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Die
Erfindung betrifft ein Aufsetz-Messlenkrad, das mit einem Fahrzeug-Lenkrad mit im wesentlichen
zentral vorgesehenem Airbag drehfest verbindbar ist und mit dem
das von einem Fahrzeug-Führer
an das Messlenkrad angelegte Lenkmoment sowie der eingestellte Lenkwinkel
gemessen und entsprechende Signale abgegeben werden können, wobei
das entsprechende Messsystem des Messlenkrads solchermaßen angeordnet
ist, dass der Airbag des Fahrzeug-Lenkrads auslösbar ist, ohne dass dessen
Funktion durch das Messlenkrad nennenswert eingeschränkt wird.
Zum Stand der Technik wird neben der
DE-PS-1573957 auf
die
AT 413 152 B und
die
WO 2005/059494
A1 sowie auf ein im Internet (jedenfalls am 02.11.2007)
unter der Adresse „http://www.messlenkrad.de" dargestelltes airbagtaugliches
Messlenkrad der Firma ALTHEN GmbH – ein entsprechender Ausdruck
dieser Internet-Seite ist den Anmeldungsunterlagen beigefügt – verwiesen.
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Mit
grundsätzlich
bekannten Messlenkrädern werden
während
der Entwicklung von Kraftfahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen,
im Fahrversuch der vom Fahrer vorgegebene Lenkwinkel und das vom
Fahrer an das Messlenkrad angelegte Lenkmoment gemessen. Hierzu
ist das Messlenkrad vorzugsweise starr, zumindest jedoch drehfest
mit dem üblichen
Fahrzeug-Lenkrad
verbindbar und dabei vorzugsweise auf dieses aufsetzbar. Die genannte
alte deutsche Patentschrift zeigt ein Messlenkrad mit einem im wesentlichen
zentral angeordneten Lenkkraft-Messgerät, womit also das besagte Lenkmoment
bestimmt werden kann. Eine solche Anordnung ist jedoch bei heutigen
Fahrzeug-Lenkrädern aufgrund
des üblichen,
zentral vorgesehenen Airbags nicht möglich.
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Gleiches
gilt für
die in der
AT 413 152
B gezeigte Drehmomenterfassungseinrichtung für ein Lenksystem
eines über
ein Lenkrad steuerbaren Fahrzeugs, mit einem mit dem Lenksystem
verbundenen Trägerkörper und
zumindest einem Messaufnehmer zur Ermittlung des durch den Fahrzeuglenker
aufzubringenden Drehmoments. Um auf einfache Weise Lenkdrehmomente
erfassen zu können,
ist in dieser Schrift vorgeschlagen, dass der Trägerkörper mittels einer Klemmeinrichtung
am Lenkradring des Fahrzeug-Lenkrads
anbringbar ist. Dabei deckt jedoch der Trägerkörper einen im Zentrum des Lenkrads
vorgesehenen Airbag ab.
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Die
weiterhin als Stand der Technik genannte
WO 2005/059494 A1 zeigt
ein Aufsetz-Messlenkrad, welches im wesentlichen ebenso wie das
in der bereits genannten
AT
413 152 B gezeigte gestaltet ist, so dass dessen Nachteil
auch bei diesem weiteren Stand der Technik festzustellen ist.
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Unter
der o. g. Internet-Fundstelle ist ein sog. airbagtaugliches Messlenkrad
gezeigt, welches auf heute übliche
Fahrzeuglenkräder
mit zentral angeordnetem Airbag aufgesetzt werden kann, wobei die Gestaltung
derart zu sein scheint, dass dieser Airbag im Bedarfsfall ausgelöst und wirksam
werden kann, ohne dass dabei die Messsysteme des Messlenkrads, mit
denen neben dem vom Fahrer angelegten Drehmoment auch der vom Fahrer
eingestellte Lenkwinkel gemessen werden kann, wesentlich beschädigt werden
und die Funktion eines ausgelösten
Airbags durch dieses Messlenkrad nicht eingeschränkt zu werden scheint. Wie
die Messung des Drehmoments bei diesem bekannten Messlenkrad erfolgt,
ist der genannten Internet-Seite
nicht entnehmbar; für die
Messung des Drehwinkels scheint eine Übertragung der Drehbewegung über ein
endloses Zugmittelgetriebe zu einem an einer geeigneten Stelle des Fahrzeugs,
beispielsweise über
einen Halter an der Innenseite der Windschutzscheibe befestigten
Drehwinkelgeber zu erfolgen.
