DE202015003807U1

DE202015003807U1 - Spielfahrzeugsystem

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Publication number: DE202015003807U1
Application number: DE202015003807.7U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-26
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: US20180078868A1; ES2776463T3; HK1250022A1; CN107624077A; EP3302743A2; US10232277B2; EP3302743B1; JP2018522691A; CN107624077B; WO2016188638A3; WO2016188638A2

Abstract

Spielfahrzeugsystem, umfassend ein Spielfahrzeug (1) und einen Fernsteuersender (2), wobei das Spielfahrzeug (1) einen Antrieb mit Rollelementen (6, 8) zur Übertragung von Reibkräften auf einen Untergrund (5) sowie eine Lenkvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeugsystem zusätzlich eine Steuereinheit (3) umfasst, in die Steuereingangssignale des Fernsteuersenders (2) eingespeist werden, und welche Steuerausgangssignale generiert, die auf den Antrieb und auf die Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges (1) einwirken, dass in der Steuereinheit (3) eine virtuelle Grenzhaftreibkraft (Fm) sowie eine virtuelle Gleitreibkraft (Fg) zwischen dem Spielfahrzeug (1) und dem Untergrund (5) abrufbar sind, wobei die virtuelle Grenzhaftreibkraft (Fm) kleiner als eine korrespondierende tatsächlich übertragbare maximale Reibkraft zwischen den Rollelementen (6, 8) und dem Untergrund (5) ist, und wobei die virtuelle Gleitreibkraft (Fg) kleiner/gleich der virtuellen Grenzhaftreibkraft (Fm) ist, dass die Steuereinheit (3) für eine rechnerische Fahrsimulation unter Einbeziehung der Steuereingangssignale des Fernsteuersenders (2) derart ausgelegt ist, – dass durch die Steuereinheit (3) eine zwischen dem Spielfahrzeug (1) und dem Untergrund (5) wirkende unkorrigierte Betriebsreibkraft (Fb) rechnerisch ermittelt und mit der virtuellen Grenzhaftreibkraft (Fm) verglichen wird, – wobei in einem Normalmodus, in dem die rechnerisch ermittelte unkorrigierte Betriebsreibkraft (Fb) kleiner als die virtuelle Grenzhaftreibkraft (Fm) ist, das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges (1) unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen Betriebsreibkraft (Fv) in Höhe der unkorrigierten Betriebsreibkraft (Fb) rechnerisch simuliert wird, – und wobei in einem Rutschmodus, in dem die rechnerisch ermittelte, unkorrigierte Betriebsreibkraft (Fb) größer als die Grenzhaftreibkraft (Fm) ist, das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges (1) unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen Betriebsreibkraft (Fv) in Höhe der virtuellen Gleitreibkraft (Fg) simuliert wird, und dass die Steuereinheit (3) dazu ausgelegt ist, dass sie aus der rechnerischen Fahrsimulation Steuerausgangssignale derart generiert und auf den Antrieb mit den Rollelementen (6, 8) sowie auf die Lenkvorrichtung einwirken lässt, dass das Spielfahrzeug (1) eine Fahrbewegung gemäß der rechnerischen Fahrsimulation unter Einwirkung der virtuellen Betriebsreibkraft (Fv) ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spielfahrzeugsystem mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Spiel- bzw. Modellfahrzeuge haben in zahlreichen Variationen große Verbreitung gefunden. Für den Betrieb betätigt der Benutzer einen Fernsteuersender. Dessen Steuerausgangssignale werden im Regelfall über eine Funkstrecke zu einem Empfänger des Spielfahrzeuges übertragen und dort in eine entsprechende Fahrbewegung umgesetzt. Die wesentlichen Steuerfunktionen bestehen dabei aus einer Rechts-Links-Steuerung sowie der Einstellung einer gewünschten Fahrgeschwindigkeit einschließlich Beschleunigung und Verzögerung.
Das Spielfahrzeug selbst ist in grundlegenden technischen Merkmalen der üblichen Auslegung eines Kraftfahrzeuges nachempfunden: Im Regelfall sind Vorder- und Hinterachse mit insgesamt vier Rädern vorgesehen, wobei eine der Achsen, meistens die Vorderachse lenkbar ist. Mindestens eines der Räder wird mittels eines Antriebsmotors angetrieben, wodurch das Spielfahrzeug beschleunigt werden kann. Umgekehrt ist für eine Verzögerung auch eine Bremsvorrichtung vorgesehen. Im Falle eines elektrischen Antriebes kann die Beschleunigung und die Verzögerung mit dem gleichen Elektromotor einerseits im Motorbetrieb und andererseits im Generatorbetrieb ausgeübt werden. Jedenfalls führen Kurvenfahrten, Beschleunigungen und/oder Verzögerungen dazu, dass zumindest ein Teil der Räder Reibkräfte auf den Untergrund in Längs- und/oder Querrichtung überträgt. Damit das Spielfahrzeug auf dem Untergrund nicht rutscht, weisen die Räder eine Bereifung aus Gummi, Elastomer-Kunststoffen oder ähnlichen Materialien auf.
Im praktischen Betrieb hat sich gezeigt, dass solche ferngesteuerten Spielfahrzeuge nur schwer zu beherrschen sind. Selbst bei nur geringen Antriebsleistungen lassen sich Geschwindigkeiten und vor allem Beschleunigungen erzielen, die kaum in Relation zu den verfügbaren Platzverhältnissen beispielsweise in einem Wohnzimmer stehen. Sofern nicht gerade eine ausgewiesene Modell-Rennstrecke zur Verfügung steht, ist die Austragung eines Fahrzeugrennens nur schwer möglich. Kollisionen und Materialbruch sind kaum vermeidbar. Darüber hinaus stehen die erzielbaren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen auch vom optischen Erscheinungsbild her nicht im Verhältnis zur geringen Größe des Spielfahrzeuges, so dass beim Betrieb ein eher unrealistischer Fahreindruck entsteht. Eine vorsätzliche Limitierung von Beschleunigung und Geschwindigkeit ist zwar mitunter möglich, beschränkt jedoch die Fahrdynamik in einer Weise, dass der Reiz des Betriebs eines solchermaßen limitierten Spielfahrzeuges verloren geht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Spielfahrzeugsystem derart weiterzubilden, dass selbst unter beengten räumlichen Verhältnissen ein dynamisch wirkender und dennoch beherrschbarer Fahrbetrieb möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Spielfahrzeugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass ein Spielfahrzeug zwar gegenüber einem manntragenden Kraftfahrzeug deutlich verkleinert werden kann, dass aber bestimmte Parameter der Physik einer solchen Verkleinerung nicht folgen. Letzteres betrifft insbesondere zwei Parameter der Fahrphysik, nämlich die Erdbeschleunigung g sowie Reibungskoeffizienten μ. Die Erdbeschleunigung g kann als konstant angenommen werden. Die zwischen den Rädern und dem Untergrund wirkenden Reibungskoeffizienten sind zwar von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich, liegen jedoch im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung. Dies führt dazu, dass auch die mit verschiedenen Fahrzeugen erzielbaren Horizontalbeschleunigungen (Längsbeschleunigung, Verzögerung, Zentripetalbeschleunigung bei Kurvenfahrt) zumindest näherungsweise gleich sind, und dies völlig unabhängig von der tatsächlichen Größe des Fahrzeuges.
Die Erfindung basiert des Weiteren auf der Erkenntnis, dass mit kleiner werdendem Fahrzeug die verfügbare Motor- und/oder Bremsleistung relativ zur Fahrzeuggröße überproportional ansteigt. Dies bedeutet, dass bei Spielfahrzeugen der üblichen Größe die Fahrphysik weniger durch die Antriebs- und/oder Bremsleistung, sondern vielmehr durch die verfügbare Reibkraft zwischen den Rädern und dem Untergrund bestimmt wird. Unter diesen Umständen lassen sich also mit einem kleinen Spielfahrzeug unter Ausnutzung der Haftreibgrenze Horizontalbeschleunigungen erzielen, die in der gleichen Größenordnung wie bei einem Großfahrzeug liegen. Bei einem beispielsweise im Maßstab 1:10 verkleinerten Spielfahrzeug können Bremsverzögerungen erzielt werden, die skaliert auf die Größe des Modellfahrzeuges 10 mal so hoch sind wie beim Originalfahrzeug. Sinngemäß das Gleiche gilt auch für Zentripetalbeschleunigungen bei Kurvenfahrt, so dass die am Spielfahrzeug tatsächlich wirkende Fahrphysik keine maßstäbliche Verkleinerung wie beim Fahrzeug selbst erfährt. Im Ergebnis bedeutet dies, dass bestimmte Grenzbetriebszustände, bei denen die Haftreibung überschritten wird und das Spielfahrzeug anfangt zu rutschen, erst bei zu hohen Beschleunigungen und zu hohen Kurvengeschwindigkeiten eintreten. Es sind aber gerade diese Grenzbetriebszustände, die den Reiz eines Spielfahrzeugsystems ausmachen.
