DE3346892C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Nutzfahrzeug mit einem Anbaugerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Nutzfahrzeug stellt beispielsweise ein Ackerschlepper mit einem Pflug als Anbaugerät dar.

Im Arbeitsbetrieb des Anbaugeräts, in dem die Lage des Anbaugeräts regelmäßig entweder durch eine Kraft- oder eine Relativlageregelung überwacht wird, indem von einem Positionsregelkreis für den Kraftheber Gebrauch gemacht wird, ergeben sich vom Fahrverhalten des Nutzfahrzeugs her keine größeren Probleme, da das Anbaugerät unabhängig von seiner Masse über dem Boden stabilisiert wird und im übrigen die Fahrgeschwindigkeit des Gespanns in diesem Betriebszustand gering ist. Schwierigkeiten ergeben sich aber zunehmend bei der Fahrt des Nutzfahrzeugs mit ausgehobenem Anbaugerät, zumal die immer größer werdenden Leistungen der Nutzfahrzeuge immer höhere Fahrgeschwindigkeiten ermöglichen.

Bei der Fahrt mit ausgehobenem, d. h. nicht im Betrieb befindlichem Anbaugerät, verändert sich infolge einer starren Ankopplung an das Fahrzeug dessen Schwingungsverhalten im Vergleich zu einem Fahrzeug ohne Anbaugerät: Es unterliegt insbesondere bei schneller Fahrt und/oder bei Fahrt über unebenes Gelände aufgrund der Erhöhung des Massenträgheitsmoments durch das Anbaugerät erheblichen Hub- und/oder Nickschwingungen, die dazu führen, daß die durch das Gewicht des Anbaugeräts ohnehin bereits verringerte statische Vorderachslast teilweise oder sogar ganz aufgehoben wird. Der hierdurch immer schlechter werdende Fahrbahnkontakt der Vorderräder verhindert im schlimmsten Falle eine wirksame Lenkung des Nutzfahrzeugs in derartigen Fahrzuständen, wodurch eine beträchtliche Unfallgefahr gegeben sein kann. Derartige Nickschwingungen treten vor allem im Frequenzbereich von 0,5 bis 5 Hz auf und hängen im wesentlichen von der Federsteifigkeit der Reifen sowie der Masse und Schwerpunktlage des gesamten Gespanns Fahrzeug/Anbaugerät ab.

Die Fig. 1 und 2, auf die bereits an dieser Stelle Bezug genommen werden soll, zeigen einen Ackerschlepper 1 mit einem Pflug 7, der in der Aushubstellung starr an den Schlepper angekoppelt ist, bzw. ein Blockschaltbild für das Nickschwingungsverhalten eines derartigen Gespanns. Hierbei sind z _v bzw. z _h die vertikalen Auslenkungen des Schleppers im Stillstand an der Vorder- bzw. Hinterachse, die aus einem Aushub des Anbaugeräts resultieren und eine Drehung des Ackerschleppers um den Winkel β₀ bewirken, der sich wie folgt bestimmt:

β₀ = (z _v - z_h)/l

wobei l den Achsabstand des Ackerschleppers bezeichnet.

Aufgrund der durch Bodenunebenheiten, Fahr- bzw. Bremsbeschleunigungen oder dgl. auf das Gespann wirkenden Kräfte und der daraus resultierenden Momente stellt sich während der Fahrt in der Ebene des Winkels β₀ stellt tatsächlicher Nickwinkel β ein. Die hierdurch bezüglich der statischen Lage β₀ des Ackerschleppers sich ergebende Auslenkung β₀-β hat aufgrund der Feder- und Dämpfungseigenschaften von Reifen 1 a bzw. des gesamten Achsaufbaus ein Rückstellmoment M₀ zur Folge, das zusammen mit dem Trägheitsmoment M _x des starr angekoppelten Anbaugeräts, d. h. Pflugs, auf den Ackerschlepper einwirkt und für diesen den momentanen zeitabhängigen Nickwinkel β hervorruft. Hierbei ist auch noch das Trägheitsmoment des Ackerschleppers selbst zu berücksichtigen.

