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Die
vorliegende Anwendung bezieht sich auf eine Lenkeinheit für Steer-by-Wire-Anwendungen bzw.
Anwendungen für
ein drahtgeführtes
Lenken in Fahrzeugen, wie beispielsweise Gabelstapler. Bei bzw.
in einem Steer-by-Wire-System gibt es keine direkte mechanische
Verbindung zwischen dem Lenk- bzw.
Steuerrad (betätigt
durch den Fahrer) und der Betätigungseinrichtung
bzw. dem Stellglied des (gelenkten bzw. gesteuerten) Rads. Genauer
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine 1. Lenkeinheit für eine Steer-by-Wire-Lenkung,
umfassend Winkelabtastmittel, um die Winkelposition eines Lenkrads
zu detektieren; Verarbeitungsmittel, die mit den Winkelabtastmitteln
verbunden sind und mit einem Radpositionssensor verbindbar sind,
wobei der Radpositionssensor angeordnet ist, um ein Ausgabesignal
zur Verfügung
zu stellen, das die Position der gelenkten Räder eines Fahrzeugs darstellt
bzw. repräsentiert;
wobei die Verarbeitungsmittel mit einer Lenkbetätigungseinrichtung verbindbar
sind, die mechanisch mit den gelenkten Rädern verbunden ist, wobei die
Verarbeitungsmittel angeordnet sind, um die Lenkbetätigungseinrichtung
in Abhängigkeit
von der Winkelposition des Lenkrads anzutreiben, wobei die Lenkeinheit
weiters Reibungsmittel zum Bereitstellen einer Reibungskraft auf
das Lenkrad umfassen, wobei die Reibungsmittel mit den Verarbeitungsmitteln
verbunden sind, und die Verarbeitungsmittel zum Antreiben der Reibungsmittel
in Abhängigkeit von
dem Radpositionssensor-Ausgabesignal angeordnet sind.
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Die
Lenkeinheit stellt eine sehr kosteneffektive bzw. wirtschaftliche
Lösung
dar, um ein (eine) künstliche
(s) Gefühl
bzw. Griffigkeit einem Fahrer zur Verfügung zu stellen, welcher ein
Lenkrad eines Fahrzeuges betätigt,
insbesondere wenn es in einem Gabelstapler verwendet wird. Bei üblichen
Vorderradlenkungs-Fahrzeugen ist die elektrische Bremse eine sehr
wirtschaftliche Lösung,
um dem Fahrer ein angenehmes bzw. künstliches Gefühl zur Verfügung zu
stellen. Bei Gabelstaplern werden die gelenkten Räder nicht
nach einem Lenken zur Mittelstellung zurückgehen (dies wäre sogar
ein unerwünschter
Effekt), und für
diese Anwendung ist die vorliegende Erfindung besonders geeignet.
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Die
deutsche Patentanmeldung DE-A-198 34 868 offenbart eine Lenkrad-Regeleinheit
für Steer-by-Wire-Anwendungen
in Motorfahrzeugen. Sie umfaßt
winkelerfassende Mittel zum erfassen der Drehbewegung eines Lenkrads.
Eine Rückkopplung zum
Fahrer wird durch zwei redundante elektrische bzw. Elektromotoren
zur Verfügung
gestellt. Die Regulier- bzw. Regeleinheit kann mit einer Betätigungseinrichtung
bzw. einem Stellglied verbunden sein, um die gelenkten Räder des
Motorfahrzeuges anzutreiben.
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Ein
Nachteil dieser Regeleinheit ist, daß sie einen elektrischen bzw.
Elektromotor erfordert, um dem Fahrer ein künstliches Gefühl zur Verfügung zu stellen
(Rückkopplung).
Dies wird durch den selbstausrichtenden Effekt von Motorfahrzeugen
verursacht, deren Vorderräder
gelenkt sind bzw. werden, und somit einen Elektromotor erfordert,
um das Lenkrad anzutreiben.
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Das
US Patent 4,771,846 beschreibt eine, wie im Oberbegriff definierte,
Lenkeinheit, in welcher die verarbeitenden bzw. Verarbeitungsmittel
angeordnet sind, um die Reibungsmittel in Abhängigkeit eines Radpositionssensor-Ausgabesignals
anzutreiben. Das System stellt ein künstliches Lenkgefühl dem Fahrer
in einem Lenksystem zur Verfügung,
welches keine me chanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und den
lenkbaren Rädern
aufweist. Das System sieht weiters mechanische Endanschläge vor,
welche die maximale Drehung des Lenkrads in jeder Lenkrichtung definieren.
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Die
vorliegende Erfindung strebt danach, eine Lenkeinheit zur Verwendung
in einer Steer-by-Wire-Anwendung zur Verfügung zu stellen, welche dem
Lenksystem Endanschläge
zur Verfügung
stellt, welche leichter zu implementieren sind und kosteneffizienter
bzw. wirtschaftlicher sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Lenkeinheit des Typs, welcher in dem Oberbegriff
definiert ist, zur Verfügung
gestellt, in welcher die Verarbeitungsmittel angeordnet sind, um
die Reibungsmittel an Endanschlägen
anzusteuern bzw. zu erregen bzw. mit Energie zu versorgen.
