DE19713245A1 - Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel steuerbaren Teil - Google Patents

Description

Kraftfahrzeuge moderner Bauart weisen als Bedienelemente üblicherweise ein Lenkrad sowie diverse Pedale, so insbesondere Brems- und Gaspedal auf. Diese Bedienele­ mente sind durch ihre Kupplung mit den über sie angesteuerten Teilen auch geeignet, Rückmeldungen über die Stellage des jeweiligen Teiles bzw. den Fahrzustand des Fahrzeuges zu geben. Vor allem gilt dies für das Lenkrad, da es für die Lenkung kei­ nen inaktiven Zustand gibt und zwischen Lenkrad und Radstellung eine unmittelbare, spürbare Wechselbeziehung besteht.

Gerade das Lenkrad ist im Fahrzeug, so insbesondere bei Personenkraftwagen, aber häufig auch ein störendes Element, nicht nur wegen seines erheblichen Raumbedar­ fes, sondern auch wegen seiner handhabungsbedingt gegebenen Positionierung vor dem Fahrer als Bedienperson.

Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, auch für Kraftfahrzeuge eine Lenkung über Bedienhebel in Form sogenannter Side-sticks zu realisieren, quasi in Analogie zum Flugzeugbau. Die Bedienverhältnisse sind insoweit keineswegs unmittelbar vergleich­ bar, und zwar sowohl räumlich wie auch wegen der bei Fluggeräten hinsichtlich der Bedienung weit höheren Orientierung an Instrumenten. Zudem wird das Lenkrad in Kraftfahrzeugen oft genug auch als stützende Ablage für die Hände, als Ausstieghilfe oder dergleichen benutzt, was in Verbindung mit der Betätigung von Teilen über Be­ dienhebel jedenfalls dann besondere Schwierigkeiten bedingt, wenn keine zwangswei­ se Kopplung zwischen Bedienhebel und zu steuerndem Teil gegeben ist, die eine unmittelbare Zuordnung der jeweiligen Stellungen, wie sie bei mechanischen Verbin­ dungen des Lenkrades mit den Rädern gegeben ist, zur Folge hat und damit Rück­ schlüsse aus der Stellung des Bedienhebels auf die Stellung des zu steuernden Teiles möglich macht.

Die Erfindung betrifft Bedienhebelbetätigungen für Kraftfahrzeuge, insbesondere für die gelenkten Räder von Kraftfahrzeugen, bei denen eine solche zwangsweise Kopp­ lung des Bedienhebels mit dem zu steuernden Teil, und damit eine Zuordnung der Stellungen auf mechanischem oder hydraulischem Wege nicht gegeben ist, was bei­ spielsweise bei sogenannten Steer-by-wire-Lenkungen der Fall ist, also Lenkungen, bei denen die Steuerbefehle auf elektrischem Weg zwischen einem Bedienelement also einem Bedienhebel oder einem Lenkrad und dem entsprechenden, zu lenkenden Rad übertragen werden. In Bezug auf solche Bedienhebelbetätigungen, bei denen der Bedienhebel in seiner Bewegung quasi unabhängig vom jeweils zu steuernden Teil ist hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Rückkopplung sicherzustellen, bei der die Stellung des Bedienhebels zur Stellung des jeweils steuerbaren oder zu verstel­ lenden Teil korrespondiert, und zwar ungeachtet etwaiger auf den Bedienhebel ausge­ übter Kräfte, die mit der eigentlichen Bedienfunktion nichts zu tun haben.

