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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft gyroskopische Vorrichtungen in sich neigenden Fahrzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt sieht die Erfindung ein sich neigendes Fahrzeug vor, das umfasst: einen Rahmen; ein Vorderrad, das mit dem Rahmen gekoppelt ist; ein Hinterrad, das mit dem Rahmen gekoppelt ist und hinter dem Vorderrad in der Längsrichtung angeordnet ist, einen Sitzbereich, der wenigstens einen Sitz umfasst und angeordnet ist, um einen Fahrer zwischen dem Vorderrad und dem Hinterrad zu halten; und eine gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung, die in einem Gehäuse hinter dem Sitzbereich und über dem Hinterrad vorgesehen ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ein sich neigendes Fahrzeug vor, das umfasst: einen Rahmen; ein Vorderrad, das mit dem Rahmen gekoppelt ist und mit dem Hinterrad in einer Längsrichtung ausgerichtet ist, um eine einzelne Spur des Fahrzeugs zu bilden; ein Hinterrad, das mit dem Rahmen gekoppelt ist und mit dem Vorderrad ausgerichtet ist; und eine gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung, die betrieben werden kann, um ein korrektives Moment an dem Fahrzeug in Reaktion auf eine Eingabe von einem Stellglied auszugeben. Eine Kupplung ist zwischen dem Stellglied und der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung vorgesehen, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung wahlweise bei einem Übergang von einem ersten Zustand des Fahrzeugs zu einem zweiten Zustand des Fahrzeugs zu deaktivieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines sich neigenden Fahrzeugs vor, das umfasst: Betreiben des Fahrzeugs mit einer ersten Geschwindigkeit bei oder unter einer Schwellwertgeschwindigkeit; Eingreifen, während eines Betriebs bei der ersten Geschwindigkeit, einer gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung, die eine Präzession eines Schwungrads erlaubt, sodass die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung ein korrektives Moments auf das Fahrzeug ausübt; Beschleunigen des Fahrzeugs zu einer zweiten Geschwindigkeit, die die Schwellwertgeschwindigkeit überschreitet; und Entkoppeln einer Kupplung in Reaktion auf das Überschreiten der Schwellwertgeschwindigkeit, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung zu einem nicht-Betriebszustand in Reaktion darauf überzuführen, dass das Fahrzeug die Schwellwertgeschwindigkeit überschreitet, wobei der nicht-Betriebszustand verhindert, dass die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung ein korrektives Moment und andere gyroskopische Reaktionskräfte an dem Fahrzeug ausübt.
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Weitere Aspekte der Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht eines Motorrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht einer gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung, die in einem Gepäckbehälter von 1 an einer stationären Position angeordnet ist.
- 3 ist eine Explosionsansicht der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung von 2.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung von 2 in einer eingegriffenen Position.
- 5 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung, die in dem Gepäckbehälter von 1 angeordnet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bevor im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden, soll darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die hier beschriebenen und in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Details des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten beschränkt ist. Die Erfindung kann auch durch verschiedene andere Ausführungsformen realisiert werden.
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1 zeigt ein Motorrad 10, das einen Rahmen 14, einen Motor 18, ein Vorderrad 22 und ein Hinterrad 26, das hinter dem Vorderrad 22 angeordnet ist, umfasst. Insbesondere definieren die Vorder- und Hinterräder 22, 26 eine einzelne Spur. Das Vorderrad 22 wird durch eine Lenkeinheit 30 gehalten, die einen Lenker 34 und eine Vordergabel 38 umfasst. Das Hinterrad 26 wird durch eine Schwinge 42 schwenkbar relativ zu dem Rahmen 14 gehalten. Ein Sitz 46, der wenigstens teilweise einen Sitzbereich des Motorrads 10 definiert, hält einen primären Fahrer (Betreiber) und optional einen zusätzlichen Fahrer (Beifahrer). Der Sitz 46 ist angeordnet, um wenigstens einen Fahrer zwischen den Vorder- und Hinterrädern 22, 26 zu halten. In der gezeigten Sattelkonfiguration erstrecken sich die Beine des Fahrers und/oder Beifahrers jeweils auf beiden Außenseiten des Motorrads 