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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Simulation einer Kraft,
insbesondere einer Schaltkraft eines Getriebesimulators, mit einem
beweglich gelagerten Stellelement, das von einem einer Verstellung
des Stellelementes entgegenwirkenden Krafterzeuger beaufschlagbar
ist.
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Es
gibt vielfältige
Anwendungsgebiete, in denen in einem realen Betrieb auftretende
Kräfte
beispielsweise zu Versuchs- und Erprobungszwecken simuliert werden.
Dadurch können
einerseits Kosten gespart und andererseits die zu simulierenden
Kräfte schnell
und einfach geänderten
Versuchsbedingungen angepaßt
werden.
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Insbesondere
zur Erprobung von Getriebebetätigungen,
wie Gestängen
und Seilzugvorrichtungen, werden die bei Wähl- und Schaltvorgängen an Getrieben
auftretenden Kräfte
häufig
statt durch ein wirkliches Getriebe durch einen Getriebesimulator erzeugt.
Aber auch in Fahrsimulatoren werden die im realen Fahrbetrieb auftretenden
Schaltkräfte
möglichst
wirklichkeitsgetreu von einem Getriebesimulator simuliert.
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Kräfte können in
unterschiedlichster Weise erzeugt werden. In der
GB 2 036 404 A wird zum Beispiel
eine Gangwechsel-Simulation beschrieben, bei der ein Gangwechsel-Simulator verwendet
wird, bei dem für
mehrere Schaltebenen jeweils eine rechteckige Stange vorgesehen
ist. Jede der Stangen weist einen Krafterzeuger auf, der zangenartig
ausgebildet ist. Jeweils zwei federbelastete und gelenkig miteinander
verbundene Arme bilden eine Bremszange, welche die jeweilige Stange
mittels Reibbelägen
einspannen und somit einer Bewegung der Stange durch die Erzeugung
von Reibungskräften
entgegenwirken. Eine wegabhängige Änderung
der durch den Krafterzeuger verursachten Reibungskräfte ist
in diesem Fall durch eine Querschnittsänderung der jeweiligen Stange
erzeugbar. Ein Aufbau der beschriebenen Art ist relativ aufwendig
und erfordert zur Änderung
der als Widerstandskräfte
wirksamen Reibungskräfte
und einer wegabhängigen
Widerstandscharakteristik das Austauschen von Bauteilen, z. B. der Stangen
und/oder der die Arme der Bremszangen belastenden Federelemente.
Im übrigen
ist die beschriebene Anordnung aufgrund der Reibung zwischen den
Stangen und den Reibbelägen
einem Verschleiß unterworfen.
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Aus
der
US 4,713,007 ist
eine als Flugsimulator verwendete Vorrichtung bekannt. In dieser
Vorrichtung wirkt ein Federelement sowohl als Zugfeder als auch
als Druckfeder, um eine Kraft auf ein Bedienelement auszuüben. Durch
die Kraft am Bedienelement werden dem Nutzer Krafteindrücke vermittelt, die
denen einer realen Flugzeugsteuerung ähnlich sind.
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Aus
der
DE 109 936 5 B ist
ebenfalls eine Simulationsvorrichtung für ein Fliegerschulungsgerät bekannt.
In dieser Vorrichtung sind Federelemente vorgesehen, die lösbar mit
einem Antrieb verbunden sind und durch diesen vorgespannt werden
können. Wird
die Verbindung zum Antrieb gelöst,
gehen die Federelemente ruckartig in ihre Ausgangsposition zurück und simulieren
dem Flugschüler
mit diesem Ruck die Auswirkungen von Trimmungsfehlern auf die Steuerung.
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Es
stellt sich daher das Problem, die gattungsbildende Vorrichtung
derart weiterzubilden, dass eine Vorrichtung zur Simulation einer
Kraft bereitgestellt wird, die im Aufbau einfach gestaltet und im übrigen verschleißarm ausgebildet
ist. Weiterhin soll ein Getriebesimulator und ein Fahrsimulator
aufgezeigt werden.
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Das
die Vorrichtung betreffende Problem wird durch die Merkmale des
Anspruches 1 gelöst. Anspruch
9 zeigt den Getriebesimulator und Anspruch 10 den Fahrsimulator
auf. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis
8.
