DE102006049473B4

DE102006049473B4 - Vorrichtung zur Simulation von Lenkkräften und Verfahren zur Steuerung dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006049473B4
Application number: DE200610049473
Authority: DE
Inventors: Nicole Speetzen; Jan Münchow
Original assignee: IFE SYSTEMS GmbH
Current assignee: IFE SYSTEMS GmbH
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2026-10-17
Also published as: DE102006049473A1

Abstract

Vorrichtung zur Simulation von Lenkkräften, welche mittels eines Simulationsrechners zu beeinflussen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenksimulator aus einer Lenkwelle (1.1) besteht, welche durch ein innenliegendes Stützlager (1.2) geführt ist, welches wiederum in einem Lagerklotz-Unterteil (1.3) angeordnet ist, ein erstes Zahnrad (1.4) auf der Lenkwelle (1.1) dabei so angeordnet ist, dass es in ein zweites Zahnrad (2.2) eingreift und mit einem dritten Zahnrad (2.3) auf einer gemeinsamen Getriebewelle (2.1) sitzt und durch ein Lagerklotz-Oberteil (2.4) gehalten wird, wobei das dritte Zahnrad (2.3) oberhalb einer Zahnstange (3) so angeordnet ist, dass es in diese Zahnstange (3), welche mit einem Linearantrieb (4) verbunden ist und eine feste Verbindung zu einem Wegmesssystem (5) aufweist, eingreift und an den Enden der Zahnstange (3) einstellbare Drehbegrenzer (6) angeordnet sind, wobei durch das Drehen am Lenkrad über die Lenkwelle (1.1) das Übersetzungsgetriebe, welches aus einem feststehenden Lagerklotz-Unterteil (1.3) mit innen liegendem Stützlager (1.2), einem feststehenden Lagerklotz-Oberteil...

