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Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Lenkung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die grundlegende Idee der elektrohydraulischen Lenkung (EHL) ist z. B. aus der
DE 10 2005 035 171 A1 ,
DE 10 2007 053 024 A1 und der
DE 10 2007 033 986 A1 bekannt. Diese Druckschriften zeigen eine Parallelschaltung eines bewährten und funktionssicheren hydrostatischen Lenkaggregats und eines hilfskraftbetätigten zusätzlichen Lenkventils. Das Lenkaggregat wird dabei manuell betätigt, während die Ansteuerung des Lenkventils durch eine elektrische oder elektronische Steuerung erfolgt. Das Lenkventil kann das Lenkaggregat unterstützen (Verstärkungsbetrieb) oder die Lenkung erfolgt nur über das Lenkventil.
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Im Vergleich zu Steer-by-Wire-Lenkungen (SbW) sollen elektrohydraulische Lenkungen eine höhere Funktionssicherheit bei praktisch gleichem Funktionsumfang und geringeren Kosten gewährleisten.
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Die elektrohydraulischen Lenkungen müssen eine hohe funktionale Sicherheit gewährleisten, besonders wenn sie für Arbeitmaschinen auch im Straßenbetrieb vorgesehen sind. Die Arbeitsmaschine muss für den Bediener auch im Fehlerfall kontrollierbar bleiben, obwohl die Lenkfunktion eingeschränkt sein kann. Dies gilt unabhängig von der Fehlerart. Die in
1 gezeigte Schaltung gemäß dem Stand der Technik, die der
DE 10 2007 033 986 A1 nahe kommt, erfüllt diese Anforderung nicht vollständig. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, die noch bestehenden Sicherheitslücken zu schließen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrohydraulische Lenkung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße elektrohydraulische Lenkung hat ein Lenkaggregat und ein zusätzliches Lenkventil, über die jeweils ein Volumenstrom zu einem gemeinsamen Lenkzylinder steuerbar ist. Dabei sind ein Ventil zu Regelung eines Druckes in einer Rücklaufleitung und ein Pilotventil zur Einstellung des Lenkventils vorgesehen. Das Pilotventil ist von einer On-Board-Elektronik insbesondere über einen elektrischen Aktor einstellbar, die mit einem am Lenkventil angeordneten Wegsensor verbunden ist. Eine derartige erfindungsgemäße elektrohydraulische Lenkung kann grundsätzlich in allen mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt werden. Besonders interessant sind dabei Traktoren im land- und forstwirtschaftlichen Bereich sowie im Lade- und Transportbereich. Aufgrund einer gewissen Ähnlichkeit beim Ladebetrieb kann die erfindungsgemäße elektrohydraulische Lenkung auch für die Anwendung in Radladern interessant sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben, wobei deren Vorteile mit Bezug zu den Figuren erläutert werden.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lenkung ist das Pilotventil ein proportional verstellbares 4/3-Wegeventil, über das ein Ventilschieber des Lenkventils einstellbar ist, wobei der Wegsensor mit dem Ventilschieber in Wirkverbindung steht.
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Bei einer ersten bevorzugten Variante ist das Ventil zur Regelung des Druckes in der Rücklaufleitung ein Ablauf-/Abschaltventil, das in einer Zulaufleitung und in der Rücklaufleitung angeordnet ist, und wobei die Zulaufleitung eine Pumpe mit dem Lenkventil verbindet, und wobei die Rücklaufleitung das Lenkventil mit einem Tank verbindet.
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Das Ablauf-/Abschaltventil kann ein proportional verstellbares 4/3-Wegeventil sein, wobei in einer durch eine vorzugsweise schwache Feder oder durch eine Federanordnung vorgespannten Grundstellung eines Ventilschiebers des Ablauf-/Abschaltventils die Zulaufleitung und die Rücklaufleitung abgesperrt sind.
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Bei der Ausführung mit der Federanordnung wird eine schwächere Feder und eine stärkere Feder bevorzugt, wobei die schwächere Feder eine Zulaufsteuerkante des Ablauf-/Abschaltventils mit Schließkraft beaufschlagt, und wobei beide Federn zusammen eine Rücklaufsteuerkante des Ablauf-/Abschaltventils mit Schließkraft beaufschlagen.
