EP1263673B1

EP1263673B1 - Arbeitsmaschine

Info

Publication number: EP1263673B1
Application number: EP01933674A
Authority: EP
Inventors: Olaf Bittner; Gustav Leidinger; Jürgen Weber
Original assignee: O&K Orenstein and Koppel GmbH
Current assignee: CNH Industrial Baumaschinen GmbH
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2004-02-18
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: EP1263673A2; DE10012389B4; DE50101507D1; DE10012389A1; WO2001069089A2; WO2001069089A3

Abstract

Es soll eine universell einsetzbare Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, welche zu ihrer Betätigung wenigstens zwei hydraulisch vom Bediener gesteuerte Funktionen für wenigstens ein erstes und ein zweites Element der Arbeitausrüstung aufweist, geschaffen werden, deren Hydraulikfunktionen möglichst einfach und flexibel bedient werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über eine elektronische Steuerung (21, 22) mitsteuerbar ist, welche einen Controller (22), dem die Steuersignale des Signalgebers (23) der ersten hydraulischen Funktion zugeleitet werden, und Speichermittel aufweist, in welchen in mathematischer und/oder graphischer Form wenigstens ein kinematischer Zusammenhang zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt ist, wobei der Controller (22) entsprechend dieses kinematischen Zusammenhanges die Verbindung zur wenigstens zweiten hydraulischen Funktion herstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, welche zu ihrer Betätigung wenigstens zwei vom Bediener gesteuerte Funktionen für ein erstes und wenigstens ein zweites Element der Arbeitsausrüstung aufweist, wobei die erste und die wenigstens zweite hydraulische Funktion über einen Signalgeber verbunden sind.

Arbeitsmaschinen mit einer Arbeitsausrüstung, die mehrere Elemente aufweist, die mittels hydraulischer Funktionen bewegt oder verstellt werden können, sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. So werden beispielsweise Radlader mit Frontladeausrüstung oder Bagger in großem Umfang in der Praxis eingesetzt.

Moderne Radlader werden in heutiger Zeit verstärkt in verschiedenen Einsatzbereichen verwendet. Ausgehend von der klassischen Erdbewegung werden sie vor allem auch im Industrieeinsatz und zunehmend auch in der Landwirtschaft verwendet. Im Bereich der Erdbewegung geht es dabei am häufigsten um das Lösen und Transportieren von Material. Dabei ist der Radlader mit einer Schaufel ausgerüstet. Im Industrieeinsatz, wenn Güter und Paletten transportiert werden sollen, werden Schnellwechsler mit Traggabeln verwendet. Weitere Arbeitswerkzeuge sind Leichtgutschaufeln, Hochkippschaufeln, Schaufeln mit Niederhaltern und Klammergabeln in vielen Ausführungen. Neben den Hauptfunktionen zur Bewegung des Hubwerkes (nämlich Heben und Senken), des Kippwerkes (Ankippen, Auskippen) und zum Betrieb von Sonderanbaugeräten mit einer weiteren Ventilblockeinheit hat dieses breite Einsatzspektrum zur Entwicklung einer Vielzahl von Sonderfunktionen geführt, um die Maschinen optimal an ihre Arbeitsaufgaben anzupassen. Herstellerseitig bedeutet dies jedoch einen hohen Aufwand, da bisher unterschiedliche Kinematiksysteme und Hydraulikbaugruppen entsprechend den jeweiligen Anforderungen vorgehalten und montiert werden müssen. Bei diesen verschiedenen Kinematiksystemen herrschen bisher die sogenannte Z-Kinematik und die PZ-Kinematik vor.

Bei der Z-Kinematik wird in Bodenlage der Schaufel eine hohe Reißkraft erzeugt. Diese Kraft resultiert aus der Druckbeaufschlagung der gesamten Kolbenfläche des Kippzylinders und deren Weiterleitung über entsprechend abgestimmte Armlängen des Kipphebels an die Schaufelschneide. Während des Hubvorganges soll die Schaufel weiter angekippt werden. Dadurch wird der Füllvorgang der Schaufel an der Wand unterstützt und der Nutzlastschwerpunkt wird möglichst weit nach hinten verlagert. Wenn die Schaufel geleert werden soll, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine große Auskippgeschwindigkeit, da die Kolbenringfläche mit Druck beaufschlagt wird und hier nur der kleinere Kolbenstangenraum gefüllt werden muss.

Im Industrieeinsatz sind beispielsweise eine exakte Parallelführung der Traggabel über den gesamten Hubbereich und hohe Haltekräfte des Kippwerkes bei Verwendung von Rohroder Baumklammern wesentlich. Das führt insbesondere bei negativen Auskippwinkeln zu einem enormen Kraftbedarf (Haltekraft), da der Schwerpunkt der Nutzlast sehr weit vor dem Anlenkpunkt am Hubrahmen liegt bzw. zu hohen Rückdrehkräften, um die Transportstellung zu erreichen. Die PZ-Industriekinematik wird der Parallelführung der Traggabel durch eine entsprechende Parallelogrammanordnung der Elemente der kinematischen Kette gerecht und ihr Reißkraftpotential ist besonders im Ankippbereich an die Erfordernisse angepasst worden. Daneben stellt die PZ-Industriekinematik (z.B. in DE 42 11 078 C2 beschrieben) auch im Sinne der Standardisierung bereits einen Entwicklungsschritt dar, da sie mit gleichen Anlenkpunkten ausgestattet und damit am gleichen Vorderrahmen anbaubar ist, wie die Z-Kinematik.