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Die
Vorrichtung zur Simulation einer Kraft ist insbesondere für die realitätsnahe Erzeugung
einer Schaltkraft eines Getriebesimulators vorgesehen. Die Vorrichtung
ist mit einem beweglich gelagerten Stellelement versehen, das von
einem einer Verstellung des Stellelementes entgegenwirkenden Krafterzeuger
beaufschlagbar ist. Der Krafterzeuger ist elastisch ausgebildet.
Das Stellelement und der Krafterzeuger sind derart ausgebildet und
angeordnet, daß eine
aus dem Krafterzeuger erzielbare Widerstandskraft in einer Wirkachse
der Verstellung liegt und unmittelbar auf das Stellelement einwirkt.
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In
der Vorrichtung ist ein Lagerelement vorhanden, und der Krafterzeuger
ist so gestaltet, dass er zwei Gruppen von auf gegenüberliegenden
Seiten des Lagerelementes angeordneten Federelementen aufweist.
Weiterhin sind zwei verstellbar ausgebildete Verbindungselemente
vorgesehen, die auf gegenüberliegenden
Seiten des Lagerelementes derart ausgebildet und angeordnet sind,
dass jeweils eine von den zugeordneten Federelementen erzeugbare Federkraft
aufnehmbar und in das Lagerelement einleitbar ist Durch eine beidseitig
des Lagerelementes vorgesehene Anordnung der Federelemente wird eine
selbsttätige
Fixierung des Stellelementes in einer Ruhe- oder Ausgangsposition
erreicht. Die Verbindungselemente können auf gegenüberliegenden Seiten
des Lagerelementes angeordnet und derart ausgebildet sein, dass
jeweils eine von den zugeordneten Federelementen erzeugbare Federkraft
aufnehmbar und in das Lagerelement einleitbar ist. Durch die Verbindungselemente
stützen
sich die Federelemente jeweils gegenüber dem Lagerelement ab, so
dass die Federelemente durch eine Vorspannung und durch eine Verstellung
des Stellelementes zusammendrückbar
und derart die in das Stellelement einzuleitenden Federkräfte erzeugbar
sind. Die Verbindungselemente können
verstellbar ausgebildet und angeordnet sein.
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Das
Stellelement, unter dem im weitesten Sinne eine Stange oder ein
Hebel verstanden werden kann, wird zur Simulation einer Schaltbewegung
verstellt, d. h. in einer Längsrichtung
verschoben oder um eine Drehachse gedreht. Der elastisch ausgebildete
Krafterzeuger, der als Längs-
oder Drehfederelement ausgebildet sein kann, wirkt unmittelbar,
d. h. ohne Umlenk- und Reibelemente, auf das Stellelement ein. Dabei
wirkt die durch den Krafterzeuger hervorgerufene Widerstandskraft
in der Wirkachse der Bewegung des Stellelementes der jeweiligen
Bewegung des Stellelementes entgegen, d. h. im Falle einer Längsbewegung
des Stellelementes wirkt die Widerstandskraft unmittelbar in der
Richtung der Längsbewegung
dieser entgegen, im Falle einer Drehbewegung des Stellelementes
wirkt die Widerstandskraft unmittelbar um die Drehachse der Drehbewegung
dieser als Drehmoment entgegen.
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Somit
ist ein relativ einfacher und verschleißarmer Aufbau gegeben, so daß das der
Erfindung zugrundeliegende Problem gelöst ist.
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Im
folgenden werden zweckmäßige Ausgestaltungen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
näher erläutert.
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Das
Stellelement der Vorrichtung kann als Schub- und Zugstange ausgebildet
sein und vorzugsweise einen runden Querschnitt aufweisen. Als Schub-
und Zugstange beschreibt das Stellelement bei einer Verstellung
im wesentlichen eine Längsbewegung.
Als Bauteil mit rundem Querschnitt ist das Stellelement einfach
und preisgünstig
als Drehteil herstellbar.
