DE10012389A1 - Arbeitsmaschine - Google Patents

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 Arbeitsausrüstung aufweist, geschaffen werden, deren Hydraulikfunktionen möglichst einfach und flexibel bedient werden können. DOLLAR A Dies wird dadurch erreicht, dass die erste hydraulische Funktion vom Bediener durch einen Signalgeber (23) hydraulisch steuerbar ist und dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über eine elektronische Steuerung (21, 22) mit dem Signalgeber (23) der ersten hydraulischen Funktion verbunden ist, derart, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über die elektronische Steuerung (21, 22) durch den Signalgeber (23) der ersten hydraulischen Funktion mitsteuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit einer Ar­ beitsausrüstung, welche zu ihrer Betätigung wenigstens zwei hydraulisch vom Bediener gesteuerte Funktionen für wenigs­ tens ein erstes und ein zweites Element der Arbeitsausrüs­ tung aufweist.

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 ver­ schiedenen Einsatzbereichen verwendet. Ausgehend von der klassischen Erdbewegung werden sie vor allem auch im Indus­ trieeinsatz und zunehmend auch in der Landwirtschaft verwen­ det. 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 Industrieein­ satz, wenn Güter und Paletten transportiert werden sollen, werden Schnellwechsler mit Traggabeln verwendet. Weitere Ar­ beitswerkzeuge sind Leichtgutschaufeln, Hochkippschaufeln, Schaufeln mit Niederhaltern und Klammergabeln in vielen Ausführungen. Neben den Hauptfunktionen zur Bewegung des Hub­ werkes (nämlich Heben und Senken), des Kippwerkes (Ankippen, Auskippen) und zum Betrieb von Sonderanbaugeräten mit einer weiteren Ventilblockeinheit hat dieses breite Einsatzspek­ trum zur Entwicklung einer Vielzahl von Sonderfunktionen ge­ führt, um die Maschinen optimal an ihre Arbeitsaufgaben an­ zupassen. Herstellerseitig bedeutet dies jedoch einen hohen Aufwand, da bisher unterschiedliche Kinematiksysteme und Hydraulikbaugruppen entsprechend den jeweiligen Anforderun­ gen vorgehalten und montiert werden müssen. Bei diesen ver­ schiedenen 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 Druckbe­ aufschlagung der gesamten Kolbenfläche des Kippzylinders und deren Weiterleitung über entsprechend abgestimmte Armlängen des Kipphebels an die Schaufelschneide. Während des Hubvor­ ganges 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 Auskippgeschwindig­ keit, 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 Rohr- oder Baumklammern wesentlich. Das führt insbesondere bei ne­ gativen Auskippwinkeln zu einem enormen Kraftbedarf (Halte­ kraft), da der Schwerpunkt der Nutzlast sehr weit vor dem Anlenkpunkt am Hubrahmen liegt bzw. zu hohen Rückdrehkräf­ ten, um die Transportstellung zu erreichen. Die PZ-Indus­ triekinematik 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 auch im Sinne der Standardisierung bereits einen Entwicklungsschritt dar, da sie mit gleichen Anlenkpunkten ausgestattet und da­ mit am gleichen Vorderrahmen anbaubar ist, wie die Z-Kinema­ tik.

Unter der Zielstellung des universellen Einsatzes der Ma­ schine 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 ver­ gleichbar 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, kompen­ siert werden, nämlich die Abnahme der Reißkraft mit der Hub­ höhe. Während diese zweckmäßige Kinematik in der Druck­ schrift bereits im Einzelnen beschrieben ist, ist nichts darüber ausgesagt, wie steuerungstechnisch ein solcher Rad­ lader geeignet betrieben werden kann.

Aus WO 99/27197 A2 ist eine Lademaschine bekannt, die eine Kinematik aufweist, bei der das Schaufelkippwerk keine Ver­ bindungsglieder einer kinematischen Kette zum Vorderrahmen aufweist. Aufgrund dieser Kinematikverhältnisse ist vorge­ sehen, steuerungstechnisch aufwendig eine annähernd paralle­ le 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 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine be­ kannt, 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 Modifika­ tion des Bedienersignals in Abhängigkeit der Kinematikstel­ lung unter Verwendung von Daten aus Nachschautabellen vorgesehen. Diese Nachschautabellen sind festliegende Kennfelder der Kinematikstellungen, in deren Abhängigkeit bestimmte Signalmodifikationen erfolgen. Das Steuerungsverfahren ba­ siert somit wesentlich auf diesen festliegenden Nachschau­ tabellen und ist dadurch sehr unflexibel.