Unter der Zielstellung des universellen Einsatzes der Maschine sowohl mit Ladeschaufel für die Erdbewegung als auch mit Traggabel für den Palettentransport im Industriebereich ist eine Radladerkinematik bekannt geworden (DE 198 00 164 A1 der Anmelderin), die die Vorzüge beider Systeme vereint bzw. verbindet. Neben Vorteilen, wie einem dem Z-System vergleichbar einfachen Aufbau, verbesserter Sichtverhältnisse für den Fahrer, eines größeren Kippwinkelbereiches, sind es vor allem die Reißkraftverhältnisse, die über den gesamten Hubbereich nahezu unverändert hoch bleiben. Damit konnte ein wesentlicher Nachteil, insbesondere der Z-Kinematik, kompensiert werden, nämlich die Abnahme der Reißkraft mit der Hubhöhe. Während diese zweckmäßige Kinematik in der Druckschrift bereits im Einzelnen beschrieben ist, ist nichts darüber ausgesagt, wie steuerungstechnisch ein solcher Radlader geeignet betrieben werden kann.

Aus WO 99/27197 A2 ist eine Lademaschine bekannt, die eine Kinematik aufweist, bei der das Schaufelkippwerk keine Verbindungsglieder einer kinematischen Kette zum Vorderrahmen aufweist. Aufgrund dieser Kinematikverhältnisse ist vorgesehen, steuerungstechnisch aufwendig eine annähernd parallele Nachführung der Schaufel zu verwirklichen, da ohne diese Funktion bei dieser Kinematik die Schaufel beim Heben über den Hubwinkel nach hinten kippt.

Aus DE 197 26 821, die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine bekannt, die ebenfalls ein anderes Kinematiksystem aufweist. Verfahrensmäßig ist dabei im wesentlichen die Verwendung von Winkelsensoren zur Erfassung der Kinematikstellung, eines Joysticks zur Vorgabe des Bedienersignals und die Modifikation des Bedienersignals in Abhängigkeit der Kinematikstellung unter Verwendung von Daten aus Nachschautabellen vorgesehen. Diese Nachschautabellen sind festliegende Kennfelder der Kinematikstellungen, in deren Abhängigkeit bestimmte Signalmodifikationen erfolgen. Das Steuerungsverfahren basiert somit wesentlich auf diesen festliegenden Nachschautabellen und ist dadurch sehr unflexibel.

Aus EP 0 608 096 A1 ist eine gattungsgemäße Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, nämlich ein Frontlader mit einer Ladeschaufel bekannt. Dabei weist der Frontlader zwei hydraulische Bedienfunktionen (Heben bzw. Senken und Kippen) für ein erstes und ein zweites Element der Arbeitsausrüstung (Hubzylinder, Kippzylinder) auf. Die erste und die zweite hydraulische Funktion sind über einen Signalgeber (Handhebel) miteinander verbunden, welcher von einem Bediener in zwei zueinander rechtwinklige Richtungen, nämlich in eine X-Richtung und eine Y-Richtung betätigt werden kann, wobei der einen Richtung die eine Funktion und der anderen Richtung die andere Funktion zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, mehrere Schalthebel oder Schaltknöpfe durch einen Schalthebel bzw. Signalgeber zu ersetzen, die Signale für die beiden hydraulischen Funktionen stehen jedoch in keinem Zusammenhang zueinander. Wird der Handhebel (Signalheber) in einer Richtung in eine Überpress- bzw. Endlage gebracht, wird die andere hydraulische Funktion automatisch in eine Ruhelage gebracht, dabei handelt es sich jedoch um eine einfache Einund Ausschaltung, eine steuerungstechnische Verknüpfung der beiden hydraulischen Funktionen ist nicht vorgesehen.

Während bei Radladern häufig, abgesehen von etwaigen Sonderfunktionen, nur zwei hydraulische Funktionen (Hydraulikzylinder für den Hubrahmen und Kippzylinder für den Kipphebel) vorhanden sind, sind beispielsweise bei Baggern grundsätzlich wenigstens drei hydraulische Funktionen (ohne Sonderfunktionen) notwendig, nämlich das Anheben bzw. Absenken des Auslegers, die Bewegung des Stiels und die Bewegung des Löffels. Bei derartigen relativ komplizierten Kinematiksystemen ist die Steuerung der einzelnen hydraulischen Funktionen der Arbeitsmaschine noch aufwendiger.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine universell einsetzbare Arbeitsmaschine zu schaffen, deren Hydraulikfunktionen möglichst einfach und flexibel bedient werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Arbeitsmaschine der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion über eine elektronische Steuerung mitsteuerbar ist, welche einen Controller, dem die Steuersignale des Signalgebers der ersten hydraulischen Funktion zugeleitet werden, und Speichermittel aufweist, in welchen in mathematischer und/oder graphischer Form wenigstens ein kinematischer Zusammenhang zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt ist, wobei der Controller entsprechend dieses kinematischen Zusammenhanges die Verbindung zur wenigstens zweiten hydraulischen Funktion herstellt.

Eine solche Arbeitsmaschine ist sehr einfach und flexibel einsetzbar und läßt sich besonders einfach vom Bediener bedienen, da der Bediener nur die erste hydraulische Funktion betätigen muss, indem er beispielsweise mit Hilfe eines Joysticks als Signalgeber den Hubzylinder des Hubrahmens eines Radladers betätigt. Basierend auf diesem Bediensignal für die erste hydraulische Funktion wird dann, ohne dass ein weiteres Bediensignal vom Bediener erzeugt werden muss, basierend auf dem Signalgeber, von einer geeigneten elektronischen Steuerung die zweite hydraulische Funktion und ggf. weitere hydraulische Funktionen automatisch ohne weiteren Eingriff des Bedieners betätigt. Die Handhabung der Arbeitsmaschine wird dadurch für den Bediener wesentlich vereinfacht, durch Modifikation der elektronischen Steuerung (d.h. der zugehörigen gespeicherten Funktionen) ist die Arbeitsmaschine für viele Anwendungsfälle geeignet.

