DE19713245C2 - Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren Teil - Google Patents
Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren TeilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem ü
ber wenigstens einen Bedienhebel in Form eines sogenannten Si
de-stick steuerbaren Teil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Kraftfahrzeuge moderner Bauart weisen als Bedienelemente übli
cherweise ein Lenkrad sowie diverse Pedale, so insbesondere
Brems- und Gaspedal auf. Diese Bedienelemente sind durch ihre
Kopplung mit den über sie angesteuerten Teilen auch geeignet,
Rückmeldungen über die Stelllage des jeweiligen Teiles bzw. den
Fahrzustand des Fahrzeuges zu geben. Vor allem gilt dies für
das Lenkrad, da es für die Lenkung keinen inaktiven Zustand
gibt und zwischen Lenkrad und Radstellung eine unmittelbare,
spürbare Wechselbeziehung besteht.
Gerade das Lenkrad ist im Fahrzeug, so insbesondere bei Perso
nenkraftwagen, aber häufig auch ein störendes Element, nicht
nur wegen seines erheblichen Raumbedarfes, sondern auch wegen
seiner handhabungsbedingt gegebenen Positionierung vor dem Fah
rer als Bedienperson.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, auch für Kraftfahr
zeuge eine Lenkung über Bedienhebel in Form sogenannter Side
sticks zu realisieren, quasi in Analogie zum Flugzeugbau. Die
Bedienverhältnisse sind aber keineswegs unmittelbar vergleich
bar, und zwar sowohl räumlich wie auch wegen der bei Fluggerä
ten hinsichtlich der Bedienung weit höheren Orientierung an In
strumenten. 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 Bedienhebel jedenfalls dann besondere Schwierigkei
ten bedingt, wenn keine zwangsweise Kopplung zwischen Bedienhe
bel und zu steuerndem Teil gegeben ist, die eine unmittelbare
Zuordnung der jeweiligen Stellungen, wie sie bei mechanischen
Verbindungen des Lenkrades mit den Rädern gegeben ist, zur Fol
ge hat und damit Rückschlüsse aus der Stellung des Bedienhebels
auf die Stellung des zu steuernden Teiles möglich macht.
Ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Be
dienhebel in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren Teil
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der DE 692 05
641 T2 bekannt. Dort werden die Steuerbefehle unmittelbar durch
Verschwenken des Bedienungshebels, also über in Richtung der
Schwenkebene des Bedienungshebels auf diesen ausgeübte Stell
kräfte gegeben und verschiedene Lösungen zur Koordination zwi
schen der Stellung des Bedienungshebels und der Stelllage der
zu verstellenden Teile, auch in der Rückwirkung auf den Bedien
hebel in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der verstellbaren
Teile, aufgezeigt. Steuerbefehle werden also über den Bedienhe
bel eingegeben, Effekte aus Verstellbewegungen der verstellba
ren Teile aber auf den oder die Bedienhebel rückgespiegelt.
Dies bedingt, dass bei auf den Bedienhebel in Rückkopplung zur
Stellung der verstellbaren Teile wirkende Dreh- und/oder Halte
momente immer nur kleiner sein dürfen als auf den Bedienhebel
als Steuerkräfte aufgegebene Stellkräfte, da ansonsten keine
vom Bedienhebel ausgehende Verstellung der verstellbaren Teile
mehr möglich wäre.