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Die
Endanschläge
können
mit den mechanischen Begrenzungen der Lenkbetätigungseinrichtung übereinstimmen,
oder die Verarbeitungsmittel können
angeordnet sein, um die Endanschläge basierend auf wenigstens
einem Fahrzeugparameter zu bestimmen. Der wenigstens eine Parameter
ist einer oder mehrere der Gruppe von Fahrzeuggeschwindigkeit, Last,
Lasthöhe,
usw. Dies ermöglicht es,
einen variablen bzw. veränderlichen
Endanschlag für
ein Lenkrad basierend auf verschiedenen Parametern, zur Verfügung zu
stellen. Dies erlaubt ein sehr bewegliches virtuelles Endanschlag-System, welches
zahlreiche Situationen berücksichtigen kann.
Besonders für
Gabelstapler wird die Einbeziehung von Last und Lasthöhe zu einem
viel sichereren Betrieb des Fahrzeugs führen, da die virtuellen Endanschläge den Fahrer
darin hindern, zu scharfe Kurven auszuführen, da die virtuellen Endanschläge den Fahrer
an einem Weiterlenken begrenzen werden. Auf diese Weise wird eine
Rückkopplung
bzw. ein Feedback der Position bzw. Stellung des gelenkten Rads
zu dem Bediener bzw. Betätiger
gegeben bzw. geführt.
Dies wird die Antwort der Lenkungssteuerung bzw. -regelung verbessern
und die wird Sicherheit verbessern.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Verarbeitungsmittel angeordnet, um die Reibung auf das
Lenkrad graduell bzw. stufenweise bei Annäherung an einen Endanschlag
zu erhöhen.
Dies wird einen Fahrer warnen, daß er sich einer möglicherweise gefährlichen
Situation nähert,
oder wenigstens, daß er
sich den gegenwärtigen
Lenkbegrenzungen seines Fahrzeuges nähert.
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Auch
sind in einer weiteren Ausführungsform die
Verarbeitungsmittel angeordnet, um die Reibungsmittel sich das Lenkrad
in einer ersten Richtung dreht, im Vergleich dazu, wenn sich das
Lenkrad in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung dreht.
In dieser Ausführungsform
wird der Fahrer eine größere Reibungskraft
auf das Lenkrad beim Einlenken in eine Kurve fühlen und eine niedrigere Reibungskraft
beim Auslenken aus der Kurve.
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Die
Verarbeitungsmittel können
angeordnet sein, um die Reibung auf das Lenkrad zu erhöhen, wenn
die Rotationsgeschwindigkeit bzw. -rate des Lenkrads, wie sie von
den Winkelabtastmitteln bestimmt ist, größer als die entsprechende maximale Rotationsgeschwindigkeit
der Lenkbetätigungseinrichtung
ist. Dies wird verhindern, daß der
Fahrer zu große
Eingaben zu dem Steer-by-Wire-System gibt und wird das Problem verhindern,
daß die
Betätigung der
gelenkten Räder
hinter der Drehung des Lenkrads nachhinkt. Es ist auch möglich, die
Reibung auf das Lenkrad auf die obige Weise auf Basis des Winkelfehlers
zwischen Lenkrad und gelenkten Rad zu steuern bzw. regeln.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Verarbeitungsmittel angeordnet, um das Verhältnis zwischen
der Rotation des Lenkrads und der Rotation des gelenkten Rads zu
adaptieren. Dies erlaubt es, die Beziehung zwischen der absoluten
Winkelposition bzw. -stellung des Lenkrads und der absoluten Winkelposition
der gelenkten Räder
zu variieren. Diese Ausführungsform
erlaubt auch, die Mittelposition bzw. -stellung des Lenkrads in Übereinstimmung
mit der Mittelposition der gelenkten Räder wiederherzustellen (das
Fahrzeug fährt
geradeaus).
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ergreifen die Reibungsmittel ein erstes Teil des Lenkrads, und das
Lenkrad umfaßt
eine flexible Kupplung bzw. Kopplung zu dem ersten Teil. Die Verarbeitungsmittel
sind angeordnet, um die Reibungsmittel frei zu geben, wenn eine Änderung
der Richtung des Lenkrads von dem Winkelabtastmittelsignal detektiert
ist. Wenn die Reibungsmittel im Eingriff sind (hohe Reibungskraft
am Lenkrad) erlaubt es die flexible Kopplung dem Fahrer, das Lenkrad
von dem Endanschlag wegzudrehen, welcher durch die Winkelerfassungs- bzw.
