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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung für einen Flugsimulator, umfassend
- – eine beweglich gelagerte Handhabe, die in wenigstens einem Freiheitsgrad aus einer Ruhestellung auslenkbar ist,
- – eine Umlenkeinrichtung, die eine Auslenkung der Handhabe entlang dem wenigstens einen Freiheitsgrad in eine Auslenkung einer Mehrzahl von Federelementen umlenkt, welche antagonistisch zueinander wirken und gemeinsam eine der Auslenkung der Handhabe entgegenwirkende Rückstellkraft erzeugen,
- – ein mechanisches Stellelement, welches so mit der Handhabe und den Federelementen gekoppelt ist, dass die Stärke der Rückstellkraft abhängig von der Stellung des Stellelementes ist, und
- – einen motorischen Antrieb, mittels dessen die Stellung des Stellelementes ansteuerbar ist.
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Stand der Technik
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Eine derartige Betätigungsvorrichtung ist bekannt aus der
US 4,599,070 .
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Die Flugsimulation mittels Flugsimulatoren hat ein breites Anwendungsspektrum. Die Spanne reicht vom klassischen Berufspilotentraining und der Aufklärung von Flugunfällen über die Vermittlung erster Kenntnisse von Fluganfängern und die PC-Flugsimulation als kreatives Hobby bis hin zum Computerspiel.
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Für den professionellen Einsatz wird neben der visuellen Darstellung und Instrumentierung im Cockpit die Flugmechanik und Aerodynamik virtuell realisiert. Dabei ist die Simulation der Ruderkräfte in Abhängigkeit von der Luftströmung ein wichtiges Element für die Wahrnehmung der jeweiligen Flugsituation. Großanlagen sind mit hydraulischen und elektrischen Antrieben für die Steuerung ausgerüstet, die durch Sensoren und komplexe Kraftrückkopplungsmechanismen geregelt werden. Seit kurzem sind derart kraftrückgekoppelte Betätigungsvorrichtungen auch als Module für kleinere bzw. private PC-Anlagen verfügbar. Diese sind jedoch aufgrund ihrer komplexen und aufwendigen Regeltechnik sehr teuer.
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Die für den Hobby- und Spielbereich konzipierte Flugsimulation verwendet demgegenüber sehr einfache Steuerhorn-Konstruktionen. Es werden Federgruppen benutzt, die gegensinnig, d. h. antagonistisch, auf das Steuerhorn wirken und es in der rotatorischen und axialen Bewegungsrichtung in Ruhestellung zu halten suchen. Bei dieser Bauart sind die Lenkkräfte in allen „Flugsituationen” wie auch beim „am Boden abgestellten Flugzeug” gleich. Der Simulator-Pilot fühlt keine flugsituationsabhängigen Effekte, weder durch wechselnde Fluggeschwindigkeiten noch durch Turbulenzen.
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Aus der o. g. gattungsbildenden Druckschrift ist ein Steuerhorn bekannt, das in zwei Freiheitsgraden bewegbar, nämlich axial verschiebbar und rotierbar ist. Jede der beiden Bewegungskomponenten wird auf einen Hebel übertragen, der um einen Schwenkpunkt schwenkbar gelagert ist. An einem freien Hebelende sind die antagonistisch wirkenden Federn jeweils mit ihrem inneren Ende angelenkt, während ihr äußeres Ende jeweils an einer festen Basis, insbesondere am Gehäuse der Betätigungsvorrichtung fixiert ist. Eine Bewegung der Betätigungsvorrichtung führt somit zu einer Verschwenkung des zugeordneten Hebels, der wiederum die Federn entgegenwirken. Die wirksame Rückstellkraft ist dabei zum einen von der Auslegung der Federn, zum anderen aber auch von den Hebelverhältnissen beiderseits des Schwenkpunktes abhängig. Zur flugsituationsabhängigen Einstellung der Rückstellkraft sieht die genannte Druckschrift eine motorische Verschiebung des Schwenkpunktes, d. h. im Ergebnis eine Änderung der Hebelverhältnisse vor.
