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Die
Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Anzeige- und/oder
Steuersystem für
Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise landwirtschaftliche Schlepper,
die mit einem Zapfwellenantrieb mit einer oder mehreren Zapfwellen
ausgestattet sind.
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Zapfwellen
werden auf z. B. landwirtschaftlichen Schleppern eingesetzt, um
einen Abtrieb und damit einen Antrieb für ein Arbeitsgerät zu schaffen,
welches auf dem Schlepper angeordnet oder von diesem in bekannter
Weise gezogen wird. Die Zapfwelle steht am hinteren Ende des Schleppers
vor. Oft gibt es auch Zapfwellen am vorderen Ende des Schleppers.
Die Zapfwellen sind mit einer Keilverzahnung am freien Ende ausgestattet,
damit auf diese Weise Drehmoment auf das angetriebene Arbeitsgerät übertragen
werden kann.
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Es
sind verschiedene Standardtypen von Zapfwellen im Einsatz, die sich
durch unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche Anzahlen
der Keilnuten unterscheiden. Die Arbeitsgeräte sind in der Regel so ausgebildet,
dass sie über
eine oder mehrere dieser Standardzapfwellen angetrieben werden können. Jeder
Typ von Zapfwelle ist für
spezielle Drehzahlen konstruiert.
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In
der Regel wird ein Schlepper mit einer dieser Standardzapfwellen
hergestellt und ausgeliefert. Diese Zapfwelle kann auch während der
gesamten Lebensdauer des Schleppers an diesem verbleiben. Es ist
jedoch häufig
auch notwendig, die spezielle Zapfwelle gegen einen anderen Zapfwellentyp
auszuwechseln, um die Anpassung an unterschiedliche Arbeitsgeräte zu erreichen.
Wenn eine Zapfwelle durch eine andere ausgetauscht wird, also wenn
unterschiedliche Arbeitsgeschwindigkeiten vorgesehen sind, wird
die neue Zapfwelle montiert und das Getriebe mit einem anderen Übersetzungs verhältnis entsprechend
der neuen Zapfwelle eingestellt. Bei gleicher optimaler Drehzahl
des Motors ergibt sich die Notwendigkeit unterschiedlicher Abtriebsdrehzahlen.
Es kann auch eine Steuereinrichtung in der Fahrerkabine vorgesehen
sein, um das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes so zu ändern,
dass die Abtriebsgeschwindigkeit bei reduzierter Drehzahl des Motors
in einer ökonomischen
Betriebsweise erreicht wird (z. B. beim Antrieb eines leichten Arbeitsgerätes).
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Die
Steuerung des Verhältnisses
zwischen dem Antrieb und dem Abtrieb ist ein generelles Problem bei
Zapfwellenabtrieben. Die Betätigung
eines Schalters an dem Motor des Schleppers/einer elektronischen Getriebesteuereinheit
führt zu
einem Durchtrieb, indem eine Kupplung automatisch eingerückt wird
und eine gegebene Übersetzung
entsteht. Wenn ein Arbeitsgerät
angesetzt ist, dessen angetriebene Teile eine große Masse
darstellen oder aus anderen Gründen
eine hohe Leistung für
die Bewegungsaufnahme erfordern, kann eine große Belastung an der Zapfwelle
entstehen. Bei Überlastung
besteht die Gefahr, dass die Keilverzahnung der Zapfwelle beschädigt wird.
Die maximale Belastung, die eine Zapfwelle verträgt, ist natürlich abhängig von der Art der Zapfwelle
und der normalen Einrückbewegung
der Kupplung. Dies muss so gestaltet werden, dass der schwächste Typ
einer Zapfwelle durch das größte Übersetzungsverhältnis nicht überlastet
wird. Dies hat dazu geführt,
dass robuster ausgelegte Typen von Schaftwellen beim Einsatz langsamer
betätigt
werden, als dies an sich notwendig wäre.
