СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧЕЙ МАШИНОЙ
WORKING MACHINE CONTROL SYSTEM

Данное изобретение относится к системе управления рабочей машиной, в частности колесным погрузчиком, включающей в себя, по меньшей мере, один орган ручного управления, который выполнен в частности в виде джойстика или рулевого колеса, по меньшей мере, одно возвратное устройство в виде одного или нескольких пакетов пружин, которое находится с органом ручного управления в таком соединении, что пакетом пружин оказывается возвратное усилие на орган ручного управления, если пакет пружин находится не в своем среднем положении.
Из уровня техники известно для управляемости приводами рулевых механизмов или рабочего оборудования, как например ковшей (колесного погрузчика) и т.д., выдавать чувствительное для пользователя обратное сообщение на орган ручного управления, если ручное управляющее указание и реакции на исполнительных элементах, как например гидравлических цилиндрах, отличаются друг от друга или не совпадают. Это может происходить, например, если ковш рабочей машины начинает застревать в навале материала из-за слишком больших внешних нагрузок и больше не может следовать указанию рычага управления. В этом случае для управления рабочим оборудованием может повышаться возвратное усилие на рычаг управления. Тем самым пользователю наглядно показывается, что имеет место ситуация перегрузки, то есть ковш больше не сможет следовать отклонению рычага управления.
Этот случай, естественно, не ограничен управлением рабочими инструментами, а может также встречаться, например, при рулевом управлении. Также здесь возможно повышать возвратное усилие на орган ручного управления, как например рулевое колесо или джойстик, или полностью блокировать движение, если рулевой механизм рабочей машины больше не может следовать отклонению, повороту и т.д. органа ручного управления.
DE 11 2014 000 302 T5 описывает структуру обратной связи усилия, при которой электрический привод заменяет известный пружинный механизм, что в частности может быть полезными для рулевых механизмов колесных погрузчиков и грейдеров. Этот концепт предъявляет максимальные требования к надежности управления, так как должно исключаться, что электрический привод вызывает благодаря ошибке управления ненамеренное отклонение рычага, которое в свою очередь могло бы повлечь за собой ненамеренное рулевое движение, что может приводить к опасной ситуации. Из US 8,066,567 B2 известно тормозное устройство для рычага управления, в частности, с электромагнитным порошковым тормозом. Этот принцип известен из области мощных тракторов в области применения электрических рулевых колес и рулевых механизмов "Steer-by-Wire" (с управлением через электронику). Благодаря отсутствующей гибкости в конструкции возникает при этом концепте опасность эффектов "Stick-Slip" (движений рывками) при закрытии и открытии тормоза, что выражается дергающимися и неравномерными движениями на органе ручного управления и в дальнейшем оказывает нежелательные и непригодные эффекты на управляющее поведение приводов.
Фиг.10 показывает классическую, известную из уровня техники механику пружинного возврата с джойстиком 6 в исходном положении и в положении, в котором джойстик был отклонен на угол α (положение 7). Джойстик 6 может поворачиваться вокруг точки поворота или оси 5 поворота.
Ссылочные позиции 3, 4 показывают два пружинных элемента, которые распространяются с обеих сторон джойстика и нагружают его в зависимости от отклонения в противоположных направлениях усилием пружины. В изображенном примере осуществления джойстик 6 поворачивается против часовой стрелки, что влечет за собой то, что пружина 3 растягивается, а пружина 4 сжимается. Пружина 3 оказывает таким образом на джойстик возвратное усилие, которое увеличивается, чем больше угол отклонения. Пружины 3, 4 расположены одним своим концом на джойстике или на соединенной с ним системе рычагов.
Ссылочные позиции 1, 2 являются неподвижными опорными точками, на которых пружины закреплены своими другими концами.
Фиг.8 показывает систему согласно фиг.10 со стороны, причем на фиг.8 дополнительно изображен датчик 20, который измеряет отклонение джойстика, то есть угол α. Ссылочная позиция 8 обозначает состоящий, например, из двух пружин пакет пружин при необходимости с демпфирующим элементом, а ссылочные позиции 10, 11 обозначают места опоры для стержня джойстика, который совершает при отклонении джойстика поворотное движение.