Zur Verringerung derartiger Nickschwingungen ist bereits ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden (DE-OS 28 56 583 und DE-Z "Grundlagen Landtechnik Bl. 33 (1983), Nr. 4, S. 108 bis 115), bei dem die starre Kopplung des Anbaugeräts an das Nutzfahrzeug durch Zwischenschaltung eines Feder-Dämpfungselements aufgehoben wird. Die Federsteifigkeit und das Dämpfungsmaß dieses Feder-Dämpfungselements sind dabei so ausgelegt, daß es in Bezug auf den Nickschwingungsanteil der dynamischen Radlasten als Schwingungsabsorber arbeitet.

Abgesehen davon, daß diese Art der Ankopplung nur in einem bestimmten, engen Frequenzband voll wirksam ist, benötigt dieser Lösungsvorschlag ein gesondertes Bauteil im Bereich der Ankopplungs-Lenkeranordnung, so daß sich diese Art der Schwingungsdämpfung bislang nicht durchsetzen konnte.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Frequenzband, in dem die Radlastschwankungen am Nutzfahrzeug mit ausgehobenem Anbaugerät vermindert werden können, mit möglichst wenig Veränderungen im Bereich der Schnittstelle zwischen Anbaugerät und Nutzfahrzeug zu erweitern.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Verringerung der Nick- und/oder Hubschwingungen des Gespanns ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Dämpfungsglieder. Stattdessen wird durch die geregelte Bewegung des Anbaugeräts relativ zum Nutzfahrzeug, die für das Anbaugerät eine vertikale Absolutgeschwindigkeitskomponente mit dem Betrag annähernd Null zur Folge hat, eine schwingungsmechanische Entkopplung der beiden Teilsysteme Nutzfahrzeug einerseits und Anbaugerät andererseits erreicht. Dadurch wird verhindert, daß durch das Anbaugerät dynamische Trägheitskräfte auf das Nutzfahrzeug einwirken, die sich negativ auf das Schwingverhalten des Nutzfahrzeugs mit ausgehobenem Anbaugerät auswirken. Durch diese gezielt über hydraulische Elemente ausgelöste Bewegung des Anbaugeräts, d. h. durch eine gezielte und geregelte Energiezufuhr in das Schwingungssystem, werden die Hub- und Nickbewegungen des Fahrzeugs so gering wie möglich gehalten. Dabei kann durch die geschwindigkeitsabhängige Signalverarbeitung im Bereich des Stellgliedes, d. h. der Kraftheber-Ventilanordnung sogar eine die Nickschwingungen des Nutzfahrzeugs dämpfende Wirkung erzielt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß mit Ausnahme einer Regeleinrichtung zur Signalverarbeitung keine weiteren Komponenten im Bereich der Lenkeranordnung benötigt werden, so daß der vorrichtungstechnische Aufwand zur Schwingungsreduzierung so gering wie möglich bleibt. Die Nickschwingungen des Nutzfahrzeugs fallen auf diese Weise sogar geringer aus als bei einem Fahrzeug ohne Anbaugerät.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes nach Patentanspruch 7 kann die Lage des Anbaugeräts in der vertikalen Ebene auch bei einem größeren Hubschwingungsanteil äußerst stabil gehalten werden, wodurch der oben angesprochene Entkopplungseffekt in größtmöglichem Maße erzielbar wird.

Zwar ist es aus der DE-OS 20 26 666 bekannt, das Anbaugerät in der Arbeitsstellung gegenläufig zu der Nickbewegung des Zugfahrzeugs zu bewegen, um auf diese Weise dafür zu sorgen, daß das Anbaugerät beim Fahren über hügeliges Gelände im Boden bleibt. Diesem Dokument kann allerdings kein Hinweis darauf entnommen werden, eine derartige Bewegungssteuerung auch in der Aushubstellung des Anbaugeräts zu verwenden. Das Problem der Beseitigung von dynamischen Radlastschwankungen stellt sich bei der aus dieser Druckschrift bekannten Tiefenlagesteuerung des Anbaugerätes in keiner Weise, so daß der Fachmann dieser Druckschrift keine Anregung zur Auffindung des Erfindungsgegenstandes entnehmen konnte.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Ackerschlepper mit Pflug in der Aushubstellung, wobei der Pflug starr angekoppelt ist;

Fig. 2 das Blockschaltbild für das Nickschwingungsverhalten des Gespanns gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Ackerschlepper mit Pflug in der Aushubstellung, wobei die Pflugstellung durch eine Regeleinrichtung über einen Kraftheber überwacht und geregelt wird;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines ersten Regelungsprinzips für die Lage des Anbaugeräts; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines zweiten Regelungsprinzips für das Anbaugerät.