-abtastmittel detektiert werden kann. Auf Detektion eines derartigen
Ereignisses können
die Verarbeitungsmittel die Reibungsmittel freigeben. Die flexible
Kopplung kann beispielsweise vorgesehen sein durch Vorsehen einer
langen und dünnen
Lenkradwelle aus einem elastischen Material, oder andere Implementierungen
bzw. Ausführungen,
welche elastische Elemente verwenden, wie beispielsweise an der
Lenkradwelle befestigte Puffer bzw. Dämpfer oder Reibungsmittel.
Jedoch kann derselbe Effekt auch erzielt werden, indem einfach etwas
Abstand oder Raum zur Bewegung vorgesehen wird. In einer weiteren
Ausführungsform
umfaßt
die Lenkeinheit weiters ein Detektionselement zum Detektieren einer Drehmomentkraft
auf die Lenkrad- bzw. Lenkwelle, wobei das Detektionselement mit
den Verarbeitungsmitteln gekoppelt ist. In diesem Fall können die
Verarbeitungsmittel angeordnet sein, um eine Reibung auf die Lenkwelle
zu reduzieren, wenn die detektierte Drehmomentkraft auf das Lenkrad
die Richtung ändert.
Dies erlaubt es, die Reibungskraft auf das Lenkrad schnell freizugeben,
wenn der Fahrer die gelenkten Räder
in der entgegengesetzten Richtung zu drehen wünscht.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform
umfaßt
die Lenkeinheit weiters wenigstens einen Raddrehmomentsensor, der
ein externes Drehmoment auf die Räder des Fahrzeugs detektiert,
wobei der wenigstens eine Raddrehmomentsensor mit den Verarbeitungsmitteln
gekoppelt ist. In diesem Fall können
die Verarbeitungsmittel weiters angeordnet sein, um die Reibungsmittel
in Abhängigkeit
von der Raddrehmomentsensorausgabe anzutreiben. Dies gestattet es,
dem Fahrer eine tatsächliche
Rückkopplung
der äußeren Kräfte auf
die gelenkten Räder
zu geben, beispielsweise wenn die gelenkten Räder auf einen Rand- bzw. Bordstein
treffen.
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Die
Reibungsmittel können
eine elektrisch gesteuerte bzw. geregelte Bremse in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen, wie beispielsweise eine elektromagnetische
Bremse, eine elektro-rheologische oder magneto-rheologische Fluid-
bzw. Flüssigkeitsbremse.
Eine elektro-rheologische oder magneto-rheologische Fluidbremse
umfaßt
ein Fluid, dessen Viskosität
jeweils unter Verwendung von elektrischen und magnetischen Signalen
gesteuert bzw. geregelt wird. Die elektromagnetische Bremse kann
beispielsweise eine Scheibe, die an einer Welle des Lenkrads befestigt
bzw. festgelegt ist, und wenigstens eine elektromagnetische Spule
umfassen, die im wesentlichen parallel zu der Scheibe angeordnet
ist, wobei die elektromagnetische Spule mit den Verarbeitungsmitteln
verbunden ist. Dies stellt eine sehr wirtschaftliche Implementierung
der Reibungsmittel zur Verfügung. In
einer weiteren Ausführungsform
ist die bzw. wird Scheibe an der Welle des Lenkrads mittels einer
flexiblen Kupplung festgelegt. Dies wird eine plötzliche Blockierung des Lenkrads
verhindern und es dem Fahrer erlauben, das Lenkrad ein bißchen zu
bewegen, was angenehmer ist. Dies wird auch den Betrieb des Drehmomentsensors
auf dem Lenkrad verbessern.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die Reibungsmittel mechanische
Blockiermittel. Diese können
auf eine wirtschaftliche Weise eingebaut sein bzw. werden und stellen
die Funktionalität
von veränderlichen
Endanschlägen
für ein
Steer-by-Wire-System zur Verfügung.
Die mechanischen Blockiermittel können in einer Ausführungsform
eine Scheibe, welche an der Lenkwelle festgelegt ist, wobei die
Scheibe mit wenigstens einem Sägezahnprofil
an ihrem Umfang versehen ist, und ein blockierendes bzw. Blockierglied umfassen,
welches durch eine Betätigungseinrichtung
zwischen einer blockierenden bzw. Blockierposition und einer Freilaufposition
steuer- bzw. regelbar ist.
Durch ein Vorsehen eines doppelt gegenüberliegenden Sägezahnprofils
auf der Scheibe sind die Reibungsmittel in beiden Lenkrichtungen
betätigbar. In
einer noch weiteren Ausführungsform
kann die Betätigungseinrichtung
einen Sensor zum Abtasten bzw. Erfassen einer Bewegung des Blockierglieds umfassen.
Dies erlaubt eine sehr einfache und wirtschaftliche Detektion bzw.