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In
der
US 4,722,234 ist
ein mechanisches System zum Anzeigen des Typs der an dem Fahrzeug
montierten Zapfwelle und zum Warnen des Fahrers vorgesehen, das
eine niedrige Geschwindigkeit des Abtriebes nicht zu dem Fahrzeug
passt.
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Die
US 5,549,185 beschreibt
ein elektronisches System zur Steuerung des Eingriffes der Kupplung
für den
Abtrieb.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, den oben beschriebenen Problemen
entgegenzuwirken und einen höheren
Grad an Automation und ein Bewusstsein für den Fahrer für den Abtrieb
bereitzustellen, wobei die Sicherheit und Einfachheit der Bedienung
verbessert sein soll.
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Erfindungsgemäß ist ein
elektronisches Anzeigesystem für
ein Fahrzeug mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind Mittel zum Erzeugen eines zweiten Signals vorgesehen, welches
kennzeichnend für
das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Antrieb und der Zapfwelle ist und dass die automatischen Einstellmittel
sowohl von den ersten wie auch den zweiten Signalen abhängig sind.
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Das
zweite Signal kann eine manuelle Eingabe umfassen. Es ist jedoch
vorzugsweise in Form eines Anzeigesystems nach einem ersten Aspekt
der Erfindung vorgesehen.
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Es
sind weiter vorzugsweise Mittel vorgesehen, um ein zweites Signal
zu erzeugen, welches kennzeichnend für das Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Antrieb und der Zapfwelle und den Mitteln zum Steuern des Grades
des Eingriffes der Kupplung ist, und zwar abhängig von ersten, zweiten und
dritten Signalen.
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Das
erste und zweite Signal kann durch ein einzelnes elektronisches
Signal gebildet werden, welches kennzeichnend sowohl für den Typ
der Zapfwelle wie auch das Übersetzungsverhältnis ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele
hervor, die sich auf die anliegenden Zeichnungen beziehen:
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1 ist eine schematische
Darstellung der prinzipiellen Komponenten des Systems nach der Erfindung;
und
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2 ist eine schematische
Darstellung eines Schleppers mit dem erfindungsgemäßen System.
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Gemäß den 1 und 2 weist ein landwirtschaftlicher Schlepper 1 einen
Motor 2 und ein Getriebe 3 auf. Am hinteren Ende
des Schleppers 1 befindet sich eine Zapfwelle 4,
die über
das Getriebe antreibbar ist. Das Getriebe 3 weist ein Getriebegehäuse 5 auf.
Die Zapfwelle 4 ist über
eine Kupplung 6 mit dem Motor 2 verbunden.
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Zwischen
der Kupplung und dem Getriebegehäuse 5 erstreckt
sich eine Eingangswelle 7. Auf der Eingangswelle 7 sitzt
ein Zahnrad 8, welches benachbart zu einem induktiven Sensor 9 angeordnet
ist. Der induktive Sensor 9 gibt ein gepulstes elektronisches
Signal ab, dessen Frequenz von dem Produkt der Drehgeschwindigkeit
der Eingangswelle 7 und der Anzahl der Zähne auf
dem Zahnrad 8 bestimmt wird. Diese Ausbildung ist für die elektronische
Erfassung der Umfangsgeschwindigkeit von Wellen relativ gut bekannt.
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Ein
weiteres Zahnrad 10 befindet sich auf der Zapfwelle 4.
Auch das Zahnrad 10 ist in Relation zu einem weiteren induktiven
Sensor 11 zum Erfassen der Geschwindigkeit vorgesehen.
Die Zapfwelle 4 ist direkt mit der Ausgangswelle 22 des
Getriebegehäuses
verbunden. Zu diesem Zweck sind flanschähnliche Elemente an die Enden
jeder Welle geschweißt
und miteinander verschraubt, so dass dort eine Verbindung 12 gebildet wird.
