DE102023211277B4

DE102023211277B4 - Method for operating a steering system of a work machine

Info

Publication number: DE102023211277B4
Application number: DE102023211277.9A
Authority: DE
Inventors: Mirko Brutt; Stefan Igl; Dirk Brannolte
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-11-13
Filing date: 2023-11-13
Publication date: 2025-07-31
Anticipated expiration: 2043-11-14
Also published as: DE102023211277A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems einer Arbeitsmaschine, die Arbeitsmaschine, wenigstens umfassend einen Antriebsstrang mit einem Antriebselement und einem Getriebe, ein Lenksystem und eine Steuervorrichtung;
- wobei in einem ersten Schritt ein Fahrtrichtungssignal der Arbeitsmaschine erfasst wird;
- in einem zweiten Schritt eine Überlagerungsfunktion aktiviert wird, wenn das Fahrtrichtungssignal eine Rückwärtsfahrt anzeigt; wobei die Überlagerungsfunktion eine Anpassung eines eingestellten Lenkwinkels im Vergleich zu einer Lenkeingabe umsetzt; wobei der eingestellte Lenkwinkel dergestalt überlagert wird, dass mit einer definierten Lenkeingabe ein größerer Lenkwinkel bereitgestellt wird als bei gleicher Lenkeingabe ohne Berücksichtigung der Überlagerungsfunktion;
- in einem dritten Schritt die Überlagerungsfunktion deaktiviert wird, wenn das Fahrtrichtungssignal eine Vorwärtsfahrt anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass bei aktivierter Überlagerungsfunktion eine Rückstellfunktion aktiviert wird, welche ein vordefiniertes Lenkmoment bereitstellt, mittels welchem das Lenksystem in eine Nulllage überführt wird.Method for operating a steering system of a work machine, the work machine comprising at least a drive train with a drive element and a transmission, a steering system and a control device;
- wherein in a first step a direction of travel signal of the working machine is detected;
- in a second step, an overlay function is activated when the direction of travel signal indicates reversing; wherein the overlay function implements an adjustment of a set steering angle compared to a steering input; wherein the set steering angle is superimposed in such a way that a larger steering angle is provided with a defined steering input than with the same steering input without taking the overlay function into account;
- in a third step, the overlay function is deactivated when the direction of travel signal indicates forward travel, characterized in that when the overlay function is activated, a reset function is activated which provides a predefined steering torque by means of which the steering system is transferred to a zero position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems einer Arbeitsmaschine. Häufig verfügen Arbeitsmaschinen über hydraulische oder elektro-hydraulische Lenksysteme, welche eine hohe Lenkunterstützung bereitstellen, wodurch keine oder nur eine geringe Rückmeldung an den Fahrer mitgeteilt wird. Darüber hinaus machen es Rangier- und/oder Ankuppelvorgänge häufig erforderlich, dass der Bediener seinen Blick und Oberkörper nach hinten richtet, sodass dieser eine unergonomische Körperhaltung einnimmt und mitunter die Lenkeingabe nicht so feinfühlig einstellen kann, wie bei Vorwärtsfahrt.The present invention relates to a method for operating a steering system of a work machine. Work machines often have hydraulic or electro-hydraulic steering systems that provide high levels of steering assistance, providing little or no feedback to the driver. Furthermore, maneuvering and/or coupling operations often require the operator to direct their gaze and upper body backward, resulting in an unergonomic posture and sometimes inability to adjust the steering input as sensitively as when driving forward.

Aus DE 101 52 704 A1 ist beispielsweise eine Überlagerungslenkung bekannt, bei welcher in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit durch eine programmierte Steuerung eine Lenkeingabe des Fahrers überlagert und somit ein Radlenkwinkel verändert wird.Out of DE 101 52 704 A1 For example, a superimposed steering system is known in which, depending on the vehicle speed, a programmed control system overlays a steering input from the driver and thus changes the wheel steering angle.

