DE102005021887A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen, die einen hydraulisch angetriebenen Geräteträger zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes aufweisen.
Erfindungsgemäß wird der Geräteträger auf eine vorgebbare Sollposition geregelt, wobei eine Stellgröße der Positionsregelung in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird, und ein Hydraulikdruck wird auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert geregelt, wobei eine Ausregelzeit der Druckregelung wesentlich kleiner ist als eine Ausregelzeit der Positionsregelung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Positionsregler (PR) zur Positionsregelung des Geräteträgers (GT), wobei eine Stellgröße des Positionsreglers (PR) in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird, und einen mit dem Positionsregler (PR) gekoppelten Druckregler (RE) zur Regelung des Hydraulikdrucks auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert.
Verwendung beispielsweise für Schneepistenpräparierfahrzeuge.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen, die einen hydraulisch angetriebenen Geräteträger zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes aufweisen.
• Fahrzeuge mit einem Geräteträger zur Kopplung bzw. Aufnahme verschiedener Arbeitsgeräte, beispielsweise Schneepistenpräparierfahrzeuge mit einem Geräteträger zur Kopplung mit einer Schneefräse, Feuerlöschfahrzeuge mit einem Geräteträger zur Kopplung bzw. Aufnahme einer Leiter oder Traktoren mit einem Geräteträger zur Aufnahme eines Pfluges, weisen bei gekoppeltem Arbeitsgerät häufig eine geringe Fahrstabilität auf, da das mit dem Geräteträger gekoppelte Arbeitsgerät zu einer ungünstigen Gewichtsverteilung führt, wodurch beispielsweise bei Fahrbahn- oder Untergrundunebenheiten eine ungewünschte Entlastung eines Front- oder Heckbereiches des Kraftfahrzeugs und ein Aufschaukeln des Kraftfahrzeugs verursacht werden kann.
• Zur Erhöhung der Fahrstabilität sind bei Landmaschinen bzw. Traktoren sogenannte aktive Schwingungsdämpfungssysteme bekannt. Bei diesen Systemen wird der Geräteträger in eine definierte Transportposition gebracht, wenn das Arbeitsgerät aus seiner Arbeitsstellung verfahren wird. Wenn die gewünschte Transportposition erreicht ist, wird der Geräteträger hydraulisch verriegelt, d.h. der Geräteträger bzw. das mit ihm gekoppelte Arbeitsgerät kann die Transportposition nicht mehr verlassen. Die hydraulische Verriegelung wird durch Schließen eines Hydraulikkreises bewirkt, d.h. es kann kein Druckausgleich bzw. Druckabbau in einem hydraulischen Antrieb erfolgen. Wenn das Kraftfahrzeug über eine Fahrbahnunebenheit fährt, nimmt die Kraft auf den Geräteträger aufgrund der auf das Arbeitsgerät einwirkenden Trägheitskraft zu. Die auf den Geräteträger wirkende Kraft wird mit Hilfe von Kraftsensoren gemessen. Wenn die gemessene Kraft zunimmt, kann zur Fahrstabilitätserhöhung ab einem gewissen Schwellenwert ein Ausweichen des Geräteträgers aus seiner Transportposition wünschenswert sein. Hierzu wird die hydraulische Verriegelung durch Öffnen eines Ventils kurzzeitig unterbrochen. Durch das Öffnen des Ventils nimmt der Hydraulikdruck ab, wodurch eine Bewegung des Geräteträgers in Krafteinwirkungsrichtung hervorgerufen wird. Auf diese Weise werden durch das Arbeitsgerät hervorgerufene, in den Geräteträger und somit in das Fahrzeug eingeleitete Kraftspitzen reduziert, wodurch sich das Fahrverhalten verbessert und der Fahrzeugverschleiß abnimmt. Wenn die gemessene Kraft wieder auf ein vorbestimmtes Maß abnimmt, kann die Transportposition wieder angefahren und das System erneut hydraulisch verriegelt werden.