Erfassung einer Ge genlenkhandlung eines Fahrers. Wenn die Blockiermittel bei
Annäherung
an einen Endanschlag im Eingriff sind bzw. ergriffen werden, erlaubt
das Sägezahnprofil
eine Bewegung des Lenkrads in der entgegengesetzten Richtung, was
unter Verwendung verschiedener Mittel detektiert werden kann.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfassen die mechanischen Blockiermittel eine Scheibe, die an der
Lenkwelle festgelegt ist, wobei die Scheibe mit halbkugelförmigen Einkerbungen
bzw. Vertiefungen an ihrem Umfang versehen ist, und ein Blockierglied,
welches zwischen einer ersten Position, in welcher das Blockierglied
die kugelförmige Ausnehmung
ergreift, und einer zweiten Position bewegbar ist, in welcher sich
die Scheibe frei drehen kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun unter Verwendung einer Anzahl von
beispielhaften Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
weiter im Detail erklärt
werden, in welcher:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Lenk- bzw. Lenkungsanordnung zur Verwendung
in Steer-by-Wire-Anwendungen gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 eine
Schnittansicht einer Lenkeinheit zur Verwendung in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
Explosionsansicht einer Lenkradeinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4a eine
teilweise Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der mechanischen
Blockiermittel zeigt;
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4b eine
Draufsicht der Ausführungsform von 4a zeigt;
und
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5 eine
teilweise Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der mechanischen
Blockiermittel zeigt.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm einer Lenkungsanordnung zur Verwendung
in Steer-by-Wire-Technologie-Anwendungen. Die Verarbeitungsmittel
oder Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. der Controller 10 ist
bzw. sind die Haupteinheit der Lenkungsanordnung, welche verschiedene
Eingangssignale aufnimmt bzw. erhält und eine Anzahl von weiteren
Vorrichtungen bzw. Einrichtungen steuert bzw. regelt. Der Bediener
des Fahrzeugs steuert bzw. regelt die Position der gelenkten Räder 20 des Fahrzeugs
unter Verwendung eines Lenkrads 11. Die Winkelposition
bzw. -stellung der gelenkten Räder 20 wird
durch eine Betätigungseinrichtung 21 gesteuert bzw.
geregelt, welche eine hydraulische Betätigungseinrichtung oder eine
elektrische oder eine mechanisch angetriebene Betätigungseinrichtung
sein kann.
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Die
Winkelposition des (Welle 17 des) Lenkrads 11 wird
durch Winkelerfassungsmittel, wie beispielsweise einen Winkelsensor 12,
detektiert, welcher mit der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 verbunden
ist. Für
bestimmte Anwendungen kann der Winkelsensor 12 vom inkrementellen
bzw. zunehmenden Typ sein, d.h. das Ausgangssignal ist proportional
zur Winkelverschiebung. Jedoch sollte für fortschrittlichere Funktionen,
wie sie beispielsweise unten beschrieben sind, der Winkelsensor 12 ein
Signal ausgeben, welches auf die absolute Position des Lenkrads 11 bezogen
ist, für
eine einfache Drehung (2n) oder Mehrfachdrehung (wie beispielsweise +/-
3 Umdrehungen). Mit einem Absolutwinkelsensor 12 ist der
Lenkwinkel des Lenkrads 11 direkt auf die Fahrtrichtung
(Lenkwinkel der gelenkten Räder)
bezogen. Wenn es eine Redundanz erfordert, kann der Winkelsensor 12 zwei
Sensoren umfassen.
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Auch
das Drehmoment, welches auf das Lenkrad 11 ausgeübt wird,
wird durch einen optionalen Drehmomentsensor 13 gemessen
und in den Controller 10 eingegeben. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 nimmt
auch Eingabesignale von einem Radwinkelsensor 22 auf, welcher
die tatsächliche
bzw. aktuelle Winkelposition der gelenkten Räder 20 des Fahrzeugs
mißt.
Wie in 1 gezeigt wird, kann. dies indirekt durch ein
Erfassen der Position von (eines Elements) der Betätigungseinrichtung bzw.
des Stellglieds 21 erzielt werden. Alternativ kann der
Radwinkelsensor 22 mit den gelenkten Rädern 20 montiert sein,
z.B. integriert in der Achsschenkelbolzen-Anordnung.
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Darüber hinaus
kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 ein Geschwindigkeitssignal 24 aufnehmen
bzw. empfangen, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentiert
bzw. darstellt. Auch kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 mit
einer Notbremse 25 verbunden sein, z.B. einem elektromagnetischen
Bremssystem, welches es gestattet, Nothalte durchzuführen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Lenkungsanordnung weiters mit einem Raddrehmomentsensor 23 versehen
sein, welcher der Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 ein
Signal zur Verfügung stellen
kann, welches das Drehmoment darstellt, welches durch die gelenkten
Räder 20 auf
die Betätigungseinrichtung 21 ausgeübt wird,
d.h. ein Signal proportional zu dem äußerlich angewendeten bzw. angelegten
Drehmoment auf die gelenkten Räder 20. Dies
kann z.B. durch eine zu hohe Geschwindigkeit für einen bestimmten Spurkreis-Radius
bzw. Wendekreis des Fahrzeugs verursacht sein.