10, wobei aber auch andere Sattelkonfigurationen wie etwa die bei einem Motorroller übliche mit einem Fußraum verwendet werden können. Die Aspekte der Erfindung können also für alle mit einem Sattel versehenen Fahrzeuge und alle sich neigenden Fahrzeuge angewendet werden, wozu unter anderem zweirädrige Fahrzeuge mit einer einzelnen Spur wie etwa Motorräder und Motorroller gehören. Damit der Fahrer eine Lenkkontrolle über die Vordergabel 38 und das Vorderrad 22 hat, sind ein Paar von Handgriffen 54 an den fernen Enden des Lenkers 34 vorgesehen. Der Lenker 34 kann ein einstückiges Element oder eine Zusammensetzung aus einzelnen Elementen sein und erlaubt eine Übertragung einer Bewegung von den Handgriffen zu der Vordergabel. Der Fahrer des Motorrads 10 ist dafür verantwortlich, eine Kontrolle über das Gleichgewicht des Motorrads 10 aufrechtzuerhalten, da das Motorrad 10 selbst nicht inhärent stabil ist und zur Seite zu einer nicht-Betriebsposition kippen kann. Eine Stabilität kann bei einspurigen Fahrzeugen durch den Fahrer bei normalen Fahrgeschwindigkeiten einfach erzielt werden, auch bei moderaten bis großen Neigungswinkeln während einer Kurvenfahrt. Bei langsamen Geschwindigkeiten wie etwa in einem Verkehrsstau, bei Ampeln, beim Parken usw. ist eine Gleichgewichtskontrolle jedoch schwieriger, insbesondere für Fahranfänger oder Fahrer mit kürzeren Beinen, weniger Beinkraft usw.
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Das gezeigte Motorrad 10 ist ein Touring-Motorrad der Schwergewichtsklasse und umfasst verschiedene Gepäckbehälter einschließlich eines Paars von Satteltaschen 58, die entlang der linken und rechten Seiten des Hinterrads 26 angeordnet sind, und eines Kofferraums 62, der hinter dem Sitz 46 angeordnet ist. In dem gezeigten Aufbau ist der Kofferraum 62 ein Harley-Davidson TOUR-PAK®, der direkt hinter dem Sitz 46 des Motorrads 10 angeordnet ist. Es ist jedoch zu beachten, dass die nachfolgend beschriebenen Merkmale nicht auf die Verwendung mit einem Harley-Davidson TOUR-PAK® beschränkt sind und auch mit verschiedenen anderen Motorrad-Gepäckbehältern wie etwa anderen Kofferräumen, Top-Behältern, Satteltaschen usw. verwendet werden können. Aspekte der Erfindung können auch auf verschiedene andere Typen von Motorrädern, Motorrollern und Fahrrädern angewendet werden.
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Der gezeigte Kofferraum 62 umfasst einen Körper 66 und einen Deckel 70, die über Scharniere 74 miteinander gekoppelt sind. Ein oder mehrere Riegel 78 werden verwendet, um den Deckel 70 in einer geschlossenen Position in Bezug auf den Körper 66 zu halten. In den gezeigten Ausführungsformen ist eine gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 in dem Kofferraum 62 angeordnet, um beim Halten des Gleichgewichts des Motorrads 10 zu helfen. In einigen Ausführungsformen öffnet sich der Deckel 70 bei einer Entriegelung, um Zugriff auf die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 und einen durch den Körper 66 und den Deckel 70 definierten Gepäckraum zu gewähren. In anderen Ausführungsformen schließt der Kofferraum 62 nur die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ein und enthält keinen Gepäckraum. Der Kofferraum 62 und insbesondere der Körper 66 und der Deckel 70 können ein Gehäuse für das Aufnehmen der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 bilden. Der Kofferraum 62 kann das einzige Gehäuse für die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 sein (in diesem Fall ist der Kofferraum 62 in geeigneter Weise verstärkt), oder die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 kann in einem weiteren separaten Gehäuse in dem Kofferraum 62 enthalten sein, wodurch verhindert wird, dass ein Benutzer bewegliche Teile der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 berührt, wenn der Deckel 70 geöffnet ist. Wenn die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 nur durch den Kofferraum 62 umschlossen ist und kein separates Gehäuse in diesem vorgesehen ist, kann der Kofferraum 62 ein falscher Kofferraum sein, der wie ein Gepäckbehälter aussieht, aber nicht als solcher genutzt werden kann. Dabei kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 nicht nur den gesamten verfügbaren Raum einnehmen und keinen Raum für Gepäck lassen, sondern kann der Kofferraum 62 auch nicht in der üblichen Weise genutzt werden. Zum Beispiel können die Riegel 78 und/oder Scharniere 74 permanent fix geschlossen sein und wahlweise geöffnet werden, wenn die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 deaktiviert ist. Es kann sich aber auch um falsche Scharniere handeln, die nicht betätigt werden können, um