DE102020112467A1 - Steuerhebeleinheit mit dualmodus-sensorik - Google Patents

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DE102020112467A1
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Edmund C. O`Neill
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Sensata Technologies Inc
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerhebeleinheit, die einen Steuerhebel und vorgespannte Rückstellfedern, die mit dem Steuerhebel zur Rückstellung des Steuerhebels in einer neutralen Position gekoppelt sind, umfasst. Der Steuerhebel weist einen zentralen Bereich mit Spiel, einen Übergangsbereich der um den Bereich mit Spiel angeordnet ist, in welchem mindestens eine vorgespannte Rückstellfeder beginnt auf den Steuerhebel einzuwirken, und ein Lastbereich, der um den Übergangsbereich angeordnet ist, in welchem mindestens eine vorgespannte Rückstellfeder mit relativ flacher Federrate eine Kraft auf den Steuerhebel ausübt, auf. Ein Winkelpositionssensorsystem erzeugt ein erstes Signal, das einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert. Ein Kraftsensorsystem erzeugt ein zweites Signal, das eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert. Eine Steuerungseinheit empfängt die ersten und zweiten Signale und setzt Start/Stopp-Punkte für die Steuerung durch den Steuerhebel, die im Wesentlich mit der Bewegung des Steuerhebels von dem Übergangsbereich zum Lastbereich synchron verlaufen, basierend auf dem zweiten Signal.

Description

  • HINTERGRUND
  • Anwendungsbereich
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerhebel, wie Joysticks, insbesondere verbesserte Steuerhebel für Arbeitsfahrzeuge und weitere Anwendungen, die eine verbesserte Rückmeldung und Leistung erfordern.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • In den vergangenen Jahren hat sich die Steuerung von Bau- und Landwirtschaftsfahrzeugen zu einer elektrohydraulischen Steuerung hin entwickelt. Eine gewisse Skepsis besteht allerdings noch auf Grund der unzureichenden Umsetzung der Steuerung. Insbesondere bei der Anwendung von Steuerhebeln in Form von Joysticks sind insbesondere die Rückmeldungen und eine effektive Steuerung für den Bediener maßgeblich.
  • Elektrohydraulische Steuerhebel verwenden üblicherweise magnetische Sensoren zur Bestimmung der Bewegung in zwei Achsen. Rückstellfedern verursachen eine physikalische Selbstzentrierung, wenn keine Kraft auf den Steuerhebel ausgeübt wird. Ein breiter neutraler Bereich existiert um die federzentrierte Position herum, in welchem ein taktiles Gefühl wie bei hydraulischen Führungssystemen fehlt. Infolgedessen, gestaltet es sich für den Bediener schwierig feinmechanische Bewegungen zu steuern und/oder in eng begrenzten Räumen zu arbeiten. Der breite neutrale Bereich ist jedoch nötig, um ein mechanisch freies Spiel bei der federzentrierten Position des Steuerhebels zu ermöglichen.
  • Das US-Patent US 9 004 218 , erteilt am 14. April 2015 an Gulati et al. (Gulati et al.), offenbart einen verbesserten Steuerhebel hinsichtlich der Rückmeldung. Gulati et al. setzen eine zusätzliche Federkraft ein, um die Steuerkraft zu variieren, die erforderlich ist, um den Steuerhebel von der Neutralposition in die größtmögliche Ausschlagsposition zu bewegen. Das US-Patent US 3 676 818 , erteilt am 11. Juli 2011 an Oliver beschreibt einen Messwertgeber für einen Steuerhebel.
  • In 1 wird eine Grafik des Drehmoments über dem Stellwinkel einer typischen elektrohydraulischen Joystick-artigen Steuerhebel nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Drehmomentkurve 102 weist drei unterschiedliche Bereiche auf. Ein Bereich F mit freiem Spiel beginnt mittig im Zentrum bei 0° des Stellwinkels, wobei die vorgespannten Rückstellfedern den Steuerhebel zurück zum Ursprung setzen und keine oder nur eine geringe Kraft zur Bewegung des Steuerhebels nötig ist. Bei Auslenkung des Steuerhebels von mehr als +/- 0,3° bis etwa +/- 0,75° beginnen die Rückstellfedern auf den Steuerhebel einzuwirken, was zur Ausbildung von Übergangsbereichen T führt.
  • Auslenkungen über +/-0,75° hinaus befinden sich in einem Lastbereich L, wobei die Rückstellfedern in vollem Maße auf den Steuerhebel wirken und die relativ flache Federrate der Rückstellfedern eine einheitlich gleichbleibende Rückmeldung für den Bediener erzeugt. Zur besseren Übersicht wird nur der Lastbereich L auf der linken Hälfte der 1 bezeichnet. Wie man erkennt, sind die Punkte 102a und 102b an denen die Dosierung beginnt, ca. 2° vom Ursprung entfernt. Auf diese Weise wird ein breiter neutraler Bereich W von über 4° ausgebildet, um Fehlereinflüsse wie beispielsweise Temperaturdrift 104, Signalrauschen 106 oder Kalibrierfehler 108 des Lagesensors zu kompensieren. Der breite neutrale Bereich W verursacht jedoch Probleme hinsichtlich der Rückmeldung, wie beispielsweise die verlorene Möglichkeit die Start/Stopp-Punkt 102a, 102b zu „fühlen“, da die Start/Stopp-Punkte 102a, 102b nicht wie an sich wünschenswert mit dem Lastbereich L verknüpft sind.
