Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsentkopplung zwi schen zwei Systemen in Form von Feder-Masse-Schwingern, von denen ein System einer Bewegungsmaschine und das andere System einer auf die Be wegungsmaschine einwirkenden Bedienperson zugeordnet ist, das zumin- dest teilweise bei Verfahrbewegungen der Bewegungsmaschine Bewegun gen um eine Querachse ausführt und dabei Vertikalbewegungen in Rich tung einer vertikalen Hochachse mit einer absoluten Vertikalgeschwindig keit unterliegt, die als Eingangsgröße von Steuer- und/oder Regeleinrichtun gen dient, die zur Kompensation der Schwingungen ein Dämpfungssystem des einen und/oder anderen Systems ansteuern.

Aus der EP 1 018 445 A2 ist eine Baugruppe bekannt, die ein erstes Ele ment, ein zweites Element und ein steuerbares Federungssystem umfasst, das einen steuerbaren, zwischen dem ersten und dem zweiten Element an- geordneten Dämpfer und ein Steuersystem aufweist, das einen Beschleuni gungssensor zum Erfassen von Beschleunigungswerten des ersten Elements und einen Wegsensor zum Erfassen von Werten des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Element umfasst. Die durch den Beschleuni gungssensor erfassten Werte werden mittels eines Integrators integriert, wodurch sich die absolute Geschwindigkeit v _abs des ersten Elements ergibt, und die durch den Wegesensor erfassen Werte werden mittels eines Filters differenziert, wodurch sich die relativen Geschwindigkeit v _rei zwischen dem erstem und dem zweitem Element ergibt.

Das Steuersystem weist des Weiteren eine Steuereinheit auf, die unter Ver wendung einer Steuerstrategie, der eingangsseitig die absolute Geschwin digkeit v _abs und die relativen Geschwindigkeit v _rei zugeführt werden, eine gewünschte Dämpfungskraft F _desired des steuerbaren Dämpfers bestimmt. Gemäß der Steuerstrategie ist insbesondere bei einem Produkt des Signals v _abs und des Signals v _rei von größer gleich 0 die gewünschte Dämpfungs kraft F _desired gleich einem Produkt aus einer Verstärkung G, dem Signal v _abs und einer Funktion, die von der absoluten Geschwindigkeit v _abs und der relativen Geschwindigkeit v _rel abhängig ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erste Element einen Sitz und das zweite Element einen Rahmen, mit dem der Sitz verbunden ist.

Beschleunigungssensoren weisen regelmäßig einen sogenannten Offset auf, der bei der Integration der durch den Beschleunigungssensor erfassten Werte aufintegriert wird und in einer Drift des Signals der ermittelten abso luten Geschwindigkeit v _abs resultiert, d. h. in einem Fehler dieses Signals. Zudem ist das Signal der relativen Geschwindigkeit v _relr das durch eine Ab leitung des durch den Wegesensor erfassten Signals ermittelt wird, regelmä ßig mit einem Rauschen behaftet. Bei Verwendung eines fehlerhaften Sig nals der absoluten Geschwindigkeit v _abs und eines verrauschten Signals der relativen Geschwindigkeit v _rel ist entsprechend das Signal der aus diesen Signalen ermittelte gewünschte Dämpfungskraft F _desired ebenso fehlerbe haftet und/oder verrauscht.

In der Praxis wird die Drift bzw. der Fehler der absoluten Geschwindigkeit durch eine Hochpassfilterung zu korrigieren und wird zur Rauschreduzie- rung der relativen Geschwindigkeit das Rauschen durch eine Tiefpassfilte rung zu unterdrücken versucht. Die jeweilige Filterung der jeweiligen Ge schwindigkeit führt jedoch, insbesondere unabhängig von der jeweils ande ren Filterung, zu einer Verfälschung des Signals dieser Geschwindigkeit in Form eines Versatzes der Phase des ermittelten Geschwindigkeitssignals, der jeweils zu korrigieren ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass diese bei einfacher Ausbildung eine Entkopplung eines Systems von einem ande ren System derart bewirkt, dass bei Schwingungen des einen Systems durch Kompensation dieser Schwingungen mit hoher Genauigkeit das andere Sys tem schwingungsfrei bleibt.