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Die
Genauigkeit einer derartigen Drehwinkel-Messung unter Zwischenschaltung
eines endloses Zugmittelgetriebes kann vorliegend nicht beurteilt
werden, jedoch stellt dieses Zugmittelgetriebe sicherlich eine mögliche Fehlerquelle
dar. Insbesondere jedoch scheint die Montage des Drehwinkel-Messsystems dieses
Messlenkrads aufgrund des Zumittelgetriebes relativ aufwändig zu
sein.
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Ein
demgegenüber
vereinfacht handhabbares Messlenkrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem für das Lenkmoment
und ein Messsystem für
den Lenkwinkel im wesentlichen im Bereich zwischen dem Lenkradkranz des
Messlenkrads und dem Lenkradkranz des Fahrzeug-Lenkrads vorgesehen
ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen
sind Inhalt der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß sind die
beiden Messsysteme des Messlenkrads, mit denen also der eingestellte
Lenkwinkel und das angelegte Drehmoment gemessen werden können, bei
auf das Fahrzeug-Lenkrad aufgesetztem Messlenkrad quasi unterhalb
des Lenkradkranzes des Messlenkrades vorgesehen. Damit liegen diese
beiden Messsysteme praktisch zwischen den beiden Lenkradkränzen, nämlich zwischen
demjenigen des Messlenkrades und demjenigen des Fahrzeug-Lenkrades.
Dieser Bereich wird von einem sich entfaltenden Airbag nicht getroffen,
so dass im Falle einer Auslösung
des Airbags keine Beeinträchtigung
von dessen Funktion zu befürchten
ist. Auch durch die entsprechend angeordneten Messsysteme kann der
Fahrer selbst bei auslösendem
Airbag nicht geschädigt
werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass das Messsystem für den Lenkwinkel
mit Ausnahme einer im Hinblick auf eine erfolgreiche Messung der
Relativ-Verdrehung
des Lenkrads selbstverständlich
erforderlichen bezüglich
des Fahrzeugs ortsfesten Abstützung praktisch
vollständig
im Bereich des Messlenkrads vorgesehen ist. Insbesondere ist damit
kein weiteres Getriebe erforderlich, welches eine Lenkrad-Drehbewegung
zu einem an einer anderen Stelle des Fahrzeugs abgestützten Drehwinkelsensor überträgt. Die Montage
bzw. der Anbau eines erfindungsgemäßen Messlenkrads an ein Fahrzeug-Lenkrad
wird somit vereinfacht und es ist eine hohe Genauigkeit der Drehwinkel-Messung
erzielbar. In diesem Sinne kann das Lenkwinkel-Messsystem eine zusammen mit dem Lenkradkranz
des Messlenkrads verdrehbare und geeignet angeordnete ringförmige Inkrementalscheibe
und als feststehendes Bezugselement eine mit dieser zusammenwirkende
optische Abtastvorrichtung aufweisen. Letztere ist vorzugsweise
an der Innenseite einer Abdeckung des Messlenkrads, die die beiden
Messsysteme desselben abdeckt, befestigt, wobei diese vorzugsweise
ebenso wie die Messsysteme im montierten Zustand des Messlenkrads zwischen
dessen Lenkradkranz und dem Lenkradkranz des Fahrzeug-Lenkrads liegt
und geschlossen ringförmig
gestaltet ist und sich direkt oder indirekt letztlich an einem feststehenden
Bauelement des Fahrzeugs abstützt.
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Vorzugsweise
weist das Messlenkrad neben einem Lenkradkranz einen sog. Messkörper auf,
der zumindest Teile der genannten Messsysteme enthält und folglich
ebenso wie diese Messsysteme im montierten Zustand des Messlenkrads
zwischen dessen Lenkradkranz und dem Lenkradkranz des Fahrzeug-Lenkrads
liegt und vorzugsweise geschlossen ringförmig gestaltet ist. In diesem
mit dem Lenkradkranz des Messlenkrads verdrehbaren Messkörper kann
ein grundsätzlich
bekanntes Drehmoment-Messsystem, welches an geeigneten geschwächten Abschnitten
des Messkörpers
angebrachte Dehnungsmessstreifen aufweist, integriert sein; ferner
kann der Messkörper
die genannte Inkrementalscheibe zur Lenkwinkelmessung tragen.
