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Einrichtung zum Regeln und Begrenzen der Fahrgeschwindigkeit von Kraftfahrzeugen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln und Begrenzen der Fahrgeschwindigkeit
von Kraftfahrzeugen durch einen auf das Gaspedalgestänge oder die Drosselklappenstellung
einwirkenden Stellmotor, dessen Drehrichtung vom Unterschied zwischen der jeweiligen
Istgeschwindigkeit und einer einstellbaren Sollgeschwindigkeit des Fahrzeuges oder
entsprechenden Vergleichsgrößen abhängig ist.
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Bei solchen Regelvorrichtungen wird die Istgeschwindigkeit mittels
eines von der Fahrzeugbewegung angetriebenen Generatorgebers als Spannung dargestellt,
in eine Gleichspannung umgeformt und mit einer einstellbaren, der gewünschten Sollgeschwindigkeit
proportionalen Spannung in einer Differenzschaltung verglichen. Die daraus gewonnene
Differenzspannung wird entweder zum Schalten der Stromversorgung oder nach Verstärkung
auch mittelbar zur Speisung des Stellmotors benutzt, der je nach dem Vorzeichen
der Spannung auf das Gaspedalgestänge oder die Drosselklappenstellung in der einen
oder anderen Richtung so lange einwirkt, bis das Fahrzeug die Sollgeschwindigkeit
erreicht hat. Als Stellmotoren werden meist Gleichstrommotoren, vorzugsweise Reihenschlußmotoren
mit zwei Feldwicklungen für die beiden Drehrichtungen verwendet.
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Die bereits vorgeschlagenen Steuerungen des Stellmotors in Abhängigkeit
von der aus einer Vergleichsschaltung gewonnenen Differenzspannung sind recht aufwendig
und haben vor allem den Nachteil einer mehr oder weniger breiten toten Zone um den
Nullpunkt der Regelung, d. h. um den Punkt der Übereinstimmung von Ist- und Sollgeschwindigkeit.
Wird die Differenzspannung für eine Relaisschaltung benutzt, so muß sie den Ansprechwert
des Relais erreicht haben. Da das Relais aber bei höheren Spannungen nicht überlastet
werden darf, muß es - auch wegen der Erschütterungen im Kraftfahrzeug - entsprechend
unempfindlich bemessen sein. Eine tote Zone um den Regelnullpunkt ist daher im Schalterbetrieb
unvermeidlich. Unabhängig davon haben Relaisschaltungen im Kraftfahrzeug stets den
Nachteil der Erschütterungsempfindlichkeit. Sie sind störanfällig und verursachen
außerdem unerwünschte Geräusche. Eine Schaltersteuerung des Stellmotors hat ferner
den Nachteil, daß der Motor stets mit vollem Strom anläuft. Das führt entweder sehr
leicht zu einer Übersteuerung und einem Pendeln der Regelung um den Sollwert oder
macht besonders aufwendige Bremsschaltungen erforderlich. Eine Proportionalregelung
ist nicht möglich. Wenn die aus den Vergleichsspannungen gewonnene Differenzspannung
mittelbar zur Speisung des Stellmotors benutzt werden soll, ist eine mehrfache Verstärkung
notwendig. Wegen der sehr kleinen Spannung um den Sollwert kann eine tote Zone der
Regelung dennoch nicht vermieden werden, da sonst der Verstärkeraufwand, der an
sich schon hoch ist, unzulässig groß wird.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten oder bereits
vorgeschlagenen Regelvorrichtungen und ergibt vor allem eine sehr empfindliche und
genaue Regelung um den Sollwert der Geschwindigkeit, praktisch ohne tote Zone. Sie
besteht darin, daß der Stellmotor in beiden Drehrichtungen von impulsförmigen Strömen
gespeist ist, bei welchen die Impulsgröße (Dauer und/oder "#inplitude) bei einem
Unterschied zwischen der Ist- und der Sollgeschwindigkeit des Fahrzeuges verschieden
groß und der Größenunterschied der Impulse bei einer Änderung des Geschwindigkeitsunterschiedes
in gleichem Sinne veränderbar ist. Vorteilhaft ist es, wenn der Stellmotor in den
beiden Drehrichtungen von impulsförmigen Strömen in wechselnder Folge gespeist wird,
weil dann der auch bei Stillstand des
Motors in diesem fließende
Strom ein Minimum wird, was sowohl für seine Dimensionierung als auch für die Empfindlichkeit
der Geschwindigkeitsregelung um den Sollwert günstig ist.