Während bei Radladern häufig, abgesehen von etwaigen Sonder­ funktionen, nur zwei hydraulische Funktionen (Hydraulikzy­ linder für den Hubrahmen und Kippzylinder für den Kipphebel) vorhanden sind, sind beispielsweise bei Baggern grundsätz­ lich wenigstens drei hydraulische Funktionen (ohne Sonder­ funktionen) notwendig, nämlich das Anheben bzw. Absenken des Auslegers, die Bewegung des Stiels und die Bewegung des Löf­ fels. 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 mög­ lichst einfach und flexibel bedient werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Arbeitsmaschine der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste hydraulische Funktion vom Bediener durch einen Signal­ geber hydraulisch steuerbar ist und dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion über eine elektronische Steuerung mit dem Signalgeber der ersten hydraulischen Funktion verbunden ist, derart, dass die wenigstens zweite hydrauli­ sche Funktion über die elektronische Steuerung durch den Signalgeber der ersten hydraulischen Funktion mitsteuerbar ist.

Eine solche Arbeitsmaschine ist sehr einfach und flexibel einsetzbar und läßt sich besonders einfach vom Bediener be­ dienen, da der Bediener nur die erste hydraulische Funktion betätigen muss, indem er beispielsweise mit Hilfe eines Joy­ sticks 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, ba­ sierend auf dem Signalgeber, von einer geeigneten elektroni­ schen Steuerung die zweite hydraulische Funktion und ggf. weitere hydraulische Funktionen automatisch ohne weiteren Eingriff des Bedieners betätigt. Die Handhabung der Arbeits­ maschine wird dadurch für den Bediener wesentlich verein­ facht, durch Modifikation der elektronischen Steuerung (d. h. der zugehörigen gespeicherten Funktionen) ist die Arbeitsma­ schine für viele Anwendungsfälle geeignet.

Um zeitweise oder über einen längeren Zeitraum auch für die zweite und ggf. weitere hydraulische Funktionen eine manuel­ le 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 zeit­ weise direkt steuerbar ist.

In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die elek­ tronische Steuerung einen Controller, dem die Steuersignale des Signalgebers der ersten hydraulischen Funktion zugelei­ tet werden, und Speichermittel aufweist, in welchen in mathematischer und/oder graphischer Form wenigstens ein ki­ nematischer Zusammenhang zwischen der ersten und der wenigs­ tens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt ist, wobei der Controller die zweite hydraulische Funktion gemäß dieses ki­ nematischen Zusammenhanges steuert. So kann beispielsweise bei einem Radlader der kinematische Zusammenhang zwischen dem Kipphebel und dem Hubrahmen in den Speichermitteln abge­ legt 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.

In ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorge­ sehen, 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 Arbeitsaus­ rüstung vorgesehen sind, wobei die Sensoren mit der elektro­ nischen Steuerung verbunden sind. Dabei ist besonders bevor­ zugt vorgesehen, dass die elektronische Steuerung derart eingerichtet ist, dass sie aus dem vom ersten Sensor ermit­ telten Ist-Wert des ersten Elementes den Soll-Wert des zwei­ ten 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 mög­ lich, eine Lagekorrektur der Arbeitsausrüstung zu realisie­ ren.

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 we­ nigstens zweiten hydraulischen Funktion abgelegt sind, wel­ che 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 Modifi­ kationen 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 Signalge­ ber für ein etwaiges zweites Signal dienen.

Eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine kann beispielsweise als Bagger ausgebildet sein. Ein solcher Bagger weist übli­ cherweise drei hydraulische Funktionen auf, nämlich Anhe­ ben/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 Bedie­ ner gesteuert, die weiteren hydraulischen Funktionen werden basierend darauf von der elektronischen Steuerung gesteuert.