Description

Die Erfindung betrifft eine Konstruktion zur Simulation von Lenkkräften in einem Fahrzeugsimulator als auch die Steuerung für diesen Simulator.
Die Simulation einer Lenkbewegung an sich ist bekannt und wird in jedem Fahrsimulator eingesetzt.
Aus der US 6,296,571 B1 ist ein PC Spiel Lenkrad-Controller bekannt, welcher die Verbindung von Lenkrad und Lenkwelle mittels eines Flansches realisiert, an welchem zwei Spiralfedern so angeordnet sind, dass sie mittels ihrer Federkraft das Lenkrad selbsttätig in seine neutrale Position zurück bewegen. Die Spiralfedern weisen vorzugsweise eine Verlängerung auf, welche es ermöglicht, die Welle um bis zu 120 Grad in Uhrzeigerrichtung oder entgegen der Uhrzeigerrichtung zu drehen, ohne dabei eine Biege-Krümmungs-Spannung des verlängertes Teils der Spiralfeder zu verursachen. Durch Vermeidung dieser Spannung wird die Lebensdauer der Feder verlängert.
Die US 6,050,897 A5 beschreibt einen manueller Controller mittels weichem eine Spindel, Welle oder Achse in eine oder die andere Richtung zwischen einer neutralen und einer voreingestellten Position zu drehen ist, um so Informationen über die Dreh-Kontrolle des Spielers einzugeben.
Die DE 690 27 943 T2 beschreibt eine Steuervorrichtung, welche eine Computeranordnung beschreibt, mittels welcher beim Bewegen von Fahrzeugen entstehende Einflüsse und Eindrücke auf den Fahrer wiedergegeben werden.
Nachteilig bei den bisher bekannten Lenksimulationen ist, dass die Lenksimulation elektrisch über einen, je nach Anspruch, größeren oder kleineren Motor realisiert wird.
Unter Leitung des Instituts für Verkehrswissenschaften (IZVM) and der Universität Würzburg wurde ein Pilotprojekt „Simulation von Einsatzfahrten" durchgeführt, welches im September 2005 beendet wurde.
Die dabei realisierte Lösung von Lenksimulatoren beinhaltete eine Ansteuerung, welche das Zurückstellen des Lenkrades in die Ausgangsposition nicht ermöglicht.
Nachteilig ist außerdem, dass dem Motor der nötige Anschlag fehlt, mittels welchem das Überdrehen des Lenkrades verhindert und somit eine realitätsnahe Fahrzeugcharakteristik vermittelt wird.
Ein weiteres Problem bei bisher bekannten Lenksimulationen in professionellen Fahrsimulatoren sind die hohen Anschaffungskosten für den Motor und die Ansteuerelektronik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstigere und gleichermaßen effektive Lösung einer Vorrichtung zur Simulation von Lenkkräften und ein Verfahren zur Steuerung dieser Vorrichtung darzustellen, die es ermöglicht, realitätsnahe Kräfteeinwirkungen in das Fahrgefühl des Fahrers einfließen zu lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Lenksimulator und ein Verfahren zur Simulation von Lenkkräften gemäß den Patentansprüchen 1 bis 8 gelöst.
Nachfolgend wird der erfindungsgemäße Lenksimulator in seinem Aufbau und anhand eines Ausführungsbeispieles und der 1 bis 4 näher erläutert.
Dabei zeigen
1: die Vorrichtung zur Lenksimulation
2: Frontansicht der mechanischen Komponente der Lenksimulation
3: Schnitt A-A von Bild 2 der mechanischen Komponente der Lenksimulation
4: Ausführungsbeispiel eines Steuerungskonzeptes
