WO1998043863A1 - Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen bedienhebel steuerbaren teil - Google Patents

Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen bedienhebel steuerbaren teil Download PDF

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Edwin Breuning
Rüdiger RACHEL
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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D1/00Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle
    • B62D1/02Steering controls, i.e. means for initiating a change of direction of the vehicle vehicle-mounted
    • B62D1/12Hand levers

Definitions

  • Motor vehicle with at least one part controllable via at least one operating lever
  • Motor vehicles of modern design usually have a steering wheel and various pedals, in particular brake and accelerator pedals, as operating elements. Thanks to their coupling with the parts controlled via them, these controls are also suitable for providing feedback on the position of the respective part or the driving condition of the vehicle. Above all, this applies to the steering wheel, since there is no inactive state for the steering and there is an immediate, noticeable correlation between the steering wheel and the wheel position.
  • the steering wheel in the vehicle in particular in the case of passenger cars, is often a disruptive element, not only because of its considerable space requirement, but also because of its handling-related positioning in front of the driver as an operator.
  • the invention relates to control lever operations for motor vehicles, in particular for the steered wheels of motor vehicles, in which such a forced coupling of the control lever to the part to be controlled, and thus an assignment of the positions by mechanical or hydraulic means, is not given, which is the case, for example, with so-called steer by-wire steering is the case, i.e. steering in which the control commands are transmitted electrically between an operating element, that is to say an operating lever or a steering wheel and the corresponding wheel to be steered.
  • the invention has set itself the task of ensuring feedback, in which the position of the control lever to the position of the respective controllable or to be adjusted part corresponds, regardless of any forces exerted on the operating lever that have nothing to do with the actual operating function.
  • control commands are detected via a sensor system associated with the operating lever, which is placed and / or designed with respect to the actuation and / or arrangement such that the forces exerted on the sensor system for control purposes are applied in a targeted manner must and must not, at least as a rule, be caused by forces that are exerted on the operating lever for other reasons, be it for support or for other purposes.
  • the operating lever can only be adjusted by means of feedback from its basic position and in adaptation to the position of the part being controlled, the adjusting motor causing this adjustment being connected to the operating lever via a gearbox, which not only has the necessary, fine-tuned and considering the short adjustment path of an operating lever also ensures sensitive adjustment, but also ensures a sufficiently large holding torque in connection with the holding force of the motor to exclude movements of the operating lever as a result of forces not caused by the feedback.
  • a transmission in particular a harmonic drive transmission, which enables correspondingly high transmission ratios and, in connection therewith, also correspondingly high holding torques when driven by a commercially available, small-sized and fast-running electric motor with comparatively low drive power.
  • An operating unit of this construction is also characterized by very little space requirement, as is essential in the confined space in motor vehicles, and it expediently also forms an assembly unit in which a control unit controlling the servomotor in feedback to a control element assigned to the adjustable part and optionally an additional brake can be arranged coaxially.
  • Such an operating unit is particularly advantageous in the case of the so-called steer-by-wire steering systems in motor vehicles, especially since commercially available elements can be used for the overall structure, which ensure a high level of operating safety, and which may also be redundant because of the small construction volume achieved can be used.