In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die erfin­ dungsgemäße Arbeitsmaschine als mobiler Lader mit Frontlade­ ausrüstung 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 mo­ bile Lader in Übereinstimmung mit den Merkmalen des Patent­ anspruches 11 ausgebildet ist, d. h. eine Universalkinematik enthält, wie diese grundsätzlich aus DE 198 00 164 A1 be­ kannt ist. Dabei ist dann aufgrund des linearen Zusammenhan­ ges zwischen dem Hubwinkel und dem Kippwinkel des Laders die Ermittlung des jeweiligen Steuersignales für die zweite hy­ draulische Funktion (Kippzylinder) in der elektronischen Steuerung besonders einfach. Bei dieser Ausgestaltung steht dann ein universell einsetzbarer Radlader zur Verfügung, der sowohl in der Erdbewegung, der Industrie, der Agrarwirt­ schaft als auch in anderen Anwendungsfeldern verwendet wer­ den 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 Kippwinkel auf­ weist. Dies ermöglicht ein einfaches und gleichzeitig robus­ tes 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 hy­ draulische Funktion für eine weitere Laderfunktion vorgese­ hen 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-Sen­ sing-System vorgesehen, welches bei Unterversorgung des Hy­ drauliksystems die Bewegungsunterbrechung einzelner Verbrau­ cher (Zylinder- oder Hydromotoren) verhindert.

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

Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Lader bietet eine Viel­ zahl von Vorteilen, die nachfolgend beispielhaft angegeben werden. So lassen sich beispielsweise die in der Landwirt­ schaft geforderten Schüttelbewegungen der Schaufel durch die elektronische Steuerung realisieren. Die Charakteristik des Joysticks ist modifizierbar (aggresiv, weich) und die Kine­ matik erlaubt hohe Auskippwinkel und Streugeschwindigkeiten. Ferner erlaubt die Steuerung eine automatische Erkennung der gewünschten Schüttelbewegung (Frequenz) sowie eine Einstel­ lung 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 Redu­ zierung der Strömungsquerschnitte im Steuerschieber (Volumenströme) zu verringern.

Außerdem kann die maximale Motordrückung beim Befahren von Steigungen und gleichzeitigem Heben von Lasten begrenzt wer­ den. Dazu wird die Fördermenge zu den Hydraulikzylindern re­ duziert, das Leistungsangebot durch die verringerte Motor­ drückung 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 Rück­ führautomatik der Schaufel oder der Traggabel erreicht wer­ den. Durch die Schaufelanschlagdämpfung können harte Ankipp- und/oder Auskippanschläge vermieden werden, bei Felseinsatz kann das Erreichen der Anschläge grundsätzlich vermieden werden, da das Material allein ausrollt. Durch die "teach- in"-Eingabetasten kann vom Fahrer bzw. Bediener zudem jeder­ zeit eine individuelle Einstellung vorgenommen werden, was beispielsweise einen erheblichen Vorteil gegenüber der aus DE 197 26 821 A1 bekannten Lösung mit festen Nachschautabel­ len darstellt.

Ferner wird durch die "teach-in"-Eingabetasten eine höhere Flexibilität für etwa vorgesehene weitere Laderfunktionen gewährleistet. Mit einem zusätzlichen Joystick kann der ge­ wünschte 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 Endlagen­ dämpfung der Zylinder ermöglicht. Dadurch können auch Zylin­ der ohne integrierte hydraulisch-mechanische Endlagen­ dämpfung mit diesem Merkmal ausgestattet werden, auch jeder andere Bewegungshalt wird durch diese Funktion komfortabler. Ferner ist es möglich, durch Reduzierung der Strömungsquer­ schnitte im Steuerschieber bei großen Lasten eine lastunab­ hängige Senkgeschwindigkeit zu realisieren. Das Fahrzeug ist dadurch für den Fahrer sicherer zu führen. Weiterhin ist eine aktive Schaufeldämpfung durch den Einsatz von Drucksen­ soren in den Hubzylindern und Steuerung der Ventilfunktionen Heben/Senken derart möglich, dass Schwingungen zwischen den Schaufeln und dem Fahrzeug minimiert werden. Vorteilhafter­ weise ist bei Verwendung eines Load-Sensing-Systems die Pum­ pensteuerung 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 bei­ spielsweise die Schaufel derart gesteuert werden kann, dass an einer Wand ein gleichmäßiger Span von unten nach oben ab­ getragen wird. Bei Verwendung der Drucksensoren kann ferner eine Rohrbruchsicherheit gewährleistet werden, bei plötzli­ chem Druckverlust lassen sich die Steuerschieber schließen.