Die Rückkopplung der Stelllage des Bedienhebels auf die jewei
lige Stellung der über diesen angesteuerten, verstellbaren Tei
le bedingt somit die Ausübung eines Steilmomentes auf den Be
dienhebel, durch das dieser in Richtung auf die Position je
weils belastet ist, die der Lage des jeweils zu verstellenden
Teiles entspricht. Zur Verstellung in Gegenrichtung kann der
Bedienhebel bei der bekannten Lösung mit einer Kraftsensorik
ausgestattet sein, über die die seitens der Bedienungsperson
aufgebrachte Stellkraft als Drehmoment erfasst wird und über
die eine entsprechendes Steilmoment auf die verstellbaren Teile
ausgeübt wird. Auf dieser Basis lassen sich zwar sehr hohe
Kräfte beherrschen, die in der Rückkopplung den Bedienhebel in
seiner jeweiligen, der Position des verstellbaren Teiles ent
sprechenden Position zu halten trachten, diese Kräfte müssen a
ber jeweils über die über die Kraftsensorik erfassbaren Stell
kräfte übersteuerbar sein. Es ist deshalb grundsätzlich mög
lich, dass unbeabsichtigt auf den Bedienhebel ausgeübte Kräfte
als Stellkräfte im Sinne einer Verstellung der verstellbaren
Teile wirken und damit unerwünschte Verstellbewegungen einlei
ten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einerseits eine Rück
kopplung des oder der verstellbaren Teile auf den Bedienhebel
sicherzustellen, bei der die Stellung des Bedienhebels zur
Stellung des jeweils steuerbaren oder zu verstellenden Teiles
korrespondiert, andererseits aber auszuschließen, dass auf den
Bedienhebel ausgeübte Kräfte, die nicht Steuerzwecken dienen,
die Stellung des Bedienhebels beeinflussen und Einfluss auf die
Stellung der steuerbaren oder zu verstellbaren Teile nehmen.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht, bei dem
die Steuerbefehle über eine dem Bedienhebel zugehörige Sensorik
erfasst werden, die bezüglich der Betätigung und/oder Anordnung
so gelegt und/oder gestaltet ist, dass die zur Steuerung auf
die Sensorik ausgeübten Kräfte gezielt angesetzt werden müssen
und nicht, jedenfalls im Regelfall, durch Kräfte bedingt sein
können, die aus anderen Gründen auf den Bedienhebel ausgeübt
werden, sei es zur Abstützung oder zu sonstigen Zwecken. Dem
entsprechend ist der Bedienhebel nur im Wege der Rückkopplung
aus seiner Grundstellung und in Anpassung an die Lage des je
weils angesteuerten Teiles verstellbar, wobei der diese Ver
stellung bewirkende Stellmotor über ein Getriebe mit dem Be
dienhebel verbunden ist, das nicht nur die notwendige, feinstu
fige und in Anbetracht des geringen Verstellweges eines Bedien
hebels auch feinfühlige Verstellung sicherstellt, 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 Har
monic-Drive-Getriebe vorgesehen, das entsprechend hohe Überset
zungsverhältnisse ermöglicht und in Verbindung damit in Gegen
richtung auch entsprechend hohe Haltemomente, bei Antrieb durch
einen handelsüblichen, kleinbauenden und schnelllaufenden E
lektromotor mit vergleichsweise geringer Antriebsleistung.
Eine Bedieneinheit dieses Aufbaus zeichnet sich zudem durch
sehr geringen Raumbedarf aus, wie dies bei den beengten Platz
verhältnissen in Kraftfahrzeugen von wesentlicher Bedeutung
ist, und sie bildet zweckmäßigerweise auch eine Montageeinheit,
bei der ein dem Stellmotor in Rückkopplung zu einem dem ver
stellbaren Teil zugeordneten Stellungsgeber ansteuerndes Steu
ergerät und gegebenenfalls eine zusätzliche Bremse koaxial an
geordnet werden können.
Eine solche Bedieneinheit ist insbesondere bei den sogenannten,
bereits angesprochenen Steer-by-wire-Lenkungen in Kraftfahrzeu
gen vorteilhaft, zumal für den Gesamtaufbau auf handelsübliche
Elemente zurückgegriffen werden kann, die eine hohe Bediensi
cherheit gewährleisten, und die wegen des erreichten, kleinen
Bauvolumens gegebenenfalls auch redundant eingesetzt werden
können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei
spieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Gesamtdarstellung eines Bedienhe
bels in Form eines Side-sticks mit Stelleinrichtung,
und
Fig. 2 ein in der Stelleinrichtung verwendetes und ausgangs
seitig mit dem Side-stick verkoppeltes Getriebe.