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Ein anderes Prinzip, das in der
US 6,619,960 B1 offenbart ist und von einem ähnlichen Grundaufbau ausgeht, basiert darauf, die Vorspannung der Federn durch Stellantriebe in Abhängigkeit von der Flugsituation zu variieren und somit die Stärke der Rückstellkraft auf das Steuerhorn zu verändern.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Wirkprinzip für die kostengünstige Realisierung der Simulation flugsituationsabhängiger Steuerkräfte zur Verfügung zu stellen.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Stellelement ausgebildet ist als ein bevorzugt als Drehkranz gestalteter Drehsockel, der um eine Sockel-Drehachse drehbar gelagert ist, und die bevorzugt als Zugfedern ausgebildeten Federelemente an einem Schiebeelement angelenkt sind, welches passiv, linear verschieblich an einer Schiene gelagert ist, die senkrecht zu der Sockel-Drehachse an dem Drehsockel gemeinsam mit diesem drehbar montiert ist.
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Wie beim Stand der Technik wirken die antagonistischen Federelemente einer Auslenkung der Handhabe entgegen, so dass die Rückstellkraft versucht, die Handhabe wieder in die Ruhstellung zurück zu überführen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass sich die Federkräfte der antagonistischen Federelemente einander in der Ruhestellung aufheben. Im Gegensatz dazu herrscht in der ausgelenkten Stellung ein Kräfteungleichgewicht zwischen diesen Kraftkomponenten der antagonistischen Federelemente, sodass eine resultierende Gesamtkraft wirkt, deren Komponente parallel zur Auslenkrichtung hier als Rückstellkraft bezeichnet wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung greifen die Federelemente an einem Schiebeelement an, welches beweglich an einer Schiene gelagert ist. Ein Kräfteungleichgewicht der antagonistischen Federelemente kann daher zu einer Verschiebung des Schiebeelementes auf der Schiene führen. Dabei wird das Schiebeelement in eine Position überführt, in der sich die parallel zu der Schiene ausgerichteten Kraftkomponenten der Federelemente gegenseitig aufheben. Der genaue Ort dieser Position des Schiebeelementes hängt ab von der Orientierung der Schiene relativ zu der Resultierenden des Kräfteungleichgewichts. Steht die Schiene senkrecht zur Resultierenden des Kräfteungleichgewichts, wird sich keine Verschiebung des Schiebeelementes einstellen, da keine parallel zur Schiene ausgerichteten Kraftkomponenten auf das Schiebeelement wirken. Die Resultierende des Kräfteungleichgewichts entspricht in diesem Fall der Gesamtresultierenden, d. h. der Rückstellkraft, die in diesem Fall maximal ist. Steht die Schiene hingegen parallel zur Resultierenden des Kräfteungleichgewichts wird sich das Schiebeelement soweit auf der Schiene verschieben, bis die Resultierende selbst gleich Null ist (hinreichende Länge der Schiene vorausgesetzt). Auch in diesem Fall entspricht die Resultierende der Gesamtresultierenden, d. h. der Rückstellkraft, die in diesem Fall minimal, insbesondere gleich Null ist. Zwischen beiden Extremfälle führt jede Winkelstellung der Schiene zu einer unvollständigen Aufhebung der Resultierenden, d. h. zu einer Position, in der zwar die parallel zur Schiene gerichteten Kraftkomponenten verschwinden, die senkrecht zur Schiene gerichtete Kraftkomponenten jedoch bestehen bleiben, wobei ihre Summe kleiner ist als die maximale Rückstellkraft. Diese sind wiederum zerlegbar in senkrecht zur Auslenkungsrichtung und parallel zur Auslenkungsrichtung gerichtete Kraftkomponenten. Letztere bilden die auf die Handhabe wirkende Rückstellkraft, deren Stärke zwischen Null und der maximalen Rückstellkraft liegt.
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Dies bedeutet, dass das Maß, in dem die der Auslenkung der Handhabe entgegenwirkende Rückstellkraft abgeschwächt wird, von der Winkelstellung der Schiene abhängt. Diese Winkelstellung ist durch motorische Betätigung des Drehsockels, an dem die Schiene drehfest montiert ist, einstellbar. Mit anderen Worten führt also bei der vorliegenden Erfindung eine Drehung des Drehsockels zu einer Abschwächung der auf die Handhabe wirkenden Rückstellkraft. Durch flugsituationsabhängige Einstellung des Drehwinkels der Schiene kann also eine flugsituationsabhängige Steuerhornkraft simuliert werden.