  • Eine weitere Problematik von elektronischen Fahrzeugsteuerungen ergibt sich hinsichtlich funktioneller Sicherheitsanforderungen. Dazu setzen viele Systeme redundante Sensorkonzepte ein. Handelt es sich bei einem redundant eingesetzten Sensor um eine identische Technologie wie die des Hauptsensors, können gleiche Ursachen zu einem Ausfall führen. Beispielsweise können parasitäre Magnetfelder den ordnungsgemäßen Betrieb beider Sensorsysteme verhindern.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Hinblick auf die vorhergehenden Probleme besteht ein Bedarf für eine verbesserten Start/Stop Funktion des Steuerhebels, welche eine robuste Konstruktion aufweist und eine Redundanz für die Sicherheitsanforderungen ausbildet, um Ausfälle, die auf gleiche Ursachen zurückgehen, zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verbesserte Steuerung, insbesondere für feinmechanische Bewegungen. Die Sicherheit wird durch den Einsatz unterschiedlicher Technologien zur Positionserfassung (z.B. magnetische Sensorik) und Erfassung der auf den Steuerhebel wirkende Kraft erhöht. Eine Vielzahl von Technologien zur Erfassung der Kraft des Steuerhebels sind derzeit verfügbar. Unter Anderem verschiedene Dehnungsmessstreifentechnologien (z.B. Dünnfilm, Microfused Strain Gauge, Micro-Electro-Mechanical Systems, piezoresestive Technologien und ähnliche). Zusätzliche Technologien zur Krafterfassung umfassen kapazitive Kraftsensoren, Linear-Variable-Differential-Transformer-Basierte Kraftsensoren (LVDT), induktive Sensoren, welche an durch eine Änderung der Induktivität, direkt angebracht an einer Druckfeder, die Auslenkung der Feder durch eine Induktivitätsänderung feststellen und Wheatstonesche Messbrücken zur Dehnungsmessung. Durch den Einsatz unterschiedlicher Technologien werde Ausfälle auf Grund gleicher Ursachen vermieden. Darüber hinaus erlauben die Positions- und Kraftsensoren Plausibilitätsprüfungen untereinander. Weiterhin ermöglicht die Kombination eine erhöhte Sicherheit und reduziert die Herstellkosten durch eine vereinfachte initiale Kalibrierung des Steuerhebels. Die vorliegende Erfindung kann auf jeden Steuerhebel angewendet werden, insbesondere eignet sie sich jedoch für besonderes sensitive Joystick-Anforderungen, wie sie beispielsweise in F-15 Kampfflugzeugen, Baggern und Ähnlichen auftreten. Darüber hinaus eignet sich die Erfindung auch für Rollstuhlanwendungen und zur Anwendungen bei Spielen. Die beanspruchte Erfindung kann auch mit anderen haptischen Mechanismen kombiniert werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Steuerhebeleinheit mit einem Steuerhebel, insbesondere einem Joystick, der für eine Rotationsbewegung über einer Kreisfläche angebracht ist. Wenigstens eine vorgespannte Rückstellfeder ist mit dem Steuerhebel zur Rückstellung des Steuerhebels in einer neutralen Position gekoppelt. Der Steuerhebel weist einen zentralen Bereich mit Spiel bei der neutralen Position auf. Ein Übergangsbereich ist um den Bereich mit Spiel herum angeordnet, in welchem die wenigstens eine vorgespannte Rückstellfeder beginnt, auf den Steuerhebel einzuwirken. Ein Lastbereich ist um den Übergangsbereich angeordnet, in welchem die wenigstens eine vorgespannte Rückstellfeder mit relativ flache Federrate eine Kraft auf den Steuerhebel ausübt. Ein Winkelpositionssensorsystem erzeugt ein erstes Signal, welche einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert. Ein Kraftsensorsystem erzeugt ein zweites Signal, welches eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert. Eine Steuerungseinheit empfängt die ersten und zweiten Signale. Die Steuerungseinheit kann, basierend auf dem zweiten Signal, Start/Stopp-Punkte zur Kontrolle des Steuerhebels setzen, die im Wesentlichen synchron mit der Bewegung des Steuerhebels von dem Übergangsbereich zum Lastbereich sind.
  • Vorzugsweise werden die Start/Stopp-Punkte in den Übergangsbereich gelegt, insbesondere in die letzten 10% des Übergangsbereichs zum Lastbereich. Die Steuerung kann auf einer Fluiddosierung in einem elektrohydraulischen Fahrzeug basieren. Die Steuerungseinheit kann ferner die ersten und zweiten Signale vergleichen, sodass ein Fehlersignal erzeugt wird, sofern die ersten und zweiten Signale sich signifikant unterscheiden. Der Unterschied kann mit einem Schwellwert verglichen werden. Der Schwellwert kann weniger als 1%, 5%, 10% und dergleichen, abhängig von den gewünschten Parametern der Anwendung, betragen. In einer Ausführung, berechnet die Steuerungseinheit eine Steigung einer Kraftkurve, welche auf dem zweiten Signal beruht, zur Bestimmung der Bereiche während einer Auto-KalibrierRoutine.
  • Eine weitere Ausführung der Erfindung umfasst eine Steuerhebeleinheit mit Dualmodus-Sensorik für ein elektrohydraulisches Fahrzeug mit einem Steuerhebel und vorgespannten Rückstellfedern, die mit dem Steuerhebel zur Rückstellung des Steuerhebels in eine neutralen Position gekoppelt sind. Winkelpositionssensoren erzeugen ein erstes Signal, welches einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert. Kraftsensoren erzeugen ein zweites Signal, welches eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert. Eine Steuerungseinheit empfängt und verarbeitet die ersten und zweiten Signale. Die Steuerungseinheit kann eine anfängliche Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern basierend auf dem zweiten Signal bestimmen, sodass die Fluiddosierung in dem elektrohydraulischen Fahrzeug durch das erste Signal, das mit der anfänglichen Auslenkung synchronisiert ist, gesteuert wird.
