Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zugkraftbegrenzungseinrichtung für eine Arbeitsmaschine, eine Arbeitsmaschine mit solch einer Zugkraftbegrenzungseinrichtung und ein Verfahren zum Begrenzen der Zugkraft einer Arbeitsmaschine.

Stand der Technik

Arbeitsmaschinen, beispielsweise Grader, können ein Stufengetriebe aufweisen, welches bei steigendem Fahrtwiderstand herunterschaltet, um ein Abwürgen des Motors zu unterbinden. Herkömmliche Stufengetriebe weisen ein Zugkraftverhalten auf, bei dem ein Herunterschalten mit einer Erhöhung der Drehzahlübersetzung und einem Zugkraftanstieg einhergeht. Abhängig von beispielsweise der Bodenbeschaffenheit, kann beim Herunterschalten die Zugkraft so stark ansteigen, dass Räder der Arbeitsmaschine durchdrehen. Solch ein Durchdrehen von Rädern kann insbesondere bei Gradern dazu führen, dass ein bereits geebneter Abschnitt aufgrund der durchdrehenden Räder erneut bearbeitet werden muss. Die DE 10 2016 216 588 A1 beschreibt ein Zugsteuerungssystem, bei dem die Schleppkraft, welche auf eine Schar eines Graders wirkt, durch eine Vielzahl von Sensoren bestimmt wird. In Abhängigkeit der ermittelten Schleppkraft können verschiedene Aktionen eingeleitet werden, um Radschlupf zu vermeiden.

Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zugkraftbegrenzungseinrichtung für eine Arbeitsmaschine mit einem stufenlosen Getriebe. Die Arbeitsmaschine kann eine Baumaschine, eine Landmaschine, ein Flugzeugschlepper oder eine sonstige Arbeitsmaschine sein. Das stufenlose Getriebe ermöglicht ein stufenloses Einstellen einer Getriebeübersetzung. Unter Zugkraft wird die durch den Antriebsstrang an den Rädern der Arbeitsmaschine bereitgestellte Kraft verstanden. Die Zugkraft kann proportional zum Abtriebsmoment des stufenlosen Getriebes sein. Das Getriebe umfasst einen Variator, mit welchem die Drehmomentübersetzung des Getriebes unabhängig von der Drehzahlübersetzung eingestellt werden kann. Unter der Drehzahlübersetzung des Getriebes wird der Quotient aus Antriebsdrehzahl und Abtriebsdrehzahl verstanden. Unter Drehmomentübersetzung wird der Quotient aus Abtriebsmoment und Antriebsmoment verstanden. Durch den Variator ist eine Entkopplung der Drehzahlübersetzung von der Drehmomentübersetzung des Getriebes möglich. Der Variator kann ein hydraulischer und/oder ein elektrischer Variator sein.

Ferner umfasst die Zugkraftbegrenzungseinrichtung eine Zugkraftschnittstelle zum Bereitstellen von Informationen zur Ermittlung einer anliegenden Zugkraft der Arbeitsmaschine. Darüber hinaus weist die Zugkraftbegrenzungseinrichtung eine Grenzwertschnittstelle zum Bereitstellen eines Zugkraftgrenzwerts der Arbeitsmaschine auf. Der Zugkraftgrenzwert stellt eine Zugkraft der Arbeitsmaschine dar, welche in keinem Betriebspunkt der Arbeitsmaschine überschritten werden soll. Ferner weist die Zugkraftbegrenzungseinrichtung eine Steuerschnittstelle zum Ausgeben eines Steuersignals an den Variator des Getriebes auf. Über das Steuersignal ist der Variator steuerbar.

Bei den Schnittstellen kann es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung um eine Eingabe-/Ausgabeeinrichtung handeln, welche beispielswiese zum Senden und Empfangen von Datenströmen in paketierter oder unpaketierter Form ausgebildet sein kann. Die Schnittstellen können als separate Einrichtungen ausgebildet sein. Alternativ können einige oder alle der Schnittstellen der vorliegenden Erfindung auch über eine einzige Einrichtung, zum Beispiel einen Bus, verwirklicht werden.