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Wie
in 1 gezeigt wird, umfaßt die Lenkungsanordnung weiters
Reibungsmittel 14, um es zu ermöglichen, dem Fahrer ein künstliches
bzw. angenehmes Lenkgefühl
bei einer Betätigung
des Lenkrads 11 zu geben. In der gezeigten Ausführungsform
umfassen die Reibungsmittel 14 eine elektromagnetische
Bremse. Die elektromagnetische Bremse kann eine Scheibe 15 umfassen,
welche starr bzw. unbeweglich an der Welle 17 des Lenkrads 11 befestigt
bzw. festgelegt ist und vorzugsweise aus einem hochpermeablen magnetischen
Material hergestellt ist. Parallel zu der Metallscheibe 15 ist
ein Stator 16 positioniert bzw. angeordnet, welcher eine Anzahl
von elektromagnetischen Spulen umfaßt. Durch Erregen der elektromagnetischen
Spulen auf dem Stator 16 wird eine Reibungskraft für das Lenkrad 11 erzeugt,
d.h. der Fahrer des Fahrzeugs muß mehr Kraftaufwand auf das
Lenkrad 11 anwenden, um es zu drehen. Durch ein Variieren
der Stärke
des Antriebssignals zu den Spulen auf dem Stator 16 kann
eine variierende bzw. unterschiedliche Reibungskraft erzeugt werden.
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Die
oben beschriebene Lenkungsanordnung kann effektiv verwendet werden,
um (virtuelle) Endanschläge
für das
Lenkrad 11 zur Verfügung
zu stellen, indem die Spulen auf dem Stator 16 über einen bestimmten
Schwellwert erregt werden. Dies kann auf eine Anzahl von Arten durchgeführt werden.
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Erstens
bzw. zunächst
kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 das Winkelpositionssignal
von der Betätigungseinrichtung 21 empfangen
bzw. aufnehmen und erfassen, wenn sich die Betätigungseinrichtung 21 (und
von dieser die ge lenkten Räder 20) in
einer von ihren Extrempositionen befinden, wie dies durch mechanische
Begrenzungen festgelegt ist. An den Extrempunkten erregt der Controller 10 die
Spulen auf dem Stator 16 über den Schwellwert, um effektiv
ein weiteres Drehen des Lenkrads 11 zu blockieren (wobei
effektiv Endanschläge
bereitgestellt werden).
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Auch
könnte
die Steuer- bzw. Regeleinrichtung bzw. der Controller 10 einen
virtuellen Endanschlag an jeder weiteren Winkelposition der gelenkten
Räder 20 bestimmen,
an welcher Position das Lenkrad 11 nicht weiter in derselben
Richtung gedreht werden kann. Der virtuelle Endanschlag kann beispielsweise
in Abhängigkeit
von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal 24 gesteuert bzw.
geregelt werden, wodurch effektiv ein maximaler Wende- bzw. Spurkreisradius
des Fahrzeugs abhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit hergestellt wird. Getrennt von dem
Geschwindigkeitssignal 24 können andere Signale in die
Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 eingegeben werden, um
die virtuellen Endanschläge herzustellen
bzw. aufzubauen, wie beispielsweise das eine Ladegewicht oder Ladehöhe eines
Gabelstaplers. Die Regeleinrichtung 10 kann beispielsweise
ein Modell des Fahrzeugs (oder Gabelstaplers) verwenden, um die
virtuellen Endanschläge
basierend auf einer Anzahl von Eingangs- bzw. Eingabeparametern
(Geschwindigkeit, Last, Lasthöhe,
usw.) herzustellen.
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Neben
einem Bereitstellen (virtueller) Endanschläge kann die Regeleinrichtung 10 auch
angeordnet bzw. ausgebildet sein, um stufenweise bzw. zunehmend
die Reibung der Reibungsmittel 14 bei einer Annäherung an
einen (virtuellen) Endanschlag erhöhen. Die Annäherung eines
(virtuellen) Endanschlags kann aus dem Signal von dem Radwinkelsensor 22 bestimmt
werden. Der Fahrer wird dann fühlen,
daß er
sich dem Ende der Kurvenfähigkeiten des
Fahrzeugs nähert.
Auf dieselbe Weise kann dem Fahrer ein künstliches Gefühl gegeben
werden, indem eine höhere
Reibungskraft auf die Welle 17 des Lenkrads 11 beim
Einlenken in eine Kurve und eine niedrigere Reibungskraft beim Auslenken
aus einer Kurve angewendet wird.
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Die
auf die Reibungsmittel 14 angewendete bzw. angelegte Reibungskraft
kann auch erhöht
werden, wenn die Regeleinrichtung 10 erfaßt, daß die Dreh-
bzw. Kurvengeschwindigkeit des Lenkrads 11 größer ist
als die (physikalisch begrenzte) maximale Winkelgeschwindigkeit
der Betätigungseinrichtung 21.