Hierauf aufbauend liegt ein erfindungswesentlicher Kerngedanke darin, dass zwar nicht die an sich zu hohe, tatsächlich übertragbare maximale Reibkraft verkleinert wird, dass aber eine in geeigneter Weise verkleinerte virtuelle Grenzhaftreibkraft vorgegeben wird, und dass aufbauend auf dieser verkleinerten virtuellen Grenzhaftreibkraft zwei unterschiedliche Betriebszustände rechnerisch simuliert werden: In einem Normalmodus, in dem die rechnerisch ermittelte, allerdings unkorrigierte Betriebsreibkraft kleiner als die virtuelle Grenzhaftreibkraft ist, wird das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen Betriebsreibkraft in Höhe der unkorrigierten Betriebsreibkraft rechnerisch simuliert. Mit anderen Worten wird hier die Fahrphysik mit auf dem Boden haftenden Rädern rechnerisch dargestellt. Alternativ dazu wird in einem Rutschmodus, in dem die rechnerisch ermittelte unkorrigierte Betriebsreibkraft größer als die Grenzhaftreibkraft ist, das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen, hier also korrigierten Betriebsreibkraft in Höhe der virtuellen Gleitreibkraft simuliert. Mit anderen Worten wird hier die Fahrphysik des rutschenden Fahrzeuges rechnerisch dargestellt. Im Ergebnis folgt nun das Spielfahrzeug nicht mehr unmittelbar und direkt den Steuereingaben des Fahrers am Fernsteuersender, sondern den von der rechnerischen Fahrsimulation erzeugten Steuerausgangssignalen für Lenkung, Antriebsleistung, Bremse und/oder dergleichen. Diese stellen je nach den Simulationsergebnissen die Fahrbewegung im haftenden oder rutschenden Zustand dar. Durch geeignete Wahl bzw. Anpassung der virtuellen Grenzhaftreibkraft an die Größe des Fahrzeuges stellt sich eine Fahrdynamik ein, bei der nicht nur die körperlichen Abmaße des Fahrzeuges, sondern auch die die Fahrphysik maßgeblich beeinflussenden Parameter eine entsprechende Verkleinerung erfahren haben. Das Spielfahrzeug weist eine Steuereinheit, einen Antrieb mit Rollelementen zur Übertragung von Reibkräften auf den Untergrund sowie eine Lenkvorrichtung auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, dass sie die oben umrissene rechnerische Fahrsimulation durchführt sowie hieraus Steuerausgangssignale derart generiert und auf den Antrieb mit den Rollelementen sowie auf die Lenkvorrichtung einwirken lässt, dass das Spielfahrzeug eine Fahrbewegung gemäß der rechnerischen Fahrsimulation unter Einwirkung der virtuellen Betriebsreibkraft ausführt. Trotz Verkleinerung ist eine präzise Abbildung des Fahrverhaltens im Normal- und Rutschmodus sowie des Übergangsbereiches dazwischen möglich, da das tatsächliche Fahrverhalten des Spielfahrzeuges mittels dessen Rollelemente immer, auch im Rutschmodus unter den Bedingungen der Haftreibung herbeigeführt und nur der optische Eindruck eines Rutschens vermittelt wird. Die aber zwischen den Rollelementen und dem Untergrund tatsächlich immer vorhandene Haftreibung erlaubt einen präzisen und kontrollierten Bewegungsablauf.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann sich der Fahrer anspruchsvollen und realistisch wirkenden Fahraufgaben widmen. Die virtuelle Grenzhaftreibkraft, die anstelle der tatsächlich übertragbaren maximalen Reibkraft getreten ist, trägt nicht nur zu einem realistischeren Gesamteindruck des Fahrverhaltens bei, sondern reduziert erheblich die für den Grenzbereich zwischen Haften und Rutschen erforderlichen Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen. Der für realistisch wirkende Fahrmanöver erforderliche Platz kann auf ein Minimum reduziert werden. Ganze Fahrzeugrennen einschließlich Driftkurven und dergleichen lassen sich auf der Größe einer Schreibtischplatte austragen, während dabei der optische Eindruck von hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen entsteht. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sind jedoch so gering, dass der Fahrer ausreichend Kontrolle behält.
Die vorstehenden Verhältnisse sind beispielhaft für den Fall beschrieben, dass eine maßstäbliche Verkleinerung eines Originalfahrzeuges auf eine bestimmte Größe des Spielfahrzeuges stattgefunden hat, während gleichzeitig auch die virtuelle Grenzhaftreibkraft um ein entsprechendes Maß gegenüber der tatsächlich verfügbaren maximalen Grenzhaftreibkraft derart verkleinert wurde, dass auch die erreichbaren Beschleunigungen zumindest näherungsweise im gleichen Maßstab verkleinert sind. Sinngemäß das Gleiche kann natürlich auch für eine Begrenzung der maximal erzielbaren Geschwindigkeiten gelten. Tatsächlich ist im Rahmen der Erfindung aber keine maßstäbliche Kopplung zwischen der Größe des Spielfahrzeuges und der virtuellen Grenzhaftreibkraft erforderlich. Vorrangig kommt es darauf an, dass die virtuelle Grenzhaftreibkraft gegenüber der tatsächlich verfügbaren Grenzhaftreibkraft überhaupt signifikant herabgesetzt wird, um unter den Umständen beengter Platzverhältnisse bei kleinen Beschleunigungen und Kurvengeschwindigkeiten das Fahren im Grenzbereich zwischen Haft- und Gleitreibung abzubilden. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, die virtuelle Grenzhaftreibkraft variabel zu gestalten. Hierdurch lässt sich das Fahren auf unterschiedlichen Untergründen mit mehr oder weniger rutschigen Streckenabschnitten simulieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse vorgegeben und daraus eine Reibkraft in Richtung der Fahrzeuglängsachse abgeleitet. Sofern diese Reibkraft die virtuelle Grenzhaftreibkraft überschreitet, wird die Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse auf eine Grenzbeschleunigung reduziert, welche mit der virtuellen Gleitreibkraft korrespondiert. Als Beschleunigung ist hier jedwede Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse gemeint, was also neben einer vorwärts gerichteten Erhöhung der Geschwindigkeit auch eine bremsende Verzögerung entsprechend einer rückwärts gerichteten Beschleunigung einschließt. Jedenfalls wird auf diese Weise entweder eine vorwärts gerichtete Beschleunigung mit durchdrehenden Rädern oder aber eine bremsende Verzögerung mit blockierten Rädern abgebildet und dadurch ein realistisches Fahrverhalten erzeugt.
Alternativ oder zusätzlich kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass bei einer Fahrt entlang einer Fahrkurve mit einem örtlichen Radius eine Beschleunigung des Spielfahrzeuges in Richtung des örtlichen Radius und daraus eine Reibkraft quer zur Richtung der Fahrzeuglängsachse abgeleitet wird. Sofern diese quer zur Richtung der Fahrzeuglängsachse wirkende Reibkraft die virtuelle Grenzhaftreibkraft überschreitet, wirkt die Steuereinheit derart auf den Antrieb und/oder auf die Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges ein, dass das Spielfahrzeug eine örtliche Bewegungskomponente quer zur Fahrzeuglängsachse ausführt.
Die genannte ”örtliche” Bewegungskomponente bedeutet, dass sie zwar für das gesamte Fahrzeug gelten kann, nicht aber muss. Es kann schon ausreichen, wenn nur der Bug oder das Heck des Fahrzeuges eine solche seitliche Bewegungskomponente zur Darstellung des ”Ausbrechens” ausführt.
Im einfachsten Fall führt das Spielfahrzeug eine Bewegung aus, die einem seitlichen Wegrutschen ohne Richtungsänderung der Längsachse entspricht. In vorteilhafter Weiterbildung liegt die Fahrzeuglängsachse im Normalmodus in einem ersten Winkel zur örtlichen Tangente der Fahrkurve, wobei dann im simulierten Rutschmodus die Fahrzeuglängsachse ausgehend von dem genannten ersten Winkel in einem zweiten Winkel zur örtlichen Tangente der Fahrkurve überführt wird. Hierdurch lassen sich die Fahrverhältnisse beim Untersteuern, aber insbesondere auch beim Übersteuern, also beim sogenannten ”Driften” realistisch abbilden.
Für die Umsetzung des vorstehend beschriebenen Betriebsverfahrens bedarf es an körperlichen Mitteln einerseits einer entsprechend ausgelegten und programmierten Steuereinheit sowie andererseits einer geeigneten körperlichen Ausgestaltung des Spielfahrzeuges. Entsprechend dem letztgenannten Aspekt umfasst das Spielfahrzeug mindestens zwei Antriebsmotoren und mindestens zwei Rollelemente zur Übertragung vom Antriebsmoment auf den Untergrund, wobei die Rollelemente mittels der Antriebsmotoren unabhängig voneinander um jeweilige Drehachsen drehend antreibbar sind. Das Spielfahrzeug umfasst des Weiteren mindestens eine Lenkvorrichtung zur Verstellung von Orientierungsrichtungen der Drehachsen relativ zur Fahrzeuglängsachse. Die nach den vorstehend beschriebenen Maßgaben ausgelegte Steuereinrichtung wirkt auf die Antriebsmotoren und die mindestens eine Lenkvorrichtung ein. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Modellfahrzeug losgelöst von der tatsächlichen Ausrichtung seiner Längsachse in beliebiger Richtung bewegt werden kann. Die Fahrzeuglängsachse kann umgekehrt in eine beliebige Relativausrichtung zur momentanen Bewegungsrichtung gebracht werden, so dass einerseits der Normalmodus und andererseits der Rutschmodus augenfällig und realistisch umgesetzt werden kann, ohne dass tatsächlich ein Rutschen der Rollelemente auf der Oberfläche stattfindet.
Für die vorgenannte körperliche Ausgestaltung kommen verschiedene Varianten in Betracht. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zwei Antriebseinheiten mit je einem Antriebsmotor, mit je einem Rollelement und mit je einer eigenen Lenkvorrichtung vorgesehen, wobei je eine Antriebseinheit in Richtung der Fahrzeuglängsachse vor bzw. hinter dem Schwerpunkt des Spielfahrzeuges angeordnet ist. Infolge dieser Ausgestaltung steht das Fahrzeug in seinem Bugbereich und in seinem Heckbereich auf je einer dieser Antriebseinheiten auf. Der Bugbereich und der Heckbereich des Spielfahrzeuges können unabhängig voneinander in mehr oder weniger ausgeprägte seitliche Bewegung versetzt werden, was nahezu beliebige Möglichkeiten einer Abbildung des Fahrverhaltens im Grenzbereich zwischen Haft- und Gleitreibung ermöglicht.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorgenannten Ausführung umfassen die beiden Lenkvorrichtungen je ein Drehgestell mit einer vertikalen Lenkachse und mit einem zugeordneten Lenkantrieb, wobei je einem Drehgestell je ein Antriebsmotor zugeordnet ist. Mindestens je ein Rollelement ist in Form eines Antriebsrades ausgebildet und mit einer zugeordneten ersten bzw. zweiten Drehachse derart am jeweiligen Drehgestell gelagert, dass die erste Drehachse und die zweite Drehachse unabhängig voneinander mittels der beiden Drehgestelle verstellbar sind. Insbesondere sind auf jeder der beiden Drehachsen je zwei Antriebsräder in einem axialen Abstand zueinander angeordnet. Die Anordnung ist mechanisch einfach im Aufbau und zuverlässig im Betrieb. Bei insgesamt drei und bevorzugt vier Antriebsrädern steht das Modellfahrzeug in den meisten Fällen solide auf eben diesen Antriebsrädern auf. Zusätzliche Stützmaßnahen sind allenfalls bei stark ausgelenkten Antriebseinheiten erforderlich, und dann auch nur in geringfügigem, das Fahrverhalten nicht beeinträchtigendem Maße.