Ferner umfasst die Zugkraftbegrenzungseinrichtung eine Rechnereinrichtung, die eingerichtet ist, um auf Basis der über die Zugkraftschnittstelle bereitgestellten Informationen die anliegende Zugkraft der Arbeitsmaschine zu ermitteln. Die Informationen können ein mit einem Abtriebsmomentsensor erfasstes Abtriebsmoment des Getriebes umfassen. Ebenso können die Informationen Daten umfassen, aus denen sich die Zugkraft durch die Rechnereinrichtung mittels eines Rechenmodells berechnen lässt. Unter einer Einrichtung der Rechnereinrichtung für eine bestimmte Funktion wird verstanden, dass die Rechnereinrichtung zur Ausführung der bestimmten Funktion spezifisch hergerichtet, also programmiert ist. Ferner ist die Rechnereinrichtung eingerichtet, um die ermittelte Zugkraft der Arbeitsmaschine mit dem über die Grenzwertschnittstelle bereitgestellten Zugkraftgrenzwert zu vergleichen. Auf Basis des Vergleichs steuert die Rechnereinrichtung den Variator des Getriebes über die Steuerschnittstelle so, dass die Zugkraft den Zugkraftgrenzwert nicht überschreitet.

Mit der Zugkraftbegrenzungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Zugkraft einer Arbeitsmaschine immer unterhalb eines Grenzwerts zu halten. Ein Durchdrehen der Räder der Arbeitsmaschine kann damit auf einfache und kosteneffiziente Weise verhindert werden. Insbesondere ist zur Verwendung der Zugkraftbegrenzungseinrichtung keine gesonderte Sensorik erforderlich. Stattdessen kann die Einrichtung mit bereits im stufenlosen Getriebe vorhandener Sensorik verwendet werden.

Hierdurch wird eine einfache Nachrüstbarkeit der Zugkraftbegrenzungseinrichtung ermöglicht.

Die Zugkraftbegrenzungseinrichtung kann eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Zugkraftgrenzwerts aufweisen, die mit der Grenzwertschnittstelle verbunden ist. Die Einstelleinrichtung kann im Führerhaus der Arbeitsmaschine vorgesehen sein. Somit ist es für einen Bediener der Arbeitsmaschine möglich, einen Grenzwert für die Zugkraft an die Umgebungsbedingungen, beispielsweise die Bodenbeschaffenheit, individuell anzupassen.

Die Rechnereinrichtung kann eingerichtet sein, um den Variator so zu steuern, dass die Drehzahlübersetzung des Getriebes erhöht wird ohne dabei das Abtriebsmoment des Getriebes zu verändern. Eine derartige Steuerung kann dann ausgeführt werden, wenn ein Herunterschalten des Getriebes erforderlich ist und die ermittelte Zugkraft dem Zugkraftgrenzwert entspricht. Ist ein Herunterschalten des Getriebes erforderlich, um beispielsweise ein Abwürgen des Motors zu unterbinden, kann damit ein Anstieg in der Zugkraft über einen Grenzwert und somit ein Schlupfen der Räder unterbunden werden.

Beim Hochschaltung des Getriebes kann die Rechnereinrichtung den Variator so steuern, dass die Drehzahlübersetzung erhöht, das Getriebeabtriebsmoment jedoch nicht verändert wird. Eine derartige Steuerung kann dann erfolgen, wenn die ermittelte Zug- kraft dem Zugkraftgrenzwert entspricht. Damit kann auch beim Hochschalten des Getriebes verhindert werden, dass ein Zugkraftgrenzwert überschritten wird.