Zu 1 bis 3: Der erfindungsgemäße Lenksimulator besteht aus der Lenkwelle (1.1), welche durch ein erstes innenliegendes Stützlager (1.2) geführt ist, welches wiederum im Lagerklotz-Unterteil (1.3) angeordnet ist.
Das erste Zahnrad (1.4) auf der Lenkwelle (1.1) ist dabei so angeordnet, dass es in das zweite Zahnrad (2.2) eingreift. Das zweite Zahnrad (2.2) und das dritte Zahnrad (2.3) sitzen auf einer gemeinsamen Getriebewelle (2.1) und werden durch das Lagerklotz-Oberteil (2.4) gehalten.
Das dritte Zahnrad (2.3) ist oberhalb der Zahnstange (3) so angeordnet, dass es in diese Zahnstange (3) eingreift.
Die Zahnstange (3) ist mit dem Linearantrieb (4) verbunden, welcher vorzugsweise als pneumatischer Antrieb ausgeführt ist und eine feste Verbindung zum Wegmesssystem (5) aufweist. An den Enden der Zahnstange (3) sind einstellbare Drehbegrenzer (6) angeordnet.
Durch das Drehen am Lenkrad wird über die Lenkwelle (1.1) das Übersetzungsgetriebe bewegt, welches aus einem Lagerklotz-Unterteil (1.3) mit dem ersten innenliegenden Stützlager (1.2), dem Lagerklotz-Oberteil (2.4) mit dem zweiten innenliegenden Stützlager (2.5), der Lenkwelle (1.1), der Getriebewelle (2.1) sowie den 3 Zahnrädern (1.4), (2.2) und (2.3) besteht. Die Rotation aus dem Untersetzungetriebe wird über die Zahnstange (3) in eine translatorische Bewegung umgesetzt.
Die Zahnstange (3) ist mit einem pneumatischen Linearantrieb (4) gekoppelt, welcher wiederum eine feste Verbindung mit dem Wegmesssystem (5) aufweist, mittels welchem die exakte Lenkradposition erfasst wird und mit Hilfe des Messwertumformers (7) dem Simulationsrechner zur Verfügung gestellt wird.
Der Linearantrieb (4) ist über eine Ventilkombination von zwei 3/2-Wegeventilen und ein Proportionalventil verbunden.
Diese Ventilkombination wird vom Simulationsrechner so angesteuert, dass mit Hilfe der 3/2-Wegeventile die Richtung und mit dem Proportionalventil die Intensität der Bewegung variiert wird.
So stellt sich das Lenkrad nach einer Kurvenfahrt automatisch in die Mittelstellung zurück, jedoch im Stand verharrt es in der ursprünglichen Stellung.
Das Lenkrad wird vom Simulationsrechner so angesteuert, dass es mit Hilfe der 3/2-Wegeventile und dem Linearantrieb mit einem bestimmten Druck in die Ausgangsposition, vorzugsweise in Mittenstellung, gedreht wird.
Die Kraftwirkung und das damit verbundene Gegenmoment sind über den wirkenden Druck einstellbar, so wird beispielsweise im Stand oder auf trockener Fahrbahn der volle Druck für ein hohes Gegenmoment genutzt. Im anderen Fall wird, beispielsweise zur Simulation einer vereisten Fahrbahn wenig Druck verwendet, da nur ein kleines Gegenmoment notwendig ist.
So wird ein realistisches Verhalten der Lenkkraft in Abhängigkeit der Fahrbahnbeschaffenheit nachgebildet.
Die Lenkraddrehung, die in eine Linearbewegung umgewandelt wurde, besitzt am jeweiligen Zahnstangenende eine mechanisch einstellbare Begrenzung (6), welche das Überdrehen des Lenkrades verhindert und somit eine realitätsnahe Orientierung ermöglicht.
Zudem verhindert die Endbegrenzung den Absturz des Simulationsrechners der mit irrrationalen Werten einer Lenkradüberdrehung überfordert ist.
Die erfindungsgemäße Steuerung der Lenksimulation unterstützt folgende Eigenschaften:

• Lenkradrückstellung in die Mittelstellung während der Fahrt
• keine Lenkradrückstellung im Stand
• großes Gegenmoment (Schwergängigkeit) beim Lenken im Stand
• und beim Fahren auf griffiger Fahrbahn
• kleines Gegenmoment (Leichgängigkeit) beim Lenken während der Fahrt auf rutschiger Fahrbahn,
• Übertragung von Fahrzeugvibrationen,
• Übertragung von Stößen auf die Lenkung.

Zur Realisierung dieser Eigenschaften werden folgende Informationen verarbeitet:

• Lenkradstellung über den Stellungssensor,
• Fahrzeuggeschwindigkeit vom Simulationsrechner,
• Fahrbahnbeschaffenheit vom Simulationsrechner,
• Fahrbahnstöße vom Simulationsrechner.

Zu 4: Grundlegend für die Berechnung aller Rückwirkungen ist die über den Wegsensor S10(4) erfasste Lenkradstellung.
Der Wegsensor ist fest mit dem Antrieb 1.5(4) verbunden, der über zwei 3/2-Wegventile 1.3(4) und 1.4(4) angesteuert wird. Wird das 3/2-Wegventil 1.3(4) von der Steuerung angeregt, so wird von dem Antrieb 1.5(4) die angebrachte Zahnstange nach rechts bewegt und der über den Wegsensor S10(4) erfasste Wert erhöht sich.
Bei der alternativen Ansteuerung des 3/2-Wegventiles 1.4(4) verhält sich das System entgegengesetzt, d. h. die Zahnstange wird von dem Antrieb 1.5(4) nach links bewegt und der über den Wegsensor S10(4) erfasste Wert verringert sich.
Damit diese Bewegungen in ihrer Intensität variabel sind, wird das Proportionalventil 1.2(4) zwischen die Druckluftquelle 1.1(4) und das 3/2-Wegventil 1.3(4) bzw. 1.4(4) geschalten.
Mittels des Proportionalventiles 1.2(4) lässt sich der Druck für das dahinter liegende pneumatische System stufenlos einstellen. Über den variablen Druck und die fest definierte Fläche des Antriebes ist die Kraft auf das Lenkrad einstellbar.
Wird das Lenkrad aus der Mittelstellung nach links bewegt, so wird der über den Wegsensor S10(4) erfasste Wert kleiner als die Hälfte seines Maximalwertes.
Ist dies der Fall und die vom Simulator berechnete Fahrzeuggeschwindigkeit über 0 km/h, so wird der Steuerungsausgang für das 3/2-Wegventil 1.3(4) gesetzt. Entsprechend der vom Simulator vorgegeben Fahrbahnbeschaffenheit wird das Proportionalventil 1.2(4) proportional angesteuert. D. h. je mehr Grip, desto höher der Druck für das System. Liegt der maximale Grip vor, so wirkt über das Proportionalventil 1.2(4), das 3/2-Wegventil 1.3(4) und den Antrieb 1.5(4) eine Kraft auf die Zahnstange, welche über ein Getriebe ein Moment auf die Lenkwelle ausübt und das Lenkrad in die Mittelstellung zurückdreht, sobald das Moment durch den Fahrer reduziert wird. In der Mittelstellung wird der Steuerungsausgang für das 3/2-Wegventil 1.3(4) rückgesetzt.
Für die Lenkradbewegung nach rechts verhält sich das beschriebene System entsprechend gleich, jedoch wird statt des 3/2-Wegventils 1.3(4) nun das 3/2-Wegventil 1.4(4) angesteuert. Um ein Flattern des Lenkrades zu vermeiden, wird eine Hysterese zum Setzen und Rücksetzen der Steuerungsausgänge für das 3/2-Wegventil 1.3(4) und das 3/2-Wegventil 1.4(4) verwendet.
Damit im Stand die Gegenkraft erzeugt, jedoch das Lenkrad nicht wieder in die Mittelstellung zurück bewegt wird, wird in der Steuerung bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 0 km/h auf eine virtuelle Lenkradmittelstellung zurückgegriffen.
Diese wird der realen Lenkradstellung nachgeführt, was immer eine Differenz zur Folge hat.
Auf Grund dieser Differenz und der oben beschriebenen Steuerlogik wird das Gegenmoment erzeugt, jedoch die Rückstellung minimiert. Dieses Verhalten entspricht dann dem geringfügigen Rückdrehen des Lenkrades in einem realen Fahrzeug nach einem Lenkeinschlag im Stand.
Die beschriebenen Verhaltensweisen beziehen sich auf eine griffige Fahrbahn. Ist diese rutschig oder sogar vereist, so wird dieses durch einen verringerten Wert für Fahrbahnbeschaffenheit vom Simulator an die Steuerung übergeben. Die Steuerung steuert den Ausgang für das Proportionalventil 1.2(4) proportional. D. h. der Ausgangswert für das Proportionalventil 1.2(4) wird verringert und damit der Druck für das dahinter liegende System.
Der verringerte Druck hat am Antrieb eine verringerte Kraft zur Folge, welche der Fahrer als geringes Gegenmoment empfindet.
Im Extremfall, vereiste Fahrbahn, wird kein Druck auf den Antrieb geleitet und somit wird keine Kraft und kein Gegenmoment in der Lenkung erzeugt. Die Lenkung erscheint dem Fahrer als rückkopplungsfrei.
Zur Darstellung von Fahrzeugvibrationen werden das Proportionalventil 1.2(4) und 3/2-Wegventil 1.3(4) zufällig und kurzzeitig angesteuert, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über 0 km/h liegt.
Stöße auf die Lenkung werden durch eine kurze gezielte Ansteuerung der Ausgänge für das 3/2-Wegventil 1.3(4) und das 3/2-Wegventil 1.4(4) auf Basis der entsprechenden Information des Simulationsrechners ausgelöst. Diese sind nicht mit anderen Informationen verknüpft.
Die Vorteile gegenüber den schon vorhandenen Lenksimulationen zeigen sich in folgenden Punkten:
Verwendung pneumatischer Antriebe, welche gegenüber elektrischen Antrieben kostengünstig, wartungsarm kompakt, leicht, leise, kühlungsfrei sind. Darüber hinaus findet eine Pufferung der benötigten Energie statt.
Weitere Vorteile bestehen in der Zurverfügungstellung mechanisch begrenzter Drehwinkel in Kombination mit deren absoluter Erfassung (erstmals keine Fehlfunktion auf Grund unklarer Lenkradstellung) statt inkrementeller Erfassung ohne Begrenzung.
Unterschiedliche Straßenbeschaffenheiten werden durch variable Gegenkräfte und Impulse vermittelt, was dem Fahrer erstmals ein reales Fahrgefühl gibt.