Alternativ kann es zweckmäßig sein, dass die Rollelemente kugelförmig sind, wobei erste und zweite Antriebswellen mit je einem zugeordneten Antriebsmotor in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und reibschlüssig an der kugelförmigen Oberfläche der Rollelemente angreifen. Hierbei ist die Lenkvorrichtung durch eine Koordinationseinheit für eine koordinierte Drehzahlabstimmung der ersten und zweiten Antriebswellen gebildet. Die Kugeln erlauben eine unmittelbare und zeitlich verzögerungsfreie Ausrichtungsänderung ihrer aktuell wirkenden Drehachse, ohne dass ein eigener Drehantrieb dafür erforderlich wäre. Transiente Zustandsänderungen können verzögerungsfrei dargestellt werden.
In einer vorteilhaften Alternative sind nicht zwei, sondern nur genau eine Antriebseinheit vorgesehen, welche zwei Antriebsmotoren, zwei Rollelemente in Form von Rädern sowie eine Lenkvorrichtung umfasst. Das erste Rollelement ist vom ersten Antriebsmotor um die erste Drehachse antreibbar. Das zweite Rollelement ist in einem axialen Abstand zum ersten Rollelement angeordnet und vom zweiten Antriebsmotor um die zweite Drehachse antreibbar, und zwar unabhängig vom ersten Antriebsmotor. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse sind durch die eine Lenkvorrichtung gemeinsam verstellbar. Der Mittelpunkt zwischen den beiden Rollelementen liegt im Bereich des Schwerpunktes des Spielfahrzeuges, so dass das Spielfahrzeug mit dem größten Teil seines Eigengewichtes auf den Rollelementen dieser einen Antriebseinheit aufsteht. Diese mechanisch sehr einfache aber dennoch sehr wirkungsvolle Ausführung basiert auf der Erkenntnis, dass die in der Ebene des zu befahrenden Untergrundes wirkende Fahrphysik auf drei Bewegungsgrößen reduziert werden kann, nämlich auf zwei laterale Bewegungskomponenten in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen sowie auf eine Drehbewegung um eine vertikale Hochachse. Dies lässt sich tatsächlich auch mechanisch umsetzen, wenn der Mittelpunkt zwischen den beiden Rollelementen im Bereich des Schwerpunktes vom Spielfahrzeug liegt. Dann nämlich wird der Großteil der wirkenden Massenkräfte von den beiden Rollelementen bzw. den beiden Rädern aufgenommen und in Reibkraft umgesetzt. Zwar reichen die beiden Räder nicht für eine vollständige Abstützung des Fahrzeuges aus. Radattrappen oder andere Teile des Fahrzeuges können aber für eine Lagestabilisierung mit nur geringen Auflagerkräften herangezogen werden, ohne dass sie wegen ihrer kleinen Auflager- und Reibkräfte die von der Antriebseinheit vorgegebenen Fahrverhältnisse nennenswert verfälschen.
An die optische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spielfahrzeuges sind keine besonderen Anforderungen gestellt. Hier kann jede abstrakte, aber auch vorbildähnliche Form gewählt werden. Gleichwohl hat sich herausgestellt, dass der Eindruck einer ”verkleinerten” Fahrphysik dann besonders realistisch ausfällt, wenn das Spielfahrzeug in seinem äußeren Erscheinungsbild einige wesentliche Merkmale von manntragenden Kraftfahrzeugen wiedergibt. Dies beinhaltet vor allem die Räder des Originalkraftfahrzeuges, welche hier jedoch nicht in gleicher Funktion als Räder zum Einsatz kommen können. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist deshalb mindestens ein Paar von Radattrappen vorgesehen, wobei ein Paar von Radattrappen zweckmäßig lenkbar oder frei mitlenkend ausgestaltet ist. Als ”Radattrappe” ist hier ein Element gemeint, welches zwar das optische Erscheinungsbild eines Rades aufweist, nicht aber dessen Funktion ausführt. Solche Radattrappen dürfen zwar auf dem zu befahrenden Untergrund aufstehen und ggf. auf diesem auch abrollen. Da jedoch der weitaus größte Teil der Gewichtskräfte von den weiter oben beschriebenen Rollelementen aufgenommen wird, dienen sie allenfalls als Abstützhilfe mit signifikant kleineren Aufstandskräften, ohne dass sich hier signifikante seitliche Reibkräfte einstellen. Die Radattrappen geben damit nicht die Bewegung des Spielfahrzeuges vor, was ja Aufgabe der vorgenannten Rollelemente bzw. der einen oder zwei vorgenannten Antriebseinheiten ist. Auch eine eventuell vorhandene Lenkbewegung der Radattrappen hat keinen direkten Einfluss auf die Fahrrichtung des Spielfahrzeuges. Die geringen, aber vorhandenen Aufstandskräfte der Radattrappen in Verbindung mit einer Schwenklagerung und einem Nachlauf können dazu genutzt werden, dass diese Radattrappen in ihrer Ausrichtung dem jeweiligen Bahnverlauf folgen, also frei mitlenkend sind. Im größeren Teil der erzielbaren Fahrzustände verstärkt dies den optischen Eindruck einer zutreffenden Abbildung des Fahrverhaltens. Natürlich ist es auch möglich, die Radattrappen lenkbar auszugestalten und aktiv in ihrer Lenkbewegung anzusteuern. Wenn beispielsweise beim Über- oder Untersteuern die durch die eingeschlagenen Radattrappen angegebene Steuerrichtung nicht mit der tatsächlichen Fahrbewegung übereinstimmt, wird der optische Eindruck des seitlichen Rutschens verstärkt. Die Radattrappen können außerdem derart ausgestaltet sein, dass sie die tatsächlich wirkenden Antriebseinheiten und insbesondere deren die Fahrbewegung erzeugenden Rollelemente visuell abdecken. Auch dies trägt zu einem realistischen Erscheinungsbild der Fahrbewegung statt.
Eingangs wurden die Grundzüge der rechnerischen Fahrsimulation in der Steuereinheit und daraus ableitend die Generierung der Steuerausgangssignale in abstrakter Form erläutert, was für erfindungsgemäße Spielfahrzeuge in beliebiger Ausgestaltung unabhängig von ihren Details gilt. Sofern aber das Spielfahrzeug wenigstens insoweit einem originalen Radfahrzeug nachempfunden ist, dass es mindestens ein Paar von Radattrappen aufweist, so werden diese Radattrappen auch der Fahrsimulation zugrunde gelegt. Genauer ausgedrückt werden dann der rechnerischen Fahrsimulation die virtuelle Grenzhaftreibkraft, die virtuelle Gleitreibkraft, die unkorrigierte Betriebsreibkraft und die virtuelle Betriebsreibkraft zwischen den Radattrappen und dem Untergrund unter der Annahme zugrunde gelegt, dass das Spielfahrzeug auf Rädern gemäß der Radattrappen rollen und von diesen angetrieben werden würde. Aufbauend auf dem Ergebnis dieser rechnerischen Fahrsimulation entsteht dann eine physische Fahrbewegung, die den realistischen Eindruck vermittelt, als ob das Spielfahrzeug auf seinen Radattrappen fahren bzw. rutschen würde, während die tatsächliche Fahrbewegung aber nicht mittels der Radattrappen, sondern mittels der Lenkvorrichtung(en) und der Antriebseinheit(en) einschließlich der genannten Rollelemente herbeigeführt wird.
Es kann zweckmäßig sein, die Steuereinheit, in welcher die rechnerische Simulation der Fahrphysik und die Erzeugung der Steuerausgangssignale stattfinden, im Spielfahrzeug bzw. in dessen Empfangseinheit unterzubringen. Bevorzugt ist die Steuereinheit jedoch im Fernsteuersender angeordnet, so dass nur die in erfindungsgemäßer Weise aufgearbeiteten Steuerausgangssignale vom Fernsteuersender zum Empfänger des Spielfahrzeuges übertragen werden müssen. An die Empfangseinheit des Spielfahrzeuges sind keine besonderen Anforderungen gestellt, so dass dieses sehr klein und auch sehr kostengünstig gebaut werden kann. Es kommt ein handelsüblicher Fernsteuersender in Betracht, der um eine entsprechende Steuereinheit zu ergänzen ist, bzw. der in geeigneter Weise umprogrammiert wird. Bevorzugt ist jedoch die Baueinheit aus Steuereinheit und Fernsteuersender durch ein programmiertes Smartphone oder durch ein anderes mobiles Endgerät wie ein Tablet oder dergleichen gebildet. Die genannten Geräte verfügen im Regelfall über ausreichend Rechenleistung und außerdem über geeignete Funkschnittstellen, so dass entsprechende Hardware für ein breites Publikum ohne Zusatzinvestitionen verfügbar ist. Es bedarf lediglich einer geeigneten Programmierung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 in einer schematischen Draufsicht ein erfindungsgemäßes Spielfahrzeugsystem mit einem Smartphone als Fernsteuersender und mit einem Spielfahrzeug bei Längsbeschleunigung;
2 in einer schematischen Diagrammdarstellung die Zusammenhänge zwischen einer unkorrigierten Betriebsreibkraft und einer korrigierten virtuellen Betriebsreibkraft als Basis für die erfindungsgemäße Ansteuerung des Spielfahrzeuges;
3 das Spielfahrzeug nach 1 bei Kurvenfahrt im Normalmodus;
4 das Spielfahrzeug nach den 1 und 2 im Rutschmodus beim Übersteuern;
5 in einer perspektivischen Unteransicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Antriebsanordnung für ein Spielfahrzeug nach den 1 bis 4 mit zwei Drehgestellen, welche jeweils mit zwei Antriebsrädern ausgestattet sind, und mit drei von insgesamt vier Radattrappen;
6 in einer perspektivischen Draufsicht einen Teil der Anordnung nach 5 mit Einzelheiten zur Ausgestaltung des Drehgestells;
7 in einer perspektivischen Draufsicht eine Variante der Ausführung nach den 5 und 6 mit nur einem zentralen Drehgestell;
8 in einer perspektivischen Unteransicht eine weitere Variante der Anordnung nach den 5 und 6 mit Kugeln anstelle von Rädern zur Bildung der antreibenden Rollelemente; und
9 in einer Draufsicht das Fahrgestell nach 8 mit Einzelheiten zur Interaktion der Kugeln mit zugeordneten Antriebswellen.