den Deckel 70 von dem Körper 66 zu öffnen. Die gezeigte Ausführungsform konzentriert sich auf die Verwendung des Kofferraums 62 als eines Gehäuses für die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 und die Anordnung hinter dem Beifahrersitz, wobei jedoch auch andere Variationen möglich sind. Zum Beispiel kann das Motorrad 10 keinen Beifahrersitz aufweisen und kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 mit einem geeigneten Gehäuse direkt hinter dem Sitz 46 angeordnet sein, der nur eine Sitzposition für einen einzelnen Fahrer vorsieht. In anderen Konstruktionen kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 mit einem geeigneten Gehäuse zwischen dem Hinterrad 26 und dem Sitz 46 und zum Beispiel direkt unter der Beifahrersitzposition des Sitzes 46 angeordnet sein. In einigen Konstruktionen ist die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 nicht in dem Kofferraum 62 angeordnet und kann auch von allen anderen Gepäckbehältern entfernt sein. Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 kann vor dem Sitz 46 an einer normalerweise durch den Kraftstofftank eines herkömmlichen Motorrads eingenommenen Position angeordnet sein (z.B. bei einem Elektrofahrzeug oder einem Fahrzeug mit einem nicht-herkömmlichen Kraftstofftank).
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Wie in 2-4 gezeigt, ist die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ein Gyroskop mit einem einzelnen Schwungrad und zwei Achsen. Die Vorrichtung 82 umfasst eine kardanische Aufhängung 86, die in einem Kardanhalterahmen 90 angeordnet ist und um eine Rollachse R drehbar durch den Rahmen 90 gehalten wird. Die kardanische Aufhängung 86 wird schwenkbar durch den Rahmen 90 über ein Paar von Lagern 118 gehalten. Ein Lager 118 ist an jeder aus einem Paar von Platten 94a, 94b des Rahmens 90 vorgesehen. Die zwei Platten 94a, 94b werden durch Stangen 98 gekoppelt, die sich zwischen den Platten 94a, 94b erstrecken. Füße 102 sind mit einem unteren Teil des Rahmens 90 gekoppelt, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 an einer Fläche (z.B. einer Basis des Kofferraums 62) zu halten. In alternativen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann der Rahmen 90 einen zusätzlichen Halteaufbau umfassen.
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Die kardanische Aufhängung 86 weist ein rechteckiges Außenprofil auf und enthält eine Öffnung 110, die betrieben werden kann, um eine weiter unten erläuterte Schwungradanordnung, die ein Schwungrad 106 und andere Komponenten umfasst, aufzunehmen. Ein Paar von Lagern 112 sind an gegenüberliegenden Seiten 86a, 86b der kardanischen Aufhängung 86 um eine Präzessionsachse P, die senkrecht zu der Rollachse R ist, herum angeordnet. Die Lager 112 koppeln die kardanische Aufhängung 86 schwenkbar mit der Schwungradanordnung, sodass die Schwungradanordnung mit dem darin enthaltenen Schwungrad 106 frei schwenken kann, d.h. eine Präzession um die Präzessionsachse P vollziehen kann. Insbesondere wenn die kardanische Aufhängung 86 um die Rollachse R schwenkt (während sich das Schwungrad dreht), wird das Schwungrad 106 zu einem Rollen mit der kardanischen Aufhängung 86 gezwungen, weil die Präzessionsachse P durch die kardanische Aufhängung 86 definiert wird und in Bezug auf diese fixiert ist. Gemäß den physikalischen Gesetzen hat ein Rollen der kardanischen Aufhängung 86 um die Rollachse R eine Präzession des Schwungrads 106 um die Präzessionsachse P in der kardanischen Aufhängung 86 als eine ausgeglichene Momentreaktion zur Folge. Eine Präzession des Schwungrads 106 relativ zu der kardanischen Aufhängung 86 wird durch einen Präzessionswinkelcodierer gemessen, der in Nachbarschaft zu einem der Lager 112 angeordnet ist und elektrisch mit der Steuereinrichtung kommuniziert. Das Schwungrad 106 kann während des gesamten Betriebs des Motorrads 10 in einem Hochgeschwindigkeitsdrehzustand gehalten werden, sodass es jederzeit und unabhängig davon, ob die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 wie weiter unten beschrieben vorübergehend zu einem nicht-Betriebszustand geschaltet ist, bereit ist. Ein dedizierter Motor 166 dreht das Schwungrad 106, wobei die Schwungraddrehgeschwindigkeit durch einen Sensor (z.B. ein Tachometer 150) überwacht werden kann. Die Drehgeschwindigkeiten können variieren, insbesondere mit der ausgewählten Masse des Schwungrads 106, und können in der Größenordnung von 10.000 bis 20.000 U/min und in einigen Konstruktionen von bis zu 30.000 oder 40.000 U/min liegen. Bei einer Konfiguration für einen Betrieb mit noch höheren Geschwindigkeiten kann das Schwungrad in einer Teilvakuumumgebung gehalten werden.