In der schematisierten Gesamtdarstellung gemäß Fig. 1 ist eine
insgesamt mit 1 bezeichnete 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 Einstelllage dieser Räder aus einer Grund- oder Normalstel
lung, die bei lenkbaren Rädern der Geradeausfahrtrichtung ent
sprechen würde, verstellt wird, so dass die jeweilige Bedien
person über die Lage des Side-stick 2 die Einstelllage der Rä
der, also den Radeinschlag erfassen kann. Die Steuerbefehle für
das jeweils einzustellende Teil, im Falle von lenkbaren Rädern
als einstellbarem Teil also die Steuerbefehle für den jeweili
gen Lenkeinschlag, werden bedienhebelseitig, kraftabhängig und
sensorisch erfasst, über eine am Bedienhebel 2 vorgesehene Sen
sorik in Form eines Steuerschiebers 3 gegeben, und in nicht
weiter dargestellter Weise als Lenkbefehle einer den Rädern zu
geordneten Stellvorrichtung zugeleitet, über die die Räder ent
sprechend eingeschlagen werden. Der jeweilige Einschlagwinkel
wird wiederum erfasst, und die entsprechenden Signale werden
einem Sollwertgeber zugeleitet, der hier mit 4 bezeichnet ist
und der als Inkrementalgeber oder bevorzugt als Resolver ausge
bildet ist. Über diesen Sollwertgeber 4 als Steuermittel wird
der Stellmotor 5 angesteuert, von dem über ein Getriebe 6 der
als Side-stick ausgebildete Bedienhebel 2 entsprechend der Ein
stelllage des jeweiligen Rades in Rückkopplung zu dieser ver
stellt wird.
Um zu einer kleinbauenden Stelleinrichtung zu kommen, findet
als Stellmotor 5 bevorzugt ein Elektromotor Verwendung, der re
lativ hoch dreht, worunter hier insbesondere Drehzahlen im Be
reich von mehr als 1500 U/min verstanden werden.
Entsprechend der hohen Motordrehzahl muss das Getriebe 6 ein
großes Untersetzungsverhältnis aufweisen, worunter hier ein Un
tersetzungsverhältnis von mindestens 50 : 1 verstanden wird. Ü
ber die Ausgangswelle des Getriebes wird der Bedienhebel 2 ver
stellt, 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 Steuerbefehlen dienen und da über
solche Kräfte auch die über die Rückkopplung zum jeweils einzu
stellenden Teil, also beispielsweise zu den Rädern eingestellte
Lage des Bedienhebels nicht verändert werden können soll, müs
sen über das Getriebe 6 und die Haltekraft des Motores 5 ver
hältnismäßig große Haltemomente aufgebracht werden. Dieses ist
bei entsprechender Auslegung und Wahl des Getriebes 6 und des
Stellmotores 5 in weiten Grenzen möglich. Um darüber hinausge
hende Extrembelastungen, zum Beispiel durch unbeabsichtigte Ab
stützung auf dem Bedienhebel 2 im Falle einer Notbremsung bei
Kraftfahrzeugen, absichern zu können, ist zusätzlich eine Brem
se 7 vorgesehen, die direkt oder über die Getriebeabtriebswelle
mit dem Bedienhebel 2 zusammenwirkt. Die ortsfeste Bremse 7
kann dabei dem Getriebe 6 in Bezug auf den Bedienhebel 2 gegen
überliegend angeordnet werden oder aber, was hier nicht gezeigt
ist, auch zwischen Getriebe 6 und Stellmotor 5 eingebaut sein.