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Es wird ein Druckventil bevorzugt, das den Ventilschieber in Richtung seiner Grundstellung mit Schließkraft beaufschlagt, und das aus der Zulaufleitung oder aus einer Steuerdruckleitung versorgt ist.
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Zur Steuerung des Ablauf-/Abschaltventils insbesondere von einem EHL-Steuergerät wird ein Steuerventil, insbesondere ein 2/2-Schaltventil, oder ein Freigabeventil, insbesondere ein 3/2-Schaltventil, bevorzugt.
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In der Rücklaufleitung wird ein vom Lenkventil zum Ablauf-/Abschaltventil öffnendes Rückschlagventil und in einer eine Steuerdruckversorgung mit der Rücklaufleitung verbindenden Steuerleitung wird ein von der Steuerdruckversorgung zur Rücklaufleitung öffnendes vorgespanntes Rückschlagventil bevorzugt.
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Alternativ kann ein vorgespanntes Wechselventil eingesetzt werden, das einerseits an eine Steuerdruckversorgung und andererseits an der Rücklaufleitung angeschlossen ist.
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Bei einer zweiten bevorzugten Variante ist das Ventil zur Regelung des Druckes der Rücklaufleitung ein Ablaufregelventil, das ein in der Rücklaufleitung angeordnetes proportionales 2/2-Wegeventil ist, wobei die Rücklaufleitung das Lenkventil mit einem Tank verbindet.
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Dabei werden ein vergleichsweise kleines Steuerventil, insbesondere ein 2/2-Schaltventil, und ein Ablauffreigabeventil, insbesondere ein proportionales 2/2-Wegeventil bevorzugt. Über diese Ventile kann das Ablaufregelventil insbesondere vom EHL-Steuergerät gesteuert werden.
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Dabei kann ein Abschaltventil in der Rücklaufleitung und in der Zulaufleitung angeordnet sein, das vorzugsweise ein 4/2-Schaltventil ist, das in einer durch eine Feder vorgespannten Grundstellung die Zulaufleitung und die Rücklaufleitung absperrt.
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Bei einer ersten Weiterbildung ist das Abschaltventil von einem Vorsteuerventil, insbesondere von einem 2/2-Schaltventil, in Öffnungsrichtung des Abschaltventils beaufschlagbar.
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Bei einer zweiten Weiterbildung mit einer Steuerdruckversorgung, die ein an der Zulaufleitung angeschlossenes Druckminderventil hat, ist daran ein elektrischer Aktor vorgesehen, wobei das Lenkventil zusätzliche Steuerkanten für die Weiterleitung von Steuerdruckmittel zum Abschaltventil hat.
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Bei einer dritten Weiterbildung ebenfalls mit einer Steuerdruckversorgung, die ebenfalls ein an der Zulaufleitung angeschlossenes Druckminderventil hat, ist an dessen Ausgang ein Freigabeventil, insbesondere 2/2- oder 3/2-Schaltventil, angeschlossen.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung ist ein EHL-Steuergerät vorgesehen. Dieses hat elektrische Verbindungen zu einer übergeordneten Steuerung der Arbeitsmaschine und/oder zur On-Board-Elektronik und/oder zu einem an einem Lenkrad angeordneten Drehzahl-/Drehrichtungssensor und/oder zu einem am Lenkzylinder angeordneten Radeinschlagwinkelsensor.
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Um eine Auswahlmöglichkeit zwischen Reaction- und Non-Reaction-Lenkung zu haben, kann gemäß dem Stand der Technik (
DE 10 2008 023 034 A1 ) ein Umschaltventil, insbesondere ein 4/2-Schaltventil, eingesetzt werden, über das zwei von Arbeitsanschlüssen des Lenkaggregats zu seinem Hauptventil gerichtete Hilfspfade unterbrochen werden können.
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Alternativ wird ein Freigabeventil, Insbesondere 3/2-Schaltventil, bevorzugt, das mit einem Ausgangsdruck des Wechselventils verbunden ist, wobei ein Ausgangsdruck des Freigabeventils zur Einstellung des Ablauf-/Abschaltventils dient. Oder das Freigabeventil ist mit dem gemeinsamen Ausgang der beiden Rückschlagventile verbunden, die das Wechselventil ersetzen.
