EP1725715B1

EP1725715B1 - Verfahren und vorrichtung zur bewegungstilgung bei baumaschinen

Info

Publication number: EP1725715B1
Application number: EP05716056A
Authority: EP
Inventors: Renato Gianoglio; Frediani Salvatore; Jürgen Weber
Original assignee: CNH Baumaschinen GmbH
Current assignee: CNH Industrial Baumaschinen GmbH
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: US20070299589A1; BRPI0508902B1; DE502005008824D1; WO2005090694A1; BRPI0508902A; US7756622B2; ES2336340T3; ATE454507T1; DE102004012945A1; EP1725715A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei selbstfahrenden ungefederten Baumaschinen, insbesondere bei Radladern, mit einem mittels eines Hydraulikzylinders angetriebenen Arbeitsgerät.
Viele Typen von selbstfahrenden Baumaschinen weisen gattungsmäßig kein Dämpfungs- oder Federungssystem auf. Das liegt zum einen daran, dass für die Beladevorgänge eine Federung wegen ihres Nachgebens unter den Hub- und Reibkräften nachteilig ist, und zum anderen stellt das Vorhalten eines Federungssystems einen hohen konstruktiven Aufwand dar, der mit nicht unerheblichen Investitions- und wartungskosten verbunden ist. Dem guten Fahrverhalten, wie z.B. Agilität und Handhabung, dieser ungefederten Baumaschinen steht jedoch mangelnder Fahrkomfort, insbesondere beim Arbeits-, Transport- und Überführungszyklus, gegenüber.
Die Wirtschaftlichkeit derartiger Baumaschinen wird jedoch maßgeblich durch den Faktor Zeit bestimmt. Selbstfahrende Baumaschinen werden oftmals kurzfristig zwischen verschiedenen Baustellen umgesetzt, wobei die notwendige Zeit zum überführen der Baumaschine, also der Überführungszyklus, eine entscheidende Rolle spielt.
Eine Erhöhung der Fahrgeschwindigkeit zur Verringerung der Überführungszeiten ist bei ungefederten Baumaschinen jedoch eng mit den Anforderungen an den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit.sowie an die aus Sicht der Arbeitsmedizin zulässigen Belastungen für den Bediener geknüpft. Beim Überschreiten einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit werden hohe unerwünschte Impulse und Schwingungen, die in die Fahrerkabine eingeleitet werden, verzeichnet.
In den letzten Jahren wurde deshalb unter Verwendung von passiven Schwingungs-Tilgungs-Systemen, beispielweise in Radladern, versucht, einen Kompromiss zwischen dem Fahrverhalten und dem Fahrkomfort selbstfahrender ungefederter Baumaschinen zu finden. Aktive Schwingungs-Tilgungs-Systeme hingegen haben auf Grund ihrer Komplexität und der damit verbundenen Probleme bei der konstruktiven Umsetzung bislang keine praktische Bedeutung.
Bekannt aus der DE 42 21 943 C2 ist eine als passives Schwingungs-Tilgungs-System ausgebildete Hydraulikanlage für eine mit Arbeitsgeräten versehene verfahrbare Arbeitsmaschine. Hierbei wird vorgesehen, dass ein Hydrospeicher als Lastfederungssystem eingesetzt wird, wobei die für das Heben und Senken des Arbeitsgerätes zuständigen Hydraulikleitungen zwischen dem Hubzylinder und einem Steuerventil angeschlossen sind. Es ist offenbart, dass zur variablen Angleichung des Lastdrucks des Hydrospeichers an den jeweiligen Lastdruck des Hubzylinders mindestens eine Düse in Verbindung mit mehreren Wegeventilen zwischen dem Lastfederungssystem vorgesehen sind, wobei die Ventile in Vorsteuerleitungen zwischen einem vorsteuergeber und dem Steuerventil über vorgesehene Druckschalter betätigt werden. Prinzipiell wird bei diesem passiven Schwingungs-Tilgungs-System die Nachgiebigkeit des Hydrospeichers genutzt, um eine gegenphasige Bewegung der Ausrüstung zuzulassen, die ihrerseits die Bewegung ; einer Schaufel gegenüber der Baumaschine tilgt.
Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass neben dem. Hydrospeicher auch Wegeventile, Druckschalter und Düsen zusätzlich in der Baumaschine vorgesehen werden müssen, was zwangsläufig zu höheren Kosten führt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik sogenannte Suspensions-Systeme bekannt, die im Landtechnikbereich vor allem bei Traktoren eingesetzt werden.