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Die
Messsysteme benötigen
zumindest für die
Abgabe von Messsignalen, üblicherweise
jedoch auch zur Erzeugung derselben elektrische Energie, weshalb
vorzugsweise eine induktive Energieübertragungsvorrichtung zur
Versorgung zumindest eines der Messsysteme im wesentlichen im Bereich
zwischen dem Lenkradkranz des Messlenkrads und dem Lenkradkranz
des Fahrzeug-Lenkrads vorgesehen ist, mittels derer eine Energie-Übertragung
zum genannten Messkörper
(und somit zu den genannten auf diesem angeordneten Dehnungsmessstreifen) erfolgen
kann. Vorzugsweise weist diese induktive Energieübertragungsvorrichtung einen
an der Innenseite der bereits genannten bezüglich des Fahrzeugs ortsfesten
Abdeckung befestigten Magnetspulen-Ring und einen hierzu komplementären, am ebenfalls
bereits genannten ringförmigen
Messkörper
des Messlenkrads befestigten Magnetspulen-Ring auf. Um die genannte
Abdeckung zu führen kann
ein eine Relativbewegung bzw. ein Verdrehen des Messkörpers gegenüber der
bezüglich
des Fahrzeugs örtlich
fixen Abdeckung ermöglichendes
ringförmiges
Lager zwischen diesen genannten Bauelementen vorgesehen sein.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
weiter erläutert,
wobei die beigefügten 1, 2 räumliche Darstellungen
eines erfindungsgemäßen Messlenkrads
mit und ohne sog. Abdeckung zeigen, während in 3 das
Detail A aus 2 vergrößert dargestellt ist und 4 einen
Schnitt des Messlenkrads im Bereich einer sog. Klemmstruktur, über die
das Messlenkrad am Lenkradkranz des Fahrzeug-Lenkrads befestigt
wird, zeigt.
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Zunächst auf
die 1, 2 Bezug nehmend ist mit der
Bezugsziffer 1 ein sog. Messkörper eines Messlenkrads bezeichnet,
der über
drei Klemmstrukturen 3 an einem figürlich nicht dargestellten Fahrzeug-Lenkrad,
genauer am oder auf dem Lenkradkranz desselben befestigt werden
kann, so wie dies für
Messlenkräder
dem Fachmann grundsätzlich
bekannt ist. Diese Klemmstrukturen 3 sind derart gestaltet,
dass der ringförmige
Messkörper 1 und
damit die an diesem befestigten und im weiteren näher erläuterten
Messsysteme hinsichtlich Rundlauf bezüglich des Drehpunktes des Fahrzeug-Lenkrads optimal
ausrichtbar ist bzw. sind. Darüber
ist mit diesen Klemmstrukturen 3 eine Anpassung an verschiedene
Fzg.-Lenkräder
mit unterschiedlichen Durchmessern möglich.
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Wie 3 zeigt,
besteht der ringförmige Messkörper 1 im
wesentlichen aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, durch
einen Spalt 2 voneinander getrennten Messkörper-Ringen 1a, 1b,
die über
mehrere dünne
Stege 1c miteinander verbunden sind. Die genannten Klemmstrukturen 3 sind
am äußeren Messkörper-Ring 1a befestigt,
während
der innere Messkörper-Ring 1b über (hier)
drei Füße 4b einen
Lenkradkranz 4a des Messlenkrads trägt.
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Wenn
dieses Messlenkrad auf einem herkömmlichen Fahrzeug-Lenkrad montiert
ist, so liegen bei Ansicht in Richtung der Drehachse des Fahrzeug-Lenkrads die beiden
Lenkradkränze
im wesentlichen übereinander.
