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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Joystick in einer Steuereinrichtung
eines Frachtladesystems, insbesondere in einem Flugzeug.
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In
Transportmitteln wie beispielsweise Flugzeugen werden oftmals Frachtladesysteme
verwendet, um Frachtstücke
wie Container oder Paletten in den Frachtraum einzubringen beziehungsweise
im Frachtraum zu manövrieren.
Als Eingabegerät
für die Steuerung
des Frachtladesystems dient dem Beladepersonal beispielsweise ein
Joystick. Ein derartiger Joystick ist beim Be- oder Entladevorgang
häufig starken
mechanischen Belastungen ausgesetzt. Darüber hinaus muss der Joystick
mehrere einhunderttausend Belastungszyklen überdauern und in einem großen Temperaturbereich
einsetzbar sein.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Joystick
in einer Steuereinrichtung eines Frachtladesystems bereitzustellen,
der einfach und verschleißarm
aufgebaut ist, in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist
und dem Bediener bei der Betätigung
eine haptische Rückmeldung
gibt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Ein
Joystick nach Patentanspruch 1 weist ein in zwei entgegengesetzte
Richtungen kippbares Betätigungselement
mit im Wesentlichen trichterförmiger
Kontur und ein drehbares Rückstellelement
mit einem freien und einem gelagerten Ende auf, wobei das freie
Ende des Rückstellelementes
an einer Stirnseite des Betätigungselementes
anliegt, die Oberfläche
der Stirnseite einen variierenden Abstand zur Kippachse des Betätigungselementes
aufweist, zwischen dem Rückstellelement
und zumindest einem ortsfesten Punkt mindestens ein elastisches Element
angeordnet ist und durch Kippen des Betätigungselementes das Rückstellelement
um sein gelagertes Ende drehbar ist. Bei dem elastischen Element
handelt es sich beispielsweise um eine Feder, insbesondere eine
Zugfeder.
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Durch
das elastische Element wird das freie Ende des Rückstellelementes gegen die
Stirnseite des Betätigungselementes
gedrückt.
Durch den variierenden Abstand der Stirnseite zur Kippachse des Betätigungselementes
wird das freie Ende des Rückstellelementes
beim Kippen des Betätigungselementes
gegen die vom elastischen Element ausgeübte Kraft von der Kippachse
weg gedrückt.
Umgekehrt bewirkt die vom elastischen Element auf das Rückstellelement
ausgeübte
Kraft, dass sich bei unbetätigtem
Joystick das freie Ende des Rückstellelementes über die
Stirnseite des Betätigungselementes
bewegt, beispielsweise gleitet oder rollt, bis ein Auflagepunkt
erreicht ist, in dem ein (lokales oder globales) Minimum des Abstandes
der Stirnseite von der Kippachse herrscht.
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Mittels
der Form der Stirnseite und der Kennlinie des elastischen Elementes
ist der Verlauf zum Kippen des Betätigungselementes über dem
Kippwinkel bedarfsgerecht anpassbar.
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Bevorzugt
weist der Abstand der Stirnseite von der Kippachse des Betätigungselementes
genau ein Minimum auf, das insbesondere auf der Mittelachse des
Betätigungselementes
liegt. Weiterhin bevorzugt wächst
der Abstand der Stirnseite von der Kippachse des Betätigungselementes
streng monoton mit steigendem Abstand von der Mittelachse des Betätigungselementes.
Dies bedeutet, dass das freie Ende des Rückstellelementes durch die
von dem elastischen Element auf das Rückstellelement ausgeübte Kraft
das unbetätigte
Betätigungselement
um die Kippachse dreht, bis das freie Ende in dem Abstandsminimum
auf der Stirnseite aufliegt. In dieser Position hat der Joystick
eine Mittelstellung erreicht, in die er automatisch zentriert wird.
Gleichzeitig befindet sich das Rückstellelement
in einer Nulllage, aus der es nur in eine Richtung ausgelenkt werden
kann, da sich sein freies Ende der Kippachse des Betätigungselementes
nicht weiter nähern
kann.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Stirnseite des Betätigungselementes
spiegelsymmetrisch ausgebildet. Dies führt dazu, dass die für das Kippen
des Betätigungselementes
notwendige Kraft in beiden Kipprichtungen gleich ist. Besonders
bevorzugt verläuft
die Symmetrieebene der spiegelsymmetrischen Stirnseite durch die
Mittelachse des Betätigungselementes.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Stirnseite des Betätigungselementes
durch zwei Bögen
gebildet. Dies führt
zu einem vorteilhaften, stetigen Verlauf der Kraft über dem
Kippwinkel.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist am freien Ende
des Rückstellelementes eine
Rolle angeordnet. Bei einer Relativbewegung zwischen dem freien
Ende des Rückstellelementes und
der Stirnseite des Betätigungselementes
rollt diese Rolle über
die Stirnfläche.