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Seitlich
am Getriebegehäuse 5,
und zwar am Schlepper von hinten her zugänglich, befindet sich ein Wählhebel 21 zur Änderung
der Getriebeübersetzung.
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Eine
Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 ist im Bereich der Fahrerkabine
vorgesehen und weist einen Bildschirm 20 und einen Steuerhebel 18 auf, über den
sich der Kraftabtrieb ein- und
ausschalten lässt.
Die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 weist auch einen
Schalter 19 auf, um zwischen einer Betriebsweise "normal" und einer Betriebsweise "ökonomisch" des Kraftabtriebes zu wählen. Der
Schalter könnte
auch in Form eines direkt betätigbaren
mechanischen Hebels vorgesehen sein. Die beiden Betriebsweisen bedeuten,
dass unterschiedliche Getriebestufen in dem Getriebegehäuse für den Kraftabtrieb
eingesetzt werden, und zwar entweder durch Nutzung der 2.000 Upm
des Motors oder einer niedrigeren Umdrehungsgeschwindigkeit von 1.550
Upm.
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Die
induktiven Sensoren 9 bzw. 11 sind mit der Steuer-
und Anzeigeeinrichtung 14 über elektronische Signalleitungen 16 und 17 verbunden.
Eine von der Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 ausgehende
Signalleitung 15 führt
zu einem Magnetventil 24, welches den Fluss eines Hydraulikmediums
aus einer Quelle 25 zu einem Hydraulikzylinder 13 zwecks
Betätigung
der Kupplung 6 steuert.
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Von
der Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 führt eine Signalleitung 23 in
das Getriebegehäuse.
Die Signalleitung dient zur Steuerung eines elektrohydraulischen
Systems für
das Wechseln der Übersetzungen. Ein
solches System ist bekannt, um zwischen "normaler" und "ökonomischer" Betriebsweise hin-
und herzuschalten.
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Die
Zapfwelle 4 ist auswechselbar. Für den Einsatz einer anderen
Zapfwelle ist es lediglich erforderlich, die Verbindung 12 zu
lösen und
die eingewechselte Zapfwelle wieder zu verschrauben. Unterschiedliche Typen
von Schaftwellen sind mit Zahnrädern 10 ausgestattet,
die unterschiedliche Zähnezahlen
besitzen. In der Praxis sind drei Typen von Schaftwellen vorgesehen,
die sich durch die Anzahl der Einkerbungen oder Keile am abtriebseitigen
Ende der Schaftwelle unterscheiden. Einer Zapfwelle mit einem Durchmesser
von 13/8'' ist ein Zahnrad mit 9 Zähnen zugeordnet;
eine Zapfwelle mit einem Durchmesser von 1¾'' weist
20 Keile auf und besitzt ein Zahnrad mit 11 Zähnen. Eine Schaftwelle mit
einem Durchmesser von 13/8'' und 21 Keilen besitzt ein Zahnrad mit
13 Zähnen.
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Es
gibt zwei Standardumdrehungsgeschwindigkeiten, nämlich 540 Upm und 1.000 Upm.
Jedes Arbeitsgerät,
welches über
einen Zapfwellenabtrieb antreibbar ist, wird so gestaltet, dass
es über
eine oder mehrere der oben beschriebenen Zapfwellen mit einer gegebenen
Umdrehungszahl antreibbar ist. In der Praxis werden Keilwellen mit
20 oder 21 Keilen nur bei Drehzahlen von 1.000 Upm eingesetzt. Zapfwellen
mit 6 Keilen werden normalerweise mit 540 Upm angetrieben, können allerdings
auch mit 1.000 Upm benutzt werden.