Da – wie
ersichtlich – der
ringförmige
Messkörper 1 einen
dem Lenkradkranz 4a des Messlenkrades ähnlichen Durchmesser besitzt
und ferner in Radialrichtung betrachtet nur etwa doppelt so breit
ist wie der Lenkradkranz 4a, liegt innerhalb des Lenkradkranzes 4a und
des Messkörpers 1 ein Freiraum
vor, so dass bei auf einem Fahrzeug-Lenkrad montierten Messlenkrad
ein Airbag dieses Fahrzeug-Lenkrads ausgelöst werden und sich durch dass
Messlenkrad bzw. den genannten Freiraum hindurch entfalten kann
und somit wirksam werden kann.
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Bei
Betätigung
des auf einem Fahrzeug-Lenkrad montierten Messlenkrads leitet der Fahrer
ein Lenkmoment über
den Lenkradkranz 4a ein, welches über die Füße 4b auf den inneren
Messkörper-Ring 1b und
von diesem über
die Stege 1c und sog. Schubfelder 10 (vgl. 3)
auf den äußeren Messkörper-Ring 1a und
von diesem über
die Klemmstrukturen 3 an das Fahrzeug-Lenkrad übertragen wird. Wie 3 zeigt
ist zwischen jeweils zwei Stegen 1c geeignet ein figürlich nicht
dargestellter Dehnungsmessstreifen auf einem sog. Schubfeld 10 angebracht,
mit Hilfe dessen bzw. derer anhand der aus der Übertragung des Lenkmoments
resultierenden geringfügigen
Verformung der Schubfelder 10 das angelegte bzw. übertragene
Lenkmoment gemessen werden kann. Dabei sind die Krafteinleitungspunkte,
nämlich
die Abstützpunkte
der Klemmstrukturen 3 sowie der Füße 4b am Messkörper in möglichst
großem
Abstand zu den Schubfeldern 10 platziert, um zu vermeiden,
dass in den Schubfeldern 10 Spannungen durch die Krafteinleitung
auftreten.
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Sowohl
die Spannungsversorgung der genannten Dehnungsmessstreifen als auch
die Messsignal-Übertragung
von diesen Dehnungsmessstreifen zu einer nicht gezeigten Registriereinheit
erfolgt kabellos über
Nahfeld-Telemetrie, d. h. über
eine induktive Energieübertragungsvorrichtung.
Hierfür
ist sowohl am Messkörper 1 (an
der Außenseite
des äußeren Messkörper-Ringes 1a)
als auch an einer Abdeckung 7 des Messlenkrades, genauer
an einer Innenseite dieser Abdeckung 7, welche zumindest
partiell den Messkörper 1 sowie
die an diesem vorgesehenen Messsysteme abdeckt, jeweils ein Magnetspulen-Ring 9a bzw. 9b vorgesehen
(vgl. 4). Figürlich
nicht dargestellt, jedoch selbstverständlich vorhanden sind am bzw.
im Messkörper 1 geeignete elektronische
Schaltungen, die die über
die Magnetspulen-Ringe 9a, 9b übertragene elektrische Energie für die genannten
Dehnungsmessstreifen geeignet aufbereiten und die weiterhin deren
Messsignale für die
Rückübertragung
in die entgegen gesetzte Richtung zur Abdeckung 7 hin geeignet
aufbereiten.
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Die
Zufuhr von Energie zum an der Abdeckung 7 vorgesehenen
Magnetspulen-Ring 9a sowie der Abgriff der zur Abdeckung 7 hin übertragenen Messsignale
kann relativ einfach erfolgen, da diese Abdeckung 7 bezüglich des
Fahrzeugs ortsfest ist, d. h. sich bei Anlegen eines Lenkmoments
an den Lenkradkranz 4a nicht mitdreht. Hierfür ist diese
in Anpassung an den Messkörper 1 ebenfalls
ringförmige
Abdeckung 7 über
ein Gestänge 6 (vgl. 1)
geeignet im Innenraum des Fahrzeugs abgestützt, beispielsweise an dessen
Armaturentafel. Zur exakten Führung
der Abdeckung 7 sowie zur Aufnahme von Abstützkräften ist
ein eine Relativbewegung bzw. ein Verdrehen des Messkörpers 1 gegenüber der
bezüglich
des Fahrzeugs örtlich
fixen Abdeckung 7 ermöglichendes
ringförmiges
Lager 11 (in Form eines 4-Punkt-Rollenlagers) zwischen
diesen genannten Bauelementen vorgesehen.
