DE19539101C1 - Rückwirkungssimulator für Steuervorrichtung, insbesondere Fahrzeuglenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rückwirkungssimulator für eine Steuervorrichtung, insbesondere eine Fahrzeuglenkung, mit ei­ nem von einer Handhabe, insbesondere Lenkhandrad, betätigba­ ren Sollwertgeber sowie einer durch Regelantrieb entsprechend dem jeweiligen Sollwert stellbaren Steueranordnung, insbeson­ dere für die Fahrzeuglenkräder, wobei der Rückwirkungssimula­ tor die Handhabe mit einer eine Zwangskopplung zwischen Hand­ habe und Steueranordnung simulierenden Kraft beaufschlagt.

Steuervorrichtungen, bei denen eine willkürlich betätigbare Handhabe zumindest beim Normalbetrieb ohne jegliche mechani­ sche oder hydraulische Zwangskopplung mit einer Steueranord­ nung lediglich über Signalaustausch wirkungsverbunden ist, sind grundsätzlich bekannt. Ein solches Steuerungskonzept wird auch als "Steer by Wire" bezeichnet. Beispielsweise wer­ den sowohl in zivilen als auch militärischen Flugzeugen die Leitwerke sowie die Flügelklappen in solcher Weise betätigt.

Bei der heutigen Technik läßt sich die Signalübertragung mit höchster Sicherheit gewährleisten, so daß entsprechende Steu­ ervorrichtungen auch in Passagierflugzeugen eingesetzt wer­ den.

Damit ist es grundsätzlich auch möglich, die Lenkung eines nicht spurgebundenen Fahrzeuges entsprechend auszubilden, d. h. das Lenkhandrad besitzt zumindest bei normalen Betriebs­ zuständen keinerlei mechanische oder sonstige Zwangskopplung mit den Lenkrädern des Fahrzeuges.

Um dem Fahrer gleichwohl ein Lenkgefühl wie bei herkömmlichen Lenkungen zu geben, muß das Lenkhandrad mit einem Rückwir­ kungssimulator in Verbindung stehen, der entsprechend den je­ weiligen Betriebszuständen auf das Lenkhandrad Kräfte ausübt, die den bei einer Zwangskopplung zwischen Lenkhandrad und Lenkrädern des Fahrzeuges auftretenden, am Lenkhandrad fühl­ baren Handkräften zumindest ähnlich sind.

In diesem Zusammenhang ist es aus der US 47 71 846 bekannt, dem Lenkhandrad eine elektromagnetisch steuerbare Bremse zu­ zuordnen, so daß am Lenkhandrad jeweils ein von den jeweili­ gen Fahrzuständen abhängiger Lenkwiderstand fühlbar ist.

Nach der EP 04 47 626 A2 ist das Lenkhandrad mit einem Elek­ tromotor antriebsverbunden, der grundsätzlich die Möglichkeit bietet, neben einem Lenkwiderstand auch Handradbewegungen zu simulieren, wie sie bei herkömmlichen Fahrzeuglenkungen durch Fahrbahnstöße od. dgl. erzeugt werden können.

Die WO 90/12724 sowie die EP 05 56 082 A1 zeigen, daß anstel­ le eines Elektromotors auch fluidische Motoren für die Rück­ wirkungssimulation eingesetzt werden können.

Bei allen diesen bekannten Vorrichtungen erscheint die Be­ triebssicherheit der Rückwirkungssimulatoren noch verbesse­ rungsbedürftig.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues Konzept für einen Rückwirkungssimulator aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rückwirkungssimulator eine Rückstellfederanordnung, durch die die Handhabe in Richtung einer Ausgangslage beaufschlagbar ist, sowie eine unmittelbar auf die Handhabe und/oder auf verstellbare Widerlager der Rückstellfederanordnung wirkende Krafterzeugeranordnung aufweist.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch die praktisch absolut ausfallsichere Rückstellfederanordnung eine Grundcharakteristik des Rückwirkungssimulators vorzugeben. Im Falle einer Fahrzeuglenkung ist dies gleichbedeutend damit, die Rückstellfederanordnung so auszulegen, daß die von ihr auf das Lenkhandrad ausgeübten Kräfte weitestgehend den Kräf­ ten entsprechen, die bei herkömmlichen Fahrzeuglenkungen im Bereich größerer Geschwindigkeiten auftreten. Bei solchen Be­ triebszuständen sind bei normalen Fahrzeuglenkungen die durch Reibung auftretenden Hystereseeffekte relativ gering, d. h. das am Lenkhandrad fühlbare Rückstellmoment ist nur wenig ge­ ringer als der Lenkwiderstand, welcher einer Verstellung der Lenkung aus der Geradeausstellung nach rechts oder links ent­ gegenwirkt.

