WO2001044668A2 - Steuervorrichtung für die manuell- oder fussgeführte steuerung von arbeitsmaschinen - Google Patents

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WO2001044668A2
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Helmut Renner
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Definitions

  • Control device for the manual or foot-guided control of work machines
  • the invention relates to a control device for the manual or foot-guided control of work machines, in particular hydraulic work machines, with an actuating element that can be moved in several directions, in particular a pedal or a control lever.
  • Control levers and pedals which act directly on the hydraulic circuit via slide and valve systems. Due to the reaction of the hydraulic fluid, these control elements or actuating elements oppose a certain resistance when they are actuated by the hand or foot.
  • Each lever can be moved in at least two directions, for example back and forth.
  • Resistance is used by the operator of the work machine as feedback or feedback for the actions he has undertaken and thus enables movements of the machine to be carried out more easily. Since hydraulic fluid is shifted in the system to trigger a reaction after the movement of the control member, the movements of the control member continue to be damped, so that feedback of uncontrollable machine vibrations and jerky movements of the working machine on the control member can be largely prevented.
  • a control device for example a control computer
  • the movement of the respective control element is converted into a signal, for example an electrical analog or digital signal, via intermediate elements, for example electrical sliding or rotating resistors.
  • the resistance that the machine operator feels when actuating an actuating element, for example such a control lever, is often determined only by a return spring and is essentially based on the mechanical sensitivity of the sensor.
  • the invention has for its object to provide a control device for the manual or foot-guided control of work machines, in which a resistance is felt when moving or adjusting the actuating element, which is of the order of magnitude of conventional work machines.
  • actuating element interacts with a non-hydraulic transmitter device or hydraulically decoupled from the hydraulic system, a damping device cooperating with the actuating element, which for at least one fluid is moved by the actuating element Movement direction of the actuating element of the movement opposes a resistance.
  • the transmitter device With the transmitter device, it is now possible to generate signals that are emitted by the actuating element in a more or less arbitrary manner. It is no longer necessary to use the actuating element to adjust a valve or a slide, which acts directly on the hydraulic system of the machine. However, as explained above, the required retroactive force is then missing. For this reason, the damping device is provided. With the aid of a fluid which is moved when the actuating element is actuated, the damping device generates a resistance which is opposite to the movement. This resistance is different from that generated by a simple return spring. On the one hand, the resistance that is generated with the help of the moving fluid can be significantly greater than the resistance of a simple return spring.
  • the damping device preferably opposes a basic resistance to a movement of the actuating element out of its rest position.
  • This training has several advantages. On the one hand, the operator receives a corresponding resistance from the beginning of the movement, which does not have to build up in the course of the movement. On the other hand, it is ensured that the actuating element can only be moved from a rest position if the operator actually intends to move it. Random movements, which could be caused by a vibration of the machine or by other external influences, are avoided with a relatively high degree of reliability.
  • the damping device preferably opposes a movement of the actuating element from a deflected position into its rest position with a reduced resistance.
  • This resistance can be practically zero.
  • This configuration ensures that the actuating element can return to its rest position quickly and without major external forces, while it requires larger forces for the deflection of the actuating element from its rest position. This includes, among other things, a security aspect.
  • the actuator is then automatically reset to its rest position when the operator no longer influences it, so that the shifting of the Stop actuator caused movements of the working machine.
  • the actuating element When moving from its rest position, the actuating element preferably reduces a fluid-filled cavity which has an outlet which is provided with a device for influencing the outflow speed of the fluid.
  • This is a relatively simple way to build up a high resistance with the help of a moving fluid.
  • the outflow speed of the fluid is a measure of how quickly the cavity can be reduced.
  • the reduction rate of the cavity is a measure of how quickly the actuating element can be moved.
  • the fluid is preferably under pressure.
  • the defined basic resistance to the movement of the actuating element is thus generated at the start of the movement of the actuating element.
  • the cavity is formed in a cylinder and is partially delimited by a piston which can be displaced in the cylinder, the piston bearing against the actuating element or a driver device connected thereto under the pressure of the fluid.
  • the piston is thus held in contact with the actuating element over the entire actuation of the actuating element and thus sets the corresponding element in the corresponding direction when the actuating element is moved
  • the piston cooperates with an end stop which is adapted to the rest position of the actuating element. This is an advantage especially when the actuating element can be moved in two opposite directions. The resistance force when moving in one direction is then not superimposed by a corresponding restoring force in the other direction.
  • Each damping device therefore always has a damping effect in only one direction, that is, it counteracts the movement in this direction with a corresponding resistance, while the movement of the actuating element in the other direction remains unaffected by this damping device.
  • the outlet of the cavity is preferably connected to a pressure accumulator.
  • the pressure of the fluid is accordingly defined in the pressure accumulator, so that the necessary basic resistance can be generated at the beginning of the movement of the actuating element.
  • the level of pressure in the pressure accumulator is a measure of this basic resistance.
  • the pressure accumulator contains a gas bubble.
  • this gas bubble With the help of this gas bubble, a certain spring characteristic can be achieved, ie the pressure increases with increasing deflection or displacement of the actuating element. This is because the fluid is displaced into the pressure accumulator in such a way that it compresses the gas bubble.
  • the gas bubble generates a back pressure that is dependent on the degree of compression and increases with increasing degree of compression.
  • the exit of the cavity is connected to a hydraulic system of the working machine. The hydraulic system of the working machine generates the desired higher pressure, so that the actuation of the actuating element is also opposed to the desired resistance.