Dies wird durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht, bei dem die Steuerbefehle über eine dem Bedienhebel zugehörige Sensorik erfaßt werden, die bezüglich der Be­ tätigung und/oder Anordnung so gelegt und/oder gestaltet ist, daß die zur Steuerung auf die Sensorik ausgeübten Kräfte gezielt angesetzt werden müssen und nicht, jeden­ falls im Regelfall, durch Kräfte bedingt sein können, die aus anderen Gründen auf den Bedienhebel ausgeübt werden, sei es zur Abstützung oder zu sonstigen Zwecken. Dementsprechend ist der Bedienhebel nur im Wege der Rückkopplung aus seiner Grundstellung und in Anpassung an die Lage des jeweils angesteuerten Teiles ver­ stellbar, wobei der diese Verstellung bewirkende Stellmotor über ein Getriebe mit dem Bedienhebel verbunden ist, das nicht nur die notwendige, feinstufige und in Anbetracht des geringen Verstellweges eines Bedienhebels auch feinfühlige Verstellung sicher­ stellt, sondern auch ein ausreichend großes Haltemoment gewährleistet, um in Verbin­ dung mit der Haltekraft des Motores Bewegungen des Bedienhebels in Folge von nicht durch die Rückkopplung bedingten Kräften auszuschließen. Als ein hierfür geeignetes und erfindungsgemäß einzusetzendes Getriebe ist ein Getriebe, insbesondere ein Harmonic-Drive-Getriebe vorgesehen, das entsprechend hohe Übersetzungsverhält­ nisse ermöglicht und in Verbindung damit in Gegenrichtung auch entsprechend hohe Haltemomente, bei Antrieb durch einen handelsüblichen, kleinbauenden und schnellau­ fenden Elektromotor mit vergleichsweise geringer Antriebsleistung.

Eine Bedieneinheit dieses Aufbaus zeichnet sich zudem durch sehr geringen Raumbe­ darf aus, wie dies bei den beengten Platzverhältnissen in Kraftfahrzeugen von wesent­ licher Bedeutung ist, und sie bildet zweckmäßigerweise auch eine Montageeinheit, bei der ein dem Stellmotor in Rückkopplung zu einem dem verstellbaren Teil zugeordneten Stellungsgeber ansteuerndes Steuergerät und gegebenenfalls eine zusätzliche Bremse koaxial angeordnet werden können.

Eine solche Bedieneinheit ist insbesondere bei den sogenannten, bereits angespro­ chenen Steer-by-wire-Lenkungen in Kraftfahrzeugen vorteilhaft, zumal für den Ge­ samtaufbau auf handelsübliche Elemente zurückgegriffen werden kann, die eine hohe Bediensicherheit gewährleisten, und die wegen des erreichten, kleinen Bauvolumens gegebenenfalls auch redundant eingesetzt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine schematisierte Gesamtdarstellung eines Bedienhebels in Form eines Side-sticks mit Stelleinrichtung, und

Fig. 2 ein in der Stelleinrichtung verwendetes und ausgangsseitig mit dem Side­ stick verkoppeltes Getriebe.

In der schematisierten Gesamtdarstellung gemäß Fig. 1 ist eine insgesamt mit 1 be­ zeichnete Stelleinrichtung gezeigt, über die der Bedienhebel 2 in Form eines Side­ sticks in Rückkopplung auf ein verstellbares, hier nicht gezeigtes Teil, zum Beispiel die Räder einer lenkbaren Achse eines Kraftfahrzeuges, entsprechend der Einstellage die­ ser Räder aus einer Grund- oder Normalstellung, die bei lenkbaren Rädern der Gera­ deausfahrtrichtung entsprechen würde, verstellt wird, so daß die jeweilige Bedienper­ son über die Lage des Side-stick 2 quasi die Einstellage der Räder, also den Radein­ schlag erfassen kann. Die Steuerbefehle für das jeweils einzustellende Teil, im Falle von lenkbaren Rädern als einstellbarem Teil also die Steuerbefehle für den jeweiligen Lenkeinschlag, werden dabei bevorzugt bedienhebelseitig kraftabhängig und senso­ risch erfaßt über einen am Bedienhebel 2 vorgesehenen Steuerschieber 3 gegeben, und in nicht weiter dargestellter Weise als Lenkbefehle einer den Rädern zugeordne­ ten Stellvorrichtung zugeleitet, über die die Räder entsprechend eingeschlagen wer­ den. Der jeweilige Einschlagwinkel wird wiederum erfaßt, und die entsprechenden Si­ gnale werden einem Sollwertgeber zugeleitet, der hier mit 4 bezeichnet ist und der als Inkrementalgeber oder bevorzugt als Resolver ausgebildet ist. Über diesen Sollwertge­ ber 4 als Steuermittel wird der Stellmotor 5 angesteuert, von dem über ein Getriebe 6 der als Side-stick ausgebildete Bedienhebel 2 entsprechend der Einstellage des jewei­ ligen Rades in Rückkopplung zu dieser verstellt wird.

