DE102014007538A1

DE102014007538A1 - Steering wheel for a motor vehicle

Info

Publication number: DE102014007538A1
Application number: DE201410007538
Authority: DE
Inventors: Oliver Bucher; Florian Fink; Volker Kreissig
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad (10) für einen Kraftwagen, mit einem Verbindungselement (12) zum Verbinden des Lenkrads (10) mit einer Lenksäule, mit einem mit dem Verbindungselement (12) verbundenen Handhabungselement (14) für einen Fahrer des Kraftwagens, und mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung (20), welche zum Dämpfen einer Schwingung des Lenkrads (10) wenigstens ein Piezoelement (22) umfasst, wobei das Piezoelement (22) an einer Stelle des Lenkrads (10) angeordnet ist, an welcher eine mittels einer Modalanalyse ermittelte Schwingungsform bei einer Anregung mit vorgebbarer Frequenz auftritt.The invention relates to a steering wheel (10) for a motor vehicle, with a connecting element (12) for connecting the steering wheel (10) to a steering column, with a handling element (14) connected to the connecting element (12) for a driver of the motor vehicle, and with a vibration damping device (20) which comprises at least one piezo element (22) for damping a vibration of the steering wheel (10), the piezo element (22) being arranged at a point on the steering wheel (10) at which a vibration shape determined by means of a modal analysis is at an excitation occurs with a definable frequency.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkrad für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.The invention relates to a steering wheel for a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1.

Ein solches Lenkrad für einen Kraftwagen ist der DE 10 2008 007 162 A2 als bekannt zu entnehmen. Das Lenkrad weist ein Verbindungselement auf, über welches das Lenkrad mit einer Lenksäule des Kraftwagens zu verbinden ist. Ferner weist das Lenkrad ein Handhabungselement für einen Fahrer des Kraftwagens auf. Das Handhabungselement ist mit dem Verbindungselement verbunden. Beispielsweise umfasst das Handhabungselement einen Lenkradkranz und wenigstens eine Speiche, über welche der Lenkradkranz mit dem Verbindungselement verbunden ist. Bei dem Verbindungselement handelt es sich beispielsweise um einen Lenkradtopf, welcher eine Lenkradnabe aufweist. Über die Lenkradnabe ist das Lenkrad mit der Lenksäule verbindbar.Such a steering wheel for a motor vehicle is the DE 10 2008 007 162 A2 to be known as known. The steering wheel has a connecting element, via which the steering wheel is to be connected to a steering column of the motor vehicle. Furthermore, the steering wheel on a handling element for a driver of the motor vehicle. The handling element is connected to the connecting element. For example, the handling element comprises a steering wheel rim and at least one spoke, via which the steering wheel rim is connected to the connecting element. The connecting element is, for example, a steering wheel pot which has a steering wheel hub. The steering wheel hub can be connected to the steering column via the steering wheel hub.

Das Lenkrad umfasst ferner eine Schwingungsdämpfungseinrichtung zum Dämpfen einer Schwingung des Lenkrads. Hierzu umfasst die Schwingungsdämpfungseinrichtung wenigstens ein Piezoelement. Mit anderen Worten umfasst die Schwingungsdämpfungseinrichtung wenigstens ein piezoelektrisches Element. Mittels des Piezoelements beziehungsweise mittels des piezoelektrischen Elements ist eine mechanische Energie der Schwingung in elektrische Energie umwandelbar.The steering wheel further includes a vibration damping device for damping a vibration of the steering wheel. For this purpose, the vibration damping device comprises at least one piezoelectric element. In other words, the vibration damping device comprises at least one piezoelectric element. By means of the piezoelectric element or by means of the piezoelectric element is a mechanical energy of the vibration in electrical energy convertible.

Darüber hinaus umfasst die Schwingungsdämpfungseinrichtung eine Regeleinrichtung, mittels welcher zum Versetzen des Piezoelements in Schwingung das Piezoelement mit elektrischer Energie versorgbar ist. Somit kann das Piezoelement gezielt zum Schwingen angeregt werden, wobei diese Anregung des Piezoelements gegenphasig zu störenden Schwingung des Lenkrades ist. Hierdurch wird das Lenkrad beruhigt. Mit anderen Worten dient die Anregung des Piezoelements dazu, die störende Schwingung zumindest nahezu auszulöschen, so dass das Lenkrad nicht mehr oder nur sehr geringfügig schwingt und der das Lenkrad berührende, insbesondere umgreifende, Fahrer keine Schwingung des Lenkrads haptisch wahrnehmen kann.In addition, the vibration damping device comprises a control device, by means of which the piezoelectric element can be supplied with electrical energy for displacement of the piezoelectric element in oscillation. Thus, the piezoelectric element can be specifically stimulated to vibrate, this excitation of the piezoelectric element is in phase opposition to disturbing vibration of the steering wheel. As a result, the steering wheel is calmed. In other words, the excitation of the piezoelectric element serves to extinguish the disturbing oscillation at least almost, so that the steering wheel no longer or only very slightly vibrates and touching the steering wheel, in particular encompassing, driver can perceive no vibration of the steering wheel haptic.