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Zur Erzeugung und geschwindigkeitsabhängigen Regelung der impulsförmigen
Speiseströme wird ein Multivibrator benutzt, der von den der Ist- und der Sollgeschwindigkeit
des Fahrzeuges proportionalen Vergleichsspannungen gesteuert ist. Die erfindungsgemäße,
vorzugsweise mit Transistoren bestückte Multivibratorschaltung ist ferner derart
aufgebaut, daß an Stelle der üblichen Widerstände in den RC-Gliedern des Multivibrators
die Kollektor-Emitter-Strecke je eines Transistors geschaltet und diese Transistoren
von den Vergleichsspannungen ausgesteuert sind, so daß bei Spannungsgleichheit eine
symmetrische und bei Ungleichheit eine im Verhältnis der Vergleichsspannungen unsymmetrische
Tastung des Multivibrators bewirkt wird. Da die von der Multivibratorschaltung gelieferten
Stromimpulse für die Speisung des Stellmotors nicht ausreichen, werden sie zur Steuerung
von Leistungstransistoren benutzt, die die Speiseströme für den Stellmotor im gleichen
Tastverhältnis impulsförmig schalten.
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Durch die Impulsform der Speiseströme und den symmetrischen Aufbau
der Schaltung zu ihrer Erzeugung und Regelung wird eine sehr genaue Regelung der
Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges auf den eingestellten Sollwert erreicht. Da einerseits
der Multivibrator mit einer relativ hohen Frequenz schwingt, andererseits durch
die Impulsform des Speisestromes auch bei kleinster Abweichung der Ist- von der
Sollgeschwindigkeit der größere Stromimpuls voll - wenn auch nur sehr kurzzeitig
-wirksam ist, ist eine tote Zone praktisch nicht vorhanden. Der Stellmotor kann
den Stromimpulsen folgend sehr langsam drehen. Der Steuerleistungsbedarf gegenüber
einer Relaisschaltung ist sehr gering. Auch der gesamte Aufwand für die Steuerung
des Stellmotors ist bei sehr kleinem Raumbedarf relativ klein.
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Die allgemeine Wirkungsweise der an sich bekannten Vorrichtung zum
Regeln und Begrenzen der Fahrgeschwindigkeit in Kraftfahrzeugen, von der die Erfindung
ausgeht, sowie die Erzeugung und Regelung der Impulsströme nach der Erfindung werden
nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigen in F i g. 1 eine Prinzipdarstellung
einer Regelvorrichtung, in F i g. 2 das Schaltschema des Multivibrators und in F
i g. 3 Darstellungen der Impulsspannungen der Speiseströme für den Stellmotor.
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In der Prinzipdarstellung nach F i g. 1 ist das Gaspedal des Kraftfahrzeuges
mit 1 bezeichnet, das über ; ein Gestänge 2 auf die Drosselklappe 3 einwirkt. Zur
selbsttätigen Geschwindigkeitsregelung ist nun das Gaspedalgestänge durch ein Kuppelstück
4 mit dem Stellhebel 5 des Stellgerätes 6 der Regelvorrichtung verbunden. Im Stellgerät
6 sind der Stellmotor 7 mit i einem Untersetzungsgetriebe, eine Kupplung 8, 9 mit
dem Stellhebel s vereinigt. Im Beispiel ist eine für solche Zwecke vorzugsweise
benutzte elektromagnetische Kupplung angedeutet. Mit der Achse des Stellmotors 7
ist der Kupplungsteil 8 fest verbunden, t der den Elektromagneten enthält, der im
Regelbetrieb erregt ist, den Kupplungsteil 9 gegen die Kraft einer nicht gezeichneten
Feder anzieht und die Kupplungsmittel einrückt. Mit dem Kupplungsteil 9 sind die
Welle 10 und eine Scheibe 11 fest verbunden, während die Verbindung zwischen der
Scheibe 11 und dem Stellhebel 5 federnd ausgeführt ist, wobei der mit einer Hülse
12 auf der Welle 10 drehbare Stellhebel 5 durch eine zwischen der Scheibe 11 und
dem Hebel 5 vorgespannte Feder 13 gegen den Anschlag 14 auf der Scheibe 11 gehalten
ist. Durch diese Anordnung kann das Gaspedal 1 unter Spannen der Feder 13 für eine
eventuell notwendige Beschleunigung des Fahrzeuges über den Sollwert der Geschwindigkeit
hinaus betätigt werden.
