DE102020001668B4 - Adapter für Regler von Kraftmaschinen mit Möglichkeit für individuelle Anpassung - Google Patents

Abstract

Adapter zum Erzeugen einer zusätzlichen Gegenkraft bei der Betätigung eines als Fahrpedal ausgebildeten Reglers einer Kraftmaschine als haptisches Signal für den Fahrer eines Fahrzeuges, umfassend eine Feder, die an ihrer einen Seite mittels nur Zug übertragender Seilverbindungen derart mit dem Fahrpedal verbunden ist, dass sie die Wirkung der Rückholfeder des Fahrpedals verstärken kann, wobei die Feder weiterhin an ihrer anderen Seite mit einem Referenzpunkt fest verbunden ist, dessen Lage auf der Federachse von einer selbständigen Steuereinheit des Adapters mit Hilfe eines Motors entsprechend der erwünschten Gegenkraft bestimmt wird, wobei ein größerer Abstand des Referenzpunktes zum Fahrpedal mehr Gegenkraft erzeugt und umgekehrt.

Description

• Der Regler bestimmt die Menge von Energieträgern (Gas, Strom etc.) womit in einer Maschine (z.B. Motor) ein Effekt (z.B. Umdrehungen) erzeugt wird. Bekanntlich ist die Stärke des erreichten Effektes von der Kombination Maschinenleistung/Last abhängig. Diese Abhängigkeit ist aber dem normalen Nutzer sehr oft unklar, gewöhnlich betrachtet er den Regler rein als Proportionalregler, d.h. er erwartet, dass jede Erhöhung der Menge des Energieträgers (d.h. erhöhter Druck auf den Regler) sofort zur einen Steigerung des Effektes (z.B. Umdrehungszahl) führt (1). Dies ist aber nur gegeben, wenn die Motorleistung im Vergleich zur Last als unendlich groß betrachtet werden kann. In der Realität ist das praktisch nicht gegeben, d.h. der Motor braucht eine gewisse Zeit, um den erwünschten Effekt (wenn er bei der vorhandenen Last überhaupt in der Lage ist) zu liefern. Dieses Verhalten soll aber unbedingt bei der Steuerung einer Maschine, bei deren Betrieb die Last ständig wechselt (z.B. Steile überwinden, Beschleunigen etc. bei einem Wagen) berücksichtigt werden. Will man die Umdrehungen erhöhen (z.B. die Geschwindigkeit soll steigen) und will der Nutzer die Reaktionszeit verkürzen, muss in der Energiezufuhr für eine gewisse Zeit ein Impuls erfolgen, um die Systemträgheit schneller zu überwinden (wobei der Motor in der Lage sein sollte, diesen Energiestoß zu verarbeiten), um anschließend wieder in den Normalbetrieb, d.h. in gleichbleibende Geschwindigkeit zurückzukehren. Die optimale Steuerung der Energiezufuhr sollte also etwa die Form, die in 2 angedeutet ist, aufweisen. Der Normalnutzer aber ist selten in der Lage, in jeder Situation richtig zu regeln, d.h. per Hand/Fuß die optimale Regelung für alle mögliche Kombinationen von Motor/Last zu liefern. Das Hauptproblem dabei, die Rückholfeder des Reglers bietet wenig Gegenkraft an (sonst wird es für das Steuerorgan - ob Fuß oder Hand, über lange Zeit sehr kraftraubend), wobei sich der Nutzer allein anhand der räumlichen Stellung des Reglers bzw. anhand des Motorgeräusches (was eine lange Praxis bzw. Begabung voraussetzt) orientieren kann. Das Resultat, ein Normalnutzer regelt oft kontraproduktiv, d.h. er überfordert den Motor (immer weiter auf das Gaspedal drücken, auch wenn die Geschwindigkeit nicht steigt, sondern sogar sinkt) und ist wegen des ausbleibenden Effektes unzufrieden. Dazu kommen die unangenehmen Folgen durch Überforderung - erhöhter Verbrauch an Energieträgern (besonders kritisch bei eingeschränktem Vorrat wie bei einer Batterie), erhöhte Abnutzung des Motors durch Überhitzung bzw. Verkürzung der Lebensdauer der Batterie bei starker Strombelastung und stärkere Belastung der Umwelt durch die erhöhte Abgasmenge (Motor nicht optimal gesteuert).
• Bekannt sind Lösungen für dieses Problem, bei denen es ausschließlich um eine Visualisierung geht, d.h. der Nutzer soll anhand von Anzeigen auf Messgeräten die Regelung vornehmen. Dieses Verfahren ist leider für den Nutzer so umständlich, d.h. belastend und ablenkend, dass es in der Praxis kaum angewendet wird.
