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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation der Haptik von
Schalt- oder Tastelementen, wie sie beispielsweise in Kraftfahrzeugen
im Bedienbereich des Fahrers angeordnet sind und durch Druck, Zug
oder sonstige mechanische Beeinflussung einen elektrischen oder
mechanischen Vorgang auslösen können, nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist hinlänglich beispielsweise aus der
GB 2 036404 A bekannt, dass
ein Simulator zur Simulation der Schalthaptik eines Kraftfahrzeuggetriebes angewendet
wird. Der Simulator entspricht im Wesentlichen einem realen Getriebe
bzw. der mechanischen Außenschaltung des Getriebes. Neben
mechanischen Kraftübertragungselementen ist eine pneumatische
Einrichtung vorgesehen, welche das Verhalten des Getriebes beim
Schalten wiedergibt. Dadurch werden die groben Bewegungen des Schalthebels
realisiert.
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Weiterhin
beschreibt auch die
DE
198 55 072 A1 eine Vorrichtung zur Simulation der Schaltkraft
eines Kraftfahrzeuggetriebes, welche ein beweglich gelagertes Stellelement
aufweist, das mit einem einer Verstellung des Stellelementes entgegenwirkenden
Krafterzeuger beaufschlagbar ist. Darüber hinaus ist hier
auch ein Getriebe- und Fahrsimulator beschrieben, welcher die Vorrichtung
zur Simulation einer Kraft mit dem elastischen Krafterzeuger aufweist. Auch
diese Simulationsvorrichtung ist lediglich zur Wiedergabe der Haptik
grober Bewegungen des Schalthebels als Stellelement vorgesehen.
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Aus
der
DE 38 08 004 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewerten der Schaltbetätigungs-Empfindlichkeit
eines von Hand zu schaltenden Getriebes in einem Kraftfahrzeug bekannt,
welches mit einem Gangschalthebel und einer synchronen Getriebeeinrichtung
versehen ist, wobei einer von mehreren Getriebezügen in
dem von Hand zu schaltenden Getriebe durch die Synchrongetriebe-Einrichtung
in einen Kraftübertragungszustand versetzt wird zum Messen
zumindest der Last, mit der der Gangschalthebel während
einer vorbestimmten Periode innerhalb der Zeit für die
Schaltbetätigung des Gangschalthebels beaufschlagt ist.
Diese komplexe Vorrichtung zum Bewerten der Schaltbetätigungs-Empfindlichkeit
ist mit einem realen mechanischen Getriebe gekoppelt, welches ein
kostenaufwendiges System zur Wiedergabe einer vorbestimmten Schalthaptik
darstellt, welches nur mit sehr großem Aufwand in der Schalthaptik
wunschgemäß modifiziert werden kann.
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Aus
der
DE 102004007
295 B3 ist eine Vorrichtung zur Simulation der haptischen
Rückmeldungen eines Fahrzeugschaltgetriebes bekannt, bei
der durch einen weitgehenden Verzicht auf mechanische Bauteile eine
hohe Parametrisierbarkeit erreichbar ist. Ein simulierte Kraftbeaufschlagung
erfolgt hier rechnergesteuert unter anderem auch mit einem Linearmotor.
Auch diese Vorrichtung ist jedoch auch nur für Bewegungen
in mindestens zwei Achsen und für relativ lange Schaltwege
konzipiert.
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Darstellung der Erfindung
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Es
kann daher als eine Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine
Vorrichtung zur Simulation der Haptik so weiterzubilden, dass die
Haptik bei einachsigen manuell bedienbaren Schalt- oder Tastelementen
mit relativ kurzen Schalt- oder Tasthüben präzise
simuliert werden kann.
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Die
Erfindung geht daher von einer Vorrichtung zur Simulation der Haptik
von Schalt- oder Tastelementen mit einem elektronisch steuerbaren
elektrischen oder magnetischen Aktuator zur Kraftbeaufschlagung
aus, bei der in vorteilhafter Weise zur Simulation der Haptik bei
einachsigen Schalt- oder Tastelementen die elektronisch gesteuerte
elektrische oder magnetische Aktuator ausschließlich in
der Achse des Schalt- oder Tastvorgangs angeordnet ist. Die der
vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im Wesentlichen
darin, den elektrisch ansteuerbaren Aktuator an ein reales Schalt-
oder Tastelement zu koppeln und den Aktuator derart dynamisch anzusteuern,
dass die Bedienhaptik dieses realen Schalt- oder Tastelements präzise
wiedergegeben werden kann.
