DE3608592A1 - Vorrichtung zur aktiven daempfung eines fahrersitzes bzw. eines krankenbettes bzw. einer sensiblen fracht - Google Patents

Description

Der Fahrer eines Fahrzeuges verlangt zum einen eine immer bessere Straßenlage seines Fahrzeugs, zum anderen stellt er höhere Anforderungen an den Sitzkomfort. Bei vielen Fahrzeugen sind beide Anforderungen vielfach nicht in Übereinklang zu bringen.

Wünscht der Fahrer eine sportlich straffe Federung mit dem Ziel der verbesserten Bodenhaftung, werden die Schwingungen, die durch die Unebenheiten der Straße verursacht werden, direkt auf den Sitz und damit den menschlichen Körper übertragen.

Stellt der Fahrer hohe Anforderungen an den Fahrkomfort/Sitzkomfort, wird die Federung weicher ausgeführt und damit die Bodenhaftung bei hohen Geschwindigkeiten und unebener Fahrbahn verringert. Dies führt zu einer Verringerung der Fahrsicherheit.

D. h. bei heutigen Sitzkonstruktionen muß sich der Mensch den Anforderungen des Fahrzeugs unterordnen.

Berücksichtigt man die Trends nach höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten und leichteren Fahrzeugen, werden in Zukunft die Einwirkungen auf die Wirbelsäule des Menschen zunehmen.

Gleichzeitig ist jedoch festzustellen, daß zahlreiche Fahrer, insbesondere Berufskraftfahrer unter Wirbelsäulenschäden/Bandscheibenschäden leiden.

Derzeit sind folgende Systemelemente zur Entkopplung des Menschen von Fahrzeug und Straße vorhanden:

• a) die Reifenflanken,
• b) die Federung des Fahrzeuges über Blattfedern, kombiniert mit Stoßdämpfern, über Federbeine oder über hydraulische Systeme,
• c) die Masse des Fahrzeugs (je größer die Masse des Fahrzeugs ist, desto mehr werden die Schwingungsamplituden verringert - aus diesem Grunde ist es angenehmer, ein schwereres Fahrzeug zu fahren als ein leichteres,
• d) die Entfernung vom Menschen zur Achse/zu den Rädern (je größer die Entfernungen sind, desto geringer sind die Amplituden),
• e) der Radstand (die Lageänderungen nehmen mit zunehmendem Radstand ab),
• f) die Polsterung des Sitzes einschließlich der Rückenlehne.

Bei Lastkraftwagen, Bussen oder Traktoren ist auch der Einsatz von zusätzlichen Dämpfern bekannt. Die Systeme arbeiten jedoch lediglich passiv.

Weiterhin ist bekannt, daß die Rückenlehnen verstellbar sind und damit der Krümmung der Wirbelsäule angepaßt werden können. Durch diese Funktion werden die Fahrbahnstöße gleichmäßiger auf die gesamte Wirbelsäule verteilt.

Betrachtet man jedoch die Fahrersitzkonstruktionen, so ist deutlich erkennbar, daß am empfindlichsten Teil des menschlichen Körpers der effektiv vorhandene Federweg am geringsten ist. Dies widerspricht jedoch den Anforderungen der Anatomie des Menschen.

Berücksichtigt man weiterhin, daß der überwiegende Anteil der Kraftlinien und damit der Impulse auf den menschlichen Körper vertikal verläuft, so wird deutlich, daß die Wirbelsäule im Fahrbetrieb sehr hohen Belastungen ausgesetzt ist. Sie muß nicht nur den eigenen Körper tragen und stützen, sondern hat darüber hinaus die vertikalen Impulse abzufangen und zu dämpfen. Je stärker nun die Rückenlehne unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Stützung des Körperbaus ausgeprägt ist, desto mehr Impulsen wird die Wirbelsäule ausgesetzt; denn eine weichere Polsterung der Rückenlehne führt dazu, daß die Stützfunktion gemindert wird.