• Bekannt sind auch Lösungen, z.B. aus der DE 10 2013 222 265 A1 , der US 2006 / 0 106 505 A1 und der DE 10 2011 013 045 A1 , bei denen dem Fahrer durch die Generierung von Gegenkraft auf das Fahrpedal haptische Signale in Form von Gegendruck bzw. Gegenstößen gegeben werden, damit der Fahrer seine Fahrweise entsprechend korrigiert. Das Problem dabei - die entsprechenden Informationen müssen durch Eingriffe sowohl in die Hardware als auch in die Software des Motors gewonnen werden, was eine nachträgliche Anwendung bei bereits fertigen Wagen unmöglich macht. Darüber hinaus bieten die erwähnten Verfahren in Bezug auf den Sicherheitsaspekt keine überzeugende Lösung für die Verknüpfung Mensch/Technik, die beim Gaspedal stattfindet. Weil bei einem Eingriff in die Steuerung eines Fahrzeuges der Sicherheitsaspekt unbedingt berücksichtigt werden muss: der Fahrer muss ständig, d.h. auch bei allen anzunehmenden Software- oder Hardware-Fehlern, in der Lage sein, den Wagen zu beherrschen.
• Also - die generierte Gegenkraft muss so angewendet werden, dass sie vom Nutzerorgan (Fuß, Hand) im Notfall überwunden werden kann, und der Adapter darf auch unter keinen Umständen die Bewegung des Reglers in Richtung Leerlauf behindern.
• Es ist also eine neue Lösung notwendig, die es möglich macht, ohne große Eingriffe bei einem fertigen Fahrzeug die Generierung des notwendigen haptischen Signals zu ermöglichen und seine Anwendung unter Berücksichtigung des Sicherheitsaspektes zu gewährleisten.
• Als Lösung dieser Aufgabe wird ein Adapter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen vorgeschlagen.
• Sollte vom Motor eine höhere Leistung gefordert werden, erhöht der Fahrer den Druck auf den Regler (mittels Hand, Fuß o. ä). In diesem Fall generiert der Adapter eine zusätzliche Gegenkraft, die die Wirkung der Rückholfeder verstärkt. Die anfängliche Größe dieser Kraft (individuell bestimmbar) entspricht direkt proportional der Stärke der Änderung der Lage des Reglers und schwindet im Laufe der Zeit entsprechend (auch individuell bestimmbar) dem erreichten Effekt (z.B. der Beschleunigung bei einem Fahrzeug) - nach dem Prinzip: je größer die Beschleunigung, umso schneller.
• Zum besseren Verständnis sei hinzugefügt: erfolgt die Änderung beim Regler sehr langsam oder ist die Last im Vergleich zur Motorleistung viel zu klein, bleibt die Gegenkraft verschwindend gering bzw. sie schwindet schnell.
• Im Normalfall zeigt die generierte Gegenkraft dem Nutzer, inwieweit der Motor den Befehl des Reglers befolgt (z.B. die Umdrehungen erhöht) und ermöglicht demzufolge eine bessere Dosierbarkeit. Dabei kann der Nutzer von seiner Vorstellung ausgehen: mehr Druck bedeutet schneller zum Ziel, schwindende Gegenkraft bedeutet, der Motor gehorcht, bleibende Gegenkraft heißt, der Motor schafft es nicht (Last zu groß). Also - dank des Adapters entsteht eine Art Verbundenheit zwischen Mensch und Maschine, was den Genuss beim Fahren merklich erhöht.
• Auf dieser Weise wird in vielerlei Hinsicht eine Menge erreicht:
• - der Nutzer kann optimal (d.h. auch bei unbekannten Fahrzeugen und Fahrstecken) die Möglichkeiten des Motors ausschöpfen.
• - die Triebwerke arbeiten bei der so angepassten Regelung im optimalen Betrieb (eine Überforderung wird weitestgehend vermieden).
• - der Energieträger (Strom, Gas, Benzin, Diesel etc.) wird sparsam verbraucht, d.h. Abgase und Abwärme werden reduziert.
• - die Lebensdauer der Batterie (elektrisch betriebene Triebwerke) wird durch die Begrenzung des Entladestromes verlängert.
• In der Praxis heißt das: der Nutzer drückt (Sensorsignal!) auf den Regler, wobei er zusätzlich zur Kraft der Rückholfeder auch die entsprechend generierte Gegenkraft überwinden muss. Der Motor erhöht seine Umdrehungen, die Beschleunigung steigt über einen festgelegten Stellenwert an, infolgedessen sinkt die Gegenkraft im Laufe Zeit. Ist der gewünschte Effekt (z.B. bestimmte Geschwindigkeit) erreicht worden, verringert der Nutzer intuitiv den Druck auf den Regler (Sensorsignal!), d.h. er lässt ihn unter der Einwirkung der noch vorhandenen Gegenkraft zurückgehen, und die Leistung kann infolgedessen auf die erwünschte Größe reduziert werden. Dabei muss er im Normalfall nur dem Druck von der Rückholfeder standhalten. Also kann der Fahrer den Energiefluss intuitiv optimal regeln - wie es in 2 dargestellt ist.