Fig. 3 zeigt ein Gespann bestehend aus einem Traktor 1 als Nutzfahrzeug mit einem Pflug 7 als Anbaugerät. Der Pflug ist mittels Unterlenkern 3 a und einem Oberlenker 3 b am Traktor beweglich angekoppelt, und kann über ein Hubgestänge 6, das von einem hydraulischen Hubzylinder 5 betätigt wird und zusammen mit diesem einen Kraftheber bildet, nicht nur zwischen Betriebsstellungen und einer Aushubstellung verfahren werden, sondern auch mit einer begrenzten Amplitude um eine mittlere Aushubstellung herum bewegt werden. Ferner ist schematisch eine Zugkraftregelvorrichtung 4 dargestellt.

Die Amplitudenbewegung des Pflugs um die Aushubstellung wird durch eine auf den Hubzylinder wirkende Regeleinrichtung 4 a bewirkt, die in der Weise arbeitet, daß die Nickschwingungen des Traktors aktiv gedämpft werden, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Der Pflug wird hierbei nach Art der Schwingungstilgung relativ zum Traktor bewegt. Die Regelung ihrerseits erfolgt dadurch, daß ein geeignetes Meßsignal einem Positionsregelkreis des Hubzylinders überlagert wird, wobei die Überlagerung nur bei betätigtem Aushub erfolgt. Dieses zur Schwingungsdämpungsregelung benötigte Signal kann auf zwei verschiedene Arten erzeugt werden.

Durch die Nick- und Hub-, bzw. Vertikalschwingungen des Gespanns unterliegt dieses Beschleunigungskräften bzw. Beschleunigungen, die durch Sensoren 2 wie Beschleunigungsaufnehmer, die an ausgezeichneten Stellen des Gespanns angebracht sind, direkt gemessen werden können. Hierzu genügt ein Beschleunigungsaufnehmer 2 a bzw. 2 b bzw. 2 c, der beispielsweise entweder am Traktor 1 selbst, an den Unterlenkern 3 a oder am Pflug 7 angebracht sein kann.

Andererseits sind an geeigneten Stellen des Gespanns Beschleunigungskräfte meßbar und als Maß für die Beschleunigungen auswertbar. So kann anstelle der bei im Betrieb abgesenkter Stellung mit Hilfe einer Zugkraftmeßvorrichtung gemessene Zugkraft die aus der Trägheit des Pflugs resultierende Beschleunigungskraft erfaßt werden. Als Meßelemente sind hierbei Dehnungsmeßstreifen (DMS), Biegefedern mit Wegaufnehmer oder kontaktlos arbeitende Sensoren, die die Materialspannung in ferromagnetischen Werkstoffen aufgrund des magnetoelastischen Prinzips aufnehmen, verwendbar. Auf die gleiche Art und Weise kann die im Hubgestänge 6 durch die Beschleunigung hervorgerufene Kraft ermittelt werden. Es ist ferner zweckmäßig, den Hubzylinderdruck und die daraus resultierende Kraft durch elektrische Kraftmeßdosen zu erfassen.