1 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein erfindungsgemäßes Spielfahrzeugsystem, welches ein Spielfahrzeug 1 sowie einen zugeordneten Fernsteuersender 2 umfasst. Der Fernsteuersender 2 kann ein im Modellbau üblicher Funkfernsteuersender sein. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Fernsteuersender 2 ein Smartphone gewählt. Als Alternative zum Smartphone kommt auch ein Tablet in der üblichen Ausgestaltung oder dgl. in Betracht.
Das Spielfahrzeug 1 ist mit einem Empfänger 4 versehen, der Steuerausgangssignale des Fernsteuersenders 2 empfängt. Das Spielfahrzeug 1 umfasst des Weiteren hier nicht dargestellte, weiter unten aber näher beschriebene, das Spielfahrzeug 1 antreibende Rollelemente 6, 8 sowie eine Lenkvorrichtung, die entsprechend den Vorgaben des Fernsteuersenders 2 mittels des Empfängers 4 angesteuert bzw. betätigt werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel empfängt der Empfänger 4 die Steuerausgangssignale des Fernsteuersenders 2 über eine dazwischen liegende Funkstrecke. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Bluetooth-Verbindung handeln, wobei aber auch andere Übertragungsprotokolle und Sendefrequenzen in Betracht kommen. Andere Formen der Signalübertragung beispielsweise über Infrarot oder kabelgebunden sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls realisierbar.
Das Spielfahrzeug 1 kann eine mehr oder weniger ausgeprägte Ähnlichkeit zu einem manntragenden Vorbildfahrzeug aufweisen, ist jedoch gegenüber diesem verkleinert. An die tatsächliche Größe des Spielfahrzeuges 1 sind keine besonderen Anforderungen gestellt. Für den angestrebten Betrieb unter räumlich beengten Platzverhältnissen ist jedoch eine maximale Fahrzeuglänge von einem Meter bis hinunter zu wenigen Zentimetern wünschenswert und im Rahmen der Erfindung auch realisierbar. Bei einer maßstäblichen Verkleinerung eines Vorbildfahrzeuges bieten sich die üblichen Verkleinerungsmaßstäbe von 1:8, 1:10 und 1:12 bis hin zu 1:24 oder noch kleiner an. Ungeachtet einer tatsächlichen oder eben nicht ausgeführten maßstäblichen Abbildung sind aber vorteilhaft mindestens eine virtuelle Vorderachse 23 und mindestens eine virtuelle Hinterachse 24 mit in den 5 ff. dargestellten Radattrappen 21, 22 vorgesehen. Die hier gewählte Bezeichnung der Vorder- und Hinterachsen 23, 24 als ”virtuell” ergibt sich aus den nachfolgenden Erläuterungen der Erfindung.
Im Betrieb fährt das Spielfahrzeug 1 auf einem nicht näher dargestellten Untergrund 5. Bei einer gleichförmigen Geradeausfahrt wirken zwischen dem Spielfahrzeug 1 und dem Untergrund 5 in der Ebene des Untergrundes 5 keine nennenswerten Horizontalkräfte. Letzteres ändert sich, sobald Beschleunigungen auf das Spielfahrzeug 1 in der Ebene des Untergrundes 5 einwirken.
In 1 ist zunächst beispielhaft der einfache Fall einer Betriebsbeschleunigung a_b nach vorne in Richtung der Fahrzeuglängsachse 10 dargestellt. Ein Teilziel der erfindungsgemäßen Ausgestaltung und des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes besteht in der Erweckung des Eindruckes, als ob das Spielfahrzeug 1 auf seinen Radattrappen 21, 22 der virtuellen Vorder- und Hinterachsen 23, 24 aufstehen und fahren würde. Zur Erzielung der Betriebsbeschleunigung ab müssten nun zwischen dem Spielfahrzeug 1 und dem Untergrund 5 eine entgegengesetzte antreibende Reibkraft wirken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass die Radattrappen 21, 22, wenn sie das Spielfahrzeug 1 antreiben würden, eine in entgegengesetzter Richtung wirkende Reibkraft auf den Untergrund 5 ausüben müssten. Mit steigender Betriebsbeschleunigung a_b steigt auch der Betrag der erforderlichen Reibkraft. Falls anstelle der Radattrappen 21, 22 reguläre Räder vorhanden wären, auf denen das Spielfahrzeug 1 aufstehen würde, und mittels derer das Spielfahrzeug 1 angetrieben werden würde, wäre jedoch die tatsächlich abrufbare bzw. übertragbare maximale Reibkraft zwischen den durch die Radattrappen 21, 22 dargestellten Antriebsrädern und dem Untergrund 5 so groß, dass ohne weitere Maßnahmen eine entsprechende unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b zu einer derartig großen Betriebsbeschleunigung ab führen würde, die in keinem realistisch wirkenden Verhältnis zur Größe des Spielfahrzeuges 1 steht. Deshalb wird gemäß der Erfindung das Maximum der Reibkraft wie folgt beschränkt:
Die vom Benutzer erzeugten Steuereingangssignale werden vom Fernsteuersender 2 nicht unmittelbar in Steuerausgangssignale umgesetzt. Vielmehr ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen, die hier im Fernsteuersender 2 integriert ist, und in die die genannten, vom Benutzer bzw. vom Fahrer erzeugten Steuereingangssignale des Fernsteuersenders 2 eingespeist werden. Die Steuereinheit 3 generiert hierauf aufbauend gemäß den nachfolgend beschriebenen Maßgaben abgewandelte Steuerausgangssignale, die dann auf den Antrieb und auf die Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges 1 einwirken. Hierzu kommt eine Steuereinheit 3 zum Einsatz, welche für eine bestimmte, nachfolgend beschriebene rechnerische Fahrsimulation ausgelegt und programmiert ist.
Das erfindungsgemäß beeinflusste Fahrverhalten beruht auf einer Beschränkung der maximal erzielbaren Betriebsbeschleunigung a_b mittels Substitution der unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b durch eine korrigierte, virtuelle Betriebsreibkraft F_v, wie es schematisch im Diagramm nach 2 dargestellt ist. Hierzu wird eine virtuelle Grenzhaftkraft F_m definiert, die kleiner ist als die tatsächlich mittels der Antriebselemente 6, 8 (5 ff.) auf den Untergrund 5 übertragbare maximale Reibkraft. Außerdem wird eine virtuelle Gleitreibkraft F_g definiert, die ihrerseits ≤ der virtuellen Grenzhaftreibkraft F_m ist. All diese Kräfte sind in 1 schematisch eingezeichnet und als fest vorgegebene oder variable Parameter in der Steuereinheit 3 abrufbar. Die virtuelle Grenzhaftkraft F_m und die virtuelle Gleitreibkraft F_g können optional so bemessen werden, dass die daraus resultierenden Betriebsbeschleunigungen a_b zumindest näherungsweise im gleichen Maßstab gegenüber einem Original betragsmäßig verkleinert werden wie das Spielfahrzeug 1 selbst, wobei als Bezugsgröße für diese Verkleinerung eine solche tatsächliche Grenzhaftkraft, eine solche tatsächliche Gleitreibkraft und eine solche tatsächliche Betriebsbeschleunigung a_b des Originals zugrunde gelegt werden können, wie sie aus dem Wechselspiel zwischen Originalreifen und Originaluntergrund bekannt bzw. zu erwarten sind.
Das erfindungsgemäße Prinzip wird am einfachen Beispiel des Beschleunigens gemäß der Zusammenschau der 1 und 2 deutlich: Der Fahrer gibt mittels des Fernsteuersenders 2 ”Gas”, erzeugt also das Steuereingangssignal des Beschleunigens. Hierauf aufbauend wird in der Steuereinheit 3 eine rechnerische Fahrsimulation durchgeführt, innerhalb derer die zwischen dem Spielfahrzeug 1 und dem Untergrund 5 wirkenden und zunächst noch unkorrigierten Betriebsreibkräfte F_b rechnerisch ermittelt und mit der virtuellen Grenzhaftreibkraft F_m verglichen werden. Genauer werden hier die zwischen den faktisch nicht vorhandenen, virtuell aber angenommenen Rädern der virtuellen Vorder- und Hinterachsen 23, 24 und dem Untergrund 5 wirkenden unkorrigierten Betriebsreibkräfte F_b der rechnerischen Simulation zugrunde gelegt. Die Radattrappen 21, 22 (5 bis 9) stellen die genannten virtuellen Räder nur optisch dar, erfüllen jedoch nicht deren fahrphysikalische Funktion.
Solange der Fahrer eine nur mäßige Beschleunigung vorgibt, bei der die unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b kleiner ist als die virtuelle Grenzhaftkraft F_m, gelten die Gesetze der Haftreibung zwischen Rädern und Untergrund 5, was hier als Normalmodus bezeichnet wird. In der rechnerischen Fahrsimulation wird als eine der Ausgangsgrößen eine virtuelle Betriebsreibkraft F_v bestimmt. Im Normalmodus wird die virtuelle Betriebsreibkraft F_v in Betrag und Richtung gleich der unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b gesetzt. Das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges 1 wird folglich unter örtlicher Einwirkung der Betriebsreibkraft F_b entsprechend einer Haftreibkraft rechnerisch in der Steuereinheit 3 simuliert.