• Entsteht durch das Eingreifen des Nutzers (z.B. durch Bremsen) oder durch Lastenänderung (z.B. Steigung) eine negative Beschleunigung (die Geschwindigkeit sinkt) oberhalb eines Schwellenwertes, erfolgt eine Verstärkung der Gegenkraft, was ein Signal für den Nutzer bedeutet, aktiv zu werden, z. B. den Gang zu wechseln. Gleichzeitig wird die Funktion für die nächste Beschleunigung vorbereitet, indem der Regler in Richtung Leerlaufstellung bewegt wird.
• Beim Berechnen der Gegenkraft verwendet die eingesetzte Steuereinheit zusätzlich zu den Prozessinformationen (wie Beschleunigung, Regler gedrückt, Regler losgelassen) auch mehrere kundenspezifische Parameter (wie maximale Gegenkraft, wie schnell sie auf - bzw. abgebaut werden soll, Einsatzschwellen). Diese werden vom Nutzer bestimmt, d.h. der Regler wird individualisiert. Bei einer digitalen Ausführung der Recheneinheit können die notwendigen Daten vom Nutzer des Reglers jedes Mal neu eingegeben werden (z.B. per Stick oder per Funk). Auf dieser Weise hat er seinen gewohnten Regler überall zur Verfügung. Die Messung der Beschleunigung erfolgt mit einem Sensor, der im Adapter eingebaut ist.
• Die Verkehrsbehörden erhalten auf diese Weise auch die Möglichkeit, die Fahrweise des Fahrers zu beeinflussen - wenn innerhalb einer Gemeinde ein übertrieben sportlicher Einsatz des Fahrzeuges unerwünscht ist, könnte per Funk eine Erhöhung der Gegenkraft veranlasst werden, damit ein Spiel mit dem Gaspedal bzw. Kavalierstart oder gefährliche Überholmanöver entsprechend erschwert werden.
• Die erfindungsgemäße Ausführung, bei der diese Forderungen voll erfüllt ist, besteht aus einer entsprechend dimensionierten Feder, die über flexible (nur Zug möglich!) Verbindungen (Seil o.ä.) einerseits mit dem Regler und andererseits mit einem Referenzpunkt verbunden ist. Die Lage des Referenzpunktes liegt auf der Federachse und wird von der Steuereinheit, die einen Motor steuert, bestimmt. Der Nutzer drückt auf dem Regler (z.B. Fahrpedal) und muss dabei die Federkraft, die von der Lage des Referenzpunktes abhängig ist (je weiter vom Regler, umso größer), überwinden. Bei der Wahl der Feder (die Federkraft ist ja im Notfall zu überwinden) sollen die Wünsche des Nutzers berücksichtigt werden (Feder austauschen oder/und Feder vorspannen).
• In der Praxis sieht das so aus: der Nutzer drückt auf das Fahrpedal, wobei er auch die Feder ausdehnt. Wird der Wagen beschleunigt (d.h. Schwellenwert überschritten), verschiebt die Steuereinheit z.B. per Motor den Referenzpunkt mit einer Geschwindigkeit, die der aktuellen Beschleunigung entspricht, in Richtung Fahrpedal, infolgedessen die Gegenkraft abnimmt. Sollte das Fahrpedal seine Lage nicht weiter ändern, kommt ein Moment, wo die Gegenkraft auf null geht, d.h. in Aktion bleibt nur die Rückholfeder. Normalerweise aber wird dieser Zustand selten erreicht - der Nutzer hat normalerweise sein Ziel (bestimmte Geschwindigkeit) vorher erreicht und (unter dem Druck der Feder) lässt das Fahrpedal solange zurückgehen, bis er durch Gegendruck einen Halt erzwingt.
• Die Kombination von Beschleunigungssensor, Steuereinheit, Motor und Feder, wie sie aus 3 ersichtlich ist, kann man auch als eine intelligente Rückholfeder betrachten, die sich optimal an die Wünsche des Fahrers anpassen lässt. Beispiel - ein „Bleifuß“, der gern in Vollgasstellung verbleibt, lässt sich mit erhöhten Gegenkraft zur Vernunft bringen, auch andere Varianten sind denkbar und möglich.
• Der Adapter lässt sich auch bei vorhandenen Wagen ohne Probleme als selbständige Einheit einbauen, dafür ist gewöhnlich der Platz über den Pedalen bzw. unter dem Vordersitz ausreichend. Es ist nur eine Seilverbindung zum Fahrpedal und eine Kabelverbindung zur Batterie notwendig.