Hierbei handelt es sich um Kombinationen von parallel geschalteten Federn und hydraulischen Dämpfern. Die Dämpfungscharakteristik ist dabei bei passiven Systemen (feste Düsen) fix und bei aktiven Systemen mittels einer Elektronik modifizierbar.
Der grundlegende Unterschied zwischen dem zuvor beschriebenen passiven Schwingungs-Tilgungs-System und einem Suspension-System liegt in der mechanischen Struktur der sich bewegenden Massen, wobei das Suspension-System selbst ein Feder-Dämpfer-Element ist, welches zwischen der Masse des Fahrzeugs und den Einzelmassen der Räder und Achsen angeordnet ist, um unerwünschte Schwingungsbewegungen dissipativ zu vernichten. Aus der US. 5,897, 287 , A. ist ferner eine Erfindung zur Bewegungstilgung von Baumaschinen beschrieben, die auf der Basis eines elektrohydraulischen Systems zur Steuerung der Hubzylinder arbeitet. Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen konstanten Druck in den Hubzylindern sicherzustellen. Mittels eines Drucksensors wird unter Berücksichtigung und Lage der Schaufel permanent der Druck in den Hubzylindern überwacht und konstant gehalten, um ein ungewolltes Absinken der Schaufel zu verhindern.
Nachteilig an dieser Lösung sind insbesondere die hochdynamischen Ventile, die für die geforderte Druckregelung, jedoch nicht für die Bewegungstilgung bei Radladern, notwendig sind. Die durch das Nicken der beladenen Schaufel erzeugten Anregungen/Impulse bzw. Nickschwingungen können damit erfahrungsgemäß gut kompensiert werden; für die Kabinenschwingungen ist diese Lösung jedoch ungeeignet. Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass die aus dem Stand der Technik vorbekannten passiven Bewegungs- oder Schwingungs-Tilgungs-Systeme nicht oder nur begrenzt für wechselnde Betriebsbedingungen optimiert sind, und wenn man die Vibrationstilgung der Kabine berücksichtigt, nur für ganz spezifische Aufgaben ausgelegt sind. Eine. Übertragung der in der Landtechnik eingesetzten Suspension-Systeme auf ungefederte Baumaschinen ist aus Gründen einer festen Ankopplung der Vorderachse mit dem Vorderrahmen nicht möglich. Mit dem Einsatz des aus der US 5,897,287 A vorbekannten aktiven Schwingungs-Tilgungs-Systems entstehen zudem sehr hohe Kosten durch einen ungerechtfertigten Aufwand an hochdynamischen Druckregelventilen.
Aus US 5,832,730 ist eine Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei selbstfahrenden, ungefederten Baumaschinen (z.B. Löffelbagger) bekannt. Das Arbeitsgerät wird mittels eines Hydraulikzylinders angetrieben. Weiterhin weist die Baumaschine eine Hydraulikquelle_, ein gesteuertes Ventil zur Versorgung des Hydraulikzylinders mit Hydraulikfluid sowie eine Regelungseinheit mit einer Steuersoftware auf. Am Auslegerzylinder sind zwei Drucksensoren vorgesehen, deren Messsignale mittels der Steuersoftware als Eingangssignale verarbeitet und in ein Beschleunigungssignal umgewandelt werden, woraus ein Steuerstrom für das Ventil als Ausgangsgröße für eine kompensierende Bewegung des Hydraulikzylinders bestimmt wird. Diese Vorrichtung wird wirksam bei der Betätigung des Arbeitsgerätes durch den Fahrer, d.h. die Steuersignale des Fahrers werden zur Bewegungstilgung automatisch übersteuert, sofern ungewünschte Bewegungen auftreten. Eine Bewegungstilgung während der Fahrt, unabhängig von der Betätigung des Arbeitsgerätes durch den Fahren, ist in dieser Druckschrift nicht offenbart
Aus Us-A-5,884,204 ist ein Verfahren zur Bewegungstilgung bei selbstfahrenden ungefederten Baumaschinen, insbesondere Radladern, mit einem mittels eines Hydraulikzylinders angetriebenen Arbeitsgerät, einer Hydraulikquelle, einem gesteuerten Ventil zur Versorgung des Hydraulikzylinders mit Hydraulikfluid, einer Regelungseinheit mit einer Steuersoftware sowie unter Verwendung eines als Beschleunigungssensor ausgebildeten Sensors bekannt, wobei die Steuerung der Geschwindigkeit des Hyraulikzylinders auf der Basis einer Beschleunigungsrückführung folgende Verfahrensschritte umfasst:

a. Erfassung des Beschleunigungssignals durch den Beschleunigungssensor während der Fahrt der Baumaschine,
b. Verarbeiten des Beschleunigungssignals als Eingangsgröße durch die Steuersoftware der Regelungseinheit und Ermittlung eines Steuerstroms für das Ventil als Ausgangsgröße zur Bewegungstilgung und
c. Versorgung des Hydraulikzylinders mit Hydraulikfluid durch das Ventil in Abhängigkeit des Steuerstroms.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei Baumaschinen zu entwickeln, die an wechselnde Aufgabenstellungen, z.B. Kabinendämpfung oder Schaufeldämpfung, der baumschine angepasst werden kann die kostengünstig ist und eine Nachrüstung in bislang ungefederte Baumaschinen mit wenig Aufwand ermöglicht, wobei die Dämpfung auch bei beladener Schaufel optimiert werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 und die Merkmale der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die rückbezogenen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Nach der Konzeption der Erfindung umfasst das Verfahren zur Bewegungstilgung bei Baumaschinen die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte:

a. Erfassung des Beschleunigungssignals durch den Beschleunigungssensor während der Fahrt der Baumaschine,
b. Auswahl eines Dämpfungsmodus aus mehreren adaptierbaren in der Regelungseinheit abgelegten Dämpfungsfunktionen zur Minimierung der Beschleunigung der Kabine und/oder Minimierung der Beschleunigung der Schaufel
c. Verarbeiten des Beschleunigungssignals als Eingangsgröße durch die Steuersoftware der Regelungseinheit und Ermittlung eines Steuerstroms für das Ventil in Abhängigkeit vom ausgewählten Dämpfungsmodus als Ausgangsgröße zur Bewegungstilgung und
d. Versorgung des Hydraulikzylinders mit Hydraulikfluid durch das Ventil in Abhängigkeit des Steuerstroms.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können auch die von einem Drucksensor erfassten Drucksignale im Hydraulikzylinder zur Ermittlung des Füllungsgrades und/ oder die von einem Winkelsensor erfasste Lage des Hubgerüstes zusätzlich zu der Eingangsgröße (A) als weitere Eingangsgrößen der Regelungseinheit zugeführt werden.
Die Drucksignale im Hydraulikzylinder indizieren den Füllungsgrad bzw. die Schaufellast, um in einem adaptiven Regelalgorithmus lastabhängige Regelparameter bestimmen zu können. Da der Regelalgorithmus adaptiv, also selbsteinstellend, ausgebildet ist, kann eine optimierte Dämpfung für unterschiedliche Betriebspunkte hinsichtlich der Schaufellast erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, dass die Baumaschine mit zwei verschiedenen Dämpfungsmodi, nämlich Kabinenmodus und Schaufelmodus, betrieben werden kann. Der Kabinenmodus wird vorzugsweise dann aktiviert, um bei Überführungsfahrten eine höhere Fahrgeschwindigkeit zu erzielen. Die Umschaltung in den Schaufelmodus wird dann vollzogen, wenn die an der Hubausrüstung platzierte Schaufel gedämpft wird, womit im Arbeitseinsatz der Baumaschine eine bessere Handhabung erreicht werden kann. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass selbstverständlich auch eine Kombination aus beiden Dämpfungsmodi möglich ist. Die Auswahl des Modus kann manuell durch den Fahrer der Maschine oder in besonders vorteilhafter Weise automatisch erfolgen, indem das Signal des Drucksensors ausgewertet wird, um mit gefüllter Schaufel den Schaufelmodus und mit leerer Schaufel den Kabinenmodus zu aktivieren.
Die Umschaltung zwischen den einzelnen Dämpfungsmodi ist vom Bediener der Baumaschine nicht nur im Stand, sondern auch während der Fahrt vollziehbar, wobei zwischen einem Betriebspunkt eines Druckniveaus und/oder der Fahrgeschwindigkeit unterschieden werden kann. Bevorzugt erfolgt die Umschaltung zwischen den einzelnen Dämpfungsmodi unter Verwendung des im Hydraulikzylinders angeordneten Drucksensors.
Die signifikanten Merkmale und Vorteile der Erfindung sind im Wesentlichen:

* kostengünstige Umsetzung eines aktiven Dämpfungssystems durch Ergänzung eines Beschleunigungssensors und eines in die Regeleinheit implementierten Algorithmus unter Verwendung des in der Baumaschine vorhandenen elektrohydraulischen Systems,
* Erhöhung der erzielbaren Fahrgeschwindigkeiten durch eine Stabilisierung der Baumaschine,
* Erhöhung der Produktivität und des Fahrkomforts durch die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Dämpfungsmodi, z.B. Dämpfung der Kabine und/oder Dämpfung der Schaufel, auszuwählen,
* Realisierung einer geschwindigkeitsabhängigen Dämpfung mittels der adaptiv ausgebildeten Regelungseinheit und
* Ermittlung des Füllungsgrades der Schaufel mittels eines optionalen Drucksensors.

Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei selbstfahrenden ungefederten Baumaschinen, insbesondere bei Radladern, mit einem mittels eines Hydraulikzylinders angetriebenen Arbeitsgerät eine Hydraulikquelle, ein gesteuertes Ventil zur Versorgung des Hydraulikzylinders mit Hydraulikfluid, mindestens einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Messgröße und eine Regelungseinheit mit einer Steuersoftware aufweist, wobei als Sensor ein Beschleunigungssensor vorgesehen ist und die Regelungseinheit derart ausgebildet ist, um die Signale des Beschleunigungssensors mittels der Steuersoftware als Eingangssignale zu verarbeiten und einen Steuerstrom für das Ventil als Ausgangsgröße für eine kompensierende Bewegung des Hydraulikzylinders zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist gegenüber dem Stand der Technik den Unterschied auf, dass keine Druckregelung, sondern eine Geschwindigkeitssteuerung des Hydraulikzylinders auf der Basis einer Beschleunigungsrückführung realisiert wird. Damit werden keine hochdynamischen Ventile benötigt, sondern es kann in vorteilhafter Weise das Ventil für den Arbeitskreis des Steuerblocks genutzt werden.
Für den Fall, dass die Baumaschine mit einem elektrohydraulischen System ausgestattet ist, d.h. wenn der Hauptsteuerblock für die Steuerung der Arbeitsfunktionen von einem Controller mit elektrischen Signalen angesteuert wird, sind keine weiteren zusätzlichen Hydraulikkomponenten oder spezielle Elektronikkomponenten zur Lösung der angestrebten Aufgabe notwendig.
Mittels dem Beschleunigungssensor können die unmittelbar auf die Schaufel und/oder die Kabine der Baumaschine wirkenden Beschleunigungen erfasst werden, um eine gegenphasige Bewegung des Hydraulikzylinders zu veranlassen. Das von dem Beschleunigungssensor erfasste Signal wird der Regeleinheit zugeführt, dort gegebenenfalls mit einem Drucksignal und einem wegkompensierenden Signal gewichtet und in ein entsprechendes Signal, welches den Stromwert für das den Hydraulikzylinder steuernde Ventil bestimmt, gewandelt. Das angesteuerte Ventil gibt dabei einen Ventilquerschnitt frei, so dass ein entsprechender Volumenstrom zu dem Hydraulikzylinder fließen kann.
Die Anordnung des Beschleunigungssensors kann an einer beliebigen Stelle der Baumaschine erfolgen, bevorzugt jedoch im Bereich der zu dämpfenden Funktion oder Maschinenbaugruppe, respektive Schaufel oder Fahrerkabine, der Baumaschine.
Jede äußere Anregung der Baumaschine ist mit einer unerwünschten Kraft- und damit Bewegungswirkung auf die Maschinenstruktur verbunden. Das erfindungsgemäße Bewegungs-Tilgungs-System erzeugt zur Kompensation der Kraft- bzw. Bewegungseinwirkung mittels des Hydraulikfluids eine Gegenkraft in den Hydraulikzylindern der Arbeitsausrüstung, besonders vorteilhaft in den Hubzylindern. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Drucksignal durch einen Drucksensor erfasst, der vorzugsweise im Bereich des Hydraulikzylinderbodens der Hubzylinder angeordnet ist. Dieses Drucksignal repräsentiert den Füllungsgrad der Schaufel der Ausrüstung. Da der Füllungsgrad ständig variieren kann, ist vorgesehen, dass die Regelungseinheit adaptiv ausgebildet ist. Somit kann lastadaptiv eine optimale Schwingungskompensation erzielt werden. Der Drucksensor ist folglich in der Lage, eine leere von einer gefüllten Schaufel zu unterscheiden und das entsprechende Signal der Regelungseinheit zuzuführen.
Der Drucksensor kann zusätzlich durch einen Winkelsensor oder einen anderen Positionssensor (z.B. Hubsensor für Hubzylinder) ergänzt werden. Der Winkelsensor erfasst die Lage des Hubgerüstes und vergleicht sie mit einem zuvor gespeicherten Referenzwert. Die Abweichung der Winkelposition von der Referenzposition wird durch einen Regler verarbeitet. In der Regeleinheit kann in vorteilhafter Weise ein zulässiger Bereich für die Position des Hubgerüstes definiert werden, dessen Einhaltung während der Tilgungsbewegung eine der Steuerungs- bzw. Regelaufgaben der Regeleinrichtung ist. Die momentane Position ist durch einen am Hubgerüst angeordneten Winkelsensor messbar.
Die in der Baumaschine für die Steuerung der Arbeitsfunktionen vorhandene Regelungseinheit wird erfindungsgemäß um eine Steuersoftware ergänzt, deren Algorithmus mehrere Dämpfungsfunktionen beinhalten kann. Während bei Bewegungs-Tilgungs-Systemen im Stand der Technik bislang nur die unerwünschten Beschleunigungen der Schaufel kompensiert werden konnten, können nunmehr über die Auswahl eines gewünschten Dämpfungsmodus die zugehörige Dämpfungsfunktion aktiviert werden. Typische Dämpfungsfunktionen für den Schaufelmodus, den Kabinenmodus aber auch für den kombinierten Modus sind dabei in der Steuersoftware vorgesehen. In Abhängigkeit des gewählten Dämpfungsmodus wird gemäß der zugehörigen Dämpfungsfunktion ein entsprechender Steuerstrom für das Ventil freigegeben.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Dabei zeigen:

Fig. 1: schematische Darstellung der auf eine Bauma- schine wirkenden äußeren Anregungen/Impulse,
Fig. 2: Steuerungsarchitektur der Vorrichtung zur Bewe- gungstilgung und
Fig. 3: Signalstruktur der Vorrichtung zur Bewegungstil- gung.

Fig. 1 illustriert schematisch die äußeren Anregungen/Impulse 4, die typischerweise auf eine Baumaschine 1 wirken. Die Kabine 1.1 des hier dargestellten Radladers wird durch die Fahrbahnanregung 4.1 und die Anregung 4.2 durch die Ausrüstungsbewegung vertikal beschleunigt 5. Einerseits werden die durch die Unebenheiten der Fahrbahn 3 erzeugten Anregungen/Impulse 4 bzw. Hubschwingungen während des Fahrens durch die Reifen 1.3 auf die Kabine 1.1 übertragen und andererseits die durch das Nicken der beladenen Schaufel 1.2.2 erzeugten Anregungen/Impulse 4.2 bzw. Nickschwingungen durch die nicht dargestellten Hydraulikzylinder 1.4 in die Kabine 1.1 eingeleitet. Die Fahrzeug- bzw. Kabinendämpfung erfolgt ohne Dämpfungssystem ausschließlich durch die Reifen 1.3 der Baumaschine 1. Während des Arbeits- oder Überführungszyklus der Baumaschine 1 können sich Anregungen/Impulse durch die Fahrbahn 4.1 bzw. durch die Ausrüstung 4.2 gegebenenfalls überlagern, was zu einer erhöhten und damit unerwünschten Kabinenbeschleunigung führt.
Fig. 2 zeigt die Steuerungsarchitektur der Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei Baumaschinen 1 in einem geschlossenen Regelkreis. Dieses Ausführungsbeispiel illustriert unter der Verwendung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 2.1, des Winkelsensors 2.2 und des Drucksensors 2.3 die Ansteuerung des Hydraulikzylinders 1.4 bei einer Anregung der Baumaschine 1 durch die in der Fig. 1 dargestellte Ausrüstung 1.2 und durch die Fahrbahn 3.
Die in der Fig. 1 dargestellte Baumaschine 1 weist werkseitig ein Ventil 1.5 des nicht dargestellten Steuerblocks, eine Regelungseinheit 6, die Winkelsensoren 2.2, den optional eingesetzten Drucksensor 2.3 und einen Beschleunigungssensor 2.1 auf.
Die Anregungen 4.1 der Baumaschine 1 durch die Fahrbahn 3 werden über die Räder/Reifen 1.3 der Baumaschine 1 ebenso wie über die Anregungen 4.2 der Ausrüstung 1.2 auf die Kabine 1.1 der Baumaschine 1 übertragen. Diese sich überlagernden Anregungen 4 werden von einem Beschleunigungssensor 2.1 erfasst und der Regeleinheit 6 als elektrisches Signal zugeführt. Dieses elektrische Signal bildet die erste Eingangsgröße für die Regeleinheit 6. Als eine weitere Eingangsgröße wird die Lage 10 des Hubgerüstes 1.2.1 der Regelungseinheit 6 zugeführt. Die Überwachung der Lage 10 des Hubgerüstes 1.2.1 erfolgt mittels der werkseitig an der Baumaschine 1 vorhandenen Winkelsensoren 2.2, um zu große Hydraulikzylinderhübe und eine driftende Ausrüstungsstellung zu vermeiden. Des Weiteren erfolgt im hier dargestellten Beispiel die Messung des Drucks 8 im Hydraulikzylinder 1.4 mittels eines Drucksensors 2.3. Mit diesem optional einsetzbaren Drucksensor 2.3 kann der Füllungsgrad der Schaufel 1.2.2 ermittelt werden. Die sich in der Schaufel 1.2.2 befindlichen massebehafteten Güter üben auf den Hydraulikzylinder 1.4 eine Druckkraft aus, die von dem Drucksensor 2.3 erfasst wird. Die zuvor beschriebenen Eingangssignale der Sensoren 2 bzw. Messwertumwandler werden gemäß einem in der Fig. 3 dargestellten Algorithmus zur Erzeugung eines Ausgangssignals verarbeitet. Das Ausgangssignal ist ein elektrisches Signal und liefert den Stromwert für ein Ventil 1.5 eines nicht dargestellten Steuerblocks. Das Ventil 1.5 gibt in Abhängigkeit des Stromwertes einen Ventilquerschnitt frei, wobei der Stromwert proportional zum freigegebenen Volumenstrom 7 ist. Mit dem Einlassen bzw. Auslassen von Hydraulikfluid wird der Hydraulikzylinder 1.4 bewegt. Die Geschwindigkeit der Hubbewegung ist dabei proportional dem freigegebenen Volumenstrom 7. Die Hubbewegung des Hydraulikzylinders 1.4 entspricht dabei einer kompensierenden Bewegung gegenüber der Fahrbahnanregung 4.1 und Ausrüstungsanregung 4.2. Der sich dabei im Hydraulikzylinder 1.4 einstellende Druck 8 wird erneut mittels des Drucksensors 2.3 erfasst und der Regelungseinheit 6 zugeführt. Die nicht von der Regelungseinheit 6 der Baumaschine 1 getilgten äußeren Anregungen 4 werden von dem Beschleunigungssensor 2.1 als Beschleunigung 5 erfasst und der Regelungseinheit 6 erneut zugeführt. Damit ist der Regelkreis geschlossen.