Dies hat einerseits den Vorteil eines verringerten Abriebs und damit
einhergehend einer längeren
Lebensdauer des Joysticks. Andererseits resultiert daraus eine verringerte Reibung,
so dass das Betätigungselement
auch bei nur geringer Auslenkung aus seiner Mittelstellung durch
das Rückstellelement
in die Mittelstellung zurückbewegt
wird.
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Bevorzugt
weist der Joystick mindestens ein mittels des Rückstellelementes betätigbares
Schaltmittel, insbesondere einen Mikroschalter, auf. Mit Hilfe des
Schaltmittels ist ermittelbar, ob die Auslenkung des Rückstellelementes
aus seiner Nulllage und damit der Kippwinkel des Betätigungselementes
aus seiner Mittelstellung eine festgelegte Schaltschwelle überschritten
hat. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Schaltelement
ortsfest im Joystick angeordnet und das Rückstellelement weist ein Mittel zur
Betätigung
des Schaltmittels auf. Bei dem Mittel zur Betätigung des Schaltmittels handelt
es sich beispielsweise um eine Nase oder einen Vorsprung.
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Weiterhin
bevorzugt weist der Joystick mindestens zwei mittels des Betätigungselementes
betätigbare
Schaltmittel, insbesondere Mikroschalter, auf. Je nach Kipprichtung
des Betätigungselementes
wird zumindest eines der Schaltmittel betätigt. Dadurch ist die Kipprichtung
des Betätigungselementes
detektierbar. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die
Schaltelemente ortsfest im Joystick angeordnet und das Betätigungselement
weist mindestens ein Mittel zur Betätigung der Schaltmittel auf.
Bei diesem Mittel handelt es sich beispielsweise um eine Nase oder
einen Vorsprung.
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Bevorzugt
sind die durch das Rückstellelement
und das Betätigungselement
betätigbaren Schaltmittel
derart im Joystick angeordnet, dass das vom Rückstellelement betätigbare
Schaltmittel bei einem Kippwinkel des Betätigungselementes betätigt wird,
der kleiner ist als der Kippwinkel, bei dem ein Schaltmittel durch
das Betätigungselement
betätigt wird.
Beim Kippen des Betätigungselementes
wird also erst ein Schaltmittel durch das Rückstellelement und danach ein
Schaltmittel durch das Betätigungselement
betätigt.
Die von der Kipprichtung des Betätigungselementes
abhängige
auszuführende
Funktion wird erst dann ausgeführt,
wenn sowohl das durch das Rückstellelement
betätigbare
Schaltmittel als auch das durch das Betätigungselement betätigbare Schaltmittel
seinen Schaltzustand geändert
hat. Dabei handelt es sich um eine Sicherheitsmaßnahme, die verhindert, dass
im Falle des Defekts eines Schaltmittels eine Funktion ungewollt
ausgelöst
wird.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigt
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1a eine
räumliche
Ansicht eines Joysticks,
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1b eine
Aufsicht auf den Joystick aus 1a,
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2 eine
Schnittdarstellung des Joysticks aus 1a entlang
der Schnittlinie A-A,
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3 die
Schnittdarstellung aus 2 mit gekipptem Betätigungselement,
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4 ein
Betätigungselement,
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5 die
räumliche
Darstellung des Betätigungselementes
aus 4,
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6 ein
Rückstellelement,
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7 eine
weitere Schnittdarstellung des Joysticks aus 1a entlang
der Schnittlinie B-B und
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8 noch
eine weitere Schnittdarstellung des Joysticks aus 1a entlang
der Schnittlinie C-C.
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1a zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines Joysticks 1, wie er
insbesondere in als Inside-Control-Panel (ICP) bezeichneten Steuereinrichtungen
für Frachtladesysteme
in Flugzeugen eingesetzt wird. Zur Steuerung der translatorischen
Bewegung eines Frachtstücks
innerhalb des Frachtraums weist der Joystick 1 zwei entgegengesetzte Betätigungsrichtungen
auf. Die Mechanik des Joysticks 1 ist in einem Gehäuse 2 untergebracht,
das im vorliegenden Beispiel zum Schutz vor Beschädigungen
beispielsweise in der Decke oder einer Wand des Frachtraums versenkbar
ist. Der Joystick 1 ist mittels einer Handhabe 3 betätigbar.