Claims

Vorrichtung zur Simulation von Lenkkräften, welche mittels eines Simulationsrechners zu beeinflussen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenksimulator aus einer Lenkwelle (1.1) besteht, welche durch ein innenliegendes Stützlager (1.2) geführt ist, welches wiederum in einem Lagerklotz-Unterteil (1.3) angeordnet ist, ein erstes Zahnrad (1.4) auf der Lenkwelle (1.1) dabei so angeordnet ist, dass es in ein zweites Zahnrad (2.2) eingreift und mit einem dritten Zahnrad (2.3) auf einer gemeinsamen Getriebewelle (2.1) sitzt und durch ein Lagerklotz-Oberteil (2.4) gehalten wird, wobei das dritte Zahnrad (2.3) oberhalb einer Zahnstange (3) so angeordnet ist, dass es in diese Zahnstange (3), welche mit einem Linearantrieb (4) verbunden ist und eine feste Verbindung zu einem Wegmesssystem (5) aufweist, eingreift und an den Enden der Zahnstange (3) einstellbare Drehbegrenzer (6) angeordnet sind, wobei durch das Drehen am Lenkrad über die Lenkwelle (1.1) das Übersetzungsgetriebe, welches aus einem feststehenden Lagerklotz-Unterteil (1.3) mit innen liegendem Stützlager (1.2), einem feststehenden Lagerklotz-Oberteil (2.4) mit innen liegendem Stützlager (2.5), der Lenkwelle (1.1), der Getriebewelle (2.1) sowie den 3 Zahnrädern (1.4, 2.2 und 2.3) besteht, mit einer Kraft beaufschlagt wird und die Rotation aus dem Untersetzungetriebe über eine Zahnstange (3) in eine translatorische Bewegung umzusetzen ist und mittels der Messwertgeber (5) und des Messwertumformers (7) die exakte Lenkradposition erfasst wird und dem Simulationsrechner zur Verfügung gestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (4) als pneumatischer Antrieb ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb über eine Ventilkombination von zwei 3/2-Wegeventilen 1.3(4) und 1.4(4) und ein Proportionalventil 1.2(4) verbunden ist und diese Ventilkombination vom Simulationsrechner so anzusteuern ist, dass mittels der 3/2-Wegeventile 1.3(4) und 1.4(4) die Richtung und mit dem Proportionalventil 1.2(4) die Intensität der Bewegung zu variieren ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Simulationsrechners die Vorrichtung so anzusteuern ist, dass das Lenkrad mit einem bestimmten Druck in die Ausgangsposition zu drehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftwirkung und das damit verbundene Gegenmoment so einstellbar ist, dass unterschiedliche Fahrsituationen und Straßenverhältnisse nachzubilden sind.
Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur Simulation von Lenkkräften, welche mittels eines Simulationsrechners zu beeinflussen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die über einen Wegsensor S10(4) erfasste Lenkradstellung als Grundlage für die Berechnung jeder Bewegung verwendet wird und der Wegsensor, welcher fest mit dem Antrieb 1.5(4) verbunden ist, über zwei 3/2-Wegventile 1.3(4) und 1.4(4) angesteuert wird, wobei, wenn das 3/2-Wegventil 1.3(4) von der Steuerung angeregt wird, von dem Antrieb 1.5(4) die angebrachte Zahnstange nach rechts bewegt wird und sich der über den Wegsensor S10(4) erfasste Wert erhöht und bei der alternativen Ansteuerung des 3/2-Wegventiles 1.4(4) sich das System entgegengesetzt verhält, wobei die Zahnstange von dem Antrieb 1.5(4) nach links bewegt wird und der über den Wegsensor S10(4) erfasste Wert sich verringert und zur Erreichung der Variabilität der Intensität der Bewegung das Proportionalventil 1.2(4) zwischen die Druckluftquelle 1.1(4) und das 3/2-Wegventil 1.3(4) bzw. 1.4(4) geschaltet ist und mittels des Proportionalventiles 1.2(4) der Druck für das dahinter liegende pneumatische System stufenlos einzustellen ist und mittels des variablen Drucks und der fest definierten Fläche des Antriebes die Kraft des Lenkrades einzustellen ist.
Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung von Fahrzeugvibrationen das Proportionalventil 1.2(4) und ein 3/2-Wegventil 1.3(4) oder 1.4(4) zufällig und kurzzeitig angesteuert werden, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit über 0 km/h liegt.
Verfahren zur Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung von Stößen auf die Lenkung kurze gezielte Ansteuerungen der Ausgänge für die 3/2-Wegventile 1.3(4) und 1.4(4) auf Basis der entsprechenden Information des Simulationsrechners ausgelöst werden.