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In einer Konstruktion ist die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 derart ausgerichtet, dass sich das Schwungrad 106 in einer Ebene dreht, die parallel zum Boden ist, wenn das Motorrad 10 aufrecht ist. Weiterhin ist die Rollachse mit der Längsrichtung des Motorrads 10 ausgerichtet und ist die Präzessionsachse P quer zu der Längsrichtung des Motorrads 10 ausgerichtet. Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 kann aber auch mit anderen Ausrichtungen an dem Motorrad 10 vorgesehen sein, je nach den gewünschten Effekten für das Nicken, Rollen und/oder Gieren. Zum Beispiel ist die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 in einigen Konstruktionen derart ausgerichtet, dass sich das Schwungrad 106 in einer Ebene dreht, die parallel zu den Ebenen der Vorder- und Hinterräder 22, 26 ist. In einem anderen Beispiel ist die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 mit einer Ausrichtung montiert, die um 90 Grad in einer horizontalen Ebene parallel zu der Erde gedreht ist, und wird betrieben, um eine Nicksteuerung vorzusehen (z.B. um eine mit einem Bremsen und/oder Beschleunigen assoziierte Nickbewegung zu steuern). Weitere Beispiele werden nachfolgend erläutert.
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Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 umfasst weiterhin ein Stellglied 122, das mit dem Rahmen 90 gekoppelt ist (z.B. weist sie ein fixes Ende auf, das an einer Außenseite der Platte 94a befestigt ist). Das Stellglied 122 weist ein bewegliches Ende auf, wobei das bewegliche Ende über einen Kraftübertragungsmechanismus mit der kardanischen Aufhängung 86 gekoppelt ist. Der Kraftübertragungsmechanismus kann einen Hebelarm 126 und eine Achse oder eine Welle 128, die sich durch eines der Lager 118 an der Rollachse R erstreckt, umfassen. Die Welle 128 kann direkt oder indirekt an der kardanischen Aufhängung 86 fixiert sein. Wie in 2-4 gezeigt, ist das Stellglied 122 ein lineares Stellglied, das bei einer Stromversorgung für ein lineares Ausfahren/Zurückziehen betrieben werden kann, wobei aber auch andere Typen von Stellgliedern und/oder andere Typen von Kraftübertragungsmechanismen verwendet werden können. Eine Bewegung des Stellglieds 122 wird zu einer Bewegung des Hebelarms 126 übersetzt und dreht anschließend die kardanische Aufhängung 86 um die Rollachse R. Mit anderen Worten treibt das Stellglied 122 die kardanische Aufhängung 86 relativ zu dem Kardanische-Aufhängung-Halterahmen 90 an, um eine Präzessionsreaktion des Schwungrads 106 relativ zu der kardanischen Aufhängung 86 auszulösen, sodass ein korrektives Drehmoment an dem Motorrad 10 erzeugt wird. Das in 2-4 gezeigte lineare Stellglied 122 ist ein Solenoid-Linearstellglied, das elektrisch durch eine Stromquelle (z.B. eine Batterie und/oder ein Ladesystem) mit Strom versorgt wird. In alternativen Ausführungsformen kann das Stellglied 122 auf alternative Weise (z.B. hydraulisch, pneumatisch usw.) betrieben werden. Das Stellglied 122 kann in einigen Konstruktionen ein Motor anstelle eines linearen Stellglieds sein, wobei der Kraftübertragungsmechanismus einen separaten Hebelarm 126 für das Betätigen der kardanischen Aufhängung 86 aufweisen kann. Die weiter unten erläuterte 5 zeigt einen derartigen beispielhaften Aufbau.