Eine dahingehende Aufgabe ist durch eine Vorrichtung zur Schwingungs entkopplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ist die jeweilige Nickbewegung des anderen Systems mittels mindestens eines Drehratensensors erfasst, des sen jeweiliger Messwert, vorzugsweise nur um einen vorgebbaren Faktor verstärkt, die absolute Vertikalgeschwindigkeit als Eingangsgröße für die nachfolgende Systemansteuerung ergibt.

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Winkelgeschwindigkeit des anderen Systems ein Drehratensensor zum Ein satz kommt, ist die Winkelgeschwindigkeit direkt von dem Sensor, nämlich ohne, insbesondere vorhergehende, komplexe Rechenoperationen, erhalt bar. Des Weiteren ergibt sich die absolute Vertikalgeschwindigkeit erfin dungsgemäß, insbesondere lediglich um einen vorgebbaren Faktor ver stärkt, direkt aus der durch den Drehratensensor erfassten Winkelgeschwin digkeit, so dass diesbezüglich allenfalls eine wenig komplexe Verstärkung notwendig ist. Im Vergleich zum Stand der Technik ist zum Erhalt der abso luten Geschwindigkeit keine Integration der durch den Beschleunigungs sensor erfassten Messwerte notwendig, durch die der Offset des Beschleuni gungssensors aufintegriert wird und in einer Drift der absoluten Geschwin digkeit resultiert.

Durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung und die wenigen notwendi gen Komponenten ergibt sich eine einfach herstellbare und durch das Vor sehen allenfalls einer einfachen Verstärkung eine weniger fehlerbehaftete Ermittlung der absoluten Vertikalgeschwindigkeit, was die Genauigkeit der Schwingungskompensation erhöht.

Der erfindungsgemäße Drehratensensor kann als Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), d. h. als mikromechanischer Sensor, mit insbesondere min destens einer gezielt zu Schwingungen angeregten Platte ausgeführt sein und auf dem Coriolis-Prinzip basieren. Bei derart ausgebildeten Sensoren wirkt die Corioliskraft bei einem Rotieren des Drehratensensors auf das MEMS, wobei die Reaktion des MEMS auf diese Anregung durch die Dreh bewegung in drei Dimensionen einzeln erfasst wird. Mikromechanische Sensoren haben den Vorteil, dass diese günstig im Handel erwerbbar sind. Vorzugsweise findet als Drehratensensor der im Produkt„HIT 1500" der HYDAC Electronic GmbH integrierte Drehratensensor Anwendung.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das andere System bei Ver fahrbewegungen der Bewegungsmaschine Rollbewegungen um seine Längsachse ausführen und dabei weiteren Vertikalbewegungen in Richtung der vertikalen Hochachse mit einer weiteren absoluten Vertikalgeschwin digkeit unterliegen, die als weitere Eingangsgröße der Steuer- und/oder Re geleinrichtungen dienen. Dergestalt sind neben den Nickbewegungen des anderen Systems um seine Querachse auch Rollbewegungen des anderen Systems um seine Längsachse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kompensierbar. Die weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit kann die ab solute Vertikalgeschwindigkeit überlagern und beide Geschwindigkeiten können sich insbesondere zu einer absoluten Vertikalgesamtgeschwindig keit aufaddieren.

Der vorgebbare Faktor kann von dem minimalsten Abstand der Querachse zu einem Punkt des anderen Systems, dessen absolute Vertikalgeschwindig keit ermittelt wird, und/oder von dem minimalsten Abstand der Längsachse zu einem weiteren Punkt des anderen Systems, dessen weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit ermittelt wird, ableitbar sein, vorzugsweise ent spricht der Faktor dem jeweiligen minimalsten Abstand. Auch der Punkt kann dem weiteren Punkt entsprechen. Der jeweilige Punkt des anderen Systems im Sinne einer Stelle des anderen Systems ist fiktiv und ist ein integraler Bestandteil des anderen Systems. Zum Ermitteln des Produkts aus dem Faktor und der aus dem Drehratensensor ermittelten Winkelge schwindigkeit wird ein Hard- oder Software-implementierter Verstärker eingesetzt, dem eingangsseitig die jeweilige durch den Drehratensensor erfasste Winkelgeschwindigkeit zugeführt wird und der diese um den jewei ligen Faktor verstärkt, woraus sich die absolute Vertikalgeschwindigkeit oder die weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit in Richtung der vertika len Hochachse ergibt. Dergestalt ist die absolute bzw. die weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit auf besonders einfache Weise unter Verwendung kostengünstiger Hard- oder Software-implementierter technischer Mittel er mittelbar.

