DE10009924B4

DE10009924B4 - Einrichtung zur Dämpfung von Nickschwingungen eines motorgetriebenen Fahrzeugs

Info

Publication number: DE10009924B4
Application number: DE10009924A
Authority: DE
Inventors: Soeren Pedersen; Per Nielsen Lindholdt; Welm Dr.-Ing. Friedrichsen; Asger Flintholm
Original assignee: Sauer Danfoss Holding ApS
Current assignee: Danfoss Power Solutions ApS
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: US20030014167A1; WO2001065150A1; DE10009924A1; AU2001237251A1; US6654675B2

Abstract

Einrichtung zur Dämpfung von Nickschwingungen eines motorgetriebenen Fahrzeugs (21) mit einem Fahrgestell und Radachsen (5), von denen wenigstens eine starr am Fahrgestell befestigt ist, und mit elastischer Radbereifung, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment wenigstens eines der auf den Radachsen (5) gelagerten Räder (4) in Abhängigkeit von einem Maß der Nickschwigungen des Fahrzeugs (21) derart beeinflußbar ist, daß die Nickschwingungen gedämpft sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dämpfung von Nickschwingungen eines motorgetriebenen Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Fahrzeugen mit starr (ungefedert) am Fahrgestell befestigten Radachsen, wie Baumaschinen, Forstmaschinen, Landmaschinen, Kompaktladern (skid steered loaders), Raupenschleppern mit Luftreifen und ähnlichen Fahrzeugen pflegt der Oberteil des Fahrzeugs um eine zu den Radachsen parallele Achse während der Fahrt Nickschwingungen, d.h. Pendelbewegungen, auszuführen. Frequenz und Amplitude der Nickschwingungen hängen von der Geschwindigkeit und der Belastung des Fahrzeugs ab.
Die Nickschwingungen sind darauf zurückzuführen, daß die Radachsen starr am Fahrzeuggestell befestigt sind und nur die Luftreifen zur Federung dienen.

Um die Nickschwingungen bei einem Fahrzeug mit einem durch einen Hydraulikzylinder betätigten Arbeitsgerät zu dämpfen, ist es bekannt, entweder im Hydrauliksystem für de Hubzylinder einen Dämpfer einzubauen ( US 5 195 864 A ) oder gemäß der galtungsbilden den US 5 897 287 A die Ölzufuhr zum Hydraulikzylinder und damit die relative Lage des Arbeitsgeräts zu steuern Ferner ist es bekannt, zur Dämpfung der Nickschwingungen eines Pflugbaggers, z.B. bei Fahrten auf der Landstraße mit montiertem Pflug, die Vorderachse mit einer aktiven Dämpfungseinrichtung in Form eines Dämpfungszylinders zu versehen, der den Nickschwingungen entgegenwirkt.

Ein Eingriff in die Steuerung des Arbeitsgeräts zur Beseitigung von Nickschwingungen würde auch die gewünschte Bewegung des Arbeitsgeräts während des Betriebs beeinflussen. Der Einbau eines zusätzlichen Dämpfungszylinders ist aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Dämpfung von Nickschwingungen eines motorgetriebenen Fahrzeugs der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein Eingriff in die Steuerung eines etwaigen Arbeitsgeräts vermieden wird und dessen Aufbau einfach ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Drehmoment wenigstens eines der auf den Radachsen gelagerten Räder in Abhängigkeit von einem Maß der Nickschwingungen des Fahrzeugs derart beeinflußbar ist, daß die Nickschwingungen gedämpft sind.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß als Maß für die Nickschwingungen eine der folgenden Größen dient:

– der Betriebsdruck wenigstens eines Hydromotors, der wenigstens eine der Radachsen antreibt,
– das Drehmoment wenigstens eines Elektro- oder Verbrennungsmotors, der wenigstens eine der Radachsen antreibt,
– der Druck oder die Kolbenposition in einem Arbeitszylinder, insbesondere Hubzylinder, eines am Fahrzeug angebrachten Arbeitsgeräts,
– der Reifendruck und
– die Winkelbeschleunigung eines Fahrzeugteils um die Nickschwingungsachse.

Sodann kann das Drehmoment wenigstens eines der Räder durch Veränderung

– des Drehmoments eines Antriebsmotors wenigstens einer Radachse,
– der Betriebsspannung oder Betriebsfrequenz eines elektrischen Antriebsmotors wenigstens einer Radachse,
– des Übersetzungsverhältnisses eines Übersetzungsgetriebes zwischen Antriebsmotor(en) und Radachse (n) oder
– der Bremskraft wenigstens einer Bremse einer Brems- anlage des Fahrzeugs beeinflußbar sein.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm des prinzipiellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
2 eine ausführlichere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
3 eine ausführlichere schematische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Darstellung,
4 eine ausführlichere schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
5 schematische Darstellungen eines Fahrzeugs, dessen Oberteil Nickschwingungen ausführt, und verschiedene Kurvendiagramme zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens.
Nach 1 wird durch einen Fühler 1 ein Maß für die Nickschwingung eines Fahrzeugteils 2 eines Fahrzeugs mit einem Fahrgestell und Radachsen, von denen wenigstens eine starr am Fahrgestell befestigt ist, und das eine elastische Radbereifung, vorzugsweise Luftreifen, aufweist, ermittelt und in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Fühlers 1 über eine Steuerung 3 das Drehmoment wenigstens eines Rades 4 der auf den Radachsen gelagerten Räder derart beeinflußt; daß die Nickschwingung gedämpft ist.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Oberteil eines Fahrzeugs beim Bremsen bestrebt ist, sich in Fahrtrichtung relativ zu den Radachsen nach vorn zu bewegen und sich nach vorn abzusenken und beim Beschleunigen die umgekehrte Bewegung auszuführen. Diese Bewegungen entsprechen ebenfalls jeweils einer Halbwelle einer Nickbewegung. Durch Erhöhung des Drehmoments wenigstens eines Rades in Fahrtrichtung während einer in Fahrtrichtung erfolgenden Halbwelle einer Nickbewegung, und umgekehrt, kann dann jede Halbwelle einer Nickschwingung gedämpft werden, bis alle Nickschwingungen weitgehend abgeklungen sind.
Hierzu wird ein Maß für die Nickschwingungen ermittelt. Als Maß für die Nickschwingungen kann beispielsweise eine der folgenden Größen gemessen werden: der Betriebsdruck wenigstens eines Hydromotors, der wenigstens eine der Radachsen antreibt, das Drehmoment wenigstens eines Elektro- oder Verbrennungsmotors, der wenigstens eine der Radachsen antreibt, der Druck oder die Kolbenposition in einem Arbeitszylinder, insbesondere Hubzylinder, eines am Fahrzeug angebrachten Arbeitsgeräts, der Reifendruck und die Winkelbeschleunigung eines Fahrzeugteils um die Nickschwingungsachse.
In Abhängigkeit von dem Maß der Nickschwingung wird dann das Drehmoment wenigstens eines der Räder im Sinne einer Dämpfung der Nickschwingungen verändert, und zwar dadurch, daß beispielsweise das Drehmoment eines Antriebsmotors wenigstens einer Radachse oder die Betriebsspannung oder Betriebsfrequenz eines elektrischen Antriebsmotors wenigstens einer Radachse oder das Übersetzungsverhältnis eines Übersetzungsgetriebes zwischen Antriebsmotor und Radachse oder mehreren Antriebsmotoren und Radachsen oder die Bremskraft wenigstens einer Bremse einer Bremsanlage des Fahrzeugs beeinflußt wird.
2 stellt schematisch ein erstes Beispiel für die Ermittlung eines Maßes von Nickschwingungen und die Beeinflussung des Drehmoments eines angetriebenen Rades dar. Das in 2 nicht dargestellte Rad sitzt dreh fest auf einer Radachse 5, die durch einen Hydromotor 6 mit zwei Stromrichtungen antreibbar ist. Eine Hydropumpe 7 mit veränderlichem Verdrängungsvolumen und zwei Stromrichtungen, die durch einen nicht dargestellten Verbrennungsmotor angetrieben wird, steuert den Antriebsdruck des Hydromotors 6. Dabei wird ihr Verdrängungsvolumen durch ein elektromagnetisches Stellglied 8 in Abhängigkeit von einem Steuersignal eines elektronischen Steuerteils 9 der Steuerung 3 bestimmt wird, der das Meßsignal eines den Druck in einer den Hydromotor 6 und die Hydropumpe 7 verbindenden Leitung 10 in ein elektrisches Signal umformenden Fühlers 1 in das Steuersignal des Stellglieds 8 umformt. Beispielsweise kann das durch den elektronischen Steuerteil 9 erzeugte Steuersignal des Stellglieds 8 die Amplitude einer Nickschwingung oder die Winkelbeschleunigung des Fahrzeugteils 2 darstellen, da der Druck in der Leitung 10 ein Maß für die Schwingungsweite der Nickschwingungen darstellt, d.h. den Winkel der Drehbewegung des oberen Fahrzeugteils um die zwischen den Radachsen, oberhalb ihrer gemeinsamen Ebene und parallel zu den Radachsen liegende Nickschwingungsachse. Aus diesem Schwingungswinkel oder Drehwinkel des oberen Fahrzeugteils kann dann in dem elektronischen Steuerteil 9 die Winkelgeschwindigkeit oder die Winkelbeschleunigung errechnet werden. Das Steuersignal des Steuerteils 9 verstellt dann die Verdrängung der Hydropumpe 7 in jeder Halbwelle der Nickschwingungen so, daß die durch diese Verstellung bewirkte Änderung des Drucks in der Leitung 10 einer in jeder Halbwelle der Nickschwingungen bewirkten Änderung des Drucks in der Leitung 10 entgegengerichtet ist. Mit anderen Worten, wenn der Druck in der Leitung 10 durch eine Halbwelle der Nickschwingungen zunimmt, bewirkt der elektronische Steuerteil 9 über das Stellglied 8 eine Verringerung der Verdrängung der Hydropum pe 7, und wenn der Druck in der Leitung 10 durch die folgende, entgegengerichtete Halbwelle der Nickschwingungen abnimmt, wird der Druck durch die Hydropumpe 7 in der Leitung 10 erhöht. Dadurch werden die Nickschwingungen im Verlaufe einiger Schwingungen weitgehend gedämpft.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind den Bauteilen nach 2 entsprechende Bauteile auch mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Hierbei ist das Fahrzeug mit einem Arbeitsgerät 11 versehen, das über einen hydraulischen Steuerteil 12 mit einem Arbeitszylinder 13 zur Betätigung des Arbeitsgeräts 11 und einem Wegeventil 14 zur manuellen Steuerung des Arbeitszylinders 13 versehen ist. An einer Leitung 15, die den Arbeitszylinder 13 mit dem Wegeventil 14 verbindet, das mit einer nicht dargestellten Hydropumpe in Verbindung steht, ist der Fühler 1 angeschlossen. Dessen elektrisches Ausgangssignal wird in dem elektronischen Steuerteil 9 in ein elektrisches Steuersignal für ein drosselndes elektromagnetisches 2/2-Wegeventil 16 umgeformt; das zwischen den den Hydromotor 6 mit der Hydropumpe 7 verbindenden Leitungen 10 und 17 angeschlossen ist. Die Verdrängung der Hydropumpe 7 und die Strömungsrichtung in der Hydropumpe 7 sind mittels eines manuell zu betätigenden Stellglieds 18 einstellbar. Wenn das obere Fahrzeugteil 2 Nickschwingungen ausführt, hat dies in der Regel auch Druckschwankungen in der Leitung 15 zur Folge, insbesondere, wenn es sich bei dem Arbeitsgerät 11 um ein schweres Gerät, z.B. ein Grabwerkzeug eines Fahrbaggers, handelt. Diese Druckschwankungen werden wiederum durch den Fühler 1 gemessen und durch den elektronischen Steuerteil 9 in ein elektrisches Steuersignal für das 2/2-Wegeventil 16 umgeformt. Bei einem Druckanstieg in der Leitung 15, der auch einen Druckanstieg in der Leitung 10 zur Folge hat, wird das 2/2-Wegeventil 16 während der Dauer des Druckanstiegs aus der dargestellten Sperrstellung in die Offenstellung umgeschaltet, so daß die Hydropumpe 7 und der Hydromotor 6 kurzgeschlossen sind. Dadurch wird auch der Druck im Hydromotor 6 veringert, so daß sich ein Druckausgleich ergibt. Bei einem Druckabfall in den Leitungen 10 und 15 und aufgrund einer Nickschwingungshalbwelle in entgegengesetzter Richtung wird das 2/2-Wegeventil wieder in die Sperrstellung umgeschaltet und der Druck in der Leitung 10 durch die Hydropumpe 7 wieder erhöht, so daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Nickschwingungen nach kurzer Zeit abgeklungen sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 sind wiederum für die den Bauteilen der vorhergehenden Ausführungsbeispielen entsprechenden Bauteile die gleichen Bezugszahlen wie zuvor verwendet worden. Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich mithin von dem nach 1 darin, daß anstelle des einen Hydromotors 6 noch ein weiterer Hydromotor 19 dieselbe Radachse 5 antreibt und zwischen den Leitungen 10 und 17 ein elektromagnetisch betätigtes 4/2-Wegeventil 20 angeschlossen ist. Bei einer Schwankung des Drucks in der Leitung 10 aufgrund von Nickschwingungen, die sich auf die Radwelle 5 und von dieser über die Hydromotoren 6, 19 auf den Druck in der Leitung 10 übertragen, bewirkt der elektronische Steuerteil 9 im Falle einer Zunahme des Drucks eine Umschaltung des 4/2-Wegeventils aus der dargestellten Offenstellung in die Schließstellung, in der der Hydromotor 6 abgeschaltet und nur der Hydromotor 19 angeschaltet ist. Dementsprechend wird das auf die Radachse 5 übertragene Drehmoment verringert. Bei der Abnahme des Drucks in der Leitung 10 in der nächsten Halbwelle der Nickschwingungen wird das 4/2- Wegeventil wieder in die dargestellte Offenstellung umgeschaltet, so daß das Drehmoment der Radachse 5 und damit das Drehmoment des auf dieser Achse 5 sitzenden Rades wieder entsprechend erhöht wird. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis die Nickschwingungen nach kurzer Zeit weitgehend abgeklungen sind.
5 veranschaulicht anhand verschiedener schematischer Darstellungen eines Fahrzeugs 21, dessen Oberteil 22 Nickschwingungen um eine Querachse 23 ausführt, in den 5(A) bis 5(C) und eines Diagramms des Nickschwingungswinkels φ des Oberteils 22 des Fahrzeugs 21 zu verschiedenen Zeitpunkten t₀, t₁ und t₂ in Abhängigkeit von der Zeit t ohne Dämpfung in 5(D) die der Schwankung des Drehwinkels φ entsprechende ungedämpfte Schwingung des Drehmoments M beispielsweise der Radachse 5 und des darauf befestigten Rades 4 in 5(E) und die gedämpfte Schwingung des Drehmoments M der Radachse 5 beziehungsweise des darauf befestigten Rades 4 aufgrund von in jeder Halbwelle der Schwingungen des Drehmoments M nach 5(E) durch die erfindungsgemäße Einrichtung entgegengesetzt zu den Schwingungshalbwellen, die durch die Nickschwingungen hervorgerufen werden, ausgeübten kurzzeitigen kleinen Drehmomentimpulse M_i in 5(F). Durch die die Drehmomentschwankungen kompensierenden Drehmomentimpulse M_i klingen die Schwingungen des Drehmoments M bzw. die Nickschwingungen allmählich bis auf eine kleine restliche Schwingungsweite ab.
Wenn eine längere Abklingdauer der Nickschwingungen zulässig oder ausreichend ist, können die kompensierenden (entgegengesetzt wirkenden) Drehmomentimpulse M_i auch nur in jeder zweiten Halbwelle der Nickschwingungen ausgeübt werden.
Weitere Abwandlungen der dargestellten Ausführungsbeispiele können beispielsweise, darin bestehen, daß anstelle des hydraulischen Steuerteils für die Radachse 5 bzw. das darauf befestigte Rad 4 ein elektrischer Antriebsmotor mit steuerbarem Drehmoment, z.B. ein bürstenloser Gleichstrommotor, dessen Drehmoment durch einen Fühler gemessen und durch einen Steuerteil, beispielsweise mit einem Wechselrichter, dessen Ausgangsspannung oder Frequenz durch das Ausgangssignal des Fühlers steuerbar ist, so gesteuert wird, daß die Nickschwingungen gedämpft werden.
Entsprechend kann auch das Übersetzungsverhältnis eines Übersetzunsgetriebes zwischen Antriebsmotor und Radachse z.B. bei Verwendung eines Verbrennungsmotors, so geändert werden, daß die Nickschwingungen gedämpft werden.
Außerdem ist es möglich, die Bremskraft wenigstens einer Bremse einer Bremsanlage des Fahrzeugs in Abhängigkeit von dem Maß der Nickschwingungen so zu ändern, daß die Nickschwingungen gedämpft werden.
Bei Fahrzeugen, wie Fahrbaggern oder Flachbaggern, deren Räder auf jeder Seite des Fahrzeugs über ein Kettengetriebe durch einen eigenen Motor angetrieben werden, z.B. einem "skid steered loader", kann jeder der beiden Antriebsmotoren auch in Abhängigkeit von einem Maß der Nickschwingungen so gesteuert werden, daß die Nickschwingungen gedämpft werden.