Bei einem Radlader kann der kinematische Zusammenhang zwischen dem Kipphebel und dem Hubrahmen in den Speichermitteln abgelegt sein, worauf dann, basierend auf dem Steuersignal des Signalgebers für die erste hydraulische Funktion (z.B. Hubrahmen), vom Controller auf der Basis des kinematischen Zusammenhanges das Steuersignal für die zweite hydraulische Funktion, beispielsweise den Kippzylinder, ermittelt wird und diese dann entsprechend gesteuert wird.

Um zeitweise oder über einen längeren Zeitraum auch für die zweite und ggf. weitere hydraulische Funktionen eine manuelle Bedienung durch den Bediener zu ermöglichen, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion durch einen zweiten Signalgeber vom Bediener durch Übersteuerung der elektronischen Steuerung wenigstens zeitweise direkt steuerbar ist.

In ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein erster Sensor zur Ermittlung der Position des von der ersten hydraulischen Funktion betätigten Elementes der Arbeitsausrüstung und wenigstens ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Position des von der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion betätigten Elementes der Arbeitsausrüstung vorgesehen sind, wobei die Sensoren mit der elektronischen Steuerung verbunden sind. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die elektronische Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie aus dem vom ersten Sensor ermittelten Ist-Wert des ersten Elementes den Soll-Wert des zweiten Elementes ermittelt und mit dem von dem zweiten Sensor ermittelten Ist-Wert vergleicht und bei Abweichung einen Korrekturwert ermittelt und unter Berücksichtigung dieses Korrekturwertes die wenigstens zweite hydraulische Funktion entsprechend steuert. Somit ist es auf einfache Weise möglich, eine Lagekorrektur der Arbeitsausrüstung zu realisieren.

Die Flexibilität der Arbeitsmaschine läßt sich noch weiter dadurch verbessern, dass in den Speichermitteln mehrere mathematische und/oder graphische Funktionen für mehrere kinematische Zusammenhänge zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt sind, welche vom Bediener wahlweise aktivierbar sind. So lassen sich auf sehr einfache Weise auch hydraulische Sonderfunktionen verwirklichen und dergleichen.

Besonders zweckmäßig ist es weiterhin, dass zur Modifikation der mathematischen und/oder graphischen Funktionen in den Speichermitteln "teach-in"-Eingabetasten vorgesehen sind. Dadurch lassen sich vom Bediener auf einfache Weise Modifikationen vornehmen und erhalten.

Ferner ist besonders bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass der wenigstens eine Signalgeber als Joystick ausgebildet ist. Ein solcher Joystick kann dann auch noch als Signalgeber für ein etwaiges zweites Signal dienen.

Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine kann beispielsweise als Bagger ausgebildet sein. Ein solcher Bagger weist üblicherweise drei hydraulische Funktionen auf, nämlich Anheben/Senken des Auslegers, Bewegung des Stiels und Bewegung des Löffels. Außerdem sind weitere Sonderfunktionen möglich. Erfindungsgemäß wird dann als erste hydraulische Funktion lediglich das Anheben bzw. Absenken des Auslegers vom Bediener gesteuert, die weiteren hydraulischen Funktionen werden basierend darauf von der elektronischen Steuerung gesteuert.

In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine als mobiler Lader mit Frontlädeausrüstung ausgebildet. Die erste hydraulische Funktion wird dann vom Hubzylinder des Hubrahmens gebildet, die zweite beispielsweise vom Kippzylinder des Kipphebels, ferner sind weitere, beispielsweise Sonderfunktionen, möglich.

Wenn die Arbeitsmaschine als mobiler Lader verwirklicht wird, ist ganz besonders bevorzugt vorgesehen, dass der mobile Lader in Übereinstimmung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11 ausgebildet ist, d.h. eine Universalkinematik enthält, wie diese grundsätzlich aus DE 198 00 164 A1 bekannt ist. Dabei ist dann aufgrund des nahezu linearen Zusammenhanges zwischen dem Hubwinkel und dem Kipphebelwinkel des Laders die Ermittlung des jeweiligen Steuersignales für die zweite hydraulische Funktion (Kippzylinder) in der elektronischen Steuerung für die Parallelführung des Arbeitsgerätes besonders einfach. Bei dieser Ausgestaltung steht dann ein universell einsetzbarer Radlader zur Verfügung, der sowohl in der Erdbewegung, der Industrie, der Agrarwirtschaft als auch in anderen Anwendungsfeldern verwendet werden kann, ohne dass die Kinematik geändert werden muss. Dies ist mit der elektronischen Steuerung steuerungstechnisch leicht zu realisieren, da die Kinematik selbst einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen dem Hub- und Kipphebelwinkel aufweist. Dies ermöglicht ein einfaches und gleichzeitig robustes Regelungskonzept, insbesondere für die Parallelführung des Arbeitswerkzeuges beim Industrieeinsatz.

Der universelle Einsatzbereich eines solchen Radladers läßt sich noch dadurch erweitern, dass neben der ersten und der zweiten hydraulischen Funktion wenigstens eine weitere hydraulische Funktion für eine weitere Laderfunktion vorgesehen ist. Hierbei kann es sich z.B. um Sonderanbaugeräte, wie Hochkippschaufel, Baumklammer, Rotationscleaner, Kehrbesen und dergl. handeln.

Bei einem solchen Lader ist vorteilhaft auch ein Load-Sensing-System vorgesehen, welches bei Unterversorgung des Hydrauliksystems die Bewegungsunterbrechung einzelner Verbraucher (Zylinder- oder Hydromotoren) verhindert.

Ein derart ausgestalteter Lader bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die nachfolgend beispielhaft angegeben werden.

Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Lader bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die nachfolgend beispielhaft angegeben werden. So lassen sich beispielsweise die in der Landwirtschaft geforderten Schüttelbewegungen der Schaufel durch die elektronische Steuerung realisieren. Die Charakteristik des Joysticks ist modifizierbar (aggresiv, weich) und die Kinematik erlaubt hohe Auskippwinkel und Streugeschwindigkeiten. Ferner erlaubt die Steuerung eine automatische Erkennung der gewünschten Schüttelbewegung (Frequenz) sowie eine Einstellung des Auskippanteiles zum gleichmäßigen Ausschütten von Material. Ferner ist es möglich, die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors im unteren Drehzahlbereich zur Vermeidung einer Motorüberlastung bei der Beladung von Fahrzeugen im Leerlauf der Motors (Stillstand des Fahrzeuges) durch Reduzierung der Strömungsquerschnitte im Steuerschieber (Volumenströme) zu verringern.

Außerdem kann die maximale Motordrückung beim Befahren von Steigungen und gleichzeitigem Heben von Lasten begrenzt werden. Dazu wird die Fördermenge zu den Hydraulikzylindern reduziert, das Leistungsangebot durch die verringerte Motordrückung erhöht und zu Gunsten des Fahrantriebes umverteilt. Ferner ist es möglich, die maximale Fördermenge größer als üblich auszulegen, da die Steuerung der Leistungsverteilung zwischen Fahrantrieb und Arbeitshydraulik, je nach Einsatz, möglich ist.

Durch das Vorsehen der "teach-in"-Eingabetasten kann eine hohe Flexibilität sowohl für eine Hubendabschaltung als auch für eine Schaufelanschlagdämpfung als auch für eine Rückführautomatik der Schaufel oder der Traggabel erreicht werden. Durch die Schaufelanschlagdämpfung können harte Ankippund/oder Auskippanschläge vermieden werden, bei Felseinsatz kann das Erreichen der Anschläge grundsätzlich vermieden werden, da das Material allein ausrollt. Durch die "teachin"-Eingabetasten kann vom Fahrer bzw. Bediener zudem jederzeit eine individuelle Einstellung vorgenommen werden, was beispielsweise einen erheblichen Vorteil gegenüber der aus DE 197 26 821 A1 bekannten Lösung mit festen Nachschautabellen darstellt.

Ferner wird durch die "teach-in"-Eingabetasten eine höhere Flexibilität für etwa vorgesehene weitere Laderfunktionen gewährleistet. Mit einem zusätzlichen Joystick kann der gewünschte Sollwert eingestellt und durch die Betätigung der "teach-in"-Taste für den Dauerbetrieb gespeichert werden. Der Dauerbetrieb bleibt dann solange erhalten, bis er vom Bediener geändert wird.

Ferner kann die Hubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Hubhöhe variabel gestaltet werden, was auch eine Endlagendämpfung der Zylinder ermöglicht. Dadurch können auch Zylinder ohne integrierte hydraulisch-mechanische Endlagendämpfung mit diesem Merkmal ausgestattet werden, auch jeder andere Bewegungshalt wird durch diese Funktion komfortabler. Ferner ist es möglich, durch Reduzierung der Strömungsquerschnitte im Steuerschieber bei großen Lasten eine lastunabhängige Senkgeschwindigkeit zu realisieren. Das Fahrzeug ist dadurch für den Fahrer sicherer zu führen. Weiterhin ist eine aktive Nickschwingungsdämpfung des Fahrzeuges, insbesondere während der Transportfahrt, durch den Einsatz von Drucksensoren in den Hubzylindern und Steuerung der Ventilfunktionen Heben/Senken derart möglich, dass Fahrzeugschwingungen minimiert werden, indem das Gewicht des Arbeitswerkzeuges mit oder ohne Nutzlast durch Steuerung der Hubzylinderbewegung zur Schwingungstilgung dient. Vorteilhafterweise ist bei Verwendung eines Load-Sensing-Systems die Pumpensteuerung von einer Druckregelung über das Load-Sensing-Signal auf ein Konstantpumpenverhalten umzustellen.

Ferner ist es möglich, bei Verwendung von Drucksensoren auch eine einfache Wägefunktion zu realisieren. Mit Hilfe von Druck- und Winkelsensoren läßt sich auch eine Füllautomatik für die Schaufeln im Erdeinsatz bereitstellen, so dass beispielsweise die Schaufel derart gesteuert werden kann, dass an einer Wand ein gleichmäßiger Span von unten nach oben abgetragen wird. Bei Verwendung der Drucksensoren kann ferner eine Rohrbruchsicherheit gewährleistet werden, bei plötzlichem Druckverlust lassen sich die Steuerschieber schließen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1: in Seitenansicht einen mobilen Lader im Schaufelbetrieb für Erdbewegung,
Fig. 2: den Lader nach Figur 1 im Gabelbetrieb für Industrieeinsatz,
Fig. 3: die Hub-/Kippwinkel-Charakteristik der Kinematik des Laders nach Figuren 1 und 2,
Fig. 4: in vereinfachter Darstellung die elektrohydraulische Steuerungsstruktur der Arbeitshydraulik des Laders,
Fig. 5: eine Darstellung der Steuerungskomponenten mit Funktionsverteilung und Verknüpfung,
Fig. 6: eine beispielhafte Darstellung der Ein- und Ausgangssignale eines Controllers für die Steuerung,
Fig. 7: eine beispielhafte Darstellung einer Ablaufstruktur der Ladersteuerung und
Fig. 8: ein Funktionsprinzip einer Gabel-Parallelführung mit Reglerstruktur derselben.

Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine wird nachstehend anhand eines speziellen Ausführungsbeispieles, nämlich eines mobilen Laders mit Frontladeausrüstung, beschrieben, die Arbeitsmaschine kann grundsätzlich aber auch anders ausgebildet sein, sie kann beispielsweise als Bagger oder dergl. verwirklicht sein.