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Der
Wählhebel 21 auf
der Seite des Getriebegehäuses
dient dazu, an der Ausgangswelle 22 entweder 540 Upm oder
1.000 Upm einzustellen. Die Übersetzung
in dem Getriebe kann außerdem
von der Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 über den
Schalter 19 für "normale" bzw. "ökonomische" Betriebsweise geändert werden, so dass die Drehzahl
des Motors sich entsprechend einstellt, um die gewünschten
Ausgangsdrehzahlen an der Ausgangswelle 22 zu erreichen.
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Aus
der obigen Beschreibung ist erkennbar, dass es eine Anzahl Faktoren
gibt, die die Ausgangsgeschwindigkeit am Getriebe beeinflussen.
Bisher wurde die Ausgangsgeschwindigkeit des Getriebegehäuses nur
dadurch überwacht,
indem an der Eingangswelle 7 ein Zahnrad 8 in
Verbindung mit einem induktiven Sensor 9 eingesetzt wurden.
Normalerweise ist die Eingangswelle 7 entweder direkt mit
dem Ausgang des Motors verbunden oder in einem festen Verhältnis angetrieben,
so dass das erzeugte Signal repräsentativ
für die
Umdrehungen des Motors ist. Demzufolge muss sich der Fahrer darüber im Klaren
sein, in welcher Stellung der Wählhebel 21 steht.
Er muss den eingesetzten Typ der Zapfwelle beachten und er muss
weiterhin die "ökonomische" oder "normale" Betriebsweise, je
nach ihrer Einstellung, im Überblick
haben, um letztlich die Geschwindigkeit des Abtriebes über die
Zapfwelle abzuschätzen.
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Es
versteht sich, dass der Einsatz eines Zahnrades und eines induktiven
Sensors am Abtrieb die Möglichkeit
eröffnet,
dass die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 die Abtriebsgeschwindigkeit
direkt erfasst und dem Fahrer anzeigt. Bei dem vorliegenden System
rechnet jedoch die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 das Verhältnis des
Frequenzsignals des induktiven Sensors 9 der Eingangswelle
und die Frequenz des Signals von dem Sensor 11. Es versteht
sich, dass ein gepulstes Signal, welches repräsentativ für die Umdrehungen des Motors
ist, auch auf anderen bekannten Wegen erzeugt werden kann und dass
es dazu eingesetzt werden kann, um das Verhältnis auf gleiche Weise zu
bekommen. Der genaue Wert des Verhältnisses wird durch das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes zwischen der Eingangswelle 7 und der Ausgangswelle 22 beeinflusst, ebenso
durch die Art der eingesetzten Zapfwelle, weil jede der Arten der
Zapfwellen ein Zahnrad 10 mit unterschiedlicher Anzahl
von Zähnen
trägt.
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Weil
es eine begrenzte Anzahl von Werten der Zähnezahl des Zahnrades 10 und
des Übersetzungsverhältnisses
zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Getriebegehäuses 5 gibt,
ergibt sich notwendigerweise eine Anzahl einzelner Werte für das Verhältnis zwischen
den Frequenzen der Signale der induktiven Sensoren 9 und 11.
Jeder dieser einzigen Werte ist repräsentativ für den eingesetzten Zapfwellentyp
und ein Übersetzungsverhältnis im
Getriebe.
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Die
Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 weist einen Mikroprozessor
mit einer in einem Speicher abgelegten Tabelle auf, auf die sie
zurückgreifen
kann, um festzustellen, welcher Typ Zapfwelle montiert ist und welches
aktuelle Verhältnis
zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Getriebegehäuses besteht.
Damit kann die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 auch die
Umdrehungen rechnen und anzeigen, basierend auf den Umdrehungen
des Motors (die normalerweise mit den Umdrehungen der Eingangswelle 7 übereinstimmen
oder mindestens in einem festen Verhältnis dazu stehen). Die nachfolgend
wiedergegebene Tabelle veranschaulicht mögliche Werte des Verhältnisses
der Frequenzen der Signale der induktiven Sensoren 9 und 11 für unterschiedliche
Zapfwellentypen und Motorgeschwindigkeiten, etc.