Ein Faltenbalg 4 dichtet den Joystick 1 gegen
Verschmutzungen ab.
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1b zeigt
eine Aufsicht auf den Joystick 1 aus 1a,
in der die Schnittlinien für
die Schnittdarstellungen in den 2, 3, 7 und 8 eingezeichnet
sind.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung durch den Joystick 1 aus 1a entlang
der Schnittlinie A-A. Die Handhabe 3 ist mit einem um die
Achse 12 in zwei entgegengesetzte Richtungen kippbaren
Betätigungselement 5 verbunden.
Ein Rückstellelement 6 ist
drehbar um ein Ende 7 gelagert. Am freien Ende 8 des
Rückstellelementes 6 ist
eine Rolle 9 angeordnet, die gegen eine Stirnseite 11 des
Betätigungselementes 5 drückt. Die
Andruckkraft wird von zwei elastischen Elementen in Form von Zugfedern 16 und 18 erzeugt,
die an zwei Armen 10a und 10b (in 2 nicht
dargestellt) des Rückstellelementes 6 angreifen.
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3 zeigt
die Schnittdarstellung des Joysticks 1 aus 2 mit
gekipptem Betätigungselement 5.
Der Abstand des Auflagepunktes der Rolle 9 auf der Stirnseite 11 des
Betätigungselementes 5 von der
Kippachse 12 ist größer als
in der in 2 dargestellten Mittelstellung
des Betätigungselementes 5. Dies
hat zur Folge, dass das freie Ende 8 des Rückstellelementes 6 um
das gelagerte Ende 7 gedreht wurde. Die durch die Federn 16, 18 auf
das Rückstellelement 6 ausgeübte Kraft überträgt sich über die Rolle 9 auf
das Betätigungselement 5.
Diese Kraft ist einerseits vom Benutzer zu überwinden, um das Betätigungslement 5 aus
einer beliebigen Position weiter zu kippen. Andererseits verursacht
diese Kraft bei losgelassenem Betätigungselement 5 ein
Abrollen der Rolle 9 auf der Stirnseite 11, bis
die Rolle 9 eine Position erreicht hat, in der der Abstand
der Stirnseite 11 von der Kippachse 12 ein Minimum
erreicht. Im vorliegenden Fall ist das die in 2 dargestellte
Mittelstellung des Betätigungselementes 5.
Die von der Mechanik auf das Betätigungselement 5 ausgeübte Kraft,
die der Benutzer zum Kippen des Betätigungselementes 5 aufbringen
muss bzw. das Betätigungselement 5 in
seine Mittelstellung zurückbringt,
ist unter anderem abhängig
von der auf das Rückstellelement 6 ausgeübten Kraft
durch die Federn 16, 18 und die Form der Stirnseite 11.
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Die 4 und 5 zeigen
das Betätigungselement 5 in
Vorderansicht beziehungsweise räumlicher
Darstellung. Insbesondere in 4 ist die trichterförmige Kontur
des Betätigungselementes 5 zu
erkennen. Ein erster Bereich des Betätigungselementes 5 besteht
aus einem geraden Schaft, ein zweiter Bereich weist eine dreieckartige
Kontur auf, wobei die zum Schaft weisende Spitze des Dreiecks auf
der Mittelachse 14 des Betätigungselementes 5 liegt.
Die Kippachse 12 ist zwischen dem ersten und zweiten Bereich
des Betätigungselementes 5 angeordnet,
sodass sich insgesamt ein Hebel ergibt.
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Die
Stirnseite 11 des Betätigungselementes 5 ist
spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei die Symmetrieebene durch die
Mittelachse 14 des Betätigungselementes 5 verläuft. Die
Oberfläche
der Stirnseite 11 weist einen variierenden Abstand zur Kippachse 12 des
Betätigungselementes 5 auf
derart, dass der Abstand mit steigendem Abstand des Punktes auf
der Stirnseite 11 von der Symmetrieebene streng monoton
wächst.
Der Abstand von Punkten auf der Stirnseite 11 ist bei gleichbleibendem
Abstand von der Symmetrieebene, in 4 also in
die Zeichenebene hinein, über
die Dicke d des Betätigungselementes 5 konstant.
Die sich in 4 aus der Zeichenebene heraus
erstreckende Nase 13 dient der Betätigung von Schaltmitteln 19 und 20.