Die Zielsetzung der vorgeschlagenen Vorrichtung besteht darin,

• a) die Amplitude der Schwingung durch Einsatz von passiven Dämpfern zu verringern,
• b) die Schwingungen durch Einsatz von aktiven Dämpfern auszugleichen.

Im Idealfall ist der Fahrer unter Berücksichtigung der vom Fahrzeug und von der Sicherheit vorgegebenen Grenzen wie z. B. Kopffreiheit weitgehend vom Straßenzustand entkoppelt, soweit es seinen Körperbau betrifft. Kurze harte Stöße wird er kaum noch wahrnehmen. Den längerfristigen Lageänderungen wird sich das System jedoch voll anpassen.

Die Eigenschaft ist auch sehr nützlich bei der Verwendung der Vorrichtung beim Krankentransport auf Sitzen oder Krankenbetten bzw. beim Transport sensibler Lasten.

Die Funktion dieser Vorrichtung ist wie folgt:

Am Fahrzeug sind Sensoren angebracht, die die Unebenheiten der Straße wahrnehmen; d. h. insbesondere die Änderung des Abstandes zwischen Fahrerkabine, Fahrgestell einerseits und der Straßenoberfläche andererseits. Diese Sensoren werden mit einer Auswerte- und Entscheidungseinheit verbunden z. B. in Form eines Einplatinen/Einchipmikrocomputers. Zusätzlich erhält diese Prozeßrechnereinheit Informationen über die augenblickliche Geschwindigkeit. Es sind noch weitere Eingangsinformationen denkbar wie z. B. Straßenzustand, Fahrtzeit ohne Fahrtunterbrechung. Innerhalb der von der Fahrzeugkonstruktion vorgegebenen Grenzen inkl. der Sicherheitsanforderungen einerseits sowie der vom Menschen vorgegebenen Sollwerte andererseits wie z. B. gewünschter Dämpfungsgrad werden die Stellglieder den Sitz in der Art heben oder senken, daß die Impulse auf den menschlichen Körper verringert werden.

Die Sollwerte des Menschen können in weiten Bereichen variiert werden. So kann es z. B. durchaus dem Bedürfnis des Fahrers entsprechen, in bestimmten Situationen engen Kontakt zur Fahrbahn zu haben - man denke an den Wunsch, "bewußt sportlich" fahren zu wollen. Es sind auch Situationen vorstellbar, in dem das Bedürfnis vorherrscht, extrem entspannt und wenig ermüdend zu fahren, z. B. bei weiten Reisen. Diese Sollwerte können sowohl konstant sein als auch Funktionen, z. B. eine Funktion der Geschwindigkeit oder eine Funktion der ununterbrochen zurückgelegten Fahrstrecke oder eine Funktion des Straßenzustandes (trockene, nasse oder vereiste Fahrbahn). So kann es dem Bedürfnis des Fahrers entsprechen, den Einfluß des aktiven Dämpfers zu verringern, wenn die Geschwindigkeit zunimmt.

Die Sensoren zur Messung der Abstandsänderung können in Form von Ultraschall- oder Lasersensoren ausgeführt sein. Eine Variante kann der Einsatz von Drucksensoren sein, die autonom arbeiten oder in dem bestehenden Dämpfersystem integriert sind. Eine weitere Variante sieht vor, daß die Sensoren in Verbindung mit einem schnell drehenden Kreisel in der Art eines Kreiselkompasses realisiert werden. Der Kreisel wird aufgrund seiner Eigenenergie und der Trägheit der Masse seine Lage beibehalten selbst bei starker Lageänderung des Fahrzeugaufbaus.

Die Auswerte- und Entscheidungseinheit kann durch einen Prozeßrechner realisiert sein. Es ist jedoch auch möglich, daß eine direkte Verknüpfung zwischen Sensoren und Stellgliedern besteht. So kann man z. B. die Druckänderung in einem Stoßdämpfer direkt ausnutzen, um den Fahrersitz zu heben oder zu senken oder seitlich zu neigen oder nach vorne und hinten.