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

Fig. 1 in Seitenansicht einen mobilen Lader im Schaufel­ betrieb für Erdbewegung,

Fig. 2 den Lader nach Fig. 1 im Gabelbetrieb für Indus­ trieeinsatz,

Fig. 3 die Hub-/Kippwinkel-Charakteristik der Kinematik des Laders nach Fig. 1 und 2,

Fig. 4 in vereinfachter Darstellung die elektrohydraulische Steuerungsstruktur der Arbeitshydraulik des Laders,

Fig. 5 eine Darstellung der Steuerungskomponenten mit Funk­ tionsverteilung und Verknüpfung,

Fig. 6 eine beispielhafte Darstellung der Ein- und Aus­ gangssignale 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 an­ hand eines speziellen Ausführungsbeispieles, nämlich eines mobilen Laders mit Frontladeausrüstung, beschrieben, die Ar­ beitsmaschine kann grundsätzlich aber auch anders ausgebil­ det sein, sie kann beispielsweise als Bagger oder dergl. verwirklicht sein.

In den Fig. 1 und 2 ist ein mobiler Lader als Arbeitsma­ schine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieser Lader 1 weist ein vorderes Rahmenteil 2 auf, an dem eine Universalkinematik angelenkt ist, deren grundsätzlicher Auf­ bau 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 ange­ lenkt ist. Dieser Hubrahmen 3 besteht üblicherweise aus zwei parallelen Rahmenteilen, die über ihrer Länge geeignet mit­ einander 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 Hubrah­ men 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 Schaufeldreh­ punkt 6 ein Arbeitswerkzeug verschwenkbar angelenkt, beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eine Schaufel 7 und beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine Gabel 7'. Im Bereich des vorderen Endes weist der Hubrahmen 3 zwischen seinen beiden Rahmenteilen eine gestrichelt angedeutete Quertraver­ se 8 auf, an der zwei parallele Kipphebelhalterungen 9 ange­ ordnet sind, an deren freien Enden in einem Kipphebeldreh­ punkt 10 ein ein zweites Element der Arbeitsausrüstung bil­ dender Kipphebel 11 angelenkt ist. Das untere Ende des Kipp­ hebels 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 hydrau­ lische Funktion) der Hubrahmen 3 gehoben oder gesenkt werden kann, kann durch Aus- bzw. Einfahren der Kolbenstange des Kippzylinders 13 (zweite hydraulische Funktion) der Kipphe­ bel 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 Fig. 3 zeigt, dass die Anordnung des Kipphebels 11 gegen­ über 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 Kipp­ winkel (dem Winkel zwischen dem Kipphebel 11 und dem Hubrah­ men 3) besteht. Diese lineare Charakteristik ermöglicht es, mit einfachen regelungs- und steuerungstechnischen Mitteln die Nachführung des Kippwinkels umzusetzen. Der Zusammenhang zwischen dem Hub- und dem Kippwinkel ist im Einzelnen in Fig. 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-Ki­ nematiken für den Kippzylinder auftritt, wenn man eine Pa­ rallelführung realisieren will.

Neben dieser linearen Charakteristik zwischen dem Kippwinkel und dem Hubwinkel der Kinematik zeichnet sich der erfin­ dungsgemäß 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 Fig. 4 dargestellt. Bei größeren Radla­ dern mit einem Maschinengewicht von 8 t bis 13 t werden häu­ fig zwei Pumpen 18 für die Versorgung der Arbeitshydraulik (Hubzylinder, Kippzylinder) und der hydraulischen Lenkung 19 eingesetzt.