• Um eine befriedigende Fahrdynamikverbesserung zu erzielen, ist jedoch eine möglichst geringe Reaktionszeit auf einen Krafteintrag notwendig. Hierzu müssen die beteiligten Komponenten, d.h. die Kraftsensoren, das Ventil und ein zugeordnetes Steuergerät, eine Regelung praktisch in Echtzeit ermöglichen. Derartige Komponenten sind von hoher Komplexität und daher entsprechend teuer. Weiterhin ist die Kraftmessung störanfällig, wodurch ein zuverlässiger Betrieb erschwert wird.
• Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen zugrunde, die einen hydraulisch angetriebenen Geräteträger aufweisen, die einfach und kostengünstig realisierbar sind und gleichzeitig eine hohe Fahrsicherheit gewährleisten.
• Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Manche der nachfolgend aufgezählten Merkmale und Eigenschaften treffen sowohl auf das Verfahren als auch auf die Vorrichtung zu. Sie werden teilweise nur einmal beschrieben, gelten jedoch unabhängig voneinander sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung.
• Erfindungsgemäß wird der Geräteträger auf eine vorgebbare Sollposition geregelt, wobei eine Stellgröße der Positionsregelung in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird. Der Hydraulikdruck wird auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert geregelt, wobei eine Ausregelzeit der Druckregelung wesentlich kleiner ist als eine Ausregelzeit der Positionsregelung. Unter Ausregelzeit wird diejenige Zeitdauer verstanden, ab der ein Betrag einer Regelabweichung kleiner als eine vorgebbare Schranke ist. Die Schwingungsdämpfung erfolgt folglich mit zwei geschachtelten bzw. kaskadierten Regelkreisen unterschiedlicher Geschwindigkeit, wobei der übergeordnete Regelkreis eine Positions- bzw. Lageregelung des Geräteträgers und der untergeordnete Regelkreis eine Druckregelung realisiert. Die Stellgrößenausgabe des übergeordneten Positionsregelkreises ist eine Sollwertvorgabe des untergeordneten Druckregelkreises. Aufgrund der geringeren Ausregelzeit der Druckregelung federt der Geräteträger bei Kraftstößen, beispielsweise aufgrund von Fahrbahnunebenheiten, ein, da der Positionsregler erst vergleichsweise verzögert auf die aufgrund des Einfederns bewirkte Lageveränderung des Geräteträgers reagiert. Dies bewirkt ein unmittelbares Abfedern eines durch das Arbeitsgerät verursachten Krafteintrags, wodurch sich die Fahrstabilität verbessert und der Fahrzeugverschleiß verringert. Die Lageregelung fährt anschließend zeitlich verzögert die Transportposition wieder an. Da zur Druckregelung herkömmliche Druckregler mit kleinen Zeitkonstanten und zur Lageregelung herkömmliche Lageregler verwendbar sind, kann die Schwingungsdämpfung bzw. die Fahrstabilitätsverbesserung mit Standardkomponenten realisiert werden, ohne dass schnelle und somit teure Regler und Kraftsensoren notwendig sind. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren wird folglich die hydraulische Ansteuerung nicht verriegelt bzw. geschlossen und erst bei einer schwer zu messenden Kraftüberschreitung geöffnet, sonder öffnet aufgrund der Druckregelung selbstständig, wenn die Kraft und somit der Druck zunimmt. Es handelt sich somit um ein hydraulisch offenes System.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Position mit einem PI-Regler oder einem PID-Regler geregelt. Derartige Regler weisen gute stationäre und dynamische Regelungseigenschaften auf. Beispielsweise ergibt sich bei beiden Reglertypen keine bleibende Regeldifferenz, d.h. eine stationäre Abweichung zwischen Sollwert und Istwert. Weiterhin sind die dynamischen Eigenschaften, beispielsweise die Ausregelzeit, durch geeignete Wahl der P-, I- bzw. D-Anteile einstellbar.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Hydraulikdruck mit einem elektrisch proportionalen Druckregelventil geregelt und die Stellgröße des Positionsreglers in Form eines elektrischen Ansteuersignals für das Druckregelventil bereitgestellt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Kopplung eines die Positionsregelung ausführenden Steuergeräts mit dem Druckregelventil.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Position des Geräteträgers bzw. des Arbeitsgerätes mit einem Drehwinkelsensor erfasst. Auf diese Weise lässt sich bei drehbar bzw. schwenkbar gelagerten Geräteträgern eine Positionsbestimmung einfach anhand einer Winkelbestimmung durchführen.