Die Stellglieder sind ausgeführt in Form von Hydraulikzylindern. Die Hydraulikzylinder können kombiniert sein mit passiven Dämpfern. Der Vorteil dieser Kombination ist, daß bei Ausfall des Gesamtsystems die dämpfende Wirkung weiterhin feststellbar ist, wenn auch in eingeschränktem Maße. Weiterhin können die Arbeitszylinder kombiniert sein mit Elementen, die eine automatische Rückstellung gewährleisten, z. B. Federn.

Als Variante können auch Pneumatikzylinder zum Einsatz kommen. Weiterhin können die Dämpfer mit Hilfe von elektrischen Feldern realisiert sein, sei es durch Verwendung von Elektromotoren ggfs. gekoppelt mit Getrieben, oder sei es durch die Verwendung von Spulen.

Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Ansprüchen 1-6 bezeichnet.

Der Vorteil dieser Lösung gegenüber bisher verfügbaren Lösungen ist folgender: Die Sitze im Fahrzeug oder das Krankenbett werden aktiv gedämpft. Es liegt somit in der Entscheidungsfreiheit der Insassen, inwieweit sie sich von den Straßenverhältnissen abkoppeln wollen. Das Fahrzeug kann optimal auf die gute Straßenlage abgestimmt sein, der Mensch wählt seinen Federungskomfort entsprechend seinen Bedürfnissen. So entfällt auch das Argument der Anfälligkeit hydropneumatischer Federungssysteme. Jeder einzelne Fahrzeugsitz ist individuell regelbar - selbst bei Ausfall des Systems ist eine hinreichende Funktion noch gewährleistet. Es wird somit ein zusätzliches Federungselement zwischen Fahrgestell und Sitz eingebaut. Durch diese aktive Dämpfung werden die Einflüsse auf den Körperbau wesentlich verringert. Dies führt zu einer Verringerung der Belastung der Wirbelsäule und damit der Folgeschäden am Körper.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben:

Bild 1 zeigt die Krafteinwirkungen auf den menschlichen Körper:

Es ist daraus deutlich zu erkennen, daß im Fahrbetrieb die Wirbelsäule neben der Funktion, den Körper zu schützen, zusätzlich die Aufgabe hat, die Impulse - hervorgerufen durch Straßenunebenheiten - aufzufangen. Dies führt zu einer fortwährenden Stauchung der Wirbelsäule. Weiterhin zeigt das Bild, daß die derzeit bekannten orthopädischen Sitze diese Belastung nur zu einem Teil auffangen können.

Bild 2 zeigt die Darstellung des Gesamtsystems:

(1) zeigt die Möglichkeiten der Sensoranbringung zur Messung der zu erwartenden Impulse bzw. der Abstandsänderungen pro Zeiteinheit.

(1 a) zeigt die Integration der Sensoren in das vorhandene Dämpfersystem (Stoßdämpfer) des Fahrzeugs.

(1 b) zeigt die Anbringung des Sensors/der Sensoren vor der Fahrzeugvorderachse und vor der -hinterachse.

In den Fällen 1 a und 1 b ist vorgesehen, daß alternativ ein Sensorsystem z. B. vor oder über der vorderen Achse ausreicht. Die zu erwartenden Impulse über die hintere Achse werden rechnerisch ermittelt.

(1 c) Weiterhin ist alternativ vorgesehen, daß ein Sensor gekoppelt ist mit einer Einheit, die ihre Lage absolut beibehält, z. B. einem schnell laufenden Kreiselsystems.

(2) Weiterhin ist vorgesehen, daß neben den Sensoren zur Lageerkennung Sensoren angebracht werden zur Messung zusätzlicher Einflußgrößen. Als Einflußgrößen können Berücksichtigung finden: die Geschwindigkeit, der Straßenzustand, die ununterbrochen zurückgelegte Fahrtzeit, die Dauer der letzten Sitzstellung etc.