Der Punkt des anderen Systems, dessen absolute Vertikalgeschwindigkeit ermittelt wird, und/oder der weitere Punkt des anderen Systems, dessen weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit ermittelt wird, kann an einem jeweiligen in Richtung der vertikalen Hochachse beweglichen Ende des anderen Systems angeordnet sein. Eine derartige Positionierung des Punktes an dem jeweiligen, insbesondere äußersten, sich bei einer Nick- oder Roll bewegung in Richtung der vertikalen Hochachse beweglichen Ende hat zum Vorteil, dass der Abstand zwischen Quer- oder Längsachse und diesem jeweiligen Punkt maximal ist, so dass der Faktor, um den die jeweilige durch den Drehratensensor erfasste Winkelgeschwindigkeit verstärkt wird, d. h. mit dem die jeweilige Winkelgeschwindigkeit multipliziert wird, ebenfalls maximal ist, wodurch möglichst hohe Werte und damit aussage kräftige Werte der absoluten bzw. der weiteren absoluten Vertikalge schwindigkeit erhaltbar sind. Es kann zur Ermittlung der absoluten Vertikal geschwindigkeit ein Verstärker und/oder zur Ermittlung der weiteren abso luten Vertikalgeschwindigkeit ein weiterer Verstärker vorgesehen sein.

Das Dämpfungssystem wird in Abhängigkeit von positiven und negativen absoluten bzw. weiteren absoluten Vertikalgeschwindigkeitswerten gesteu ert. So erfasst der Drehratensensor bei einer Bewegung des jeweiligen in Richtung der Hochachse beweglichen Endes des anderen Systems, an dem der jeweilige Punkt angeordnet ist, von dem einen System weg, eine posi tive Winkelgeschwindigkeit, so dass die ermittelte jeweilige absolute Verti kalgeschwindigkeit ebenfalls positiv ist. Bei einer Bewegung des jeweiligen in Richtung der Hochachse beweglichen Endes des anderen Systems, an dem der jeweilige Punkt angeordnet ist, zu dem einen System hin, erfasst der Drehratensensor hingegen eine negative Winkelgeschwindigkeit, wo durch die ermittelte absolute bzw. weitere absolute Vertikalgeschwindigkeit ebenfalls negativ ist.

Das andere System kann, bevorzugt mit seinem einen Ende, an dem einen System verschwenkbar um die Querachse oder die Längsachse angelenkt sein und, vorzugsweise an seinem anderen Ende, über mindestens ein Dämpfersystem mit dem einen System verbunden sein. Auch denkbar ist, dass das andere System mit dem einen System ausschließlich über, insbe sondere vier, Dämpfersysteme verbunden ist. Bei einem ausschließlichen Vorsehen von Dämpfersystemen verlaufen die Quer- und Längsachse des anderen Systems durch einen Schwerpunkt des anderen Systems und der Einrichtung, an dem das andere System gegebenenfalls befestigt ist.

Ein jeweiliges Dämpfersystem kann als Feder-Masse-Dämpfer System ausgebildet sein, wobei sich ein Feder-Masse-Dämpfer System dadurch auszeichnet, dass zwischen einer Masse und einer weiteren Masse oder einem Fixpunkt ein Dämpfer und eine Feder angeordnet sind. Die Feder dämpft passiv, wohingegen der Dämpfer als semi-aktiver oder aktiver Dämpfer ausgebildet sein kann.

Bei einem semi-aktiven Dämpfer wird durch eine Änderung seines

Dämpfungskoeffizienten die gewünschte Dämpfungswirkung erzielt. Aktive und semi-aktive Dämpfungssysteme haben gegenüber passiven Dämpfungs systemen den Vorteil, dass die Dämpfung des Dämpfers an den jeweiligen Betriebszustand des Systems, in dem der Dämpfer Anwendung findet, an passbar ist. Die semi-aktiven Dämpfungssysteme haben gegenüber aktiven Dämpfungssystemen, bei denen einem als Aktuator ausgebildeten Dämpfer Energie zugeführt werden muss, den Vorteil, dass der Energieaufwand ver ringert ist und das Regelungssystem für den Dämpfer weniger komplex ist. Die Steuerungs- bzw. Regelungsstrategie zur Ansteuerung des Dämpfers kann zumindest teilweise auf dem Skyhook-Ansatz basieren. Besonders be vorzugt ist das Dämpfungssystem jedoch als semi-aktives Dämpfungssystem ausgeführt, das mittels einer Regelungsstrategie nach dem Skyhook-Ansatz angesteuert wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit ein aktives Feder- Dämpfer-System zu realisieren.