Фиг.9 показывает аналогичное фиг.8 исполнение. Оно отличается от исполнения согласно фиг.8 тем, что ссылочной позицией 8 обозначен помимо пакета пружин и демпфирующего элемента также элемент трения.
В основе данного изобретения лежит задача усовершенствовать систему указанного вначале типа таким образом, что вышеуказанные неравномерные движения на органе ручного управления могут предотвращаться, так что нежелательные эффекты на управляющее поведение приводов не происходят.
Эта задача решается с помощью системы с признаками пункта 1 формулы изобретения.
В соответствии с ним предусмотрено, что система имеет, по меньшей мере, одно перестановочное устройство, которое воздействует на пакет пружин таким образом, что при помощи перестановочного устройства может выполняться сдвиг среднего положения пакета пружин.
Согласно изобретению известная из уровня техники механика пружинного возврата таким образом сохраняется, однако посредством сдвига пакета пружин может достигаться сдвиг нулевой точки характеристической кривой пружины в пределах диапазона измерения датчика.
В этом месте следует отметить, что понятие "пакет пружин" следует понимать в общих чертах, и оно охватывает любую систему с ровно одной пружиной, с двумя или с более чем двумя пружинами, а также системы, которые в дополнение, по меньшей мере, к одной пружине имеют один или несколько других элементов, таких как демпферы или элементы трения.
Под "средним положением пакета пружин" понимается положение пакета пружин, при котором характеристическая кривая пружины проходит через нулевую точку, то есть орган ручного управления находится в "нейтральном положении", в котором он не испытывает результирующего возвратного усилия через пакет пружин.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что между пакетом пружин и перестановочным устройством находится, по меньшей мере, одна самотормозящаяся передача, которая предпочтительно выполнена в виде червячной передачи.
Возможно, что перестановочное устройство выполнено таким образом, что управляющая величина для сдвига среднего положения пакета пружин образуется посредством изменения положения, по меньшей мере, одной перемещенной рулевым исполнительным элементом рабочей машины части или посредством изменения положения самого упомянутого, по меньшей мере, одного рулевого исполнительного элемента.
Говоря о части, речь может идти, например, о рулевой геометрии и в частности о положении, соответственно, месте одной или нескольких частей рулевого механизма рабочей машины.
Служащее для сдвига пакета пружин перестановочное устройство может быть выполнено активным или пассивным. Под активным перестановочным устройством следует понимать перестановочное устройство, по меньшей мере, с одним приводным элементом. У пассивного перестановочного устройства такой приводной элемент отсутствует, более того в этом случае сдвиг пакета пружин вызывается самим пользователем, то есть движением органа ручного управления.
Говоря об органе ручного управления, речь может идти, например, о рулевом колесе, джойстике, рычаге или о любом другом приводимом в действие пользователем управляющем элементе. Он может использоваться, для того чтобы регулировать или управлять любыми функциональными возможностями, как например движением рабочего оборудования, например ковша, рулевым механизмом или другими элементами рабочей машины.
Как было указано, перестановочное устройство может быть выполнено пассивным, причем сдвиг среднего положения пакета пружин осуществляется посредством ручного приведения в действие органа ручного управления. В этом случае пакет пружин "увлекается в движение" ручным приведением в действие органа ручного управления, то есть оператором.
Также возможно, что перестановочное устройство выполнено активным, причем сдвиг среднего положения осуществляется посредством, по меньшей мере, одного исполнительного привода, в частности посредством, по меньшей мере, одного двигателя, например, посредством, по меньшей мере, одного электродвигателя при необходимости с передаточным механизмом.
Исполнительный привод может быть выполнен для того, чтобы фиксировать пакет пружин в сдвинутом положении, что влечет за собой то преимущество, что отдельный тормозной элемент не требуется, для того чтобы удерживать пакет пружин в его сдвинутом положении.
Система может иметь, по меньшей мере, один тормоз, в частности электромагнитный порошковый тормоз, и/или, по меньшей мере, одно сцепное устройство, который/которое выполнен/о для того, чтобы фиксировать пакет пружин в сдвинутом положении. Таким образом, пакет пружин может при достижении нового целевого среднего положения фиксироваться сцепным устройством или тормозом.
В случае использования привода привод может фиксировать пакет пружин в целевом среднем положении. Привод может сдвигать пакет пружин также без вмешательства оператора самостоятельно.