In den Figuren 1 und 2 ist ein mobiler Lader als Arbeitsmaschine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieser Lader 1 weist ein vorderes Rahmenteil 2 auf, an dem eine Universalkinematik angelenkt ist, deren grundsätzlicher Aufbau detaillierter in DE 198 00 164 A1 beschrieben ist.

Diese Universalkinematik weist zunächst einen ein erstes Element der Arbeitsausrüstung bildenden Hubrahmen 3 auf, der mit seinem hinteren Ende verschwenkbar am Rahmenteil 2 angelenkt ist. Dieser Hubrahmen 3 besteht üblicherweise aus zwei parallelen Rahmenteilen, die über ihrer Länge geeignet miteinander verbunden sind. Am Rahmenteil 2 des Laders 1 ist darüber hinaus drehbar wenigstens ein der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellter, die erste hydraulische Funktion des Laders bildender Hubzylinder gelagert, der mit seinem anderen Ende in einem Anlenkpunkt 4 am Hubrahmen 3 angelenkt ist. Durch Betätigung des Hubzylinders ist somit der Hubrahmen 3 mit veränderbarem Hubwinkel zwischen Hubrahmen 3 und Rahmenteil 2 um den Hubrahmendrehpunkt 5 verschwenkbar, d.h. heb- und senkbar.

Am vorderen Ende des Hubrahmens 3 ist in einem Schaufeldrehpunkt 6 ein Arbeitswerkzeug verschwenkbar angelenkt, beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 eine Schaufel 7 und beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 eine Gabel 7'. Im Bereich des vorderen Endes weist der Hubrahmen 3 zwischen seinen beiden Rahmenteilen eine gestrichelt angedeutete Quertraverse 8 auf, an der zwei parallele Kipphebelhalterungen 9 angeordnet sind, an deren freien Enden in einem Kipphebeldrehpunkt 10 ein ein zweites Element der Arbeitsausrüstung bildender Kipphebel 11 angelenkt ist. Das untere Ende des Kipphebels 11 ist in einem Kippzylinderanlenkpunkt 12 gelenkig mit einem die zweite hydraulische Funktion des Laders bildenden Kippzylinder 13 verbunden, der an seinem anderen Ende in einem Kippzylinderdrehpunkt 14 am vorderen Rahmenteil 2 angelenkt ist. Das obere Ende des Kipphebels 11 ist in einem Kippstangendrehpunkt 15 an einer Kippstange 16 angelenkt, die mit ihrem anderen Ende oberhalb des Schaufeldrehpunktes 6 in einem Kippstangenanlenkpunkt 17 an der Arbeitsschaufel 7 bzw. der Gabel 7' angelenkt ist.

Während durch die Betätigung des Hubzylinders (erste hydraulische Funktion) der Hubrahmen 3 gehoben oder gesenkt werden kann, kann durch Aus- bzw. Einfahren der Kolbenstange des Kippzylinders 13 (zweite hydraulische Funktion) der Kipphebel 11 mit der Kippstange 16 bewegt werden und damit die Schaufel 7 bzw. die Gabel 7' verschwenkt werden.

Wesentlich für den dargestellten Lader ist nun, wie dies die Figur 3 zeigt, dass die Anordnung des Kipphebels 11 gegenüber dem Hubrahmen 3 derart ist, dass ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Hubwinkel (dem Winkel zwischen dem Hubrahmen 3 und dem Rahmenteil 2) und dem Kippwinkel (dem Winkel zwischen dem Kipphebel 11 und dem Hubrahmen 3) besteht. Diese lineare Charakteristik ermöglicht es, mit einfachen regelungs- und steuerungstechnischen Mitteln vorgegebene Bewegungsabläufe, z.B. die Parallelführung des Arbeitswerkzeuges, umzusetzen. Der Zusammenhang zwischen dem Hub- und dem Kippwinkel ist im Einzelnen in Figur 3 dargestellt. Diese Darstellung geht von einer Nullstellung bei waagerechtem Hubrahmen 3 und einer in dieser Lage parallel liegenden Traggabel 7' aus. Die Kinematik zeigt eine über den gesamten Hubbereich weitgehend lineare Charakteristik und keine Bewegungsumkehr, wie sie bei Z-Kinematiken für den Kippzylinder auftritt, wenn man eine Parallelführung realisieren will.

Neben dieser linearen Charakteristik zwischen dem Kippwinkel und dem Hubwinkel der Kinematik zeichnet sich der erfindungsgemäß ausgebildete Lader durch eine elektronische (elektrohydraulische) Steuerung der Kinematik aus, die von dieser linearen Charakteristik Gebrauch macht.

Die wesentlichen Komponenten einer derartigen elektronischen Steuerung sind in Figur 4 dargestellt. Bei größeren Radladern mit einem Maschinengewicht von 8 t aufwärts werden häufig zwei Pumpen 18 für die Versorgung der Arbeitshydraulik (Hubzylinder, Kippzylinder) und der hydraulischen Lenkung 19 eingesetzt.

Vorzugsweise ist die Elektrohydraulik mit einem nicht dargestellten Load-Sensing-System ausgerüstet, so dass beide Pumpen 18 von den LS-Drücken der Lenkung bzw. der Arbeitshydraulik gesteuert werden. Um ein Maximum an Volumenstrom für die Funktion Heben/Senken des Hubzylinders und/oder Ankippen/Auskippen des Kippzylinders 13 zur Verfügung zu haben, wird die Lenkpumpe auch zur Versorgung der Arbeitshydraulik herangezogen. Mit diesem Steuerungsprinzip sind schnellere Arbeitsspiele des Laders im Einsatz möglich. Im Falle der benötigten Lenkfunktion gewährleistet eine Prioritätsschaltung (Prio-Ventil 20) die vorrangige Versorgung der Lenkung.

