DE2738328C3 - Vergleicher für den Regelkreis einer automatischen Lenkanlage - Google Patents

Description

In dem Sonderheft 17 (1973) von »Landbauforschung Voelkenrode - Wissenschaftliche Mitteilungen der Forschungsanstalt für Landwirtschaft« ist auf den Seiten 44 bis 47 ein Regelungssystem für die automatische Lenkung eines Fahrzeuges beschrieben, das elektrisch-hydraulisch arbeitet und einen Vergleicher aufweist, der die Differenz von zwei Größen bildet, nämlich einer von einem Leitlinienfühler abgegebenen Regelabweichung und einer aus der Lenkung des Fahrzeuges abgegriffenen Hilfsregelgröße. Die vom Vergleicher gebildete Differenzgröße wird dem Regler zugeführt. Die Vergleichsbildung wird im elektronischen Teil der Anlage, also rein elektrisch durchgeführt.

Ferner wird in der US-PS 3952828 die gleichzeitige Verwendung zweier Leitlinien zur Steuerung des Fahrzeuges beschrieben.
Aufgabe und Lösung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich demgegenüber auf einen Vergleicher, der in der automatischen Lenkanlage eines Fahrzeuges verwendbar ist und ohne Zuhilfenahme elektrischer Schaltungsteile die Differenz aus drei Größen bildet, von denen zwei von

jo Fühlern herrühren und die dritte eine aus der Lenkung des Fahrzeuges zurückgeführte Hilfsregelgröße ist. Die Erfindung hat besondere Bedeutung für hydrostatische automatische Lenkanlagen. Es entfällt dann neben der hydraulischen eine elektrische Stromquelle.

Wesentlicher ist aber, daß die Störanfälligkeit des elektrischen Systems, vor allem die Störanfälligkeit elektrischer Schalter beseitigt wird.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung für landwirtschaftliche Fahrzeuge, bei denen mittels zweier voneinander unabhängiger mechanischer Fühler entweder eine Leitlinie von beiden Seiten her abgetastet wird, oder bei denen das Fahrzeug zwischen zwei von innen her abzutastenden Leitlinien entlangbewegt wird. Der erstgenannte Fall tritt z. B. bei der Maisernte auf. Hierbei wird eine Reihe von Maisstengeln beiderseits von den Fühlern abgetastet.

Der zweitgenannte Fall tritt z. B. in Weinbergen auf, wo eine Maschine für die Bodenbearbeitung oder zum Spritzen der Weinreben zwischen zwei Rebenrei-

hen entlangbewegt werden muß.

Leitlinien dieser Art sind gelegentlich durch Fehlen von Pflanzen oder, im Weinberg, durch einen Querweg unterbrochen. Eine mit nur einem Fühler ausgestattete Lenkanlage würde dann zu einem scharfen Lenkeinschlag führen. Sind dagegen zwei Fühler vorhanden, die bei der Unterbrechung einer Leitlinie maximal weit ausschlagen, so wird die Lenkanlage hierdurch nicht beeinflußt, und das Fahrzeug läuft weiterhin geradeaus, ohne daß der Fahrer einzugreifen braucht.

Die Ausgänge zweier den Fühlern zugeordneter Geber werden vorzugsweise über hydraulische Leitungen mit dem Vergleicher verbunden. Bei einem Wechsel der Arbeitsmaschine ist es erforderlich, die hydraulischen Leitungen zu unterbrechen, was immer die Gefahr mit sich bringt, daß nach einem erneuten Anschluß Luft oder Fremdkörper in die automatische Lenkanlage gelangen.

Durch die Erfindung soll ein Vergleicher geschaffen werden, der ohne Verwendung elektrischer Bauteile arbeitet, hydraulische Steuersignale an den Regler abgibt, die Differenz aus drei Größen bildet, nämlich hydraulischen Eingangssignalen von den Fühlern zugeordneten Gebern und einer mechanischen Hilfsregelgröße aus der Lenkanlage, aber die hydraulischen Systeme an seinem Eingang und seinem Ausgang vollständig voneinander trennt, so daß Luft oder Verunreinigungen nicht aus dem einen in das andere System gelangen können.

Ein derartiger Vergleicher wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 geschaffen, auf dessen Wortlaut im folgenden Bezug genommen wird.

