DE102004016680A1 - Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator - Google Patents
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Abstract
Es
ist eine mechanische Vorrichtung zur Rückstellung des Lenkrades in
einem Fahrsimulator beschrieben. Der maximale Lenkradeinschlag bis
zu den Endanschlägen
beträgt
nach jeder Seite fast eine ganze Umdrehung. Dies wird dadurch erreicht,
dass ein sich mit dem Lenkrad drehender Antriebsarm vorgesehen ist, der
bei Lenkradeinschlägen
nach rechts einen Abtriebsarm für
die Rechtsdrehung und bei Lenkradeinschlägen nach links einen Abtriebsarm
für die
Linksdrehung mitnimmt. Dabei hat jeder Abtriebsarm einen Vorspannungsmechanismus,
einen Endanschlag und gegebenenfalls einen Mittelanschlag. Zur Annäherung der
Lenkcharakteristik an das Vorbild wird eine Lösung mit Torsions- und Druckfedern
angegeben, bei der die Winkel-/Momenten-Kennlinie Geradenabschnitte
aufweist, und eine mit Zahnrädern,
Ketten und Zugfedern, bei der sie stetig verläuft. Die Vorrichtung ist wirtschaftlich,
robust und verschleißfrei.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator. Aufgabe einer solchen Vorrichtung ist es, die Rückstellmomente, die bei einer echten Autofahrt am Lenkrad auftreten, zu simulieren. Dank der Vorspur der Vorderräder entsteht beim Lenkradeinschlag ein Drehmoment, welches das Lenkrad in Mittelstellung zurückdrückt. Dieses Drehmoment hängt vom Lenkradeinschlag, der Geschwindigkeit des Autos und der Zeit ab. Zur Simulation kann die natürliche Charakteristik durch eine einfachere angenähert werden. Meist genügt ein etwa konstantes Drehmoment, welches das Lenkrad unabhängig von seinem Einschlagwinkel und von der Geschwindigkeit des Autos zurückdrückt, wobei im Bereich der Geradeausstellung das Drehmoment dem Lenkradanschlag etwa proportional folgt.
- Solche Vorrichtungen sind bekannt. Üblicherweise wird ein Elektromotor verwendet, dessen Drehmoment in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel und gegebenenfalls von der Geschwindigkeit des Autos gebracht wird. Der Lenkradwinkel wird dabei entweder in absoluter Größe oder mit Hilfe eines Inkrementalwinkelgebers gemessen. Im letzteren Falle ist ein Sensor zur Erfassung der Geradeausstellung des Lenkrades erforderlich. Es gibt auch mechanisch funktionierende Vorrichtungen. Im einfachsten Falle zieht eine Feder über einen Hebelarm das Lenkrad in Geradeausstellung zurück.
- Der Nachteil bei der Verwendung eines Elektromotors ist der verhältnismäßig große Aufwand für den Motor, das Steuergerät, das Netzteil, Eingangsinterface-Hardware mit ausreichend hoher Winkelauflösung, und gegebenenfalls den Sensor zur Erfassung der Geradeausstellung.
- Die bekannten mechanischen Lösungen haben die Nachteile, dass die Kennlinie zwischen Drehmoment und Lenkradwinkel weit hinter dem natürlichen Verhalten zurück bleibt, und dass nicht ein ausreichender Winkelhub nach jeder Seite bis zum Lenkradanschlag erreicht wird.
- Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, mit geringstmöglichem wirtschaftlichen Aufwand eine Vorrichtung zur Lenkradrückstellung zu schaf fen, die eine ausreichend vorbildgetreue Kennlinie hat und einen großen Lenkradwinkel bis zu den Endanschlägen ermöglicht. Ebenfalls aus wirtschaftlichen Gründen sollte hierbei ein Lenkgetriebe vermieden werden.
- Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Besonderheit dieser Lösung liegt darin, dass die natürliche Lenkradcharakteristik durch eine einfache Drehmoment/Winkel-Kennlinie ersetzt wird. Im Bereich um den Mittelpunkt herum wird eine etwa proportionale Charakteristik erzeugt, die dafür sorgt, dass das Lenkrad auch bei kleinsten Einschlägen in die Mittellage zurückgetrieben wird. Außerhalb des mittleren Bereiches ergibt sich ein Rückstellmoment, welches mit dem Lenkradeinschlag schwach ansteigt. Der maximale Lenkradeinschlag bis zu den Anschlägen beträgt nach jeder Seite immerhin fast eine ganze Umdrehung. Dieses Verhalten wird ohne Verwendung eines Getriebes erreicht. Die Vorrichtung ist robust und arbeitet verschleißfrei und geräuschlos. An das freie Ende der Verlängerung der Lenkradspindel kann ein beliebiger Drehwinkelgeber angekuppelt werden.
- Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass auf einer Welle, die von der Lenkradspindel antreibbar ist, ein Antriebsarm befestigt ist, der bei Lenkradeinschlägen nach rechts einen Abtriebsarm für die Rechtsdrehung und bei Lenkradeinschlägen nach links einen Abtriebsarm für die Linksdrehung mitnimmt, wobei jeder Abtriebsarm einen Endanschlag aufweist. Zwei Vorspannungsmechanismen sorgen dafür, dass der rechte Abtriebsarm bei Rechtsdrehung des Lenkrades nach links und der linke bei Linksdrehung des Lenkrades nach rechts getrieben wird. Dadurch ist gewährleistet, dass der Antriebsarm im gesamten Lenkradwinkelbereich immer nur mit einem Abtriebsarm in Kontakt steht, während der andere in Mittelstellung verharrt.
- Die Erfindung sei nun anhand der Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, wobei zwei Vorspannungsmechanismen7a und7b sowie ein Drehwinkelgeber16 in abstrakter Weise als Blöcke eingezeichnet sind. Kanten, mit denen einzelne Teile mit dem feststehendem Rahmen der Anordnung verbunden sind, sind durch Schraffurleisten dargestellt. Das Lenkrad des Fahrsimulators ist mit1 und die Lenkradspindel mit1a bezeichnet. Es ist eine Lenkradkupplung2 vorgesehen, mit der eine Welle3 an die Lenkradspindel ankuppelbar ist. -
2 zeigt die Schnittansicht A–A von1 . - Die
1 und2 zeigen gemäß Anspruch 1, dass die Welle3 in zwei Wellenlagern4a und4b drehbar gelagert ist. Der zur Rechtsdrehung gehörige Vorspannungsmechanismus ist mit7a , der zur Linksdrehung gehörige mit7b bezeichnet. Der rechte Abtriebsarm5a und der linke5b sind mit den beiden Abtriebslagern6a und6b drehbar auf der Welle3 gelagert. Ein Antriebsarm9 mit einer rechten Antriebsplatte11a und einer linken11b ist mittels einer Antriebsarmkupplung10 fest mit der Welle3 verbunden. Am rechten Abtriebsarm5a ist eine Abtriebsplatte13a und am linken5b eine Abtriebsplatte13b befestigt. Zwischen der rechten Antriebsplatte11a und der rechten Abtriebsplatte13a befindet sich ein Antriebspuffer12a , der mit einer der beiden Platten fest verbunden ist. In gleicher Weise befindet sich zwischen der linken Antriebsplatte11b und der linken Abtriebsplatte13b ein linker Antriebspuffer12b , der entweder mit der einen oder der anderen Platte verbunden ist. Der rechte Antriebspuffer12a steht bei Rechtsdrehung des Lenkrades, der linke12b bei Linksdrehung unter Druck. Die Antriebspuffer sind so robust ausgeführt, dass sie dem Druck gegen den Endanschlag des Lenkrades standhalten. Es sind Gummipuffer verwendbar. - Der rechte Abtriebsarm
5a weist weiterhin eine rechte Mittelanschlag-Platte14a auf, die über einen rechten Federkörper15a gegen eine rechte Mittelanschlag-Gegendruckplatte16a andrückbar ist. Entsprechend weist der linke Abtriebsarm5b eine linke Mittelanschlag-Platte14b auf, die über einen linken Federkörper15b gegen eine linke Mittelanschlag-Gegendruckplatte16b andrückbar ist. Die beiden Federkörper15a und15b haben eine proportionale Weg-Kraft-Charakteristik. Es sind Druckfedern oder Gummipuffer verwendbar. Dieser Mittelanschlagsmechanismus dient der Drehsperre im jeweils nicht aktiven Bereich des Lenkradeinschlages im Falle, dass ein Vorspannungsmechanismus gemäß Anspruch 2 ausgeführt wird. - Der rechte Abtriebsarm