Um zu einer kleinbauenden Stelleinrichtung zu kommen, findet als Stellmotor 5 bevor­ zugt ein Elektromotor Verwendung, der relativ hoch dreht, worunter hier insbesondere Drehzahlen im Bereich von mehr als 1500 U/min verstanden werden.

Entsprechend der hohen Motordrehzahl muß das Getriebe 6 ein großes Unterset­ zungsverhältnis aufweisen, worunter hier ein Untersetzungsverhältnis von mindestens 50 : 1 verstanden wird. Über die Ausgangswelle des Getriebes wird der Bedienhebel 2 verstellt, wobei die Ausgangswelle des Getriebes gleichzeitig die Tragachse für den Bedienhebel 2 bilden kann.

Da auf den Bedienhebel 2 insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen auch Kräfte ausgeübt werden oder werden können, die nicht der Auslösung von Steuerbe­ fehlen dienen und da über solche Kräfte auch die über die Rückkopplung zum jeweils einzustellenden Teil, also beispielsweise zu den Rädern eingestellte Lage des Bedien­ hebels nicht verändert werden können soll, müssen über das Getriebe 6 und die Halte­ kraft des Motores 5 verhältnismäßig große Haltemomente aufgebracht werden. Dieses ist bei entsprechender Auslegung und Wahl des Getriebes 6 und des Stellmotores 5 in weiten Grenzen möglich. Um darüber hinausgehende Extrembelastungen, zum Beispiel durch unbeabsichtigte Abstützung auf dem Bedienhebel 2 im Falle einer Notbremsung bei Kraftfahrzeugen, absichern zu können, ist im Rahmen der Erfindung zusätzlich eine Bremse 7 vorgesehen, die direkt oder über die Getriebeabtriebswelle mit dem Bedien­ hebel 2 zusammenwirkt. Die ortsfeste Bremse 7 kann dabei dem Getriebe 6 in Bezug auf den Bedienhebel 2 gegenüberliegend angeordnet werden oder aber, was hier nicht gezeigt ist, auch zwischen Getriebe 6 und Stellmotor 5 eingebaut sein.

Bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung sind der Sollwertgeber 4, der Stellmotor 5 das Getriebe 6, der Bedienhebel 2 und die Bremse 7 koaxial angeordnet und bilden eine kleinbauende Einheit, die aus weitgehend handelsüblichen Bauelementen zu­ sammengesetzt werden kann. Die kleine Baugröße der dem Bedienhebel 2 zugeordne­ ten Elemente der Stelleinrichtung 1 ermöglicht es dabei auch, diese gegebenenfalls redundant anzuordnen, in der einfachsten Form durch spiegelbildliche Anordnung zum Bedienhebel 2, so daß ein sehr hoher Sicherheitsgrad erreicht werden kann, wobei die vorgeschilderte Redundanz auch dahingehend ausgenutzt werden kann, die dem Be­ dienhebel 2 in Redundanz zugeordneten Stellelemente so auszulegen, daß sie im Re­ gelfall gemeinsam arbeiten und bei Ausfall der einen Einheit die andere Einheit eine Notfunktion bei entsprechend vermindertem Leistungsvermögen übernimmt.