DE 103 23 975 A1 betrifft eine Kraftfahrzeuglenkung mit einer variablen Lenkübersetzung, wobei die Lenkübersetzung sowohl bei Vorwärtsfahrt als auch bei Rückwärtsfahrt an die Fahrgeschwindigkeit angepasst wird. DE 10 2004 037 947 A1 betrifft ein Drive-By-Wire-Lenksystem und dazugehörendes Verfahren zur Erhöhung des Benutzerkomforts und/oder Erhöhung der Bediensicherheit/Fahrsicherheit, bei welchen bei einer Rückwärtsfahrt eine kleinere Lenkübersetzung vorliegt als bei einer Vorwärtsfahrt. DE 101 42 367 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fahrzeugwegvisualisierung, wobei mit Erfassung eines eingelegten Rückwärtsgangs die Lenkrichtung der Lenkeinrichtung umschaltbar ist bzw. umgeschaltet wird. DE 603 03 143 T2 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Lenksteuersystem, wobei Mittel vorgesehen sind, um je nach Fahrtrichtung des Fahrzeugs die Einschlagrichtung der Räder bei gleicher Bewegungsrichtung des Lenkorgans umzukehren. DE 10 2019 120 665 A1 betrifft ein Parkassistenzsystem für ein Kraftfahrzeug, wobei bei einer Einparkbewegung des Kraftfahrzeugs eine selektive Bremsung des Rades mittels einer Bremseinrichtung des Kraftfahrzeugs zu initiieren, welches, bezogen auf die durch den Lenkvorgang realisierte Drehbewegungsbahn des Kraftfahrzeugs, das radial innere Rad ist und das in der durch den Lenkvorgang realisierten Drehbewegungsrichtung des Kraftfahrzeugs vordere Rad ist. DE 103 23 975 A1 relates to a motor vehicle steering system with a variable steering ratio, whereby the steering ratio is adapted to the driving speed both when driving forward and when driving backward. DE 10 2004 037 947 A1 relates to a drive-by-wire steering system and associated method for increasing user comfort and/or increasing operating safety/driving safety, in which a smaller steering ratio is present when reversing than when driving forward. DE 101 42 367 A1 relates to a device and a method for vehicle path visualization, wherein the steering direction of the steering device can be or is switched upon detection of an engaged reverse gear. DE 603 03 143 T2 shows a motor vehicle with a steering control system, wherein means are provided to reverse the turning direction of the wheels depending on the direction of travel of the vehicle while maintaining the same direction of movement of the steering element. DE 10 2019 120 665 A1 relates to a parking assistance system for a motor vehicle, wherein during a parking movement of the motor vehicle a selective braking of the wheel is to be initiated by means of a braking device of the motor vehicle, which wheel, with respect to the rotational movement path of the motor vehicle realized by the steering process, is the radially inner wheel and is the front wheel in the rotational movement direction of the motor vehicle realized by the steering process.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems einer Arbeitsmaschine bereitzustellen, insbesondere für eine Rückwärtsfahrt oder einen Rangierbetrieb einer Arbeitsmaschine.The present invention is based on the object of providing an improved method for operating a steering system of a work machine, in particular for reversing or shunting a work machine.

Die Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Lenksystems einer Arbeitsmaschine gelöst. Dabei umfasst die Arbeitsmaschine wenigstens einen Antriebsstrang mit einem Antriebselement und einem Getriebe, ein Lenksystem und eine Steuervorrichtung. In einem ersten Schritt wird ein Fahrtrichtungssignal der Arbeitsmaschine erfasst. Dieses kann beispielsweise mittels Drehzahlsensoren an einem Getriebeausgang oder an den Rädern der Arbeitsmaschine bereitgestellt werden, da hieraus auch eine Drehrichtung und somit eine Fahrtrichtung abgeleitet werden kann. Darüber hinaus kann anhand einer Fahrvorgabe für eine Fahrtrichtungswahl eine gewünschte Fahrtrichtung abgeleitet und für das Fahrtrichtungssignal herangezogen werden. Die Fahrvorgabe kann beispielsweise über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt werden. In einem zweiten Schritt wird eine Überlagerungsfunktion aktiviert, wenn das Fahrtrichtungssignal eine Rückwärtsfahrt anzeigt. Die Überlagerungsfunktion bewirkt eine Anpassung eines eingestellten Lenkwinkels im Vergleich zu einer Lenkeingabe. Insbesondere wird der eingestellte Lenkwinkel dergestalt überlagert, dass mit einer definierten Lenkeingabe ein größerer Lenkwinkel bereitgestellt wird als bei gleicher Lenkeingabe ohne Berücksichtigung der Überlagerungsfunktion. In einem dritten Schritt wird die Überlagerungsfunktion deaktiviert, wenn das Fahrtrichtungssignal eine Vorwärtsfahrt anzeigt.This object is achieved by the method according to the invention for operating a steering system of a work machine. The work machine comprises at least one drive train with a drive element and a transmission, a steering system, and a control device. In a first step, a direction of travel signal from the work machine is detected. This can be provided, for example, by means of speed sensors at a transmission output or on the wheels of the work machine, since a direction of rotation and thus a direction of travel can also be derived from this. Furthermore, based on a driving instruction for selecting a direction of travel, a desired direction of travel can be derived and used for the direction of travel signal. The driving instruction can be provided, for example, via a human-machine interface. In a second step, an overlay function is activated if the direction of travel signal indicates reversing. The overlay function adjusts a set steering angle compared to a steering input. In particular, the set steering angle is superimposed in such a way that a larger steering angle is provided with a defined steering input than with the same steering input without taking the overlay function into account. In a third step, the overlay function is deactivated when the direction signal indicates forward travel.