Die Elektrohydraulik weist einen allgemein mit 21 bezeichneten elektrohydraulischen Ventilblock auf, der mit nicht dargestellten elektrohydraulischen Pilotventilen ausgestattet ist. Deren elektrische Ansteuerung erfolgt durch einen Controller 22. In Abhängigkeit dieser Ansteuersignale werden die Stirnflächen der Hauptsteuerschieber im Ventilblock 21 mit einem entsprechenden Vorsteuerdruck beaufschlagt und gegen eine Federkraft verschoben. Bei Ausfall des Pilotsystems bewirkt die Federkraft die Rückstellung der Hauptsteuerschieber in Neutralstellung. In der Grundausstattung eines Laders werden vom Ventilblock 21 der Hub- und der Kippzylinder angesteuert. Optional wird eine weitere Ventilsektion angeflanscht, um einen weiteren hydraulischen Zylinder oder Hydromotor zu steuern. Dieser Zylinder ist in Figur 4 als dritte Funktion bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet. In Einzelfällen können auch noch weitere Anschlüsse vorgesehen sein, um einsatzspezifische Sondergeräte zu steuern.

Zur Bedienung der Steuerung durch den Fahrer bzw. Bediener ist ein mit dem Controller 22 verbundener erster Signalgeber, vorzugsweise in Form eines Joysticks 23, vorgesehen. In diesem elektronischen Joystick 23 werden entsprechende Steuersignale generiert, die an den Mobilcontroller 22 weitergeleitet werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die kreuzweise Bedienung eines sogenannten Multifunktions-Joysticks die Steuersignale der Grundfunktionen Heben/Senken und An-/Auskippen generiert und durch eine Reihe von Tastern Sonderfunktionen aktiviert bzw. Signale an die Steuereinheit des Lastschaltgetriebes für die Gang- oder Fahrtrichtungswahl gegeben. Ein weiterer separater elektronischer Joystick wird optional für die Steuerung der dritten Funktion (Bezugszeichen 24) genutzt. Beide Joysticks kommunizieren über eine integrierte CAN-Schnittstelle mit dem Controller 22 bzw. den anderen dargestellten CAN-fähigen Steuerungskomponenten. Figur 5 zeigt in vereinfachter Darstellung die Verknüpfung der CAN-fähigen Komponenten.

Die aktuelle Stellung des Hubrahmens 3 und des Kipphebels 11 wird ständig von zwei am Hubrahmen 3 bzw. am Kipphebel 11 angeordneten Winkelsensoren ermittelt und ebenfalls über CAN-Bus an den Mobilcontroller 22 gemeldet. Die Stellung der Laderkinematik ist für eine Vielzahl von Sonderfunktionen bzw. ihre Überwachung die notwendige Eingangsinformation. Je nach Ausstattungsumfang des Laders mit Sonderfunktionen wurde bei herkömmlicher Steuerung bisher die Stellung der Kinematik über eine unterschiedliche Anzahl von Initiatoren an das Bedienpult gemeldet, von dem aus entsprechende Magnetventile angesteuert wurden. Diese Magnetventile wurden in Verbindung mit kleinen Zusatzkolben am Steuerblock installiert, um beispielsweise im Falle einer Hubendabschaltung den Steuerkolben Heben bei Erreichen der durch den Initiator definierten Hubhöhe zwangsweise in Neutralstellung zurückzuschalten und somit den Hubvorgang zu begrenzen. Eine gewünschte Hubhöhenänderung erforderte immer eine montageseitige Änderung der Initiatorposition.

Durch das erfindungsgemäße elektronische Steuersystem lassen sich Sonderfunktionen, wie Hubendabschaltung, Schaufelrückführautomatik oder Schaufelanschlagdämpfung ohne zusätzliche hydraulische Magnetventile und Zusatzkolben realisieren, da softwareseitig eine einfache Übersteuerung der Joysticksignale und damit eine Steuerung der Steuerkolbenhübe in Abhängigkeit der Winkelsensordaten möglich ist. Im Falle der Hubendabschaltung bedeutet das eine ständige Überwachung des Hubvorganges in Form der Daten des Hubwinkelsensors. Wird durch den Bediener eine bestimmte Hubhöhe überschritten, reduziert der Controller 22 automatisch die Hubgeschwindigkeit und schaltet bei Erreichen der Grenzhöhe ab. Es lassen sich aber auch algorithmische Möglichkeiten schaffen, um die Hubbegrenzung bewusst überfahren zu können. Neben der Reduzierung notwendiger hydraulischer Ventile, Initiatoren und Zusatzsteuereinrichtungen läßt sich gleichzeitig ein höheres Maß an Flexibilität schaffen. Zum Einstellen einer neuen gewünschten Grenzhöhe fährt der Bediener eben diese an, betätigt eine "teach-in"-Taste und der Controller 22 speichert die neue Grenzhöhe ab. Die Grenzhöhe kann ohne mechanischen Aufwand beliebig oft und sehr einfach vom Bediener geändert werden.

Durch die Möglichkeit, die meisten Sonderfunktionen direkt mit dem elektrohydraulischen Ventilblock 21 zu steuern sowie dem Vorliegen der Winkelwerte (Hub- und Kippwinkel), die zur Überwachung, Aktivierung und Regelung der Funktionen erforderlich sind, verschiebt sich dieser Funktionsumfang vom Bedienpult herkömmlicher Steuerungen zum Controller 22. Neben der gesamten Fahrzeugelektrik verbleiben nur noch einfache Ein-/Aus-Funktionen, wie beispielsweise Schnellwechsler und Feststellbremse im Softwareumfang des Bedienpultes. Alle anderen Sonderfunktionen (siehe Figur 5) sind im Vergleich mit der bisherigen Steuerungsstruktur an den Mobilcontroller 22 übergegangen.