• In einer Weiterbildung des Verfahrens ist die Ausregelzeit der Positionsregelung mindestens drei mal so groß wie die Ausregelzeit der Druckregelung. Das Verhältnis der Ausregelzeiten bestimmt unter anderem das Maß der Auslenkung des Geräteträgers bei einem Krafteintrag in den Geräteträger. Wenn beide Ausregelzeiten, zumindest theoretisch, beliebig kurz sind, findet ein Abfedern des Geräteträgers nicht mehr statt, da eine Lageänderung unmittelbar durch eine Druckänderung kompensiert wird. Wenn die Ausregelzeit der Lageregelung im Vergleich zur Ausregelzeit der Druckregelung sehr groß ist, ist die Positionsveränderung des Geräteträgers bei einer Krafteinwirkung relativ groß. Das Verhältnis ist folglich unter anderem in Abhängigkeit von der Geräteträgerposition, der Geräteträgermasse und der Fahrzeugmasse derart zu wählen, dass sich eine befriedigende Fahrstabilität einstellt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Positionsregler zur Positionsregelung des Geräteträgers, wobei eine Stellgröße des Positionsreglers in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird, und einen mit dem Positionsregler gekoppelten Druckregler zur Regelung eines Hydraulikdrucks auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert.
• In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese einen PI-Regler oder einen PID-Regler zur Positionsregelung.
• In einer Weiterbildung der Vorrichtung ist der Druckregler ein elektrisch proportionales Druckregelventil.
• In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese einen Drehwinkelsensor zur Positionserfassung des Geräteträgers.
• In einer Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese einen Hydraulikzylinder zum Antrieb des Geräteträgers.
• Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
• 1 eine Darstellung eines Schneepistenpräparierfahrzeuges mit einem durch einen Hydraulikzylinder angetriebenen Geräteträger, der mit einer Fräse gekoppelt ist, und
• 2 ein Blockschaltbild einer Ansteuereinheit des Hydraulikzylinders mit einem Hydraulikkreislauf sowie einer zugeordneten Steuereinheit.
• 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Schneepistenpräparierfahrzeuges PB mit einem um eine Achse A drehbaren Geräteträger GT, der durch einen Hydraulikzylinder HZ hydraulisch angetriebenen wird und mit einem Arbeitsgerät in Form einer Fräse FS gekoppelt ist. Die Position des Geräteträgers GT wird mit Hilfe eines Winkelsensors WS erfasst. Wenn die Fräse FS nicht in einer abgesenkten Arbeitsstellung positioniert ist, wird sie, wie in 1 gezeigt, in eine Transportstellung verfahren. Aufgrund der sich ergebenden ungünstigen Schwerpunktlage ist die Fahrstabilität der Pistenraupe PB, insbesondere beim Überfahren von Unebenheiten, deutlich reduziert.
• Zur Erhöhung der Fahrstabilität wird der Hydraulikzylinder HZ derart angesteuert, dass die Fräse FS beim Überfahren von Bodenwellen eine definierte vertikale Ausgleichsbewegung ausführen kann.
• 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ansteuereinheit des Hydraulikzylinders HZ von 1 mit einem Hydraulikkreislauf sowie einer zugeordneten Steuereinheit SE. Der Hydraulikkreislauf umfasst eine Druckregelpumpe DP zur Erzeugung eines Arbeitsdrucks, einen Tank TK mit Hydrauliköl, ein erstes Aktivierungsventil AV1, ein zweites Aktivierungsventil AV2, einen ersten Druckregler in Form eines mechanischen Druckregelventils RM, einen zweiten Druckregler in Form eines elektrischen Druckregelventils RE und den bereits in 1 gezeigten Hydraulikzylinder HZ.