Als Getriebe 6, die besonders klein bauen und sehr hohe Untersetzungsverhältnisse ermöglichen, und die damit für den erfindungsgemäßen Einsatzzweck im besonderen Maße geeignet sind, kommen Harmonic-Drive-Getriebe insbesondere in Betracht, es sind aber auch Cyclo-Getriebe einsetzbar.

Fig. 2 veranschaulicht sehr schematisiert einen Querschnitt durch ein Harmonic- Drive-Getriebe, wobei dieses insgesamt wieder mit 6 bezeichnete Getriebe eine Ein­ gangswelle 8 aufweist, über die eine elliptische Exzenterscheibe 9 angetrieben wird. Auf dieser ist über ein Lager 10 drehbar eine elastische, außenverzahnte Buchse 11 abgestützt, wobei die Abstützung im Bereich der langen Ellipsenachse erfolgt und wo­ bei diese lange Ellipsenachse derart bemessen ist, daß die außenverzahnte, elasti­ sche Buchse 11 im jeweiligen Abstützbereich mit der Innenverzahnung von Hohlrädern 12,13 in Eingriff steht. Hierbei ist die Zähnezahl der außenverzahnten, elastischen Buchse 11 kleiner als die Zähnezahl der Hohlräder 12, 13. Bei n-Zähnen der elasti­ schen Buchse 11 weisen die Hohlräder 12, 13 n+2-Zähne auf. Von den Hohlrädern ist das Hohlrad 12 gehäusefest, also nicht drehbar, während das abtriebsseitig dane­ ben liegende Hohlrad 13 im Gehäuse drehbar gelagert ist und mit der Abtriebswelle verbunden ist. Die Abtriebswelle ist mit 14 bezeichnet.

Claims (12)

1. Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel (2) in Form eines sogenannten Side-stick-steuerbaren Teil, bei dem die Steuerbefehle bedien­ hebelseitig kraftabhängig und sensorisch erfaßt eingebbar sind und der Bedienhe­ bel (2) in Rückkopplung zu dem über den Steuerbefehl angesprochenen und ent­ sprechend dem Steuerbefehl verstellbaren Teil in einer zur jeweiligen Einstellage desselben korrespondierenden Stellung über Steuermittel (Sollwertgeber 4) ange­ steuert dadurch einstellbar ist, daß ein entsprechend der Einstellage des Teiles über die Steuermittel angesteuerter Stellmotor (5) den Bedienhebel (2) über ein Verstellgetriebe (6) antreibt, das als planetenartiges Getriebe mit großer Überset­ zung, insbesondere in Form eines Harmonic-Drive-Getriebes ausgebildet ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des Stellmotores (5) entsprechend der Einstellung des verstellbaren Teiles vorgesehene Steuermittel durch einen Sollwertgeber (4) gebildet sind.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (4) als Inkrementalgeber ausge­ bildet ist.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (4) als Resolver ausgebildet ist.

5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Getriebe (6), Stellmotor (5) und Sollwertgeber (4) achsgleich angeordnet sind.

6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitig mit dem Stellmotor (5) verbunde­ ne Getriebe (6) ausgangsseitig mit dem Bedienhebel (2) verbunden ist.

7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedienhebel (2) auf der Ausgangswelle des Ge­ triebes (6) angeordnet ist.

8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß achsgleich zum Getriebe (6) eine Bremse (7) ange­ ordnet ist.

9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (7) zwischen Getriebe und Stellmotor angeordnet ist.

10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (7) auf der dem Getriebe (6) gegenüber­ liegenen Seite des Bedienhebels (2) angeordnet ist.

11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (6) in bekannter Weise eine mit der Eingangswelle (8) verbundene elliptische Exzenterscheibe (9), eine darauf im Be­ reich der langen Achse der Exzenterscheibe (9) über Lager (10) drehbar abgestütz­ te elastische, außen verzahnte Buchse (11) sowie innen verzahnte Hohlräder (12, 13) aufweist, deren eines gehäusefest ist und deren anderes den Abtrieb bildet.

12. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbares Teil die lenkbaren Räder zumindest einer Achse eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind.