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Die
Erfindung betrifft ein Fahreralarmsystem für das Lenkrad
eines Motorfahrzeugs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wenn
das Fahreralarmsystem durch Anlegen einer Spannung an den Elektromotor
aktiviert wird, um Vibrationen in dem Lenkradkranz zu verursachen,
kann sich die Rotationsfrequenz des Motors nur langsam beschleunigen
und wird unter negativen Umständen sogar in einer Resonanzfrequenz
der Lenkradsäule festgehalten. Dies kann durch Verwendung
eines stärkeren Elektromotors überwunden werden,
der jedoch mehr Raum benötigen und höhere Kosten
verursachen würde. In ähnlicher Weise kann, wenn
der Elektromotor am Ende des Vibrationszeitraums angehalten werden
soll, die Geschwindigkeit des Motors nur langsam reduziert werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kompaktes und zuverlässiges
Fahreralarmsystem mit kurzer Reaktionszeit bereitzustellen.
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Dei
Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch
1.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird der Motor zu Beginn des Vibrationszeitraums
relativ zu einem Betriebsniveau übersteu ert. Aufgrund des
höheren Anfangswerts beschleunigt der Motor schneller und
durchläuft mögliche Resonanzen der Lenkradsäule,
ohne festgehalten oder signifikant verzögert zu werden.
Des Weiteren verbessert das abrupte Starten des Motors den Alarmeffekt.
Wenn der Motor die gewünschte Betriebsfrequenz erreicht
hat, kann die Versorgung auf den üblichen Betriebswert
reduziert werden. Die Größe des Motors kann an übliche Betriebsbedingungen
angepasst werden, ein überdurchschnittlich starker und
großer Motor ist nicht erforderlich.
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Die
folgende Beschreibung basiert auf einer übersteuerten Spannung,
ist jedoch mutatis mutandis ebenso für einen übersteuerten
Strom gültig. Übersteuerte Spannung bedeutet,
dass die Spannung das gleiche Vorzeichen wie das Betriebsspannungsniveau,
aber einen größeren absoluten Betrag aufweist.
Das heißt im Falle eines negativen Betriebsspannungsniveaus
ist die übersteuerte Spannung noch negativer. Falls das
Betriebsspannungsniveau nicht im Wesentlichen konstant ist, bezieht
sich der Begriff Betriebsspannungsniveau auf einen mittleren Wert
der Betriebsspannung.
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Die
Wirkung der Erfindung kann erhöht werden, indem die übersteuerte
Spannung vorzugsweise auf mindestens 20%, weiter vorzugsweise mindestens
50% in Bezug auf das Betriebsspannungsniveau gesetzt wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung, der unabhängig von dem zuvor
genannten Aspekt ist, wird der Motor am Ende des Vibrationszeitraums
relativ zum Nullniveau untersteuert. Die folgende Beschreibung basiert
auf einem untersteuerten Strom, ist jedoch mutatis mutandis ebenso
für eine untersteuerte Spannung gültig. Am Ende
des Vibrationszeitraums wird Stromsteuerung durchgeführt,
um einen entgegengerichteten Strom relativ zu dem Betriebsstromniveau
während der Vibration zu erzeugen. Die Untersteuerung erzeugt
ein der Rotation des Motors entgegenwirkendes Drehmoment, und verlangsamt
den Motor daher schneller im Vergleich zum einfachen Ausschalten
des Motors. Das im Wesentlichen abrupte Anhalten des Motors trägt zu
einer verbesserten Alarmwirkung bei.
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Als
eine Alternative zur aktiven Steuerung des Motors am Ende des Vibrationszeitraums
können ein Stromfluss erhaltender Pfad für den
Motor und eine Schaltung zum Eröffnen des Stromfluss erhaltenden
Pfades am Ende des Vibrationszeitraums vorgesehen sein. Wenn der
Motor am Ende des Vibrationszeitraums ausgeschaltet wird, erlaubt
das Eröffnen des Stromfluss erhaltenden Pfades, dass der Motor
als Generator wirkt, wodurch die in dem Elektromotor gespeicherte
Energie durch den Stromfluss erhaltenden Pfad schnell abgeführt
werden kann, was den Motor durch Reduzieren seiner Rotationsenergie
schnell verlangsamt.
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Vorzugsweise
sind die Vibrationszeiträume durch Nicht-Vibrationszeiträume
getrennt, um die Alarmvibrationen klar von anderen Vibrationen unterscheidbar
zu machen. Dies wird vorzugsweise durch periodisches Unterbrechen
der Betriebsspannungsversorgung erreicht, insbesondere durch periodisches
Anlegen von Null-Spannung an den Elektromotor.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Dabei zeigt:
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1:
eine schematische Ansicht einer Lenkradanordnung mit einem Fahreralarmsystem;
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2:
ein Steuerspannungsdiagramm gemäß einer Ausführungs form
der Erfindung;
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3:
ein Rotationsfrequenzdiagramm des Motors;
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4:
ein Steuerstromdiagramm gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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5:
ein Steuerspannungsdiagramm gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
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6:
ein Steuerstromdiagramm gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung; und
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7:
eine Ausführungsform der Steuerschaltung mit einer Schaltung
für einen Stromfluss erhaltenden Pfad.
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Die
Lenkradanordnung gemäß 1 ist Teil eines
Verbrennungsmotorfahrzeugs und umfasst ein Lenkrad 10 mit
einem Kranz 11, das an einer Lenkradsäule 12 mittels
eines Rahmenteils 13 befestigt ist, das Speichen 14 und
eine Nabe 25 umfasst. Eine Vibrationseinheit 15 ist
an dem Rahmenteil 13, insbesondere an einer der Speichen 14 befestigt.
Die Vibrationseinheit 15 umfasst einen elektrischen Gleichstrommotor 17 und
eine an der Rotationsachse 18 des Motors exzentrisch befestigte
Masse 16.
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Der
Elektromotor 17 ist über Versorgungsleitungen 19a, 19b mit
einer elektrischen Steuerschaltung 20 verbunden, die über
Versorgungsleitungen 21a, 21b mit einer fahrzeugeigenen
Stromversorgung verbunden ist. Weiterhin ist die Steuerschaltung 20 zum
Empfangen von Datensignalen insbesondere über einen fahrzeugeigenen
Datenbus 22 verbunden.
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Die 2 und 5 zeigen
Spannungsverläufe, die die Steuer schaltung 20 an
den Elektromotor 17 über die Versorgungsleitungen 19a, 19b in
unterschiedlichen spannungsgesteuerten Ausführungsformen
anlegt. Die 4 und 6 zeigen
den durch den Motor 17 fließenden Strom über
die Zeit in verschiedenen Ausführungsformen, wo Stromsteuerung
am Ende der Vibrationsperioden durchgeführt wird. 3 zeigt
ein entsprechendes Diagramm der Rotrationsfrequenz des Motors 17 über
die Zeit.
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Es
wird angenommen, dass die Steuerschaltung 20 über
den Datenbus 22 ein Alarmaktivierungssignal zur Zeit t1
oder kurz zuvor empfängt. Als Reaktion auf das Alarmaktivierungssignal
versorgt die Steuerschaltung 20 den Motor 17 mit
elektrischer Energie von den Versorgungsleitungen 21a, 21b,
um Vibrationen in dem Kranz 11 des Lenkrads 10 zum Alarmieren
des Fahrers zu erzeugen.