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Bei
einer Verwendung der Erfindung bei Schaltelementen sind diese gegebenenfalls über eine
Umlenkeinheit als Druck- oder Zugschalter anwendbar. In vorteilhafter
Weise kann der Aktuator in für sich gesehen aus dem Stand
der Technik bekannter Weise ein Tauchspulen- oder ein Linearmotor sein.
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Vorrichtung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der elektronisch steuerbare elektrische oder magnetische Aktuator über
eine Rechnereinheit ansteuerbar ist, mit der alle mechanischen Komponenten,
zum Beispiel Schaltmatten, Schnappscheiben oder dergleichen, des
jeweiligen Schalt- oder Tastelements hinsichtlich ihrer mechanischen
Kräfte und/oder sonstigen physikalischen Eigenschaften
als Istwerte erfassbar und zur Bildung entsprechender Sollwerte und
Steuersignale für den Aktuator auswertbar sind.
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Die
Recheneinheit ist gemäß der Erfindung so ausgebildet
ist, dass mit einem Rechenmodell das haptische Verhalten des jeweiligen
Schalt- oder Tastelements unter realen Einsatzbedingungen und dem Einfluss
der physikalischen Randbedingungen in Echtzeit abbildbar ist. Die
Recheneinheit ist dabei bevorzugt mit dem Schalt- oder Tastelement über
eine Schnittstelleneinheit verbunden, über die die physikalischen
Istwerte am Schalt- oder Tastelement erfasst und die von der Recheneinheit
ermittelten Sollwerte dem Schalt- oder Tastelement zugeführt
werden. Als physikalische Istwerte sind Kraft- oder Druckwerte und
Wegwerte des Schalt- oder Tastelements mit entsprechenden Sensoren
heranziehbar.
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Mittels
der Recheneinheit können auch in vorteilhafter Weise die
Ist- und Sollwerte mit einem Softwaretool einer Bedieneroberfläche
zugeführt werden, über die die Simulation überwach-
und steuerbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Simulation einer
manuellen Bedieneinrichtung in Form von Schalt- oder Tastelementen
insbesondere in Kraftfahrzeugen weist gegenüber den aus
dem Stand der Technik bekannten Lösungsansätzen
vor allem den Vorteil auf, dass die Simulation der manuellen Bedieneinrichtung
ohne komplexe mechanische Elemente der Bedieneinrichtung bereitgestellt wird.
Die vorgeschlagene Koppelung der Schalt- oder Tastelemente kann
somit direkt an einer linearen Vorschubeinheit als Aktuator erfolgen
und das physikalische Verhalten sämtlicher mechanischer Komponenten
des Schalt- oder Tastelements kann mittels Software mit einem entsprechenden
Rechenmodell auf der Recheneinrichtung (zum Beispiel ein sogenannter
Embedded Controller) ausgewertet werden und durch den Tauchspul-
oder Linearmotor als Vorschubeinheit bzw. Aktuator simuliert werden.
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Bei
der Nachbildung im Rechenmodell, auch als Simulationsmodell zu bezeichnen,
wird insbesondere das Verhalten des gesamten Schalt- oder Tastelements
unter realen Bedingungen im Betrieb sowie der Einfluss physikalischer
Randbedingungen wie Massenträgheit usw. berücksichtigt.
Das dynamische Verhalten zum Beispiel eines realen mechanischen Schalters
wird somit in Echtzeit wiedergegeben. Das Simulationsmodell, welches
auf der Recheneinrichtung als mathematisches Modell vorliegt, ist
dabei in der Lage, die mechanischen Größen, d.
h. die Kräfte, beispielsweise an der Hand des Bedieners
in Echtzeit zu errechnen und an die Aktuatoren abhängig von
deren Ist-Position sowie der Ist-Geschwindigkeit auszugeben.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass mit der erfindungsgemäßen
Simulationsvorrichtung insbesondere jeder manuelle einachsige Schalter
ohne eine erforderliche Hardware-Anpassung simuliert werden kann.