Sofern jedoch der Fahrer zu viel ”Gas” gibt, sofern also dabei die in der rechnerischen Fahrsimulation ermittelte zugehörige unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b größer als die eingangs vorgegebene virtuelle Grenzhaftreibkraft F_m ist, soll sich ein Fahrverhalten wie bei durchdrehenden Rädern einstellen. Dies wird hier als Rutschmodus bezeichnet, bei der die virtuelle Gleitreibkraft F_g wirkt. Die virtuelle Betriebsreibkraft F_v wird dabei in Betrag und Richtung gleich der virtuellen Gleitreibkraft F_g gesetzt und der rechnerischen Fahrsimulation zugrunde gelegt. Das Spielfahrzeug 1 bewegt sich also in der rechnerischen Simulation, als ob die Räder unter Einwirkung der virtuellen Gleitreibkraft F_g durchdrehen würden.
In beiden Fällen des Normalmodus oder des Rutschmodus werden nun unter Zugrundelegung der jeweils rechnerisch ermittelten virtuellen Betriebsreibkräfte F_v dazu korrespondierende Steuerausgangssignale derart generiert, dass das Spielfahrzeug 1 eine Fahrbewegung gemäß der rechnerischen Fahrsimulation ausführt. Im Falle des Beispiels nach 1 heißt dies, dass das Spielfahrzeug 1 im Normalmodus unter Zugrundelegung der unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b eine Beschleunigung a_b durchführt. Sofern jedoch der Fahrer eine zu große Beschleunigung vorgibt, die zu einer Fahrsimulation im Rutschmodus führt, wird die unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b in Betrag und Richtung auf die virtuelle Gleitreibkraft F_g gesetzt, was zu einer entsprechend beschränkten Vorwärtsbeschleunigung führt. Analog das Gleiche gilt aber auch für rückwärts gerichtete Beschleunigungen entsprechend einem Bremsmanöver, wobei im Normalmodus die Gesetze der Haftreibung gelten, und wobei infolge einer zu ausgeprägten Bremsbetätigung ein Blockieren der Räder simuliert wird, indem der Verzögerung die virtuelle Gleitreibkraft F_g zugrunde gelegt wird. Natürlich kann gemäß der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise auch diejenige Hysterese mit berücksichtigt und abgebildet werden, die aus der im Vergleich zur virtuellen Grenzhaftkraft F_m kleineren virtuellen Gleitreibkraft F_g folgt: Die virtuelle Betriebsreibkraft F_v wird erst dann wieder gleich der unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b gesetzt, wenn der Fahrer die Beschleunigung a und damit die unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b auf ein Maß unterhalb der virtuellen Gleitreibkraft F_g zurücknimmt. Bei einer Vergrößerung der Beschleunigung a wirkt also das Erreichen der virtuellen Grenzhaftkraft F_m als Umschaltsignal vom Normalmodus in den Rutschmodus, während bei einer Rücknahme der Beschleunigung a das Erreichen der virtuellen Gleitreibkraft F_g als Umschaltsignal vom Rutschmodus in den Normalmodus wirkt.
Vorstehend sind die Simulationsverhältnisse für den einfachen Fall einer Längsbeschleunigung beschrieben. Ergänzend hierzu zeigt 3 das Spielfahrzeug 1 nach 1 in Kurvenfahrt. Das Spielfahrzeug 1 bewegt sich mit einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit entlang einer Fahrkurve 27 mit einem örtlichen Kurvenradius r um einen zugeordneten örtlichen Mittelpunkt M. Für die Bestimmung der örtlichen Bewegungs- und Kraftverhältnisse kann am Spielfahrzeug 1 ein beliebiger Referenzpunkt gewählt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Referenzpunkt der Schwerpunkt S des Spielfahrzeuges 1 gewählt. Der Schwerpunkt S bewegt sich in Richtung einer Tangente t zur Fahrkurve 27 mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Aus dieser Geschwindigkeit und dem örtlichen Kurvenradius r ergeben sich eine zum Mittelpunkt M hin gerichtete Zentripetalbeschleunigung a_y sowie eine zugeordnete, radial nach außen gerichtete Querkraft F_y. Beide können im Rahmen der mittels der Steuereinheit 3 durchgeführten rechnerischen Fahrsimulation ermittelt werden. Zusätzlich, also gleichzeitig, kann auch eine Längsbeschleunigung a_x ausgeführt werden, die hier beispielhaft nach hinten gerichtet ist und damit einem Bremsmanöver entspricht. Hierzu korrespondiert eine entgegen gerichtete Längskraft F_x, wobei die Längsbeschleunigung a_x und die Längskraft F_x analog zur Vorgehensweise entsprechend 1 ermittelt werden. Die Längs- und Querbeschleunigungen a_x, a_y können vektoriell zu einer unkorrigierten Betriebsbeschleunigung a_b zusammengesetzt werden. Gleiches gilt auch für eine vektorielle Addition der Längskraft F_x und der Querkraft F_y zu der unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b. Für diese unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b gelten erneut die gleichen Bedingungen wie bei der in Längsrichtung wirkenden unkorrigierten Betriebsreibkraft F_b gemäß der 1, 2: Auch hier wird zwischen einem Normalmodus und einem Rutschmodus in der rechnerischen Fahrsimulation unterschieden, wobei dann aber im Rutschmodus auch ein seitliches Rutschen mit berücksichtigt wird. Jedenfalls werden mittels der Steuereinheit 3 aus der rechnerischen Fahrsimulation Steuerausgangssignale derart generiert und dem Antrieb sowie der Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges 1 zugeführt, dass das Spielfahrzeug 1 eine Fahrbewegung gemäß der genannten rechnerischen Fahrsimulation ausführt.
In 3 ist noch erkennbar, dass die Längsachse 10 des Spielfahrzeuges 1 im hier dargestellten Normalmodus in einem ersten Winkel α zur örtlichen Tangente t der Fahrkurve 27 liegt. Dieser erste Winkel α ist für jeden beliebigen Bezugspunkt des Spielfahrzeuges 1 bestimmbar. Als Bezugspunkt ist hier beispielhaft der Schwerpunkt S des Spielfahrzeuges 1 gewählt. Der Winkel α hängt von der zugrunde gelegten Lenkgeometrie der virtuellen Vorderachse 23 und der virtuellen Hinterachse 24 ab. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass die virtuelle Vorderachse 23 lenkbar ist, während die virtuelle Hinterachse 24 ihre Ausrichtung relativ zum Spielfahrzeug 1 beibehält. Dies führt dazu, dass auf der ungelenkten virtuellen Hinterachse 24 der erste Winkel α zwischen der Fahrzeuglängsachse 10 und der Tangente t den Betrag Null aufweist und mit nach vorne größer werdendem Abstand zur virtuellen Hinterachse 24 ansteigt. Im Bereich der virtuellen Vorderachse 23 nimmt der erste Winkel α sein Maximum an. Die Verhältnisse kehren sich natürlich um, falls eine lenkbare virtuelle Hinterachse 24 der Fahrsimulation zugrunde gelegt wird. Jedenfalls kann für einen bestimmten Bezugspunkt, hier den Schwerpunkt S ein solcher erster Winkel α für den hier dargestellten Normalmodus bestimmt werden.
Sofern nun der Fahrer eine zu hohe Kurvengeschwindigkeit und/oder einen zu kleinen örtlichen Kurvenradius r vorwählt, übersteigt die rechnerisch ermittelte unkorrigierte Betriebsreibkraft F_b die virtuelle Grenzhaftreibkraft F_m (2), so dass in der rechnerischen Fahrsimulation nun der Rutschmodus zum Tragen kommt. Es wird nun die virtuelle Gleitreibkraft F_g (2) als virtuelle Betriebsreibkraft F_v zugrunde gelegt, wobei jedoch eine seitliche Kraftrichtungskomponente mit zum Tragen kommt. Das Fahrzeug kann nun seitlich bzw. quer zur Tangente t versetzen. Beispielsweise kann der Radius r größer bis hin zu ∞ werden, was einem sogenannten Untersteuern entspricht.
Hinausgehend über einen rein seitlichen Fahrzeugversatz unter Beibehaltung des ersten Winkels α kann aber auch im simulierten Rutschmodus die Fahrzeuglängsachse 10 ausgehend von ihrem ersten Winkel α in einen zweiten Winkel β zur örtlichen Tangente t der Fahrkurve 27 überführt werden. Ein solcher Fall ist beispielhaft in 4 dargestellt. Ausgehend vom ersten Winkel α als Referenzgröße ist die in ihrer Lage veränderte Fahrzeuglängsachse 10' um den zweiten Winkel β zur Kurveninnenseite geneigt, was dem sogenannten Übersteuern oder Driften entspricht. Auch dieser Fall kann mittels der Steuereinheit 3 in der rechnerischen Fahrsimulation beim Rutschmodus dargestellt und in entsprechende Steuerausgangssignale umgesetzt werden, wobei dann das Spielfahrzeug 1 tatsächlich entsprechende Kurvenfahrten unter Abbildung des Über- bzw. Untersteuerns gemäß der 3 und 4 durchführt. Auch hier sind die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen jedoch so weit beschränkt, dass tatsächlich kein Rutschen zwischen den Rollelementen 6, 8 (5 ff.) des Spielfahrzeuges 1 und dem Untergrund 5 stattfindet. Vielmehr führt das Spielfahrzeug 1 eine durch die Steuereinheit 3 vorgegebene Fahrbewegung aus, die einen realistischen Eindruck vermittelt, als ob das Spielfahrzeug 1 beim Unter- bzw. Übersteuern, beim Bremsen und/oder Beschleunigen auf seinen Radattrappen rollen oder rutschen würde.
Im Zusammenhang mit den 1 bis 4 sind stationäre Zustande von lateral wirkenden Beschleunigungen dargestellt. Gleichwohl kann die rechnerische Simulation und die daraus abgeleitete Fahrbewegung des Spielfahrzeugs 1 auch Winkelbeschleunigungen um die Hochachse sowie transiente Übergänge zwischen verschiedenen Fahrzuständen umfassen. Ausgehend von den eingangs beschriebenen Minimalvoraussetzungen der Unterscheidung zwischen dem Normalmodus und dem Rutschmodus kann die rechnerischen Fahrsimulation beliebig verfeinert und in eine entsprechende Fahrbewegung des Spielfahrzeuges 1 umgesetzt werden. Dies beinhaltet neben der beschriebenen Begrenzung der möglichen Beschleunigungen auch eine Begrenzung der möglichen Geschwindigkeiten. Die Unterscheidung zwischen Haft- und Rutschreibung, also zwischen Normal- und Rutschmodus kann für jede Radattrappe 21, 22 einzeln durchgeführt werden, um beispielsweise situationsabhängig sich verändernde Verteilungen der einzelnen Radlasten zu berücksichtigen. Es kommen aber auch Vereinfachungen in Betracht, bei denen diese Unterscheidungen nur für jede virtuelle Vorder- bzw. Hinterachse 23, 24 oder für das Spielfahrzeug 1 in der jeweiligen Gesamtheit vorgenommen wird. Beim Fehlen von Radattrappen 21, 22 können auch fiktive Bezugspunkte als Ersatz gewählt werden. Darüber hinaus ist das gleiche Simulationsprinzip in analoger Weiser auch auf Fahrzeuge ohne Räder übertragbar.