  • Die beschriebene Technologie umfasst ferner eine Steuerhebeleinheit mit einem Steuerhebel, wie beispielsweise einem Joystick, und Mittel zur Rückstellung des Steuerhebels in eine neutrale Position. Der Steuerhebel hat weiterhin Winkelpositionssensormittel zur Erzeugung eines ersten Signals, welches den Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert, und Kraftsensormittel zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert. Eine Steuerungseinheit verarbeitet die ersten und zweiten Signale, wobei die Steuerungseinheit eine anfängliche Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern basierend auf dem zweiten Signal bestimmen kann, sodass die Flüssigkeitsdosierung in dem elektrohydraulischen Fahrzeug durch das erste Signal gesteuert wird, welches ungefähr bei der initialen Auslenkung beginnt. Vorzugsweise ist das Mittel zur Rückstellung des Steuerhebels als vorgespannte Rückstellfeder ausgeführt. Das Winkelpositionssensormittel ist vorzugsweise ein magnetisch basiertes Sensorsystem. Das Kraftsensormittel ist vorzugsweise ein widerstandsbasiertes, plattformunabhängiges System, welches mit vorgespannten Federn verbunden ist oder ein Drucksensor. Die Steuerungseinheit ist als Elektronik auf einer Platine, verbunden mit den Sensoren, ausgeführt.
  • Eine weitere Ausbildung der beschriebenen Technologie umfasst eine Steuerhebeleinheit mit einem Steuerhebel, Winkelpositionssensoren zur Erzeugung eines ersten Signals, das den Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert, und Kraftsensoren zur Erzeugung eines zweiten Signals, das eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert. Eine Steuerungseinheit empfängt die ersten und zweiten Signale, wobei die Steuerungseinheit die Drehmomentkurve für die Kraft, die auf den Steuerhebel aufgebracht wird, bewerten kann, um die Startpunkte basierend auf dem zweiten Signal zu bestimmen, sodass die Dosierung basierend auf dem ersten Signal mit einem haptischen Gefühl des Steuerhebels optimiert und synchronisiert wird. Die Steuerungseinheit kann ferner eine Kalibrierdatenroutine durchführen, um die Drehmomentkurve zu bestimmen. Die Steuerungseinheit kann weiterhin eine Steigung der Drehmomentkurve verwenden, um einen Übergangsbereich zu bestimmen, wobei der Übergangsbereich einen zentralen Bereich mit Spiel umgibt. Ein Lastbereich umgibt den Übergangsbereich. Der Startpunkt ist ungefähr bei dem Übergang vom Übergangsbereich zum Lastbereich angeordnet. Der zentrale Bereich mit Spiel, der Übergangsbereich und der Lastbereich können durch eine Analyse einer lokalen Steigung der Drehmomentkurve bestimmt werden. Der Startpunkt kann ungefähr 10% des Übergangsbereichs zum Lastbereich betragen. Die Steuerungseinheit kann weiterhin einen Plausibilitätsalgorithmus anwenden, der auf dem Vergleich des ersten und zweiten Signals mit gespeicherten Positions- und Kraftsensor-Wertepaaren basiert, und/oder eine Ableitung der Drehmomentkurve berechnen. Die Steuerhebeleinheit kann ferner einen mit der Steuerungseinheit kommunizierenden Schalter umfassen, sodass die auf dem ersten Signal basierende Dosiersteuerung gewählt werden kann. Vorzugsweise kann die Steuerungseinheit eine Endposition basierend auf dem ersten Signal während einer Kalibrierroutine bestimmen.
  • Es sollte berücksichtigt werden, dass die vorliegende Technologie auf zahlreiche Arten implementiert und genutzt werden kann, unter anderem als Prozess, als Apparat, als System, als Gerät, als Verfahren für heute bekannte und später entwickelte Anwendungen wie z.B. ein computerlesbares Medium und ein Hardware-Gerät, das speziell dafür ausgelegt ist, die Merkmale und Funktionen der vorliegenden Technologie zu erfüllen. Diese und andere einzigartige Merkmale des hierin offenbarten Systems werden aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Figuren klarer ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Für den Fachmann, der über allgemeine Kenntnisse in dem Bereich des beschriebenen Systems verfügen, ist es, unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen, möglich, nachzuvollziehen, wie dieses System hergestellt und verwendet werden kann..
    • 1 zeigt eine Grafik des Drehmomentverlaufs über dem Stellwinkeleines elektrohydraulischen Steuerhebels nach dem Stand der Technik.
    • 2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer Steuerhebeleinheit gemäß der beschriebenen Erfindung.
    • 2B zeigt eine Seitenansicht der Steuerhebeleinheit aus 2A.
    • 2C zeigt eine Detailansicht eines in 2B mit dem Kreis 2C bezeichneten Teils der Steuerhebeleinheit.
    • 2D zeigt eine Draufsicht der Verfahrbereiche der Steuerhebeleinheit aus 2A.
    • 2E zeigt eine schematische Darstellung einer Steuerungseinheit für eine Steuerhebeleinheit gemäß der beschriebenen Erfindung.
    • 3 zeigt eine Grafik des Drehmomentverlaufs über dem Stellwinkel eines elektrohydraulischen Steuerhebels gemäß der beschriebenen Erfindung.