Eine Definition von marken- bzw. fahrzeugtypischen Schalt-Charakteristika
bei einer Verwendung im Kraftfahrzeug ist einfach bereitstellbar, wobei
kostenintensive Baustufen bzw. Prototypen der Schalter die Simulation
der Schalthaptik betreffend eingespart werden können. Mit
der erfindungsgemäßen Simulationsvorrichtung kann
vor allem die subjektive Betrachtung des Schaltgefühls
bzw. der Schalterhaptik objektiviert werden. Der in Echtzeit erfolgende
Schaltablauf während der Simulation ermöglicht
ein Reagieren auf das Verhalten des Bedieners, d. h. ein lockerer/fester
Griff mit viel oder wenig Kraft bei langsamem oder schnellem Schalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren
der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Simulation der Haptik eines Schaltelements und
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2 ein
Diagramm der im Schaltelement auftretenden Kräfte über
dem Weg bei der Betätigung des Schaltelements.
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Weg zur Ausführung
der Erfindung
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Aus 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Simulation der Haptik eines Schaltelements 1 gezeigt,
das gemäß Peil 2 bei einer manuellen
Betätigung mit einer entsprechenden Kraft Fh beaufschlagt
wird. Vorzugsweise mit einem Drucksensor 3 wird die Kraft
Fist detektiert und einer Recheneinheit 4 zugeführt.
Weiterhin wird auch der bei der Betätigung zurückgelegte
Weg Sist mit einem Wegmesser 5 erfasst
und der Recheneinheit 4 übermittelt. Mittels der
Recheneinheit 4 können dann die Ist- und Sollwerte
mit einem Softwaretool auch einer Bedieneroberfläche zugeführt
werden, über die die Simulation überwach- und
steuerbar ist.
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Die
Recheneinheit 4 errechnet nach einem entsprechenden weiter
unten noch erläuterten Rechenmodell eine Steuergröße
Ssoll und stellt diese über einen
Steuereingang 6 einem Linearmotor 7 als Aktuator
zur Simulation der mechanischen Gegenkräfte Fa gemäß Pfeil 8 im
Schaltelement 1 zur Verfügung. Die Recheneinheit 4 ist
dabei bevorzugt mit dem Schaltelement 1 über eine
hier nicht näher dargestellte Schnittstelleneinheit verbunden, über
die die physikalischen Istwerte am Schaltelement 1 mit dem
Drucksensor 3 und dem Wegmesser 5 erfasst werden
und die von der Recheneinheit 4 ermittelten Sollwerte dem
Schaltelement 1 über den Linearmotor 7 zugeführt
werden.
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Der
in hier nicht näher erläuterten Weise elektrisch
ansteuerbare Linearmotor 7 ist somit derart an das Schaltelement 1 gekoppelt
und steuert dieses derart dynamisch an, dass durch die Gegenkräfte Fa die Bedienhaptik des Schaltelements 1 präzise
simuliert werden kann. Der Linearmotor 7 wird dazu über
die Recheneinheit 4 derart angesteuert, dass alle mechanischen
Komponenten, zum Beispiel Schaltmatten, Schnappscheiben oder dergleichen, im
Schaltelement 1 hinsichtlich ihrer mechanischen Kräfte
und/oder sonstigen physikalischen Eigenschaften simuliert werden.
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Dazu
werden diese zunächst als Istwerte erfasst und dann wird
mit einem Rechenmodell in der Recheneinheit 4 das haptische
Verhalten des Schaltelements 1 unter realen Einsatzbedingungen
und dem Einfluss der physikalischen Randbedingungen in Echtzeit
abgebildet.
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Eine
solche Abbildung der Haptik ist in 2 dargestellt,
die jeweils einen Verlauf 10 und 11 der Kräfte
F über dem Weg s des Schaltelements 1, beispielsweise
eines sogenannten Schaltmattenschalters, zeigen. Ausgehend von einer
Vorspannung 12 des Schaltelements 1 verläuft
die Kraft nach dem Verlauf 10 mit dem Tastendruck auf dem
Hinweg über sogenannte gefühlte Schaltpunkte 13 und 14.
Der Verlauf 11 zeigt den Kraftverlauf auf dem Rückweg beim
Lösen des Schaltelements 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 2036404
A [0002]
- - DE 19855072 A1 [0003]
- - DE 3808004 A1 [0004]
- - DE 102004007295 B3 [0005]