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Dabei kann der Ausgangsdruck des Freigabeventils über eine Dämpfungsblende gedrosselt werden, oder der Ausgangsdruck des Wechselventils und somit der Eingangsdruck des Freigabeventils wird über eine Dämpfungsblende gedrosselt.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer elektrohydraulischen Lenkung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit erforderlichem Funktionsumfang;
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3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Betätigung eines Abschaltventils;
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4 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit indirekter elektrischer Betätigung des Abschaltventils;
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5 ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Aktivierung einer Steuerdruckversorgung;
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6 ein Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Freigabe der Steuerdruckversorgung;
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7 ein Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Freigabe der Steuerdruckversorgung und Entsperrung des Abschaltventils;
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8 ein Schaltbild eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit indirekter elektrischer Freigabe eines kombinierten Ablauf-/Abschaltventils;
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9 ein Schaltbild eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit indirekter elektrischer Freigabe des kombinierten Ablauf-/Abschaltventils;
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10 ein Gesamtsystem-Schaltbild eines neunten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9;
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11 ein Schaltbild des neunten Ausführungsbeispiels einer elektrohydraulischen Lenkung mit Auswahlmöglichkeit zwischen Reaction- und Non-Reaction-Lenkung gemäß dem Stand der Technik;
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12 ein Schaltbild eines zehnten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9 mit modifiziertem Freigabeventil;
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13 ein Schaltbild eines elften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9 mit modifiziertem Freigabeventil;
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14 ein Schaltbild eines zwölften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9 mit modifiziertem Freigabeventil;
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15a das Ablauf-/Abschaltventil mit einer Federanordnung für eine erfindungsgemäße elektrohydraulische Lenkung;
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15b die Federanordnung für das Ablauf-/Abschaltventil gemäß 15a;
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16 ein Schaltbild eines dreizehnten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit einem elektrisch betätigten Druckventil; und
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17 ein Schaltbild eines vierzehnten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit einem elektrisch betätigten Druckventil.
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1 zeigt ein Schaltbild einer elektrohydraulischen Lenkung gemäß dem Stand der Technik. Ein Lenkaggregat 1 mit dynamischem Lastsignal (LD) wird von Fahrer bzw. Bediener der Arbeitsmaschine über ein Lenkrad 32 gelenkt. Der entsprechende Druckmittelvolumenstrom wird über die Anschlüsse LLAG und RLAG und über die Anschlüsse L und R zu einem Lenkzylinder 31 geführt, der in 10 gezeigt ist. Darüber hinaus verfügt die elektrohydraulische Lenkung über einen elektronischen Drehzahl-/Drehrichtungssensor 29 sowie zwei Entlastungssteuerkanten 30a, 30b für die Steuerdrücke eines elektrohydraulischen Lenkventils 5. Lenkt man mit dem Lenkaggregat 1 in die eine Richtung, wird der Steuerdruck des Lenkventils 5 für die entgegen gesetzte Lenkrichtung im Lenkaggregat 1 zum Tank entlastet. Hiermit wird eine Aktivierung des Lenkventils 5 in die falsche Richtung verhindert.
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Zwei Druckreduziereinheiten 4a, 4b werden von einer Steuerdruckversorgung 3 mit konstantem Steuerdruck versorgt und steuern das Lenkventil 5 an, welches ebenfalls die Bewegung des (in 1 nicht gezeigten) Lenkzylinders 31 steuert. Ein zentrales EHL-Steuergerät 28 der Arbeitsmaschine (vgl. 10) steuert die beiden Druckreduziereinheiten 4a, 4b an. In der Rücklaufleitung 41 stromabwärts des Lenkventils 5 befinden sich zwei parallel geschaltete Ventile 7, 8. Ein elektrisch betätigtes Ablaufschaltventil 8 wird bei einer rein elektrisch gesteuerten Lenkung, z. B. im Joystick- oder im automatischen Lenkbetrieb vom zentralen EHL-Steuergerät 28 aktiviert. Ein Ablaufregelventil 7 hält, wenn durch ein Ablauffreigabeventil 6 freigegeben, den Rücklaufdruck des Lenkventils 5 auf einem konstanten, konstruktiv festgelegten Niveau. Hiermit wird verhindert, dass in der Druck- bzw. Zuleitung zum Lenkzylinder 31 Unterdruck entsteht, und die daran gekoppelten Räder dadurch eine unkontrollierte Bewegung machen. Das Ablauffreigabeventil 6 wird hydraulisch angesteuert, sobald am Lenkrad 32 gelenkt und in die LD-Signalleitung ein Lastdruck gemeldet wird. Gleichzeitig schließt dieser Lastdruck das elektrische Ablaufschaltventil 8. Eine Rücklaufvorspannung des Lenkventils 5 erfolgt daher nur im Verstärkungsbetrieb, wenn das Lenkventil 5 das Lenken mit dem Lenkaggregat 1 unterstützt. Ein Drossel-Rückschlagventil 9 beeinflusst die Dynamik in der LD-Signalleitung zu einem Prioritätsventil 33 (vgl. 10) des Hydrauliksystems der Arbeitsmaschine. Das LD-Kopierventil 10 übernimmt die Wechselventil-Funktion für den dynamischen Lastdruck des Lenkaggregates 1 und den statischen Lastdruck des Lenkventils 5, in dem es den Volumenstrom in der LD-Signalleitung vom Prioritätsventil 33 zum Lenkaggregat 1 entsprechend androsselt. Ein Rückschlagventil 2 ist für die Aufrechterhaltung eines Notbetriebs erforderlich. Außerdem kann es eine schädliche Auswirkung der Druckmittel im Lenkzylinder 31 auf das Hydrauliksystem der Arbeitsmaschine verhindern, wenn Schockventile im Lenkaggregat 1 überfordert sind.
