DE19713245C2 - Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren Teil - Google Patents

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.