Der Vorteil der zweiten Art und Weise der Signalerzeugung liegt darin, daß die Beschleunigungskräfte bei schwerem Anbaugerät größer als bei leichtem ausfallen und somit besser meßbar sind. Dies gilt auch für Anbaugeräte, die einen großen Schwerpunktabstand zur Traktorhinterachse haben. Ferner ist vorteilhaft, daß bei schweren sowie langen Anbaugeräten, die eine stärkere Auswirkung auf das Schwingungsverhalten des Traktors haben, eine stärkere Ausregelung stattfindet als bei leichten und kurzgebauten Geräten. Dies gilt auch, wenn bei der ersten Art der Signalerzeugung der Beschleunigungsaufnehmer am Pflug angebracht ist.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Regelungsprinzips, das eine dynamische Entkopplung von Traktor und Pflug bewirkt. Ziel hierbei ist, die vertikale Pflugbewegung weitestgehend zu beruhigen, so daß der Traktor bezüglich Nickschwingungen dynamisch unbeeinflußt vom Pflug ist. Zur Bildung der Nickwinkelkoordinate des Traktors gemäß dem Blockschaltbild in Fig. 2 ist die Rückführung des aus einer augenblicklichen Absolutwinkelkoordinate ϕ (bezogen auf eine zur Bezugsebene von β parallele Ebene) des Pflugs resultierenden Trägheitsmoments M _x erforderlich, wie im Blockschaltbild gemäß Fig. 4 dargestellt ist. Das Moment M _x ergibt sich hierbei aus der Gleichung

Mit R als Trägheitsmoment des Pflugs, k einer Dämpfungskonstante in der Koppelung zwischen Pflug und Traktor, und d/dt den entsprechenden zeitlichen Ableitungen.

Aus Gleichung 1 ist ersichtlich, daß M _x nur dann nicht 0 ist, wenn die Winkelkoordinate ϕ des Pflugs einer zeitlichen Änderung unterliegt. Wird diese Winkelkoordinate ϕ als Regelgröße herangezogen, ist das Blockschaltbild gemäß Fig. 2 zusätzlich zur bereits beschriebenen Addition des Trägheitsmoments M _x wie folgt zu erweitern:
Aus dem Nickwinkel β des Traktors wird durch Vergleich mit dem Relativwinkel β-ϕ zwischen Traktor und Pflug dessen Absolutwinkelkoordinate ϕ gebildet, die einerseits zur Bildung des Momentes M _x dient. Andererseits wird der Winkel d von einem Sensor 2 erfaßt, der ein geeignetes Meßsignal für die Regeleinrichtung 4 a erzeugt, deren Ausgangssignal auf einen Stellantrieb bestehend aus einem Ventil 8, dem Hubzylinder 5 und dem Hubgestänge 6 wirkt, der einen neuen Relativwinkel β-ϕ erzeugt, der zurückgeführt wird und im Vergleich mit dem Nickwinkel β wieder die Winkelkoordinate ϕ des Pflugs ergibt. Der Regelkreis ist somit geschlossen. Zur Erhöhung der Genauigkeit der durch den Stellantrieb bewirkten Pflugrelativbewegung wird der erhaltene Relativwinkel β-ϕ über einen Hilfsregler 9 zurückgeführt und dessen Signal mit dem Signal der Regeleinrichtung verglichen. Das sich daraus ergebende Signal wird auf den Stellantrieb gegeben. Als Meß- bzw. Regelgrößen sind auch möglich die Winkelgeschwindigkeit bzw. Winkelbeschleunigung f des Pflugs, die aus der Nickbewegung resultierenden dynamischen Kräfte, oder die Relativwinkelkoordinate β-ϕ zwischen Traktor und Pflug.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild für ein Regelungsprinzip, bei dem die Winkelkoordinate β des Traktors als Regelgröße aufgefaßt wird, wobei das Ziel darin besteht, den Änderungsbereich dieses Winkels möglichst gering zu halten bzw. seinen Änderungen entgegenzuwirken. Dies wird erreicht, indem der Pflug in etwa gegenphasig zum Traktor, d. h. entgegengesetzt zu dessen Bewegungsverlauf, bewegt wird, wodurch sich eine Nickschwingungsreduzierung erzielen läßt, die das Ausmaß der Nickbewegung des Traktors unter dasjenige eines Traktors ohne Anbaugerät absenkt.