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Das
Lagerelement kann einen Lagerbock und eine in diesem fixierte Führungshülse aufweisen, in
der eine axialbewegliche Führung
des Stellelementes vorgesehen ist. Das im wesentlichen aus dem Lagerbock
und der Führungshülse bestehende Lagerelement
ist räumlich
fixiert und dient einer beweglichen Lagerung des Stellelementes.
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Diese
Federelemente des Krafterzeugers können als Druckfedern ausgebildet
sein. Durch die Federelemente erhält der Krafterzeuger eine Elastizität. Im vorliegenden
Fall wird bei den Federelementen von Druckfedern ausgegangen, denkbar
sind jedoch auch Zugfedern und Torsionsfedern.
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Jeder
der zwei Gruppen von Federelementen kann ein Federteller zugeordnet
sein. Die Federteller können
derart ausgebildet und angeordnet sein, dass durch jeden der Federteller
jeweils eine Federkraft in das Stellelement und in das Lagerelement
einleitbar ist. Federteller sind bekannte Bauteile, durch die von
Federelementen erzeugte Federkräfte
in andere Bauteile einleitbar sind. Durch entsprechende Dimensionierung
kann erreicht werden, dass die Federelemente im Ruhezustand des
jeweiligen Stellelementes auf das Lagerelement, und hier speziell
auf die Führungshülse wirken.
In einem ausgelenkten Zustand des Stellelementes wirken nur die auf
der Seite des Lagerelementes angeordneten Federelemente, in die
das Stellelement bewegt wird, so dass das Stellelement ohne eine
Einwirkung äußerer Kräfte selbsttätig in die
Ausgangsstellung zurückgedrückt wird.
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Jede
der Gruppen von Federelementen kann Schraubenfedern aufweisen. Die
Schraubenfedern können
parallel und/oder in Reihe geschaltet angeordnet sein. Schraubenfedern
sind bekannte Maschinenelemente und mit unterschiedlichsten Eigenschaften,
d. h. Baugröße, Steifigkeit
und Federcharakteristik, erhältlich.
Durch die Kombination von Schraubenfedern in Parallel- und/oder
Reihenanordnung sind beliebige Eigenschaften, insbesondere progressive,
lineare oder degressive Kennlinien, erzeugbar.
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Jede
der Gruppen von Federelementen kann auch Tellerfedern aufweisen.
Die Tellerfedern können untereinander
oder mit anderen Federelementen parallel und/oder in Reihe geschaltet
angeordnet sein. Tellerfedern sind im Vergleich zu Schraubenfedern sehr
kompakt und weisen in der Regel eine degressive Kennlinie auf.
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Durch
geeignete Gestaltung der Verbindungselemente kann erreicht werden,
dass jeweils unabhängig
voneinander eine Vorspannkraft erzeugbar und änderbar ist. Damit sind unterschiedliche
Widerstandskräfte
für eine
Zug- und Druckbewegung des Stellelementes realisierbar. Im übrigen können durch
eine Änderung
der jeweiligen Vorspannung einfach und schnell andere zu simulierende
Kräfte eingestellt
werden.
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Es
ist ein Getriebesimulator vorgesehen, der eine oder mehrere Vorrichtungen
zur Simulation einer Kraft mit den zuvor beschrieben Merkmalen und Eigenschaften
aufweist. Eine einzige Vorrichtung dient dann zur Simulation einer
Schaltebene des zu simulierenden Getriebes.
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Des
weiteren ist ein Fahrsimulator vorgesehen, in dem ein Getriebesimulator
der zuvor geschilderten Art angeordnet ist und der somit auch eine oder
mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur
Simulation einer Kraft aufweist.
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In
der nachfolgenden Figur ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt.
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Die
Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Simulation einer Kraft.
Die Vorrichtung 1 weist ein Lagerelement 2 mit
einem Lagerbock 3 und einer in diesem befestigten Führungshülse 4 auf.
In der Führungshülse 4 ist
ein als Schub- und Zugstange ausgebildetes Stellelement 5 gleitbeweglich
gelagert, wobei das Stellelement 5 im Bereich der Führungshülse 4 einen Bund 6 aufweist.