Die Trennung der hydraulischen Systeme wird durch die Druckflüssigkeitskammer und den darin gelagerten Waagebalken oder Differentialhebel erzielt. Die Kammer steht nur mit dem Regler in Verbindung, während auf den Waagebalken oder Differentialhebel nur mechanisch eingewirkt wird, nämlich unter Verwendung von Stößeln. Die zwei von den Gebern der Fühler kommenden hydraulischen Leitungen haben also nur über je einen Stößel eine Verbindung zu dem in der Kammer vorhandenen Waagebalken oder Differentialhebel, nicht aber eine direkte hydraulische Verbindung mit dem Kammerinhalt selbst.

Eine aus der Lenkanlage, z. B. von einem Lenkhebel abgegriffene Hilfregelgröße kann zweckmäßigerweise rein mechanisch durch ein den Lenkhebel mit einem Stößel verbindendes Gestänge zugeführt werden.

Weiterbildungen der Erfindung

Durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird erreicht, daß die Ansprechempfindlichkeit des Vergleichers für die aus der Lenkung abgegriffene Hilfsregelgröße, insbesondere den Lenkwinkel, in der Weise variierbar ist, daß in einem Bereich beiderseits der Zentralstellung die Empfindlichkeit groß, in daran anschließenden Bereichen kleiner ist.

Durch eine Weiterbildung gemäß Anspruch 3 wird erreicht, daß die Hilfsregelgröße in einem vergleichsweisen kleinen Mittelbereich das Ausgangssignal des Vergleichers voll beeinflußt, so daß an den Enden dieses Mittelbereichs bereits der volle Ausschlag des Stellmotors nach der einen oder anderen Seite erzielt wird, während eine weitere Vergrößerung des Gebersignals dann keinen Einfluß mehr hat.

Dadurch wird erreicht, daß die gelenkten Räder nur in dem beschränkten Bereich um die Mitte herum bewegt werden und ein Überschwingen auf größere Lenkeinschläge unterbleibt. Da die abzutastenden Leitlinien weitgehend gerade sind, sind nämlich zur Lenkung nur minimale Korrekturen von etwa 2 bis 5° erforderlich.

Erläuterung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert.

Fig. l-i?eigt schematiseh die Anordnung von zwei Fühlern, die eine einzige Leitlinie abtasten, sowie eines Lenkwinkelgebers und des Vergleichers an einem Fahrzeug;

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung von zwei Fühlern, die zwei Leitlinien abtasten;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild des Regelungssystems einer zugehörigen automatischen Lenkanlage;

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Vergleichers im Längsschnitt nach den Linien IV-IV in den Fig. 6 und 7;

Fig. 5 zeigt perspektivisch Weäle and Kurventeil des Vergleichers;

Fig. 6 ist ein Querschnitt nach Linie VI-VI in Fig. 4, also unterhalb des Waagebalkens;
Fig. 7 ist der Querschnitt nach Linie VII-VII in Fig. 4, also oberhalb des Waagebalkens;

Fig. 8 ist ein Axialschmtt durch eine andere Ausführungsform des Vergleichers;

Fig. 9 ist ein Querschnitt nach Linie IX-IX in ίο Fig. 8;

Fig. 10 ist ein Querschnitt nach Linie X-X in Fig. 8;

Fig. 11 zeigt perspektivisch den Differentialhebel des Vergleichers mit den auf ihn einwirkenden Bauteilen.

Leitlinien, Fühler und Regelungssystem
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Fahrzeuges, das mit zwei mechanischen Fühlern 1 und 2 eine einzelne Reihe von Stengeln, die die Leitlinie 3 bilden, abtastet. Beide Fühler sind voneinander völlig unabhängig. Bei der Abtastung wird der Fühler 1 um einen Winkel al ausgelenkt. Ein im zugeordneter Geber 4 gibt hierbei ein hydraulisches Ausgangssignal xl ab, das eine Funktion des Winkels al ist. Entsprechendes gilt für den Fühler 2, seinen Ausschlagwinkel al und seinen Geber 5 für ein hydraulisches Ausgangssignal x2. Die entscheidende Größe jedes dieser Ausgangssignale kann ein Flüssigkeitsdruck oder eine Volumenverschiebung einer Flüssigkeit sein. Beide Größen werden dem Vergleicher 6 zugeführt.