Drehgeschwindigkeit des Lenkrads 11 kann durch die Regel-
bzw. Steuereinrichtung 10 aus dem Signal von dem Winkelsensor 12 bestimmt
werden.
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Der
Drehmomentsensor 13 stellt ein Signal zur Verfügung, welches
das Drehmoment darstellt, welches durch den Fahrer auf das Lenkrad 11 ausgeübt wird.
Wenn der Fahrer eine Kurve beginnt und die Reibungsmittel 14 eine
Reibungskraft auf das Lenkrad 11 anlegt, wird ein Drehmoment
durch den Drehmomentsensor 13 in einer ersten Richtung
erfaßt werden.
Wenn der Fahrer zurückzulenken
wünscht, werden
die Reibungsmittel 14 unverändert eine Reibungskraft ausüben. Sobald
der Drehmomentsensor 13 ein Signal zu der Regeleinrichtung 10 ausgibt, welches
ein Drehmoment in der entgegengesetzten Richtung darstellt (wodurch
angezeigt wird, daß der Fahrer
wünscht
zurückzulenken),
wird die Regeleinrichtung die Reibungsmittel 14 lösen bzw.
freigeben oder die angewendete bzw. angelenkte Reibungskraft absenken.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt es auch, die Mittelposition des Lenkrads 11 zu
verschieben. Da es keine direkte mechanische Koppelung zwischen
dem Lenkrad 11 und den gelenkten Rädern 20 gibt, können Situationen
entstehen, wo sich die gelenkten Räder 20 nicht in einer
neutralen Winkelposition befinden (das Fahrzeug geradeaus vorwärts fährt), wenn
sich das Lenkrad 11 in einer neutralen Position befindet.
Dies kann eine unangenehme Situation für den Fahrer des Fahrzeugs
sein. Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Mittelposition
des Lenkrads 11 zu verschieben, indem beispielsweise die
Sensibilität
bzw. Empfindlichkeit (das Verhältnis des
Drehwinkels des Lenkrads 11 und des Schwenk- bzw. Drehwinkels
der gelenkten Räder 20)
in der Regeleinrichtung 10 adaptiert wird.
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Die
Regeleinrichtung 10 kann weiters angeordnet sein, um ein
noch realistischeres künstliches Gefühl dem Fahrer
durch das Lenkrad 11 zur Verfügung zu stellen, indem das
Signal von dem Raddrehmomentsensor 23 verwendet wird. Wenn
eine äußere Kraft
auf die gelenkten Räder 20 des
Fahrzeugs ausgeübt
wird, wird das erfaßte
Signal in die Regeleinrichtung 10 eingegeben, welche dann
die Reibungskraft der Reibungsmittel 14 adaptieren kann. Dies
kann z.B. eine sensorische Anzeige an den Fahrer durch die Reaktion
des Lenkrads 11 geben, wenn das Fahrzeug auf einen Randstein
bzw. Bordstein trifft bzw. schlägt.
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Darüber hinaus
kann die Regeleinrichtung 10 eine Sicherheitsprüffunktion
aufweisen. Die Regeleinrichtung 10 kann überprüfen, ob
alle Komponenten (Sensoren, Betätigungseinrichtungen)
ordnungsgemäß funktionieren.
Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 kann in einer weiteren
Ausführungsform
mit einem Interface bzw. einer Schnittstelle zur Verbindung zu einem
verfügbaren
Fahrzeugsteuer- bzw. -regelsystem versehen sein, wie beispielsweise
eine CAN-Bus-Schnittstelle.
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Über die
CAN-Bus-Schnittstelle kann eine Anzahl von Parametern (tatsächlicher
Lenkwinkel, Alarme, Status bzw. Zustand, usw.) zu dem Fahrzeugsteuer-
bzw. -regelsystem oder anderen Komponenten in dem Fahrzeug kommuniziert
bzw. übertragen
werden.
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In
einer Ausführungsform
kann der Radwinkelsensor 22 in die Achsschenkelbolzen-Anordnung integriert
sein, um ein genaues Lenkwinkelsignal an die Regeleinrichtung 10 zur
Verfügung
zu stellen. Die Regeleinrichtung 10 kann dann angeordnet
sein, um die maximale Geschwindigkeit zu bestimmen, welche mit dem
detektierten Lenkwinkel verknüpft
ist, indem beispielsweise ein Modell des Fahrzeugs verwendet wird.
Wenn das Fahrzeug ein Gabelstapler ist, könnte das Modell das Gewicht
des Fahrzeugs, aber auch das Lastgewicht und die Lastposition einbeziehen.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird
die maximale berechnete (erlaubbare) Geschwindigkeit verwendet,
um die tatsächliche
Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu steuern bzw. regeln (wobei effektiv
das Fahrzeug abgebremst wird, wenn die tatsächliche Dreh- bzw. Kurvenrate
zu hoch ist).