Vorzugsweise ist die Elektrohydraulik mit einem nicht darge­ stellten Load-Sensing-System ausgerüstet, so dass beide Pum­ pen 18 von den LS-Drücken der Lenkung bzw. der Arbeitshy­ draulik gesteuert werden. Um ein Maximum an Volumenstrom für die Funktion Heben/Senken des Hubzylinders und/oder Ankip­ pen/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 Prioritätsschal­ tung (Prio-Ventil 20) die vorrangige Versorgung der Lenkung.

Die Elektrohydraulik weist einen allgemein mit 21 bezeichne­ ten elektrohydraulischen Ventilblock auf, der mit nicht dar­ gestellten elektrohydraulischen Pilotventilen ausgestattet ist. Deren elektrische Ansteuerung erfolgt durch einen Con­ troller 22. In Abhängigkeit dieser Ansteuersignale werden die Stirnflächen der Hauptsteuerschieber im Ventilblock 21 mit einem entsprechenden Vorsteuerdruck beaufschlagt und ge­ gen eine Federkraft verschoben. Bei Ausfall des Pilotsystems bewirkt die Federkraft die Rückstellung der Hauptsteuer­ schieber in Neutralstellung. In der Grundausstattung eines Laders werden vom Ventilblock 21 der Hub- und der Kippzylin­ der angesteuert. Optional wird eine weitere Ventilsektion angeflanscht, diese ist in Fig. 4 als dritte Funktion be­ zeichnet und mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet. In Einzel­ fällen können auch noch weitere Anschlüsse vorgesehen sein, um einsatzspezifische Sondergeräte zu steuern. Die LS- Steuerblöcke können auch noch mit nachgeschalteten Kompensa­ toren ausgestattet sein, um das Verhältnis der Verbraucher­ geschwindigkeiten in Phasen der Unterversorgung durch die Pumpen 18 beizubehalten und damit den Stillstand eines Verbrauchers zu vermeiden. Weiterhin sind primär- und sekundär­ seitige Druckabsicherungen in den Ventilblock 21 integriert und sowohl die Auswahl als auch die Begrenzung des LS-Sig­ nals erfolgt im Steuerblock.

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

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden durch die kreuzweise Bedienung eines sogenannten Multifunktions-Joy­ sticks 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 Fahrtrichtungs­ wahl gegeben. Ein weiterer separater elektronischer Joystick wird optional für die Steuerung der dritten Funktion (Be­ zugszeichen 24) genutzt. Beide Joysticks kommunizieren über eine integrierte CAN-Schnittstelle mit dem Controller 22 bzw. den anderen dargestellten CAN-fähigen Steuerungskompo­ nenten. Fig. 5 zeigt in vereinfachter Darstellung die Ver­ knüpfung 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 Mag­ netventile angesteuert wurden. Diese Magnetventile wurden in Verbindung mit kleinen Zusatzkolben am Steuerblock instal­ liert, um beispielsweise im Falle einer Hubendabschaltung den Steuerkolben Heben bei Erreichen der durch den Initiator definierten Hubhöhe zwangsweise in Neutralstellung zurückzu­ schalten und somit den Hubvorgang zu begrenzen. Eine ge­ wünschte Hubhöhenänderung erforderte immer eine montagesei­ tige Änderung der Initiatorposition.

Durch das erfindungsgemäße elektronische Steuersystem lassen sich Sonderfunktionen, wie Hubendabschaltung, Schaufelrück­ führautomatik oder Schaufelanschlagdämpfung ohne zusätzliche hydraulische Magnetventile und Zusatzkolben realisieren, da softwareseitig eine einfache Übersteuerung der Joysticksig­ nale und damit eine Steuerung der Steuerkolbenhübe in Abhän­ gigkeit 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, re­ duziert der Controller 22 automatisch die Hubgeschwindigkeit und schaltet bei Erreichen der Grenzhöhe ab. Es lassen sich aber auch algorithmische Möglichkeiten schaffen, um die Hub­ begrenzung bewusst überfahren zu können. Neben der Reduzie­ rung notwendiger hydraulischer Ventile, Initiatoren und Zu­ satzsteuereinrichtungen läßt sich gleichzeitig ein höheres Maß an Flexibilität schaffen. Zum Einstellen einer neuen ge­ wünschten Grenzhöhe fährt der Bediener eben diese an, betä­ tigt 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 erfor­ derlich sind, verschiebt sich dieser Funktionsumfang vom Be­ dienpult 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 an­ deren Sonderfunktionen (siehe Fig. 5) sind im Vergleich mit der bisherigen Steuerungsstruktur an den Mobilcontroller 22 übergegangen.