    • 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Steuerhebeleinheit gemäß der beschriebenen Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die beschriebene Technologie löst hinsichtlich des Stands der Technik viele Probleme, welche im Zusammenhang mit elektrohydraulischen Steuerhebeln stehen. Die Vorteile und anderen Merkmale der hier beschriebenen Technologie werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen in Bezug auf die Zeichnungen erläutert, wobei charakteristischen Ausbildungen der beschriebenen Erfindung dargestellt werden und strukturelle Elemente mit Bezugszeichen versehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Referenzen zu den Figuren, wie beispielsweise links und rechts im Bezug zu den Figuren nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen sind.
  • In den sind verschiedene Ansichten einer Steuerhebeleinheit 200 dargestellt. Die Steuerhebeleinheit 200 kann in Baufahrzeugen, Landwirtschaftsfahrzeugen, und in anderen Anwendungen verwendet werden. Die beschriebene Technologie umfasst eine Steuerhebeleinheit 200 mit Dualmodus-Sensorik, um die Start-/Stoppcharakteristik des hydraulischen Flusses zu dosieren und zu kalibrieren. Zusätzlich zu einem ersten Positionssensorsystem 204 wird ein zweites Sensorsystem 206 (2C) zur Bestimmung der Bedienkraft an einer Steuerwelle oder einem Steuerhebel 202 verwendet. Der Start bzw. Stopp des hydraulischen Flusses ist direkt mit dem Kraftsensorsystem 206 gekoppelt, wobei die Dosierung durch das Positioniersystem 204 gesteuert wird. Die Steuerhebeleinheit 200 mit Dualmodus-Sensorik nutzt eine Kraftmessung an den Federanschlägen. Vorteilhafterweise, hat die Steuerhebeleinheit 200 mit erfassendem Dualmodus vier Kraftsensoren (z.B. Dehnungsmessstreifen) auf dem Steuerhebelgehäuse 212 befestigt, an dem die Rückstellfedern vorgespannt werden. Es werden zwei Rückstellfedern für jede Drehachse des Steuerhebels 202 verwendet. Die Sensoren können auch unter den Federbeinen an einer der zwei Rückstellfedern angebracht werden, welche für jede Achse verwendet werden. Jedes Federbein wird üblicherweise an dem Gehäuse 212 und auf dem Kraftsensor vorgespannt. Jedes Federbein wird bei einer Bewegung in die eine oder andere Richtung aus der zentralen Position ausgelenkt.
  • Wird das erste Federbein von dem Gehäuse 212 angehoben, ändert sich ein erster Sensor unter diesem Bein auf einen Nullwert. Die Änderung auf den Nullwert wird dazu verwendet, um den Start des Dosierbereichs auszulösen. So ist der erste Sensor eine Positionierkomponente des Kraftsensorsystems 206. Gleichzeitig wird der zweite Sensor unterhalb des zweiten Federbeins einen Kraftanstieg feststellen, sobald die Feder ausgelenkt wird. Die Signalausgabe des Kraftanstiegs, wird für das Dosiersignal verwendet. Somit ist der zweite Sensor eine Dosiersensorkomponente des Positioniersensorsystems 204. Das Signal des zweiten Sensors, welche den Kraftanstieg anzeigt kann auch als Redundanz mit dem Auslöseereignis des ersten Sensors verwendet werden.
  • Ein dritter Sensor auf der anderen Feder bildet die Positioniersensorkomponente für das Kraftsensorsystem 206 in der weiteren Achse. Ein vierter Sensor auf der anderen Feder bildet die Dosiersensorkomponente für das Positioniersensorsystem 204 in der weiteren Achse. In einer alternativen Ausführungsform wird der erste und dritte Sensor vereinfacht durch Schalter zum Auslösen des Starts der Dosierung ersetzt. Solche Schalter würden jedoch keine redundanten Signale für den Messwert liefern. Die Arretierung und die Endpositionen können verlässlich, gemäß der üblichen Methoden kalibriert werden und die Genauigkeitsanforderungen für den Benutzer erfüllen. In einer weiteren Ausführung erfolgt die Erfassung durch einen einzigen Schalter unter den Federbeinen, der ähnlich zur vorangehenden Beschreibung den Start des Dosierereignisses auslöst und das Dosiersignal bereitstellt.
  • Im Normalbetrieb wird das erste Positionssensorsystem 204 zur Steuerung der Dosierung verwendet. Fällt jedoch das erste Positioniersensorsystem aus, kann das zweite Sensorsystem 206 zur Steuerung verwendet werden. In einer Ausführung ist die Steuerhebeleinheit mit Dualmodus-Sensorik 200 einen Steuerhebel mit zweiachsiger kardanischer Lagerung und vorgespannten Rückstellfedern im Gehäuse 212. Im Allgemeinen weisen die vorgespannten Rückstellfedern eine relativ flache Federrate auf.
  • Speziell in Bezug auf 2D ist eine Draufsicht auf die Bereiche F, T und L des Stellwinkels der Steuerhebeleinheit der 2A dargestellt. Der Steuerhebel 202 kann sich frei über der Kreisfläche 270 bewegen, welche in zwei Achsen durch die in 2A dargestellten Winkel θ und ρ definiert ist, bewegen. Jeder der Winkel θ und ρ liegt entlang einer Achse, die senkrecht zur anderen Achse verläuft. Im Normalfall sind die Winkel θ und γ identisch, allerdings können die Winkel θ und γ auch unterschiedlich ausfallen. Die Bereiche F, T, L und W vorangehend in Bezug auf 1 beschrieben, sodass diese im Weiteren nicht näher erneut erläutert werden.