Ein interessanter Aspekt ist noch zum Beispiel, dass für die quasi als Umschaltsignal zwischen den beiden Betriebsmodi wirkende virtuelle Grenzhaftkraft F_m nicht auf einen bestimmten Betrag festgelegt werden muss. Sie kann z. B. richtungsabhängig unterschiedlich sein, demnach unterschiedliche Grenzwerte für eine Vorwärtsbeschleunigung, ein Bremsmanöver, und/oder seitlich wirkende Zentripetalbeschleunigungen angesetzt werden. Außerdem können die virtuellen Grenzhaftkräfte F_m während des Betriebes verändert werden. Hierdurch kann z. B. ein fortschreitender Reifenverschleiß oder das Befahren von unterschiedlichen Untergründen mit unterschiedlichen Hafteigenschaften simuliert werden. Das Spielfahrzeug 1 kann beispielsweise mit einem nicht dargestellten Detektor versehen werden, der einen als besonders rutschig anzusehenden Streckenabschnitt erkennt, und der infolge dessen eine Herabsetzung der ohnehin schon reduzierten virtuellen Grenzhaftkraft F_m herbeiführt.
5 zeigt in einer perspektivischen Unteransicht ein erstes Ausführungsbeispiel des Spielfahrzeugs 1 nach den 1 bis 4 mit abgenommener Karosserie. Ein Chassis 25 trägt auf seiner dem Untergrund 5 (1) im Betrieb zugewandten Unterseite zwei Antriebseinheiten 13, 14. Die eine Antriebseinheit 13 ist in Richtung der Fahrzeuglängsachse 10 vor dem Schwerpunkt S des Spielfahrzeugs 1 positioniert, während die zweite Antriebseinheit 14 dahinter liegt. Die vordere Antriebseinheit 13 umfasst ein Paar von Rollelementen 6, die koaxial zueinander um eine gemeinsame Drehachse 7 drehend antreibbar sind. Die beiden Rollelemente 6 sind hier als Reibrad ausgebildet und für einen reibschlüssigen Antrieb des Spielfahrzeuges 1 gegenüber dem Untergrund 5 (1) ausgelegt. Hierzu ist ein auf beide Rollelemente 6 gemeinsam wirkender Antriebsmotor 11 vorgesehen. Sinngemäß das Gleiche gilt auch für die identisch aufgebaute hintere Antriebseinheit 14 mit einem Paar von als Reibräder ausgebildeten Rollelementen 8, mit einer zugeordneten Drehachse 9 und mit einem zugeordneten Antriebsmotor 12.
Beide Antriebseinheiten 13, 14 sind mit je einer eigenen und unabhängig voneinander betätigbaren Lenkvorrichtung versehen, mittels derer die Orientierungsrichtungen der Drehachsen 7, 9 um eine jeweils vertikale Lenkachse 16 relativ zur Fahrzeuglängsachse 10 verstellt werden können. Einzelheiten dieser Lenkvorrichtungen ergeben sich aus der Zusammenschau der 5 und 6, wobei 6 in einer perspektivischen Draufsicht einen Teil der Anordnung nach 5 mit fehlender hinterer Antriebseinheit 14 zeigt. Aus der Zusammenschau dieser beiden 5 und 6 ist erkennbar, dass die beiden Lenkvorrichtungen je ein Drehgestell 15 mit einer vertikalen Lenkachse 16 und mit jeweils einem zugeordneten Lenkantrieb 17 umfassen. Der Einfachheit halber werden nachfolgend nur die vordere Antriebseinheit 13 und das vordere Drehgestell 15 in Bezug genommen, wobei jedoch analog das gleiche auch für die hintere Antriebseinheit 14 mit dem hinteren Drehgestell 15 gilt. Auf dem Drehgestell 15 sind die beiden Rollelemente 6 mit ihrer horizontal liegenden Drehachse 7 gelagert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch der zugeordnete Antriebsmotor 11 auf dem Drehgestell 15 montiert. Bei einer Lenkbewegung um die vertikale Längsachse 16 dreht sich das gesamte Drehgestell 15 einschließlich der beiden Rollelemente 6, ihrer Drehachse 7 und des Antriebsmotors 11. Es kann aber auch zweckmäßig sein, den Antriebsmotor 11 fest, also nicht mitdrehend auf dem Chassis 25 zu montieren, wobei dieser dann über geeignete Zahnradanordnungen oder andere Übertragungsmittel auf die Rollelemente 6 einwirkt. Der Lenkantrieb 17 ist fest auf dem Chassis 25 montiert und wirkt über Zahnräder auf das Drehgestell 15 derart ein, dass es eine lenkende Schwenkbewegung um die Hoch- bzw. Lenkachse 16 ausführt. Auch hier kann eine umgekehrte Ausführung möglich sein, bei der der Lenkantrieb 17 auf dem Drehgestell 15 montiert ist und gemeinsam mit diesem mitdreht. Die in analoger Weise, hier sogar in mechanisch identischer Weise aufgebaute hintere Antriebseinheit 14 mit dem Drehgestell 15 ist unabhängig von der vorderen Antriebseinheit 13 mit dem Drehgestell 15 antreibbar und lenkbar.
Unter erneutem Bezug auf 5 ist noch darauf hinzuweisen, dass das Chassis 25 im Bereich der virtuellen Vorderachse 23 und auch im Bereich der virtuellen Hinterachse 24 jeweils ein Paar von Radattrappen 21, 22 trägt. Die beiden bezogen auf die Längsachse 10 jeweils beidseitig angeordneten Radattrappen 22 der virtuellen Hinterachse 24 haben eine feste Orientierung relativ zum Chassis 25, sind also nicht lenkbar. Die beiden in analoger Weise im Bereich der virtuellen Vorderachse 23 am Chassis 25 angebrachten Radattrappen 21 sind im Unterschied hierzu frei mitlenkend ausgeführt, wobei hier zur besseren Übersicht nur eine einzelne Radattrappe 21 mit Lenkausschlag dargestellt ist. Hierfür ist eine Schwenklagerung mit Nachlauf für die vorderen Radattrappen 21 vorgesehen. Die vorderen Radattrappen 21 richten sich damit selbsttätig in der jeweiligen Fahrrichtung aus. Alternativ kommt aber auch eine aktive Lenkung der vorderen Radattrappen 21 mit eigenen Lenkantrieben in Betracht. Natürlich kann aber auch zur Vereinfachung auf eine Lenkbewegung verzichtet werden.
In Unterscheidung zu den für den Antrieb und auch für die Lenkung des Spielfahrzeuges 1 zuständigen Rollelemente 6, 7 sind die Radattrappen 21, 22 insoweit Attrappen, als dass sie zwar das äußere Erscheinungsbild von Rädern haben, nicht aber deren Funktion ausüben. Sie sind derart am Chassis 25 nachgiebig und/oder gegenüber den Rollelementen 6, 8 hochgelegt gelagert, dass sie im Betrieb entweder nicht oder allenfalls mit nur geringen Aufstandskräften den Untergrund 5 (1) berühren. Geradezu gegenteilig steht das Spielfahrzeug 1 aufgrund seines zwischen den beiden Antriebseinheiten 13, 14 liegenden Schwerpunktes S im Betrieb mit seinen Rollelementen 6, 8 derart auf dem Untergrund 5 auf, dass der weitaus größte Teil der wirkenden Gewichtskräfte von den Rollelementen 6, 8 getragen wird. In Verbindung mit den Antriebsmotoren 11, 12 sind also Antriebe gebildet, mittels derer die Rollelemente 6, 8 Reibkräfte auf den Untergrund 5 derart übertragen, dass das Spielfahrzeug 1 angetrieben wird. Für möglichst große übertragbare Reibkräfte sind die Rollelemente 6, 8 mit einer reibwerterhöhenden Bereifung beispielsweise aus Gummi oder vergleichbaren Elastomerwerkstoffen versehen. Umgekehrt kann es zweckmäßig sein, die Radattrappen 21, 22 aus Materialien mit geringen Reibwerten wie Hartkunststoff oder dergleichen zu fertigen, um im Falle einer Bodenberührung möglichst geringe Reibkräfte zu erzeugen, womit eine Verfälschung der durch die Antriebseinheiten 13, 14 erzeugten Antriebs- und Lenkwirkung durch die Bodenberührung der Radattrappen 21, 22 auf ein Minimum reduziert oder gar vollständig ausgeschaltet wird.
Eine Besonderheit liegt noch darin, dass der axiale Abstand zwischen den beiden Rollelementen 6 auf der vorderen Drehachse 7 und auch der axiale Abstand zwischen den beiden Rollelementen 8 auf der hinteren Drehachse 9 optional deutlich kleiner ist als die Breite des Chassis 25. Hierdurch wird erreicht, dass die Rollelemente 6, 8 und die Stellung ihrer Drehachsen 7, 9 im Betrieb praktisch nicht oder höchst eingeschränkt sichtbar sind. Dieser Effekt kann auch dadurch verstärkt werden, dass die beiden Antriebseinheiten 13, 14 jeweils zwischen einem Paar von Radattrappen 21, 22 angeordnet sind.