Die DE 10 2010 006 069 A1 offenbart ein Schwingungsdämpfungssystem einer Lenkanordnung, welches eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Schwingung der Lenkanordnung und eine Aktuatoreinheit zur Erzeugung einer Kompensationsschwingung umfasst. Die Sensoreinheit und die Aktuatoreinheit sind an der Lenkanordnung angeordnet und umfassen zumindest ein piezoelektrisches Element. Dabei ist es vorgesehen, dass die Sensoreinheit durch ein erstes piezoelektrisches Flächenelement und die Aktuatoreinheit durch ein zweites piezoelektrisches Flächenelement bereitgestellt wird. Das Schwingungsdämpfungssystem umfasst eine Regeleinrichtung, die mit dem ersten und dem zweiten piezoelektrischen Flächenelement gekoppelt ist und einen geschlossenen Regelkreis bildet. Die Regeleinrichtung steuert in Abhängigkeit von der von dem ersten piezoelektrischen Flächenelement erfassten Schwingung der Lenkanordnung das zweite piezoelektrische Flächenelement derart an, dass die erzeugte Kompensationsschwingung destruktiv mit der Schwingung der Lenkanordnung interferiert. Somit ist es auch hierbei das Ziel, die Lenkanordnung zu beruhigen, so dass der Fahrer keine Schwingungen der Lenkanordnungen haptisch wahrnehmen kann.The DE 10 2010 006 069 A1 discloses a vibration damping system of a steering assembly including a sensor unit for detecting a vibration of the steering assembly and an actuator unit for generating a compensation vibration. The sensor unit and the actuator unit are arranged on the steering arrangement and comprise at least one piezoelectric element. It is provided that the sensor unit is provided by a first piezoelectric surface element and the actuator unit by a second piezoelectric surface element. The vibration damping system includes a controller coupled to the first and second piezoelectric sheets and forming a closed loop. The control device controls the second piezoelectric surface element in dependence on the oscillation of the steering arrangement detected by the first piezoelectric surface element in such a way that the generated compensation oscillation destructively interferes with the oscillation of the steering arrangement. Thus, it is also the goal here to calm the steering assembly, so that the driver can perceive any vibrations of the steering assemblies haptically.

Moderne Lenkräder sind mit einer Vielzahl von Funktionen und somit Funktionselementen ausgestattet. Die Ausstattung des Lenkrads mit dieser Vielzahl an Funktionselementen steht in Konflikt mit der Bestrebung, das Lenkrad besonders gewichtsgünstig auszugestalten, um das Gewicht des Kraftwagens insgesamt und somit dessen Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen gering zu halten. Darüber hinaus ist es zunehmend schwierig, die unterschiedlichen Funktionselemente bauraumgünstig am Lenkrad anzuordnen. Eine funktionsintegrale Bauweise ist anzustreben, was bedeutet, dass einzelne Bauelemente soweit möglich mehrere Funktionen abdecken. Als Beispiel hierfür kann ein Gasgenerator genannt werden, dessen erste Funktion im Falle eins Unfalls darin besteht, wenigstens einen Luftsack aufzublasen, und dessen zweite Funktion darin besteht, als mechanischer Schwingungstilger durch elastische Lagerung zu wirken.Modern steering wheels are equipped with a variety of functions and thus functional elements. The equipment of the steering wheel with this variety of functional elements is in conflict with the effort to design the steering wheel particularly lightweight in order to keep the weight of the motor vehicle as a whole and thus its fuel consumption and CO2 emissions low. In addition, it is increasingly difficult to arrange the different functional elements space-saving on the steering wheel. A functionally integral design is to be striven for, which means that individual components cover as many functions as possible. As an example of this, a gas generator may be mentioned whose first function in the event of an accident is to inflate at least one airbag and whose second function is to act as a mechanical vibration absorber by elastic support.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lenkrad für einen Kraftwagen der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass Schwingungen des Lenkrads besonders gut gedämpft werden können.Object of the present invention is to develop a steering wheel for a motor vehicle of the type mentioned in such a way that vibrations of the steering wheel can be particularly well damped.

