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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche ein Lenkrad mit einem einen Lenkradkranzoberflächenabschnitt aufweisenden Lenkradkranz, der vorzugsweise über Speichen mit einem Mittelteil verbunden wird, und mindestens eine Baugruppe umfasst, wobei die Baugruppe einen vorzugsweise als Metallband ausgebildeten Signalübertragungsabschnitt, einen ersten Schallwandler, der dazu ausgebildet ist als Sender Oberflächenwellensignale entlang einer Oberfläche des Lenkradkranzes, insbesondere entlang des Signalübertragungsabschnitts auszusenden, einen zweiten Schallwandler, der dazu ausgebildet ist als Empfänger ausgesendete Oberflächenwellensignale, insbesondere des ersten Schallwandlers zu empfangen, und mindestens ein vorzugsweise aus einem ersten Kunststoff ausgebildetes Abstandselement umfasst.
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Die Berührungserkennung am Lenkrad eines Fahrzeugs ist derzeit von großem Interesse. Insbesondere wenn es um autonomes Fahren geht ist ein verlässliches System zur Erkennung von Händen am Lenkrad (Hands-on-Detection, HoD) gewünscht. Diese muss zuverlässig bei verschiedenen Berührszenarien, beispielsweise durch behandschuhte oder feuchte Hände funktionieren. Es ist bekannt, dass die Berührungserkennung mittels Näherungssensoren, beispielsweise kapazitiven Sensoren möglich ist. Allerdings ist die HoD mit Hilfe von kapazitiven Sensoren fehleranfällig, denn auch ein Objekt/eine Hand, die sich nur in der Nähe des Lenkrads befindet kann bereits eine Berührungserkennung bewirken. Zudem ist eine kapazitive Berührungserkennung mit behandschuhten Händen nicht möglich. Ferner werden bei der Herstellung von Lenkeinrichtungen die einzelnen Komponenten an unterschiedlichen Produktionsstätten hergestellt. Je höher der Anteil der einzelnen Komponenten ist, desto teurer und komplizierter wird die finale Herstellung der Lenkeinrichtung.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Lenkeinrichtung bereitzustellen, welches die Herstellungskosten der Lenkeinrichtung verringert und die finale Herstellung der Lenkeinrichtung vereinfacht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Patentanspruch 1, insbesondere durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Dabei werden zur Herstellung der Baugruppe der erste Schallwandler, der zweite Schallwandler und das Abstandselement mit der Oberfläche des Signalübertragungsabschnitts verbunden. Die hergestellte Baugruppe wird mit dem vorzugsweise aus Metall ausgebildeten Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes mittels des Abstandselements verbunden. Nach dem Verbinden der Baugruppe mit dem Lenkradkranz werden die Baugruppe und der Lenkradkranz mit einer Weichkomponente umschlossen, insbesondere umspritzt, wobei die Weichkomponente als Griffelement des Lenkrads ausgebildet ist. Somit kann in vorteilhafterweise die Baugruppe in einer Produktionsstätte hergestellt werden und danach in einem sehr kompakten Aufbau zu einer anderen Produktionsstätte geliefert werden, wo die finale Herstellung der Lenkeinrichtung, insbesondere des Lenkrads stattfindet. Die finale Herstellung der Lenkeinrichtung wird auch kostengünstiger, weil lediglich die Baugruppe mit dem Lenkradkranz, insbesondere mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt verbunden wird. Eine mit vielen einzelnen Komponenten durchgeführte finale Herstellung der Lenkeinrichtung, insbesondere des Lenkrades entfällt daher in vorteilhafterweise. Durch das mindestens eine Abstandselement kann ein Werker oder eine Maschine in der Produktion die Baugruppe einfach auf dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt montieren und es wird zusätzlich sichergestellt, dass die beiden Schallwandler beabstandet zu dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt angeordnet sind. Somit wird stets gewährleistet, dass die von dem ersten Schallwandler ausgesendeten Oberflächenwellensignale auch zuverlässig von dem zweiten Schallwandler empfangen werden.
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Bei den ausgesendeten Oberflächenwellensignalen handelt es sich insbesondere um akustische Oberflächenwellen. Diese lassen sich auf unterschiedlichsten Oberflächen, beispielsweise Glas, Metall, Keramik, Kunststoffe oder Holz anregen.