Claims (4)

1. Adapter zum Erzeugen einer zusätzlichen Gegenkraft bei der Betätigung eines als Fahrpedal ausgebildeten Reglers einer Kraftmaschine als haptisches Signal für den Fahrer eines Fahrzeuges, umfassend eine Feder, die an ihrer einen Seite mittels nur Zug übertragender Seilverbindungen derart mit dem Fahrpedal verbunden ist, dass sie die Wirkung der Rückholfeder des Fahrpedals verstärken kann, wobei die Feder weiterhin an ihrer anderen Seite mit einem Referenzpunkt fest verbunden ist, dessen Lage auf der Federachse von einer selbständigen Steuereinheit des Adapters mit Hilfe eines Motors entsprechend der erwünschten Gegenkraft bestimmt wird, wobei ein größerer Abstand des Referenzpunktes zum Fahrpedal mehr Gegenkraft erzeugt und umgekehrt.
2. Adapter nach Anspruch 1, wobei der Adapter in Form einer selbständigen Einheit ausgebildet ist, wobei der Adapter einen intern eingebauten Beschleunigungssensor aufweist, mittels dessen die aktuell erzielte Beschleunigung des Fahrzeugs erfasst wird, wobei die Steuereinheit des Adapters, die ebenfalls die Lage des Fahrpedals erfasst, derart eingerichtet ist, dass sie die erfassten Prozessinformationen über die Beschleunigung des Fahrzeugs und die Lage des Fahrpedals zur Berechnung der Gegenkraft verwendet, und wobei der Adapter weiterhin neben der mechanischen Seilverbindung zum Fahrpedal noch eine elektrische Verbindung zur Stromversorgung und eine Schnittstelle zur Eingabe von Nutzerdaten des Fahrers aufweist.
3. Adapter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Adapter derart eingerichtet ist, dass bei Auftreten einer negativen Beschleunigung des Fahrzeugs die Gegenkraft zur Warnung des Fahrers neu erzeugt wird, wobei der Referenzpunkt in Richtung der Leerlaufstellung des Fahrpedals bewegt wird, um eine Reaktion auf eine folgende positive Beschleunigung vorzubereiten.
4. Adapter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Adapter derart eingerichtet ist, dass individuelle Wünsche des Fahrers bezüglich der Reaktion des Adapters über Einstellungen in seiner Hardware und/oder durch veränderte Parameter bei der Berechnung der Gegenkraft durch die Steuereinheit berücksichtigt werden.

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