Zum Erfassen der Nickbewegung und der Rollbewegung kann ein einziger Drehratensensor vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass zum Erfassen der Nickbewegung ein Drehratensensor und zum Erfassen der Rollbewegung ein weiterer Drehratensensor vorgesehen ist. Jedenfalls erfasst der jeweilige Drehratensensor zumindest die Winkelgeschwindigkeit einer Nickbewegung des anderen Systems um seine Querachse und/oder die Rollbewegung des anderen Systems um seine Längsachse.

Das eine System kann mit der Bewegungsmaschine verbunden sein und das andere System kann mittelbar oder unmittelbar mit einem von der Bedien person nutzbaren„Cockpit" zum Ansteuern der Bewegungsmaschine ver bunden sein. Gemäß dem Patentanspruch 9 ist Gegenstand der Erfindung auch eine Ar beitsmaschine, insbesondere landwirtschaftliche Arbeitsmaschine, vorzugs weise ein Traktor, mit einer Bewegungsmaschine, einem von einer Bedien person nutzbaren„Cockpit" zum Ansteuern der Bewegungsmaschine und einer Vorrichtung zur Schwingungsentkopplung zwischen dem der Bewe- gungsmaschine zugeordneten, insbesondere mit der Bewegungsmaschine verbundenen, einen System und dem dem Cockpit zugeordneten, insbeson dere mit dem Cockpit mittelbar oder unmittelbar verbundenen, anderen System, nach einem der voranstehenden Ansprüche. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können Schwingungen der

Bewegungsmaschine und von dieser abgegebene Stöße wirksam von dem Cockpit der Bewegungsmaschine, insbesondere der Fahrerkabine, entkop pelt werden, so dass das Cockpit im Betrieb der Arbeitsmaschine weitestge hend schwingungs- und stoßfrei verbleibt. Dergestalt ist sichergestellt, dass sich die Schwingungen und Stöße nicht negativ auf die Gesundheit einer Bedienperson der Arbeitsmaschine auswirken.

Im Folgenden wird der physikalische Hintergrund der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert:

Der vorliegenden Erfindung liegt der physikalische Zusammenhang zugrun de, dass bei einer Bewegung eines Punktes auf einem Kreis die Bahn- oder Umlaufgeschwindigkeit v des Punktes auf dem Kreis gleich dem Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit w und dem Radius des Kreises r ist, wobei die Winkelgeschwindigkeit w gleich der Ableitung des Rotationswinkels f nach der Zeit t ist:

Übertragen auf die vorliegende Erfindung ist der Punkt bei einer Nickbewe gung um die Querachse ein außerhalb der Querachse oder bei Rollbewe- gungen um die Längsachse ein außerhalb der Längsachse liegender Punkt des anderen Systems, der, falls die erfindungsgemäße Vorrichtung inaktiv oder nicht vorgesehen ist, durch Schwingungen des anderen Systems ange regt, Nickbewegung um die Querachse oder Rollbewegung um die Längs achse in Lorm von Bewegung auf einer Teilkreisbahn des Kreises um die je- weilige Quer- oder Längsachse durchführt, in der der Mittelpunkt des Krei ses liegt. Diese Schwingungen weisen jedoch im Vergleich zum Radius des Kreises r, der die Strecke zwischen Mittelpunkt des Kreises und dem Punkt des anderen Systems auf dem Kreis beschreibt, eine geringe Amplitude auf, so dass sich der Punkt auf einem sehr kurzen Kreisbahnabschnitt hin- und her bewegt, wodurch vorliegend die absolute Vertikalgeschwindigkeit v _{z l} in Richtung der vertikalen Hochachse z durch die Bahn- oder Umlaufge schwindigkeit v des Punktes angenähert werden kann, wobei L dem Radius r entspricht und den Abstand zwischen dem Kreismittelpunkt auf der Quer oder Längsachse und dem Punkt des anderen Systems auf dem Kreis be- schreibt: dtp

v ₇ » v = w * L =—— * L = f * L z’ ^r dt ^Ύ Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung und eine Arbeits maschine mit einer entsprechenden Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig. 1 a, b in einer schematischen, perspektivischen Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung jeweils mit unterschiedlichen Bezeichnungen versehen.