Um nun die bei normalen Fahrzeuglenkungen bei geringer Fahr­ geschwindigkeit oder insbesondere bei verschwindender Fahrge­ schwindigkeit auftretenden Hystereseeffekte nachahmen zu kön­ nen, können mittels der Krafterzeugervorrichtung Kräfte un­ mittelbar auf die Handhabe und auf die - in besonders bevor­ zugter Weise - verstellbar ausgebildeten Widerlager der Rück­ stellfederanordnung ausgeübt werden.

Die Wirkung der Krafterzeugervorrichtung überlagert also die Wirkung der Rückstellfedervorrichtung, derart, daß bei Aus­ fall der Krafterzeugervorrichtung am Lenkhandrad immer noch eine Rückwirkungskraft simuliert wird, die den Verhältnissen einer herkömmlichen Fahrzeuglenkung bei hoher Fahrgeschwin­ digkeit entspricht, so daß der Fahrer bei eventuellen Störun­ gen der Krafterzeugervorrichtung nicht in gefährlicher Weise überrascht werden kann.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung beaufschlagt die Rückstellfederanordnung einerseits die Handhabe und andererseits ein Hydraulikaggregat, welches bei Druckbeaufschlagung die Kraft, mit der die Rückstellfederan­ ordnung die Handhabe beaufschlagt, zu vermindern sucht. Dar­ über hinaus ist die Handhabe direkt mit einem Elektromotor verbunden, durch den Bewegungen der Handhabe hervorgerufen werden können.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung be­ vorzugter Ausführungsformen verwiesen, die anhand der Zeich­ nung beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 verschiedene Diagramme, die die zur Verstellung des Lenkwinkels notwendigen Handkräfte wiedergeben, wobei die typischen Verhältnisse herkömmlicher Lenkungen dargestellt sind,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rückwirkungssimulators und

Fig. 3 eine besonders bevorzugte Ausführungsform.

Im Teil A der Fig. 1 ist dargestellt, welche Handmomente M am Lenkhandrad bei höherer Geschwindigkeit überwunden werden müssen bzw. auftreten, wenn das Lenkhandrad aus der Gerade­ ausstellung um einen Winkel α ausgelenkt wird, wobei die Aus­ lenkung zunächst in die eine Richtung bis zum Endanschlag und danach in die andere Richtung bis zum Endanschlag usw. er­ folgt. Gemäß der Kurve a muß zum Verlassen der Geradeausstel­ lung eine geringe Mindestkraft erzeugt werden, um das Lenk­ handrad drehen zu können. Bei weiterer Drehung des Lenkhand­ rades muß gemäß der Kurve b ein zunächst kontinuierlich an­ wachsendes Moment überwunden werden. Sobald dann ein Grenzmo­ ment M_g erreicht wird, steigt das Gegenmoment praktisch nicht mehr an, d. h. das Lenkhandrad läßt sich gegen ein im wesent­ lichen konstantes Gegenmoment bis zum Anschlag drehen. Das jeweils wirksame Rückstellstellmoment ist gemäß der Kurve c aufgrund interner Reibung im Lenksystem etwas geringer als das der zuvor genannten Lenkbetätigung entgegenwirkende Ge­ genmoment. Die auftretende Differenz ist jedoch relativ ge­ ring, da bei größerer Fahrgeschwindigkeit die Fahrbahn den Lenkbewegungen der Lenkräder nur einen vergleichsweise gerin­ gen Widerstand entgegensetzt. Dementsprechend vermag das Rückstellmoment die Lenkung bei losgelassenem Lenkhandrad weitestgehend in die Geradeausstellung zurückzustellen.