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Wie in 2-4 gezeigt, enthält der Kraftübertragungsmechanismus zwischen dem Stellglied 122 und der kardanischen Aufhängung 86 eine Kupplung 130, die für ein wahlweises Eingreifen und Lösen betätigt werden kann. Die Kupplung ist an dem Rahmen 90 außerhalb der Platte 94a an der Rollachse R angeordnet, wobei aber auch andere Positionen, mit denen eine entsprechende Funktion vorgesehen werden kann, verwendet werden können. Bei einem Eingriff aktiviert die Kupplung 130 den Kraftübertragungsmechanismus, sodass die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 aktiviert wird und die Ausgabe eines korrektiven Moments durch das Steuern des Stellglieds 122 gesteuert werden kann. Wenn die Kupplung 130 dagegen gelöst wird, wird der Kraftübertragungsmechanismus zwischen dem Stellglied 122 und der kardanischen Aufhängung 86 entkoppelt, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 wahlweise zu deaktivieren. In einer Konstruktion ist ein Teil der Kupplung 130 an einem Ende des Hebelarms 126 fixiert und ist der andere Teil der Kupplung 130 an der Kardanwelle 128 fixiert. Die Kupplung 130 kann elektromagnetisch gesteuert werden, wobei aber auch andere Mechanismen für eine Kupplungsbetätigung verwendet werden können. Wenn die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 durch die Kupplung 130 deaktiviert wird, kann sich die kardanische Aufhängung 86 einfach frei in dem Kardanische-Aufhängung-Halterahmen 90 bewegen und horizontal zu dem Boden bleiben, wenn sich das Motorrad 10 während des Betriebs relativ zu dem Boden neigt. Wenn die Kupplung 130 gelöst ist, kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 nicht betrieben werden, um beim Halten des Gleichgewichts des Motorrads 10 zu helfen. Dies ist aber natürlich von Vorteil für einen Fahrer, der bei Fahrgeschwindigkeiten den Neigungswinkel des Motorrads auf natürliche Weise steuern möchte. Die Kupplung 130 kann eine gezahnte Kupplung sein, die ein positives Eingreifen oder Sperren vorsieht. In alternativen Ausführungsformen kann eine herkömmlichere Reibungsplattenkupplung wie etwa eine Einzelscheibenkupplung oder eine Mehrscheibenkupplung verwendet werden. Außerdem kann die Kupplung 130 an verschiedenen Positionen entlang der Rollachse R angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Kupplung 130 bei dem Stellglied 122 (d.h. in oder an dem Stellglied) angeordnet sein. Wenn ein Drehmotor als das Stellglied für das Rollen der kardanischen Aufhängung 86 verwendet wird, kann die Kupplung 130 einstückig mit dem Motor vorgesehen sein. Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ist mit einem einzelnen Stellglied 122 auf nur einer Seite gezeigt, wobei in anderen Konstruktionen aber auch zwei Stellglieder auf beiden Seiten der kardanischen Aufhängung vorgesehen sein können, die sich die Betätigungslast teilen. Außerdem können das Stellglied 122, der Kraftübertragungsmechanismus (Hebelarm 126 oder anderes) und die Kupplung 130 auf der Innenseite des Rahmens 90 neben der kardanischen Aufhängung 86 vorgesehen sein.