• Die Druckregelpumpe DP entnimmt Hydrauliköl aus dem Tank TK und speist dieses mit Arbeitsdruck in die Druckregelventile RM und RE ein. Die Druckregelventile RM und RE leiten in Abhängigkeit von Druckbedingungen eine gewisse Menge Hydrauliköl in den Tank TK zurück. Zwischen einen Ausgang des Druckregelventils RM und eine Senkenkammer SK des Hydraulikzylinders HZ ist das Aktivierungsventil AV1 eingeschleift, das beim Abstellen des Fahrzeugs geschlossen wird. Zwischen einen Ausgang des Druckregelventils RE und eine Hebenkammer HK des Hydraulikzylinders HZ ist das Aktivierungsventil AV2 eingeschleift, das beim Abstellen des Fahrzeugs PB geschlossen wird und folglich in Kombination mit dem Aktivierungsventil AV1 eine Verriegelung des Geräteträgers GT bewirkt.
• Das Druckregelventil RM beaufschlagt die Senkenkammer SK des Hydraulikzylinders HZ mit einem konstanten, einstellbaren Druck, wodurch ein Senken des Geräteträger GT in jeder Lage des Fahrzeugs PB, beispielsweise auch bei einer Abwärtsfahrt auf einer steilen Piste, möglich ist, da sich bei einer Reduzierung des Drucks in der Hebenkammer HK eine Druckdifferenz zwischen der Hebenkammer HK und der Senkenkammer SK einstellt, die eine Senkbewegung des Geräteträgers GT bewirkt.
• Die Steuereinheit SE umfasst, neben anderen, nicht gezeigten Komponenten, einen Positionsregler PR zur Positionsregelung des Geräteträgers GT, der als PI- oder als PID-Regler konfiguriert ist. Zur Positionserfassung ist die Steuereinheit SE bzw. der Positionsregler PR mit dem Winkelsensor WS gekoppelt, wobei über den gemessenen Drehwinkel die Position des Geräteträgers GT berechnet werden kann.
• Der Positionsregler PR ist mit dem elektrischen Druckregelventil RE gekoppelt, wobei eine Stellgröße des Positionsreglers PR in Form einer Spannung ausgegeben wird, die als Ansteuersignal bzw. zur Sollwertvorgabe für das Druckregelventil RE dient. Das Druckregelventil RE beaufschlagt die Hebenkammer HK des Hydraulikzylinders HZ mit einem Druck, der proportional zu der von dem Positionsregler PR ausgegebenen Spannung ist. In Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen der Hebenkammer HK und der Senkenkammer SK und der auf den Geräteträger GT wirkenden Gewichtskraft hebt oder senkt sich der Geräteträgers GT oder bleibt in seiner aktuellen Position.
• Wenn die durch den Winkelsensor WS gemessene Position mit der im Positionsregler PR vorgegebenen Sollposition übereinstimmt, hält dieser seine Stellgröße konstant, d.h. das Druckregelventil RE hält seinen Ausgangsdruck ebenfalls konstant. Wenn eine in vertikaler Richtung zu tiefe Position gemessen wird, erhöht der Positionsregler PR seine Stellgröße und somit den Sollwert für das Druckregelventil RE. Das Druckregelventil RE erhöht folglich seinen Ausgangsdruck so lange, bis die gewünschte Position erreicht ist. Wenn eine in vertikaler Richtung zu hohe Position gemessen wird, reduziert der Positionsregler PR seine Stellgröße und somit den Sollwert für das Druckregelventil RE. Das Druckregelventil RE reduziert folglich seinen Ausgangsdruck so lange, bis die gewünschte Position erreicht ist.