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Zur Anregung und zum Empfang der Oberflächenwellensignale werden bevorzugt piezokeramische Schallwandler verwendet. Diese bestehen beispielsweise aus piezoelektrischen Substraten wie Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3) oder kristallinem Quarz und darauf angeordneten, geeignet strukturierten Schallwandlern, den sogenannten Interdigitaltransducern.
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Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen im Bereich einiger Millimeter lassen sich piezokeramische Schallwandler problemlos in den Aufbau eines Lenkrads integrieren. Zudem sind sie in großer Stückzahl günstig produzierbar.
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Oberflächenwellensignale breiten sich - wie ihr Name bereits verrät - an der Oberfläche eines Materials aus und Wechselwirken dort besonders stark mit Berührungen der Oberfläche. Diese aus diesen Wechselwirkungen resultierende Änderung, insbesondere die Dämpfung der Oberflächenwellensignale dient als Messeffekt für die Berührungserkennung. Insbesondere soll ein Berührkontakt durch Hände an dem Lenkrad erkannt werden. Es können weitere Parameter zur Entscheidung, ob ein „echter“ Berührkontakt vorliegt hinzugezogen werden. Beispielsweise die zeitliche Dauer der Dämpfung eines Oberflächenwellensignals.
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Eine Auswerteeinheit steht in Kommunikationsverbindung mit dem Empfänger. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet die empfangenen Oberflächenwellensignale auszuwerten und anhand dieser zu entscheiden ob eine Berührung des Lenkrads vorliegt. Beispielsweise werden die empfangenen Oberflächenwellensignale mit gespeicherten Oberflächenwellensignale verglichen, die zu einem früheren Zeitpunkt aufgenommen wurden. Insbesondere zu einem Zeitpunkt, an dem kein Berührkontakt vorlag. Beispielsweise ist von Werk aus ein Datensatz gespeichert, der Oberflächenwellensignale ohne Dämpfung enthält.
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Nach einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der erste Schallwandler, der zweite Schallwandler und das Abstandselement mit der Oberfläche des Signalübertragungsabschnitts stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden werden. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine kompakte Baugruppe hergestellt, die auch während eines Transports zu einer anderen Produktionsstätte fest zusammenhält und anschließend zuverlässig weiterverarbeitet werden kann.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Abstandselement kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes verbunden wird. Aufgrund dieser Maßnahme kann sichergestellt werden, dass während des Umschließens, insbesondere Umspritzens des Lenkradkranzes mit der Weichkomponente die Baugruppe ihre Position auf dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt beibehält, wodurch die Herstellung der Lenkeinrichtung, insbesondere des Lenkrads vereinfacht wird. Sehr fest und zuverlässig kann die Baugruppe mit dem Lenkrad verbunden werden, wenn das Abstandselement mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes verklebt wird. Zusätzlich oder alternativ kann bei der Herstellung der Lenkeinrichtung vorgesehen sein, dass das Abstandselement mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes verrastet wird, wobei das Abstandselement Rastausnehmungen oder Rasthaken aufweist, die mit den entsprechenden Gegenrastausnehmungen oder Gegenrasthaken, welche am Lenkradkranz angeordnet sind, verbunden werden. Damit wird in vorteilhafterweise erzielt, dass zusätzlich zum Verkleben der Baugruppe mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes die Baugruppe noch fester und sicherer mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt verbunden werden kann. Wenn auf ein Verkleben der Baugruppe mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes verzichtet wird, kann der Werker vorzugsweise mit Hilfe von Werkzeugen die Baugruppe vom Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes lösen, wenn die Baugruppe fehlerhaft sein sollte.
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Ein stärkeres Absorptionsverhalten bei einer Berührung des Griffelements, insbesondere der Weichkomponente konnte überraschenderweise bei Versuchen festgestellt werden, wenn zwischen dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt und der Weichkomponente ein Elastizitätselement angeordnet wird, welches eine höhere Steifigkeit aufweist als die Weichkomponente.
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Das Verfahren zum Herstellen der Lenkeinrichtung kann einfach und kostengünstig durchgeführt werden, wenn die Weichkomponente vor dem Verbinden der Baugruppe mit dem Lenkradkranz im Rahmen eines Tauchverfahrens in einen flüssigen oder zähflüssigen zweiten Kunststoff getaucht wird, herausgezogen wird und der zweite Kunststoff aushärtet, wobei der ausgehärtete zweite Kunststoff als Elastizitätselement ausgebildet ist, welches stoffschlüssig mit der Weichkomponente verbunden ist.