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Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 enthält weiterhin eine Steuereinrichtung, die mit der Kupplung 130 kommuniziert, und weitere Elemente. Die Steuereinrichtung ist programmiert, um die Kupplung 130 automatisch für ein Entkoppeln des Kraftübertragungsmechanismus zu betätigen, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 wahlweise zu deaktivieren. Auf diese Weise kann sich das Motorrad 10 frei neigen, wenn es über einer Schwellwertgeschwindigkeit fährt. Außerdem kann die Steuereinrichtung die Kupplung 130 automatisch für ein Koppeln des Kraftübertragungsmechanismus betätigen, um die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 wahlweise zu aktivieren und beim Halten des Gleichgewichts des Motorrads 10 zu helfen, wenn dieses mit einer Geschwindigkeit kleiner oder gleich der Schwellwertgeschwindigkeit fährt. Die Fahrgeschwindigkeit des Motorrads 10 kann direkt mit einem Radgeschwindigkeitssensor gemessen werden, der ein Signal zu der Steuereinrichtung meldet. Alternativ dazu kann die Fahrgeschwindigkeit durch GPS (Global Positioning System) erhalten werden, aus der Motordrehzahl und den Übersetzungsverhältnissen berechnet werden usw. Wie weiter unten im Detail erläutert, kann der Schwellwertgeschwindigkeitswert in einem Speicher gespeichert sein. Der Schwellwertgeschwindigkeitswert kann in einigen Konstruktionen durch einen Benutzer eingestellt werden. Die Schwellwertgeschwindigkeit und das automatische Schalten der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 sind ein Beispiel für ein Aktivieren/Deaktivieren bei einem Übergang von einem ersten Zustand des Motorrads 10 zu einem zweiten Zustand des Motorrads, wobei jedoch auch andere Vorgehensweisen möglich sind. So kann der Benutzer eine einfache Ein/Aus-Steuerung vornehmen oder kann eine automatische Roll- oder Neigungsunterstützung für eine Kurvenfahrt aktiviert werden, wenn die Steuereinrichtung einen durch den Fahrer eingeleiteten unangemessenen Neigungswinkel des Motorrads 10 in einem oder mehreren Szenarios bestimmt (z.B. eine wahlweise Aktivierung und/oder Deaktivierung durch einen Fahrer über einer Schwellwertgeschwindigkeit). Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ist also nicht auf Betätigungen beschränkt, die das Motorrad 10 bei niedrigen Geschwindigkeiten zu einer vollständig aufrechten Haltung zwingen, wobei dies allerdings ein besonders nützliches Implementierungsbeispiel ist. Die wahlweise Aktivierung der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 kann als ein Teil von zwei oder mehr durch den Fahrer auswählbaren Antriebsmodi des Motorrads 10 zum Beispiel über ein Anzeige- oder Infotainmentsystem geschaltet werden.
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In der Schwungradanordnung ist das Schwungrad 106 eine Scheibe, die in der kardanischen Aufhängung für eine Präzession um die Präzessionsachse P gehalten wird. Außerdem dreht sich das Schwungrad 106 um eine zentrale Schwungradachse F (z.B. im Uhrzeigersinn von oben), die durch eine Klammernanordnung 134 in der kardanischen Aufhängung 86 gehalten wird. Die Klammernanordnung 134 koppelt das Schwungrad 106 über eine Achse oder Welle 138 (3) des Schwungrads 106 an der Schwungradachse F. Die Klammernanordnung 134 wird drehbar in der kardanischen Aufhängung 86 über eine erste Welle 142a und eine zweite Welle 142b entlang der Präzessionsachse P gehalten. Dabei rollt die Klammernachse 134 gezwungen mit der kardanischen Aufhängung 86 um die Rollachse R. Weil das Schwungrad 106 nicht an der kardanischen Aufhängung 86 oder dem Rahmen 90 entlang der Rollachse R befestigt ist, kann das Schwungrad 106 frei eine Präzession relativ zu der kardanischen Aufhängung 86 um die Präzessionsachse P vollziehen, während es sich um die Schwungradachse F in der Klammernanordnung 134 dreht und mit der kardanischen Aufhängung um die Rollachse R rollt.
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Die Klammernanordnung 134 umfasst eine erste oder obere Klammer 146, die das Schwungrad 106 mit der kardanischen Aufhängung 86 entlang der Präzessionsachse P koppelt. Die ersten und zweiten Wellen 142a, 142b greifen in gegenüberliegende Seiten 86a, 86b der kardanischen Aufhängung 86 ein. Insbesondere sind die Wellen 142a, 142b mit den Lagern 112 an der kardanischen Aufhängung 86 gekoppelt. Eine obere Platte 154, die mit der oberen Klammer 146 gekoppelt ist, kann sich über das Ende der Schwungradscheibe 138 und das Tachometer 150 erstrecken. Eine zweite oder untere Klammer 158 ist an der oberen Klammer 146 an fernen Enden derselben fixiert, wobei ein Zwischenraum zwischen den Klammern 146, 158 gelassen wird, um dazwischen das Schwungrad 106 aufzunehmen. Die untere Klammer 158 umfasst einen Motorwagen 162, der betrieben werden kann, um den Schwungradmotor 166 aufzunehmen. In alternativen Ausführungsformen kann der Motor 166 aber auch an anderen Positionen angeordnet sein.