Diese Aufgabe wird durch Lenkrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by steering wheel with the features of claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um ein Lenkrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass Schwingungen des Lenkrads besonders gut gedämpft werden können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Piezoelement an einer Stelle des Lenkrads angeordnet ist, an welcher eine mittels einer Modalanalyse ermittelte Schwingungsform bei einer Anregung mit vorgebbarer Frequenz auftritt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, eine Modalanalyse durchzuführen, um das modale Verhalten und dynamische Struktureigenschaften des Lenkrads zu ermitteln. Im Rahmen der Modalanalyse können – im für spürbare Schwingungen relevanten Frequenzbereich – Resonanzen mit den dazugehörenden Schwingformen ermittelt werden. Durch die Schwingformen kommt es an bestimmten Stellen der Lenkradstruktur zu großen und an anderen Stellen zu geringen Verformungen. Die Stellen mit maximaler Verformung an der Oberfläche, also Dehnung der Randfaser, werden genutzt, um die Piezoelemente anzuordnen. Somit können gezielt die mittels Modalanalyse identifizierten Schwingungsformen und damit die Schwingungen gedämpft werden.To further develop a steering wheel specified in the preamble of claim 1 type such that vibrations of the steering wheel can be particularly well damped, it is inventively provided that the piezoelectric element is disposed at a position of the steering wheel, at which a determined by means of a modal analysis waveform at a Excitation occurs with a predefinable frequency. In other words, it is intended to carry out a modal analysis in order to determine the modal behavior and dynamic structural properties of the steering wheel. In the context of the modal analysis can - in for noticeable vibrations relevant frequency range - resonances with the associated vibration modes are determined. Due to the oscillating shapes, there are large deformations at certain points of the steering wheel structure and too little deformation at other locations. The points with maximum deformation at the surface, ie stretching of the edge fiber, are used to arrange the piezo elements. Thus, specifically identified by means of modal analysis vibration modes and thus the vibrations can be damped.

Insgesamt kann somit ein auf das mechanische Strukturverhalten abgestimmtes passives elektromechanisches Dämpfungssystem, bestehend aus den elektromechanischen Wandlern, welche zum Beispiel Piezo-Keramiken oder elektroaktive Polymere etc. sein können und weiteren elektronischen Komponenten, die in Summe einen elektrischen Schwingkreis darstellen, aufgebaut werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die spürbaren Schwingungen am Lenkrad die Summe der angeregten Strukturresonanzen sind. Diese Resonanzen können entweder messtechnisch oder über CAE (computer aided engineering) bestimmt werden. Charakterisiert sind diese Resonanzen durch eine Eigenfrequenz und eine Schwingform. Das beispielsweise als elektromechanischer Flächenwandler ausgebildete Piezoelement wird dort am effektivsten eingesetzt, wo bei der jeweiligen Schwingform die größte Oberflächendehnung auftritt. Beispielsweise wird an einem fest eingespannten Kragbalken ein Flächenwandler für die erste Biegeresonanz im Bereich der Einspannung auf der Oberfläche ein- oder beidseitig appliziert oder integriert. Im einfachsten Fall wird mit der Kapazität des Flächenwandlers und einer zusätzlichen Induktivität ein elektrischer Schwingkreis erzeugt. Entscheidend ist, dass die Induktivität so gewählt wird, dass die Eigenfrequenz des Schwingkreises mit der zu bedämpfenden Strukturresonanz übereinstimmt, so dass ein Tilger-Effekt und somit eine Beruhigung der Schwingung zu Stande kommt. Über den ohmschen Widerstand der Schaltung oder durch ein zusätzliches Bauteil ist die Vergrößerungsfunktion des elektrischen Tilgers einstellbar. Im komplexeren Fall können mehrere Piezo-Elemente mit einem Schwingkreis (1-modal) betrieben werden oder ein elektrischer Schwingkreis mit mehreren Resonanzen (Multi-Modal-Betrieb), die auf die Strukturresonanzen abgestimmt sind, ein oder mehrere Piezo-Patches betreiben. Jeweilige Piezoelemente können dabei am Lenkrad und/oder an einem Mantelrohr der Lenksäule angebracht werden.Overall, therefore, a tuned to the mechanical structural behavior passive electro-mechanical damping system consisting of the electromechanical transducers, which may be, for example, piezo ceramics or electroactive polymers, etc., and other electronic components, which together represent an electrical resonant circuit, are constructed. The invention is based on the finding that the noticeable vibrations on the steering wheel are the sum of the excited structural resonances. These resonances can be determined either by measurement or by CAE (Computer Aided Engineering). These resonances are characterized by a natural frequency and a vibration mode. The piezoelectric element designed, for example, as an electromechanical planar converter is used most effectively where the greatest surface strain occurs in the respective oscillating mold. For example, a surface transducer for the first bending resonance in the region of the clamping on the surface applied or integrated on a clamped cantilever beam on one or both sides. In the simplest case, an electrical resonant circuit is generated with the capacitance of the area converter and an additional inductance. It is crucial that the inductance is chosen so that the natural frequency of the resonant circuit coincides with the structural resonance to be damped, so that a Tilger effect and thus a calming of the oscillation comes to pass. About the ohmic resistance of the circuit or by an additional component, the magnification function of the electric absorber is adjustable. In the more complex case, several piezo elements can be operated with a resonant circuit (1-modal) or an electrical resonant circuit with multiple resonances (multi-modal operation), which are tuned to the structural resonances, operate one or more piezo patches. Respective piezoelectric elements can be mounted on the steering wheel and / or on a jacket tube of the steering column.