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2 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit erforderlichem Funktionsumfang ohne Betrachtung der funktionalen Sicherheit. Das Lenkaggregat 1 verfügt über keine Entlastungssteuerkanten und das Lenkventil 5 über keine Steuerkanten für die Weiterleitung der Steuerdrücke gemäß dem Stand der Technik (vgl. 1). Um den hohen Genauigkeitsanforderungen im automatischen Betrieb zu genügen, wird das Lenkventil 5 in einem Lageregelkreis betrieben, wozu zusätzlich ein Wegsensor 34 und eine On-Board-Elektronik 11 zum Einsatz kommen. Die On-Board-Elektronik 11 liest das Signal des Wegsensors 34 ein und steuert entsprechend dem Regelalgorithmus ein Pilotventil 4 an, welches als proportional verstellbares 4/3-Wegeventil ausgebildet ist und die beiden Druckreduziereinheiten 4a, 4b in der Schaltung gemäß dem Stand der Technik (vgl. 1) ersetzt. Anstelle des für den maximalen Volumenstrom ausgelegten elektrischen Ablaufschaltventils 8 wird ein kleines, elektrisch angesteuertes Steuerventil 12 eingesetzt. Damit ist die Rücklaufvorspannung des Lenkventils 5 in allen Betriebsarten (Verstärkungs-, Joystick- und automatischer Betrieb) aktiv. Dies erhöht den Lenkkomfort, spart Bauraum und Kosten, gleichzeitig aber steigen die hydraulischen Verluste im Joystick- und automatischen Betrieb. Diese Maßnahme wird bei den folgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung stets berücksichtigt. Eine Ausführung der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit separatem elektrischem Ablaufschaltventil 8 gemäß Stand der Technik (vgl. 1) bleibt allerdings immer möglich.
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Das Lenkaggregat 1 gilt als funktionssicher und empfiehlt sich als absolute Rückfallebene der elektrohydraulischen Lenkung. Im Fall eines gravierenden Fehlers soll der elektrohydraulische Lenkungsteil mit dem Lenkventil 5 sicher abgeschaltet und dem Bediener das gewohnte Lenken mit dem Lenkaggregat 1 weiterhin ermöglicht werden. Diese sichere Abschaltung erfordert eine zweikanalige Ausführung der hydraulischen Abschaltungskette, d. h. es muss unbedingt zwei Abschaltelemente in den Hauptvolumenstrompfaden (Zu- und Rücklaufleitung 41) des elektrohydraulischen Lenkungsteils geben. Ein Abschaltelement ist dabei immer das Lenkventil 5. Eine zweite Prämisse beim Entwurf der folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele ist das Verhindern der kritischen Betriebszustände infolge ziehender Lasten an den Rädern und damit am Lenkzylinder 31 (vgl. 10).