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Das Absorptionsverhalten bei einer Berührung des Griffelements kann weiter verbessert werden, wenn das Elastizitätselement aus Gummi ausgebildet ist. Ferner ist Gummi sehr einfach zu verarbeiten und die Kosten für einen Gummistreifen sind im Vergleich zu anderen Materialien eher gering.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Abstandselement aus einem weichen Material, insbesondere aus Silikonkautschuk oder aus einem harten Material ausgebildet ist. Bei der Verwendung des weichen Materials kann durch das Abstandselement das Absorptionsverhalten bei der Berührung des Griffelements weiter verbessert werden. Bei der Verwendung des harten Materials kann die Verrastung des Abstandselements mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt des Lenkradkranzes zuverlässiger sein, weil sich dann die entsprechenden Rastausnehmungen und Rasthaken sicher und fester miteinander verrasten können.
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Sehr kompakt kann die Lenkeinrichtung aufgebaut werden, wenn die Lenkeinrichtung nur mit einem einzigen ersten Schallwandler und nur mit einem einzigen zweiten Schallwandler versehen wird. Für eine nicht-ortsaufgelöste HoD bietet sich diese Maßnahme an, weil in diesem Fall der vorzugsweise als Metallband ausgebildete Signalübertragungsabschnitt fast umfänglich, insbesondere 360° um den Lenkradkranz angeordnet werden kann. Daher sollte der Signalübertragungsabschnitt im Wesentlichen der Länge des umlaufenden Lenkradkranzoberflächenabschnitts entsprechen.
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Nach einer alternativen Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mehrere, vorzugsweise vier voneinander beabstandete, insbesondere autarke Baugruppen mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt verbunden werden, wobei jede Baugruppe zumindest den ersten Schallwandler und den zweiten Schallwandler umfasst und die jeweiligen Baugruppen beabstandet zueinander auf dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt verbunden werden. Diese bevorzugte Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Ausfall einer Baugruppe, insbesondere mindestens eines Schallwandlers der Baugruppe noch andere Baugruppen zur Verfügung stehen, die eine zuverlässige Berührung des Griffelements gewährleisten. Falls ein Schallwandler ausfallen sollte, wird dies in einer dem Fahrzeug zugeordneten Anzeige, insbesondere auf einem Smartphone oder an einer im Kraftfahrzeug ortsfesten Anzeigevorrichtung dargestellt, so dass ein Benutzer des Kraftfahrzeugs über den Ausfall eines Schallwandlers informiert wird.
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Um die Oberflächenwellensignale zuverlässig auswerten zu können, kann vorgesehen sein, dass jede Baugruppe, insbesondere deren erster Schallwandler und deren zweiter Schallwandler mit einer, vorzugsweisen separaten Steuerungselektronik verbunden werden.
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Es bietet sich in vorteilhafterweise an, die Steuerungselektronik in der Nähe der Baugruppe anzuordnen, um beispielsweise die Länge von Verbindungskabeln zwischen den Schallwandlern und der Steuerungselektronik so gering wie möglich zu gestalten. Daher kann vorgesehen sein, dass die Steuerungselektronik in dem Mitteteil des Lenkrads und/oder im Bereich von am Lenkrad angeordneten Multifunktionsschaltelementen angeordnet ist. Die Steuerungselektronik kann die oben beschriebene Auswerteeinheit umfassen. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass nach dem Herstellen der Baugruppe der Signalübertragungsabschnitt, welcher vorzugsweise als Metallband ausgebildet ist, gekürzt, insbesondere abgeschnitten wird. Die Baugruppe könnte auch als Meterware hergestellt werden. Wenn man den Signalübertragungsabschnitt nachträglich kürzen kann, ist man somit unabhängig von der Geometrie der Lenkeinrichtung, insbesondere des Lenkrads, vorzugsweise des Lenkradkranzes. Durch diese spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch der Grad der Flexibilität bei der Herstellung der Lenkeinrichtung erheblich verbessert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
- 1 eine Lenkeinrichtung aufweisend ein Lenkrad,
- 2a einen Ausschnitt der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Lenkeinrichtung, insbesondere einer montierten Baugruppe in dem Lenkrad gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2b einen Ausschnitt der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Lenkeinrichtung, insbesondere der montierten Baugruppe in dem Lenkrad bei einer Betätigung gemäß der ersten Ausführungsform, und