Um ferner einen besonders hohen Funktionsumfang des Lenkrads sowie gleichzeitig ein geringes Gewicht und einen geringen Bauraumbedarf zu schaffen, ist es bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Piezoelement dazu ausgebildet ist, eine mechanische Energie der Schwingung in elektrische Energie umzuwandeln, wobei die Schwingungsdämpfungseinrichtung eine Regeleinrichtung umfasst, mittels welcher zum Versetzen des Piezoelements in Schwingung das Piezoelement mit elektrischer Energie versorgbar ist, und wobei die Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, durch Versorgen des Piezoelements mit elektrischer Energie eine vom Fahrer haptisch wahrnehmbare Vibration des Lenkrads gezielt zu bewirken. Hierbei ist es also vorgesehen, dass der Schwingungsdämpfungseinrichtung, insbesondere dem Piezoelement eine Doppelfunktion zukommt.In order to further provide a particularly high range of functions of the steering wheel and at the same time a low weight and a small space requirement, it is provided in one embodiment that the piezoelectric element is adapted to convert a mechanical energy of the vibration into electrical energy, wherein the vibration damping device comprises a control device , by means of which the piezoelectric element can be supplied with electrical energy for displacing the piezoelectric element, and wherein the control device is designed to selectively effect a vibration of the steering wheel perceivable by the driver by supplying the piezoelectric element with electrical energy. In this case, it is thus provided that the vibration damping device, in particular the piezoelectric element, has a double function.

Einerseits dient die Schwingungsdämpfungseinrichtung mit dem Piezoelement zum Dämpfen von Schwingungen. Hierzu wird mittels des Piezoelements mechanische Energie der Schwingung in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie kann mittels wenigstens eines elektrischen Elements, beispielsweise mittels eines Widerstands und/oder einer Spule, oder mittels eines elektrischen Netzwerks, welches beispielsweise einen elektrischen Widerstand und eine Spule umfasst, kurzzeitig gespeichert werden. Die Wandlung in andere Energieformen (Wärme) ist ebenfalls möglich. Ferner ist es möglich, die elektrische Energie der Regeleinrichtung zuzuführen, wobei die Regeleinrichtung die elektrische Energie empfängt. Die vom Piezoelement bereitgestellte und von der Regeleinrichtung empfangene elektrische Energie charakterisiert beispielsweise einen Ist-Wert, welcher mittels der Regeleinrichtung mit einem Soll-Wert verglichen wird.On the one hand, the vibration damping device with the piezo element serves for damping vibrations. For this purpose, mechanical energy of the vibration is converted into electrical energy by means of the piezoelectric element. This electrical energy can be stored by means of at least one electrical element, for example by means of a resistor and / or a coil, or by means of an electrical network, which comprises, for example, an electrical resistance and a coil, for a short time. The transformation into other forms of energy (heat) is also possible. Furthermore, it is possible to supply the electrical energy to the control device, wherein the control device receives the electrical energy. The electrical energy provided by the piezoelectric element and received by the control device, for example, characterizes an actual value, which is compared with a desired value by means of the control device.

Anhand dieses Vergleichs wird ein Stell-Wert mittels der Regeleinrichtung bestimmt, wobei der Stell-Wert insbesondere in Form von elektrischer Energie zurück zum Piezoelement übermittelt und von diesem erfasst wird. Hierdurch wird das Piezoelement mit elektrischer Energie versorgt und dadurch zum Schwingen angeregt, das heißt in Schwingung versetzt. Der Stell-Wert wird dabei vorteilhafter Weise derart eingestellt, dass die Schwingung des Piezoelements gegenphasig zur Schwingung des Lenkrads ist, so dass die Schwingung des Lenkrads zumindest nahezu vollständig ausgelöscht werden kann. Mit anderen Worten kann beispielsweise mittels des elektrischen Netzwerks eine zu bedämpfende Frequenz eingestellt werden, so dass Schwingungen mit dieser zu bedämpfenden Frequenz mittels des schwingenden Piezoelements gedämpft werden können. Hierzu wird keine externe Energie beispielsweise in Form einer elektrischen Spannung benötigt. Die Schwingungsdämpfungseinrichtung arbeitet lediglich semi-aktiv. Dies kann beispielsweise derart realisiert werden, dass die vom Piezoelement bereitgestellte elektrische Energie genutzt wird, um das Piezoelement anzuregen, das heißt in Schwingung zu versetzen. Das elektrische Netzwerk kann diskrete Bauelemente und/oder integrierte Schaltungen umfassen, welche in das Lenkrad, insbesondere in das Handhabungselement, integriert sein können.Based on this comparison, a control value is determined by means of the control device, wherein the control value is transmitted in particular in the form of electrical energy back to the piezoelectric element and detected by this. As a result, the piezoelectric element is supplied with electrical energy and thereby excited to vibrate, that is vibrated. The setting value is advantageously set such that the oscillation of the piezoelectric element in phase opposition to the vibration of the steering wheel, so that the vibration of the steering wheel can be at least almost completely extinguished. In other words, by means of the electrical network, for example, a frequency to be damped can be set, so that vibrations with this frequency to be damped can be damped by means of the oscillating piezoelectric element. For this purpose, no external energy is needed, for example in the form of an electrical voltage. The vibration damping device works only semi-active. This can be realized, for example, such that the electrical energy provided by the piezoelectric element is used to excite the piezoelectric element, that is to set it in oscillation. The electrical network may comprise discrete components and / or integrated circuits, which may be integrated in the steering wheel, in particular in the handling element.