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3 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Betätigung eines Abschaltventils 13, das dem Lenkventil 5 vorgeschaltet ist, und das das zweite Abschaltelement bildet. Das Abschaltventil 13 ist als 4/2-Wegeventil ausgebildet und wird nicht mehr hydraulisch, sondern direkt elektrisch betätigt. Das zentrale EHL-Steuergerät 28 (vgl. 10) überwacht mit Hilfe eines Wegsensors 34 und zweier Stellungsschalter (alternativ Wegsensoren) die Funktion des Lenkventils 5, des Ablaufregelventils 7 und des Abschaltventils 13 und gibt das letztere nur frei, wenn die sicherheitsbezogenen Funktionsprüfungen plausible Ergebnisse liefern. Sobald eine der Komponenten fehlerhaft funktioniert, erfolgt die sichere Abschaltung des elektrohydraulischen Zweigs über die Deaktivierung des Lenkventils 5 und des Abschaltventils 13. Die übliche Lenkfunktion des Lenkaggregates 1 bleibt als Rückfallebene erhalten. Für die gezeigte Lösung ist ein vergleichsweise starker Magnet am Abschaltventil 13 erforderlich.
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4 zeigt ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit indirekter elektrischer Betätigung des Abschaltventils 13, wozu ein kleines Vorsteuerventil 14 zum Einsatz kommt. Die Funktionsweise und die Sicherheit ist dieselbe wie beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3.
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5 zeigt ein Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Aktivierung der Steuerdruckversorgung 3. Damit kann eine weitere Abschaltmöglichkeit in der Steuerdruckversorgung 3 realisiert werden, wenn das vorhandene Druckminderventil 3a gemäß 5 elektrisch aktiviert wird. Auf diese Weise erfolgt eine indirekte Abschaltung sowohl des Lenkventils 5 als auch des Abschaltventils 13, da in den Steuerleitungen des Pilotventils 4 kein Druck anliegt. Im Vergleich zu den vorigen beiden Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 verfügt das Lenkventil 5 über zusätzliche Steuerkanten für die Weiterleitung der Steuerdrücke zum Abschaltventil 13.
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6 zeigt ein Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Freigabe der Steuerdruckversorgung 3. Auf das elektrische Druckminderventil 3a in der Steuerdruckversorgung 3 kann verzichtet werden, wenn statt dessen gemäß 6 ein elektrisches Freigabeventil 15 zwischen der Steuerdruckversorgung 3 und dem Pilotventil 4 eingesetzt wird. Die Funktionsweise und die Sicherheit sind dieselben wie beim vorigen Ausführungsbeispiel gemäß 5.
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7 zeigt ein Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit direkter elektrischer Freigabe der Steuerdruckversorgung 3 und Entsperrung des Abschaltventils 13. Dazu ist ein elektrisches Freigabeventil 16 vorgesehen, das als 3/2-Wegeventil realisiert ist, und das gleichzeitig sowohl die Steuerdruckversorgung 3 freigeben als auch das Abschaltventil 13 entsperren kann. Hiermit wird die Abschaltung des Abschaltventils 13 im Fehlerfall doppelt abgesichert.
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Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 7 ist ein eigenständiges Abschaltventil 13 vorhanden, welches sowohl die Zu- als auch die Rücklaufleitung 41 des Lenkventils 5 unterbrechen kann. Dieses Ventil 13 muss entsprechend groß gestaltet sein, um die Druckverluste im elektrohydraulischen Lenkungskreis in akzeptablen Grenzen zu halten. Allerdings ist für die Arbeitsmaschinenhersteller ein möglichst kleiner notwendiger Einbauraum sehr wichtig. Daher ist eine Lösung mit vereinfachtem Aufbau wünschenswert. Die Abschaltmöglichkeit des elektrohydraulischen Lenkungskreises über das Lenkventil 5 ist unbedingt zu gewährleisten. Ein geringer Einbauraum ist durch eine Vereinfachung der Schaltung möglich, die in einer Zusammenfassung des Abschaltventils 13 und des Ablaufregelventil 7 aus 7 zu einem einzigen Ventil besteht.