Der Bund 6 des Stellelementes 5 und die Führungshülse 4 weisen
im wesentlichen eine gemeinsame Länge 7 auf. An einem
Ende des Stellelementes 5 ist ein Angriffselement 8 zur
Einleitung einer Stellbewegung bzw. einer Stellkraft vorgesehen.
Die Vorrichtung 1 hat eine Zugseite 9 und eine Schubseite 10.
Bei Einleitung einer Zugbewegung bzw. Zugkraft in das Stellelement 5 bewegt
sich dieses in Richtung der Zugseite 9, bei Einleitung
einer Schubbewegung bzw. Schubkraft entsprechend in Richtung der
Schubseite 10. Beiderseits der Führungshülse 4 befindet sich
jeweils ein als Schraubenfeder ausgebildetes Federelement 11,
das jeweils innen über
einen Federteller 12 in einer in der Figur dargestellten
Mittellage sowohl stirnseitig an der Führungshülse 4 als auch an
dem Bund 6 des Stellelementes 5 anliegt. Außen stehen
die Federelemente 11 jeweils mit einem als Hülsen ausgebildeten
Verbindungselement 13 in Kontakt. Die Verbindungselemente 13 sind
auf der Führungshülse 4 verschraubt und
durch Kontermuttern 14 gesichert. Die Federelemente 11 und
die Federteller 12 bilden zusammen mit den Verbindungselementen 13 und
den Kontermuttern 14 einen Krafterzeuger 15, dessen
Wirkachse 16 in einer Bewegungsachse des Stellelementes 5,
d. h. in diesem Fall in dessen Längsachse,
liegt.
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Durch
mehr oder weniger weites Aufschrauben der Verbindungselemente 13 auf
die Führungshülse 4 sind
die Federelemente 11 unabhängig voneinander vorspannbar.
Ein ungewollter Ausgleich unterschiedlicher Vorspannkräfte ist
nicht möglich,
da das Stellelement 5 ohne eine Einwirkung von äußeren Kräften mittels
der durch die Federelemente 11 stirnseitig an den Bund 6 des
Stellelementes 5 und an die Führungshülse 4 angedrückten Federteller 12 in
der Mittellage gehalten wird. Bei einer von außen veranlaßten Bewegung des Stellelementes 5 wirkt
jeweils nur eines der Federelemente 11 dieser Bewegung
entgegen. Wird beispielsweise über
das Angriffselement 8 eine Schubkraft in das Stellelement 5 eingeleitet,
so bewegt sich das Stellelement 5 in Richtung der Schubseite 10.
Der auf der Zugseite 9 befindliche Federteller 12 bleibt
durch stirnseitigen Kontakt mit der Führungshülse 4 in Postion der
Mittellage, so daß sich
das auf der Zugseite 9 befindliche Federelement 11 nicht
entspannen kann. Auf der Schubseite 10 wird der entsprechende
Federteller 12 vom Bund 6 des Stellelementes 5 mitgenommen,
so daß zunächst eine
Vorspannkraft des dortigen Federelementes 11 in vollem
Umfang als Widerstandskraft wirksam wird. Diese Widerstandskraft
wird dann im weiteren Verlauf der Bewegung des Stellelementes 5 durch
ein weiteres Zusammendrücken
des Federelementes 11 entsprechend einer zugeordneten Federkennlinie
erhöht.
Durch eine solche Anordnung ist eine Simulation von Schaltvorgängen in
Getrieben möglich.
Das jeweilige Stellelement 5 kann durch eine hier nicht
dargestellte Rastvorrichtung in einer Gangposition gehalten werden.
Außerhalb
einer gerasteten Gangposition kehrt das Stellelement 5 selbsttätig in die
Mittellage zurück.
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- 1
- Vorrichtung
(zur Simulation einer Kraft)
- 2
- Lagerelement
- 3
- Lagerbock
- 4
- Führungshülse
- 5
- Stellelement
- 6
- Bund
- 7
- Länge (von
Führungshülse u. Bund)
- 8
- Angriffselement
- 9
- Zugseite
- 10
- Schubseite
- 11
- Federelement
- 12
- Federteller
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Kontermutter
- 15
- Krafterzeuger
- 16
- Wirkachse