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6 zeigt
das Rückstellelement 6 mit
dem gelagerten Ende 7 und dem freien Ende 8. Am
freien Ende 8 sind eine drehbare Rolle 9 sowie
zwei Arme 10a und 10b angeordnet. Das Rückstellelement 6 weist
weiterhin eine Nase 15 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer Schraube besteht. Die Arme 10a und 10b dienen
der Verbindung mit den Federn 16, 18 und die Nase 15 der
Betätigung
eines Schaltmittels 17, das eine Bewegung des Rückstellelementes 6 detektiert.
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7 zeigt
einen weiteren Schnitt durch den Joystick 1 entlang der
Schnittlinie B-B aus 1b. In dieser Schnittdarstellung
sind die Zugfeder 16 und der Mikroschalter 17 erkennbar.
Ein Ende der Feder 16 ist mit einem festen Punkt im Gehäuse 2 verbunden,
das andere Ende mit dem Arm 10a des Rückstellelementes 6.
Der Mikroschalter 17 ist derart ortsfest im Joystick 1 angeordnet,
dass er mittels der Nase 15 des Rückstellelementes 6 betätigbar ist.
In der in 7 dargestellten Mittelstellung
des Betätigungselementes 5 drückt die
Nase 15 gegen ein Betätigungsorgan
des Mikroschalters 17, so dass dieser geschlossen ist.
Ab einer definierten Auslenkung des Betätigungselementes 5 aus
seiner Mittelstellung und der damit einhergehenden Drehung des Rückstellelementes 6 aus
seiner Nulllage endet die Betätigung
des Mikroschalters 17 durch die Nase 15, wodurch
der Mikroschalter 17 geöffnet
wird und die Auslenkung des Betätigungselementes 5 aus
seiner Mittelstellung durch eine in den Figuren nicht dargestellte
Elektronik detektierbar ist.
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8 zeigt
eine weitere Schnittdarstellung des Joysticks 1 entlang
der Schnittlinie C-C aus 1b. Zu
erkennen sind ein weiteres elastisches Element in Form der Zugfeder 18 sowie
zwei Mikroschalter 19 und 20. Ein Ende der Feder 18 ist
an einem ortsfesten Punkt im Gehäuse 2 befestigt,
das andere Ende am Arm 10b des Rückstellelementes 6. Die
Mikroschalter 19 und 20 sind derart angeordnet, dass
sie mittels der Nase 13 des Betätigungselementes 5 betätigbar sind.
In der in 8 dargestellten Mittelstellung
des Betätigungselementes 5 sind
beide Mikroschalter 19 und 20 geöffnet. Wird
die Handhabe 3 durch den Benutzer nach links gedrückt, so
kippt das Betätigungselement 5 im
Uhrzeigersinn um die Kippachse 12. Ab einem definierten
Kippwinkel betätigt
die Nase 13 des Bedienelementes 5 ein Betätigungsorgan
des Mikroschalters 19 und schließt diesen. Bei einer Auslenkung
der Handhabe 3 aus der Mittelstellung nach rechts erfolgt
eine Kippung des Betätigungselementes 5 um
die Kippachse 12 entgegen dem Uhrzeigersinn. Dies führt ab einem
definierten Kippwinkel zur Betätigung
des Betätigungsorgans
des Mikroschalters 20 durch die Nase 13 des Betätigungselementes 5.
Der Zustand der Mikroschalter 19 und 20 und damit
die Kipprichtung des Betätigungselementes 5 sind
mittels einer in den Figuren nicht dargestellten Elektronik detektierbar.
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Das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
ist rein exemplarisch und insofern nicht beschränkend. Insbesondere die Ausgestaltung
des Betätigungselementes 5 und
des Rückstellelementes 6 sowie
die Anzahl und Anordnung der Mikroschalter und Federn ist variabel,
ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Insbesondere können andere
elastische Elemente als die dargestellten Zugfedern und andere Schaltmittel
als die dargestellten Mikroschalter verwendet werden. Ebenfalls
möglich
ist das Weglassen der Handhabe 3 oder einer einstückige Ausbildung
des Betätigungselementes 5 mit
der Handhabe 3. Auch die Verwendung eines Schutzes gegen
Verschmutzung, im vorliegenden Beispiel in Form des Faltenbalges 4,
ist optional. Das Rückstellelement
kann nicht nur rotatorisch, sondern auch translatorisch zustellbar
ausgeführt
sein. Optional ist mindestens ein Anschlag vorgesehen, der die Bewegung
des Rückstellelementes
und/oder des Betätigungselementes
begrenzt.