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In einem Bedienungsgerät 15 sind die Schaltelemente für die Erzeugung
der Speiseströme für den Stellmotor und die Bedienungsmittel zusammengefaßt. Dem
Bedienungsgerät sind eine von einem Generatorgeber G in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeuges erzeugte Spannung sowie die Spannung der Fahrzeugbatterie zugeführt.
Die der Istgeschwindigkeit des Fahrzeuges entsprechende Spannung des Gebers G sowie
eine an einem an einer stabilisierten Spannung liegenden und mit dem Sollgeschwindigkeitseinsteller
16 verbundenen Potentiometer abgegriffene Spannung speisen eine Vergleicherstufe
17. Zur Erzielung einer Proportionalregelung ist mit der Achse des Stellmotors der
Abgriff eines Potentiometers 19 verbunden. Die in Abhängigkeit von der Stellung
des Motors von diesem Potentiometer abgegriffene Spannung wird ebenfalls der Vergleicherstufe
17 zugeführt und bildet zusammen mit der vom Sollwerteinsteller 16 abgegriffenen
Spannung die Vergleichsspannung U1. In der Vergleicherstufe 17 wird die vom Geber
G gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgeformt und nach Siebung und
Glättung als Istwertspannung U2 mit der Sollwertspannung Ui verglichen und der Vergleichswert
in der Verstärkerstufe 18 verstärkt.
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Ein Teil der Vergleicherstufe 17 und der Verstärker 18 der Prinzipdarstellung
in F i g. 1 bilden die erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung der impulsförmigen
Speiseströme für den Stellmotor. Zur deutlichen Darstellung sind in F i g. 2 die
an sich bekannten Mittel zur Bildung und Stabilisierung der der Ist- und der Sollgeschwindigkeit
entsprechenden Vergleichsspannungen U1 und U2 weggelassen, und das Schaltbild geht
von diesen Spannungen aus. Die Vergleichsspannungen U1 und U2 liegen je an der Basis
zweier Transistoren Ti und T2, deren Kollektor-Emitter-Strecken die Widerstände
der RC-Glieder (Kondensatoren Cl und C2) einer an sich bekannten Multivibratorschaltung
mit den Transistoren T3 und T4 bilden. Zur Vereinfachung der Schaltung werden zur
Steuerung der Transistoren T3 und T4 des Multivibrators komplementäre Transistoren
T, und T2 verwendet. Die Zeitdauer, in welcher sich z. B. der Transistor T3 in gesperrtem
Zustand befindet, ist somit von der Aussteuerung des Transistors T1 durch die Spannung
Ui abhängig. Das gleiche bewirkt die Spannung U2 über den Transistor T2 beim Transistor
T4. Wird angenommen, daß die Kapazität der Kondensatoren Ci und C2, und die Größe
der beiden Spannungen U1 und U2 gleich ist, dann ist auch die Sperrzeit von T, und
T4 gleich; das Tastverhältnis des Multivibrators ist 1: 1. Besteht eine Differenz
zwischen Ui und U2, so ist die Sperrzeit der Transistoren T@ und T2 verschieden
und hat .eine sinngemäße Änderung des Tastverhältnisses des Multivibrators
zur
Folge. Dem Multivibrator sind zur Verstärkung in an sich bekannter Weise die Leistungstransistoren
T5 und TB nachgeschaltet, um die für den Betrieb des Stellmotors erforderlichen
Ströme schalten zu können.
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Als Stellmotoren können wie im Beispiel (F i g. 2) Reihenschlußmotoren
mit zwei Feldwicklungen 20 und 21 für die beiden Drehrichtungen benutzt sein. Es
können aber auch Motoren mit einer Feldwicklung verwendet werden, die durch Kunstschaltungen
für einen wechselnden Durchfluß der Speiseströme in verschiedenen Richtungen umgepolt
wird. Auch eine Speisung der Feldwicklung durch einen impulsförmigen Wechselstrom
mit gleichen Verhältnissen zwischen den positiven und negativen Impulsen ist möglich.
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In F i g. 3 sind die Spannungsverhältnisse der impulsförmigen Speiseströme
für den Stellmotor in den beiden Feldwicklungen 20 und 21 dargestellt, wobei jeweils
die beiden Impulsreihen den verschiedenen Drehrichtungen des Motors entsprechen.