Die Arbeitsmaschine ist vorrangig als landwirtschaftliche Maschine in Form eines Traktors oder Schleppers ausgeführt. Darüber hinaus kann sie jedoch auch als Bau- oder forstwirtschaftliche Maschine ausgeführt sein. Dabei kann das Antriebselement als Verbrennungskraftmaschine, als elektrische Maschine oder als kombiniertes Antriebselement aus Verbrennungskraftmaschine und elektrischer Maschine ausgeführt sein. Bei dem Getriebe handelt es sich beispielsweise um ein automatisiertes Schaltgetriebe, ein Lastschaltgetriebe, ein Doppelkupplungsgetriebe oder ein hydrostatisches bzw. hydrostatisch-mechanisches Leistungsverzweigungsgetriebe. Das Lenksystem weist Eingabemittel bspw. in Form eines Lenkrads oder einer elektrischen/digitalen Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Eingabe einer Lenkanforderung auf und ist mechanisch, hydraulisch, als elektronisch unterstütztes hydrostatisches System oder als By-Wire-System mit lenkbaren Rädern wenigstens einer Achse der Arbeitsmaschine verbunden. Die Steuervorrichtung kann als zentrale Steuereinheit oder als separates und somit übergeordnetes Steuergerät vorgesehen sein oder funktional in ein bereits vorhandenes Steuergerät, beispielsweise in ein Getriebesteuergerät, ein Motorsteuergerät oder ein Lenksystemsteuergerät, eingebunden sein.The work machine is primarily designed as an agricultural machine in the form of a tractor or tow tractor. However, it can also be designed as a construction or forestry machine. The drive element can be an internal combustion engine, an electric machine, or a combined drive element consisting of an internal combustion engine and an electric machine. The transmission can be, for example, an automated manual transmission, a powershift transmission, a dual-clutch transmission, or a hydrostatic or hydrostatic-mechanical power-split transmission. The steering system has input means, for example in the form of a steering wheel or an electrical/digital human-machine interface for inputting a steering command, and is connected mechanically, hydraulically, as an electronically assisted hydrostatic system, or as a by-wire system to steerable wheels of at least one axle of the work machine. The control device can be provided as a central control unit or as a separate and thus higher-level control unit, or it can be functionally integrated into an existing control unit, for example, a transmission control unit, an engine control unit, or a steering system control unit.

Erfindungsgemäß wird bei aktivierter Überlagerungsfunktion eine Rückstellfunktion aktiviert, welche ein vordefiniertes Lenkmoment bereitstellt, mittels welchem das Lenksystem in eine Nulllage überführt wird. Die Nulllage beschreibt dabei einen Zustand mit einem Lenkwinkel von 0°, sodass kein Lenkeinschlag gegeben ist. Das vordefinierte Lenkmoment wirkt darüber hinaus einer Lenkeingabe eines Bedieners dahingehend entgegen, dass durch den Bediener ein gezieltes Lenkmoment aufgebracht werden muss und so eine Rückmeldung über den Betätigungszustand des Lenksystems an den Bediener übermittelt wird. Das vordefinierte Lenkmoment kann über entsprechende hydraulische Aktoren bereitgestellt werden oder über einen elektrischen Motor in das Lenksystem eingebracht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das vordefinierte Lenkmoment mit zunehmendem Lenkeinschlag bzw. Lenkeingabe ansteigt. Der Anstieg kann linear, exponentiell, logarithmisch oder individuell festgelegt (auch stufenweise) erfolgen.According to the invention, when the superposition function is activated, a reset function is activated which provides a predefined steering torque by means of which the steering system is transferred to a zero position. The zero position describes a state with a steering angle of 0°, so that no steering angle is present. The predefined steering torque also counteracts an operator's steering input in that the operator must apply a targeted steering torque, thus transmitting feedback to the operator about the actuation state of the steering system. The predefined steering torque can be provided via corresponding hydraulic actuators or introduced into the steering system via an electric motor. In particular, it can be provided that the predefined steering torque increases with increasing steering angle or steering input. The increase can be linear, exponential, logarithmic or individually defined (even stepwise).