  • the pressure at the outlet of the cavity is derived from the pressure in the hydraulic system or a control circuit of a hydraulic pump of the hydraulic system. It can thus be achieved that, for example, an excavator driver can feel a resistance opposing the bucket. If the bucket encounters an obstacle, the pressure in the hydraulic system increases, which can be determined, for example, by means of an LS signal. If the pressure of the LS signal is now used to adjust the pressure at the exit of the cavity, the excavator driver gets the desired information. At higher pressures, it requires greater effort to operate the actuating element.
  • the fluid is preferably a hydraulic fluid.
  • a sufficient amount of hydraulic fluid is available on most hydraulic machines. Stockpiling does not require any additional effort.
  • the fluid has a viscosity that can be changed by the action of a control component.
  • the viscosity is one of the variables with which the outflow behavior of a liquid can be changed. If you look at the viscosity changed, then you also change the outflow speed.
  • the fluid is preferably a magnetic liquid.
  • a magnetic liquid changes its viscosity or its flow behavior when it is exposed to a magnetic field.
  • a magnetic field can be generated by a magnet, for example an electromagnet, in order to change the outflow rate.
  • the fluid is a compressed gas.
  • the corresponding damping can also be brought about by a gas.
  • the device for influencing the outflow speed has a throttle. So that the fluid can flow through the throttle, there must be a certain pressure difference across the throttle which is generated by the operator building up the corresponding pressure in the cavity via the actuating element.
  • the outflow behavior of the fluid from the cavity can be specifically influenced by the choice of the size of the throttle.
  • the throttle is preferably arranged in an outflow path, to which an inflow path is connected in parallel, in which an outflow shutoff valve is arranged.
  • the outflow shut-off valve opens for the fluid flowing from the
  • Output wants to flow back into the cavity. This means that the backflow of the fluid into the cavity is practically unhindered, while the outflow of the fluid from the cavity is only possible through the throttle.
  • this configuration has the advantage that practically no force is required to reset the actuating element.
  • a pressure at the outlet can be used to reclaim the fluid back into the cavity.
  • the throttle is preferably adjustable. You can then change the outflow speed with little effort and thus change the resistance behavior.
  • the resistance behavior can be adapted to the needs of a special vehicle or a special operator.
  • the actuating element is preferably a pedal or a rocker arm mounted rotatably about an axis. These are the most common control devices that can be easily influenced with the damping device.
  • the actuating element is a cardanic control lever which is perpendicular to its longitudinal extension in the vicinity of the cardanic one
  • Storage has a driving ring surrounding this, which rests on the piston in the starting position. This results in damping in almost all directions of movement.
  • a first pair of directions of movement is assigned a different resistance than a second pair of directions of movement that is perpendicular to the first pair of directions of movement. This makes it possible, for example, to provide greater resistance to lateral movements than elongated movements, in order to give the machine operator a feeling for the exact guidance in the forward-backward direction.
  • 1 is a control device with a single-acting pedal
  • FIG. 2 shows a control device with a pedal designed as a rocker arm
  • Fig. 3 shows a control device with an actuating element in the form of a control lever with a throttle valve combination
  • Fig. 4 shows a control device with an actuating element in the form of a control lever with several throttle-valve combinations and a working circuit-dependent throttle control.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a control device with a simple pedal. The basic idea of the invention is to be illustrated on the basis of this embodiment.
  • An actuating element 1 in the form of a pedal mounted on a base plate 100 in a bearing 2 is connected to a transmitter device 3 via a coupling device 31.
  • the transmitter device 3 generates a signal in a manner not shown, but known per se, when the actuating element 1 moves, which signal is converted into hydraulic pressures via a processing unit, not shown, for example a control computer.
  • the control computer actuates, for example, predetermined valves in the hydraulic circuit of a work machine, for example an excavator or loader.
  • the signals emitted by the transmitter device 3 are generally in electrical form, and they can be designed in analog or digital form. However, it is also possible for the encoder device 3 to generate pneumatic, optical or hydraulic signals, the signal path being decoupled from the hydraulic working circuit in the latter case.
  • a damping device 101 is arranged in the actuating direction of the control element 1 designed as a pedal.
  • the damping device has a cylinder 4, in which a piston 5 is displaceably guided between two end positions.
  • the piston 5 is arranged so that it is in the starting position of the pedal in its upper end position. This end position is defined by the abutment of the piston on the base plate 100. A movement of the piston 5 beyond this end position is not possible.
  • a cavity 102 is formed in the cylinder 4 and is delimited by the cylinder 4 and the piston 5.
  • the piston 5 When the piston 5 is pushed into the cylinder 4, the cavity 102 is reduced.
  • the cavity 102 is filled with a hydraulic fluid.
  • the hydraulic fluid When the cavity 102 is reduced, the hydraulic fluid is displaced to the outside via an outlet 103 and reaches a pressure accumulator 7 via an attenuator 6.
  • the attenuator 6 contains a throttle 61 in an outflow path 104, which device is used to flow of the outflow speed of the hydraulic fluid.
  • the throttle resistance of the throttle 61 can optionally be adjusted, as indicated by an arrow.
  • An inflow path 105 is arranged parallel to the outflow path 104.
  • a valve 62 is provided in the inflow path 105, which in the present exemplary embodiment is designed as a check valve. Valve 62 opens toward cavity 102 and closes in the direction of
  • Pressure accumulator 7. A predetermined pressure prevails in the pressure accumulator 7. This pressure prevails when the piston 5 is in its upper end position, also in the cavity 102. A certain basic resistance of the actuating element 1 is therefore set by the pressure in the pressure accumulator 7.