Wird nachfolgend das Lenkhandrad in die Gegenrichtung ausge­ lenkt, so tritt entsprechend der Kurve d wiederum ein ent­ sprechendes Gegenmoment auf, während das Rückstellmoment ent­ sprechend der Kurve e betragsmäßig wiederum etwas geringer als das Gegenmoment ist.

Die aufgrund von Reibung auftretende Hysterese zwischen Ge­ gen- und Rückstellmoment bleibt insgesamt sehr gering.

Völlig andere Verhältnisse liegen vor, wenn die Lenkung im Stand bzw. bei ganz geringer Geschwindigkeit betätigt wird. Diese Verhältnisse sind im Teil B der Fig. 1 dargestellt.

Während bei der Betätigung des Lenkhandrades gemäß den Kurven a′ und b′ im wesentlichen ähnliche Verhältnisse wie im Falle der Kurven a und b im Teil A der Fig. 1 auftreten, weicht das Rückstellmoment betragsmäßig erheblich von dem Gegenmoment ab. Gemäß der Kurve c′ tritt bei losgelassenem Lenkhandrad nur eine geringe Rückstellung der Lenkräder auf. Danach muß ent­ sprechend der Kurve e′ das Lenkhandrad aktiv betätigt werden. Entsprechende Verhältnisse ergeben sich bei Drehung des Lenk­ handrades in umgekehrter Richtung.

Ein ähnliches Verhalten soll mit dem erfindungsgemäßen Rück­ wirkungssimulator erreichbar sein.

Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rück­ wirkungssimulators ist ein Lenkhandrad 1 über eine begrenzt drehelastische Nabe 2 mit einer Welle 3 antriebsverbunden, die einerseits mit einem selbsthemmungsfreien Elektromotor 4 und andererseits über ein selbsthemmungsfreies Getriebe (nicht dargestellt) mit einem quer zur Welle 3 verschiebbaren Mitnehmer 5 antriebsgekoppelt ist. Je nach elektrischer Strombeaufschlagung des Elektromotors 4 kann also einer Dreh­ verstellung des Lenkhandrades 1 ein mehr oder weniger großes Gegenmoment entgegengesetzt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, bei entsprechender Strombeaufschlagung des Elektromotors 4 Bewegungen des Lenkhandrades 1 zu provozie­ ren, etwa so, als ob Fahrbahneinflüsse über die nicht darge­ stellten Lenkräder des Fahrzeuges eine Rückwirkung auf das Lenkhandrad 1 hätten.

Der Mitnehmer 5 wird je nach Drehrichtung des Lenkhandrades 1 nach rechts oder links verschoben. Wird der Mitnehmer 5 mit einer Kraft in der einen oder anderen Verschieberichtung be­ aufschlagt, so sucht er das Lenkhandrad 1 in der einen oder anderen Richtung zu drehen.

Der Mitnehmer 5 wird in der dargestellten Mittellage von zwei Schraubendruckfedern 6 und 7 beaufschlagt, deren mitnehmer­ seitige Enden bzw. Widerlager in der dargestellten Mittellage des Mitnehmers 5 gleichzeitig einen stationären Anschlag 8 beaufschlagen. Den jeweils anderen Enden der Schraubendruck­ federn 6 und 7 sind hydraulisch verstellbare Widerlager 9 und 10 zugeordnet.

Wenn das Lenkhandrad aus der Mittellage in eine Richtung ge­ dreht wird, so nimmt der Mitnehmer 5 das zugewandte Ende der einen Schraubendruckfeder, beispielsweise der Feder 6, mit, d. h. das mitnehmerseitige Ende dieser Feder 6 wird vom An­ schlag 8 entsprechend der Drehung des Lenkhandrades 1 zuneh­ mend entfernt, wobei die Feder 6 zunehmend gespannt wird. Die andere Schraubendruckfeder 7 bleibt in Anlage am Anschlag 8.

Der vorgenannten Drehung des Lenkhandrades 1 setzt somit die Feder 6 einen entsprechend der Federspannung wachsenden Wi­ derstand entgegen, welcher gegebenenfalls durch Verstellung des Widerlagers 10 veränderbar ist. Dabei läßt sich das Wi­ derlager 10 insbesondere so verstellen, daß das auf das Lenk­ handrad 1 wirkende Rückstellmoment um ein veränderliches Maß kleiner ist als das zuvor der Drehung des Lenkhandrades ent­ gegengesetzte Gegenmoment.