  • Es wird vergegenwärtigt, dass jedes Sensorsystem 204, 206 je nach Anwendungsgebiet einen oder mehrere unterschiedliche Sensoren enthalten kann. In einer Ausführung verwendet das Winkelpositionssensorsystem 204 eine magnetische Hall-Effekt-Sensorik. Beispielsweise kann das Positioniersensorsystem 204 vier um 90° versetzte magnetische Sensoren, einen Magnet auf dem Steuerhebel und die zugehörige elektrische Verkabelung umfassen. Das Winkelpositionssensorsystem 206 erzeugt eine Signalausgabe des Auslenkwinkels des Steuerhebels in jede der zwei orthogonalen Rotationsachsen. Das Kraftsensorsystem 206 erfasst die Kraft in jeder Achse, um die aufzubringende Kraft auf den Steuerhebel zu bestimmen. Es wird vergegenwärtigt, dass eine solche Kraft auf der Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern beruht, allerdings kann diese auch in direkter Verbindung mit dem Steuerhebel 202 ausgeführt sein.
  • Vorzugsweise kommuniziert eine Steuerungseinheit 210 wie in 2A dargestellt über Kabel oder Drahtlos mit der Steuerhebeleinheit 200 und den Sensorsystemen 204, 206. Die Steuerungseinheit wird schematisch in 2E dargestellt. Die Steuerungseinheit 210 enthält einen Speicher 230 und einen Prozessor 232 der die beschriebenen Funktionen der Steuerhebeleinheit 200 ausführt. Sofern sich die Steuerungseinheit ganz oder teilweise an einem entfernten Standort befindet, ist gemäß der Technik eine Verdrahtung und eine Verbindung erforderlich. Alternativ kann die Steuerungseinheit auch in der Steuerhebeleinheit 200 integriert werden, beispielsweise auf einer Schaltungsplatine in einem Gehäuse, wie in dargestellt.
  • Die Steuerungseinheit 210 enthält in einer Ausführung ein Drahtlosmodul 234 und bei Bedarf weitere Komponenten zur Kommunikation mit der Steuerhebeleinheit 200. Die Signale des Winkelpositionssensorsystems 204 und des Kraftsensorsystems 206 werden parallel von der Steuerungseinheit 210 verarbeitet. Die Steuerungseinheit 210 wendet Algorithmen auf die Kalibrierdaten und die Sensorsignale an, um die optimale Start-/Stopp-Position für die hydraulische Durchflussdosierung zu bestimmen.
  • Ein beispielhafter Algorithmus basiert auf einer geregelten oder synchronisierten Abtastrate zwischen dem Positionssensorsystem 204 und dem Kraftsensorsystem 206. Ein Algorithmus, der den Kraftwert in Bezug auf den Positionswert ableitet, kann verwendet werden, um die lokale Steigung der charakteristischen Drehmoment-/Positionskennlinie für die Steuerhebeleinheit 200 zu bestimmen. Sobald die Steuerungseinheit 210 die charakteristische Drehmoment-/Positionskennlinie ermittelt hat, kann die Steuerungseinheit 210 den spezifischen Bereich ableiten, in dem die Steuerhebeleinheit 200 betätigt wird. Ferner erübrigt sich durch die Verwendung der Steigung des Kraftwertes in Bezug auf den Positionswert mit den aktuellen anliegenden Datenwerten die kostspielige Temperaturkalibrierung des Kraftsensors.
  • Vorzugsweise nutzt die Steuerungseinheit 210 den beispielhaften Algorithmus zur Abtastung jedes Sensors, der die aktuellen „n“ Werte speichert. Die Steuerungseinheit 210 überwacht die Positionssensorwerte auf Änderungen hinsichtlich einer Schwellenwertüberschreitung. Falls die Positionsänderung auftritt (z.B. wenn der Schwellenwert überschritten wird), wird die Steigung aus den aktuellsten Daten berechnet. Es wird eine Wertetabelle erstellt und mit dem Ergebnis der Steigung gespeichert, um zu bestimmen, in welchem Bereich sich die Steuerhebeleinheit 200 befindet.
  • Wenn die Region von Bereich „F“ zu „T“ übergeht, wird der Positionssensorwert während des Übergangs dynamisch so gesetzt, dass er den Beginn des Dosierbereichs darstellt. Ein zurückstellen durch den „T“ Bereich in den „F“ Bereich kann auch den dynamischen Dosieranfangswert neu setzen. Die Steuerungseinheit 210 kann aufgrund von Reibungseffekten in der Steuerhebeleinheit 200 die Bedienung verfeinern. Aus diesem Grund kann in einer Ausführung, die eine Rückstellfeder verwendet, ein vereinfachter Regelalgorithmus verwendet werden, sofern der Kraftsensor direkt auf dem für das Rückstellmoment verantwortlichen Federelement platziert werden kann, da die Reibung hier nicht erfasst wird. Im Umkehrschluss kann die Einbeziehung der Reibungsdaten zu besseren Diagnosefähigkeiten und einer besseren funktionalen Sicherheit führen.
  • Die Steuerungseinheit 210 kann einen separaten „Plausibilitäts“-Algorithmus anwenden, der auf gespeicherten Positions- und Kraftsensorwertepaaren basiert, die empirisch bei der Fertigung vom Hersteller ermittelt wurden (sprich Werkskalibrierdaten). Der Plausibilitätsalgorithmus kann auch einen erwarteten Wert für die Drift über die typische Nutzungsdauer für jeden Sensor enthalten. Die bei jeder Abtastung gefundenen Wertepaare werden mit interpolierten Werten aus den gespeicherten Daten verglichen, um fehlerhafte Messwerte zu erkennen.