  • Fig. 1 is a schematic overall view of an operating lever in the form of a side stick with adjusting device
  • FIG. 2 shows a gear used in the actuating device and coupled on the output side to the side stick.
  • an actuating device via which the operating lever 2 in the form of a side stick in feedback to an adjustable part, not shown here, for example the wheels of a steerable axle of a motor vehicle, corresponding to the Setting position of these wheels from a basic or normal position, which with steerable wheels of the would correspond to the exit direction, is adjusted so that the respective operator can virtually determine the setting position of the wheels, that is to say the wheel angle, via the position of the side stick 2.
  • control commands for the respective steering angle are preferably given on the control lever side in a force-dependent and sensor-based manner via a control slide 3 provided on the operating lever 2, and in a manner not shown as steering commands fed to an actuator assigned to the wheels, via which the wheels are driven accordingly.
  • the respective steering angle is again recorded, and the corresponding signals are fed to a setpoint generator, which is designated here by 4 and which is designed as an incremental encoder or preferably as a resolver.
  • the servomotor 5 is controlled, by means of which the control lever 2, which is designed as a side stick, is adjusted via a gear 6 in accordance with the setting position of the respective wheel in feedback.
  • an electric motor which rotates relatively high is preferably used as the servomotor 5, which in this context means in particular speeds in the range of more than 1500 rpm.
  • the gear 6 must have a large reduction ratio, which is understood here as a reduction ratio of at least 50: 1.
  • the control lever 2 is adjusted via the output shaft of the gearbox, and the output shaft of the gearbox can simultaneously form the supporting axis for the control lever 2.
  • a brake 7 is additionally provided within the scope of the invention, which cooperates with the operating lever 2 directly or via the transmission output shaft.
  • the stationary brake 7 can be arranged opposite the transmission 6 with respect to the operating lever 2 or, which is not shown here, can also be installed between the transmission 6 and the servomotor 5.
  • the setpoint generator 4, the servomotor 5, the gear 6, the operating lever 2 and the brake 7 are arranged coaxially and form a small unit that can be assembled from largely commercially available components.
  • the small size of the elements of the actuating device 1 assigned to the operating lever 2 also makes it possible, if necessary, to arrange them redundantly, in the simplest form by means of a mirror-image arrangement to the operating lever 2, so that a very high degree of security can be achieved, the aforementioned redundancy also being used for this purpose can be designed to design the control levers associated with redundancy in such a way that they usually work together and if one unit fails the other unit assumes an emergency function with a correspondingly reduced performance.
  • Harmonic drive gears are particularly suitable as gears 6, which are particularly small and allow very high reduction ratios, and which are therefore particularly suitable for the purpose of the invention, but cyclo gears can also be used.
  • FIG. 2 very schematically illustrates a cross section through a harmonic drive gear, this gear, again designated 6 overall, having an input shaft 8 via which an elliptical eccentric disk 9 is driven.
  • An elastic, externally toothed bushing 11 is rotatably supported on this via a bearing 10, the support taking place in the region of the long ellipse axis and this long elliptical axis being dimensioned such that the externally toothed, elastic bushing 11 in the respective support region with the internal toothing of ring gears 12, 13 is engaged.
  • the number of teeth of the externally toothed, elastic bush 11 is smaller than the number of teeth of the ring gears 12, 13. With n teeth of the elastic bush 11, the ring gears 12, 13 have n + 2 teeth.
  • the ring gear 12 is fixed to the housing, that is to say cannot be rotated, while the ring gear 13 lying on the output side is rotatably mounted in the housing and is connected to the output shaft.
  • the output shaft is designated 14.