Предпочтительно имеется, по меньшей мере, один датчик, который регистрирует положение органа ручного управления или базирующееся на нем значение, как например отклонение джойстика или угол поворота рулевого колеса.
Ходы пружин пакета пружин могут охватывать весь диапазон измерения датчика, или ходы пружин пакета пружин могут быть ограничены одним или несколькими упорами, причем упоры выбраны предпочтительно таким образом, что отклонение органа ручного управления из среднего положения возможно симметрично к обоим упорам, однако также ассиметричное исполнение возможно и одновременно охвачено.
Как указано выше, пакет пружин может иметь одну или несколько пружин и опционально один или несколько демпферов и/или один или несколько элементов трения.
Принципиально рулевая управляемость рабочей машиной обеспечена также в том случае, если имеет место ошибочное приведение в действие перестановочного устройства и, следовательно, ошибочное слежение пакета пружин. Это связано с тем, что даже без слежения, соответственно, при ошибочно застопоренном слежении соответствующий ход пружины может проходиться, например, посредством приведения в действие джойстика. Таким образом, рулевое управление возможно в обоих направлениях.
Для того чтобы обеспечивать, что это имеет место также в том случае, если слежение пакета пружин прошло максимальный ход перестановки, согласно дальнейшему исполнению изобретения предусмотрено, что перестановочные средства выполнены таким образом, что пакет пружин выполнен таким образом, что при достижении максимального положения пакета пружин, соответственно, его перестановочного устройства возможно выходящее за него отклонение органа ручного управления пользователем рабочей машины.
Таким образом, также в максимальном положении пакета пружин, соответственно, его перестановочного устройства возможно выполнение рулевых движений в обоих направлениях, то есть направо и налево, то есть рулевая управляемость рабочей машины сохраняется, даже если пакет пружин или его перестановочное устройство ошибочно заняли максимальное положение и там при необходимости пребывают. Это достигается посредством угла опережения, то есть благодаря возможности отклонять орган ручного управления на величину отклонения пружины за пределы этого максимального положения перестановочного устройства пакета пружин.
При этом возможно, что отклонение органа ручного управления в максимальном положении пакета пружин, соответственно, его перестановочного устройства симметрично относительно его среднего положения. В этом случае орган ручного управления и таким образом рулевой механизм может отклоняться, соответственно, приводиться в действие в одинаковом объеме в обоих направлениях.
Однако также возможно, что пакет пружин выполнен таким образом, что отклонение органа ручного управления в максимальном положении пакета пружин асимметрично относительно его среднего положения, причем это остаточное отклонение за пределы максимального положения меньше, чем в противоположном направлении. Таким образом, остаточный ход пружины, который в безаварийном режиме не повлек бы за собой рулевое движение, удерживается на низком уровне.
Предпочтительно система выполнена таким образом, что отклонение органа ручного управления возможно исключительно в пределах диапазона датчика системы.
Если слежение пакета пружин ошибочно, благодаря тому, что оно, например, обособляется, предпочтительно предусмотрено, что при этом движении слежения не возникает изменение отклонения, соответственно, смещение органа ручного управления, соответственно, отклонение пакета пружин, так что рулевое движение рабочей машины не происходит.
Данное изобретение относится к рабочей машине, в частности к колесному погрузчику, который выполнен, по меньшей мере, с одной системой по любому из п.п.1-16. Эта система может служить, например, для управления или рулевого управления или же для управления рабочим инструментом.
Дальнейшие подробности и преимущества изобретения разъясняются более подробно при помощи изображенного на чертежах примера осуществления. На чертежах показаны:
фиг.1 - схематичный вид системы согласно изобретению со сцепным устройством;
фиг.2 - схематичный вид системы согласно изобретению с тормозом;
фиг.3 - схематичный вид системы согласно изобретению с приводом;
фиг.4, 5 - характеристические кривые пружин до и после смещения пакета пружин;
фиг.6, 7 - характеристические кривые пружин при отсутствии слежения с симметричным и ассиметричным ходом пружины; и
фиг.8-10 - схематичные виды систем из уровня техники.
На фиг.1-3 одинаковые или функционально одинаковые элементы снабжены теми же ссылочными позициями, как на фиг.8-10.
Как видно из фиг.1, между опорной точкой 10 и пактом 8 пружин находится сцепное устройство 9.