- 3 einen Ausschnitt der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Lenkeinrichtung, insbesondere einer montierten Baugruppe in dem Lenkrad gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In der 1 ist schematisch eine Lenkeinrichtung 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die Lenkeinrichtung 1 umfasst ein Lenkrad 2 mit einem Lenkradkranz 3, welcher einen Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 aufweist. Der Lenkradkranz
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3 ist im vorliegenden Fall über vier Speichen 5 mit einem Mittelteil 6 verbunden, welches beispielsweise zur Aufnahme eines Airbags und/oder einer Steuerungselektronik mit einer Auswerteeinheit ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst die Lenkeinrichtung 1 vier Baugruppen. Gemäß der 1 sind die vier vorzugsweise autarken Baugruppen mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 verbunden, wobei jede Baugruppe zumindest jeweils einen ersten Schallwandler 8a, 8b, 8c, 8d und jeweils einen zweiten Schallwandler 10a, 10b, 10c, 10d umfasst und die jeweiligen Baugruppen beanstandet zueinander auf dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 verbunden sind. Die Baugruppen sind daher von ihrem Aufbau her im Wesentlichen identisch. Nachfolgend wird eine Baugruppe der Lenkeinrichtung 1 näher beschrieben. Die Baugruppe, welche gemäß einer ersten Ausführungsform in der 2a und 2b visualisiert ist, umfasst einen vorzugsweise als Metallband ausgebildeten Signalübertragungsabschnitt 7, den ersten Schallwandler 8a, der dazu ausgebildet ist als Sender Oberflächenwellensignale 9 entlang einer Oberfläche des Lenkradkranzes 3, insbesondere entlang des Signalübertragungsabschnitts 7 auszusenden, den zweiten Schallwandler 10a, der dazu ausgebildet ist als Empfänger ausgesendete Oberflächenwellensignale 9 zu empfangen, und drei vorzugsweise aus einem ersten Kunststoff ausgebildete Abstandselemente 11. Die Abstandelemente 11 sind aus einem weichen Material, insbesondere aus Silikonkautschuk oder aus einem harten Material ausgebildet. Denkbar ist es auch, dass die drei Abstandselemente 11 zumindest teilweise jeweils aus einem unterschiedlichen Material ausgebildet sind. Jede Baugruppe, insbesondere deren erster Schallwandler 8a, 8b, 8c, 8d und deren zweiter Schallwandler 10a, 10b, 10c, 10d sind mit der separaten Steuerungselektronik elektrisch verbunden. Die Steuerungselektronik ist im vorliegenden Fall in dem Mittelteil 6 angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, dass die Steuerungselektronik im Bereich von am Lenkrad 2 angeordneten nicht näher gezeigten Multifunktionsschaltelementen, welche beispielsweise zum Bedienen eines Autoradios dienen können, angeordnet ist.
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Wie man gut in der 2a und der 2b erkennen kann, ist die Baugruppe von einer Weichkomponente 12 umschlossen, wobei die Weichkomponente 12 als Griffelement 13 des Lenkrads 2 ausgebildet ist. Die Weichkomponente 12 weist mehrere Lufteinschlüsse 14 auf. Aufgrund der Lufteinschlüsse 14 kann die Weichkomponente 12 durch einen Benutzer leichter elastisch verformt werden, wenn der Benutzer das Lenkrad 2 betätigt, wie es in der 2b visualisiert ist. In der 2b wirkt bei der Betätigung des Lenkrads 2 eine Kraft F auf die Weichkomponente 12. In der 3 ist eine Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, welche einen ähnlichen konstruktiven Aufbau aufweist wie die Baugruppe gemäß der ersten Ausführungsform. Gemäß der 3 ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Baugruppe zwischen dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 und der Weichkomponente 12 ein Elastizitätselement 15 angeordnet, welches eine höhere Steifigkeit aufweist als die Weichkomponente 12. Die Weichkomponente 12 kann vor dem Verbinden der Baugruppe mit dem Lenkradkranz 3 im Rahmen eines Tauchverfahrens in einen flüssigen oder zähflüssigen zweiten Kunststoff getaucht und danach herausgezogen werden. Danach härtet der zweite Kunststoff aus, wobei der ausgehärtet zweite Kunststoff als Elastizitätselement 15 ausgebildet ist, welches dann stoffschlüssig mit der Weichkomponente 12 verbunden ist. Das Elastizitätselement 15 ist vorzugsweise aus Gummi ausgebildet.