  • a pressure bubble 7 can be contained in the pressure accumulator 7, the size of which is adapted to the volume of the cavity 102 in the cylinder 4. With appropriate dimensioning, the back pressure in the pressure accumulator 7 can then increase when the actuating element 1 is deflected. The machine operator thus receives feedback or feedback about the degree of actuation of the actuating element 7.
  • the setting of the throttle 61 has the effect that a faster resistance to the pedal is opposed to a higher resistance than is the case when the pedal is depressed slowly. Above all, this prevents jerky movements or vibrations of the working machine from being entered into the transmitter device 3 via the pedal.
  • the resistance to the movement of the actuating element 1 is built up only in the case of movements in one direction, specifically when the actuating element moves
  • the throttle device 6 basically does not generate any resistance. Due to the pressure in the pressure accumulator 7, the hydraulic fluid is conveyed back into the cavity 102 via the valve 62 which then opens, so that the piston 5 can follow the movement of the actuating element 1 directly.
  • Fig. 2 shows another embodiment in which the actuating device 1 is designed as a double-acting pedal, that is, as a rocker arm. Same
  • Cylinder 4 and piston 5 are provided for both directions of movement, each of which encloses a cavity 102.
  • Each piston-cylinder unit acts only when the actuating element 1 moves from the position shown in FIG.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the control device in which the actuating element 1 is designed as a control lever or joystick. For reasons of clarity, only one pair of directions of movement is shown, namely from left to right and from right to left. The same parts are provided with the same reference symbols.
  • a piston 5 is provided in the cylinder 4 for each direction of movement, the outputs of both cavities 102 formed thereby being connected to a common damping device 6, which is constructed in exactly the same way as in the exemplary embodiment in FIG. 1.
  • the actuating element 1 can also be gimbaled, only one axis 2 being shown here, as explained above.
  • the basic pressure in the cavities 102 of the cylinders 4 is derived from the control circuit 71 of the hydraulic pump.
  • Fig. 4 shows a further embodiment in which it can be seen that only the piston 5 located in the direction of movement is pushed into the cylinder 4 in order to reduce the cavity 102 arranged therein.
  • each cylinder 4 is assigned an attenuator 6 having a throttle 61 and a valve 62.
  • a different counterforce during the movement of the actuating element can thus be assigned to different directions of movement. For example, a forward movement can be a larger one
  • Opposing force can be assigned as a backward movement.
  • such a design is intended to have several pairs of directions of movement, the pairs of directions of movement being directed perpendicular to one another.
  • the throttles 61 can be controlled with a control pressure which is derived from the working circuit 72 of the hydraulic machine via a pressure converter 73.
  • a control pressure which is derived from the working circuit 72 of the hydraulic machine via a pressure converter 73.
  • the pressure of the working circuit 72 transformed via a pressure converter 73 can of course also be used to set the working pressure in the cavity 102 in the cylinders 4. This gives the machine operator feedback on particular loads on the machine. For example, when the excavator shovel hits an obstacle, the pressure in the cylinder 4 can increase to such an extent that when the load limit is reached, it is only possible to withdraw the lever, so that a deliberate overload of the working machine can be prevented.
  • the damping takes place in that a hydraulic fluid is displaced by the throttles 61 when the cavities 102 are reduced.
  • a gas is used instead of a hydraulic fluid.
  • the throttle 61 will have to be dimensioned differently. If you choose a magnetic liquid as the fluid, you can change the viscosity of the liquid by placing an electromagnet in the outflow path by applying current to the electromagnet (not shown). If the viscosity is changed, then the outflow behavior changes, ie a more viscous liquid is braked more strongly by the throttle 61 than a less viscous liquid.

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Abstract

Es wird eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulischen Arbeitsmaschinen, angegeben mit einem Betätigungselement (1), das in mehrere Richtungen bewegbar ist, insbesondere einem Pedal oder einem Steuerhebel. Hierbei möchte man bei der Verschiebung oder Verstellung des Betätigungselements (1) eine Widerstandskraft spüren, die in der Größenordnung von direkt wirkenden hydraulischen Kräften liegt. Hierzu wirkt das Betätigungselement (1) mit einer nicht hydraulischen oder vom Hydrauliksystem hydraulisch entkoppelten Gebereinrichtung (3) zusammen, wobei eine Dämpfungseinrichtung (6) mit dem Betätigungselement (1) zusammenwirkt, die mit Hilfe eines durch das Betätigungselement (1) bewegten Fluids für mindestens eine Bewegungsrichtung des Betätigungselements (1) der Bewegung einen Widerstand entgegensetzt.

Description

Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulischen Arbeitsmaschinen, mit einem Betatigungselement, das in mehrere Richtungen be- wegbar ist, insbesondere einem Pedal oder einem Steuerhebel .
Arbeitsmaschinen mit hydraulischen Antrieben, wie beispielsweise Bagger oder Frontlader, werden vielfach über Steuerhebel und -pedale gesteuert, die über Schieber- und Ventilsysteme direkt auf den Hydraulikkreislauf einwirken. Durch die Rückwirkung der Hydraulikflüssigkeit setzen diese Steuerorgane oder Betätigungselemente bei ihrer Betätigung der Hand oder dem Fuß ei- nen gewissen Widerstand entgegen. Hierbei ist jeder Hebel in mindestens zwei Richtungen bewegbar, beispielsweise vor und zurück.
Die Widerstandskraft dient dem Führer der Arbeitsma- schine als Rückkopplung oder Feedback für die von ihm vorgenommenen Handlungen und ermöglicht somit eine leichtere Ausführung von Bewegungen der Maschine. Da zur Auslösung einer Reaktion nach der Bewegung des Steuerorgans Hydraulikflüssigkeit im System verschoben wird, erfolgt weiterhin eine Dämpfung der Bewegungen des Steuerorgans, so daß eine Rückkopplung von nicht kontrollierbaren Maschinenschwingungen und ruckartigen Bewegungen der Arbeitsmaschine auf das Steuerorgan weitgehend verhindert werden kann.