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Die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 kann manuell oder automatisch zwischen aktiven und inaktiven Betriebszuständen betätigt werden, sodass sie nur aktiviert wird, wenn ein Fahrer Unterstützung beim Stabilisieren des Motorrads 10 wie etwa bei niedrigen Geschwindigkeiten benötigt. In einigen Konstruktionen wird die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 automatisch betätigt, sodass die Vorrichtung 82 in Reaktion darauf betätigt wird, dass das Motorrad 10 die Schwellwertgeschwindigkeit nicht mehr überschreitet. Insbesondere wenn das Motorrad 10 unter die Schwellwertgeschwindigkeit verlangsamt wird, betätigt die Steuereinrichtung die Kupplung 130, um den Kraftübertragungsmechanismus zu koppeln, wodurch die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 aktiviert wird. Die Schwellwertgeschwindigkeit kann zu einer sehr niedrigen Geschwindigkeit wie zum Beispiel 3 Meilen pro Stunde oder 2 Meilen pro Stunde gesetzt werden, bei welcher der Motor 18 wahrscheinlich von den Rädern getrennt ist. Das Lösen oder Öffnen einer Kupplung zwischen dem Motor 18 und dem Getriebe zum Beispiel durch den Fahrer, wenn dieser anhalten möchte, kann ebenfalls eine Bedingung für das Aktivieren der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 mit der Kupplung 130 sein. Wie in 4 gezeigt, wird das Stellglied 122 mit Strom versorgt und bewegt sich in einer linearen Richtung A, um ein Betätigungsdrehmoment B auf die kardanische Aufhängung 86 auszuüben, die das Schwungrad 106 mit ihr um die Rollachse R trägt. Wenn die kardanische Aufhängung 86 und das Schwungrad 106 um die Rollachse R rollen, wird eine Drehkraft C auf das Schwungrad 106 ausgeübt, wodurch eine Präzession des Schwungrads 106 um die Präzessionsachse P veranlasst wird. Eine Präzession wird durch eine Änderung des Winkelmoments des Schwungrads 106 veranlasst. Wegen der möglichen Kombinationen des Trägheitsmassenmoments des Schwungrads und der Drehgeschwindigkeit weist das Schwungrad 106 eine wesentliche Winkeldrehmomentgröße auf. Wenn also das Betätigungsdrehmoment B um die Rollachse R auf das Schwungrad 106 wirkt, müssen eine entsprechende Präzession des Schwungrads 106 und ein damit assoziiertes Reaktionsdrehmoment gegeben sein. Das Reaktionsdrehmoment, dessen Größe gleich derjenigen des Betätigungsdrehmoments B ist, wird auf das Motorrad 10 für eine Korrektur ausgeübt. Die Steuereinrichtung kann die Eingabe zu dem Stellglied 122 in Reaktion auf ein Signal von einem Fahrzeugneigungssensor, der die Neigung des Motorrads 10 überwacht, steuern. Der Neigungssensor meldet wenigstens die Richtung und Größe der Neigung für eine Berechnung einer entsprechenden korrektiven Aktion durch die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82. Die Änderungsrate der Neigung kann auch die Reaktion der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 beeinflussen. Die Steuereinrichtung kann mit einem Algorithmus (z.B. mit ausführbaren Befehlen einem Speicher, der in der Steuereinrichtung enthalten ist oder mit dieser kommuniziert) programmiert sein, der die Masse des Schwungrads 106 und seine Drehgeschwindigkeit berücksichtigt, was durch das Tachometer 150 bestätigt werden kann, wenn ein Signal von dem Tachometer 150 zu der Steuereinrichtung berichtet wird. Der Speicher kann auch Daten wie etwa die Schwungradmasse, die Motorradmasse, fixe oder einstellbare Einstellungen usw. speichern.
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Die Reaktion der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 wird sorgfältig berechnet und automatisch durch die Steuereinrichtung implementiert, damit sie durch den Fahrer möglichst nicht wahrgenommen wird (dieser bemerkt lediglich, dass das Motorrad 10 während niedriger Geschwindigkeiten extrem stabil ist), wobei die Schwellwertgeschwindigkeit für das Aktivieren/Deaktivieren der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ein durch den Fahrer zum Beispiel über ein Einstellungsmenü eines Infotainmentsystems oder eine andere implementierte Steuerung einstellbarer Parameter ist. Weiterhin kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 auch vollständig durch den Fahrer ausgeschaltet werden, sodass sie auch unter der Schwellwertgeschwindigkeit nicht wirksam wird. Wenn sie durch den Fahrer ausgeschaltet wird, kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 durch die Kupplung 130 deaktiviert werden, während sich das Schwungrad 106 weiter dreht, oder kann das Schwungrad 106 durch die Unterbrechung der Stromversorgung zu dem Motor 166 gestoppt werden, wobei es sich bei der letztgenannten Option um einen permanenteren Auszustand handelt, weil eine gewisse Zeit für das Drehen des Schwungrads 106 aus dem Ruhezustand zu einer Betriebsgeschwindigkeit benötigt wird. Diese und andere Typen von Steuerung des Motors 166 können durch Befehle und Ausgaben der Steuereinrichtung erzielt werden.
