DE19606609A1 - Hydraulic steering device for self propelled drive machines e.g. forest harvesters or lawn mowers - Google Patents
Hydraulic steering device for self propelled drive machines e.g. forest harvesters or lawn mowersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Lenkvorrichtung, wie sie in selbstfahrenden Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Feldhäckslern oder Mähdreschern, verwendet wird.The invention relates to a hydraulic steering device as in self-propelled Working machines, such as forage harvesters or combine harvesters, is used.
Aus dem Stand der Technik sind Lenkvorrichtungen bekannt, bei denen der Lenkeinschlag der gelenkten Räder durch Betätigung eines oder mehrerer Hydraulikzylinder bewirkt wird. Ausführungsbeispiele für solche hydraulische Lenkvorrichtungen finden sich in den Patent schriften DE 21 50 298, DD 1 06 771 oder DE 195 39 088. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lenkvorrichtungen werden Lenksignale entweder vom Fahrer über das Lenkrad oder über geeignete Tasteinrichtungen zur automatischen Lenkung in das Lenksy stem übermittelt. Neben den vollhydraulischen Systemen sind insbesondere aus den genann ten Schriften auch Lenksysteme bekannt, die Lenksignale in elektrische Signale umwandeln und zur Steuerung von Hydraulikventilen nutzen, die die Hydraulikzylinder der Lenkvor richtung ansteuern. Bei den kombinierten elektrohydraulischen Lenksystemen wird aus den Lenksignalen ein elektrischer Sollstellwert für den Radwinkel abgeleitet, der mit einem Iststellwert verglichen wird, den ein mit den Achsschenkeln verbundenes Drehpotentiometer als Radwinkelgeber erzeugt. Bei einer Differenz zwischen Soll- und Iststellwert bekommt das Hydraulikventil der Lenkvorrichtung einen elektrischen Impuls, um durch Beaufschlagung des Lenkhydraulikzylinders mit einem Ölstrom die Differenz des Radwinkels zwischen Soll- und Iststellwert auszugleichen. Aufgrund von Spiel und Verschleiß in den Kugelköpfen der Lenkhebel, im Befestigungsauge des Hydraulikzylinders, in den Hebelgelenken des Radwin kelgebers sowie durch auftretende Torsionskräfte ermittelt der Radwinkelgeber Iststellwerte, die teilweise erheblich von dem wirklichen Radwinkel abweichen. Aufgrund des fehlerhaften Iststellwertes bekommt das Hydraulikventil einen falschen Steuerimpuls, der nach erneutem Vergleich des Soll- mit dem Iststellwert korrigiert werden muß. Insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, die heute aufgrund gestiegener Maschinenleistung zunehmend gefahren werden können, wirken sich die erforderlichen Korrekturen in einem Schlingerkurs aus, der aufgrund der ständigen Korrekturen der fehlerhaften Iststellwerte entsteht. Bei zunehmenden Geschwindigkeiten nimmt die Gefahr zu, daß sich das System aufschaukelt und damit die Lenkung insgesamt nicht mehr gefahrlos beherrschbar ist. Nachteilig ist auch die aufwendige Justage der Hebel eines Radwinkelgebers sowie eine Vielzahl angepaßter Teile für die Montage des Radwinkelgebers an unterschiedlichen Achsen.Steering devices are known from the prior art in which the steering lock the steered wheels is effected by actuating one or more hydraulic cylinders. Exemplary embodiments of such hydraulic steering devices can be found in the patent publications DE 21 50 298, DD 1 06 771 or DE 195 39 088. In the from the state of the Known steering devices are either steering signals from the driver via the Steering wheel or via suitable touch devices for automatic steering into the steering system stem transmitted. In addition to the fully hydraulic systems, the genann in particular Ste fonts also known steering systems that convert steering signals into electrical signals and to control hydraulic valves that control the hydraulic cylinders of the steering head for direction. With the combined electro-hydraulic steering systems, the Steering signals an electrical setpoint for the wheel angle derived with a Actual manipulated value is compared by a rotary potentiometer connected to the steering knuckles generated as a wheel angle encoder. If there is a difference between the setpoint and actual value, this gets Hydraulic valve of the steering device generates an electrical impulse by acting on it the steering hydraulic cylinder with an oil flow the difference of the wheel angle between target and actual value to compensate. Due to play and wear in the ball heads of the Steering lever, in the fastening eye of the hydraulic cylinder, in the lever joints of the Radwin the wheel encoder and the torsional forces that occur, the wheel angle encoder determines actual values, which sometimes differ significantly from the real wheel angle. Because of the faulty Actual control value, the hydraulic valve receives a wrong control impulse, which after a new one Comparison of the target and actual values must be corrected. Especially at higher ones Speeds that are increasingly driven today due to increased machine performance the necessary corrections will have an impact on a gymnastics course that due to the constant corrections of the incorrect actual values. With increasing Speeds increase the risk that the system will rock and thus the Steering is no longer safely controllable. The complex is also disadvantageous Adjustment of the levers of a wheel angle encoder as well as a large number of adapted parts for the Mounting the wheel angle encoder on different axes.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Iststellwert des Radwinkels möglichst ohne durch Spiel und Verschleiß bedingte Fehlereinflüsse zu ermitteln. Die Vorrichtung soll mit möglichst wenigen Teilen und geringem Montageaufwand für eine Vielzahl unterschiedlicher Achsen einsetzbar sein.It is an object of the present invention to avoid the actual control value of the wheel angle as possible to determine the effects of errors caused by play and wear. The device is said to as few parts as possible and little assembly effort for a multitude of different ones Axes can be used.