Von der automatischen Lenkanlage wird ein nicht dargestellter Stellmotor gesteuert, der auf einen Lenkhebel 8 einwirkt. Der Lenkhebel wird um einen Winkel β verstellt. Vom Lenkhebel 8 wird mechanisch auf den Vergleicher 6 eine Hilfsregelgröße xH übertragen, die eine Funktion des Lenkwinkels β ist. Im Blockschaltbild des Regelungssystems (Fig. 3) findet man wiederum die beiden Fühler 1 und 2, die durch Abtastung der Leitlinie 3, die hier die Führungsgröße darstellt, Ausgangssignale hervorbringen, die den Regelabweichungen xl und x2 entsprechen. Die Ausgangsgröße des Reglers 10, nämlich die Stellgröße Y wird über den nicht dargestellten Stellmotor der Regelstrecke 12, nämlich dem Fahrzeug zugeführt. Von diesem werden zwei Größen verwendet, nämlich die Regelgröße X, die auf die beiden Fühler 1 und 2 einwirkt, sowie der Lenkwinkel ß, dementsprechend von einem Rückmelder 14 die Hilfsregelgröße xH, die eine Funktion des Lenkwinkels β ist, dem so Vergleicher 6 zugeführt wird.

Der Vergleicher 6 bildet die Differenz aus seinen

drei Eingangsgrößen xl, x2 und xH und gibt eine Ausgangsgröße in Form eines Flüssigkeitsdruckes ab, die eine Funktion dieser Differenz ist.

F i g. 2 zeigt schematisch ein Fahrzeug, das zwische η zwei Leitlinien 16 und 17 entlangfährt. Die Leitlinien werdenz. B. durch Reihen von Weinreben dargestellt.

Die beiden Fühler 1 und 2 drücken hier von innen gegen die beiden Leitlinien 16 und 17. Während die Führungsgröße W bei der Anordnung nach Fig. 1

durch die eine Leitlinie 3 dargestellt wurde, wird sie hier durch die beiden Leitlinien 16 und 17 dargestellt, wie es in Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist. Im übrigen ist das Regelsystem nach Fig. 2 das gleiche wie nach Fig. 1.

Erste Ausführungsform des Vergleichers
Die Fig. 4 bis 7 zeigen einen Vergleicher, dem die Regelabweichungen xl und x2 in Form von Flüssig-

keitsdrücken zugeführt werden, dagegen die Hilfregelgröße xH in Form einer Drehbewegung. Ein Gehäuse 20 hat einen Fußteil 22 von quadratischem Querschnitt, der in einen zylindrischen Gehäuseteil

24 übergeht. Der zylindrische Gehäuseteil 24 beherbergt eine Kammer 2S₁ die durch einen etwa zylindrischen Block 26 und eine Ringdichtung 27 flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist. Im Fußteil 22 und in dem Block 26 ist mit zwei Kugellagern 28, 28' eine Welle 29 gelagert, die in nicht dargestellter Weise mit dem Rückmelder 14 in Gestalt eines Lenkwinkelgebers verbunden ist. Zum Beispiel wird die Welle 29 unmittelbar vom Lenkhebel des Fahrzeuges verdreht, während das Gehäuse 20 am Fahrzeugrahmen in der Nähe des Lenkhebels fest angebracht ist.

Am Boden des zylindrischen üehäuseteils 24 ist ein zylindrischer Klotz 31 untergebracht. Mit zwei achsparallelen Fortsätzen 33 (Fig. 6 und 7) ragt er in Ausnehmungen 35 im Fußteil 22 hinein und ist auf diese Weise drehfest angeordnet. An den Fortsätzen 33 ist mit Hilfe von Lagerstiften 37 ein Waagebalken 40 in Form einer im wesentlichen kreisrunden Platte schwenkbar um eine Achse gelagert, die rechtwinklig zur Achse der Welle 29 verläuft.

In den Fußteil 22 führen vom Boden der Kammer

25 her <:wei achsparallele Bohrungen 42.1 und 42.2 hinein, in die Stößel 43.1 und 43.2 verschiebbar eingesetzt sind. Die Bohrungen führen zu Anschlüssen 45.1 und 45.2. Hier werden die von den beiden Gebern 4 und 5 kommenden Flüssigkeitsleitungen angeschlossen, die die Regelabweichungen jrl und xl in Form von Flüssigkeitsdrücken übertragen. Die beiden Stößel drücken von unten gegen den Waagebalken 40 und hai en das Bestreben, ihn bei Druckänderungen zu verschwenken.

Im Fußteil 22 sind außerdem zwei Hubventile 47 und 47a untergebracht, deren Verschlußteile in Form von Ventilkugeln an der unteren Fläche des Waagebalkens 40 anliegen. Die Hubventile stehen mit Steueranschlüssen 49 und 49a in Verbindung.