Claims

Einrichtung zur Dämpfung von Nickschwingungen eines motorgetriebenen Fahrzeugs (21) mit einem Fahrgestell und Radachsen (5), von denen wenigstens eine starr am Fahrgestell befestigt ist, und mit elastischer Radbereifung, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment wenigstens eines der auf den Radachsen (5) gelagerten Räder (4) in Abhängigkeit von einem Maß der Nickschwigungen des Fahrzeugs (21) derart beeinflußbar ist, daß die Nickschwingungen gedämpft sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Nickschwingungen eine der folgenden Größen dient: – der Betriebsdruck wenigstens eines Hydromotors (6; 19), der wenigstens eine der Radachsen (5) antreibt, – das Drehmoment wenigstens eines Elektro- oder Verbrennungsmotors, der wenigstens eine der Radachsen antreibt, – der Druck oder die Kolbenposition in einem Arbeitszylinder (13), insbesondere Hubzylinder, eines am Fahrzeug (21) angebrachten Arbeitsgeräts (11), – der Reifendruck und – die Winkelbeschleunigung eines Fahrzeugteils (2; 22) um die Nickschwingungsachse (23).
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment wenigstens eines der Räder (4) durch Veränderung – des Drehmoments eines Antriebsmotors (6; 19) wenigstens einer Radachse (5), – der Betriebsspannung oder Betriebsfrequenz eines elektrischen Antriebsmotors wenigstens einer Radachse (5), – des Übersetzungsverhältnisses eines Übersetzungsgetriebes zwischen Antriebsmotor en) und Radachse (n) oder – der Bremskraft wenigstens einer Bremse einer Bremsanlage des Fahrzeugs beeinflußbar ist.