In einer möglichen Ausgestaltung wird bei aktivierter Überlagerungsfunktion zusätzlich eine Lenkbremsfunktion aktiviert. Die Lenkbremsfunktion veranlasst je nach Anforderung oder Intensität ein graduelles Abbremsen des kurveninneren Rads an der Hinterachse der Arbeitsmaschine und unterstützt somit die Lenkeingabe, insbesondere wird hierdurch ein Wendekreis reduziert und es kann auf noch engerem Raum schneller rangiert werden.In one possible configuration, a steering brake function is also activated when the overlay function is activated. Depending on the requirement or intensity, the steering brake function initiates a gradual braking of the inside wheel on the rear axle of the work machine, thus supporting the steering input. In particular, this reduces the turning circle and allows for faster maneuvering in even tighter spaces.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist die Überlagerungsfunktion adaptierbar ausgeführt. Hierunter ist zu verstehen, dass beispielsweise verschiedene Modi der Überlagerung vordefiniert oder selektiert werden können. Auch kann mitunter eine Präferenz des Bedieners hinsichtlich der Ausprägung der Überlagerungsfunktion programmiert werden. Grundsätzlich kann die Überlagerungsfunktion auch linear, exponentiell oder logarithmisch zu einer Lenkeingabe umgesetzt werden. Ferner kann auch ein Fahrzeugzustand der Arbeitsmaschine (bspw. Anhänger bzw. Anbaugerät angekuppelt JA/NEIN) berücksichtigt werden und zu einer abweichenden Ausprägung der Überlagerungsfunktion führen.In a further development of the method, the overlay function is designed to be adaptable. This means that, for example, different overlay modes can be predefined or selected. The operator's preference regarding the characteristics of the overlay function can also be programmed. In principle, the overlay function can also be implemented linearly, exponentially, or logarithmically to a steering input. Furthermore, the vehicle status of the work machine (e.g., trailer or attachment coupled YES/NO) can also be taken into account, leading to a different characteristic of the overlay function.

Analog zu der vorherigen Adaptierbarkeit der Überlagerungsfunktion kann auch die Rückstellfunktion adaptierbar ausgeführt sein. Dabei können neben verschiedenen festen Modi ebenfalls Fahrzustände oder individuelle Präferenzen berücksichtigt werden. Die Adaption kann in der Arbeitsmaschine vor Ort über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (Taster, Spracheingabe, Bedienfeld) oder auch über eine Datenfernübertragung mittels eines Smart-Devices (Smart-Phone, Tablet, Cloud-Anwendung) erfolgen.Similar to the adaptability of the overlay function, the reset function can also be designed to be adaptable. In addition to various fixed modes, driving conditions or individual preferences can also be taken into account. The adaptation can be carried out on-site in the working machine via a human-machine interface (button, voice input, control panel) or via remote data transmission using a smart device (smartphone, tablet, cloud application).

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auch eine Steuervorrichtung umfasst. Diese ist dazu geeignet und eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Die Steuervorrichtung weist Mittel auf, um das Verfahren auszuführen und insbesondere ein Fahrtrichtungssignal zu erfassen und eine Überlagerungsfunktion zu aktivieren.According to a further aspect of the present invention, a control device is also included. This control device is suitable and configured to carry out a method according to the invention. The control device has means for carrying out the method and, in particular, for detecting a direction signal and activating an overlay function.

Weiter ist erfindungsgemäß eine Arbeitsmaschine umfasst, mit einen Antriebsstrang umfassend ein Antriebselement und ein Getriebe, und mit einem Lenksystem und einer vorstehend genannten Steuervorrichtung.Furthermore, the invention comprises a work machine having a drive train comprising a drive element and a transmission, and having a steering system and an above-mentioned control device.

Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch die Steuervorrichtung diese veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und entsprechende Signale auszusenden.Furthermore, the invention comprises a computer program product comprising instructions which, when the program is executed by the control device, cause the control device to carry out the method according to the invention and to send out corresponding signals.

Claims

Method for operating a steering system of a work machine, the work machine comprising at least a drive train with a drive element and a transmission, a steering system, and a control device; - wherein, in a first step, a direction of travel signal of the work machine is detected; - in a second step, an overlay function is activated if the direction of travel signal indicates reverse travel; wherein the overlay function implements an adjustment of a set steering angle compared to a steering input; wherein the set steering angle is superimposed in such a way that, with a defined steering input, a larger steering angle is provided than with the same steering input without taking the overlay function into account; - in a third step, the overlay function is deactivated if the direction of travel signal indicates forward travel, characterized in that , when the overlay function is activated, a reset function is activated, which provides a predefined steering torque by means of which the steering system is transferred to a zero position.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that when the overlay function is activated, a steering brake function is activated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the superposition function is adaptable.

Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the reset function is adaptable.

Control device which is suitable and arranged to carry out the method according to one of the preceding claims.

Work machine, at least comprising a drive train with a drive element and a transmission, a steering system and a control device according to Claim 5 .

Computer program product comprising instructions which, when the program is executed by the control device, cause the control device to carry out the method according to one of the Claims 1 until 4 to execute.