Entsprechendes gilt bei Drehung des Lenkhandrades in der an­ deren Richtung. Hier wird gegebenenfalls das Widerlager 9 verstellt.

Durch Verstellung der Widerlager 9 und 10 kann also die aus Fig. 1 ersichtliche, fahrgeschwindigkeitsabhängige Hysterese zwischen Gegenmoment und Rückstellkraft nachgebildet werden.

Der Elektromotor 4 dient vornehmlich dazu, Kräfte zu simulie­ ren, die bei herkömmlichen Fahrzeuglenkungen aufgrund von Fahrbahneinflüssen am Lenkhandrad fühlbar sind.

Grundsätzlich kann jedoch der Elektromotor 4 auch dazu die­ nen, die Hysterese der Fig. 1 nachzubilden, indem er so be­ stromt wird, daß er den Rückstellwirkungen der Federn 6 und 7 entgegenzuwirken sucht.

Die drehelastische Nabe 2 simuliert in allen Fällen die in herkömmlichen Fahrzeuglenkungen vorhandene Elastizität der Kraftübertragung zwischen Lenkhandrad und Lenkrädern.

Im übrigen steuern die Drehbewegungen der Welle 3 einen Soll­ wertgeber (nicht dargestellt), so daß über eine nicht darge­ stellte Regelstrecke die nicht dargestellten Lenkräder des Fahrzeuges der jeweiligen Drehbewegung des Lenkhandrades 1 (weitestgehend verzögerungsfrei) nachgeführt werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist das Lenk­ handrad 1 wiederum über eine drehelastische Nabe 2 mit der Welle 3 antriebsverbunden, die in einem Gehäuse 12 mittels eines Festlagers 13, eines Radiallagers 14 sowie eines Axiallagers 15 drehgelagert ist. Auf der Welle 3 ist ein Zahnrad 16 angeordnet, welches mit einem Schneckenrad 17 selbsthemmungsfrei kämmt, das seinerseits über eine elektri­ sche Kupplung mit dem Elektromotor 4 antriebsmäßig verbindbar ist.

Des weiteren ist an der Welle 3 eine Kulisse 18 angeordnet, die symmetrisch zu einer axialen Längsmittelebene der Welle 3 zwei Schrägabschnitte 18′ mit zueinander entgegengesetzten, betragsmäßig gleichen Steigungen aufweist.

Innerhalb des Gehäuse 12 ist koaxial zur Welle 3 eine Schrau­ bendruckfeder 19 angeordnet, welche an ihrem in Fig. 3 linken Ende an einer radialen Gehäusewand abgestützt ist und deren anderes Ende einen Stempel 20 gegen die Kulisse 18 zu drängen sucht. Dieser Stempel 20 ist mittels einer Paßfeder 21 im Ge­ häuse 12 undrehbar, jedoch in Achsrichtung der Welle 3 ver­ schiebbar gehaltert. Auf seiner der Kulisse 18 zugewandten Seite trägt der Stempel 20 ein auf einem senkrecht zur Welle 3 angeordneten Bolzen 22 gehaltertes Nadellager 23, welches nach Art einer Rolle auf der Kulisse 18 zu laufen vermag.

Wenn also die Kulisse 18 unter Drehung der Welle 3 gedreht wird, wird das Nadellager 23 aus der dargestellten rechten Endlage gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 19 zurückge­ drängt, so daß der Drehung der Kulisse 18 ein Gegenmoment entgegenwirkt.

Am Stempel 20 ist ein Zylinder 24 fest angeordnet, dessen stempelfernes Ende als Ringkolben 25 ausgebildet ist. Axial zwischen zwei Ringdichtungen 26 und 27, die zwischen dem Ge­ häuse 12 und dem Ringkolben 25 bzw. zwischen dem Gehäuse 12 und dem Zylinder 24 angeordnet sind, ist ein Ringraum 29 an­ geordnet, der über eine Gehäusebohrung 30 mit hydraulischem Druckmedium beaufschlagbar ist. Dabei wirkt der hydraulische Druck im Ringraum 29 der Kraft der Feder 19 entgegen, d. h. bei hinreichendem hydraulischen Druck kann der Andruck des Nadellagers 23 an der Kulisse 18 vermindert werden, bzw. ge­ gebenenfalls kann auch der Stempel 20 mit dem Nadellager 23 von der Kulisse 18 entfernt werden.