Wie Fig. 5 zeigt, wird der sich gemäß dem Blockschaltbild entsprechend Fig. 2 ergebende Nickwinkel β des Traktors durch den Sensor 2 gemessen und in geeigneter Form der Regeleinrichtung 4 a zugeführt, deren Ausgangssignal auf den Stellantrieb, der gleich demjenigen in Fig. 4 ist, gegeben wird, um eine Relativbewegung zwischen Traktor und Pflug hervorzurufen. Die Winkelkoordinate β-ϕ dieser Relativbewegung wird mit dem Nickwinkel β des Traktors zur Erzeugung der Winkelkoordinate ϕ des Pflugs überlagert, wobei aus letzterer über die obengenannte Gleichung (1) wieder das auf den Traktor ausgeübte Trägheitsmoment M _x des Pflugs folgt. Ebenfalls wie bei der Regelung gemäß Fig. 4 erfolgt zur Erhöhung der Genauigkeit eine Rückführung des Relativwinkels β-ϕ über den Hilfsregler 9, dessen Signal mit dem Signal der Regeleinrichtung verglichen wird, wodurch bei Abweichungen die Stellgröße entsprechend verändert wird. Als Meß- bzw. Regelgrößen kommen ferner die Winkelgeschwindigkeit bzw. Winkelbeschleunigung b des Traktors sowie die Relativbewegung β-ϕ zwischen Traktor und Pflug in Betracht.

Gemäß einer ersten Ausführung erfolgt somit die geregelte Bewegung des Pflugs relativ zum Traktor so, daß die vertikale Absolutgeschwindigkeitskomponente des Pflugs annähernd zu Null wird, indem er relativ zum Fahrzeug so bewegt wird, daß er sich bei einer Abwärtsbewegung einer Verbindungsstelle Pflug/Traktor aufwärtsbewegt und bei einer Aufwärtsbewegung dieser Verbindungsstelle abwärtsbewegt. Hierdurch ist der Traktor in dynamischer Hinsicht vom Pflug vollständig entkoppelt, so daß sein Nickschwingungsverhalten nicht durch die aus den Beschleunigungskräften des Pflugs resultierenden und auf ihn einwirkenden Momente negativ verändert wird, wie dies bei einem Fahrzeug mit starr angekoppeltem Anbaugerät der Fall ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird der Pflug in Gegenphase zum Traktor bewegt, wodurch einer Änderung von dessen Nickwinkelkoordinate entgegengewirkt wird und sich ein Nickschwingungsverhalten des Traktors ergibt, dessen Amplitude sogar unter derjenigen eines Traktors ohne Anbaugerät liegt.

Claims (7)

1. Nutzfahrzeug, insbesondere landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, mit einem Anbaugerät, das über eine Lenkeranordnung am Nutzfahrzeug befestigt und mittels eines Krafthebers relativ zum Nutzfahrzeug in einer in Fahrtrichtung liegenden vertikalen Ebene bewegbar ist, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mit der das Anbaugerät (7) in der ausgehobenen Stellung gegenläufig zu den Nick- und/oder Hubschwingungen des Nutzfahrzeugs (1) während der Fahrt in der Weise bewegt wird, daß das Anbaugerät (7) in der vertikalen Ebene annähernd ruhig gehalten ist.

2. Nutzfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen an sich bekannten Positionsregelkreis für den Kraftheber (5, 6) zur Steuerung verschiedener Betriebs- oder Aushubstellungen des Anbaugeräts (7) beinhaltet, und daß ein die Absolutbewegung des Anbaugeräts (7) darstellendes Meßsignal dem Positionsregelkreis überlagert wird.

3. Nutzfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal durch mindestens einen Beschleunigungsaufnehmer (2 a, 2 b, 2 c) erzeugt wird, der entweder am Nutzfahrzeug (1) selbst, an einem Lenkergestänge (3) für das Anbaugerät (7), oder am Anbaugerät angebracht ist.

4. Nutzfahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus einer Zugkraftregelvorrichtung (4, 4 a) für das Anbaugerät (7) abgeleitet wird.

5. Nutzfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal aus dem Druck des Hubzylinders (5) des Krafthebers (5, 6) abgeleitet wird.

6. Nutzfahrzeug nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal an geeigneter Stelle einen Hubgestänges (6) des Krafthebers (5, 6) aus der Hubkraft abgeleitet wird.

7. Nutzfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anbaugerät (7) über einen Ober- (3 b) und einen Unterlenker (3 a) am Fahrzeug (1) beweglich angekoppelt ist.