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Obgleich die motorische Verdrehung des Drehsockels beispielsweise unter Verwendung moderner Elektro-Motoren, relativ schnell vonstatten gehen kann, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, beispielsweise zur Simulation von Turbulenzen, die sich dem Piloten als schnelle Kraftwechsel am Steuerhorn darstellen, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen. So ist bei einer solchen Weiterbildung vorgesehen, dass das Schiebeelement um eine zur Erstreckungsrichtung der Schiene parallele Kippachse motorisch kippbar ist. Diese motorische Kippbarkeit wird bevorzugt durch eine motorische Kippbarkeit der gesamten Schiene realisiert. Durch die Verkippung des Schiebeelements wird der Anlenkpunkt der an dem Schiebeelement angelenkten Federelemente bewegt. Dadurch werden die relativen Belastungen der Federelemente verändert, sodass sich ihre resultierende, antagonistische Wirkung auf die Handhabe und damit die Rückstellkraft verändert. Dies wird vom Benutzer als Kräfteschwankungen an der Handhabe wahrgenommen, sodass auf diese Weise Turbulenzen simuliert werden können. Eine durch die Verdrehung des Drehsockels gegebene Basiskraft an der Handhabe bleibt bestehen. Die durch die Verkippung erzeugten Kraftvariationen schwanken um diese Basiskraft.
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Um die Situation in einem Cockpit möglichst realistisch zu simulieren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Handhabe wenigstens in einem axialen Freiheitsgrad auslenkbar ist und dem axialen Freiheitsgrad eine Schiene mit einem daran gelagerten Schiebeelement sowie ein Satz daran angelenkter Federelemente zugeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ein oben geschilderter Simulationsmechanismus zur Simulation der Schub- und Zugbewegung des Steuerhorns verwendet wird. Um dies zu erreichen ist günstigerweise vorgesehen, dass die dem axialen Freiheitsgrad zugeordnete Schiene an einem Drehsockel befestigt ist, der auf einem relativ zu einer festen Basis axial verschieblich gelagerten Schlitten angeordnet ist, an dem die Handhabe in Axialkräfte übertragender Weise montiert ist, wobei die dem axialen Freiheitsgrad zugeordneten Federelemente das dem axialen Freiheitsgrad zugeordnete Schiebelement gegen die feste Basis vorspannen. Durch die Zug- bzw. Schubbewegung des Steuerhorns wird somit der Schlitten relativ zur Basis, z. B. zu einem Simulatorgehäuse, verschoben. Dieser Verschiebung wirken die antagonistisch wirkenden Federelemente entgegen. Sie sind zwischen der Basis und dem Schiebeelement gespannt. Der Drehsockel, an welchem das Schiebeelement mittelbar über die Schiene gelagert ist, ist auf dem Schlitten montiert. Verschiebung der Handhabe führt somit zu einer Verschiebung des Drehsockels. Ist der Drehwinkel des Drehsockels so gewählt, dass die Schiene senkrecht zur Bewegungsrichtung der Handhabe, d. h. zur Axialrichtung, ausgerichtet ist, bleibt das Schiebeelement relativ zu Schiene und Drehsockel unbewegt und unterliegt nur der Verschiebung von Schlitten und Handhabe. Ist im Gegensatz dazu der Drehwinkel des Drehsockels so gewählt, dass die Schiene parallel zur Axialrichtung ausgerichtet ist, rutscht das Schiebeelement, gehalten von den antagonistisch wirkenden Federelementen, entgegen der Verschieberichtung des Schlittens auf der Schiene entlang, sodass die Federelemente der Verschiebung der Handhabe keine