Die Zugkraftkraftbegrenzungseinrichtung kann eine Anzeigeschnittstelle zum Ausgeben eines Anzeigesignals an eine Anzeigeeinrichtung aufweisen. Die Anzeigeeinrichtung kann ein Bildschirm sein, der im Führerhaus der Arbeitsmaschine vorgesehen sein kann. Die Rechnereinrichtung kann eingerichtet sein, um ein Anzeigesignal über die Anzeigeschnittstelle an die Anzeigeeinrichtung auszugeben. Das Anzeigesignal kann dann ausgegeben werden, wenn eine Änderung der Drehzahlübersetzung des Getriebes erfolgt ohne dabei das Abtriebsmoment des Getriebes zu verändern. Somit kann dem Bediener der Arbeitsmaschine angezeigt werden, dass die Zugkraftkraftbegrenzungseinrichtung aktiv ist und die Zugkraft begrenzt. Der Bediener kann daraufhin weitere Aktionen zur Zugkraftverringerung einleiten. Handelt es sich bei der Arbeitsmaschine beispielsweise um einen Grader, kann die Schar zur Verringerung der Schnitttiefe angehoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Schar angestellt werden, um den Materialabfluss zu beschleunigen.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein stufenloses Getriebe für eine Arbeitsmaschine. Das Getriebe weist eine Sensoreinrichtung zum Ermitteln des Abtriebsmoments des Getriebes auf. Die Sensoreinrichtung kann einen oder mehrere Sensoren aufweisen. Ferner umfasst das Getriebe einen Variator zum Einstellen einer Drehmomentübersetzung des Getriebes unabhängig von der Drehzahlübersetzung des Getriebes. Darüber hinaus umfasst das Getriebe eine Zugkraftkraftbegrenzungseinrichtung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei die Sensoreinrichtung mit der Zugkraftschnittstelle und die Steuerschnittstelle mit dem Variator verbunden sind. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale und deren Vorteile wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Die Sensoreinrichtung kann eine bereits bei Herstellung des Getriebes vorgesehene Einrichtung sein, die für die ordnungsgemäße Funktion des Getriebes erforderlich ist. Damit handelt es sich bei der Sensoreinrichtung nicht um ein Bauteil, welches spezifisch für die Zugkraftbegrenzungseinrichtung vorgesehen wurde. Somit ist es auf einfache und kosteneffiziente Weise möglich, Schlupf der Räder zu vermeiden, da bereits im Getriebe vorhandene Sensoren zur Steuerung der Zugkraftkraftbegrenzung verwendet werden können.

Der Variator kann ein hydraulischer Variator sein, der eine Hydraulikpumpe und einen Hydraulikmotor aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der Variator ein elektrischer Variator sein, der einen Generator und einen Elektromotor umfasst.

Bei dem stufenlosen Getriebe kann es sich um ein hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes Getriebe handeln, was geringen Treibstoffverbrauch ermöglicht. Hier sind auch andere Getriebe mit einem Variator denkbar.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Arbeitsmaschine mit einem stufenlosen Getriebe nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Die Arbeitsmaschine kann ein Grader oder eine sonstige Arbeitsmaschine sein. Die vorliegende Erfindung entfaltet vorteilhafte Wirkung bei einem Grader, weil hier ein Radschlupf zu erheblichen Mehraufwand in der Bearbeitung führen kann, wie eingangs geschildert.

Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Zugkraftbegrenzung einer Arbeitsmaschine, die ein stufenloses Getriebe mit einem Variator aufweist. Der Variator ermöglicht eine Einstellung der Drehmomentübersetzung des Getriebes unabhängig von der Drehzahlübersetzung des Getriebes. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Zugkraftgrenzwerts und das Ermitteln einer anliegenden Zugkraft der Arbeitsmaschine. Unter einer anliegenden Zugkraft wird die Zugkraft verstanden, die zum Untersuchungszeitpunkt an den Rädern der Arbeitsmaschine vorliegt. Ferner umfasst das Verfahren das Vergleichen der anliegenden Zugkraft mit dem Zugkraftgrenzwert und das Einstellen des Variators des stufenlosen Getriebes auf Basis des Vergleichs. Die Einstellung des Variators erfolgt derart, dass die Zugkraft der Arbeitsmaschine den Zugkraftgrenzwert nicht überschreitet. Hinsichtlich des Verständnisses der einzelnen Merkmale, deren Vorteile und möglichen Weiterbildungen des Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Zugkraftkraftbegrenzungseinrichtung und dem stufenlosen Getriebe verwiesen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Graders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt den Antriebsstrang des Graders aus Fig. 1 .

Fig. 3 zeigt den Zugkraftverlauf des Antriebsstrangs aus Fig. 2 in Abhängigkeit von der Gradergeschwindigkeit.

Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Zugkraftbegrenzung eines Graders gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform

Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Arbeitsmaschine 1 der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Arbeitsmaschine 1 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Grader.