Schließlich hat die Kammer 25 einen nach außen führenden Anschluß 50 zur Rückführung. Im Betrieb strömt Drucköl durch die Steueranschlüsse 49 und 49a und die Ventile in die Kammer 25 hinein und durch den Anschluß SO wieder hinaus. Durch eine Verschwenkung des Waagebalkens 40 ändern sich die Kräfte, die auf die Ventil-Verschlußteile der Hubventile 47 und 47a einwirken und dadurch die Drücke in den Steuerleitungen 52 und 52a die mit den Anschlüssen 49 und 49a verbunden sind und zum Eingang des Reglers 10 führen. Die an den Steuerleitungen 52 und 52« eingezeichneten Pfeile stellen die Richtung des Signalflusses dar, der der Strömungsrichtung hier entgegengerichtet ist. Die zwischen den Steuerleitungen 52 und 52a vorhandene Druckdifferenz soll die Differenz aus den Regelabweichungen xl und x2 und der Funktion des Lenkwinkels β darstellen.

Zur mechanischen Einführung der Funktion des Lenkwinkels β dient die Welle 29. Sie hat einen Kurventeil 54, gegen den zwei hohle Stößel 56 gedruckt werden, die in achsparallelen Bohrungen im zylindrischen Klotz 31 untergebracht sind. Sie stützen sich mit Schraubendruckfedern 59 in napfartigen Ausnehmungen 60 des Waagebalkens 40 ab. Der Kurventeil 54 hat einen erhabenen Abschnitt 62, einen demgegenüber vertieften Abschnitt 64 und zwei Übergangsabschnitte (Drehwinkelbereich 66) in Form von ebe nen Schrägflächen. Bei Zentralstellung des Lenkhebels liegen die beiden Stößel 56 an den Schrägflächen der Übergangsabschnitte an und berühren diese an Punkten des Drehwinkelbereiches 68. Während der Lenkhebel relativ geringfügige Auslenkungen um seine Zentralstellung ausführt, wandert der eine der Stößel 56 ein Stück gegen den vertieften Abschnitt 64, der andere ein Stück gegen den erhabenen Abschnitt 62. Über die Schraubendruckfedern 59 wird

ίο der Waagebalken 40 entsprechend beeinflußt. Die in den Steuerleitungen 52 und 52a auftretenden Druckdifferenzen stellen damit die Differenz der drei Eingangsgrößen xl, xl und f(ß) dar.

Bei größeren Ausschlägen des Lenkwinkels gerät

der eine Stößel auf den vertieften Abschnitt 64, der andere auf den erhabenen Abschnitt 62. Beide sind durch Ebenen begrenzt, die rechtwinklig zur Achse der Welle 29 verlaufen. Infolgedessen ändern sich die Lagen der Stößel bei einer weiteren Schwenkung der

Welle 29 nicht mehr, ebensowenig die von den Schraubendruckfedern 59 auf den Waagebalken 40 übertragenen Kräfte.

Zweite Ausführungsform des Vergleichers

Die Fig. 8 bis 11 zeigen eine andere Ausführungs-

form eines Vergleichers. Hier werden die Regelabweichungen xl und xl in Form von Volumenverschiebungen einer Druckflüssigkeit zugeführt. Die Hilfsregelgröße xH wird wiederum als Drehbewegung zugeführt, und die vom Vergleicher abzugebenden

Steuersignale werden als Druckänderungen in den Steuerleitungen 52 und 52a dargestellt.

Der Vergleicher hat einen Gehäuse klotz 80, in dem die Kammer 82 ausgespart ist. In die Kammer münden die Sleuerleitungen 52 und 52a mit als Kugelventil

ausgebildeten Hubventilen 84 und 84a. In der Kammer 82 ist ein Differentialhebel 86 in Form einer T-förmigen Platte so untergebracht, daß etwa die Mitte seines Steges 88 zwischen den Kugeln der beiden Hubventile 84 und 84a liegt. Auf die Enden des

Quersteges 90 des Differentialhebels wirken zwei Stößel 91 und 92 ein, die an zu den beiden Gebern 4, 5 führende hydraulische Druckleitungen angeschlossen sind und somit die Regelabweichungen ;cl und xl als Wege auf den Differentialhebel über-

tragen. An den den Stößeln gegenüberliegenden Seiten des Quersteges sind Schraubendruckfedern 94 vorgesehen, die sich am Gehäuseklotz 80 abstützen.

Zur Einführung der Hilfsregelgröße xH entspre-

chend dem Lenkwinkel dient wiederum eine Welle 96, die in einem Deckel 98 des Gehäuseklotzes gelagert ist und an ihrem unteren Ende einen Topf aufweist, dessen Innenwand als Kurventeil 100 gestaltet ist und auf einen Stößel 102 einwirkt. Der Stößel 102 wirkt auf das obere Ende des Steges 88 des Differentialhebels ein. Die andere Seite des Hebels ist wiederum durch eine Schraubendruckfeder 94 am Gehäuseklotz abgestützt.