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8 zeigt ein entsprechendes Schaltbild mit indirekter elektrischer Freigabe eines kombinierten Ablauf-/Abschaltventils 17. Bei regelndem Ablauf-/Abschaltventil 17 öffnet zunächst die Zulauf- und erst danach die Rücklaufsteuerkante. Hiermit ist eine Volumenstromverstärkung im Verstärkungsbetrieb auch im unteren Volumenstrombereich möglich, wenn der komplette Druckmittelrücklauf des Lenkzylinders 31 (vgl. 10) über das Lenkaggregat 1 erfolgt. In diesem Betriebszustand sowie bei inaktiver Lenkung wird die Rücklaufleitung 41 stromabwärts des Lenkventils 5 von der Steuerdruckversorgung 3 über ein vorgespanntes Rückschlagventil 18 unter Druck gehalten, um im Bedarfsfall ein sicheres Öffnen des Ablauf-/Abschaltventils 17 zu gewährleisten. Der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 18 muss mit der Steuerdruckversorgung 3 und dem Ablauf-/Abschaltventil 17 so abgestimmt sein, dass bei erfolgter Freigabe durch das elektrische Freigabeventil 12 die Zulaufsteuerkante des Ablauf-/Abschaltventils 17 öffnet, während die Rücklaufsteuerkante geschlossen bleibt. Hiermit werden Steuerdruckverluste über das Ablauf-/Abschaltventil 17 verhindert. Ein Rückschlagventil 19 verhindert die Entlastung der Steuerdruckversorgung 3 über das Lenkventil 5 und das Lenkaggregat 1 zum Tank.
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Das vorgespannte Rückschlagventil 18 ist für einen kleinen und das Rückschlagventil 19 für den maximalen Volumenstrom vorgesehen.
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9 zeigt ein Schaltbild eines achten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung mit indirekter elektrischer Freigabe des kombinierten Ablauf-/Abschaltventils 17 und mit einem vorgespannten Wechselventil 20. Dieses fasst die beiden Rückschlagventile 18 und 19 des siebten Ausführungsbeispiels gemäß 8 zusammen. Dabei können außerdem keine Steuerdruckverluste entstehen. Die Funktionsweise und die Sicherheit sind dieselben wie beim vorigen Ausführungsbeispiel.
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Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß 2 bis 9 haben praktisch die gleichen Merkmale der funktionalen Sicherheit für alle Betriebsarten und für alle Sicherheitsfunktionen. Um das Ziel einer sicheren Abschaltung in kritischen Fehlerfällen zu erfüllen müssen im gesamten elektrohydraulischen Lenkungs-System neben dem zentralen EHL-Steuergerät 28 noch der Drehzahl-/Drehrichtungssensor 29 am Lenkrad 32, ein elektrischer Sollwertgeber 35 (z. B. Joystick oder Minilenkrad), ein Radeinschlagwinkelsensor 36 und eine eventuell einzusetzende externe bzw. übergeordnete Steuerung 37 für die automatische Lenkung redundant realisiert sein. Diese Komponenten müssen entweder zweikanalig arbeiten oder doppelt ausgeführt sein.
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10 zeigt ein Gesamtsystem-Schaltbild eines neunten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9, welches allerdings genauso auch bei den anderen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß 2 bis 8 anwendbar ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die im letzten Absatz beschriebenen redundant auszuführenden Komponenten als Einzelkomponenten dargestellt, können aber wie erklärt auch als doppelt ausgeführte Komponenten realisiert werden.
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Die Lenkung einer mobilen Arbeitsmaschine wird gemäß dem Stand der Technik entweder als Reaction- oder als Non-Reaction-Lenkung realisiert. Bei einer Reaction-Lenkung wird der Einfluss der äußeren Kräfte von der Lenkachse auf das Lenkrad 32 übertragen. Dieser Effekt ist besonders bei Straßenfahrten erwünscht, um dem Fahrer ein Lenkgefühl wie bei einem PKW zu ermöglichen. Die Lenkung wird in diesem Fall selbstzentrierend ausgeführt, so dass bei losgelassenem Lenkrad 32 die äußeren Kräfte die Vorderräder 38 in die Geradeaus-Stellung zwingen, wobei das Lenkrad 32 mitgedreht wird. Dies wird erreicht über die Verbindung der beiden Kammern des Lenkzylinders 31 über das Lenkaggregat 1, wozu eine gesonderte Steuerkante erforderlich ist.
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Bei einer Non-Reaction-Lenkung besteht bei nicht betätigtem Lenkaggregat 1 keine Verbindung zwischen den beiden Kammern des Lenkzylinders 31, so dass die Vorderräder 38 hydraulisch blockiert sind, und somit sich auch das Lenkrad 32 nicht drehen kann. Dieser Effekt ist besonders bei Feldarbeiten erwünscht, um die erforderliche Korrekturarbeit am Lenkrad 32 zu reduzieren.