Mittels dieser Regelstrategie unter Verwendung zuvor beschriebener Komponenten kann eine gegenphasige Bewegung des Hydraulikzylinders 1.4 generiert werden, um die äußeren Anregungen 4, wie z.B. die Fahrbahnanregung 4.1 oder die Ausrüstungsanregung 4.2, zu kompensieren.
Fig. 3 zeigt die Signalstruktur der Vorrichtung zur Bewegungstilgung. In die Regelungseinheit 6 wurde ein Algorithmus zur Verarbeitung der Eingangssignale implementiert. Die Regelungseinheit 6 weist drei Module 12, nämlich den "active-ride-compensator" 12.1, den "boom-position-compensator" 12.2 und den "load-compensator" 12.3, auf, wobei jedes Modul 12.1-12.3 mindestens ein Eingangssignal verarbeitet und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
Das Modul "active-ride-compensator" 12.1 verarbeitet das Signal vom Beschleunigungssensor 2.1 und bestimmt den notwendigen Steuerstrom 9 für das Ventil 1.5, um eine kompensierende Zylinderhubbewegung zu veranlassen. Die erfasste Beschleunigung wird mittels eines Verstärkungsgliedes verstärkt und in Abhängigkeit eines gewählten Dämpfungsmodus 11 mittels einer Interpolationsfunktion in ein Signal gewandelt. Die Interpolationsfunktion wird jedoch erst durch ein generiertes Signal des nachfolgend beschriebenen "load-compensator" 12.3 aktiviert.
Die Dämpfungsmodi 11, Kabinendämpfung 11.1 und Schaufeldämpfung 11.2 enthalten unterschiedliche mathematische Transferfunktionen, die einzeln oder im Zusammenwirken aktiviert werden können. Das generierte Signal für den Steuerstrom 9 wird unmittelbar vor Verlassen des Moduls 12.1 verstärkt. Die im Ventil 1.5 vorhandene Überdeckung wird ferner durch einen Zusatzanteil 6.6 des Steuerstroms 9 kompensiert.
Dem "boom-position-compensator" 12.2 wird das Signal zugeführt, welches die Lage 10 des Hubgerüstes 1.2.1 repräsentiert. Dieses Signal wird durch am Hubgerüst 1.2.1 angeordnete Winkelsensoren 2.2 erfasst. Zum Zeitpunkt der Aktivierung der Dämpfungsfunktion speichert das System die aktuelle Lage 10 des Hubgerüstes 1.2.1 als Referenzposition. Bei Lasteintrag in die Schaufel 1.2.2 des Arbeitsgerätes 1.2 verändert sich der Anstellwinkel, wobei sich die Lage 10 des Hubgerüstes 1.2.1 verändert. Diese Winkelposition wird vom Winkelsensor 2.2 erfasst und im "boom-position-compensator" 12.2 mit der Referenzposition verglichen. Die Abweichung der Winkelposition von der Referenzposition wird durch einen PID-Regler 6.1 verarbeitet und nachfolgend durch ein als Begrenzer ausgebildetes Übertragungsglied 6.4 weiter verarbeitet. Der PositionsRegler spricht dabei erst an, wenn die Lage des Hubgerüstes einen zulässigen Bereich verlässt. Das vom PID-Regler 6.1 generierte Signal und vom Begrenzer beschränkte Signal nunmehr wird zum generierten Signal des "active-ride-compensator" addiert.
Der "load-compensator" verarbeitet die Signale des Drucksensors 2.3, der im Hydraulikzylinder 1.4 angeordnet ist. Der Druck im Hydraulikzylinder 1.4 indiziert den Füllungsgrad der Schaufel 1.2.2 bzw. die Druckkraft, die durch das in der Schaufel 1.2.2 befindliche massebehaftete Gut auf den Hydraulikzylinder 1.4 aufgebracht wird. Die Signale des Drucksensors 2.3 werden mittels eines Übertragungsgliedes gewandelt, anschließend durch ein Verstärkungsglied verstärkt und nachfolgend mittels eines Tiefpassfilters verarbeitet. Der Tiefpassfilter filtert nur den stationären Anteil des Signals heraus, der proportional zur Schaufellast bzw. Schaufelfüllung ist. Das generierte Signal wird nun dem "active-ride-compensator" zugeführt und aktiviert in Abhängigkeit der Größe des Signals die bereits erwähnte Interpolationsfunktion. Die Interpolationsfunktion beinhaltet die Bestimmung der Reglerparameter des "active-ride-compensators" in Abhängigkeit der Schaufellast.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem Verfahren zur Bewegungstilgung bei Baumaschinen 1 konnte nachgewiesen werden, dass sich die Kabinenbeschleunigung 5 von Baumaschinen 1 bei Fahrbahn- und Ausrüstungsanregung 4.1, 4.2 gegenüber passiven Bewegungs-Tilgungs-Systemen in einem definierten Frequenzbereich wesentlich verringert. Messungen haben gezeigt, dass mit Zunahme der Schaufellast sich zudem die relative Bewegungstilgung noch erhöht. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das erfindungsgemäße Bewegungs-Tilgungs-System die Maschinenstabilität nachhaltig verbessert und eine bessere Lenkbarkeit der Baumaschine 1, vor allem bei höheren Fahrgeschwindigkeiten, sichert.