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Im
Allgemeinen ist die Kurvenform des Steuersignals periodisch, wobei
Vibrationsperioden durch Perioden ohne Vibrationen unterbrochen
werden, was die Alarmwirkung verstärkt. Genauer gesagt wird
eine vorbestimmte, im Wesentlichen konstante Betriebsspannung U1
periodisch für eine vorbestimmte Betriebszeitspanne (von
t2 bis t3, t2' bis t3', ...) angelegt. Wie in 3 gezeigt
hält, sobald die Rotationsgeschwindigkeit der exzentrischen
Masse 16 die gewünschte Betriebsfrequenz f1 erreicht
hat, das Anlegen der Betriebsspannung U1 eine konstante Rotation
der exzentrischen Masse 16 mit dieser Betriebsfrequenz
f1 aufrecht; in diesem Betriebszustand fließt ein im Wesentlichen
konstanter Betriebsstrom I1 durch den Motor 17, siehe 4 und 6. Im
Wesentlichen konstante Betriebsspannung U1 bedeutet insbesondere
konstant innerhalb von ±10%. Die Vibrationszeitspannen
weisen vorzugsweise sämtlich die gleiche Länge
auf, die vorzugsweise im Bereich von 250 ms bis 5 s liegt.
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Die
Vibrationsperioden werden periodisch durch Anlegen von Null-Spannung
für eine vorbestimmte Nicht-Vibrations-Zeitspanne (von
t3 bis t1', t3' bis t1'', ... in 2, von t4
bis t1', t4' bis t1'', ... in 4 bis 6)
unterbrochen. Die Nicht-Vibrationsperioden weisen vorzugsweise sämtlich
die gleiche Länge auf, die vorzugsweise im Bereich von
250 ms bis 1 s liegt.
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Die
Betriebsspannung U1 kann beispielsweise 6 V betragen, das heißt
die Hälfte der gewöhnlichen Bordspannung von 12
V. Im Allgemeinen kann das Fahreralarmsystem geeignete Mittel zum
Transformieren der gewöhnlichen Bordspannung auf die Betriebsspannung
U1 oder ein anderes zum Steuern des Motors 17 verwendetes
Spannungsniveau aufweisen.
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Im
Hinblick auf eine effektive Alarmwirkung kann die Betriebsfrequenz
f1 der exzentrischen Masse in der Vibrationsperiode vorzugsweise
im Bereich von 30 bis 70 Hz, weiter vorzugsweise 40 bis 60 Hz liegen
und insbesondere näherungsweise 50 Hz betragen.
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In
der Ausführungsform gemäß 2 legt die
Steuerschaltung 20 am Beginn von mindestens jeder zweiten,
vorzugsweise jeder Vibrationsperiode, das heißt zu Zeiten
t1, t1', t1'', ..., an den Motor 17 eine übersteuerte
Spannung U2 an, die das gleiche Vorzeichen wie die Betriebsspannung
U1, jedoch einen größeren absoluten Betrag aufweist.
Aufgrund des höheren auf die exzentrische Masse 16 ausgeübten
Drehmoments erreicht die in 3 gezeigte Rotationsfrequenz
f die Betriebsfrequenz f1 zu einer Zeit t2 wesentlich schneller
als in einem Fall, wo die Betriebsfrequenz U1 von Anfang (Zeit t1)
an angelegt würde.
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Mögliche
Resonanzfrequenzen der Lenksäule 12 werden ohne
signifikante Verzögerung oder sogar Festhalten der Rotation
in einer Resonanzfrequenz durchlaufen.
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Die
Länge der Zeitspanne von t1 bis t2, t1' bis t2', ..., in
der die übersteuerte Spannung U2 angelegt wird, kann gemäß den
bekannten Parametern des Motors 17 und der exzentrischen
Masse 16 vorbestimmt sein. Alternativ kann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit
des Motors 17 während des Betriebs bestimmt werden
kann, die an den Motor 17 angelegte Spannung von der übersteuerten
Spannung U2 zu der Betriebsspannung U1 umgeschaltet werden, wenn
festgestellt wird, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 17 einen
vorbestimmten Wert erreicht hat.
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Der
Wert der übersteuerten Spannung U2 kann vorzugsweise das
Zweifache des Werts der Betriebsspannung U1, beispielsweise 12 V
betragen.
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Am
Ende von jeder Vibrationsperiode soll der Motor 17 so schnell
wie möglich angehalten werden, um die Alarmwirkung zu verstärken.