Abstract

Für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel (21) in Form eines sogenannten Side-stick steuerbaren Teil, wobei als steuerbares Teil insbesondere die lenkbaren Räder eines Fahrzeuges angesprochen sind, wird eine Stelleinrichtung (11) vorgeschlagen, über die der Bedienhebel (21) in Rückkopplung zur jeweiligen Stellung des steuerbaren Teiles verstellt wird.

Description

Kraftfahrzeug mit zumindest einem über wenigstens einen Bedienhebel steuerbaren Teil
Kraftfahrzeuge moderner Bauart weisen als Bedienelemente üblicherweise ein Lenkrad sowie diverse Pedale, so insbesondere Brems- und Gaspedal auf. Diese Bedienelemente 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 keinen 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 Raumbedarfes, 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 vergleichbar, 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 Bedienhebel jedenfalls dann besondere Schwierigkeiten bedingt, wenn keine zwangsweise Kopplung zwischen Bedienhebel und zu steuerndem Teil gegeben ist, die eine unmittelbare Zuordnung der jeweiligen Stellungen, wie sie bei mechanischen Verbin- düngen des Lenkrades mit den Rädern gegeben ist, zur Folge hat und damit Rückschlüsse 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 Kopplung des Bedienhebels mit dem zu steuernden Teil, und damit eine Zuordnung der Stellungen auf mechanischem oder hydraulischem Wege nicht gegeben ist, was beispielsweise 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 verstellenden Teil korrespondiert, und zwar ungeachtet etwaiger auf den Bedienhebel ausgeübter 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 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. Dementsprechend ist der Bedienhebel nur im Wege der Rückkopplung aus seiner Grundstellung und in Anpassung an die Lage des jeweils angesteuerten Teiles verstellbar, 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 sicherstellt, sondern auch ein ausreichend großes Haltemoment gewährleistet, um in Verbindung 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 Übersetzungsverhältnisse ermöglicht und in Verbindung damit in Gegenrichtung auch entsprechend hohe Haltemomente, bei Antrieb durch einen handelsüblichen, kleinbauenden und schnellaufenden Elektromotor mit vergleichsweise geringer Antriebsleistung.
Eine Bedieneinheit dieses Aufbaus zeichnet sich zudem durch sehr geringen Raumbedarf aus, wie dies bei den beengten Platzverhältnissen in Kraftfahrzeugen von wesentlicher Bedeutung ist, und sie bildet zweckmäßigerweise auch eine Montageeinheit, bei der ein dem Stellmotor in Rückkopplung zu einem dem verstellbaren Teil zugeordneten Steliungsgeber ansteuerndes Steuergerät und gegebenenfalls eine zusätzliche Bremse koaxial angeordnet werden können.
Eine solche Bedieneinheit ist insbesondere bei den sogenannten, bereits angesprochenen Steer-by-wire-Lenkungen in Kraftfahrzeugen vorteilhaft, zumal für den Gesamtaufbau 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 Figur 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 Einstellage dieser Räder aus einer Grund- oder Normalstellung, die bei lenkbaren Rädern der Gera- deausfahrtrichtung entsprechen würde, verstellt wird, so daß die jeweilige Bedienperson über die Lage des Side-stick 2 quasi die Einstellage der Räder, 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 jeweiligen Lenkeinschlag, werden dabei bevorzugt bedienhebelseitig kraftabhängig und sensorisch erfaßt über einen am Bedienhebel 2 vorgesehenen Steuerschieber 3 gegeben, und in nicht weiter dargestellter Weise als Lenkbefehle einer den Rädern zugeordneten Stellvorrichtung zugeleitet, über die die Räder entsprechend 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 ausgebildet 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 Einstellage des jeweiligen Rades in Rückkopplung zu dieser verstellt wird.
Um zu einer kleinbauenden Stelleinrichtung zu kommen, findet als Stellmotor 5 bevorzugt 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 Untersetzungsverhältnis 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 Steuerbefehlen dienen und da über solche Kräfte auch die über die Rückkopplung zum jeweils einzustellenden Teil, also beispielsweise zu den Rädern eingestellte Lage des Bedienhebels nicht verändert werden können soll, müssen über das Getriebe 6 und die Haltekraft des Motores 5 verhältnismäßig große Haltemomente aufgebracht werden. Dieses ist bei entsprechender Auslegung und Wahl des Getriebes 6 und des Stellmotors 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 Bedienhebel 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 zusammengesetzt werden kann. Die kleine Baugröße der dem Bedienhebel 2 zugeordneten 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 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 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.
Figur 2 veranschaulicht sehr schematisiert einen Querschnitt durch ein Harmonic- Drive-Getriebe, wobei dieses insgesamt wieder 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, außenverzahnte Buchse 11 abgestützt, wobei die Abstützung im Bereich der langen Ellipsenachse erfolgt und wobei diese lange Ellipsenachse derart bemessen ist, daß die außenverzahnte, elastische 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 elastischen 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 daneben liegende Hohlrad 13 im Gehäuse drehbar gelagert ist und mit der Abtriebswelle verbunden ist. Die Abtriebswelle ist mit 14 bezeichnet.

Claims

Patentansprüche
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 Bedienhebel (2) in Rückkopplung zu dem über den Steuerbefehl angesprochenen und entsprechend dem Steuerbefehl verstellbaren Teil in einer zur jeweiligen Einstellage desselben korrespondierenden Stellung über Steuermittel (Sollwertgeber 4) angesteuert 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 Übersetzung, 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 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 Getriebe (6), Stellmotor (5) und Sollwertgeber (4) achsgleich angeordnet sind.
6. Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitig mit dem Stellmotor (5) verbundene Getriebe (6) ausgangsseitig mit dem Bedienhebel (2) verbunden ist.
7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedienhebel (2) auf der Ausgangswelle des Getriebes (6) angeordnet ist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß achsgleich zum Getriebe (6) eine Bremse (7) angeordnet 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 Bereich der langen Achse der Exzenterscheibe (9) über Lager (10) drehbar abgestützte 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.
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