Neben der Gliederung der Steuerungssoftware in zwei ver­ schiedene Aufgabengruppen, eine Maintask und eine Task 1 sind in Fig. 6 die Ein- und Ausgangsbeziehungen des Con­ trollers 22 dargestellt. Über die CAN-Verbindung werden die Signale der Joysticks 23 und der Winkelsensoren eingelesen. Ebenfalls über die CAN-Schnittstelle erfolgt eine Parame­ trierung 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 ver­ arbeitet 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 Schwimmstellungsven­ tils angesteuert. LEDs signalisieren verschiedene Zustände der Sonderfunktionen.

Im Steuerungsablauf sind die Steuerungsroutinen in zwei Gruppen gegliedert, eine Gruppe zeitkritischer und eine Gruppe nichtzeitkritischer Routinen. Fig. 7 veranschaulicht in vereinfachter Weise die Zuordnung der Steuerungsalgorith­ men zur Maintask bzw. zur Task 1. In der Task 1 werden alle zeitkritischen Routinen abgearbeitet, wobei auch hier zur besseren zeitlichen Synchronisation eine weitere Unterglie­ derung in vier Gruppen erfolgt. Die Task 1 wird im 5 ms-Takt aufgerufen, wobei nacheinander je eine Routinegruppe abgear­ beitet wird. Nach Abarbeitung einer Gruppe in der Task 1, die zwischen 3-4 ms erfordert, wird in die Maintask zurück­ gesprungen und die hier zugeordneten Steuerroutinen weiter abgearbeitet. Für die Task 1 bedeutet das, dass jede Steuer­ funktion 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 Joy­ stickdaten und deren Bearbeitung in Bezug auf Kennlinienge­ staltung sowie alle Grundfunktionen Heben/Senken, An-/Aus­ kippen, 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 gere­ gelte Nachführung des Kippwinkels für die Parallelität der Traggabel 7' wie auch die ständige Berechnung der Kippzylin­ derlänge für die Schaufelrückführung sind Routinen, die definierte Taktraten erfordern.

In Fig. 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 (Hubzylin­ der) verbunden. Dazu wird das entsprechende Signal abgegrif­ fen (mit dem Bezugszeichen 25 angedeutete Stelle) und von der elektronischen Steuerung bzw. vom Controller 22 bearbei­ tet. Dazu greift der Controller 22 auf einen in Speichermit­ teln der elektronischen Steuerung abgelegten kinematischen Zusammenhang zwischen der ersten und der zweiten hydrauli­ schen Funktion zu, nämlich beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 auf den linearen Zusammenhang zwischen dem Kippwin­ kel des Kippzylinders 13 und dem Hubwinkel des Hubrahmens. 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 Ab­ hängigkeit vom Hubrahmen 3 erforderlich. Der Bediener erwartet auch in diesem Betriebsmodus eine unmittelbar einsetzen­ de Bewegung der Kinematik bei Betätigung des Joysticks 23.

Die Grundidee besteht in einer Geschwindigkeitssteuerung des Kipphebels 11, deren Fehler durch eine Lageregelung korri­ giert werden. Eine Sollwertaufschaltung ermöglicht bei nie­ derfrequenten 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 Kipphe­ bels 11 wird eine korrigierende Lageregelung aufgeschaltet. Der von der Position des Hubrahmens 3 abhängige Sollwert für den Kippwinkel wird über ein Kinematikmodell berechnet. Der Ist-Wert des Hubwinkels bildet die Eingangsgröße für die Be­ rechnung des Kippwinkelsollwertes der Lageregelung. Nach Be­ stimmung der Regelabweichung wird in einem PID-Regler die Regelgröße erzeugt, die der Sollwertaufschaltung überlagert wird. Der I-Anteil des Reglers arbeitet als schaltender In­ tegrierer. Die Ausgangsgröße wird begrenzt und vorzeichenab­ hängig den beiden Pilotventilen zugeordnet.