Die Aufgabe wird durch Ermittlung des Radwinkelsignals gelöst, indem ein im oder am Hydraulikzylinder angeordneter Wegsensor die Stellung des Kolbens bzw. der Kolbenstange erfaßt, den ermittelten Stellwert an die elektronische Steuereinheit übermittelt und die elektronische Steuereinheit aus dem übermittelten Stellwert den Iststellwert des Radwinkels ermittelt. Dabei kann der Wegsensor aus einem Ultraschall- oder Infrarotsensor bestehen, der den Abstand der Kolbenstange vom Endstück des Hydraulikzylinders als Maß für die Stellung des Kolbens mißt. Der Wegsensor kann auch aus einem Linearpotentiometer bestehen, bei dem ein Schleifkontakt mit der Kolbenstange auf einer mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehenen Schiene verfahren wird und der sich abhängig von der Position des Schleifkontaktes auf der Schiene verändernde Spannungswert als Maß für die Stellung des Kolbens gemessen wird. In bevorzugter Ausgestaltung werden dabei Schiene und Schleifkontakt in der Ölkammer des Hydraulikzylinders angeordnet, damit sie gut vor Beschädigungen und Verschmutzungen geschützt sind. Der Wegsensor kann auch aus einem induktiven Wegaufnehmer bestehen. Auch ein außen am Hydraulikzylinder angebrachter Laser ist dazu in der Lage, den Verfahrweg der Kolbenstange zu ermitteln und daraus das Maß für die Stellung des Kolbens oder der Kolbenstange abzuleiten.The task is solved by determining the wheel angle signal by an in or on Hydraulic cylinder arranged displacement sensor the position of the piston or the piston rod detected, the determined manipulated variable transmitted to the electronic control unit and the electronic control unit from the transmitted control value the actual control value of the wheel angle determined. The displacement sensor can consist of an ultrasonic or infrared sensor the distance of the piston rod from the end piece of the hydraulic cylinder as a measure of the Position of the piston measures. The displacement sensor can also be made from a linear potentiometer exist in which a sliding contact with the piston rod on one with an electrical conductive coating provided rail and which depends on the Position of the sliding contact on the rail changing voltage value as a measure of the Position of the piston is measured. In a preferred embodiment, rails are used and sliding contact arranged in the oil chamber of the hydraulic cylinder so that they are well in front Damage and dirt are protected. The displacement sensor can also be made from a inductive displacement transducers exist. Also one attached to the outside of the hydraulic cylinder Laser is able to determine the travel of the piston rod and from that Derive a measure of the position of the piston or piston rod.