5a weist weiterhin eine rechte Endanschlag-Platte17a auf, die über einen rechten Endanschlag-Puffer18a gegen eine rechte Endanschlag-Gegendruckplatte19a andrückbar ist. Ausgehend von der Mittelstellung des Lenkrades stoßen die Abtriebsarme nach etwas weniger als einer vollen Abtriebsarm- Umdrehung gegen die Endanschläge. Als Endanschlag-Puffer18a und18b sind Gummipuffer verwendbar. Am freien Ende der Welle3 ist ein Drehwinkelgeber16 eingezeichnet. Er stützt sich gegen den festen Rahmen ab. Es ist ein digitaler Absolutwertwinkelgeber, ein digitaler Inkrementalwinkelgeber oder ein Potentiometer verwendbar. Bei Verwendung eines Potentiometers ist dieses entweder als Getriebepotentiometer mit einem Übersetzungsverhältnis 1:2 auszuführen, damit die abgegebene Gleichspannung in beiden Drehbereichen des Lenkrades eindeutige Werte abgibt, oder es ist im Simulationsrechner per Software dafür zu sorgen, dass ein Sprung der vom Potentiometer abgegebenen Spannung vom Maximalwert auf den Minimalwert oder umgekehrt die Sprungdifferenz-Spannung so dem vorangegangenen Wert hinzuaddiert wird, dass eine stetig verlaufende effektive Lenkradwinkelspannung entsteht. -
3 zeigt gemäß Anspruch 2 eine Ausgestaltung des Vorspannungsmechanismusses7a für den rechten Abtriebtriebsarm5a . Es ist eine Torsionsfeder24a vorgesehen. Sie steht ständig unter Vorspannung und drückt den Abtriebsarm5a entweder gegen die rechte Antriebsplatte oder gegen die rechte Mittelanschlag-Gegendruckplatte. -
4 zeigt gemäß Anspruch 3 eine Ausgestaltung des rechten Federkörpers15a . Dargestellt sind zwei Druckfedern25a1 und25a2 verschiedener Federraten, die hintereinander gefügt sind, so dass sich eine geknickte Weg-Kraft-Kennlinie ergibt, die aus zwei Geradenabschnitten besteht. -
5 zeigt gemäß Anspruch 4 eine Alternative zur Lösung gemäß den3 und4 . Es wird ein Zahnrad21a verwendet, an dem eine Kette22a befestigt ist, die an dem einen Ende in eine vorgespannte Zugfeder23a eingehängt ist. Diese Zugfeder ist am anderen Ende fest mit dem Rahmen verbunden. In der Darstellung gemäß5 ist die Kette22a tangential gegenüber dem Zahnrad21a ausgerichtet. Dieser Zustand entspricht dem Arbeitspunkt der Kennlinie (siehe8 ), in dem der Geradenabschnitt bei starken Lenkradeinschlägen seinen Anfang hat. Bei kleineren Lenkradeinschlägen zieht die Feder23a über die Kette22a mehr in tangentialer Richtung, wodurch sich der nichtlineare Verlauf der Kennlinie ergibt. -
6 zeigt die Momenten-Winkel-Kennlinie bei Ausführung der Vorrichtung mit Torsionsfeder gemäß Anspruch 2 und einer Druckfeder. M ist das Drehmoment und W der Lenkradwinkel. -
7 zeigt die Kennlinie bei Verwendung eines zweifach ausgestalteten Federkörpers gemäß Anspruch 3 und4 . Dabei befindet sich die Anordnung mit zwei hintereinandergefügten Druckfedern25a1 und25a2 zwischen Mittelanschlag-Platte und Mittelanschlag-Gegendruckplatte. -
8 zeigt die Kennlinie bei Verwendung von Zahnrädern, Ketten und Zugfedern gemäß Anspruch 4 und5 , wobei in Mittelstellung des Lenkrades die Ketten mehr in radialer Richtung an den Zahnrädern ausgerichtet sind und erst nach etwa einer Viertel Lenkradumdrehung in den aktiven Bereich hinein lineares Verhalten zeigen.