Wie Fig. 1 a und b zeigen, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei Systeme 2, 4 in Form von Feder-Masse-Schwingern, von denen das eine System 2 mit einer Bewegungsmaschine einer Arbeitsmaschine und das andere System 4 mit einer ein Cockpit zum Ansteuern der Bewegungsma schine aufweisenden Fahrerkabine der Arbeitsmaschine verbunden ist, wo bei die Arbeitsmaschine, die Bewegungsmaschine, die Fahrerkabine und das Cockpit in den Figuren nicht dargestellt sind. Das andere System 4 ist an seinem der Vorderseite der Arbeitsmaschine zugewandten Ende um eine Querachse Q verschwenkbar an zwei Anlenkstellen 6 an dem einen System 2 angelenkt und an seinem der Rückseite der Arbeitsmaschine zuge wandten Ende über zwei Dämpfungssysteme 8 in Form jeweils eines semi aktiven Feder-Dämpfer-Systems mit dem einen System 2 verbunden. Das jeweilige Feder-Dämpfer-System umfasst eine Feder 10 und einen in den Figuren nicht gezeigten Dämpfer. An dem anderen System 4 oder an der Fahrerkabine ist ein in den Figuren nicht dargestellter Drehratensensor zum Erfassen von Winkelgeschwindigkeitswerten angeordnet.

Fig. 1 a zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem objektbezogenen Koordinatensystem (body frame) x, y, z, dessen Ursprung im Schwerpunkt S des anderen Systems und der Fahrerkabine liegt.

Insbesondere bei Verfahrbewegungen der Bewegungsmaschine kann das andere System 4 Nickbewegungen um die Querachse Q durchführen. Der Drehratensensor erfasst dabei Werte der Winkelgeschwindigkeit—w ₁ w ₁ des anderen Systems 4 um die Querachse Q, bei der sich das der Rückseite der Arbeitsmaschine zugewandte Ende des anderen Systems 4 zu dem ei nen System 2 hinbewegt bzw. von dem einen System 2 wegbewegt und da bei insbesondere eine Vertikalbewegung in Richtung einer vertikalen Hoch achse z mit einer negativen—v _{zl l} bzw. positiven v _{zl l} absoluten Vertikal geschwindigkeit (Fig. 1 b) ausführt, die sich aus dem Produkt der durch den Drehratensensor erfassten Werte der Winkelgeschwindigkeit— w ₁ , w ₁ und einem Faktor in Form des minimalsten Abstandes L ₁ (Fig. 1 b) der Querach se Q zu einem Punkt P (Fig. 1 a) des anderen Systems 4, dessen absolute Vertikalgeschwindigkeit v _{zl l} ermittelt wird, ergibt. Dazu werden die durch den Drehratensensor erfassten Werte der Winkelgeschwindigkeit w ₁ mittels eines Hard- oder Software-implementierten Verstärkers um den Faktor ver stärkt. In Fig. 1 a ist der Punkt P des anderen Systems 4, dessen absolute Vertikalgeschwindigkeit v _{zl l} ermittelt wird, am äußersten, der Rückseite der Arbeitsmaschine zugewandten Ende der Arbeitsmaschine angeordnet.

Die derart ermittelte absolute Vertikalgeschwindigkeit v _{zl l} wird einer in den Figuren nicht dargestellten Steuer- und/oder Regeleinrichtung zuge führt, die die Dämpfungssysteme 8 zur Kompensation der Schwingungen des anderen Systems 4 mittels einer Regelungsstrategie nach dem Skyhook- Ansatz in Abhängigkeit der absoluten Vertikalgeschwindigkeit v _{zl l} ansteu ert und derart die Systeme voneinander Schwingungsentkoppelt. Bei einer nicht näher dargestellten Ausführungsform ist die jeweilige Anlenkstelle 6 aus einem Feder- und/oder Dämpfersystem gebildet, vergleichbar dem mit 8 in den Figuren bezeichneten System.