Rückstellkraft entgegensetzen können. Bei jeder Winkelstellung zwischen diesen beiden geschilderten Extremstellung rutscht das Schiebeelement entlang der schräg zur Axialrichtung ausgerichteten Schiene so weit, bis sich die parallel zur Schiene gerichteten Kraftkomponenten der Resultierenden der Federkräfte aufheben, wobei jedoch eine parallel zur Verschieberichtung des Schlittens gerichtete Kraftkomponente als Rückstellkraft, die auf eine Rücküberführung des Schlittens in seine Ruhestellung hinwirkt, verbleibt. Die Stärke dieser Rückstellkraft ist abhängig von dem konkreten Drehwinkel des Drehsockels.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Handhabe wenigstens in einem Rotations-Freiheitsgrad auslenkbar ist und dem Rotations-Freiheitsgrad eine Schiene mit einem daran gelagerten Schiebeelement sowie ein Satz daran angelenkter Federelemente zugeordnet sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ein weiter oben geschilderter Simulationsmechanismus für die Simulation von Drehkräften an der Handhabe verwendet wird. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Handhabe drehbar um eine Handhaben-Drehachse gelagert ist und die Umlenkeinrichtung einen drehfest mit der Handhabe gekoppelten und senkrecht zu der Handhaben-Drehachse ausgerichteten, ersten Federansatzhebel umfasst und die dem Rotations-Freiheitsgrad zugeordneten Federelemente das dem Rotations-Freiheitsgrad zugeordnete Schiebelement gegen den ersten Federansatzhebel vorspannen. Im Rahmen einer Weiterbildung dieser Variante der Erfindung ist bevorzugt ein parallel zu der Handhaben-Drehachse angeordneter und drehbar gelagerter Schaft, an dem ein senkrecht zu dessen Erstreckungsrichtung ausgerichteter, zweiter Federansatzhebel drehfest angeordnet, in rotationsübertragender Weise mit der Handhabe gekoppelt, wobei die dem Rotations-Freiheitsgrad zugeordneten Federelemente das dem Rotations-Freiheitsgrad zugeordnete Schiebelement zusätzlich gegen den zweiten Federansatzhebel vorspannen. Der Begriff des Federansatzhebels ist hier weit zu verstehen und kann einen klassischen Hebel, der in etwa senkrecht von dem Schaft der Handhabe abragt, aber auch beispielsweise eine drehfest mit dem Schaft verbundene Scheibe, an deren äußerem Umfang eines der Federelemente befestigt ist, umfassen. Unabhängig von seiner konkreten Gestaltung dient der Federansatzhebel dazu, eine Rotation des Handhabenschaftes in eine lineare Auslenkung eines Federelementes, das einerseits an ihm und andererseits an dem zugeordneten Schiebelement befestigt ist, umzulenken. Ein antagonistisch wirkendes, weiteres Federelement, das ebenfalls an dem dem Rotations-Freiheitsgrad zugeordneten Schiebeelement ansetzt, kann entweder gegen die feste Basis, beispielsweise das Gehäuse, oder gegen einen zweiten Federansatzhebel vorgespannt sein, der auf einem Parallelschaft sitzt, der beispielsweise über eine Steuerkette rotationsübertragend mit dem Handhabenschaft verbunden ist. Der Parallelschaft kann selbst Teil einer (zusätzlichen) Handhabe sein, sodass ein Simulator für zwei Personen realisiert wird. Der Fachmann wird erkennen, dass nach der eben geschilderten Umlenkung der Rotationsbewegung in eine lineare Auslenkung antagonistisch wirkender Federelemente der Mechanismus zur Erzeugung unterschiedlicher Rückstellkräfte identisch mit dem oben geschilderten Mechanismus ist. Auf eine erneute Wiederholung der Erläuterung kann daher hier verzichtet werden.