  • Die Werkskalibrierdaten können während einer Prozedur wie folgt ermittelt werden. Zuerst wird die Steuerhebeleinheit 200 extern geprüft, ob sie sich in der federzentrierten Position und bei Raumtemperatur befindet, sodass die Basiswerte für die „Mitte“ des Sensors ermittelt werden können. Als nächstes wird ein Bediener angewiesen, die Steuerhebeleinheit 200 langsam über den gesamten Verfahrbereich zu betätigen, während diese an ein Testsystem 600 angeschlossen ist (siehe 2A). Die verschiedenen Bereiche, Raststellungen und Endanschläge werden durch die Kraft- und Positionsableitungen sowie die Maximal- und Minimalfunktionen bestimmt. Das Testsystem benachrichtigt vorzugsweise den Bediener, sobald alle Kalibrierdaten vorliegen. Anschließend weist das Testsystem den Bediener an, das Gerät in jede kritische Tastposition zu bewegen und zu überprüfen, ob der Ausgabewert der Steuerhebeleinheit 200 an jeder dieser Tastpositionen innerhalb der Spezifikation liegt.
  • Für Systeme, die die Möglichkeit des weiteren Betriebs im Falle eines Ausfalls eines einzelnen Elements erfordern, kann ein redundanter Positionssensor oder Kraftsensor vorgesehen werden. In einer Ausführungsform würde der redundante Sensor, der den Kraftsensor am besten ersetzt, in einem leistungsreduzierten Modus oder „Notbetriebsmodus“ ausgewählt werden, falls die Sensorwerte nicht übereinstimmen. Erwähnenswert ist, dass der Kraftsensor auch zur Dosierung verwendet werden könnte.
  • Die Steuerungseinheit 210 berechnet vorzugsweise die Ableitung der Drehmomentkurve 302 (siehe 3) aus dem Kraftsignal des zweiten Positionssensorsystems 206, so dass die Änderungsrate bekannt ist. Infolgedessen wird bei der Bewegung des Steuerhebels 202 eine Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern bewirkt, so dass eine Veränderung der Kraft auf den Steuerhebel 202 klar identifizierbar ist.
  • Im Betrieb wird jeder Sensor verwendet, um den anderen Sensor mit dem Plausibilitätsalgorithmus zu validieren. Beispielsweise kann das Kraftsensorsystem 206 die gleichen Dosierinformationen wie das Positionserfassungssystem 204 liefern, so dass, wenn die beiden resultierenden Datensätze nicht innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen, ein Fehlersignal von der Steuerungseinheit 210 erzeugt wird. Die vorgegebene Toleranz kann weniger als 1%, 5%, 10% und dergleichen betragen. Das Fehlersignal kann zu einer Kontrollleuchte die aufleuchtet auf einem Armaturenbrett, und Vergleichbarem geführt werden. Das Fehlersignal kann auch eine Änderung der Steuerung bewirken, indem die Verwendung des Kraftsensorsystems 206 anstelle des Positionserfassungssystems 204 umgeschaltet wird. Das Umschalten in der Steuerung kann auch vom Bediener mit einem Schalter am Armaturenbrett gewählt werden, um zwischen den Sensorsystemen 204, 206 zu wechseln.
  • Mit Bezug auf 3 wird nun eine Graphik 300 der Drehmomentkurve 302 in Abhängigkeit von dem Stellwinkel für einen elektrohydraulischen Steuerhebel gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie man erkennt, weist die Drehmomentkurve 302 der Bewegung des Steuerhebels 202 den gleichen Verlauf wie in 1 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Bereiche F, T, L nicht dargestellt. Die Punkte 302a, 302b zum Starten/Stoppen der Dosierung liegen jedoch viel näher dem Ursprung und können problemlos mit dem haptischen Gefühl des Steuerhebels 202 synchronisiert werden. Mit anderen Worten, der neutrale Bereich W ist viel kleiner, etwa 1,5° oder weniger statt über 4° im Stand der Technik. Tatsächlich gibt es einen Start-Bereich 320 der vollständig in der Übergangszone T liegt. Somit könnten die Punkte 302a, 302b noch näher beieinanderliegen als dargestellt. Dadurch wird das Ansprechverhalten des Steuerhebels und das haptische Gefühl verbessert.
  • Wie oben beschrieben, hat die Steuerungseinheit 210 eine Kalibrierdaten-Routine durchgeführt, um die Drehmomentkurve 302 zu bestimmen. Durch Auswertung der Drehmomentkurve 302 können die Punkte 302a, 302b, an denen die Dosierung beginnt, optimiert und mit dem haptischen Gefühl des Steuerhebels 202 synchronisiert werden. In einer Ausführungsform verwendet die Steuerungseinheit 210 die Steigung der Drehmomentkurve 302 zur Bestimmung der Übergangszonen T. Wie ersichtlich ist, unterscheidet sich die Steigung in dem Übergangsbereich T von dem zentral gelegenen Bereich mit Spiel (siehe 1) und dem Lastbereich L (siehe 1), wo die relativ flache Federrate die Drehmomentkurve 302 abflacht. Als Resultat sind die Übergangsbereiche T (etwa +/- 0,3° bis etwa +/- 0,75°) leicht zu identifizieren. In den Übergangsbereichen T beginnt der Steuerhebel dem Bediener das gewünschte Gefühl zu vermitteln, so dass die Dosierung des hydraulischen Flusses beginnen kann.