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Nachfolgend wird kurz auf die Funktionsweise der Baugruppe gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform eingegangen. Der erste Schallwandler 8a ist im vorliegenden Fall als Sender ausgebildet, welcher ein Oberflächenwellensignal 9 erzeugt und an den zweiten Schallwandler 10a, der als Empfänger ausgebildet ist, sendet. Der zweite Schallwandler 10a empfängt das Oberflächenwellensignal 9. Wirkt nun eine Kraft F auf die Weichkomponente 12, so wird das Oberflächenwellensignal 9 verändert, wie es in der 2b gezeigt ist. Diese Veränderungen des Oberflächenwellensignals 9 können von dem zweiten Schallwandler 10a empfangen und als Berührung erkannt werden. Die Steuerungselektronik wertet diese Veränderung des Oberflächenwellensignals 9 mit Hilfe der Auswerteeinheit aus. Die Baugruppen aufweisend die Schallwandler 8b, 10b, 8c, 10c, 8d, 10d funktionieren nach demselben Wirkprinzip.
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Nachfolgend wird auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der Lenkeinrichtung 1 näher eingegangen, wobei hier exemplarisch die Anordnung und Herstellung der Baugruppe aufweisend die Schallwandler 8a, 10a beschrieben wird. Die Baugruppen aufweisend die Schallwandler 8b, 10b, 8c, 10c, 8d, 10d werden genauso hergestellt und in der Lenkeinrichtung 1 angeordnet.
Zur Herstellung einer Baugruppe, wie sie in den 2a und 2b gezeigt ist, wird der erste Schallwandler 8a, der zweite Schallwandler 10a und die Abstandselemente 11 mit der Oberfläche des Signalübertragungsabschnitts 7 jeweils stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden. Nach dem Herstellen der Baugruppe kann der Signalübertragungsabschnitt 7, welcher vorzugsweise als Metallband ausgebildet ist, gekürzt werden. Dies weist den Vorteil auf, dass die Baugruppe, insbesondere der Signalübertragungsabschnitt 7 an die Umfangsmaße des Lenkrads 2 angepasst werden kann.
Danach kann die hergestellte Baugruppe mit dem vorzugsweise aus Metall ausgebildeten Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 des Lenkradkranzes 3 mittels der Abstandselemente 11 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden. Im vorliegenden Fall werden die Abstandselemente 11 mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 des Lenkradkranzes 3 verklebt. Alternativ oder zusätzlich können die Abstandselemente 11 mit dem Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4 des Lenkradkranzes 3 verrastet werden, wobei die Abstandselemente 11 dann Rastausnehmungen oder Rasthaken aufweisen, die mit den entsprechenden Gegenrastausnehmungen oder Gegenrasthaken, welche am Lenkradkranz 3 angeordnet sind, verbunden werden.
Nach dem Verbinden der Baugruppe mit dem Lenkradkranz 3 werden die Baugruppe und der Lenkradkranz 3 mit der Weichkomponente 12 umschlossen, insbesondere umspritzt. Die Weichkomponente 12 bildet dann das Griffelement 13 des Lenkrads 2.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Lenkeinrichtung 1 kann die Lenkeinrichtung 1 auch nur mit einem einzigen ersten Schallwandler 8a und nur einem einzigen zweiten Schallwandler 10a versehen werden, die beabstandet zueinander angeordnet sind. In diesem Fall entspricht der Signalübertragungsabschnitt 7 im Wesentlichen der Länge des umlaufenden Lenkradkranzoberflächenabschnitt 4. Dadurch können die Herstellungskosten der Lenkeinrichtung 1 weiter verringert werden, weil die Anzahl der Schallwandler reduziert werden.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Lenkeinrichtung 1 kann vorzugsweise bei Kraftfahrzeugen verwendet werden, die die Funktion des autonomen Fahrens bereitstellen.
Des Weiteren könnte vorgesehen sein, dass der Benutzer über einen längeren Zeitraum ständig seine Griffposition an der Lenkeinrichtung 1 ändert. Die durch diese Positionsänderungen verursachten Kraftänderungen an der Lenkeinrichtung 1 könnten von der Steuerungselektronik als eine Art Lebenderkennung des Benutzers verwertet werden, das heißt, dass der Benutzer die Lenkeinrichtung 1 aktiv benutzt. Es wird daher verhindert, dass die Lenkeinrichtung 1 mit Kabelbindern oder Klammern manipuliert wird, um eine Lebenderkennung an der Lenkeinrichtung 1 vorzutäuschen.