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Reale Steuerhörner von Flugzeugen sind typischerweise sowohl in axialer Richtung als auch rotatorisch bewegbar. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Handhabe wenigstens in zwei Freiheitsgraden, nämlich einem axialen Freiheitsgrad und einem Rotations-Freiheitsgrad auslenkbar ist, wobei jedem Freiheitsgrad eine Schiene mit einem daran gelagerten Schiebeelement sowie ein Satz daran angelenkter Federelemente zugeordnet sind. Mit anderen Worten sind die beiden oben erläuterten Mechanismen zur Simulation axialer und rotatorischer Hornkräfte in derselben Simulationsvorrichtung, insbesondere im selben Gehäuse integriert. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die den verschiedenen Freiheitsgraden zugeordneten Schienen senkrecht zueinander an demselben Drehsockel befestigt sind. Es bedarf bei dieser Ausführungsform nur eines Drehsockels und nur eines motorischen Antriebs, um flugsituationsabhängige Steuerhornkräfte sowohl in axialer als auch in rotatorischer Richtung zu verändern, wobei die relative Stärke der Veränderung abhängig vom Drehwinkel des Drehsockels für beide Freiheitsgrade gleich verläuft. Stärkere Rückstellkraft in axialer Richtung ist somit gekoppelt mit einer stärkeren Rückstellkraft in rotatorischer Richtung und umgekehrt. Dies ist durchaus sinnvoll, da beide Arten von Steuerhornkräften typischerweise geschwindigkeitsabhängig sind und daher auch bei realen Flugzeugen in ihrer Stärke gekoppelt sind. Durch den oben genannten, bevorzugt vorgesehenen Kippmechanismus, der für jede Schiene günstigerweise unabhängig betätigbar ist, lassen sich unabhängig von den gekoppelten Basiskräften isolierte Kraftvariationen in den einzelnen Freiheitsgraden aufprägen. Dies kann, wie oben geschildert, zur Simulation von Turbulenzen, aber ebenso zur Feinjustierung der Rückstellkräfte in jedem Freiheitsgrad genutzt werden.
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Eine weitere Nutzungsart des Kippmechanismus ist die Simulation einer Autopilot-Funktion. In realen Flugzeugen bewegt sich das Steuerhorn selbsttätig entsprechend der motorisch angesteuerten Ruderaktivität. Eine solche Bewegung des Steuerhorns kann bei einem erfindungsgemäßen Simulator durch die oben beschriebene Verkippung des Schiebeelementes bzw. der zugeordneten Schiene nachgeahmt werden. Die Verkippung des Schiebeelementes führt nämlich bei losgelassener Handhabe zu deren Bewegung entlang dem jeweiligen Freiheitsgrad. Typischerweise wird die so erzeugte Auslenkung der Handhabe recht gering sein. Dies ist jedoch völlig ausreichend, um dem Simulatorpiloten, die Autopilot-Funktion zumindest anzudeuten. Zudem führt der Autopilot auch bei realen Flugzeugen regelmäßig nur kleinere Lenkmanöver durch, sodass auch nur geringe Auslenkungen des Steuerhorns folgen. Diese können auf die beschriebene Weise realistisch simuliert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine perspektivische, teilweise ausgebrochene Darstellung einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung,
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2: eine vergrößerte Darstellung des zentralen Mechanismus der Vorrichtung von 1,
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3: eine schematische Darstellung der Axialkomponente des Mechanismus von 2,
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4: eine Darstellung des erfindungsgemäßen Wirkprinzips,
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5: eine grafische Darstellung der dem Wirkprinzip von 4 zugrunde liegenden physikalischen Funktion.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die 1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung in unterschiedlichem Detail, wohingegen die 3 bis 5 das Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulichen. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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Die Betätigungsvorrichtung 10, die in den 1 und 2 anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt ist, ist auf einer festen Basis, die im vorliegenden Fall als Gehäuse 12 ausgebildet ist, montiert. In dem Gehäuse zwischen 12 ist ein Schlitten 14 angeordnet, der auf einer gehäusefesten Gleitschiene 16 linear gleiten kann. Auf dem Schlitten sind zwei Handhaben 18a, 18b, umfassend jeweils einen Griff 20a, 20b und einen Schaft 22a, 22b gelagert. Zur Lagerung ist jeweils ein paar Stehlagern 24a, 24b auf dem Schlitten montiert, die den Schaft 22a, 22b drehbeweglich, jedoch axial fest lagern. Hierdurch sind die Handhaben 18a, 18b in den Stehlagern 24a, 24b drehbar; axialer Zug oder Druck auf die Handhaben 18a, 18b führt hingegen zu einer Axialverschiebung des gesamten Schlittens 14.
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Die Schäfte 22a, 22b der Handhaben 18a, 18b sind über eine Steuerkette 26, die über drehfest mit den Schäften 22a, 22b verbundene Ritzel 28a, 28b läuft, drehfest miteinander verbunden. Jeder der Schäfte 22a, 22b trägt eine drehfest mit ihm verbundene Scheibe 30a, 30b, an deren äußerem Umfang ein Draht oder eine Schnur befestigt ist, auf deren Bedeutung weiter unten eingegangen werden soll.