Это сцепное устройство открыто при смещении пакета 8 пружин пользователем. Если пакт пружин занял свое расчетное положение, сцепное устройство 9 закрывается, так что пакет 8 пружин фиксируется в новом целевом среднем положении.
Фиг.2 показывает соответствующую фиг.1 систему с тем единственным отличием, что сцепное устройство 9 заменено тормозом 12. Функция такая же, как при сцепном устройстве, в том отношении, что тормоз 12 во время сдвига пакета 8 пружин открыт и при достижении нового целевого среднего положения закрывается.
Конструкция согласно фиг.2 может также иметь два тормоза, отдельно для каждого направления, снабженных в каждом случае свободным ходом, так что отдельный тормоз может действовать в каждом случае только в одном направлении.
Говоря о тормозе 12, речь может идти, например, об электромагнитном порошковом тормозе.
Фиг.3 показывает дальнейшее соответствующее изобретению исполнение. В этом исполнении сдвиг пакета 8 пружин не пассивен, то есть осуществляется не ручным приведением в действие пользователем, а двигателем 13. Последний выполнен одновременно также таким образом, что он удерживает пакет 8 пружин в новом целевом среднем положении, так что - как видно из фиг.3 - тормозные или сцепные элементы не требуются. Двигатель 13 может быть электродвигателем, который через передаточный механизм производит движение сдвига пакета 8 пружин.
Фиг.4 и 5 показывают по ординате возвратный момент, который прикладывается пакетом пружин к органу ручного управления, а по абсциссе отклонение или угол α поворота и т.д. органа ручного управления. Линии 15 обозначают характеристическую кривую пружины/демпфирования при несдвинутом пакете пружин. В этом случае характеристическая кривая пружины проходит через нулевую точку системы координат, то есть при отсутствующем отклонении (α=0) на орган ручного управления возвратное усилие не действует. Пружины пакета пружин выполнены таким образом, что при отклонении в обоих направлениях действует возвратное усилие, как это можно увидеть из линии 15. Ссылочные позиции 14 и 18 обозначают упоры хода отклонения пакета пружин. При этом упоры выбраны предпочтительно таким образом, что отклонение органа ручного управления ограничивается пакетом пружин симметрично относительно соответствующего среднего положения или нулевой точки.
Однако, принципиально изобретением охвачено также то, что ходы пружин соответствуют всему диапазону измерения сенсорной техники, который обозначен на фиг.4 и 5 ссылочной позицией S.
Если пакет пружин сдвигается, то получается новая характеристическая кривая пружины, которая на фиг.4 и 5 обозначена в качестве примера ссылочной позицией 16. Смещение характеристической кривой обозначено ссылочной позицией 17. Новая характеристическая кривая 16 снова проходит через нулевую точку, однако не при нулевом отклонении органа ручного управления, а при уже произведенном отклонении α`. При этом отклонении α` результирующее возвратное усилие на орган ручного управления равно нулю. Возвратное усилие возникает лишь в том случае, если орган ручного управления отклоняется из этого нового положения.
После смещения пакета пружин возникают новые упоры 30 и 31.
Ссылочная позиция 99 обозначает область постоянного момента.
Пакет пружин может состоять, как указано, из одной или нескольких пружин. Он предпочтительно выполнен таким образом, что в обоих, соответственно, во всех направлениях приведения в действие органа ручного управления создается возвратное усилие.
Пакет пружин может помимо пружины или пружин также иметь один или несколько демпфирующих элементов или элементов трения.
Фиг.6 показывает характеристическую кривую пружины с углом опережения для органа ручного управления, если пакет пружин занимает максимальное положение +αmax или -αmax.
В отношении характеристической кривой 15, а также граничных значений 14 и 18 делается ссылка на фиг.4 и 5.
Если теперь доходит до ошибочного приведения в действие привода пакета пружин или до другого ошибочного смещения пакета пружин в максимальные положения +αmax или -αmax, и пакет пружин там остается, то рулевая управляемость рабочей машины должна поддерживаться. Для того чтобы также в этих максимальных положениях +αmax или -αmax делать возможным рулевое движение в обоих направлениях±α, в этом варианте осуществления создается угол опережения, то есть возможность отклонять орган ручного управления, как например джойстик, за пределы этого максимального положения. Таким образом, возможно отклонение за пределы ограничивающей слежение пакета пружин величины +αmax или -αmax. Угол опережения позволяет таким образом отклонение рычага управления или другого органа ручного управления (и тем самым рулевое движение) на величину отклонения пружины пакета пружин за пределы максимальных положений +αmax или -αmax диапазона сдвига пакета пружин или его привода.