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Die
Anzeige der Ausgangsgeschwindigkeit, zusammen mit einer Angabe,
ob die "ökonomische" oder "normale" Betriebsweise eingeschaltet
ist, die Angabe des Typs der Schaftwelle usw. auf dem Bildschirm 20 ist
eine besonders sinnvolle Angabe an sich. Die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 benutzt
diese Information jedoch auch, um Parameter für die Betätigung der Kupplung einzustellen.
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Die
einfachste Art, auf die die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 die
Parameter des Kraftabtriebes erfassen und anzeigen sowie zur Steuerung
der Kupplung 6 einsetzen kann, wird nachfolgend beschrieben. Wenn
die elektronische Anlage des Schleppers erstmals eingeschaltet wird,
besitzt die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 zunächst keine
Kenntnis der Abtriebsparameter. Wenn der Steuerhebel 18 zum
Schalten der Kupplung 6 betätigt wird, kann die Steuer-
und Anzeigeeinrichtung 14 dies standardmäßig erfassen
und leicht sicherstellen, dass an der Zapfwelle keine Beschädigung eintritt,
unabhängig
davon, welcher Zapfwellentyp eingesetzt ist und welches Übersetzungsverhältnis im
Getriebe vorliegt.
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Nach
einer sehr kurzen Zeitspanne, die notwendig ist, bis sich die Eingangswelle 27 und
die Ausgangswelle 22 in Drehbewegung versetzt hat, kann
die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 das Verhältnis der Frequenzen
der Sensoren 9 und 11 bilden und danach eine Information über den
eingesetzten Zapfwellentyp auf dem Bildschirm 20 anzeigen.
Dabei werden Steuerparameter für
die Kupplung 6 in Abhängigkeit
von dem Zapfwellentyp festgesetzt. Diese Parameter werden bei jeglicher
nachfolgender Betätigung
der Kupplung, also beim Einlegen und auch beim Lösen, so lange benutzt, bis
die Elektronikanlage des Schleppers nachfolgend abgeschaltet wird.
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Zusätzlich kann
die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 aus dem Verhältnis der
Signale der Sensoren 9 und 11 erkennen, welches Übersetzungsverhältnis an
dem Wählhebel 21 eingestellt
ist (z. B. ob der Abtrieb mit einer gewünschten Umdrehungszahl von
540 Upm oder einer gewünschten
Umdrehungszahl von 1.000 Upm arbeiten soll). Auch diese Information
kann auf dem Bildschirm 20 angezeigt werden. Sie wirkt
sich auch im Hinblick auf die Festlegung der Parameter für die Kupplung
aus. Diese Parameter werden in der Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 festgelegt,
nachdem die Kupplung erstmalig nach dem Einschalten der Elektronikanlage
des Schleppers eingerückt
wurde.
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Es
bietet sich auch folgende Alternative an. Wenn das System mit einem
elektronischen Sensor zum Erfassen der Stellung des Wählhebels 21 ausgestattet
ist, kann die Einheit ein Signal auf der Signalleitung 26 von
diesem Sensor zu dem Bildschirm entsprechend der gewünschten
Drehzahl von 540 Upm oder 1.000 Upm nutzen und diese Information
auch bei der Festlegung der Parameter für die Steuerung der Kupplung
in Betracht ziehen.
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In ähnlicher
Weise kann die Stellung des Schalters 19 für die "ökonomische" oder "normale" Betriebsweise von der Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 auf
dem Bildschirm 20 angezeigt und/oder berücksichtigt werden,
wenn die Steuerparameter für
die Kupplung 6 festgelegt werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
besteht die Möglichkeit,
das Verhältnis
der Frequenzen der Signale der Sensoren 9 und 11 jedes
Mal dann zu bestimmen, wenn die Kupplung 6 eingerückt wird.