• Wenn das Fahrzeug bei stabiler Position des Geräteträgers GT über eine Fahrbahnunebenheit fährt, wirkt auf die Fräse FS eine Trägheitskraft, beispielsweise in vertikaler Richtung nach unten. Da das Druckregelventil RE im wesentlichen verzögerungsfrei arbeitet, wird ein durch die Trägheitskraft bewirkter Druckanstieg am Ausgang des Druckregelventils RE durch Ableiten von Hydrauliköl in den Tank abgebaut, d.h. das Druckregelventil RE sorgt zunächst für einen konstanten Ausgangsdruck. Da die durch den Hydraulikdruck bzw. den Hydraulikzylinder HZ hervorgerufene Kraft auf den Geräteträger GT und die auf diesen durch die Fräse hervorgerufene Gewichts- und Trägheitskraft nicht mehr im Gleichgewicht stehen, bewegt sich der Geräteträger GT in vertikaler Richtung nach unten. Der Geräteträger kann folglich nach unten ausweichen und leitet die Schwingungsenergie ins Hydrauliköl ab.
• Diese Positionsveränderung wird durch den Winkelsensor WS gemessen, worauf der Positionsregler PR durch Erhöhung der Stellgröße bzw. des Ausgangsdrucks des Druckregelventils RE die tatsächliche Position auf die Sollposition nachregelt. Dieser Vorgang läuft dynamisch ab, wobei eine Schwingungsamplitude des Geräteträgers von der auf die Fräse FS wirkenden Trägheitskraft und der Ausregelgeschwindigkeit des Positionsreglers PR bzw. dem Verhältnis der Ausregelzeiten des Positionsreglers PR und der Ausregelzeit des Druckregelventils RE abhängt.
• Das gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht eine wirkungsvolle und zuverlässige Schwingungsdämpfung bzw. Fahrsicherheitserhöhung der Pistenraupe, ohne dass hierfür aufwendige und teure Sonderbauteile notwendig sind.
• Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kraftfahrzeug ein Schneepistenpräparierfahrzeug mit einem heckseitig angeordneten Geräteträger, der mit einer Fräse gekoppelt ist. Selbstverständlich kann der Geräteträger auch frontseitig angeordnet sein und beispielsweise einen Schneepflug tragen. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich beispielsweise auch um eine Landmaschine handeln, mit deren Geräteträger ein beliebiges Arbeitsgerät koppelbar ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen (PB), die einen hydraulisch angetriebenen Geräteträger (GT) zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes (FS) aufweisen, mit den Schritten – Regeln des Geräteträgers (GT) auf eine vorgebbare Sollposition, wobei eine Stellgröße der Positionsregelung in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird, und – Regeln eines Hydraulikdrucks auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert, wobei eine Ausregelzeit der Druckregelung wesentlich kleiner ist als eine Ausregelzeit der Positionsregelung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position mit einem PI-Regler oder einem PID-Regler geregelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikdruck mit einem elektrisch proportionalen Druckregelventil (RE) geregelt wird und die Stellgröße der Positionsregelung in Form eines elektrischen Ansteuersignals für das Druckregelventil (RE) bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Geräteträgers mit einem Drehwinkelsensor (WS) erfasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausregelzeit der Positionsregelung mindestens drei mal so groß ist wie die Ausregelzeit der Druckregelung.
6. Vorrichtung zur Fahrstabilitätserhöhung von Kraftfahrzeugen (PB), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die einen hydraulisch angetriebenen Geräteträger (GT) zur Aufnahme eines Arbeitsgerätes (FS) aufweisen, mit – einem Positionsregler (PR) zur Positionsregelung des Geräteträgers (GT), wobei eine Stellgröße des Positionsreglers (PR) in Form eines Hydraulikdrucksollwertes ausgegeben wird, und – einem mit dem Positionsregler (PR) gekoppelten Druckregler (RE) zur Regelung des Hydraulikdrucks auf den ausgegebenen Hydraulikdrucksollwert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen PI-Regler oder einem PID-Regler zur Positionsregelung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckregler ein elektrisch proportionales Druckregelventil (RE) ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Drehwinkelsensor (WS) zur Positionserfassung des Geräteträgers (GT).
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch einen Hydraulikzylinder (HZ) zum Antrieb des Geräteträgers (GT).