Diese Vorteile entfallen, wenn die Bewegungen des Betätigungselements nicht direkt auf das Hydrauliksystem übertragen werden, sondern eine Steuereinrichtung, beispielsweise ein Steuerrechner, zwischen Betätigungselement und Hydrauliksystem geschaltet wird. In diesem Fall wird die Bewegung des jeweiligen Steuerelements über Zwischenglieder, beispielsweise elektrische Schiebe- oder Drehwiderstände, in ein Signal umgewandelt, beispielsweise ein elektrisches analoges oder digitales Signal. Der Widerstand, den der Maschinenführer bei der Betätigung eines Betätigungselementes, beispielsweise eines derartigen Steuerhebels, fühlt, wird vielfach nur durch eine Rückstellfeder bestimmt und richtet sich im wesentlichen nach der mechanischen Empfindlichkeit des Sensors.
Bei Baggern oder ähnlich stark bewegten Arbeitsmaschi- nen liegen diese Kräfte weit unter Haltekräften, die der Führer der Arbeitsmaschine benötigt, um sich mit Hilfe seiner Hände und Füße in einer stabilen Haltung in der Kabine abzusichern.
Darüber hinaus können rüttel- oder ruckartige Bewegungen sehr leicht in die Steuerung eingetragen werden und die sichere Führung der Arbeitsmaschine unmöglich a- chen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen anzugeben, bei der bei der Ver- Schiebung oder Verstellung des Betätigungselementes eine Widerstandskraft spürbar ist, die in der Größenordnung von herkömmlichen Arbeitsmaschinen liegt.
Diese Aufgabe wird bei einer Steuervorrichtung der ein- gangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Betätigungselement mit einer nicht hydraulischen oder vom Hydrauliksystem hydraulisch entkoppelten Gebereinrichtung zusammenwirkt, wobei eine Dämpfungseinrichtung mit dem Betätigungselement zusammenwirkt, die mit Hilfe eines durch das Betätigungselement bewegten Fluids für mindestens eine Bewegungsrichtung des Betatigungselements der Bewegung einen Widerstand entgegensetzt.
Mit der Gebereinrichtung ist es nunmehr möglich, Signa- le, die vom Betätigungselement abgegeben werden, auf mehr oder weniger beliebige Art zu erzeugen. Man ist nicht mehr darauf angewiesen, mit Hilfe des Betätigungselements ein Ventil oder einen Schieber zu verstellen, der unmittelbar auf das Hydrauliksystem der Arbeitsma- schine wirkt. Allerdings fehlt dann, wie oben ausgeführt, die erforderliche Rückwirkungskraft. Aus diesem Grunde ist die Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Die Dämpfungseinrichtung erzeugt mit Hilfe eines Fluids, das beim Betätigen des Betatigungselements bewegt wird, einen Widerstand, der der Bewegung entgegengerichtet ist. Dieser Widerstand ist ein anderer, als er von einer einfachen Rückstellfeder erzeugt wird. Zum einen kann der Widerstand, der mit Hilfe des bewegten Fluids erzeugt wird, wesentlich größer sein als der Widerstand einer einfachen Rückstellfeder. Zum anderen läßt sich der Widerstand über die Bewegungslänge des Betätigungselements wesentlich besser steuern. Würde man eine entsprechend starke Rückstellfeder verwenden, dann würde der Widerstand gegen die Bewegung sehr stark zunehmen müssen. Dies ist bei der Widerstandserzeugung mit Hilfe eines bewegten Fluids nicht zwangsläufig der Fall.
Vorzugsweise setzt die Dämpfungseinrichtung einer Bewegung des Betätigungselements aus seiner Ruhelage heraus einen Grundwiderstand entgegen. Diese Ausbildung hat mehrere Vorteile. Zum einen erhält der Bediener von Anfang der Bewegung an einen entsprechenden Widerstand, der sich nicht erst im Laufe der Bewegung aufbauen muß. Zum anderen wird dafür gesorgt, daß das Betätigungsele- ment aus einer Ruhelage heraus nur dann bewegt werden kann, wenn der Bediener tatsächlich die Absicht hat, es zu bewegen. Zufällige Bewegungen, die etwa durch eine Schwingung der Arbeitsmaschine oder durch andere äußere Einflüsse hervorgerufen werden könnten, werden mit ei- ner relativ großen Zuverlässigkeit vermieden.
Vorzugsweise setzt die Dämpfungseinrichtung einer Bewegung des Betätigungselements aus einer ausgelenkten Position in seine Ruhelage einen verminderten Widerstand entgegen. Dieser Widerstand kann praktisch gleich Null sein. Mit dieser Ausgestaltung stellt man sicher, daß das Betätigungselement schnell und ohne größere äußere Kräfte in seine Ruhelage zurückkehren kann, während es für die Auslenkung des Betätigungselements aus seiner Ruhelage heraus größere Kräfte benötigt. Damit ist unter anderem ein Sicherheitsaspekt verbunden. Das Betätigungselement wird dann, wenn die Bedienungsperson es nicht länger beeinflußt, automatisch in seine Ruhelage zurückgesetzt, so daß auch die durch das Verlagern des Betätigungselements verursachten Bewegungen der Arbeitsmaschine aufhören.