Liste der Bezugszeichen

1: Baumaschine
1.1: Kabine
1.2: Arbeitsgerät
1.2.1: Hubgerüst
1.2.2: Schaufel
1.3: Reifen/Räder
1.4: Hydraulikzylinder
1.5: Ventil
2: Sensoren
2.1: Beschleunigungssensor
2.2: Winkelsensor
2.3: Drucksensor im Hydraulikzylinder
3: Fahrbahn
4: Anregungen/Impulse
4.1: Fahrbahnanregungen
4.2: Ausrüstungsanregungen
5: Kabinenbeschleunigung
6: Regelungseinheit/Active Ride Control
6.1: Regler
6.2: Vergleichsglied
6.3: Verstärkungsglied
6.4: Übertragungsglied
6.5: Referenzwert für Lage des Hubgerüstes
6.6: Zusatzanteil des Stromes
6.7: Interpolationsfunktion
7: Volumenstrom des Hydraulikfluids
8: Druck im Hydraulikzylinder
9: Steuerstrom für das Ventil
10: Lage des Hubgerüstes
11: Dämpfungsmodi
11.1: Kabinenmodus
11.2: Schaufelmodus
12: Module
12.1: load compensator
12.2: active ride compensator
12.3: boom position compensator

Claims

Verfahren zur Bewegungstilgung bei einer selbstfahrenden, ungefederten Baumaschine (1), insbesondere einem Radlader, mit einer Kabine (1.1), einer mittels eines Hydraulikzylinders (1.4) angetriebenen Schaufel (1.2.2), einer Hydraulikquelle, einem gesteuerten Ventil (1.5) zur Versorgung des Hydraulikzylinders (1.4) mit Hydraulikfluid, einer Regelungseinheit (6) mit einer Steuersoftware sowie mindestens einem als Beschleunigungssensor (2.1) ausgebildeten Sensor, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
a. Erfassung des Beschleunigungssignals durch den Beschleunigungssensor (2.1) während der Fahrt der Baumaschine,

