möglich. Als Beispiel soll der Arc-Cotangens
verwendet werden. Durch Einfügen des Funktionsgebers in die Rückführung des Vergleichers
und Speichers 13 verändert sich die Ausgangsspannung nun so lang, bis am Eingang
gleiche Spannungen liegen. Dies bedeutet für das Signal vom Schwellwertschalter
und Spannungsunikehrer 11, dass es über die Umkehrfunktion des Funktionsgebers abgebildet
wird. Im Beispiel also über die Gotangensfunktion, dabei wird aus dem vorher winkelproportionalen
Signal ein Signal, das dem Verhältnis zweier Strecken proportional ist. Dieses Signal
steht nun am Ausgang des Vergleichers und Speichers 13 zur Verfügung. Nach Oeffnen
des Schalters 14 und Umschalten von 15, steht dieses Signal durch die Speicherwirkung
von 13 einige Zeit zur Verfügung.
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Die weitere Verarbeitung geschieht nun über die Addierschaltung 17,
dort wird ein konstanter Betrag, der in 24 gespeichert ist und von der geometrischen
Lage des ersten Rades abhängt, addiert, dazu wird der Schalter A 1 durch eine nicht
gezeichnete Steuereinrichtung geschlossen,
gleichzeitig werden auch
die Schalter B 1, C 1, D 1, E 1, geschlossen. Die Grösse des Betrages kann z.B.
durch den Wert eines Widerstandes gegeben sein.
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In der Multiplizierschaltung 18 wird der nun errechnete Wert nur mit
einem konstanten Faktor multipliziert, wobei die Grösse des Faktors ebenfalls von
der geometrischen Lage des ersten Rades abhängt. Der Wert kann z.B. in einem Widerstandswert
in 25 gespeichert sein und über den nun geschlossenen Schalter B 1 eingegeben werden.
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Der, entsprechend der geometrischen Lage des ersten Rades, korrigierte
Verhältniswert wird nun über einen Funktionsgeber in einen Spannungswert der proportional
einem Winkel ist, abgebildet. Dies kann vorzugsweise über den gleichen Funktionsgeber
wie vorher geschehen. Dazu wird das Signal über den Umschalter 15 dem Funktionsgeber
16 zugeführt. In der Logikschaltung 19 wird der berechnete Winkel, entsprechend
der Lage des Rades, eingegeben, über den Schalter C 1 und der Stellung des Lenkrades
und über das Signal links-rechts, in den richtigen V0inkelquadranten transformiert.
Dabei wird gleichzeitig ein Signal für die Antriebsrichtung 26 gebildet.
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Der neu berechnete Sollwertwinkel wird nun in den Regelverstärker
20 gegeben, der gleichzeitig über den geschlossenen Schalter D 1 den Istwert vom
ersten Rad erhält und daraus eine Stellgrösse ableitet, die über den Schalter E
1 einem Speicher 21 zugeführt wird. Dieser Speicher kann einen digitalen Wert speichern,
z.B. für einen Zweipunktregler oder einen analogen Wert, z.B. für einen proportionalen
Regler.
Von diesem Speicher 21 aus wird das Stellglied angesteuert, das das Rad bzw. die
Achse in die entsprechende Position bringt. Das Stellglied kann z.B. ein hydraulischer
Zylinder sein.
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Durch Oeffnen der Schalter A 1, B 1, C 1, D 1, E 1 und Schliessen
der Schalter A 2, B 2, C 2, D 2, -E 2 erfolgt nun die Berechnung des Sollwinkels
und des Stellsignals genau auf die gleiche Weise wie vorher, nur mit geänderten
Konstanten für das zweite Rad. Die Stellgrösse wird dabei in Speicher 22 festgehalten.
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Danach wird das dritte Rad berechnet und korrigiert und entsprechend
alle weiteren Räder. Sind alle Räder bzw.
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Achsen berechnet, wird wieder der Lenksollwinkel abgefragt und durch
Umschalten der Schalter 14 und 15 in dem Vergleicher und Speicher 13 festgehalten.
In gleichem Ablauf wie vorher erfolgt dann wieder die Korrektur der Stellwinkel.
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Ein Ausführungsbeispiel der wichtigsten Verarbeitungsstufen zeigt
Fig. 2. Dabei werden für die Rechenschaltungen Bausteine aus der Analogrechentechnik
verwendet, die z.B.
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mit integrierten Operationsverstärkern realisiert werden können. Der
Vergleicher und Speicher 13 kann z.B. realisiert werden durch einen Operationsverstärker
31, vor dessen beiden Eingängen je ein Widerstand 32 und 33 geschaltet ist und der
zwischen seinem Ausgang und seinem invertierenden Eingang einen Kondensator 34 hat.
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Die Addierschaltung 17 kann z.B. durch einen Operationsverstärker
35 realisiert werden, in dessen Rückführung vom
Ausgang zum invertierenden
Eingang ein Widerstand 37 geschaltet ist und dem das zu verarbeitende Signal über
einen Widerstand 36 zugeführt wird. der zu addierende konstante Betrag wird durch
einen Widerstandswert 38 über den Schalter A 1 ebenfalls auf den invertierenden
Eingang zugeschaltet. Der Widerstand 38 liegt dabei mit einer Seite an einer festen
Spannung.
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Die Multiplizierschaltung 18 kann vorzugsweise durch einen Operationsverstärker
40 realisiert werden, dem das Signal auf seinen negativen Eingang über einen Widerstand
41 zugef;üiirt wird und dem in seine Rückführung ein VYiderstand 42 durch B 1 eingeschaltet
wird, dessen Wert den entsprechenden Multiplikationsfaktor darstellt.
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Die bei der Verarbeitung durch Operationsverstärker erfolgte Umkehrung
des Signals kann in der Logikschaltung 19 wieder korrigiert werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel kann auch durch eine digital arbeitende
Schaltung realisiert werden, dabei muss das zu verarbeitende Signal in digital codierter
Form dargestellt werden. Die Verarbeitung kann dann durch digital arbeitende Rechenwerke
ausgeführt werden.