Das Kurventeil 100 des Topfes hat eine Fläche 104 von großem Radius, eine Fläche 106 von kleinem Radius und Übergangsflächen (Drehwinkelbereich 108). Die Funktion von Topf 100 mit Kurve und Stößel 102 ist im Prinzip die gleiche wie die des Kurventeils 54 nach Fig. 5 mit den beiden zugehörigen Stößeln 56.

Auch hier werden Signaländerungen des kleinen Bereiches übertragen, der den Übergangsflächen (Drehwinkelbereich 108) entspricht, während beiderseits dieses Bereiches bei maximaler Auslenkung des ange-

steuerten Stellmotors keine Änderungen mehr auftreten.

Abwandlung

Beide Ausführungsbeispiele haben als Signalausgang zum Regler zwei Steuerleitungen 52 und 52a, durch die die Differenzsignale zum Regler übertragen werden. In jeder der Steuerleitungen 52 und 52a kön-

nen Drücke zwischen 0 und einem vorgesehenen Maximalwert übertragen werden. Statt dessen kann man jedoch mit einer einzigen Steuerleitung auskommen, wenn die Drücke um einen Mittelwert schwanken, der um einige bar oberhalb des Wertes Null liegt und bei den Druckschwankungen niemals der Wert Null erreicht oder unterschritten wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vergleicher für den Regelkreis der automatischen Lenkanlage eines Fahrzeuges, das mit zwei Fühlern ausgerüstet ist, die zwei zueinander parallele oder gemeinsam eine Leitlinie abtasten, wobei der Vergleicher als Eingangsgröße für den Regler die Differenz aus drei Größen bildet, nämlich den beiden Ausgangssignalen der Fühler, die Funktionen der Abstände von der oder den Leitlinien sind und einer aus der Lenkung des Fahrzeuges rückgeführten Hilfsregelgröße, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Vergleicher einen Waagebalken (40) oder Differentialhebel (86) hat, der in einer Druckflüssigkeitskammer (Kammes 25; 82) schwenkbar untergebracht ist und den Verschlußteil mindestens eines Hubventils (47; 84 usw.) einwirkt, das in mindestens einem durch die Kammer führenden Druckflüssigkeitsstrom den das Differenzsignal darstellenden Flüssigkeitsdruck steuert,

- daß auf den Waagebalken oder Differentialhebel zur Übertragung der von den Fühlern (1, 2) wahrgenommenen Regelabweichungen (xl, x2) und der aus der Lenkanlage rückgeführten Hilfsregelgröße (xH) Stößel (43.1, 43.2, 56; 91, 92, 102) einwirken,

- daß die zwei Stößel (43.1,43.2; 91, 92) über hydraulische Leitungen mit den Fühlern in Verbindung stehen und durch deren Ausgangsgrößen in Form von Drücken oder Volumenverschiebungen beeinflußbar sind und

- daß auf mindestens den einen weiteren Stößel (56; 102) ein Kurventeil (54; 100) einwirkt, der mit einem gelenkten Teil des Fahrzeuges in mechanischer Antriebsverbindung steht.

2. Vergleicher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Kurvenfläche des Kurventeiles (54; 100) in einem Bereich beiderseits der Zentralsteliung am größten ist und gegen die Enden abnimmt.

3. Vergleicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung in einem relativ kleinen Drehwinkelbereich (66, 68; 108) beiderseits der Zentralstellung im wesentlichen linar, in den anschließenden Bereichen gleich Null ist.

4. Vergleicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Waagebalken (40) eine in dem Gehäuse des Vergleichers schwenkbar gelagerte Platte ist, auf die unter dem Einfluß der Stößel (43.1, 43.2, 56) Kräfte zu Betätigung der Hubventile (47, 47a) einwirken.

5. Vergleicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialhebel (86) eine PIaUe ist, die etwa in ihrer Mitte zwischen den Verschlußteilen der Hubventile (84, 84a) fliegend gelagert ist und auf die die Stößel (91,92,102) Schwenkbewegungen zui Betätigung der Ventile übertragen.

6. Vergleicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialnebel (86) als T-förmige Platte ausgebildet ist, und daß die Stößel (91,92,102) auf die Enden des mittleren Steges (88) und des Quersteges (90) der T-förmigen Platte einwirken, während der mittlere Steg etwa in seiner Mitte zwischen den Ventilen liegt.