b. Auswahl eines Dämpfungsmodus aus mehreren adaptierbaren in der Regelungseinheit (6) abgelegten Dämpfungsfunktionen zur Minimierung der Beschleunigung (5) der Kabine (1.1) und/oder Minimierung der Beschleunigung (4.2) der Schaufel (1.2.2),

c. Verarbeiten des Beschleunigungssignals als Eingangsgröße durch die Steuersoftware der Regelungseinheit (6) und Ermittlung eines Steuerstroms (9) für das Ventil (1.5) in Abhängigkeit vom ausgewählten Dämpfungsmodus als Ausgangsgröße zur Bewegungstilgung und

d. Versorgung des Hydraulikzylinders (1.4) mit Hydraulikfluid durch das Ventil (1.5) in Abhängigkeit des Steuerstroms (9).
Verfahren zur Bewegungstilgung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ermittlung eines Steuerstroms (9) für das Ventil (1.5) von der Regelungseinheit (6) nach einem ersten Dämpfungsmodus zur maximalen Dämpfung der Kabine (1.1) oder nach einem zweiten Dämpfungsmodus zur maximalen Dämpfung der Schaufel (1.2.2) durchgeführt wird.
Verfahren zur Bewegungstilgung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Dämpfungsmodus vom Bediener der Baumaschine (1) ausgewählt wird.
Verfahren zur Bewegungstilgung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahl des Dämpfungsmodus in Abhängigkeit vom Füllstand der Schaufel (1.2.2) automatisch erfolgt.
Verfahren zur Bewegungstilgung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ermittlung des Füllstandes der Schaufel ein im Hydraulikzylinder (1.4) angeordneter Drucksensor (2.3) verwendet wird, dessen Drucksignale der Regelungseinheit (6) zugeführt werden, um lastadaptiv einen optimalen Dämpfungsmodus zu wählen.
Verfahren zur Bewegungstilgung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von einem Winkelsensor (2.2) erfasste Lage (10) der Schaufel (1.2.1) zusätzlich als weitere Eingangsgröße der Regelungseinheit (6) zugeführt wird, um unzulässigen Hubbewegungen des Hydraulikzylinders (1.4) entgegenzuwirken.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen einem Betriebspunkt eines Druckniveaus und/oder der Fahrgeschwindigkeit unterschieden wird.
Vorrichtung zur Bewegungstilgung bei einer selbstfahrenden ungefederten Baumaschine (1), insbesondere einem Radlader, mit einer Kabine (1.1), einer mittels eines Hydraulikzylinders (1.4) angetriebenen Schaufel (1.2.2), einer Hydraulikquelle, einem gesteuerten Ventil (1.5) zur Versorgung des Hydraulikzylinders (1.4) mit Hydraulikfluid, mindestens einem als Beschleunigungssensor (2.1) ausgebildeten Sensor sowie einer Regelungseinheit (6) mit einer Steuersoftware, wobei die Regelungseinheit (6) mehrere adaptierbare Dämpfungsfunktionen für die Minimierung der Beschleunigung (5) der Kabine (1.1) und/oder Minimierung der Beschleunigung (4.2) der Schaufel (1.2.2) aufweist und derart ausgebildet ist, um die Signale des Sensors (2) mittels der Steuersoftware als Eingangssignal zu verarbeiten und einen Steuerstrom für das Ventil als Ausgangsgröße für eine kompensierende Bewegung des Hydraulikzylinders (1.4) in Abhängigkeit von einem aus den in der Regelungseinheit (6) abgelegten Dämpfungsfunktionen ausgewählten Dämpfungsmodus zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Regelungseinheit (6) wenigstens einen ersten Dämpfungsmodus zur maximalen Dämpfung der Kabine (1.1) und einen zweiten Dämpfungsmodus zur maximalen Dämpfung der Schaufel (1.2.2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Drucksensor (2.3) zur Erfassung des Drucks im Hydraulikzylinder (1.4) zur Ermittlung des Füllungsgrades der Schaufel (1.2.2) als weitere Eingangsgröße für die Regelungseinheit (6) vorgesehen ist, um lastadaptiv eine opimale Schwingungskompensation zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Winkelsensor zur Erfassung der Lage des Hubgerüstes (1.2.1) als weitere Eingangsgröße für die Regelungseinheit (6) vorgesehen ist, um unzulässigen Hubbewegungen des Hydraulikzylinders (1.4) entgegenzuwirken.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Beschleunigungssensor (2.1) im Bereich der Kabine (1.1) der Baumaschine angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Beschleunigungssensor (2.1) im Bereich der Schaufel (1.2.2) der Baumaschine angeordnet ist.