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Zentral auf dem Schlitten 14 montiert ist ein Drehkranz 32, der über einen Treibriemen 34 von einem Servomotor 36 motorisch antreibbar, d. h. in seiner Winkelstellung variierbar ist.
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An dem Drehkranz ist eine erste Doppelschiene 38 festgelegt, die in der in den 1 und 2 gezeigten Stellung des Drehkranzes 32 senkrecht zur Axialrichtung, d. h. zur Verschieberichtung des Schlittens 14 ausgerichtet ist. Diese erste Doppelschiene 38, die der Einstellung der einer Axialbewegung der Handhaben 18a, 18b entgegenwirkenden Kraft zugeordnet ist, soll nachfolgend vereinfachend als Axialkraft-Schiene bezeichnet werden.
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Senkrecht zur der Axialkraft-Schiene 38 ist eine zweite Doppelschiene 40 an dem Drehkranz 32 festgelegt. Diese zweite Doppelschiene 40 dient der Einstellung der einer Rotationsbewegung der Handhaben 18a, 18b entgegenwirkenden Kraft und soll nachfolgend vereinfachend als Rotationskraft-Schiene 40 bezeichnet werden.
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Auf jeder der Doppelschienen 38, 40 läuft eine zugeordnete Schiebebuchse 42 bzw. 44, die aufgrund der Doppelnatur jeder der Schienen 38, 40 verdreh- und kippsicher gelagert und lediglich linear auf der jeweiligen Schiene 38, 40 verschiebbar ist. Der Fachmann wird erkennen, dass die gleichen Funktion auch durch jede andere Art von Schiene mit nicht-rotationssymmetrischem Profil erreicht werden kann. Auch ist es nicht erforderlich, als Schiebeelemente Schiebebuchsen zu verwenden; andere Ausführungsformen von Schiebeelementen, wie z. B. Kulissensteine, können ebenso Einsatz finden. Die auf der Axialkraft-Schiene 38 laufende Schiebebuchse 42 soll nachfolgend vereinfachend als Axialkraft-Schiebebuchse 42 bezeichnet werden. Die auf der Rotationskraft-Schiene 40 laufende Schiebebuchse 44 soll nachfolgend vereinfachend als Rotationskraft-Schiebebuchse bezeichnet werden.
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An jeder der Schiebebuchsen 42, 44 ist ein Paar von als Spiralfedern 48 bzw. 50 ausgebildeten Zugfedern angelenkt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Anlenkpunkt als eine Öse 52 (nur eine Öse 52 an der Rotationskraft-Schiebebuchse 44 sichtbar) ausgebildet, in welche Endhaken am inneren Ende der Spiralfedern 48 bzw. 50 eingehakt sind. Die jeweils äußeren Enden der Spiralfedern 48, 50 sind einander diametral gegenüberliegend festgelegt, und zwar die Axialkraft-Federn 48 an gehäusefesten Ösen 54 (nur eine Öse 54 sichtbar) und die Rotationskraft-Federn 50 mittelbar über Verbindungsdrähte 56 an den äußeren Umfängen der Scheiben 30a, 30b auf den Handhabenschäften 22a, 22b. Die Funktion der Scheiben 30a, 30b ist es, eine Rotation der Handhabenschäfte 22a, 22b in eine deutliche Linearbewegung der Verbindungsdrähte 56 umzulenken. Einfache Hebel, Nocken oder eine sonstige Durchmesservergrößerung der Schäfte 22a, 22b würde denselben Zweck erfüllen. Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen nur eine Handhabe 18a vorgesehen ist, ist der dem vorhandenen Schaft 22a abgewandte Rotationskraft-Feder mittelbar oder unmittelbar am Gehäuse 12 festgelegt, vergleichbar der Festlegung der Axialkraft-Federn 48 über die Ösen 54.