Vorzugsweise verkleinert das Betätigungselement bei ei- ner Bewegung aus seiner Ruhelage heraus einen fluidge- füllten Hohlraum, der einen Ausgang aufweist, der mit einer Einrichtung zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit des Fluids versehen ist. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, um mit Hilfe eines beweg- ten Fluids einen hohen Widerstand aufzubauen. Die Abströmgeschwindigkeit des Fluids ist ein Maß dafür, wie schnell der Hohlraum verkleinert werden kann. Die Ver- kleinerungsgeschwindigekit des Hohlraums hingegen ist ein Maß dafür, wie schnell das Betätigungselement be- wegt werden kann.
Vorzugsweise steht das Fluid unter Druck. Damit wird bereits zu Beginn der Bewegung des Betätigungselements der definierte Grundwiderstand gegen die Bewegung des Betätigungselements erzeugt.
Auch ist von Vorteil, wenn der Hohlraum in einem Zylinder ausgebildet und teilweise von einem in dem Zylinder verschiebbaren Kolben begrenzt ist, wobei der Kolben unter dem Druck des Fluids am Betätigungselement oder einer damit verbundenen Mitnehmereinrichtung anliegt. Der Kolben wird damit über die gesamte Betätigung des Betatigungselements in Anlage am Betätigungselement gehalten und setzt damit dem Betätigungselement bei Bewe- gung in der entsprechenden Richtung den entsprechenden
Widerstand entgegen. Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Kolben mit einem Endanschlag zusammenwirkt, der an die Ruhelage des Betätigungselements angepaßt ist. Dies ist ein Vorteil insbesondere dann, wenn das Betätigungselement in zwei entgegengesetzte Richtungen bewegt werden kann. Die Widerstandskraft bei der Bewegung in die eine Richtung wird dann nicht überlagert von einer entsprechenden Rückstellkraft in die andere Richtung. Jede Dämpfungseinrichtung wirkt also immer nur in eine Richtung dämp- fend, setzt also der Bewegung in diese Richtung einen entsprechenden Widerstand entgegen, während die Bewegung des Betätigungselements in die andere Richtung von dieser Dämpfungseinrichtung unbeeinflußt bleibt.
Vorzugsweise steht der Ausgang des Hohlraums mit einem Druckspeicher in Verbindung. Im Druckspeicher wird dementsprechend der Druck des Fluids definiert, so daß bereits am Anfang der Bewegung des Betätigungselements der nötige Grundwiderstand erzeugt werden kann. Die Hö- he des Drucks im Druckspeicher ist ein Maß für diesen Grundwiderstand.
Dabei ist besonders bevorzugt, daß der Druckspeicher eine Gasblase enthält. Mit Hilfe dieser Gasblase kann man eine gewisse Federcharakteristik erreichen, d.h. der Druck steigt an mit zunehmender Auslenkung oder Verschiebung des Betatigungselements. Das Fluid wird nämlich in den Druckspeicher so verdrängt, daß es die Gasblase komprimiert. Die Gasblase erzeugt dabei einen vom Kompressionsgrad abhängigen Gegendruck, der mit zunehmendem Kompressionsgrad ansteigt. In einer alternativen Ausgestaltung steht der Ausgang des Hohlraums mit einem Hydrauliksystem der Arbeitsmaschine in Verbindung. Das Hydrauliksystem der Arbeitsmaschine erzeugt den gewünschten höheren Druck, so daß der Betätigung des Betätigungselements auch der gewünschte Widerstand entgegengesetzt wird.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Druck am Ausgang des Hohlraums aus dem Druck im Hydrauliksystem oder einem Steuerkreislauf einer Hydraulikpumpe des Hydrauliksystems abgeleitet ist. Damit kann erreicht werden, daß beispielsweise ein Baggerfahrer einen sich der Schaufel entgegenstellenden Widerstand fühlen kann. Wenn die Schaufel an ein Hindernis stößt, dann steigt der Druck im Hydrauliksystem, was beispielsweise über ein LS-Signal festgestellt werden kann. Wenn nun der Druck des LS-Signals verwendet wird, um den Druck am Ausgang des Hohlraums einzustellen, dann bekommt der Baggerfahrer die gewünschte Information. Bei einem hö- heren Druck ist es für ihn mit einer höheren Kraftanstrengung verbunden, das Betatigungselement zu betätigen.
Vorzugsweise ist das Fluid eine Hydraulikflüssigkeit. Hydraulikflüssigkeit steht bei den meisten hydraulischen Arbeitsmaschinen in ausreichender Menge zur Verfügung. Die Bevorratung erfordert keinen zusätzlichen Aufwand.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Fluid eine durch Einwirkung einer Steuerkomponente veränderbare Viskosität aufweist. Die Viskosität ist eine der Größen, mit der das Abströmverhalten einer Flüssigkeit veränderbar ist. Wenn man die Viskosität verändert, dann verändert man auch die Abströmgeschwindigkeit.
Vorzugsweise ist das Fluid eine magnetische Flüssig- keit. Eine magnetische Flüssigkeit verändert ihre Viskosität oder ihr Strömungsverhalten dann, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. Ein magnetisches Feld läßt sich durch einen Magneten, beispielsweise einen Elektromagneten, erzeugen, um die Abströmgeschwin- digkeit zu verändern.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Fluid ein komprimiertes Gas ist. Auch durch ein Gas läßt sich die entsprechende Dämpfung bewirken.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit eine Drossel aufweist. Damit das Fluid durch die Drossel strömen kann, muß eine gewisse Druck- differenz über die Drossel vorhanden sein, die dadurch erzeugt wird, daß der Bediener über das Betatigungselement den entsprechenden Druck im Hohlraum aufbaut. Durch die Wahl der Größe der Drossel läßt sich das Abströmverhalten des Fluids aus dem Hohlraum gezielt be- einflussen.
Vorzugsweise ist die Drossel in einem Ausströmpfad angeordnet, dem ein Einströmpfad parallel geschaltet ist, in dem ein Abströmsperrventil angeordnet ist. Das Ab- Strömsperrventil öffnet also für das Fluid, das vom
Ausgang wieder in den Hohlraum zurückfließen will. Damit ist das Rückfließen des Fluids in den Hohlraum praktisch ungehindert, während das Abfließen des Fluids aus dem Hohlraum nur durch die Drossel möglich ist. Diese Ausgestaltung hat einerseits den Vorteil, daß man zum Rückstellen des Betätigungselements praktisch keine Kraft benötigt. Zum anderen hat sie den Vorteil, daß ein Druck am Ausgang verwendet werden kann, um das Fluid wieder in den Hohlraum zurückzufordern.
Vorzugsweise ist die Drossel verstellbar. Man kann dann mit geringem Aufwand die Abströmgeschwindigkeit verändern und damit das Widerstandsverhalten verändern. Beispielsweise kann man das Widerstandsverhalten an die Bedürfnisse eines speziellen Fahrzeugs oder eines speziellen Bedieners anpassen.
Vorzugsweise ist das Betätigungselement ein um eine Achse drehbar gelagertes Pedal oder ein Kipphebel. Dies sind die gängigsten Steuervorrichtungen, die sich mit der Dämpfungseinrichtung gut beeinflussen lassen.
Auch ist bevorzugt, daß das Betätigungselement ein kar- danisch gelagerter Steuerhebel ist, der rechtwinklig zu seiner Längserstreckung in der Nähe der kardanischen
Lagerung einen diese umgebenden Mitnehmerring aufweist, der in der Ausgangslage auf den Kolben aufliegt. Damit erfolgt eine Dämpfung in quasi alle Bewegungsrichtungen.
Hierbei ist besonders bevorzugt, daß einem ersten Bewe- gungsrichtungspaar ein anderer Widerstand zugeordnet ist als einem zweiten Bewegungsrichtungspaar , das senkrecht zum ersten Bewegungsrichtungspaar liegt. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, seitlichen Bewegungen einen stärkeren Widerstand entgegenzusetzen als länglichen Bewegungen, um dem Maschinenführer ein Gefühl für die exakte Führung in Vorwärts-Rückwärts-Richtung zu übermitteln. Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine Steuervorrichtung mit einem einfach wirkenden Pedal,
Fig. 2 eine Steuervorrichtung mit einem als Kipphebel ausgeführten Pedal,
Fig. 3 eine Steuervorrichtung mit einem Betätigungselement in Form eines Steuerhebels mit einer Drossel-Ventil-Kombination und
Fig. 4 eine Steuervorrichtung mit einem Betätigungselement in Form eines Steuerhebels mit mehreren Drossel-Ventil-Kombinationen und einer arbeitskreisabhängigen Drosselsteuerung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Steuervorrichtung mit einem einfachen Pedal. Anhand dieser Ausführungsform soll die Grundidee der Erfindung dargestellt werden.
Ein auf einer Grundplatte 100 in einem Lager 2 gelagertes Betätigungselement 1 in Form eines Pedals ist über eine Koppeleinrichtung 31 mit einer Gebereinrichtung 3 verbunden. Die Gebereinrichtung 3 erzeugt in nicht näher dargestellter, aber an sich bekannter Weise bei ei- ner Bewegung des Betätigungselements 1 ein Signal, das über eine nicht näher dargestellte Verarbeitungseinheit, beispielsweise einen Steuerrechner, in hydraulische Drücke umgesetzt wird. Hierzu betätigt der Steuerrechner beispielsweise vorbestimmte Ventile in dem hy- draulischen Kreis einer Arbeitsmaschine, beispielsweise einem Bagger oder Lader. Die von der Gebereinrichtung 3 abgegebenen Signale liegen in der Regel in elektrischer Form vor, wobei sie analog oder digital ausgestaltet sein können. Es ist aber auch möglich, daß die Ge- bereinrichtung 3 pneumatische, optische oder hydraulische Signale erzeugt, wobei in letztem Fall der Signalweg von dem hydraulischen Arbeitskreislauf entkoppelt ist.
Neben der Gebereinrichtung 3 ist in Betätigungsrichtung des als Pedal ausgebildeten Steuerelements 1 eine Dä p- fungseinrichtung 101 angeordnet. Die Dämpfungseinrichtung weist einen Zylinder 4 auf, in dem ein Kolben 5 zwischen zwei Endpositionen verschieblich geführt ist. Dabei ist der Kolben 5 so angeordnet, daß er sich in der Ausgangslage des Pedals in seiner oberen Endposition befindet. Diese Endposition wird durch den Anschlag des Kolbens an der Grundplatte 100 definiert. Eine Bewegung des Kolbens 5 über diese Endposition hinaus ist nicht möglich.
Bei Betätigung des Pedals, also bei Betätigung des Betätigungselements 1, wird der Kolben 5 in den Zylinder 4 hineinverschoben.
Im Zylinder 4 ist ein Hohlraum 102 gebildet, der vom Zylinder 4 und dem Kolben 5 begrenzt ist. Wenn der Kolben 5 in den Zylinder 4 hineinverschoben wird, dann wird der Hohlraum 102 verkleinert. Der Hohlraum 102 ist mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Die Hydraulik- flüssigkeit wird bei der Verkleinerung des Hohlraums 102 über einen Ausgang 103 nach außen verdrängt und gelangt über ein Dämpfungsglied 6 in einen Druckspeicher 7. Das Dämpfungsglied 6 enthält in einem Ausströmpfad 104 eine Drossel 61, die eine Einrichtung zur Beein- flussung der Abströmgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit bildet. Der Drosselwiderstand der Drossel 61 kann gegebenenfalls verstellt werden, wie dies durch einen Pfeil angedeutet ist.