Bei der Stelleinrichtung sind der Sollwertgeber 4, der Stellmo
tor 5, das Getriebe 6, der Bedienhebel 2 und die Bremse 7 ko
axial angeordnet und bilden eine kleinbauende Einheit, die aus
weitgehend handelsüblichen Bauelementen zusammengesetzt werden
kann. Die kleine Baugröße der dem Bedienhebel 2 zugeordneten E
lemente 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 vor
geschilderte Redundanz auch dahingehend ausgenutzt werden kann,
die dem Bedienhebel 2 in Redundanz zugeordneten Stellelemente
so auszulegen, dass sie im Regelfall 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 Unter
setzungsverhältnisse ermöglichen, und die damit für den erfin
dungsgemäßen 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 wie
der mit 6 bezeichnete Getriebe eine Eingangswelle 8 aufweist,
über die eine elliptische Exzenterscheibe 9 angetrieben wird.
Auf dieser ist über ein Lager 10 drehbar eine elastische, au
ßenverzahnte Buchse 11 abgestützt, wobei die Abstützung im Be
reich der langen Ellipsenachse erfolgt und wobei diese lange
Ellipsenachse derart bemessen ist, dass die außenverzahnte, e
lastische Buchse 11 im jeweiligen Abstützbereich mit der Innen
verzahnung von Hohlrädern 12, 13 in Eingriff steht. Hierbei ist
die Zähnezahl der außenverzahnten, elastischen Buchse 11 klei
ner als die Zähnezahl der Hohlräder 12, 13. Bei n-Zähnen der e
lastischen Buchse 11 weisen die Hohlräder 12, 13 (n + 2)-Zäh
ne auf. Von den Hohlrädern ist das Hohlrad 12 gehäusefest, also
nicht drehbar, während das abtriebsseitig daneben liegende
Hohlrad 13 im Gehäuse drehbar gelagert ist und mit der Ab
triebswelle verbunden ist. Die Abtriebswelle ist mit 14 be
zeichnet.
Claims (12)
1. Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Be
dienhebel in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren
Teil, bei dem die Steuerbefehle bedienhebelseitig kraftabhängig
und sensorisch erfasst eingebbar sind und der Bedienhebel in
Rückkopplung zu dem über den Steuerbefehl angesprochenen und
entsprechend dem Steuerbefehl verstellbaren Teil in einer zur
jeweiligen Einstelllage desselben korrespondierenden Stellung
über Steuermittel angesteuert dadurch einstellbar ist, dass ein
entsprechend der Einstelllage des Teiles über die Steuermittel
angesteuerter Stellmotor den Bedienhebel über ein Verstellge
triebe antreibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bedienhebel (2) nur im Wege der Rückkopplung in
Anpassung an die Lage des jeweils angesteuerten Teiles ver
stellbar ist und dass die bedienhebelseitig als Steuerkräf
te auf die Sensorik (Steuerschieber 3) auszuübenden Stell
kräfte versetzt zu sonstigen auf den Bedienhebel (2) auszu
übenden Kräften anzusetzen sind.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ansteuerung des Stellmotores (5) entsprechend der
Einstellung des verstellbaren Teiles vorgesehene Steuermit
tel durch einen Sollwertgeber (4) gebildet sind.
3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sollwertgeber (4) als Inkrementalgeber ausgebildet
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 Verstellgetriebe (6), Stellmotor (5) und Sollwertgeber
(4) achsgleich angeordnet sind.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das eingangsseitig mit dem Stellmotor (5) verbundene
Verstellgetriebe (6) ausgangsseitig mit dem Bedienhebel (2)
verbunden ist.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Bedienhebel (2) auf der Ausgangswelle des Ver
stellgetriebes (6) angeordnet ist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass achsgleich zum Verstellgetriebe (6) eine Bremse (7)
angeordnet ist.
9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bremse (7) zwischen Verstellgetriebe (6) und
Stellmotor (5) angeordnet ist.
10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bremse (7) auf der dem Verstellgetriebe (6) gegen
überliegenden Seite des Bedienhebels (2) angeordnet ist.
11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verstellgetriebe (6) in bekannter Weise eine mit
der Eingangswelle (8) verbundene elliptische Exzenterschei
be (9), eine darauf im Bereich der langen Achse der Exzen
terscheibe (9) über Lager (10) drehbar abgestützte elasti
sche, 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 ei
ner Achse eines Kraftfahrzeuges vorgesehen sind.
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