Claims (4)
- Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (
3 ) an die Lenkradspindel (1a ) des Fahrsimulators über eine Lenkradkupplung (2 ) angekuppelt ist, dass die Welle (3 ) in zwei Wellenlagern (4a und4b ) gelagert ist, dass ein Antriebsarm (9 ) vorgesehen ist, der einseitig mittels einer Antriebsarmkupplung (10 ) die vom Lenkrad (1 ) antreibbar ist, fest an die Welle (3 ) angekuppelt ist, und der am äußeren Ende eine rechte Antriebsplatte (11a ) und eine linke Antriebsplatte (11b ) aufweist, dass ein rechter Abtriebsarm (5a ) und ein linker Abtriebsarm (5b ) vorgesehen sind, die auf der Welle (3 ) mittels zweier Abtriebslager (6a und6b ) drehbar gelagert sind, dass am rechten Abtriebsarm (5a ) eine rechte Abtriebsplatte (13a ) befestigt ist, über die er mittels eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Antriebspuffers (12a ) nach rechts drehbar ist, und dass am linken Abtriebsarm (5b ) eine linke Abtriebsplatte (13b ) befestigt ist, über die er mittels eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Antriebspuffers (12b ) nach links drehbar ist, dass der rechte Abtriebsarm (5a ) weiterhin eine rechte Endanschlagplatte (17a ) aufweist, mittels derer unter Verwendung einer rechten Endanschlag-Gegendruckplatte (19a ) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Endanschlagspuffers (18a ) verhindert wird, dass der rechte Abtriebsarm (5a ) um mehr als etwa eine volle Umdrehung nach rechts drehbar ist, und dass der linke Abtriebsarm (5b ) weiterhin eine linke Endanschlagplatte (17b ) aufweist, mittels derer unter Verwendung einer linken Endanschlag-Gegendruckplatte (19b ) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Endanschlagspuffers (18b ) verhindert wird, dass der linke Abtriebsarm (5b ) um mehr als etwa eine volle Umdrehung nach links drehbar ist, dass ein rechter Vorspannungs-Mechanismus (7a ) vorgesehen ist, welcher den Abtriebsarm (5a ) nach links treibt, und dass ein linker Vorspannungs-Mechanismus (7b ) vorgesehen ist, welcher den Abtriebsarm (5b ) nach rechts treibt, und dass ein Drehwinkelgeber (16 ) vorgesehen ist, der an der Welle (3 ) angekuppelt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspannungs-Mechanismus (
7a ) aus einer Torsionsfeder (24a ) besteht, die einseitig in den Abtriebsarm (5a ) eingehängt und an der anderen Seite fest eingespannt ist, und die dafür sorgt, dass der Abtriebsarm (5a ) ständig nach links getrieben wird, und dass der Vorspannungs-Mechanismus (7b ) aus einer Torsionsfeder (24b ) besteht, die einseitig in den Abtriebsarm (5b ) eingehängt und an der anderen Seite fest eingespannt ist, und die dafür sorgt, dass der Abtriebsarm (5b ) ständig nach rechts getrieben wird, und dass der rechte Abtriebsarm (5a ) eine rechte Mittelanschlagplatte (14a ) aufweist, die durch Verwendung einer rechten Mittelanschlag-Gegendruckplatte (16a ) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Federkörpers (15a ) verhindert, dass der Abtriebsarm (5a ) über seine Mittelstellung hinaus nach links drehbar ist, und dass der linke Abtriebsarm (5b ) weiterhin eine linke Mittelanschlagplatte (14b ) aufweist, die durch Verwendung einer linken Mittelanschlag-Gegendruckplatte (16b ) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Federkörpers (15b ) verhindert, dass der Abtriebsarm (5b ) über seine Mittelstellung hinaus nach rechts drehbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch
2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Federköper (15a und15b ) aus Gummipuffern, Druckfedern, oder aus mehreren hintereinander gefügten Druckfedern (25a1 ,25a2 ,25b1 und25b2 ) verschiedener Federraten bestehen. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Vorspannungs-Mechanismus (
7a ) aus einem Zahnrad (21a ), welches am Abtriebsarm (5a ) befestigt und um die Welle (3 ) drehbar ist, einer Kette (22a ) oder einem Seil, welche an der einen Seite am Umfang des Zahnrades (21a ) befestigt ist, und an der anderen Seite an einer vorgespannten Zugfeder (23a ), welche den Abtriebsarm (5a ) bei Rechtsdrehung des Lenkrades nach links zieht, besteht, und dass der Vorspannungs-Mechanismus (7b ) in gleicher Weise aus einem Zahnrad (21b ), einer Kette (22b ) und einer vorgespannten Zugfeder (23b ) besteht, welche den Abtriebsarm (5b ) bei Linksdrehung des Lenkrades nach rechts zieht, und dass die beiden Ketten (22a und22b ) in einem solchen Winkel an den Zahnrädern (21a und21b ) befestigt sind, dass sich in Nullstellung des Lenkrades eine verhältnismäßig steile Momentenkennlinie ergibt.
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CN102700522A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-10-03 | 浙江大学 | 一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置 |
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US5370536A (en) * | 1993-04-12 | 1994-12-06 | Chuang; Keh-Shih K. | Variable resistance computer input wheel |
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- 2004-04-05 DE DE102004016680A patent/DE102004016680B4/de not_active Expired - Fee Related
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CN102700522A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-10-03 | 浙江大学 | 一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置 |
CN102700522B (zh) * | 2012-05-25 | 2014-07-23 | 浙江大学 | 一种应用于车辆驾驶模拟器的制动踏板感觉模拟装置 |
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