Aus der Zusammenschau der 1 bis 6 wird nun deutlich, dass beliebige Fahrbewegungen des Spielfahrzeuges 1 gemäß den 1 bis 4 einschließlich simulierter Rutschbewegungen durch eine koordinierte Ansteuerung der beiden Antriebseinheiten 13, 14 und der entsprechenden Lenkvorrichtungen erreicht werden können. Das Spielfahrzeug 1 kann in jedem beliebigen Winkel α, β zur Tangente t einer Fahrkurve 27 ausgerichtet und bewegt werden, was auch Bahnkurven 27 mit einem Radius r = ∞, also eine Geradeausfahrt gemäß 1 beinhaltet. Für die virtuelle Vorderachse 23 und die virtuelle Hinterachse 24 lassen sich unabhängig voneinander die Winkel α, β bestimmen. Falls die Antriebseinheiten 13, 14 wie in den 5, 6 jeweils mehr oder weniger genau auf der virtuellen Vorderachse 23 bzw. der virtuellen Hinterachse 24 positioniert sind, werden ihre Drehachsen 7, 9 um den jeweiligen Winkel α, β geschwenkt. In Verbindung mit einer geeigneten Drehzahl der Rollelemente 6, 8 führt dann das Spielfahrzeug 1 eine Fahrbewegung gemäß der vorstehend beschriebenen rechnerischen Fahrsimulation aus, wie auch in den 1 bis 4 gezeigt. Falls die Antriebseinheit 13 und/oder die Antriebseinheit 14 nicht genau auf der virtuellen Vorderachse 23 bzw. der virtuellen Hinterachse 24 positioniert ist, kann eine rechnerische Korrektur der Winkelstellung der Antriebseinheiten 13, 14 derart erfolgen, dass im Ergebnis die virtuelle Vorderachse 23 und auch die virtuellen Hinterachse 24 Bewegungen in ihren jeweils zugeordneten Winkeln α, β ausführen. Jedenfalls werden diese Fahrbewegungen im Wesentlichen ausschließlich durch die beiden Antriebseinheiten 13, 14 mit den zugehörigen Lenkvorrichtungen unter Einwirkung von Haftreibung zwischen den Rollelementen 6, 8 und dem Untergrund 5 herbeigeführt, ohne dass dabei die Radattrappen 21, 22 eine signifikante Rolle spielen. Deshalb sind die Vorder- und Hinterachsen 23, 24 hier auch als ”virtuell” bezeichnet, da sie auf das tatsächliche Fahrgeschehen keinen signifikanten Einfluss haben. Gleichwohl spielen aber die Lagen der virtuellen Vorder- und Hinterachsen 23, 24 und ihrer Radattrappen 21, 22 relativ zur Bahntangente t eine besondere Rolle im optischen Erscheinungsbild: Sofern die Ausrichtung der Radattrappen 21, 22 und insbesondere der Lenkausschlag der gelenkten vorderen Radattrappen 21 nicht mit der tatsächlichen Fahrbewegung fluchten, entsteht in besonders ausgeprägter Weise der Eindruck eines seitlich wegrutschenden Spielfahrzeuges 1, obwohl tatsächlich permanent ein nicht rutschender Fahrantrieb mittels der kaum oder gar nicht wahrnehmbaren Rollelemente 6, 8 vorliegt.
Weiter oben wurde schon darauf hingewiesen, dass die virtuelle Grenzhaftkraft F_m kleiner sein soll als die tatsächlich mittels der Antriebselemente 6, 8 auf den Untergrund 5 übertragbare maximale Reibkraft. Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich eine Präzisierung dieser Anforderung: Die virtuelle Grenzhaftkraft F_m soll kleiner sein als die für deren Abbildung im Fahrbetrieb erforderliche Reibkraft zwischen den Antriebselementen 6, 8 und dem Untergrund 5. Hierdurch wird sichergestellt, dass sowohl der Normalmodus als auch der Rutschmodus mittels der Antriebselemente 6, 8 im reinen Haftreibungsbetrieb dargestellt werden kann.
7 zeigt in einer perspektivischen Draufsicht eine Variante der Ausführung nach den 5 und 6 mit nur einem einzigen zentralen Drehgestell 15. Der durchaus vorhandene Lenkantrieb 17 (6) ist hier für eine bessere Übersicht nicht dargestellt. Die Lenkvorrichtung entspricht jedoch in Aufbau und Funktion der Ausgestaltung, wie sie im Zusammenhang mit den 5 und 6 beschrieben ist. Abweichen davon ist aber das Antriebskonzept: Auf dem Drehgestell 15 ist nicht ein Paar von gemeinsam angetriebenen Rollelementen gelagert. Vielmehr gibt es je ein erstes Rollelement 6 und ein zweites Rollelement 8, die unabhängig voneinander durch je einen zugeordneten Antriebsmotor 11, 12 antreibbar sind. Die hier nur schematisch dargestellten Antriebsmotoren 11, 12 sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auf dem Chassis 25 befestigt, können aber auch wie im Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 auf dem Drehgestell 15 angeordnet sein. Jedenfalls sind die beiden Rollelemente 6, 8 in Form von Rädern ausgestaltet, wobei ihre beiden zugeordneten Drehachsen 7, 9 zumindest achsparallel, im gezeigten Ausführungsbeispiel sogar koaxial zueinander liegen. Außerdem weisen sie bezogen auf diese Drehachsen 7, 9 einen axialen Abstand zueinander auf. Das Drehgestell 15 ist derart am Chassis 25 positioniert, dass der Schwerpunkt S des Spielfahrzeugs 1 möglichst genau mittig zwischen den beiden Rollelementen 6, 8 auf den Drehachsen 7, 9 liegt. Umgekehrt heißt dies, dass der Mittelpunkt zwischen den beiden Rollelementen 6, 8 möglichst nahe am Schwerpunkt S des Spielfahrzeuges 1 liegt.
Wie auch beim Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 gilt hier, dass die wirkenden Gewichtskräfte nahezu vollständig von den Rollelementen 6, 8 getragen werden. Die Radattrappen 21, 22 halten das Spielfahrzeug 1 stützend in der gewünschten horizontalen Lage, wozu jedoch nur vernachlässigbar kleine Aufstandskräfte erforderlich sind. Auch hier gilt, dass durch die gemeinsame Verstellung der Orientierung der Drehachsen 7, 9 um die vertikale Lenkachse 16 in Verbindung mit einem voneinander unabhängigen Antrieb der beiden Rollelemente 6, 8 beliebige Fahrbewegungen entsprechend der 1 bis 4 herbeigeführt werden können, und zwar unabhängig von Ausrichtung bzw. Lenkeinschlag der Radattrappen 21, 22.
Schließlich zeigen die 8 und 9 noch eine weitere Variante der Anordnung nach den 5 und 6 mit zwei Antriebseinheiten 13, 14. Jede Antriebseinheit 13, 14 trägt nur ein einzelnes zugeordnetes Rollelement 6, 8, welches nicht als Paar von Rädern sondern als Kugel ausgestaltet ist. In der perspektivischen Unteransicht gemäß 8 ist erkennbar, das die als Kugeln ausgestalteten Rollelemente 6, 8 nach unten aus dem Chassis 25 hervorstehen und dabei die Funktion der Rollelemente 6, 8 gemäß den 5 und 6 ausüben.
Einzelheiten der Ausgestaltung nach 8 sind in der Draufsicht gemäß 9 erkennbar. Jede Antriebseinheit 13, 14 umfasst mindestens eine erste Antriebswelle 18 und mindestens eine orthogonal dazu positionierte zweite Antriebswelle 19 sowie zugeordnete Antriebsmotoren 11, 12. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist für jede Antriebeinheit 13, 14 jeweils ein Paar von ersten und zweiten Antriebswellen 18, 19 vorgesehen, die paarweise gegenüberliegend reibschlüssig an der kugelförmigen Oberfläche 20 der Rollelement 6, 8 angreifen. Hierdurch wird erreicht, dass die dazwischen liegenden kugelförmigen Rollelemente 6, 8 sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung fixiert sind und bei entsprechenden Belastungen immer ein ausreichendes Antriebsmoment durch die Antriebswellen 18, 19 erfahren. Ergänzend ist oberhalb eines jeden kugelförmigen Rollelementes 6, 8 je ein Niederhalter 26 angeordnet, welcher den im Betrieb wirkenden Aufstandskräften entgegenwirkt.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 ist in der gezeigten Ausführung nach den 8 und 9 kein Lenkantrieb 17 erforderlich. Anstelle des Lenkantriebes 17 tritt hier eine in 1 schematisch angedeutete Koordinationseinheit 28 für eine koordinierte Drehzahlabstimmung der ersten und zweiten Antriebswellen 18, 19. Die Koordinationseinheit 28 ist gemäß 1 im Fernsteuersender 2 angeordnet und kann Teil der oben näher beschriebenen Steuereinheit 3 sein. Alternativ kann auch eine separate Koordinationseinheit 28 im Spielfahrzeug 1 vorgesehen und dort beispielsweise in den Empfänger 4 oder in die Antriebseinheiten 13, 14 integriert sein. Jedenfalls lässt sich durch eine koordinierte Drehzahlabstimmung der ersten und zweiten Antriebswellen 18, 19 in beiden Antriebseinheiten 13, 14 unabhängig voneinander die Lage der Drehachsen 7, 9 relativ zum Spielfahrzeug 1 einstellen und variieren, so dass Antriebs- und Lenkbewegungen analog zum Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 eintreten. Für die voneinander unabhängige Ausrichtung der Drehachsen 7, 9 sind zumindest zwei voneinander unabhängig betreibbare bzw. ansteuerbare Antriebsmotoren 12 erforderlich, welche einen seitlichen Drehbewegungsanteil der kugelförmigen Rollelemente 6, 8 mittels der parallel zur Fahrzeuglängsachse 10 liegenden Antriebswellen 19 herbeiführen. Abweichend davon sollten jedoch die anteiligen Drehzahlen der kugelförmigen Rollelemente 6, 8 in Richtung der Fahrzeuglängsachse 10 und folglich auch die Drehzahlen der quer dazu liegenden Antriebswellen 18 für beide Antriebseinheiten 13, 14 gleich sein, da sich der Abstand der fest am Spielfahrzeug 1 montierten Antriebseinheiten 13, 14 zueinander nicht ändert. Demnach kann es trotz unabhängiger Antriebs- und Lenkbewegungen ausreichen, für die quer zur Fahrzeuglängsachse 10 liegenden Antriebswellen 18 beider Antriebseinheiten 13, 14 nur einen einzigen gemeinsamen Antriebsmotor 11 vorzusehen. Jedenfalls lässt sich durch koordinierte Drehzahlsteuerung der Antriebsmotoren 11, 12 und folglich auch der Antriebswellen 18, 19 die Ausrichtung der Drehachsen 7, 9 beider Rollelemente 6, 8 unabhängig voneinander einstellen und variieren. Das gleiche gilt auch für die resultierende Drehzahl der Rollelemente 6, 8 um diese Drehachse 7, 9, in dessen Folge für die Fahrkinematik das gleiche wie für das Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 gilt.