Parallel zum Ausströmpfad 104 ist ein Einströmpfad 105 angeordnet. In dem Einströmpfad 105 ist ein Ventil 62 vorgesehen, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Rückschlagventil ausgebildet ist. Das Ventil 62 öffnet zum Hohlraum 102 hin und schließt in die Richtung zum
Druckspeicher 7. Im Druckspeicher 7 herrscht ein vorbestimmter Druck. Dieser Druck herrscht dann, wenn der Kolben 5 in seiner oberen Endposition ist, auch im Hohlraum 102. Durch den im Druckspeicher 7 vorhandenen Druck wird also ein gewisser Grundwiderstand des Betätigungselements 1 eingestellt.
Im Druckspeicher 7 kann eine Gasblase enthalten sein, deren Größe an das Volumen des Hohlraums 102 im Zylin- der 4 angepaßt ist. Bei entsprechender Dimensionierung kann dann der Gegendruck im Druckspeicher 7 bei der Auslenkung des Betatigungselements 1 zunehmen. Der Maschinenführer erhält somit eine Rückkopplung oder ein Feedback über den Betätigungsgrad des Betätigungsele- ments 7.
Die Einstellung der Drossel 61 bewirkt, daß einem schnellen Durchtreten des Pedals ein höherer Widerstand entgegengesetzt wird als das bei langsamem Durchtreten des Pedals der Fall ist. Hiermit wird vor allem ausgeschlossen, daß ruckartige Bewegungen oder Schwingungen der Arbeitsmaschine über das Pedal in die Gebereinrichtung 3 eingetragen werden. Der Widerstand gegen die Bewegung des Betätigungselements 1 wird nur bei Bewegungen in eine Richtung aufgebaut und zwar bei der Bewegung des Betätigungselements
1 aus seiner Ruhelage heraus. Wenn das Betätigungsele- ment 1 in eine andere Richtung bewegt wird, nämlich in die entgegengesetzte Richtung, dann erzeugt die Drosseleinrichtung 6 im Grunde keinen Widerstand. Durch den Druck im Druckspeicher 7 wird die Hydraulikflüssigkeit über das sich dann öffnende Ventil 62 in den Hohlraum 102 zurückgefördert, so daß der Kolben 5 der Bewegung des Betatigungselements 1 unmittelbar folgen kann.
Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Betätigungseinrichtung 1 als zweiseitig wirkendes Pedal, also als Kipphebel, ausgebildet ist. Gleiche
Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Hier sind für beide Bewegungsrichtungen Zylinder 4 und Kolben 5 vorgesehen, die jeweils einen Hohlraum 102 umschließen. Jede Kolben-Zylinder-Einheit wirkt nur bei der Bewegung des Betätigungselements 1 aus der in Fig.
2 dargestellten Ruhelage heraus. Einer Bewegung des Betatigungselements 1 aus einer ausgelenkten Position in die Ruhelage zurück wird kein Widerstand entgegengesetzt. Durch die oberen Endanschläge der Kolben 5, die durch die Grundplatte 100 gebildet wird, ist die exakte Einstellung der Grundstellung beim Entlasten des Pedals gewährleistet .
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Steuervorrich- tung, bei der das Betätigungselement 1 als Steuerhebel oder Joystick ausgebildet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Bewegungsrichtungspaar dargestellt, nämlich von links nach rechts und von rechts nach links. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugs- zeichen versehen. Für jede Bewegungsrichtung ist ein Kolben 5 in dem Zylinder 4 vorgesehen, wobei die Ausgänge beider dadurch gebildeten Hohlräume 102 mit einer gemeinsamen Dämp- fungseinrichtung 6 verbunden sind, die genauso aufgebaut ist, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1.
Das Betätigungselement 1 kann auch kardanisch aufgehängt sein, wobei hier, wie oben ausgeführt, nur eine Achse 2 dargestellt ist.
Um hierbei eine möglichst nur von der Stellgeschwindigkeit des Betätigungselements 1 abhängige Gegenkraft zu haben, ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß der Grunddruck in den Hohlräumen 102 der Zylinder 4 aus dem Steuerkreislauf 71 der Hydraulikpumpe abgeleitet wird.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem erkennbar ist, daß lediglich der in Bewegungsrichtung befindliche Kolben 5 in den Zylinder 4 hineingeschoben wird, um den darin angeordneten Hohlraum 102 zu verkleinern.
In diesem Beispiel ist jedem Zylinder 4 ein eine Drossel 61 und ein Ventil 62 aufweisendes Dämpfungsglied 6 zugeordnet. Damit können verschiedenen Bewegungsrich- tungen eine unterschiedliche Gegenkraft bei der Bewegung des Betätigungselements zugeordnet werden. Bei- spielsweise kann einer Bewegung nach vorne eine größere
Gegenkraft zugeordnet werden als eine Bewegung nach hinten. Prinzipiell ist eine derartige Ausbildung aber dafür gedacht, daß man mehrere Bewegungsrichtungspaare hat, wobei die Bewegungsrichtungspaare senkrecht zuein- ander gerichtet sind. In diesem Fall kann man einer seitlichen Bewegung eine größere Widerstandskraft entgegensetzen als einer Vorwärts-Rückwärts-Bewegung, so daß es möglich ist, dem Maschinenführer ein Gefühl für die exakte Führung in Vorwärts-Rückwärts-Richtung zu übermitteln.