  • Zum Setzen des Dosierbeginns der Punkte 302a, 302b kann die Steuerungseinheit 210 verschiedene Verfahren anwenden. In einer Ausführung erzeugt die Steuerungseinheit 210 den Bereich 320 des Starts innerhalb der Übergangsbereiche T, der sich von einem minimal möglichen Schaltpunkt 322 bis zu einem maximal möglichen Schaltpunkt 324 erstreckt. Für eine gewisse Sicherheit und/oder Fehlerkompensationsminimierung können die minimal und maximal möglichen Schaltpunkte 322, 324 um 25% in den jeweiligen Übergangsbereichen T liegen (d.h. der Startbereich 320 entspricht der mittleren Hälfte der Übergangsbereiche T). Es können auch höhere oder niedrigere Werte als 25% verwendet werden. Vorzugsweise werden die Start-/Stopp-Punkte 302a, 302b auf die maximal möglichen Schaltpunkte 324 im definierten Startbereich 320 gesetzt. Durch Verwendung des Kraftsensorsystems 206 kann der Start/Stopp der Dosierpositionen 302a, 302b sicher über den Beginn der Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern hinaus gehalten werden. Vorteilhaft ist, dass der Drift, das Rauschen, die Kalibrierung und andere Fehler in Echtzeit berücksichtigt werden, während gleichzeitig die haptische Aktion der Steuerhebeleinheit 200 mit dem Betrieb der hydraulischen Durchflussdosierung wie gewünscht synchronisiert wird. Es ist auch vorgesehen, dass die Steuerhebeleinheit 200 jederzeit rekalibriert werden kann.
  • Das Kraftsensorsystem 206 kann auch zur Erkennung einer Endposition im Stellbereich des Steuerhebels verwendet werden, um die Sicherheit und Steuerbarkeit zu verbessern. In einer Ausführungsform wird das Kraftsensorsystem 206 auch zur Erfassung von Raststellungen im Stellbereich des Steuerhebels verwendet, die bei einer vorgegebenen Wegstrecke kurz vor der Endposition des Stellwegs liegen. Vorzugsweise wird das Kraftsensorsystem 206 so gewählt, dass es zuverlässig zwischen einer Kraft Null und einer Kraft, die kleiner oder gleich der Vorspannung der Rückstellfedern ist (z.B. ca. ein Drehmoment von 1 Nm), unterscheiden kann. Ein solches Kraftsensorsystem 206 sollte so ausgelegt sein, dass es Kräften standhält, die etwa 50 Mal größer sind als die Vorspannung der Rückstellfedern.
  • Darüber hinaus ermöglicht die Kombination der Sensorsysteme 204, 206 durch die Vereinfachung und Verbesserung der anfänglichen Kalibrierung der Steuerhebeleinheit 200 eine höhere Sicherheit und geringere Produktionskosten. Nach der Montage werden die Kraft- und Positionssensorsysteme 204, 206 zusammen verwendet, um die Steuerhebeleinheit 200 automatisch zu kalibrieren. Zur Autokalibrierung wird der Steuerhebel 202 in einer kontrollierten Umgebung über den gesamten Stellbereich bewegt, um den Winkel zu bestimmen, bei dem die Dosierung wie oben beschrieben beginnen soll.
  • In einer anderen Ausführungsform werden anstelle des Kraftsensorsystems ein oder mehrere Schalter verwendet. Die Schalter können so eingestellt werden, dass sie ihren Zustand ändern (z.B. Öffnen/Schließen), wenn eine vorgespannte Rückstellfeder vom jeweiligen Anschlag abgehoben wird. Infolgedessen wird die anfängliche Auslenkung der vorgespannten Rückstellfeder durch den Steuerhebel erneut bestimmt und nicht einfach durch einen zu breiten neutraler Bereich berücksichtigt.
  • In einer anderen Ausführung umfasst eine Steuerhebeleinheit 400 eine Kraftmessung an dem Steuerhebel 402, wie in 4 dargestellt. In 4 werden ähnliche Bezugszahlen wie in den 2A-C für analoge Komponenten verwendet, mit Ausnahme der 400er-Reihe anstelle der 200er-Reihe. Folglich werden ähnliche Komponenten hier nicht näher beschrieben. Die Steuerhebeleinheit 400 umfasst zwei Kraftsensoren 409 (z.B. Dehnungsmessstreifen), die am Joystick 402 auf zwei senkrechten flachen Entlastungsflächen 403 parallel zu den beiden primären Bewegungsachsen des Steuerhebels 402 befestigt sind. Die Sensoren 409 erfassen die Biegebeanspruchung in dem Steuerhebel 402. Die Verwendung der Kraftsensoren 409 auf dem Steuerhebel 402 ermöglicht die Erkennung von Raststellungen und Endanschlägen, sowie die von unerwarteten Anfahrkräften, klemmenden Fremdkörpern am Joystick oder Überlastungsereignissen. In einer Ausführung umfasst die Steuerhebeleinheit nur zwei Kraftsensoren auf der Steuerhebelwelle anstelle von vier Sensoren.
  • Für den Fachmann verstehet es sich, dass die Funktionen mehrerer Bauelemente in alternativen Ausführungsformen von weniger Elementen oder einem einzigen Element erfüllt werden können. In ähnlicher Weise kann in einigen Ausführungsformen jedes Funktionselement weniger oder andere Funktionen als die in Bezug auf die dargestellte Ausführungsform beschriebenen ausführen. Auch Funktionselemente (z.B. Prozessoren, Sensoren, Schnittstellen, Hardware und dergleichen), die zur Veranschaulichung als getrennt beschrieben und/oder dargestellt werden, können in einer bestimmten Implementierung in andere Funktionselemente integriert werden.