Durch die vorgeschlagenen Verbesserungen ist es möglich, den Iststellwert des Radwinkels mit einer größeren Genauigkeit unter Ausschluß einer Mehrzahl von Fehlerquellen wie falscher Einstellung, Spiel und Verschleiß im Radwinkelgeber und dem zugehörigen Gestän ge zu vermeiden, das sich noch zum ebenfalls vorhandenen Spiel zwischen Hydraulikzylinder und Achsschenkeln hinzuaddieren würde. Aufgrund der größeren Genauigkeit der Lenkbewe gungen wird die Lenkvorrichtung insgesamt weniger belastet, was zu einem geringeren Verschleiß führt, und anstelle einer Vielzahl von Hebeln für verschiedene Achsen kann ein erfindungsgemäß ausgestatteter Hydraulikzylinder durch "Lernen" der Anschläge der Rad winkel von der elektronischen Steuereinrichtung in einer Vielzahl von Achsen eingesetzt werden, ohne daß dazu zusätzliche Hebel oder eine Justage der Meßeinrichtung erforderlich wären. Die vorgeschlagene Lösung ist damit sehr montage- und wartungsfreundlich.The proposed improvements make it possible to adjust the actual value of the wheel angle with greater accuracy excluding a variety of sources of error such as incorrect setting, play and wear in the wheel angle sensor and the associated linkage ge to avoid the still existing play between hydraulic cylinder and would add stub axles. Due to the greater accuracy of the steering movement conditions, the steering device is less stressed overall, resulting in less Wear leads, and instead of a variety of levers for different axes can be Hydraulic cylinder equipped according to the invention by "learning" the stops of the wheel angle used by the electronic control device in a variety of axes without additional levers or adjustment of the measuring device would be. The proposed solution is therefore very easy to assemble and maintain.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematisch dargestellte, mit einer erfindungsgemäßen hydraulischen Lenkvorrichtung ausgestattete selbstfahrende Arbeitsmaschine in der Drauf sicht, Fig. 1 is a schematically illustrated, equipped with an inventive hydraulic steering device, self-propelled machine in plan view,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen beispielhaft mit einem Linearpotentiometer ausgestatteten Hydraulikzylinder. Fig. 2 shows a longitudinal section through an exemplary equipped with a linear potentiometer hydraulic cylinder.
Der in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellte Mähdrescher 1 ist an der Frontseite mit einem Schneidwerk 2, einem sich daran anschließenden Einzugskanal 3 und einer das Dreschwerk beinhaltenden Hauptmaschine 4 ausgerüstet. Die vorderen Räder 5, 6 des Mähdreschers sind in nicht näher erläuterter Weise antreibbar, aber nicht lenkbar. Die hinteren Räder 7, 8 sind lenkbar und wahlweise zusätzlich antreibbar. Die Erfindung kann auch an selbstfahrenden Arbeitsmaschinen genutzt werden, deren Vorderräder oder an denen mehrere Achsen gelenkt werden, wie beispielsweise bei Ackerschleppern, Baggern, Träger- und Kommunalfahrzeugen.The combine harvester 1 shown as an exemplary embodiment in FIG. 1 is equipped on the front side with a cutting unit 2 , an adjoining feed channel 3 and a main machine 4 containing the threshing unit. The front wheels 5 , 6 of the combine harvester can be driven in a manner not explained in detail, but cannot be steered. The rear wheels 7 , 8 are steerable and optionally also drivable. The invention can also be used on self-propelled work machines whose front wheels or on which several axles are steered, such as, for example, agricultural tractors, excavators, carrier vehicles and municipal vehicles.
Die Lenkimpulse für die Lenkung werden beispielsweise vom Lenkrad 9, einem Joystick 10 oder Tastbügeln 11 einer automatischen Lenkeinrichtung, die sich an Reihen von Ernte gutstengeln 12 entlangtasten, erzeugt und über Leitungen einer elektronischen Steuereinheit 13 zugeführt. Anstelle der herkömmlichen Lenkimpulsgeber wie Lenkrad, Tastbügeln oder auch Joystick ist es auch vorstellbar, die Lenkimpulse durch eine Steuereinheit zu erzeugen, die die aktuelle Position durch geeignete technische Mittel wie beispielsweise ein GPS-Empfangssystem mit Korrektureinrichtung ermittelt, mit einem abgespeicherten Sollfahrweg vergleicht und daraus die Lenkimpulse ableitet. Zur Weiterverarbeitung der Lenkimpulse in einen Lenkvorgang bereitet die elektronische Steuereinheit 13 die Lenkimpulse zu einem Sollstellwert des Radwinkels der Räder 7, 8 auf.The steering impulses for the steering are generated, for example, by the steering wheel 9 , a joystick 10 or stirrups 11 of an automatic steering device, which grope along rows of crops 12 and are fed to an electronic control unit 13 via lines. Instead of the conventional steering pulse generator such as the steering wheel, feeler stirrups or joystick, it is also conceivable to generate the steering pulses by a control unit that determines the current position using suitable technical means, such as a GPS reception system with correction device, compares it with a stored target travel path, and uses it to compare Derives steering impulses. For further processing of the steering impulses in a steering operation, the electronic control unit 13 prepares the steering impulses for a setpoint value of the wheel angle of the wheels 7 , 8 .