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11 zeigt ein Schaltbild einer elektrohydraulischen Lenkung mit Auswahlmöglichkeit zwischen Reaction- und Non-Reaction-Lenkung gemäß dem Stand der Technik. Eine gewollte Umschaltung zwischen den beiden Lenkungsarten Non-Reaction und Reaction ist mit Hilfe eines elektrisch betätigten Umschaltventils 21 möglich. Die Aufgabe der Umschaltung zwischen den beiden Lenkungsarten übernimmt vorzugsweise das zentrale EHL-Steuergerät 28 (vgl. 10) in Abhängigkeit von der Betriebsart (Verstärkungs-, Joystick- oder automatischer Betrieb) und dem Fahrzustand (Fahrgeschwindigkeit usw.). Da diese Wahl der Lenkungsart keine hohe sicherheitstechnische Wertung hat, kann sie auch dem Fahrer überlassen werden, womit eine sehr hohe Flexibilität der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Lenkung gewährleistet ist. Die gezeigte Lösung mit dem Umschaltventil 21 ist bei allen vorbeschriebenen und folgenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen anwendbar. Das Umschaltventil 21 kann entweder in einem eigenen Anbaublock am Lenkaggregat 1 untergebracht oder im Ventilblock integriert werden.
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Die folgenden 12 bis 17 zeigen kleine Abwandlungen des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9 (ohne Darstellung der Umschaltung zwischen Reaction und Non-Reaction).
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Im Fall eines kritischen Fehlers beim achten Ausführungsbeispiel gemäß 9 wird das Freigabeventil 12 deaktiviert und das Ablauf-/Abschaltventil 17 muss schnell schließen. Hierbei schiebt eine Feder den Ventilschieber und verdrängt das Druckmittel über eine Festblende zum Tank. Diese Blende ist erforderlich, um im normalen Verstärkungsbetrieb mit kleineren Volumenströmen die Druckverluste aus dem Steuerdruckkreis gering zu halten. Außerdem sorgt sie auch für genug Dämpfung und somit ein ruhiges Verhalten der Lenkung. Je kleiner diese Blende ist, umso länger dauert der Schließvorgang des Ablauf-/Abschaltventils 17 und umso kritischer kann die Auswirkung des kritischen Fehlers auf das Verhalten der Arbeitsmaschine sein.
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12 zeigt ein Schaltbild eines zehnten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrohydraulische Lenkung auf Grundlage des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9. Anstelle des als 2/2-Schaltventil ausgebildeten Umschaltventils 12 (vgl. 9) kommt ein als 3/2-Schaltventil ausgebildetes Freigabeventil 22 zum Einsatz. In nicht betätigtem Zustand verbindet es die Stirnseite des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17 direkt mit dem Tank und ermöglicht somit sein schnellstmögliches Schließen. Im Normalbetrieb ändert sich das Verhalten gegenüber dem achten Ausführungsbeispiel gemäß 9 nicht.
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Beim zehnten Ausführungsbeispiel gemäß 12 entstehen im normalen Verstärkungsbetrieb kleine Verluste aus dem Steuerdruckkreis. Diese Verluste können gemäß 13 durch einen anderen Einbauort der Dämpfungsblende 23 des Ablauf-/Abschaltventils 17 eliminiert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schließzeit des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17 vergleichbar mit derjenigen des achten Ausführungsbeispiels gemäß 9.
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Ein schneller Schließvorgang des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17 in Kombination mit Eliminierung der Verluste aus dem Steuerdruckkreis im normalen Verstärkungsbetrieb ist gemäß 14 durch Anordnung der Dämpfungsblende 24 vor dem Freigabeventil 22 möglich.
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Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 13 und 14 muss die Dämpfungsblende 23, 24 sorgfältig so ausgelegt werden, um gleichzeitig eine schnelle Öffnungsdynamik und eine ausreichende Dämpfung des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17 zu sichern.
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In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den 9, 10, 12, 13 und 14 kann das vorgespannte Wechselventil 20 durch zwei Rückschlagventile 18, 19 gemäß 8 ersetzt werden. Dabei wird die Vorspannung im Rückschlagventil 18 in der Abzweigung zum Steuerdruckkreis realisiert, während das Rückschlagventil 19 in der Abzweigung zur Rücklaufleitung 41 ohne Vorspannung arbeitet. Diese Lösung ermöglicht eine Wechselventilfunktion mit höheren Druckmittelströmen zum Ablauf-/Abschaltventil 17, was seine Dynamik begünstigt.