Der Grader 1 weist einen Vorderabschnitt 2 und einen Hinterabschnitt 3 auf. Der Hinterabschnitt 3 umfasst einen Antriebsstrang 4 mit zwei Hinterachsen 5, 6, an denen jeweils zwei Räder 7a, 7b beziehungsweise 8a, 8b montiert sind. Darüber hinaus weist der Hinterabschnitt 3 ein Führerhaus 3a auf. Der Vorderabschnitt 2 umfasst einen länglichen Rahmen 9, der einen Achsenabschnitt 10, an dem eine Vorderachse mit daran montierten Vorderrädern 1 1 gelagert ist, mit dem Hinterabschnitt 3 verbindet.

Darüber hinaus umfasst der Grader 1 einen drehbar am Achsenabschnitt 10 gelagerten Zugbalken 12, der unterhalb des Rahmens 9 vorgesehen ist. Am Zugbalken 12 ist eine Schar 13 drehbar um eine Vertikalachse V des Graders 1 gelagert. Der Zugbalken 12 mit der daran angebrachter Schar 13 ist über einen Zugbalkenzylinder 14, der an dem Rahmen 9 gelagert ist, in Vertikalrichtung V des Graders 1 verstellbar. Darüber hinaus ist die Schar 13 mittels eines Drehzylinders 15 um die Vertikalachse V des Graders 1 rotierbar, um die Schar 13 schräg zur Fahrtrichtung m des Graders 1 anzustellen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, umfasst der Antriebsstrang 4 des Graders 1 eine Antriebsmaschine 16, die in dieser Ausführungsform als Dieselmotor ausgebildet ist. Die Antriebsmaschine 16 ist mit einem stufenlosen Getriebe 18 verbunden. Das Getriebe ist als sogenanntes Geared Neutral Getriebe ausgebildet, wodurch das Fahrzeug ohne Anfahrkupplung 17 nur durch Verstellen des Variators 19 aus dem Stillstand anfahren kann. Ist das stufenlose Getriebe nicht als Geared Neutral Getriebe ausgebildet, kann zusätzlich zum stufenlosen Getriebe eine Anfahrkupplung 17 vorhanden sein. In der Regel wird jedoch auf diese Anfahrkupplung 17 verzichtet und es wird ausschließlich mittels des stufenlosen Getriebes aus dem Stillstand angefahren. Das Getriebe ist in dieser Ausführungsform als ein hydrostatisch-mechanisch leistungsverzweigtes Getriebe ausgebildet. Das Getriebe 18 umfasst einen Variator 19, der durch eine Kombination aus Hydraulikpumpe und Hydraulikmotor verwirklicht wird. Das leistungsverzweigte Getriebe 18 ist mit den Hinterachsen 5, 6 verbunden, sodass über den Antriebsstrang 4 eine Antriebsleistung der Antriebsmaschine 16 an die Räder 7a, 7b und 8a, 8b übertragbar ist. Das leistungsverzweigte Getriebe 18 umfasst mindestens einen Drehzahlsensor 20 und mindestens einen im Variator 19 vorgesehenen Drucksensor 21 .

Darüber hinaus weist der Antriebsstrang 4 eine Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 auf. Die Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 umfasst eine Rechnereinrichtung 23, die in Form eines Mikroprozessors ausgebildet ist. Die Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 umfasst eine Zugkraftschnittstelle 24, mit welcher der Drehzahlsensor 20 und der Drucksensor 21 verbunden sind. Ebenso umfasst die Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 eine Grenzwertschnittstelle 25, die mit einer Einstelleinrichtung 26 verbunden ist. Die Einstelleinrichtung 26 ist in dieser Ausführungsform im Führerhaus 3a des Graders 1 vorgesehen und ermöglicht es einem Fahrzeugführer, einen Grenzwert für die Zugkraft des Antriebsstrangs 4 einzustellen. Darüber hinaus weist die Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 eine Steuerschnittstelle 27 auf, über welche der Variator 19 des leistungsverzweigten Getriebes 18 gesteuert werden kann.

Die Rechnereinrichtung 23 der Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 ist eingerichtet, um das im Folgenden in Verbindung mit Figs. 3 und 4 beschriebene Verfahren auszuführen. In einem ersten Schritt I wird über die Einstelleinrichtung 26 durch einen Bediener ein Zugkraftgrenzwert F _max eingestellt. In der in Fig. 3 gezeigten Abbildung beträgt der Grenzwert F _max 70% der maximal möglichen Zugkraft.