In den bevorzugten Ausführungsformen der 4 und 6 wird dies
durch Stromsteuerung des Motors 17 am Ende der Vibrationsperioden
erreicht. Zu diesem Zweck umfasst die Steuerschaltung 20 eine
geeignete Stromsteuerschaltung. Wie in den 4 und 6 gezeigt,
wird ein umgekehrter Strom I3 in dem Motor 17 am Ende mindestens
jeder zweiten, vorzugsweise jeder Vibrationsperiode erzeugt. Genauer
gesagt versorgt die Steuerschaltung 20 am Anfang jeder Nicht-Vibrationsperiode,
das heißt zu Zeiten t3, t3', t3'', ..., den Motor 17 mit
einem untersteuerten Strom I3, der das entgegengesetzte Vorzeichen
wie der Betriebsstrom I1 aufweist. Der umgekehrte Strom I3 verursacht
ein Drehmoment, das auf die exzentrische Masse 16 in einer
der Rotationsrichtung entgegengesetzten Richtung wirkt, was den
Motor 17 wesentlich schneller verlangsamt als in einem
Fall, wo stattdessen Null-Strom-Versorgung erfolgt. Mögliche Resonanzfrequenzen
der Lenksäule 12 werden ohne signifikante Verzögerung
oder sogar Festhalten der Rotation in einer Resonanzfrequenz durchlaufen.
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Die
Länge der Zeitspanne von t3 bis t4, t3' bis t4', ..., in
der der untersteuerte Strom I3 erzeugt wird, kann gemäß den
bekannten Parametern des Motors 17 und der exzentrischen
Masse 16 vorbestimmt sein. Alternativ kann, wenn die Rotationsgeschwindigkeit
des Motors 17 während des Betriebs bestimmt werden
kann, der durch den Motor 17 geführte Strom von
dem untersteuerten Strom I3 zu Null-Strom umgeschaltet werden, wenn
festgestellt wird, dass der Motor 17 im Wesentlichen Stillstand erreicht
hat.
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Der
absolute Betrag des untersteuerten Stroms I3 kann vorzugsweise gleich
dem absoluten Betrag des Betriebsstroms I1 sein.
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4 zeigt
eine Stromspitze am Beginn der Vibrationsperiode, die von der übersteuerten
Spannung U2, wie in 2 gezeigt, verursacht wird.
Als eine Alternative ist es möglich, den Strom am Anfang der
Vibrationsperiode auf ein Niveau I2, das höher ist als
das Betriebsstromniveau I1, zu übersteuern, was eine ähnliche
Wirkung wie Übersteuern der Spannung hat.
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Die
in 6 gezeigte Ausführungsform macht beispielsweise
im Vergleich zu 4 deutlich, dass der das schnelle
Halten des Motors 17 am Ende der Vibrationsperioden betreffende
Aspekt der Erfindung unabhängig von dem die schnelle Beschleunigung
des Motors 17 am Anfang der Vibrationsperioden betreffende
Aspekt der Erfindung ist.
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Als
eine Alternative zur Erzeugung eines umgekehrten Stroms kann eine
Spannung U3, die relativ zu der Betriebsspannung U1 umgekehrt ist,
am Ende von mindestens jeder zweiten, vorzugsweise jeder Vibrationsperiode
an den Motor 17 angelegt werden, wie in der Ausführungsform
der 5 gezeigt ist. Dies hat eine ähnliche
Wirkung wie die Erzeugung eines umgekehrten Stroms. In Bezug auf
die Länge der Zeitspanne von t3 bis t4, t3' bis t4'...,
in der die untersteuerte Spannung U3 erzeugt wird, gilt das Gleiche mutatis
mutandis wie das im Zusammenhang mit Stromsteuerung beschriebene.
Der absolute Betrag der untersteuerten Spannung U3 kann vorzugsweise gleich
dem absoluten Betrag der Betriebsspannung U1 sein.