Zusätzlich zu dieser Schwingungsdämpfungsfunktion kommt der Schwingungsdämpfungseinrichtung eine Vibrationsfunktion und somit eine Hinweisfunktion zu. Dies bedeutet, dass das Piezoelement durch Versorgen mit elektrischer Energie derart angeregt, das heißt in Schwingung versetzt wird, dass das Handhabungselement mittels des in Schwingung versetzten Piezoelements derart vibriert, dass der das Handhabungselement berührende, insbesondere umgreifende, Fahrer die mittels des Piezoelements bewirkten Schwingungen des Handhabungselements haptisch wahrnehmen kann. Diese Schwingungen beziehungsweise Vibrationen des Lenkrads, insbesondere des Handhabungselements, können als Vibrationssignal oder Vibrationshinweis oder Vibrationsalarm genutzt werden, um den Fahrer beispielsweise auf eine Fahr- oder Gefahrensituation haptisch aufmerksam zu machen. In addition to this vibration damping function, the vibration damping device has a vibration function and thus an advisory function. This means that the piezoelectric element is energized by supplying it with electrical energy, that is, vibrating in such a way that the handling element vibrates by means of the vibrating piezoelectric element in such a way that the driver touching, in particular encompassing, the handling element actuates the vibrations of the piezoelectric element caused by the piezoelement Handling element can perceive haptic. These vibrations or vibrations of the steering wheel, in particular of the handling element, can be used as a vibration signal or vibration indication or vibration alarm in order to make the driver, for example, aware of a driving or dangerous situation haptically.

Hierdurch ist eine Funktionsintegration geschaffen, so dass sich ein besonders hoher Funktionserfüllungsumfang des Lenkrads auf kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise realisieren lässt. Ein Aktor, beispielsweise ein Unwuchtelektromotor, zum Bewirken des Vibrationssignals ist nämlich nicht vorgesehen und nicht erforderlich, da das Vibrationssignal mittels des Piezoelements, welches auch zur Schwingungsdämpfung benutzt wird, gezielt erzeugt werden kann.As a result, a functional integration is created, so that a particularly high functional performance of the steering wheel can be realized in a cost-effective, weight and space-saving manner. An actuator, such as an unbalance electric motor, for effecting the vibration signal is namely not provided and not required because the vibration signal can be generated by means of the piezoelectric element, which is also used for vibration damping, targeted.

Die gezielt bewirkte Vibration, das heißt das gezielt bewirkte Vibrationssignal kann beispielsweise zur Realisierung eines sogenannten Spurverlassenswarners verwendet werden. Wird beispielsweise mittels einer optischen Erfassungseinrichtung des Kraftwagens erfasst, dass der Kraftwagen während seiner Fahrt seitliche Fahrbahnmarkierungen überfährt, so kann die vom Fahrer haptisch wahrnehmbare Vibration mittels des Piezoelements gezielt erzeugt werden, um den Fahrer auf das Überfahren der seitlichen Fahrbahnmarkierungen haptisch aufmerksam zu machen.The deliberately caused vibration, that is, the targeted vibration signal can be used, for example, to realize a so-called lane departure warning. If, for example, it is detected by means of an optical detection device of the motor vehicle that the motor vehicle passes over lateral road markings during its travel, the vibration perceptible by the driver can be generated selectively by means of the piezoelectric element in order to make the driver aware of the driving over of the lateral road markings.

Zur Realisierung eines besonders geringen Gewichts und eines besonders geringen Bauraumbedarfs ist das Piezoelement als piezoelektrisches Flächenelement ausgebildet, welches auch als „Piezo-Patch” oder als „piezoelektrischer Flächenwandler” bezeichnet wird.To realize a particularly low weight and a particularly small space requirement, the piezoelectric element is designed as a piezoelectric surface element, which is also referred to as a "piezo-patch" or as a "piezoelectric area converter".