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Drehfest mit dem Drehkranz 32 verbunden sind zwei zusätzliche Servo-Motoren 58, 60, nämlich ein der Axialkraft-Schiene 38 zugeordneter Axialkraft-Antrieb 58 und ein der Rotationskraft-Schiene 40 zugeordneter Rotationskraft-Antrieb 60. Wie in den 1 und 2 lediglich für den Axialkraft-Antrieb 58 erkennbar, ist mittels des Antriebs 58 eine Nockenscheibe 62 winkelverstellbar, sodass eine Gabel 64, die einen Nocken 66 der Nockenscheibe 62 umgreift, um ihren Anlenkpunkt motorisch kippbar ist. Das geschlossene Ende der Gabel 64 ist drehfest mit der Axialkraft-Schiene 38 verbunden, die ihrerseits um ihre Längsachse rotierbar gelagert ist. Der Anlenkpunkt der Gabel 64 fällt somit mit der Drehachse der Doppelschiene 38 zusammen. Eine Betätigung des Servo-Motors 58 führt somit zu einer Verkippung der Axialkraft-Schiene 38 um ihre Längsachse und somit zu einer Verkippung der drehfest mit der Schiene 38 verbundenen Schiebebuchse 42. Obgleich in den 1 und 2 nicht im Detail sichtbar, ist eine analoge Verkippung der Rotationskraft-Schiene 40 und damit der Rotationskraft-Schiebebuchse 44 mittels des Rotationskraft-Antriebs 60 vorgesehen.
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Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auf die 3 bis 5 gemeinsam eingegangen. Insbesondere die 3 und 4 stellen vereinfachte, schematische Darstellungen des Schlittens 14, des Drehkranzes 32, der Axialkraft-Schiene 38, der Axialkraft-Schiebebuchse 42, der Axialkraft-Federn 48 und deren zugeordneter Befestigungsösen 54 dar.
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Eine Schub- oder Druckbeaufschlagung der Handhabe 18a führt zu einer Linearverschiebung S des Schlittens 14. Die Linearverschiebung S des Schlittens 14 kann höchstens die Maximalverschiebung Smax annehmen. Smax ist typischerweise durch Anschläge, die gefedert ausgeführt sein können, beschränkt. Wie insbesondere in 3 erkennbar, führt eine Schlittenverschiebung S zu einer ungleichmäßigen Auslenkung der Federn 48. Insbesondere wird die in 3 untere Feder gestreckt, d. h. ihre Vorspannung verstärkt, und die in 3 obere Feder gestaucht, d. h. ihre Vorspannung verringert. Hieraus folgt eine resultierende Kraft F, die der linearen Verschiebung S des Schlittens 14 entgegenwirkt, d. h. den Schlitten und somit die Handhabe in die Ruhestellung zurück zu überführen versucht. Die Ruhestellung ist die im linken Teilbild von 4 dargestellte Position des Schlittens 14, in der beide Federn 48 gleichmäßig vorgespannt sind, so dass sich ihre in Axialrichtung gerichteten Kraftkomponenten gegenseitig aufheben.
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Mittels des in den 3 und 4 nicht gezeigten Drehkranz-Antriebs 36 ist der Drehkranz 32 um einen Winkel α verdrehbar. Die Wirkung einer solchen Verdrehung um einen Winkel α ist in 4 verdeutlicht. Das zweite Teilbild von 4 entspricht im Wesentlichen 3, wobei die Schiene 38 einen Winkel α von 90° einnimmt, d. h. senkrecht zur Verschieberichtung des Schlittens 14 ausgerichtet ist. Der Schlittenverschiebung S wirkt somit die gesamte Kraft F, die sich als Summe der Federkräfte 48 ergibt, entgegen. Im rechten Teilbild von 4 ist eine zweite Extremstellung dargestellt, in der die Schiene 38 parallel zur Verschieberichtung des Schlittens 14 ausgerichtet ist, d. h. der Winkel α beträgt 0°. In dieser Stellung kann der Schlitten 14 kräftefrei verschoben werden (jedenfalls soweit, bis die von den Federn 48 relativ zum Gehäuse festgehaltene Schiebebuchse 42 am Ende der Schiene 38 anschlägt).