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5 zeigt eine andere gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 282. Obwohl für diese Ausführungsform nicht gezeigt, kann die gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 282 der oben mit Bezug auf 2-4 beschriebenen gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ähnlich sein. Die gezeigte gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 282 ist der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 ähnlich und enthält ähnliche Teile. Es wird hier auf die Beschreibung der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 82 mit Bezug auf 2-4 für eine Beschreibung der nachfolgend nicht eigens beschriebenen Merkmale und Elemente der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 282 verwiesen.
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Die gezeigte gyroskopische Fahrerunterstützungsvorrichtung 282 umfasst eine kardanische Aufhängung 286, die in einem Rahmen angeordnet ist und um eine Rollachse R' drehbar durch den Rahmen gehalten wird. Die kardanische Aufhängung 286 hält ein Schwungrad 206 derart, dass sich das Schwungrad 206 frei um eine Schwungradachse F' drehen kann, mit dem Schwungrad 286 um die Rollachse R' rollen kann und eine Präzession um eine Präzessionsachse P' vollziehen kann. Der Rahmen umfasst zwei Platten 294a, 294b, die einen Servomotor 266 und eine zwischen den Platten 294a, 294b eingeschlossene Kupplung 230 halten. Insbesondere erstreckt sich ein mit einem Ausgang des Servomotors 266 gekoppelter Hebelarm 226 zu einer ersten Seite der Kupplung 230. Die Kupplung 230 koppelt wahlweise den Hebelarm 226 mit der kardanischen Aufhängung 286, sodass die Kupplung 230 den aktiven/inaktiven Zustand der gyroskopischen Fahrerunterstützungsvorrichtung 282 steuert.
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Wie weiterhin in 5 gezeigt, kann ein Stellglied wie etwa ein Servomotor 266 vorgesehen sein, um das Schwungrad 206 und die Klammernanordnung 134 relativ zu der kardanischen Aufhängung 286 (um die als die Präzessionsachse P' bezeichnete Achse) zu bewegen. Insbesondere ermöglicht dies eine Betätigung der Vorrichtung 282 durch das aktive Antreiben der Ausrichtung des Schwungrads 206, deren Reaktion die Präzession der kardanischen Aufhängung um die als die Rollachse R' bezeichnete Achse ist. Der Servomotor 266 oder ein anderes Stellglied bewegt sich mit dem Schwungrad 206 und der Klammernanordnung 134 in Bezug auf die kardanische Aufhängung. Die Vorrichtung 282 kann einen oder zwei Servomotoren 266 umfassen, je nach der gewünschten Ausrichtung und dem gewünschten Momentunterstützungsregime. Optional können die beiden Stellglieder über Kupplungen 230 gekoppelt sein, um eine wahlweise Lösung zu erlauben. Mit mehreren Stellgliedern kann die Vorrichtung 282 eine Momentunterstützung in mehreren Achsen vorsehen, entweder diskret oder in Kombination miteinander (z.B. ein Nicken und Rollen/Kippen des Fahrzeugs). Die Vorrichtung 282 kann jedoch auch konfiguriert sein, um unterstützende Giermomente vorzusehen, entweder alleine oder in Kombination mit anderen unterstützenden Momenten. In einigen Konstruktionen kann die Vorrichtung 282 zwischen einem Nicken-Korrekturmodus und einem Rollen/Kippen-Korrekturmodus wechseln, indem sie schaltet, welche der zwei Kupplungen 230 eingreift und welche gelöst wird. Die verschiedenen Operationen und der Moduswechsel der Vorrichtung 282 können wie oben beschrieben automatisch durch die Steuereinrichtung auf einer Bedarfsbasis durchgeführt werden und/oder durch den Fahrer gesteuert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den folgenden Ansprüchen hervor.