Neben den Lenkimpulsen erhält die elektronische Steuereinheit 13 von einem im Hydraulik zylinder 15 angeordneten Wegsensor, beispielsweise einem Schleifstein 16 eines Linearpoten tiometers, ein Signal, das die aktuelle Position der Kolbenstange 17 bzw. des Kolbens 20 des Hydraulikzylinders 15 angibt. Das Signal des Wegsensors kann wahlweise bereits als Iststellwert des Radwinkels übermittelt worden sein, oder das Signal wird von der elek tronischen Steuereinheit 13 zu einem Iststellwert aufbereitet.In addition to the steering pulses, the electronic control unit 13 receives a signal from a displacement sensor arranged in the hydraulic cylinder 15 , for example a grindstone 16 of a linear potentiometer, which indicates the current position of the piston rod 17 or the piston 20 of the hydraulic cylinder 15 . The signal from the displacement sensor can optionally already have been transmitted as the actual control value of the wheel angle, or the signal is processed by the electronic control unit 13 to an actual control value.
Die elektronische Steuereinheit 13 vergleicht den Sollstellwert mit dem Iststellwert. Ergibt sich dabei eine Differenz, so übermittelt die elektronische Steuereinheit 13 über Leitungen ein Stellsignal an das Hydraulikventil 14. Das Hydraulikventil 14 gibt entsprechend dem übermittelten Stellsignal einen Ölstrom zum Hydraulikzylinder 15 frei, der den Kolben 20 sowie die Kolbenstange 17 in die dem von der elektronischen Steuereinheit 13 ermittelten Sollstellwert näherkommenden Richtung bewegt. Das Hydraulikventil 14 bleibt so lange geöffnet, bis die elektronische Steuereinheit 13 keine Differenz mehr zwischen dem Soll- und dem Iststellwert mehr feststellt und dem Hydraulikventil 14 ein entsprechendes Stellsignal zum Stoppen des Ölstromes übermittelt. Anstelle eines herkömmlichen Hydraulikventils kann für die erfindungsgemäße hydraulische Lenkvorrichtung auch ein sog. Proportionalventil eingesetzt werden, das in der Lage ist, unterschiedlich starke Ölströme kontrolliert dem Hydraulikzylinder zufließen zu lassen. Bei Einsatz eines Proportionalventils kann mit ent sprechende Ausstattung der elektronischen Steuereinheit 13 nicht nur ein "Auf"- oder "Zu"-Stellsignal an das Hydraulikventil übermittelt werden, sondern auch Zwischenwerte, die gleichmäßigere, weniger stößige Lenkbewegungen des Hydraulikzylinders 15 sowie der Räder 7, 8 ermöglichen. Anstelle eines einzigen Hydraulikzylinders 15 können auch zwei Hydraulikzylinder je gelenkter Achse eingesetzt werden. The electronic control unit 13 compares the setpoint with the actual value. If there is a difference, the electronic control unit 13 transmits an actuating signal to the hydraulic valve 14 via lines. According to the transmitted control signal, the hydraulic valve 14 releases an oil flow to the hydraulic cylinder 15 , which moves the piston 20 and the piston rod 17 in the direction closer to the setpoint value determined by the electronic control unit 13 . The hydraulic valve 14 remains open until the electronic control unit 13 no longer detects any difference between the setpoint and actual value and transmits a corresponding control signal to the hydraulic valve 14 to stop the oil flow. Instead of a conventional hydraulic valve, a so-called proportional valve can also be used for the hydraulic steering device according to the invention, which is able to flow differently strong oil flows to the hydraulic cylinder in a controlled manner. When using a proportional valve, not only an "open" or "closed" position signal can be transmitted to the hydraulic valve with the appropriate equipment of the electronic control unit 13 , but also intermediate values, the more uniform, less jerky steering movements of the hydraulic cylinder 15 and the wheels 7 , 8 enable. Instead of a single hydraulic cylinder 15 , two hydraulic cylinders per steered axle can also be used.