Beispielsweise können mehrere Piezoelemente verwendet werden, um mehrere, unterschiedliche Frequenzen zu bedämpfen. Alternativ ist es möglich, die Regeleinrichtung derart auszulegen, dass ein Piezoelement mehrere unterschiedliche Frequenzen bedämpft.For example, multiple piezo elements may be used to attenuate multiple, different frequencies. Alternatively, it is possible to design the control device such that a piezoelectric element attenuates a plurality of different frequencies.

Zur Realisierung einer besonders gut spürbaren Vibration ist es vorteilhaft, wenn das Piezoelement eine Strukturresonanz des Lenkrads anregt, das heißt mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, deren Frequenz im Bereich einer Lenkradstrukturresonanz sprich Eigenfrequenz liegt. Dabei ist die zuvor beschriebene Positionierung im Bereich der max. Dehnung der dazugehörenden Schwingform besonders gut geeignet Im Weiteren ist auch ein aktives System, insbesondere in Form eines geregelten Schwingungsdämpfungssystems geeignet, um die Signalfunktion zu realisieren.To realize a particularly good vibration, it is advantageous if the piezoelectric element stimulates a structural resonance of the steering wheel, that is acted upon by an AC voltage whose frequency is in the range of a Lenkradstrukturresonanz speak natural frequency. The positioning described above is in the range of max. Elongation of the associated oscillating mold is particularly well suited Furthermore, an active system, in particular in the form of a controlled vibration damping system, is also suitable for realizing the signal function.

Zur Realisierung einer besonders gut spürbaren Vibration ist es vorteilhaft, wenn das Piezoelement eine Strukturresonanz des Lenkrads anregt, wenn das Piezoelement mit elektrischer Energie, zum Beispiel durch ein Wechselspannungssignal, versorgt, das heißt beaufschlagt wird. Dabei ist die zuvor beschriebene Positionierung besonders gut geeignet Im Weiteren ist auch ein aktives System, insbesondere in Form eines geregelten Schwingungsdämpfungssystems geeignet, um die Signalfunktion zu realisieren.To realize a particularly good vibration, it is advantageous if the piezoelectric element stimulates a structural resonance of the steering wheel when the piezoelectric element with electrical energy, for example by an AC signal, supplied, that is acted upon. In this case, the positioning described above is particularly well suited Furthermore, an active system, in particular in the form of a controlled vibration damping system is suitable to realize the signal function.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnung zeigt in:The drawing shows in:

1 eine schematische Vorderansicht eines Lenkrads für einen Kraftwagen, mit einer Schwingungsdämpfungseinrichtung, welche zum Dämpfen von Schwingungen des Lenkrads sowie zum gezielten Bewirken einer Vibration eines Handhabungselements des Lenkrads ausgebildet ist und hierzu wenigstens ein Piezoelement umfasst; und 1 a schematic front view of a steering wheel for a motor vehicle, comprising a vibration damping device, which is designed for damping vibrations of the steering wheel and for selectively causing a vibration of a handling element of the steering wheel and for this purpose comprises at least one piezoelectric element; and

2 eine schematische Perspektivansicht von unterschiedlichen Ausführungsformen des Piezoelements. 2 a schematic perspective view of different embodiments of the piezoelectric element.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, the same or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt in einer schematischen Vorderansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Lenkrad für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Lenkrad 10 umfasst ein Verbindungselement in Form eines Lenkradtopfes 12, über welchen das Lenkrad 10 mit einer Lenksäule des Kraftwagens drehfest verbindbar ist. 1 shows in a schematic front view with a whole 10 designated steering wheel for a motor vehicle, especially a passenger car. The steering wheel 10 comprises a connecting element in the form of a steering wheel pot 12 over which the steering wheel 10 with a steering column of the motor vehicle rotatably connected.

Darüber hinaus umfasst das Lenkrad 10 ein im Ganzen mit 14 bezeichnetes Handhabungselement, welches mit dem Lenkradtopf 12 verbunden ist. Das Handhabungselement 14 umfasst einen Lenkradkranz 16 und Speichen 18, welche in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Über die Speichen 18 ist der Lenkradkranz 16 mit dem Lenkradtopf 12 verbunden. Ein Fahrer des Kraftwagens kann das Handhabungselement 14, insbesondere den Lenkradkranz 16, insbesondere umgreifen, um dadurch den Kraftwagen zu lenken. In addition, the steering wheel includes 10 a whole with 14 designated handling element, which with the steering wheel pot 12 connected is. The handling element 14 includes a steering wheel rim 16 and spokes 18 which are circumferentially spaced from each other. About the spokes 18 is the steering wheel rim 16 with the steering wheel pot 12 connected. A driver of the motor vehicle, the handling element 14 , in particular the steering wheel rim 16 , in particular encompass, thereby to steer the car.