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Das dritte Teilbild von 4 zeigt eine Zwischenposition, bei der α = 45° ist. Mit anderen Worten steht die Schiene 38 schräg zur Verschieberichtung des Schlittens 14. Die Schiebebuchse 42 versucht dem Vorspannungs-Ungleichgewicht, welches durch die Verschiebung des Schlittens 14 verursacht wird, durch ein Gleiten auf der Schiene 38 auszuweichen. Durch die Zwangsführung der Schiene 38 werden die Federn 48 hierbei jedoch seitlich ausgelenkt. Dies führt zu senkrecht zur Verschieberichtung des Schlittens 14 gerichteten Kraftkomponenten der Federvorspannung. Die resultierende Kraft, die sich als Vektorsumme aus den vorgenannten Kraftkomponenten ergibt, lässt sich bezogen auf die Ausrichtung der Schiene 38, in zwei Komponenten zerlegen, nämlich eine Komponente parallel zur Schiene 38 und eine Komponente senkrecht dazu. Die auf der Schiene zwangsgeführte Schiebebuchse verschiebt sich soweit, bis sie eine Position erreicht hat, an der die parallel zur Schiene 38 gerichtete Kraftkomponente verschwindet, d. h. bis sich die Beiträge beider Federn 48 zur schienenparallelen Komponente gegenseitig aufheben. Wie im dritten Teilbild von 4 deutlich erkennbar, verschwindet an dieser Position jedoch die senkrecht zur Schiene gerichtete Kraftkomponente nicht. Diese lässt sich nun wieder aufspalten in eine Komponente senkrecht zur Verschieberichtung des Schlittens 14 und eine Komponente parallel dazu. Letztere ist die in 4 mit F = xFmax bezeichnete, wirksame Rückstellkraft auf den Schlitten 14. Es gilt 0 < x < 1 für jeden Winkel α zwischen den extremen α = 90° und α = 0°, die im zweiten bzw. vierten Teilbild von 4 dargestellt sind.
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5 zeigt den mathematischen Zusammenhang zwischen der wirksamen Rückstellkraft F, der Auslenkung des Schlittens S und insbesondere dem Winkel α des Drehkranzes 32.
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Die Übertragung dieses Konzeptes auf den Rotations-Freiheitsgrad wird für den Fachmann einfach sein. An die Stelle der Schlittenverschiebung tritt hierbei die ungleichmäßige Auslenkung, die die beiden Federn 50 durch die gleichsinnige Verdrehung der Handhaben 18, 18b erfahren. Beim Fall nur einer Handhabe, d. h. wenn die zweite Feder 50 nicht an einem Parallelschaft sondern am Gehäuse 12 fixiert ist, ändern sich die Zusammenhänge geringfügig, bleiben im Prinzip jedoch gleich.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die Kopplung des erfindungsgemäßen Mechanismus mit anderen Freiheitsgraden der Handhabe, beispielsweise einer Verschwenkung des Schaftes, kombinierbar. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass für jeden Freiheitsgrad genau zwei Federelemente vorgesehen sind. Eine größere Anzahl insgesamt antagonistisch wirkender Federelemente ist ebenso möglich. Die Federelemente müssen nicht zwingend, wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, als Spiralfedern ausgebildet sein. Andere Ausgestaltungen, wie beispielsweise Blattfedern etc. sind ebenso denkbar. Weiter ist der motorische Antrieb 36 des Drehkranzes 32 nicht auf die dargestellte Ausführungsform als Riemenantrieb beschränkt. Andere Formen, beispielsweise ein Zahnantrieb, sind ebenfalls denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Betätigungsvorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Schlitten
- 16
- Gleitschiene
- 18a, b
- Handhabe
- 20a, b
- Griff von 18a, b
- 22a, b
- Schaft von 18a, b
- 24a, b
- Stehlager
- 26
- Steuerkette
- 28a, b
- Ritzel
- 30a, b
- Scheibe
- 32
- Drehkranz
- 34
- Riemen
- 36
- Elektromotor/Antrieb
- 38
- Axialkraft-Schiene
- 40
- Rotationskraft-Schiene
- 42
- Axialkraft-Schiebebuchse
- 44
- Rotationskraft-Schiebebuchse
- 48
- Axialkraft-Feder
- 50
- Rotationskraft-Feder
- 52
- Öse
- 54
- Öse
- 56
- Verbindungsdraht
- 58
- Elektromotor/Antrieb
- 60
- Elektromotor/Antrieb
- 62
- Nockenscheibe
- 64
- Gabel
- 66
- Nocken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4599070 [0002]
- US 6619960 B1 [0007]