In einem Folgeschritt II werden mittels der Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 anhand der über die Zugkraftschnittstelle 24 bereitgestellten Drehzahl und des bereitgestellten Drucks, beispielsweise der Druck im Variator, über ein Rechenmodell das Abtriebsmoment des Getriebes 18 ermittelt. Über das Abtriebsmoment wird die an den Rädern 7a, 7b beziehungsweise 8a, 8b anliegende Zugkraft bestimmt.

Die ermittelte Zugkraft wird in einem Folgeschritt III mit dem Zugkraftgrenzwert F _max verglichen. Befindet sich die Zugkraft unterhalb des Grenzwerts, kehrt das Verfahren zurück zu Schritt II. Erreicht die ermittelte Zugkraft jedoch den Zugkraftgrenzwert F _max , wird der Variator 19 des Getriebes 18 durch die Rechnereinrichtung 23 über die Steuerschnittstelle 27 in einem Folgeschritt IV so gesteuert, dass der Zugkraftgrenzwert F _max nicht überschritten wird. Anschließend kehrt das Verfahren zurück zu Schritt II.

Befindet sich der Grader beispielsweise in einem in Fig. 3 gezeigten Fahrtzustand 1 mit einer Geschwindigkeit vi und einer Zugkraft Fi und steigt der Fahrtwiderstand, wird im Getriebe 18 die Übersetzung stufenlos verstellt, um ein Motorabwürgen zu unterbinden. Dadurch wird die Getriebeübersetzung erhöht, was zu einem Fahrtzustand 2 mit geringerer Geschwindigkeit v ₂ und größerer Zugkraft F ₂ führt. Ist eine weitere Erhöhung der Übersetzung erforderlich, erreicht der Grader einen Fahrtzustand 3 mit einer Zugkraft F _max und einer Geschwindigkeit V ₃ . Bei noch weiterem Erhöhen der Übersetzung durch Verstellen des Variators 19 des Getriebes 18 verringert sich die Geschwindigkeit des Graders 1 zu einer Geschwindigkeit v ₄ , wobei die Drehzahlübersetzungserhöhung nicht mit einem Anstieg in der Zugkraft F einhergeht. Stattdessen wird die Zugkraft durch entsprechende Steuerung des Variators 19 mittels der Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 auf den Grenzwert F _max beschränkt. Ist eine Verringerung der Drehzahlübersetzung des Getriebes 18 und dadurch eine Beschleudigung des Fahrzeugs erforderlich, erfolgt dies ebenfalls ohne Veränderung der Zugkraft F bis eine Geschwindigkeit v ₃ erreicht ist. Bei höherer Geschwindigkeit v geht das Verändern der Übersetzung und somit die Beschleunigung des Fahrzeugs wieder mit einer Verringerung der Zugkraft F einher. Damit wird durch die Zugkraftbegrenzungseinrichtung 22 erreicht, dass die Zugkraft in keinem Betriebspunkt des Getriebes 18 über den Grenzwert F _max steigt.

Bezuqszeichen

1 Grader

2 Vorderabschnitt

3 Hinterabschnitt

3a Führerhaus

4 Antriebsstrang

5, 6 Hinterachsen

7a, 7b, 8a, 8b Hinterräder

9 Rahmen

10 Achsenabschnitt

11 Vorderräder

12 Zugbalken

13 Schar

14 Zugbalkenzylinder

15 Drehzylinder

16 Antriebsmaschine

17 Anfahrkupplung

18 stufenloses Getriebe

19 Variator

20 Drehzahlsensor

21 Drucksensor

22 Zugkraftbegrenzungseinrichtung

23 Rechnereinrichtung

24 Zugkraftschnittstelle

25 Grenzwertschnittstelle

26 Einstelleinrichtung

27 Steuerschnittstelle

28 Anzeigeschnittstelle

29 Anzeigeeinrichtung

F max Zugkraftgrenzwert

I Bereitstellen Zugkraftgrenzwert II Ermitteln anliegende Zugkraft

III Vergleichen anliegende Zugkraft mit Zugkraftgrenzwert

IV Einstellen Variator