Der Anker des Stellmotors wird von der Summe der abwechselnden Impulsströme durchflossen
und führt daher dauernd Strom. F i g. 3 a zeigt die Impulsspannungen für das Tastverhältnis
1:1 bei Spannungsgleichheit von Ui und U2, F i g. 3 b das Tastverhältnis für den
Fall U1 < U2 (die Istgeschwindigkeit ist größer als die Sollgeschwindigkeit)
und F i g. 3 c ein Beispiel für Ui i U2, wenn die Istgeschwindigkeit kleiner als
der Sollwert ist. Die Frequenz der Impulsströme wird mit zunehmendem Unterschied
der Geschwindigkeit kleiner, da die Sperrzeiten der Multivibratorschaltung entsprechend
verlängert werden.
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Bei einem Tastverhältnis von 1:1 (F i g. 3 a) sind die auf den Anker
von den beiden Feldwicklungen ausgeübten Drehmomente gleich groß,.und der Motor
kann infolge seiner Trägheit nicht laufen. Wegen der Induktivität der Feldspulen
kann der Strom in diesen seinen Höchstwert innerhalb der relativ kurzen Einschaltzeit
nicht erreichen, und es fließt daher beim Tastverhältnis 1: 1 auch durch den Anker
nur ein geringer Strom. Nimmt jedoch das Tastverhältnis einen anderen Wert an (F
i g. 3 b oder 3 c), so beginnt sinngemäß der Motor zu laufen, da das von der einen
Feldwicklung ausgeübte Drehmoment größer als das der anderen ist. Aus den in F i
g. 3 b und 3 c angedeuteten doppelt schraffierten Differenzflächen ist leicht zu
erkennen, daß bereits bei kleinen Unterschieden der Impulsgrößen der beiden Speiseströme
ein kurzzeitiger Drehimpuls auf den Motor ausgeübt wird; eine tote Zone ist praktisch
nicht vorhanden, und der Motor kann in kleinen Schritten sehr langsam drehen. Auch
die Verlustleistung der Leistungstransistoren T5 und T6 ist gering, da diese lediglich
im Schalterbetrieb arbeiten.
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Das am Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges angeordnete Bedienungsgerät
enthält die Bedienungsmittel der Einrichtung, die in der Prinzipdarstellung der
F i g. 1 nur durch den Umschalter 22 angedeutet sind. In der Stellung Null ist die
Einrichtung ausgeschaltet. Bei einer Umschaltung auf die Stellung »Regeln« (R) werden
die Magnetspule 23 im Kupplungsteil 8 sowie ein Selbsthaltekontakt 24 im Kupplungsteil
9 eingeschaltet, und die Kupplung wird eingerückt, sobald das Gasgestänge in die
zum Erreichen der Sollgeschwindigkeit notwendige Stellung gebracht ist. Die Einrichtung
regelt dann die Istgeschwindigkeit auf den durch den Einsteller 16 eingestellten
Sollwert. Bei jeder Betätigung der Bremse Br oder Kupplung K wird der Stromkreis
der Magnetspule 23 unterbrochen, die Kupplung 8, 9 gelöst und das Gaspedal 1 unter
der Einwirkung. seiner eigenen Rückstellfeder in die Leerlaufstellung zurückgeführt.
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In der Stellung »Begrenzen« (B) des Umschalters 22 ist der Strom für
die Magnetspule 23 ausgeschaltet und daher die Kupplung 8, 9 offen. Das Kupplungsteil
e ist bis zu einem nicht dargestellten Anschlag auf dem Kupplungsteil 8 frei drehbar,
wobei dieser Anschlag derart angeordnet ist, daß die Anschlagstellung identisch
mit der Eingriffsstellung der Kupplungsteile ist. Das Gaspedal 1 ist also zwischen
der Leerlaufstellung und der durch die jeweilige Stellung des Stellmotors bestimmten
Anschlagstellung frei bewegbar. über diese Anschlagstellung hinaus ist die weitere
Bewegung des Gaspedals unter Spannen der Feder 13 mit erhöhtem Kraftaufwand möglich.
Das Erreichen der Sollwertstellung wird also durch einen kräftigen Druckpunkt am
Gaspedal spürbar.
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Neben dem Sollwerteinsteller 16 zum Wählen beliebiger Sollgeschwindigkeiten
können auch bestimmte feste Geschwindigkeitswerte, z. B. 50 km/h, welchen ganz bestimmte
feste Spannungswerte von U1 entsprechen, durch Drucktasten geschaltet und eingeregelt
werden.