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Die
genannte Abdeckung 7 dient aber nicht nur als Träger für den Magnetspulen-Ring 9a der
induktiven Energieübertragungsvorrichtung
sowie zum Schutz der Messsysteme vor Verschmutzung, sondern kann
weiterhin aufgrund ihrer örtlichen
Fixiertheit eine Funktion bei der Messung des Lenkwinkels des bzw.
mittels des Messlenkrads übernehmen.
Der jeweilige Lenkwinkel bzw. Verdrehwinkel des Messkörpers 1 ist
selbstverständlich
nur gegenüber
einem feststehenden Bezugselement messbar und die Abdeckung 7 bildet
nun einen Träger
für dieses
feststehende Bezugselement.
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Konkret
ist dieses feststehende Bezugselement durch eine optische Abtastvorrichtung 5 in
Form einer Lichtschranke gebildet, die geeignet mit einer ringförmigen Inkrementalscheibe 8 zusammenwirkt, die über einen
Halter 13 am Messkörper 1 befestigt ist.
Aufgrund ihres relativ großen
Durchmessers kann mittels dieser Inkrementalscheibe 8 eine
Messwinkel-Auflösung von
0,1° problemlos
erreicht werden. Die optische Abtastvorrichtung 5 ist wie
ersichtlich über
eine geeignete Halterung 14 an der Innenseite der Abdeckung 7 befestigt
und kann durch diese hindurch einfach mit Kabeln 15 an
eine Energieversorgung sowie an eine Signalauswerteeinheit (jeweils nicht
gezeigt) angeschlossen werden.
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Um
das Messlenkrad auf verschiedene Fahrzeug-Lenkräder aufsetzen zu können, sind
die Klemmstrukturen 3 über
einen Durchmesserbereich von 290–450 mm verstellbar. Um ein
höchstmögliches
Maß an
Sicherheit und Funktionalität
im Falle einer Zündung
des Airbags des Fahrzeug-Lenkrads zu gewährleisten, befinden sich an
der Innenseite des Durchtritts bzw. Freiraums des Messlenkrads keine
scharfen Kanten oder Ecken, welche den Airbag durch Aufschlitzen
beschädigen
könnten.
Das Erreichen und die Bedienbarkeit aller in der Nähe des Fahrzeug-Lenkrads
untergebrachten Funktionen, wie z. B. Fahrtrichtungsanzeiger, Scheibenwischerhebel,
Hupe und Multifunktionstasten ist genauso gewährleistet wie ein ausreichender
Abstand zwischen dem Messkörper 1 und
dem Lenkradkranz 4a zum sicheren Umgreifen des letztgenannten.
Der Lenkradkranz 4a des Aufsatz-Messlenkrades und seine Füße 4b sind
aus ergonomischen Gründen
und Sicherheit gegen Verletzung gepolstert und mit Leder bezogen. Seine
Struktur besteht aus Gewichtsgründen
aus dünnwandigem
Aluminiumrohr, an das die Füße 4b angeschweißt sind.
Um Rückwirkungen
durch die Massenträgheit
des Messlenkrads so gering als möglich
zu halten, sind dessen bewegte Massen minimiert. Die Abdeckung 7 hingegen
kann massiver gestaltet sein, denn diese ist kein Teil der bewegten bzw.
rotierenden Massen. Die innere Reibung des Lagers 11 hingegen
ist maßgeblich
für die
Genauigkeit der Momentenmessung, weil sie direkt in das gemessene
Signal eingeht. Der Zielkonflikt besteht darin, ein möglichst
leichtes Lager zu verwenden, das präzise und reibungsarm läuft. Aus
Gewichtsgründen kann
daher ein Leichtbaulager ohne eigene Innen- und Außenringe
verwendet werden. Aus dem gleichen Grund ist die Lageraufnahme direkt
in den Messkörper 1 integriert,
um zusätzliche
Verschraubungen zu vermeiden. Das Lager 11 beeinflusst
außerdem
massiv das Gewicht und somit die Massenträgheit des Aufsatz-Messlenkrades,
wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details
abweichend von obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.