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen, wie dies in 2 gezeigt
wird, die Reibungsmittel eine Scheibe 15, welche flexibel
mit der Welle 17 des Lenkrads 11 gekoppelt ist.
Das Lenkradteil dieser Ausführungsform
ist in 2 gezeigt. 2 zeigt
eine Lenkradeinheit, welche ein Gehäuse 30 aufweist, in
welchem die Welle 17 des Lenkrads 11 montiert
ist, indem zwei Lager 31, 32 verwendet werden.
In dem vorderen Teil des Gehäuses
ist der Winkelsensor 12 angeordnet, wie auch eine optionale
elektronische Leiterplatte bzw. Platine 33 durch (vorangehende)
Verarbeitung des Winkelsensorsignals. Der Stator 16 der
Reibungsmittel 14 ist starr auf dem Gehäuse 30 montiert. In
dieser Ausführungsform
ist die Scheibe 15 (siehe oben) mit der Lenkradwelle 17 mittels
einer flexiblen Kupplung, wie beispielsweise einer Gummiform, gekoppelt. Dies
erlaubt ein natürlicheres
Gefühl
für den
das Lenkrad 11 betätigenden
Fahrer, da eine plötzliche Blockierung
des Lenkrads 11 verhindert wird. Die flexible Kopplung
erlaubt es, das Lenkrad ein kleines bißchen zu bewegen, selbst wenn
die Reibungsmittel 14 eine sehr große Kraft auf die Scheibe 15 anwenden.
Diese Ausführungsform
bietet auch bessere Möglichkeiten,
um einen einfacheren Typ des Drehmomentsensors 13 zu verwenden.
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Optional
ist die Regeleinrichtung 10 auch in die Lenkradeinheit
integriert. Die Regeleinrichtung 10 kann als eine auf einen
Mikroprozessor basierende Steuer- bzw. Regeleinheit implementiert
sein, welche einen Speicher beinhaltet wird, kann beispielsweise auf
der elektronischen Schaltplatte 33 beinhaltet sein. Dies
ermöglicht
eine hoch integrierte Lenkradeinheit, welche einen leichten Zusammenbau
beispielsweise eines Gabelstaplers erlaubt.
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Die
Betätigungseinrichtung 21 kann
ein elektrohydraulisches Proportionalventil sein, welches es gestattet,
proportional den Fluß von
hydraulischem Fluid zu dem Betätigungszylinder
unter Steuerung bzw. Regelung durch die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 zu
steuern bzw. zu regeln. In diesem Fall kann die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 einen PWM-Treiber
beihalten, um die Betätigungseinrichtung 21 effizient
zu steuern bzw. regeln.
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In 3 ist
eine Explosionsansicht der Elemente einer Lenkeinheit gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vor liegenden Erfindung gezeigt. In dieser Figur weisen Elemente
mit derselben Funktion wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen dieselben
Bezugszeichen auf. Die in 3 gezeigte Ausführungsform
umfaßt
ein Lenkrad 11, welches im zusammengebauten Zustand an
der Lenkradwelle 17 mittels einer Lenkplatte 44 festgelegt
ist. Die Lenkradwelle 17 ist drehbar unter Verwendung des
vorderen und achteren bzw. hinteren Lagers 31,32 montiert,
welche mit einem verriegelnden bzw. Verriegelungs- bzw. Sperring 43 versehen
sind. Der Winkelsensor 12 ist an der Sensorplatte 45 montiert.
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Darüber hinaus
umfaßt
die Lenkeinheit einen Bremsbelag 15 und eine elektromagnetische
Bremsspule 16. Die Sensorplatte 45 und der Bremsbelag bzw.
die Bremsplatte 40 sind starr miteinander unter Verwendung
von vier Stiften 42 verbunden, und können beispielsweise auch an
einem Lenkeinheits-Gehäuse 30 (siehe 2)
befestigt sein. Der Bremsbelag 15 ist starr bzw. fix an
der Lenkradwelle 17 festgelegt und die elektromagnetische
Bremsspule 16 ist an der Bremsplatte 40 (und somit
an der festen Erde) unter Verwendung einer flexiblen Kopplung festgelegt,
welche in der gezeigten Ausführungsform
vier Lagerdämpfungseinrichtungen 41 umfaßt. Für die Person
mit Erfahrung in der Technik wird klar sein, daß eine flexible Kopplung zwischen
dem Lenkrad 11 und den Reibungsmitteln 14 auch
in einer Anzahl von anderen Weisen bzw. Wegen zur Verfügung gestellt werden
kann, wie beispielsweise durch ein Vorsehen einer (teilweise) flexiblen
Lenkradwelle 17. Dies kann erreicht werden, in dem ein
dünnes
und langes Segment von Federstahl als Teil der Lenkradwelle 17 verwendet
wird, oder durch Vorsehen von Puffern in der Lenkradwelle 17 oder
Montieren der elektromagnetischen Bremsspule 16.