(3) Weiterhin sind Eingabeelemente vorgesehen, durch die der Fahrer taktil (über Tasteneingabe), optisch oder akustisch (Spracheingabe) die Sollwerte vorgibt. Als Beispiele sind zu nennen: gewünschter Dämpfungsgrad, Zeitabhängigkeit der Dämpfung.

Diese Eingangswerte werden einer Prozeßeinheit (Auswerte- und Entscheidungseinheit) (4) zugeführt. Diese Einheit wertet die Daten aus und fällt die Entscheidungen innerhalb der vorgegebenen Grenzen. Sie veranlaßt über Speicher und Arbeitsmaschine die Veränderung der Sitzstellung in bezug auf Straße und Fahrgestell.

Die Stellglieder (5) können hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder elektrisch angetrieben sein.

Die Stellglieder können an den vier Eckpunkten des Sitzes angebracht sein. Alternativ ist vorgesehen, daß der Sitz in Vertikalrichtung vorne drehbar gelagert ist und lediglich im hinteren Sitzbereich Stellglieder angeordnet sind.

Das aktive Dämpfungssystem kann sowohl in Form einer Steuerung (offener Wirkungsablauf) als auch in Form einer Regelung (geschlossener Wirkungsablauf) aufgebaut sein. Im Fall der Regelung wird im Sitz ein schwingungsmessender Sensor eingebaut, dessen Signale dem Soll-Ist-Vergleich dienen (6).

Die Erfindung ist direkt übertragbar auf Krankenbetten z. B. in Rettungswagen oder auf den Transport sehr sensibler Lasten.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen in der Beschreibung oder Zeichnung offerierten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

• Bezugszeichenliste 1 a Sensor zur Messung der Fahrbahnunebenheiten, integriert in Dämpfersystem des Fahrzeugs
  1 b Sensor zur Messung der Fahrbahnunebenheiten
  1 c Sensor zur Messung der relativen Lage im Vergleich zur absoluten Lage
  2 zusätzliche Sensoren (Geschwindigkeit, Fahrbahnzustand, Zeit etc.)
  3 Eingabe individueller Sollwerte der Fahrzeuginsassen
  4 Auswerte- und Entscheidungsfreiheit
  5 Stellgitter
  6 Sensor zur Messung, der erreichte Istwerte ermöglicht; Soll-Ist-Vergleich - geschlossener Wirkungsablauf

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Entkopplung des Fahrzeugsitzes, der Fahrerkabine, des Krankenbettes von dem Fahrgestell, dadurch gekennzeichnet, daß mechanische oder hydraulische oder pneumatische oder elektromotorische Stellglieder zwischen dem Fahrzeugsitz, der Fahrerkabine, Krankenbett einerseits und dem Fahrgestell andererseits angebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder mit dämpfenden, stoßabsorbierenden Elementen kombiniert sind sowie mit Elementen, die eine automatische Rückstellung gewährleisten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder mit einer Speichereinheit, einer Arbeitsmaschine und einer Auswerte- und Entscheidungseinheit kombiniert sind, die es gestatten, die Schwingungen, den Dämpfungsgrad und die Verzögerung der einsetzenden Dämpfung zu verändern - in der Art, daß im Extremfall eine totale Entkopplung vom Fahrgestell erreicht werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Empfangseinheit mit Sensoren verbunden ist, die Straßenunebenheiten, Straßenzustand, absolute Lage des Fahrzeugs, Geschwindigkeit und Fahrtdauer u. a. erfassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrer/Insasse bzw. der betreuende Arzt im Fall des Krankenbettes über taktile, optische und akustische Sensoren seine individuellen Sollwerte eingeben kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß über Sensoren, die im Sitz bzw. Krankenbett integriert sind, die erreichten Istwerte erfaßt und durch den Soll-Ist-Vergleich der Regelkreis geschlossen wird.