  • Alle hier erwähnten Patente, Patentanmeldungen und andere Literatur werden hiermit ausdrücklich in ihrer Gesamtheit als zur vorliegenden Offenbarung gehörig angesehen. Während die hier beschriebene Technologie im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen an dieser Technologie vorgenommen werden können, ohne vom Sinn und Zweck der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 3676818 [0004]

Claims (15)

  1. Steuerhebeleinheit umfassend: einen Steuerhebel, der für eine Rotationsbewegung über einer Kreisfläche angebracht ist; wenigstens eine vorgespannten Rückstellfeder, die mit dem Steuerhebel zur Rückstellung des Steuerhebels in eine neutrale Position gekoppelt ist, wobei der Steuerhebel einen zentralen Bereich mit Spiel bei der neutralen Position, einen Übergangsbereich der um den Bereich mit Spiel herum angeordnet ist, in welchem die wenigstens eine vorgespannte Rückstellfeder beginnt auf den Steuerhebel einzuwirken, und einen Lastbereich, der um den Übergangsbereich herum angeordnet ist, in welchem die wenigstens eine vorgespannte Rückstellfeder eine Kraft mit relativ flacher Federrate auf den Steuerhebel ausübt, aufweist; ein Winkelpositionssensorsystem, zur Erzeugung eines ersten Signals, das einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert; ein Kraftsensorsystem, zur Erzeugung eines zweiten Signals, das eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert, und eine Steuerungseinheit zum Empfangen der ersten und zweiten Signale, wobei die Steuerungseinheit Start/Stopp-Punkte zur Steuerung mit dem Steuerhebel setzen kann, die im Wesentlichen mit der Bewegung des Steuerhebels von dem Übergangsbereich zum Lastbereich synchron verlaufen, basierend auf dem zweiten Signal.
  2. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 1, wobei die Start/Stopp-Punkte in dem Übergangsbereich auf den letzten 10% des Übergangsbereichs zum Lastbereich gesetzt werden.
  3. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Fluiddosierung in einem elektrohydraulischen Fahrzeug übernimmt.
  4. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit die ersten und zweiten Signale vergleicht, sodass ein Fehlersignal erzeugt wird, wenn die ersten und zweiten Signale sich um mehr als ein Schwellwert unterscheiden.
  5. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit für folgende Funktionen ausgelegt ist: Berechnen einer Steigung einer Kraftkurve basierend auf dem zweiten Signal, um die Bereiche während einer Auto-KalibrierRoutine zu bestimmen; und Regulierung der Steuerung basierend auf dem ersten Signal zwischen den Start/Stopp-Punkten.
  6. Steuerhebeleinheit umfassend: einen Steuerhebel; Winkelpositionssensoren zur Erzeugung eines ersten Signals, das einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert; Kraftsensoren zur Erzeugung eines zweiten Signals, das eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert; und eine Steuerungseinheit zum Empfangen der ersten und zweiten Signale, wobei die Steuerungseinheit eine Drehmomentkurve für die auf den Steuerhebel ausgeübte Kraft auswerten kann, um Startpunkte basierend auf dem zweiten Signal zu bestimmen, sodass die Dosierung basierend auf dem ersten Signal mit einem haptischen Gefühl für die Steuereinrichtung optimiert und synchronisiert wird.
  7. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgelegt ist, eine Kalibrierdatenroutine zur Bestimmung der Drehmomentkurve durchzuführen.
  8. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 7, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgelegt ist, eine Steigung der Drehmomentkurve zu verwenden, um einen Übergangsbereich zu bestimmen, wobei der Übergangsbereich um einen zentral angeordneten Bereich mit Spiel angeordnet ist, ein Lastbereich um den Übergangsbereich angeordnet ist, und ein Startpunkt dicht bei dem Übergang des Übergangsbereichs und des Lastbereichs liegt.
  9. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 8, wobei der zentral angeordnete Bereich mit Spiel, der Übergangsbereich und der Lastbereich durch Analyse einer lokalen Steigung der Drehmomentkurve bestimmt werden.
  10. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 8, wobei der Startpunkt in etwa 10% des Übergangsbereichs zum Lastbereich beträgt.
  11. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgelegt ist, einen Plausibilitätsalgorithmus, basierend dem Vergleich des ersten und zweiten Signals mit gespeicherten Positions- und Kraftsensorwertpaaren, anzuwenden.
  12. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgelegt ist, eine Steigung der Drehmomentkurve zu berechnen.
  13. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 6, die ferner einen mit der Steuerungseinheit kommunizierenden Schalter umfasst, sodass eine auf dem ersten Signal basierende Dosierkontrolle gewählt werden kann.
  14. Steuerhebeleinheit nach Anspruch 6, wobei die Steuerungseinheit ferner ausgelegt ist, eine Endposition des Stellbereichs basierend auf dem ersten Signal während einer Kalibrierroutine zu bestimmen.
  15. Steuerhebeleinheit mit Dualmodus-Sensorik für ein elektrohydraulisches Fahrzeug umfassend: einen Steuerhebel; vorgespannte Rückstellfedern, die mit dem Steuerhebel zur Rückstellung des Steuerhebels in eine neutrale Position gekoppelt sind; Winkelpositionssensoren, zur Erzeugung eines ersten Signals, das einen Stellwinkel des Steuerhebels repräsentiert; Kraftsensoren zur Erzeugung eines zweiten Signals, das eine auf den Steuerhebel aufgebrachte Kraft repräsentiert; und eine Steuerungseinheit zum Empfang der ersten und zweiten Signale, wobei die Steuerungseinheit ausgelegt ist, eine anfängliche Auslenkung der vorgespannten Rückstellfedern basierend auf dem zweiten Signal zu bestimmen, sodass die Fluiddosierung in dem elektrohydraulischen Fahrzeug durch das erste Signal gestartet wird, das feststellt, dass eine anfängliche Auslenkung stattgefunden hat, um die Fluiddosierung auszulösen, die durch das erste Signal gesteuert wird.
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