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Die
Lenkeinheit von 3 kann auch in der in 1 gezeigten
Anordnung verwendet werden. Wenn die Betätigungseinrichtung 21 ihre
Endposition erreicht, wird dies durch den Winkelsensor 22 erfaßt (z.B.
einen Sensor in dem Achsschenkelbolzen von einem oder beiden der
gelenkten Räder).
Die Regeleinrichtung 10 wird dies erfassen und die Reibungsmittel 14 auf
einen Maximalwert erregen, um somit eine weitere Bewegung des Lenkrads 11 zu
blockieren. Wenn der Fahrer das Rad in die andere Richtung dreht
(welches durch die flexible Kopplung 41 möglich gemacht
wird), wird die Regeleinrichtung 10 erfassen, daß das Signal
von dem Winkelsensor 12, welcher eine Absolutkodiereinrichtung
bzw. ein Absolutwertgeber ist, sein Vorzeichen ändert. Sobald dieses Ereignis
detektiert ist, wird die Regeleinrichtung 10 die Reibungsmittel 14 antreiben,
um die elektromagnetische Bremsspule 16 zu lösen bzw.
freizugeben.
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Die
Reibungsmittel 14 der oben beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Lenkeinheit können
auch mechanische Blockiermittel umfassen. 4a und 4b zeigen
eine teilweise Seitenansicht und Draufsicht einer ersten Ausführungsform der
mechanischen Blockiermittel. Eine Scheibe 50 ist an der
Lenkradwelle 17 festgelegt, wobei die Scheibe mit einem
Sägezahnprofil
an ihrem Umfang versehen ist. Ein blockierendes bzw. Blockierglied 51 ist
vorgesehen, welches in das Sägezahnprofil
der Scheibe 50 eingreifen kann, wodurch effektiv bzw. wirksam die
Drehung der Scheibe in der Richtung des Pfeils blockiert wird. Das
Blockierglied kann z.B. zu einer blockierenden bzw. Blockierposition
(wie gezeigt) und einer Leerlaufposition durch ein Betätigungsglied 52 gedreht
werden. Wenn zwei Sägezahnprofile 50, 50' auf dem Umfang
von Scheibe 50 vorgesehen sind, wie dies in 4b gezeigt
wird, können
die mechanischen Blockiermit tel verwendet werden, um eine Drehung
der Scheibe 50 in zwei Richtungen zu blockieren, indem
zwei Blockierglieder 51,51' aufgewiesen werden, welche zwischen
sich einen festgelegten Winkel aufweisen. Die Betätigungseinrichtung 52 kann
dann zwischen einer ersten Blockierposition, einer Leerlaufposition
bzw. Ruheposition und einer zweiten Blockierposition betätigbar sein.
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Rückkehrend
zu 4a kann sich die Scheibe 50 in einer
Richtung entgegengesetzt zu der Richtung drehen, welche durch den
Pfeil angezeigt wird, wenn das Blockierglied 51 in das
Sägezahnprofil
eingreift. Eine Bewegung des Blockierglieds 51 kann durch
einen Sensor erfaßt
werden, welcher vorzugsweise in der Betätigungseinrichtung 52 integriert
ist und mit der Regel- bzw. Steuerrichtung 10 verbunden ist.
Sobald die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 10 erfaßt, daß eine entgegengesetzte
Lenkbewegung vorgenommen bzw. durchgeführt wird, kann sie die Betätigungseinrichtung 52 antreiben,
um das Blockierglied 51 erneut in seine Leerlaufposition
zu versetzen.
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5 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der mechanischen Blockiermittel, in welchen die Scheibe 50 mit
einer Anzahl von halbkugelförmigen Vertiefungen
bzw. Einkerbungen versehen sind. Das Blockierglied 53 ist
dann als ein halbkugelförmiges drehbares
Glied implementiert, welches mit der Vertiefung in einer blockierenden
Position im Eingriff sein kann und die Scheibe 50 frei
läßt, um sich
in einer Leerlaufposition zu drehen. Dies gestattet es, eine Drehung
der Lenkradwelle 17 in beiden Richtungen zu blockieren.
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Die
mechanischen Blockiermittel können
zusätzlich
zu der elektromagnetischen Bremse verwendet werden, welche oben unter
Bezugnahme auf 1, 2 und 3 beschrieben
wurde. In diesem Fall kann die Funktionalität eines Bereitstellens eines
Lenkgefühls
durch ein Steuern bzw. Regeln der Reibung auf das Lenkrad zur Verfügung gestellt
werden. In diesem Fall kann die elektromagnetische Bremse von einem
leichteren Typ sein, da die blockierende bzw. Blockierfunktion an
Endanschlägen durch
die mechanischen Blockiermittel zur Verfügung gestellt wird.