Für die Transportfahrt mit eingeschalteter Parallelführung der Traggabel 7' und aufliegender Last ist eine Korrektur­ funktion 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 Auskippsig­ nal zugeleitet, deaktiviert er automatisch die Parallelfüh­ rungsroutine für den Korrekturvorgang. Mit Beendigung der Korrekturbewegung übernimmt der Controller 22 die neue Stel­ lung 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 akti­ viert. Diese Funktion gestattet Korrekturen während der Transportfahrt wie auch das "teach-in" von gewünschten Trag­ gabelstellungen für die Parallelführung.

Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel beschränkt, weitere Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann die Arbeitsmaschine natürlich auch auf andere Weise verwirklicht sein, sie kann beispielsweise in Form eines Baggers reali­ siert sein oder in Form eines anders gestalteteten Radladers und dergl. mehr.

Claims (11)

1. Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, welche zu ihrer Betätigung wenigstens zwei hydraulisch vom Bediener ge­ steuerte Funktionen für wenigstens ein erstes und ein zwei­ tes Element der Arbeitsausrüstung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste hydraulische Funktion vom Bediener durch einen Signalgeber (23) hydraulisch steuerbar ist und dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über eine elektronische Steuerung (21, 22) mit dem Signalgeber (23) der ersten hydraulischen Funktion verbunden ist, derart, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) über die elektronische Steuerung (21, 22) durch den Signalgeber (23) der ersten hydraulischen Funktion mitsteuerbar ist.

2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) durch einen zweiten Signalgeber (23) vom Bediener durch Übersteue­ rung der elektronischen Steuerung (21, 22) wenigstens zeit­ weise direkt steuerbar ist.

3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung einen Controller (22), dem die Steuersignale des Signalgebers (23) der ersten hydrauli­ schen Funktion zugeleitet werden, und Speichermittel auf­ weist, in welchen in mathematischer und/oder graphischer Form wenigstens ein kinematischer Zusammenhang zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion ab­ gelegt ist, wobei der Controller (22) die zweite hydrauli­ sche Funktion (13) gemäß dieses kinematischen Zusammenhanges steuert.

4. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass 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 hy­ draulischen Funktion (13) betätigten Elementes (11) der Ar­ beitsausrüstung vorgesehen sind, wobei die Sensoren mit der elektronischen Steuerung (21, 22) verbunden sind.

5. Arbeitsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass 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 ermittel­ ten Ist-Wert vergleicht und bei Abweichung einen Korrekturwert ermittelt und unter Berücksichtigung dieses Korrektur­ wertes die wenigstens zweite hydraulische Funktion (13) ent­ sprechend steuert.

6. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, 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 akti­ vierbar sind.

7. Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modifikation der mathematischen und/oder graphi­ schen Funktion in den Speichermitteln "teach-in"-Eingabe­ tasten vorgesehen sind.

8. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Signalgeber als Joystick (23) aus­ gebildet ist.

9. Arbeitsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Bagger ausgebildet ist.

10. Arbeitsmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese als mobiler Lader (1) mit Frontladeausrüstung ausgebildet ist.

11. Arbeitsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mobile Lader (1) einen mit dem hinteren Ende an einem vorderen Rahmenteil (2) des Laders angelenkten Hubrah­ men (3) aufweist, der mittels wenigstens eines die erste hy­ draulische Funktion bildenden Hubzylinders mit veränderbarem Hubwinkel zwischen Hubrahmen (3) und Rahmenteil (2) ver­ schwenkbar ist, wobei am vorderen Ende des Hubrahmens (3) in einem Schaufeldrehpunkt (6) ein Arbeitswerkzeug (7, 7') ange­ lenkt 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 hy­ draulische Funktion bildenden Kippzylinder (13) verbunden und von diesem mit veränderbarem Kippwinkel zwischen Kipphe­ bel (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 Arbeits­ werkzeug (7, 7') angelenkt ist, wobei die Anordnung des Kipp­ hebels (11) gegenüber dem Hubrahmen (3) derart ist, dass ein im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen dem Hubwinkel und dem Kippwinkel besteht.