Neben der Gliederung der Steuerungssoftware in zwei verschiedene Aufgabengruppen, eine Maintask und eine Task 1 sind in Figur 6 die Ein- und Ausgangsbeziehungen des Controllers 22 dargestellt. Über die CAN-Verbindung werden die Signale der Joysticks 23 und der Winkelsensoren eingelesen. Ebenfalls über die CAN-Schnittstelle erfolgt eine Parametrierung von Softwarefunktionen, beispielsweise mit einem Service Laptop. Die Aktivierung der Sonderfunktionen durch den Maschinenbediener erfolgt über eine Reihe von Tastern, die im Bedienpult oder in der Seitenkonsole angeordnet sind.

Diese Taster werden über digitale Eingänge des Controllers 22 eingelesen. Die CAN-Signale und die Signale der digitalen Eingänge (Taster) werden in der Task 1 und der Maintask verarbeitet und führen zur Aktivierung und Abarbeitung von Steuerungsroutinen. Gemäß den Softwareroutinen werden über PWM-Ausgänge Proportionalmagnete der elektrohydraulischen Pilotventile des Steuerblockes 22 oder Schaltmagnete der Laststabilisierungsbaugruppe bzw. des Schwimmstellungsventils angesteuert. LEDs signalisieren verschiedene Zustände der Sonderfunktionen.

Im Steuerungsablauf sind die Steuerungsroutinen in zwei Gruppen gegliedert, eine Gruppe zeitkritischer und eine Gruppe nichtzeitkritischer Routinen. Figur 7 veranschaulicht in vereinfachter Weise die Zuordnung der Steuerungsalgorithmen zur Maintask bzw. zur Task 1. In der Task 1 werden alle zeitkritischen Routinen abgearbeitet, wobei auch hier zur besseren zeitlichen Synchronisation eine weitere Untergliederung in vier Gruppen erfolgt. Die Task 1 wird im 5 ms-Takt aufgerufen, wobei nacheinander je eine Routinegruppe abgearbeitet wird. Nach Abarbeitung einer Gruppe in der Task 1, die zwischen 3-4 ms erfordert, wird in die Maintask zurückgesprungen und die hier zugeordneten Steuerroutinen weiter abgearbeitet. Für die Task 1 bedeutet das, dass jede Steuerfunktion im 20 ms Takt durchlaufen wird.

Neben controllerinternen Sicherheitsfunktionen zählen zu den zeitkritischen Steueranteilen die Synchronisation und das Einlesen der Daten der Winkelsensoren, das Einlesen der Joystickdaten und deren Bearbeitung in Bezug auf Kennliniengestaltung sowie alle Grundfunktionen Heben/Senken, An-/Auskippen, dritte und evtl. vierte Funktion zur Betätigung von Hubwerk und Anbaugeräten.

Von den Sonderfunktionen sind die Gabelparallelführung und die Rückführautomatik in die Task 1 eingegliedert. Die geregelte Nachführung des Kippwinkels für die Parallelität der Traggabel 7' wie auch die ständige Berechnung der Kippzylinderlänge für die Schaufelrückführung sind Routinen, die definierte Taktraten erfordern.

In Figur 8 ist am Beispiel der Parallelführung der Traggabel 7' die erfindungsgemäße Steuerung im Einzelnen dargestellt.

Über den als Joystick 23 ausgebildeten Signalgeber wird die erste hydraulische Funktion, nämlich der Hubzylinder, direkt hydraulisch gesteuert. Die zweite hydraulische Funktion (Kippzylinder 13) wird über die elektronische Steuerung mit dem Signalgeber der ersten hydraulischen Funktion (Hubzylinder) verbunden. Dazu wird das entsprechende Signal abgegriffen (mit dem Bezugszeichen 25 angedeutete Stelle) und von der elektronischen Steuerung bzw. vom Controller 22 bearbeitet. Dazu greift der Controller 22 auf einen in Speichermitteln der elektronischen Steuerung abgelegten kinematischen Zusammenhang zwischen der ersten und der zweiten hydraulischen Funktion zu, nämlich beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 auf den nahezu linearen Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel des Kipphebels 11 und dem Hubwinkel des Hubrahmens 3. Daraus abgeleitet ermittelt der Controller 22 dann das Steuersignal für die zweite hydraulische Funktion, d.h. den Kippzylinder 13 und steuert diesen entsprechend.

Beim dargestellten Lader mit Parallelführung der Traggabel 7' ist eine definierte Nachführung des Kipphebels 11 in Abhängigkeit vom Hubrahmen 3 erforderlich. Der Bediener erwartet auch in diesem Betriebsmodus eine unmittelbar einsetzende Bewegung der Kinematik bei Betätigung des Joysticks 23.

Die Grundidee besteht in einer Geschwindigkeitssteuerung des Kippzylinders 13 und damit des Kipphebels 11, deren Fehler durch eine Lageregelung korrigiert werden. Eine Sollwertaufschaltung ermöglicht bei niederfrequenten Systemen ein gutes Folgeverhalten mit einer ausreichenden Stabilität.

Mit dem Joysticksignal liegt ein Geschwindigkeitssignal für die Hubbewegung vor. Davon wird unter Berücksichtigung der kinematischen Zusammenhänge und der Ventilcharakteristik ebenfalls ein Sollgeschwindigkeitssignal für den Kipphebel 11 abgeleitet. Dieser Geschwindigkeitssteuerung des Kipphebels 11 wird eine korrigierende Lageregelung aufgeschaltet. Der von der Position des Hubrahmens 3 abhängige Sollwert für den Kipphebelwinkel wird über ein Kinematikmodell berechnet. Der Ist-Wert des Hubwinkels bildet die Eingangsgröße für die Berechnung des Kippwinkelsollwertes der Lageregelung. Nach Bestimmung der Regelabweichung wird in einem Lageregler, z.B. PID-Regler, die Regelgröße erzeugt, die der Sollwertaufschaltung überlagert wird. Der I-Anteil des Reglers arbeitet als schaltender Integrierer. Die Ausgangsgröße wird begrenzt und vorzeichenabhängig den beiden Pilotventilen zugeordnet.