Das Lenkrad 10 umfasst darüber hinaus eine Schwingungsdämpfungseinrichtung 20 mit einer Mehrzahl von Piezoelementen, welche als piezoelektrische Flächenelemente 22 ausgebildet sind. 2 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht unterschiedliche Ausführungsformen eines solchen piezoelektrischen Flächenelements 22. Aus 1 ist erkennbar, dass die piezoelektrischen Flächenelemente 22 mit dem Handhabungselement 14 so verbunden sind, dass über die gesamte Fläche eine Kraftübertragung stattfindet. Zur Realisierung einer besonders guten Kraftübertragung bei geringem Gewicht sind die piezoelektrischen Flächenelemente 22 beispielsweise mit dem Handhabungselement 14 verklebt. Bei Kunststoffspritzgussstrukturen ist eine Verbindung der Piezoelemente mit der Lenkradstruktur im Gießprozess denkbar.The steering wheel 10 also includes a vibration damping device 20 with a plurality of piezo elements serving as piezoelectric surface elements 22 are formed. 2 shows in a schematic perspective view of different embodiments of such a piezoelectric surface element 22 , Out 1 it can be seen that the piezoelectric surface elements 22 with the handling element 14 are connected so that over the entire area a power transmission takes place. To realize a particularly good power transmission with low weight, the piezoelectric surface elements 22 for example, with the handling element 14 bonded. In the case of plastic injection-molded structures, a connection of the piezoelements to the steering wheel structure in the casting process is conceivable.

Die piezoelektrischen Flächenelemente 22 und somit die Schwingungsdämpfungseinrichtung 20 dienen zum Dämpfen wenigstens einer Schwingung des Lenkrads 10. Hierzu wird die mechanische Energie der Schwingung mittels der piezoelektrischen Flächenelemente 22 in elektrische Energie umgewandelt.The piezoelectric surface elements 22 and thus the vibration damping device 20 serve to damp at least one vibration of the steering wheel 10 , For this purpose, the mechanical energy of the vibration by means of the piezoelectric surface elements 22 converted into electrical energy.

Die Flächenelemente 22 mit elektrischer Energie zu versorgen und eine Frequenz einzustellen beruht auf der Erkenntnis, dass das Lenkrad 10 beziehungsweise dessen Struktur Eigenresonanzen, sogenannte Moden, aufweist, die im Gesamtfahrzeug zu unerwünschten Vibrationen führen können. Diese Vibrationen kann der Fahrer in Form eines Kribbelns haptisch wahrnehmen. In der Regel sind es unterschiedliche Moden, das heißt unterschiedliche Schwingungsformen bei unterschiedlichen Frequenzen, die zu unerwünschten Schwingungen, das heißt Resonanzen führen. Mittels der Schwingungsdämpfungseinrichtung 20 ist es möglich, diese unerwünschten Resonanzen gezielt zu bedämpfen, das heißt zumindest zu reduzieren.The surface elements 22 to supply electricity and set a frequency based on the knowledge that the steering wheel 10 or whose structure has natural resonances, so-called modes, which can lead to unwanted vibrations in the entire vehicle. These vibrations can be felt by the driver in the form of a tingling sensation. In general, there are different modes, that is, different forms of vibration at different frequencies, which lead to unwanted vibrations, that is, resonances. By means of the vibration damping device 20 it is possible to specifically attenuate these unwanted resonances, that is, at least reduce.

Die piezoelektrischen Flächenelemente 22 weisen hierzu aktives Material insbesondere in Form von piezoelektrischen Folien auf, welche an geeigneter Stelle am Lenkrad 10 angeordnet werden. Bei diesen geeigneten Stellen handelt es sich um Stellen mit hoher Randfaserdehnung.The piezoelectric surface elements 22 For this purpose have active material, in particular in the form of piezoelectric films, which at a suitable location on the steering wheel 10 to be ordered. These suitable sites are sites with high marginal fiber elongation.

Um nun Schwingungen des Lenkrads besonders gut gedämpft werden können, ist es vorgesehen, dass die Piezoelemente an jeweiligen Stellen angeordnet sind, an welchen jeweilige mittels einer Modalanalyse ermittelte Schwingungsformen bei jeweiligen zugehörigen Anregung mit jeweiligen Frequenz auftreten. Im Rahmen der Modalanalyse werden dynamische Struktureigenschaften des Lenkrads 10 ermittelt, so dass Schwingformen, welche bei Anregungen mit vorgebbaren Frequenzen auftreten, identifiziert werden können. Die Piezoelemente werden an den Stellen angeordnet, an denen die Schwingformen auftreten, um diese gezielt und effektiv bedämpfen zu können.In order to be able to damp vibrations of the steering wheel particularly well, it is provided that the piezoelectric elements are arranged at respective locations at which respective vibration modes determined by means of a modal analysis occur at the respective associated excitation at the respective frequency. Within the scope of the modal analysis, dynamic structural properties of the steering wheel 10 determined, so that vibration modes that occur in excitations with predeterminable frequencies can be identified. The piezo elements are arranged at the points where the vibration modes occur in order to attenuate them targeted and effective.