При этом фиг.6 показывает исполнение, которое делает возможным двустороннее полное отклонение пружины относительно момента M согласно линиям 16` и 16`` на обоих концевых упорах +αmax или -αmax слежения. Граничные значения диапазона смещения - это 30` и 31`, соответственно, 30`` и 31``. Смещение пакета пружин обозначено ссылочными позициями 17`, соответственно, 17``.
В этом варианте осуществления помехи может создавать то, что при нормальном, то есть безаварийном достижении концевых упоров +αmax или -αmax в безаварийном режиме и соответствующем достижении максимальных рулевых движений транспортного средства остается остаточный ход пружины от +αmax или -αmax до 31` и 31``, перебег которого в безаварийном режиме не приводит к дальнейшему рулевому движению транспортного средства.
В качестве преимущества следует указать, что отклонение пружины или угол опережения, то есть отклонение органа ручного управления от +αmax до 31` или от -αmax до 31``, в аварийном режиме слежения пакета пружин симметрично в пределах диапазона S измерения датчика.
На фиг.7 описан дальнейший вариант осуществления, в котором отклонение пружины и угол опережения ограничены для сохранения рулевой управляемости в аварийном режиме на обоих концевых упорах +αmax и -αmax величинами 32` и 32``.
Устанавливаемый диапазон датчика сокращается таким образом до величины S*. В остальном пример осуществления соответствует примеру согласно фиг.6.
Вариант согласно фиг.7 имеет то преимущество, что остаточный ход пружины от +αmax или -αmax до 32` и 32`` меньше, чем от +αmax или -αmax до в каждом случае другого граничного значения 30` или 30``, так что отклонения органа ручного управления, которые в безаварийном режиме больше не влекут за собой рулевое движение, могут удерживаться на низком уровне.
В качестве недостатка следует указать, что пользователь рабочей машины должен в аварийном режиме справляться с ассиметричной характеристикой приведения в действие, так как величина возможного приведения в действие органа ручного управления не одинакова в обоих направлениях.
Говоря об органе ручного управления, речь может идти, например, о джойстике, рычаге управления, рулевом колесе и т.д.
В итоге изобретением предоставляется предпочтительно система со смещением нулевой точки характеристической кривой пружины, причем смещение нулевой точки отличается слежением пакетов пружин, соответственно, органа ручного управления на величину Δα. Это слежение осуществляется предпочтительно в зависимости от согласованного положения исполнительного элемента, причем исполнительный элемент служит предпочтительно для изменения рулевого угла (поворота) рабочей машины.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 опорная точка 1
2 опорная точка 2
3 пружинный элемент 1
4 пружинный элемент 2
5 точка поворота
6 орган ручного управления, например, джойстик в исходном положении
7 орган ручного управления, например, джойстик в отклоненном положении
8 пружинный/демпфирующий элемент
9 сцепное устройство
10 опорная точка 3
11 опорная точка 4
12 тормоз
13 двигатель
14 упор 1 первое положение
15 характеристическая кривая 1 пружины/демпфирования
16 характеристическая кривая 2 пружины/демпфирования
16` характеристическая кривая 2 пружины/демпфирования
16`` характеристическая кривая 2 пружины/демпфирования
17 смещение характеристической кривой
17` смещение характеристической кривой
17`` смещение характеристической кривой
18 упор 2 первое положение
20 датчик
30 упор 2 второе положение
30` упор 2 третье и пятое положение
30`` упор 1 четвертое и шестое положение
31 упор 1 второе положение
31` упор 1 третье положение
31`` упор 2 четвертое положение
32` упор 1 пятое положение
32`` упор 2 шестое положение
α угол отклонения пакета пружин
α` угол
Δα смещение нулевой точки пакета пружин в пределах S
+αmax, -αmax максимальное отклонение пакета пружин
M двигатель
+M момент
-M момент
S диапазон датчика
S* диапазон датчика
99 область постоянного момента