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder 15. Das Hydrauliköl strömt je nach Schaltstellung des Hydraulikventils 14 durch die Anschlüsse 18 und 19 in den Hydraulikzylinder hinein und hinaus, wodurch der Kolben 20 mit der Kolben stange 17 bewegt wird. Von den Anschlußstücken 21 ist das eine am Achskörper oder am Fahrzeugrahmen und das andere am Achsschenkel der Lenkachse befestigt. Durch das Ein- und Ausfahren der Kolbenstange 17 wird so der Radwinkel eines gelenkten Rades 7, 8 verändert. Bei einem einzelnen Hydraulikzylinder 15 einer hydraulischen Lenkvorrichtung wird die Lenkbewegung eines Rades 7 über ein Gestänge auf das Rad 8 übertragen. Bei Verwendung eines zweiten Hydraulikzylinders 15 kann ein Gleichlauf der beiden Hydraulik zylinder durch Parallelschaltung der Hydraulikleitungen und ggfls. ein zusätzliches Ver bindungsgestänge zwischen beiden Achsschenkeln erreicht werden. An dem Kolben 20 ist ein Schleifkontakt 16 befestigt, der bei einer Bewegung des Kolbens 20 mitbewegt wird. Der Schleifkontakt 16 läuft dabei auf einer Schiene 22, die sich von einem Ende der Ölkammer des Hydraulikzylinders 15 durch den Kolben 20 hindurch bis in einen Hohlraum 23 in der Kolbenstange 17 erstreckt. Die Länge des Hohlraums 23 entspricht etwa dem größtmöglichen Verfahrweg des Kolbens 20. Die Schiene 22 ist mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen. Bei einer Bewegung des Schleifkontaktes 16 auf der Schiene 22 verändert sich der Spannungswert, der von der mit der Schiene 22 verbundenen Meßeinrichtung 24 ermittelt und über die Kabel 25 an die elektronische Steuereinheit 13 übermittelt wird. Der von der Meßeinrichtung 24 gemessene Spannungswert kann durch eine geeignete Elektronik in einen Iststellwert umgerechnet werden, der den aktuellen Radwinkel des vom Hydraulikzylinder 15 verschwenkten Rades 7 angibt. Fig. 2 shows a longitudinal section through a double-acting hydraulic cylinder 15. The hydraulic oil flows depending on the switching position of the hydraulic valve 14 through the connections 18 and 19 into the hydraulic cylinder and out, whereby the piston 20 with the piston rod 17 is moved. Of the connecting pieces 21 , one is fastened to the axle body or to the vehicle frame and the other to the steering knuckle of the steering axle. By retracting and extending the piston rod 17 , the wheel angle of a steered wheel 7 , 8 is changed. In the case of a single hydraulic cylinder 15 of a hydraulic steering device, the steering movement of a wheel 7 is transmitted to the wheel 8 via a linkage. When using a second hydraulic cylinder 15 , synchronism of the two hydraulic cylinders can be achieved by connecting the hydraulic lines in parallel and if necessary. An additional linkage between the two steering knuckles can be achieved. On the piston 20, a sliding contact 16 is fixed, is moved along at a movement of the piston 20th The sliding contact 16 runs on a rail 22 which extends from one end of the oil chamber of the hydraulic cylinder 15 through the piston 20 into a cavity 23 in the piston rod 17 . The length of the cavity 23 corresponds approximately to the largest possible travel of the piston 20 . The rail 22 is provided with an electrically conductive coating. When the sliding contact 16 moves on the rail 22 , the voltage value changes, which is determined by the measuring device 24 connected to the rail 22 and is transmitted to the electronic control unit 13 via the cable 25 . The voltage value measured by the measuring device 24 can be converted by suitable electronics into an actual manipulated value which indicates the current wheel angle of the wheel 7 pivoted by the hydraulic cylinder 15 .
Anstelle eines Linearpotentiometers kann der Verstellweg des Kolbens 20 auch mittels Ultraschall oder Infrarot berührungslos und verschleißfrei festgestellt werden. Unter Wegfall des Schleifkontaktes 16 und der Schiene 22 würde der Ultraschall- oder Infrarotsensor 24 den Abstand der Oberfläche des Kolbens 20 vom Sensor 24 messen und über die Kabel 25 an die elektronische Steuereinheit 13 übermitteln. Auch kann die Ölkammer oder die Kolbenstange 17 des Hydraulikzylinders 15 mit einem Meßkondensator versehen sein, der beim Verfahren des Kolbens 20 und der Kolbenstange 17 den Verfahrweg durch Messung der Veränderung des Magnetfeldes induktiv ermittelt und an die elektronische Steuereinheit 13 meldet.Instead of a linear potentiometer, the displacement of the piston 20 can also be determined contactlessly and without wear by means of ultrasound or infrared. With the omission of the sliding contact 16 and the rail 22 would be the ultrasonic or infrared sensor 24 of the piston 20 to measure the distance of the surface from the sensor 24 and transmit them to the electronic control unit 13 via the cable 25th The oil chamber or the piston rod 17 of the hydraulic cylinder 15 can also be provided with a measuring capacitor which, when the piston 20 and the piston rod 17 are moved, inductively determines the travel path by measuring the change in the magnetic field and reports it to the electronic control unit 13 .
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