In Fig. 4 ist weiterhin schematisch dargestellt, daß die Drosseln 61 mit einem Steuerdruck, der über einen Druckwandler 73 aus dem Arbeitskreislauf 72 der hydrau- lischen Maschine abgeleitet wird, gesteuert werden können. In diesem Fall steigt mit dem Ansteigen der Belastung der Arbeitsmaschine, die in den meisten Fällen auch mit erhöhten Schwingungen des Systems einhergehen, automatisch die Dämpfung, d.h. die der Bewegung entge- gengesetzte Widerstandskraft.
Ebenso kann natürlich auch der über einen Druckwandler 73 transformierte Druck des Arbeitskreislaufes 72 verwendet werden, um den Arbeitsdruck im Hohlraum 102 in den Zylindern 4 einzustellen. Hiermit erhält der Maschinenführer eine Rückmeldung über besondere Belastungen der Maschine. Beispielsweise kann sich beim Auf- treffen der Baggerschaufel auf ein Hindernis der Druck im Zylinder 4 soweit erhöhen, daß bei Erreichen der Be- lastungsgrenze nur noch ein Rücknehmen des Hebels möglich wird, so daß eine mutwillige Überlastung der Arbeitsmaschine verhindert werden kann.
In den in Fig. 1 bis 4 erläuterten Ausführungsformen erfolgt die Dämpfung dadurch, daß eine Hydraulikflüssigkeit durch die Drosseln 61 verdrängt wird, wenn die Hohlräume 102 verkleinert werden. Es ist aber genauso gut möglich, daß man anstelle einer Hydraulikflüssigkeit ein Gas verwendet. In diesem Fall wird man die Drossel 61 anders dimensionieren müssen. Wenn man als Fluid eine magnetische Flüssigkeit wählt, dann kann man durch Anordnen eines Elektromagneten im Ausströmpfad die Viskosität der Flüssigkeit verändern, in dem man den Elektromagneten (nicht dargestellt) mit Strom beaufschlagt. Wenn die Viskosität verändert wird, dann ändert sich das Ausströmverhalten, d.h. eine zähflüssigere Flüssigkeit wird durch die Drossel 61 stärker gebremst als eine dünnflüssigere Flüssigkeit.

Claims

Patentansprüche
1. Steuervorrichtung für die manuell- oder fußgeführte Steuerung von Arbeitsmaschinen, insbesondere hydraulischen Arbeitsmaschinen, mit einem Betätigungselement (1) , das in mehrere Richtungen bewegbar ist, insbesondere einem Pedal oder einem Steuerhebel, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (1) mit einer nicht hydraulischen oder vom Hydrauliksystem hydraulisch entkoppelten Gebereinrichtung (3) zusammenwirkt, wobei eine Dämpfungs- einrichtung (6) mit dem Betätigungselement (1) zusammenwirkt, die mit Hilfe eines durch das Betätigungselement (1) bewegten Fluids für mindestens eine Bewegungsrichtung des Betätigungselements (1) der Bewegung einen Widerstand entgegensetzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (6) einer Bewegung des Betatigungselements (1) aus seiner Ruhelage heraus einen Grundwiderstand entgegensetzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (6) einer Bewegung des Betätigungselements (1) aus einer ausgelenkten Position in seine Ruhelage einen vermin- derten Widerstand entgegensetzt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (1) bei einer Bewegung aus seiner Ruhelage heraus einen fluidgefüllten Hohlraum (102) verkleinert, der einen Ausgang (103) aufweist, der mit einer Einrichtung (6) zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit des Fluids versehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid unter Druck steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (102) in einem Zylinder (4) ausgebildet und teilweise von einem in dem Zylinder (4) verschiebbaren Kolben (5) begrenzt ist, wobei der Kolben (5) unter dem Druck des Fluids am Betätigungselement (1) oder einer damit verbundenen Mitnehmereinrichtung (11) anliegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) mit einem Endanschlag (100) zusammenwirkt, der an die Ruhelage des Betätigungselements (1) angepaßt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (103) des Hohlraums (102) mit einem Druckspeicher (7) in Verbindung steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher (7) eine Gasblase enthält.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (103) des Hohlraums (102) mit einem Hydrauliksystem (71) der Arbeitsmaschine in Verbindung steht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck am Ausgang des Hohlraums (102) aus dem Druck im Hydrauliksystem oder einem Steuerkreislauf (72) einer Hydraulikpumpe des Hydrauliksystems abgeleitet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Hydraulikflüssigkeit ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine durch Einwirkung einer Steuerkomponente veränderbare Viskosität aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine magnetische Flüssigkeit ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- durch gekennzeichnet, daß das Fluid ein komprimiertes Gas ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beeinflussung der Abströmgeschwindigkeit eine Drossel (61) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (61) in einem Ausströmpfad (104) angeordnet ist, dem ein Einströmpfad (105) parallel geschaltet ist, in dem ein Abströmsperr- ventil (62) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (61) verstellbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 , dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (1) ein um eine Achse (2) drehbar gelagertes Pedal oder ein Kipphebel ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Betatigungselement (1) ein kardanisch gelagerter Steuerhebel ist, der rechtwinklig zu seiner Längserstreckung in der Nähe der kardanischen Lagerung einen diesen umgebenden Mitnehmerring (11) aufweist, der in der Ausgangslage auf den Kolben (5) aufliegt.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten Bewegungsrichtungspaar ein anderer Widerstand zugeordnet ist als einem zweiten Bewegungsrichtungspaar, das senkrecht zum ersten Bewegungsrichtungspaar liegt.
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