Durch den Andruck des Nadellagers 23 an die Kulisse 18 sowie durch deren Form wird das Gegenmoment bestimmt, welches einer Drehung des Handrades 1 und somit der Welle 3 und der Kulisse 18 entgegenwirkt. Gleichzeitig wird dadurch auch das Rück­ stellmoment bestimmt, welches das Lenkhandrad 1 bei einer Auslenkung aus der dargestellten Lage zurückzudrehen sucht. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung des Ringraumes 29 kann die Hysterese gemäß Fig. 1 nachgebildet werden. Mittels des Elektromotors 4 kann wiederum grundsätzlich Gleiches be­ wirkt werden. Darüber hinaus vermag der Elektromotor 4 auch Drehbewegungen der Welle 3 sowie des Lenkhandrades 1 anzure­ gen.

Um eine sehr feinfühlige Regelung der am Lenkhandrad 1 fühl­ baren Momente zu ermöglichen, sind axial vor und hinter der drehelastischen Nabe 2 jeweils Drehwinkelgeber 31 und 32 an­ geordnet, mit denen sich die Relativdrehung zwischen Welle 3 und Lenkhandrad 1 und damit die elastische Verspannung der Nabe 2 sowie das am Lenkhandrad 1 fühlbare Drehmoment ermit­ teln lassen. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, durch Druckeinleitung in den Ringraum 29 und/oder durch entspre­ chend Strombeaufschlagung des Elektromotors 4 die am Lenk­ handrad 1 fühlbaren Momente sehr exakt zu regeln.

Claims (5)

1. Rückwirkungssimulator für eine Steuervorrichtung, insbe­ sondere eine Fahrzeuglenkung, mit einem von einer Handhabe, insbesondere Lenkhandrad, betätigbaren Sollwertgeber sowie einer durch Regelantrieb entsprechend dem jeweiligen Sollwert stellbaren Steueranordnung, insbesondere für Fahrzeuglenkrä­ der, wobei der Rückwirkungssimulator die Handhabe mit einer eine Zwangskopplung zwischen Handhabe und Steueranordnung si­ mulierenden Kraft beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwirkungssimulator eine Rückstellfederanordnung (6, 7; 19), durch die die Handhabe (1) in Richtung einer Aus­ gangslage beaufschlagbar ist, sowie eine unmittelbar auf die Handhabe (1) und/oder auf verstellbare Widerlager (9, 10; 20) der Rückstellfederanordnung wirkende Krafterzeugeranordnung (4) aufweist.

2. Rückwirkungssimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Handhabe bzw. einem Lenkhandrad (1) an­ triebsverbundene Welle (3) mit einem Mitnehmer (5) antriebs­ verbunden ist, der durch gegeneinander spannbare Federn (6, 7) in Richtung einer Mittellage beaufschlagbar ist, und daß den vorgenannten Federn verstellbare Widerlager an den mitnehmer­ fernen Federenden zugeordnet sind.

3. Rückwirkungssimulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (6, 7) in Mittelstellung des Mitnehmers (5) di­ rekt oder indirekt an einem stationären Anschlag (8) anlie­ gen, derart, daß der Mitnehmer (5) bei Verlassen der Mittel­ stellung jeweils nur von einer der Federn beaufschlagbar ist.

4. Rückwirkungssimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der Handhabe bzw. dem Lenkhandrad (1) antriebs­ verbundene Welle (3) eine Kulisse (18) trägt, gegen die ein in Achsrichtung der Welle verschiebbares Stempelteil (20) mittels Feder (19) andrückbar ist, wobei die Andruckkraft veränderbar ist, indem das Stempelteil mit einem Verdrän­ gerorgan (25, 29) derart antriebsverbunden ist, daß eine der Feder (19) entgegenwirkende Kraft erzeugbar ist.

5. Rückwirkungssimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabe bzw. das Lenkhandrad (1) elastisch (Nabe 2) mit Organen (Welle 3) antriebsverbunden ist, die mit Kräften zur Rückwirkungssimulation beaufschlagbar sind.