Um darüber hinaus einen besonders hohen Funktionserfüllungsumfang des Lenkrads 10 auf einfache, kosten-, gewichts- und bauraumgünstige Weise zu Realisieren, dient die Schwingungsdämpfungseinrichtung 20 nicht nur zum Dämpfen von Schwingungen des Lenkrads 10, sondern die Schwingungsdämpfungseinrichtung 20, insbesondere die elektrische Schaltung und die piezoelektrischen Flächenelemente 22, werden auch zum gezielten Erzeugen einer vom Fahrer haptisch wahrnehmbaren Vibration des Handhabungselements 14 genutzt. Dies bedeutet, dass die elektrische Schaltung dazu ausgebildet ist, durch Versorgen der piezoelektrischen Flächenelemente 22 mit elektrischer Energie eine vom Fahrer haptisch wahrnehmbare Vibration des Lenkrads gezielt zu bewirken. Diese gezielt bewirkte oder bewirkbare Vibration wird als haptisches Hinweissignal, insbesondere als Vibrations-Alarm, genutzt, um dem Fahrer wenigstens eine Information haptisch zu kommunizieren.In addition, a particularly high functional performance of the steering wheel 10 To implement in a simple, cost, weight and space-saving way, the vibration damping device is used 20 not only for damping vibrations of the steering wheel 10 but the vibration damping device 20 , in particular the electrical circuit and the piezoelectric surface elements 22 are also used to selectively generate a haptic perceptible by the driver vibration of the handling element 14 used. This means that the electrical circuit is designed to supply the piezoelectric surface elements 22 to cause a perceivable by the driver haptic vibration of the steering wheel with electrical energy. This specifically effected or effected vibration is used as a haptic indication signal, in particular as a vibration alarm, in order to haptically communicate to the driver at least one piece of information.

Beispielsweise ist es möglich, mittels des Vibrationsalarms den Fahrer auf eine Gefahrensituation oder auf eine etwaig auftretende Gefahrensituation haptisch hinzuweisen. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein Spurverlassenswarner darstellen, ohne dass hierzu ein zusätzlicher Unwuchtelektromotor vorgesehen und erforderlich wäre. Wird beispielsweise mittels einer optischen Erfassungseinrichtung des Kraftwagens erfasst, dass der Kraftwagens seitliche Fahrbahnmarkierungen überfährt, so kann mittels der Regeleinrichtung und der piezoelektrischen Flächenelemente 22 der Vibrationsalarm gezielt bewirkt werden, um den Fahrer auf diese Fahrsituation aufmerksam zu machen. In der Folge kann der Fahrer Gegenlenken, um das Verlassen seiner Fahrspur zu vermeiden. Somit lässt sich eine besonders hohe Sicherheit realisieren.For example, it is possible by means of the vibration alarm to alert the driver to a dangerous situation or to any dangerous situation which may occur. This makes it possible, for example, to represent a lane departure warning without an additional unbalance electric motor being provided and required for this purpose. If, for example, it is detected by means of an optical detection device of the motor vehicle that the motor vehicle passes over lateral traffic lane markings, then by means of the control device and the piezoelectric surface elements 22 the vibration alarm can be effected selectively in order to make the driver aware of this driving situation. As a result, the driver can countersteer to avoid leaving his lane. Thus, a particularly high security can be realized.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008007162 A2 [0002]
DE 102010006069 A1 [0005]

Claims

Steering wheel ( 10 ) for a motor vehicle, with a connecting element ( 12 ) for connecting the steering wheel ( 10 ) with a steering column, with one with the connecting element ( 12 ) associated handling element ( 14 ) for a driver of the motor vehicle, and with a vibration damping device ( 20 ), which for damping a vibration of the steering wheel ( 10 ) at least one piezoelectric element ( 22 ), characterized in that the piezoelectric element ( 22 ) at a position of the steering wheel ( 10 ) is arranged at which a determined by means of a modal analysis waveform occurs at a stimulus with a predetermined frequency.

Steering wheel according to claim 1, characterized in that the piezo element ( 22 ) is adapted to convert a mechanical energy of the vibration into electrical energy, wherein the vibration damping device ( 20 ) comprises an electrical circuit, by means of which for displacing the piezoelectric element ( 22 ) vibrates the piezoelectric element ( 22 ) is supplied with electrical energy to a perceivable by the driver haptic vibration of the steering wheel ( 10 ) purposefully.

Steering wheel ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the piezo element ( 22 ) has a plurality of layers of piezoelectric material arranged one above the other.

Steering wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 22 ) as a piezoelectric surface element ( 22 ) is trained.

Steering wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 22 ) with the handling element ( 14 ) is glued.

Steering wheel ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piezo element ( 22 ) is connected by means of a casting process with the steering wheel structure.