Für die Transportfahrt mit eingeschalteter Parallelführung der Traggabel 7' und aufliegender Last ist eine Korrekturfunktion gegeben. Sollte sich während der Fahrt die Neigung der Längsachse des Radladers so verändern, dass für die Last die Gefahr des Abrutschens besteht, kann der Fahrer durch die Betätigung der Joystickfunktion An- oder Auskippen die Stellung der Traggabel 7' korrigieren. Wird dem Controller 22 während aktiver Parallelführung ein An- oder Auskippsignal zugeleitet, deaktiviert er automatisch die Parallelführungsroutine für den Korrekturvorgang. Mit Beendigung der Korrekturbewegung übernimmt der Controller 22 die neue Stellung der Traggabel 7' und ermittelt aus den vorliegenden Winkelsensorsignalen ein Offset für den Kippwinkelsollwert.

Dieser Offset wird in die Sollwertberechnung des Kippwinkels eingebunden und die Parallelführungsroutine wieder aktiviert. Diese Funktion gestattet Korrekturen während der Transportfahrt wie auch das "teach-in" von gewünschten Traggabelstellungen für die Parallelführung.

Claims

Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, welche zu ihrer Betätigung wenigstens zwei vom Bediener gesteuerte hydraulische Funktionen für ein erstes und wenigstens ein zweites Element (3,11) der Arbeitsausrüstung aufweist, wobei das erste und das wenigstens zweite Element (3,11) der Arbeitsausrüstung über eine Kinematik miteinander verbunden sind, und wobei die erste und wenigstens zweite hydraulische Funktion mit einem gemeinsamen Signalgeber (23) verbunden sind, wobei die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über eine elektronische Steuerung (21,22) mitsteuerbar ist, welche einen Controller (22), dem die Steuersignale des Signalgebers (23) der ersten hydraulischen Funktion zugeleitet werden, und Speichermittel aufweist, in welchen in mathematischer und/oder graphischer Form wenigstens ein die Kinematik zwischen dem ersten und dem wenigstens zweiten Element (3,11) der Arbeitsausrüstung beschreibender kinematischer Zusammenhang zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt ist, wobei der Controller (22) entsprechend dieses kinematischen Zusammenhanges die Verbindung zur wenigstens zweiten hydraulischen Funktion herstellt, wobei ein erster Sensor zur Ermittlung der Position des von der ersten hydraulischen Funktion betätigten Elementes (3) der Arbeitsausrüstung und wenigstens ein zweiter Sensor zur Ermittlung der Position des von der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion (13) betätigten Elementes (11) der Arbeitsausrüstung vorgesehen sind, wobei die Sensoren mit dem Controller (22) verbunden sind, wobei die elektronische Steuerung (21,22) derart eingerichtet ist, dass sie aus dem vom ersten Sensor ermittelten Ist-Wert des ersten Elementes (3) den Soll-Wert des zweiten Elementes (11) ermittelt und mit dem von dem zweiten Sensor ermittelten Ist-Wert vergleicht und bei Abweichung einen Korrekturwert ermittelt und unter Berücksichtigung dieses Korrekturwertes die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) entsprechend steuert.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) durch einen zweiten Signalgeber (23) vom Bediener durch Übersteuerung der elektronischen Steuerung (21,22) wenigstens zeitweise direkt steuerbar ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Speichermitteln mehrere mathematische und/oder graphische Funktionen für mehrere kinematische Zusammenhänge zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt sind, welche vom Bediener wahlweise aktivierbar sind.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Modifikation der mathematischen und/oder graphischen Funktion in den Speichermitteln "teach-in"-Eingabetasten vorgesehen sind.
Arbeitsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Signalgeber als Joystick (23) ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass diese als Bagger ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass diese als mobiler Lader (1) mit Frontladeausrüstung ausgebildet ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der mobile Lader (1) einen mit dem hinteren Ende an einem vorderen Rahmenteil (2) des Laders angelenkten Hubrahmen (3) aufweist, der mittels wenigstens eines die erste hydraulische Funktion bildenden Hubzylinders mit veränderbarem Hubwinkel zwischen Hubrahmen (3) und Rahmenteil (2) verschwenkbar ist, wobei am vorderen Ende des Hubrahmens (3) in einem Schaufeldrehpunkt (6) ein Arbeitswerkzeug (7,7') angelenkt ist und in einem mittleren Bereich des Hubrahmens in einem Kipphebeldrehpunkt (10) ein Kipphebel (11) angelenkt ist, dessen unteres Ende gelenkig mit einem die zweite hydraulische Funktion bildenden Kippzylinder (13) verbunden und von diesem mit veränderbarem Winkel zwischen Kipphebel (11) und Hubrahmen (3) verschwenkbar ist, wobei der Kippzylinder (13) am anderen Ende am vorderen Rahmenteil (2) angelenkt ist und wobei das obere Ende des Kipphebels (11) an einer Kippstange (16) angelenkt ist, die mit ihrem anderen Ende oberhalb des Schaufeldrehpunktes (6) am Arbeitswerkzeug (7,7') angelenkt ist, wobei die Anordnung des Kipphebels (11) gegenüber dem Hubrahmen (3) derart ist, dass ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Hubwinkel und dem Kipphebelwinkel besteht.