Sofern nicht ausdrücklich abweichend beschrieben, stimmen die Ausführungsbeispiele nach 7 sowie nach den 8 und 9 in den übrigen Merkmalen, Bezugszeichen und Eigenschaften untereinander sowie mit dem Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 überein.

Claims

Spielfahrzeugsystem, umfassend ein Spielfahrzeug (1) und einen Fernsteuersender (2), wobei das Spielfahrzeug (1) einen Antrieb mit Rollelementen (6, 8) zur Übertragung von Reibkräften auf einen Untergrund (5) sowie eine Lenkvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeugsystem zusätzlich eine Steuereinheit (3) umfasst, in die Steuereingangssignale des Fernsteuersenders (2) eingespeist werden, und welche Steuerausgangssignale generiert, die auf den Antrieb und auf die Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges (1) einwirken, dass in der Steuereinheit (3) eine virtuelle Grenzhaftreibkraft (F_m) sowie eine virtuelle Gleitreibkraft (F_g) zwischen dem Spielfahrzeug (1) und dem Untergrund (5) abrufbar sind, wobei die virtuelle Grenzhaftreibkraft (F_m) kleiner als eine korrespondierende tatsächlich übertragbare maximale Reibkraft zwischen den Rollelementen (6, 8) und dem Untergrund (5) ist, und wobei die virtuelle Gleitreibkraft (F_g) kleiner/gleich der virtuellen Grenzhaftreibkraft (F_m) ist, dass die Steuereinheit (3) für eine rechnerische Fahrsimulation unter Einbeziehung der Steuereingangssignale des Fernsteuersenders (2) derart ausgelegt ist, – dass durch die Steuereinheit (3) eine zwischen dem Spielfahrzeug (1) und dem Untergrund (5) wirkende unkorrigierte Betriebsreibkraft (F_b) rechnerisch ermittelt und mit der virtuellen Grenzhaftreibkraft (F_m) verglichen wird, – wobei in einem Normalmodus, in dem die rechnerisch ermittelte unkorrigierte Betriebsreibkraft (F_b) kleiner als die virtuelle Grenzhaftreibkraft (F_m) ist, das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges (1) unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen Betriebsreibkraft (F_v) in Höhe der unkorrigierten Betriebsreibkraft (F_b) rechnerisch simuliert wird, – und wobei in einem Rutschmodus, in dem die rechnerisch ermittelte, unkorrigierte Betriebsreibkraft (F_b) größer als die Grenzhaftreibkraft (F_m) ist, das Fahrverhalten des Spielfahrzeuges (1) unter örtlicher Einwirkung einer virtuellen Betriebsreibkraft (F_v) in Höhe der virtuellen Gleitreibkraft (F_g) simuliert wird, und dass die Steuereinheit (3) dazu ausgelegt ist, dass sie aus der rechnerischen Fahrsimulation Steuerausgangssignale derart generiert und auf den Antrieb mit den Rollelementen (6, 8) sowie auf die Lenkvorrichtung einwirken lässt, dass das Spielfahrzeug (1) eine Fahrbewegung gemäß der rechnerischen Fahrsimulation unter Einwirkung der virtuellen Betriebsreibkraft (F_v) ausführt.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeug (1) eine Fahrzeuglängsachse (10) aufweist, dass eine Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse (10) vorgegeben und daraus eine Reibkraft in Richtung der Fahrzeuglängsachse (10) abgeleitet wird, und dass beim Überschreiten der virtuellen Grenzhaftreibkraft (F_m) die Beschleunigung in Richtung der Fahrzeuglängsachse (10) auf eine Grenzbeschleunigung reduziert wird, welche mit der virtuellen Gleitreibkraft korrespondiert.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeug (1) eine Fahrzeuglängsachse (10) aufweist, dass bei einer Fahrt entlang einer Fahrkurve (27) mit einem örtlichen Radius (r) eine Beschleunigung des Spielfahrzeuges (1) in Richtung des örtlichen Radius (r) und daraus eine Reibkraft quer zur Richtung der Fahrzeuglängsachse (10) abgeleitet wird, und dass beim Überschreiten der virtuellen Grenzhaftreibkraft (F_m) die Steuereinheit (3) derart auf den Antrieb und/oder die Lenkvorrichtung des Spielfahrzeuges (1) einwirkt, dass das Spielfahrzeug (1) eine örtliche Bewegungskomponente quer zur Fahrzeuglängsachse (4) ausführt.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrkurve eine örtliche Tangente (t) aufweist, dass die Fahrzeuglängsachse (10) im Normalmodus in einem ersten Winkel (α) zur örtlichen Tangente (t) liegt, und dass im simulierten Rutschmodus die Fahrzeuglängsachse (10) ausgehend von ihrem ersten Winkel (α) in einen zweiten Winkel (β) zur örtlichen Tangente (t) der Fahrkurve überführt wird.
Spielfahrzeugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeug (1) mindestens zwei Antriebsmotoren (11, 12) und mindestens zwei Rollelemente (6, 8) zur Übertragung von Antriebsmoment auf den Untergrund (5) umfasst, wobei die Rollelemente (6, 8) mittels der Antriebsmotoren (11, 12) unabhängig voneinander um jeweilige Drehachsen (7, 9) drehend antreibbar sind, und dass das Spielfahrzeug (1) mindestens eine Lenkvorrichtung zur Verstellung von Orientierungsrichtungen der Drehachsen (7, 9) relativ zur Fahrzeuglängsachse (10) umfasst, und dass die Steuereinrichtung (3) auf die Antriebsmotoren (11, 12) und die mindestens eine Lenkvorrichtung einwirkt.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antriebseinheiten (13, 14) mit je einem Antriebsmotor (11, 12), mit je einem Rollelement (6, 8) und mit je einer eigenen Lenkvorrichtung vorgesehen sind, wobei je eine Antriebseinheit (13, 14) in Richtung der Fahrzeuglängsachse (10) vor bzw. hinter dem Schwerpunkt (S) des Spielfahrzeugs (1) angeordnet ist.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lenkvorrichtungen je ein Drehgestell (15) mit einer vertikalen Lenkachse (16) und mit einem Lenkantrieb (17) umfassen, wobei je einem Drehgestell (15) je ein Antriebsmotor (11, 12) zugeordnet ist, wobei je ein Rollelement (6, 8) in Form eines Antriebsrades mit einer zugeordneten ersten bzw. zweiten Drehachse (7, 9) derart am jeweiligen Drehgestell (15) gelagert ist, dass die erste Drehachse (7) und die zweite Drehachse (9) unabhängig voneinander mittels der beiden Drehgestelle (15) verstellbar sind.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder der beiden Drehachsen (7, 9) je zwei Rollelemente (6, 8) in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollelemente (6, 8) kugelförmig sind, dass erste und zweite Antriebswellen (18, 19) mit je einem zugeordneten Antriebsmotor (11, 12) in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und reibschlüssig an der kugelförmigen Oberfläche (20) der Rollelemente (6, 8) angreifen, und dass die Lenkvorrichtungen durch eine Koordinationseinheit (28) für eine koordinierte Drehzahlabstimmung der ersten und zweiten Antriebswellen (18, 19) gebildet sind.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Antriebswellen (18, 19) paarweise gegenüberliegend reibschlüssig an der kugelförmigen Oberfläche (20) der Rollelemente (6, 8) angreifen.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinationseinheit (28) Teil der Steuereinheit (3) ist.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine Antriebseinheit (14) vorgesehen ist, die zwei Antriebsmotoren (11, 12), zwei Rollelemente (6, 8) in Form von Rädern sowie eine Lenkvorrichtung umfasst, wobei das erste Rollelement (6) vom ersten Antriebsmotor (11) um die erste Drehachse (7) antreibbar ist, wobei das zweite Rollelement (8) in einem axialen Abstand zum ersten Rollelement (6) angeordnet und vom zweiten Antriebsmotor (12) um die zweite Drehachse (9) antreibbar ist, dass die erste Drehachse (7) und die zweite Drehachse (9) durch die eine Lenkvorrichtung gemeinsam verstellbar sind, und dass der Mittelpunkt zwischen den beiden Rollelementen (6, 8) im Bereich des Schwerpunkts (S) des Spielfahrzeugs (1) liegt.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkvorrichtung ein Drehgestell (15) mit einer vertikalen Lenkachse (16) und einen Lenkantrieb (17) umfasst, wobei die beiden Antriebsmotoren (11, 12) dem einen Drehgestell (15) zugeordnet sind, und wobei die beiden Rollelemente (6, 8) derart am Drehgestell (15) gelagert sind, dass die erste Drehachse (11) und die zweite Drehachse (12) koaxial zueinander liegen und mittels des Drehgestells (15) gemeinsam verstellbar sind.
Spielfahrzeugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Spielfahrzeug (1) mindestens ein Paar von Radattrappen (21, 22) aufweist.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Radattrappen (21) lenkbar ausgeführt ist.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Radattrappen (21) frei mitlenkend ist.
Spielfahrzeugsystem nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der rechnerischen Fahrsimulation die virtuelle Grenzhaftreibkraft (F_m), die virtuelle Gleitreibkraft (F_g), die unkorrigierte Betriebsreibkraft (F_b) und die virtuelle Betriebsreibkraft (F_v) zwischen den Radattrappen (21, 22) und dem Untergrund (5) zugrunde gelegt sind.
Spielfahrzeugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (3) im Fernsteuersender (2) angeordnet ist.
Spielfahrzeugsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit aus Steuereinheit (3) und Fernsteuersender (2) durch ein programmiertes Smartphone oder ein anderes mobiles Endgerät wie ein Tablet etc. gebildet ist.