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In
den Ausführungsformen der 4 bis 6 ist
die Steuerschaltung 20 zum Ausführen von aktiver
Spannungs- und/oder Stromsteuerung des Motors 17 am Ende
der Vibrationsperioden eingerichtet. Als eine Alternative kann,
wie in 7 schematisch gezeigt, ein Stromfluss erhaltender
Pfad 23 für den Motor 17 in der Steuerschaltung 20 zusätzlich zu
(insbesondere parallel zu) dem normalen Strompfad zwischen den Versorgungsleitungen 21a, 21b und
den Versorgungsleitungen 19a, 19b vorgesehen sein.
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Der
Stromfluss erhaltende Pfad 23 wird am Ende der Vibrationsperioden
mittels einer entsprechenden Schaltung 24 eröffnet.
Dies gestattet es dem Motor 17, als Generator zu arbeiten,
der einen durch den Stromfluss erhaltenden Pfad 23 fließenden
Strom aufrecht erhält. Der Stromfluss erhaltende Pfad 23 kann
dissipativ sein, das heißt in dissipativen Elementen in
dem Stromfluss erhaltenden Pfad 23 verrichtete elektrische
Arbeit erzeugt Wärme, was die Rotationsenergie des Motors 17 schnell
reduziert und ein im Wesentlichen abruptes Halten des Motors 17 verursacht.
Alternativ kann der Stromfluss erhaltende Pfad 23 regenerativ
sein, das heißt es können Mittel zum Rückführen
der von dem als Generator arbeitenden Motor 17 erzeugten
Energie in die fahrzeugeigene Stromversorgung vorgesehen sein. Die Steuerschaltung 20 kann
auch elektrische Speichermittel zum Speichern der von dem als Generator
arbeitenden Motor 17 erzeugten Energie aufweisen.
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Die
Schaltung 24 kann eine anti-parallel zu dem Motor 17 geschaltete
Diode aufweisen, die einen Stromfluss nach dem Abschalten des Motors 17 am
Ende der Vibrationsperiode erlaubt. Die Schaltung 24 kann
ein in den Stromfluss erhaltenden Pfad 23 geschaltetes
dissipatives Element, insbesondere einen Widerstand aufweisen, das
die Transformation von in dem Motor 17 gespeicherter Rotationsenergie in
Wärme in dem Widerstand gestattet, was den Motor 17 schnell
verlangsamt. Allgemeiner kann die Schaltung 24 ein Energie
absorbierendes Element aufweisen.
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Alternativ
kann die Schaltung 24 ein Spannung begrenzendes Element,
beispielsweise eine Zener-Diode oder einen Varistor, umfassen, das
parallel zu Schaltmitteln in der Steuerschaltung 20 zum Schließen
der Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 21a, 21b und
den Versorgungsleitungen 19a, 19b geschaltet ist.
Ein Spannung begrenzendes Element gestattet die Nutzbarmachung der durch
das Ausschalten der Steuerspannung am Ende der Vibrationsperiode
induzierten umgekehrten Spannung zum Bremsen des Motors 17 ohne
Beschädigung der Schaltmittel in der Steuerschaltung 20 zum
Schließen der Verbindung zwischen den Versorgungsleitungen 21a, 21b und
den Versorgungsleitungen 19a, 19b.
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Während
kostengünstige passive Elemente für die Schaltung 24 bevorzugt
sind, sind aktive Steuerelemente zum Schließen und Öffnen
des Stromfluss erhaltenden Pfades 23 ebenfalls möglich.
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Die
in 7 gezeigte Ausführungsform kann beispielsweise
mit einer Spannungssteuerung wie in 2 gezeigt
kombiniert werden, jedoch ebenfalls mit einer einfachen Rechteck-Steuerspannung.
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Obgleich
lediglich eine Vibrationseinheit 15 in 1 gezeigt
ist, kann das Lenkrad 10 eine Mehrzahl von Vibrationseinheiten 15 umfassen,
beispielsweise eine Vibrationseinheit 15 für jede
Speiche 14 des Lenkrads 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0856432
A2 [0002]
- - US 20030197601 A1 [0002]