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Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Rücklaufleitung 41 stromabwärts des Lenkventils 5 auf einen konstanten Druckwert vorgespannt, welcher an der Feder des Ablauf-/Abschaltventils 17 eingestellt wird. Dieser Wert darf eine gewisse Grenze nach oben nicht überschreiten, da sonst im Standby-Zustand bei Joystick- bzw. bei Autolenkung der Ventilschieber des Ablauf-/Abschaltventils 17 nicht aufgestoßen werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn der Regeldruck der Steuerdruckversorgung 3 niedriger ist als der Öffnungsdruck des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17. Um dies zu verhindern müsste die Regeldruckdifferenz des Prioritätsventils 33 (vgl. 10) mit einer ausreichenden Reserve höher eingestellt werden als der Öffnungsdruck des Schiebers des Ablauf-/Abschaltventils 17.
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Eine ähnlich wirksame, einfache und energiesparende Lösung besteht gemäß den 15a und 15b im Einsatz einer Federanordnung 40 am Schieber des Ablauf-/Abschaltventils 17. Zum Öffnen der Zulaufsteuerkante muss nur die Kraft der schwächeren Feder der Federanordnung 40 überwunden werden, wozu der Standby-Druck des elektrohydraulischen Lenkungs-Systems ausreichend ist. Hiermit ist eine gezielte Volumenstromdosierung zum Lenkzylinder 31 (vgl. 10) immer möglich. Für die Öffnung der Rücklaufsteuerkante müssen beide Federn der Federanordnung 40 zusammengedrückt werden. Durch die Abstimmung der Vorspannwerte dieser beiden Federn sind unterschiedliche Vorspanndrücke der Rücklaufleitung 41 stromabwärts des Lenkventils 5 einstellbar.
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Ist ein veränderlicher Vorspanndruck der Rücklaufleitung 41 stromabwärts des Lenkventils 5 erwünscht, kann anstelle der Federanordnung 40 eine einzelne verhältnismäßig schwach vorgespannte Feder mit zusätzlicher hydraulischer Unterstützung von einem kleinen elektrisch betätigten Druckventil 27 zum Einsatz kommen. Die Versorgung dieses Druckventils 27 erfolgt entweder gemäß 16 aus der Druck- bzw. Zuleitung des Ventilblocks oder gemäß 17 aus dem Steuerdruckkreis. Die Vorspannung der Rücklaufleitung 41 kann in beiden Fällen flexibel und in Abhängigkeit von dem momentanen Fahrzustand der Arbeitsmaschine eingestellt werden. Dabei erlaubt die Lösung mit der Versorgung des Druckventils 27 aus der Druck- bzw. Zuleitung Vorspanndrücke bis hin zum maximalen Arbeitsdruck des elektrohydraulischen Lenkungs-Systems. Das Druckventil 27 kann als Vorsteuerstufe für die Abschaltung der elektrohydraulischen Lenkungs-Funktion eingesetzt werden und somit die funktionale Sicherheit der Schaltung eventuell noch erhöhen. Um die Verfügbarkeit des elektrohydraulischen Lenkungs-Systems nicht einzuschränken kann das Druckventil 27 so gestaltet sein, dass bei Stromausfall an seinem Ausgang der Nulldruck herrscht. Dies ist zulässig, da die Abschaltung des Ablauf-/Abschaltventils 17 nach wie vor durch das Freigabeventil 22 erfolgt.
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Offenbart ist eine elektrohydraulische Lenkung mit einem Lenkaggregat und mit einem zusätzlichen Lenkventil, über die jeweils ein Volumenstrom zu einem gemeinsamen Lenkzylinder steuerbar ist. Dabei sind ein Ventil zu Regelung eines Druckes in einer Rücklaufleitung und ein Pilotventil zur Einstellung des Lenkventils vorgesehen. Das Pilotventil ist von einer On-Board-Elektronik insbesondere über einen elektrischen Aktor einstellbar, die mit einem am Lenkventil angeordneten Wegsensor verbunden ist. Eine derartige erfindungsgemäße elektrohydraulische Lenkung kann grundsätzlich in allen mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005035171 A1 [0002]
- DE 102007053024 A1 [0002]
- DE 102007033986 A1 [0002, 0004]
- DE 102008023034 A1 [0023]