Das Schleifen der Kupplung 6 wirkt sich auf das Verhältnis nicht
aus. Das Verhältnis
kann immer dann festgestellt werden, wenn sich die Eingangswelle 7 und
die Ausgangswelle 22 drehen. Bei dieser Ausführungsform
ist es nicht erforderlich, die Stellung des Wählhebels 21 oder des
Schalters 19 zu erfassen, da dies direkt aus dem Übersetzungsverhältnis abgeleitet
werden kann. Diese beiden Informationen zusammen mit der Information über den betreffenden
Typ der Zapfwelle werden von dem Verhältnis der Signale der Sensoren 9 und 11 abgeleitet.
Sie können
dann dazu benutzt werden, um die Steuerparameter für die Kupplung 6 festzulegen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Wert oder mehrere Werte, die für den Typ der eingesetzten
Zapfwelle repräsentativ
sind, manuell in die Steuer- und Anzeigeeinrichtung 14 eingegeben
werden. Hieraus können
die Steuerparameter für
die Kupplung automatisch abgeleitet werden. Optional ist eine Beeinflussung über elektronische
Signale, die repräsentativ
für die
Stellung des Wählhebels 21 und
des Schalters 19 sind, möglich.
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Bei
einer Ausführungsform,
bei der nur der Typ der Zapfwelle von der Zapfwelle selbst abgeleitet
wird, etwa im Gegensatz zur Erfassung des Typs der Zapfwelle und
seiner Umfangsgeschwindigkeit, können
viele Typen von Kennzeichnungen auf der Zapfwelle benutzt werden,
z. B. ein Barcode oder andere optisch erfassbare Indizien, eine
körperliche
Gestaltung der Zapfwelle, eine magnetisch gespeicherte Information
usw..
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Auch
in dem Fall, dass sowohl der Typ der Zapfwelle als auch die Drehgeschwindigkeit
erfasst werden, besteht die Möglichkeit,
dass viele weitere mögliche
Ausbildungen und Kennzeichnungen auf der Zapfwelle dazu benutzt
werden können,
ein oszillierendes oder gepulstes Signal zu erzeugen. Ein solches
Signal kann dann mit einem oszillierenden oder gepulsten Signal
kombiniert werden, welches repräsentativ
für die
Umdrehungen des Motors ist. Auf diese Weise kann ein Frequenzverhältnis gebildet
werden, welches aussagekräftig für den Typ
und die Geschwindigkeit der Zapfwelle und das Übersetzungsverhältnis im
Getriebegehäuse
ist.
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Schließlich gibt
es noch eine Ausführungsform,
bei der das Drehmoment der Zapfwelle erfasst und diese Information
kontinuierlich zur Steuerung der Kupplung mit einer Regelschleife
genutzt wird. Dies geschieht zusätzlich
zu der Benutzung der Information betreffend den Typ der Zapfwelle
und normalerweise auch zusätzlich
zu der Nutzung der Information über
das Übersetzungsverhältnis im
Getriebegehäuse.
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Die
direkte Erfassung des Drehmomentes des Abtriebes ist schwierig.
Das Drehmoment des Motors kann jedoch aus den so genannten Kennfelddaten
der Motorparameter für
entsprechende Umdrehungen, Ladedruck usw. abgeleitet werden. Das
Drehmoment des Abtriebes kann dann aus den gegebenen Drehmomentdaten
des Motors, dem Übersetzungsverhältnis im
Getriebegehäuse
und den Verlusten im Getriebegehäuse
usw. bestimmt werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann das Drehmoment der Zapfwelle kontinuierlich und nicht nur während der
Startphase angezeigt werden, um sicherzustellen, dass ein maximaler
Wert nicht überschritten
wird. Wenn dennoch ein Maximalwert überschritten wird, kann dies
dazu führen,
dass durch Schleifen der Kupplung eine Reduzierung des Drehmomentes
erfolgt oder ein Warnsignal ertönt,
etc..
