ES2266688T3 - Sistema de direccion para un vehiculo. - Google Patents
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Abstract
Sistema de dirección para un vehículo, - en el que un movimiento de dirección prefijado a través de un volante (1) puede ser transmitido, a través de un motor de ajuste de ángulo de dirección, a una rueda dirigible del vehículo, - con un dispositivo (2) de simulación de par de giro mediante el cual se puede prefijar un par de giro (MD) actuante sobre el volante (1), comprendiendo el dispositivo de simulación de par de dirección una unidad de ajuste eléctricamente actuable (3), - en donde el dispositivo de simulación de par de giro comprende un elemento de fuerza pasivo (4) que, al producirse un fallo de la unidad de ajuste eléctricamente actuable (3), genera un par de giro (MD) opuesto al movimiento de giro, - caracterizado porque el par de giro prefijado (MD) es ajustable por una actuación correspondiente de la unidad de ajuste (3) a través de un muelle de torsión (5).
Description
Sistema de dirección para un vehículo.
La invención se refiere a un sistema de
dirección para un vehículo según el preámbulo de la reivindicación
1.
Se conoce por el documento DE 195 39 101 C1 un
llamado sistema de dirección con mando por cable en el que se mide
un movimiento de dirección producido por el conductor con ayuda de
una sensórica, alimentándose el movimiento de dirección como señal
de entrada a una unidad de regulación y control en la que se
generan, en función de magnitudes de estado y de funcionamiento del
vehículo, unas señales de ajuste para un elemento de ajuste
mediante el cual se pueden ajustar las ruedas dirigibles del
vehículo. En tales sistemas está anulado el rígido acoplamiento
cinemático, usual en otros casos, entre el volante y las ruedas del
vehículo, con lo que se proporcionan posibilidades de ajuste
adicionales. Se puede tener en cuenta especialmente el estado
actual de marcha durante la conversión del movimiento de
dirección.
dirección.
Para proporcionarle al conductor una sensación
de conducción como la existente en direcciones convencionales, el
volante está acoplado con una disposición de muelles de recuperación
que actúa en contra de una desviación del volante desde una
posición central. La disposición de muelles de recuperación
comprende dos muelles de compresión helicoidales que actúan sobre
un órgano de arrastre común que ha de ser desplazado por el volante
e intentan devolver éste a su posición de partida durante el giro
del volante. Una posibilidad de ajuste adicional viene dada por el
desplazamiento de los puntos de base de cada muelle de compresión
helicoidal con ayuda de soportes de reacción hidráulicamente
desplazables, con lo que, bajo un giro de vaivén del volante, se
puede materializar un comportamiento de histéresis del par
antagonista que retroactúa sobre el volante.
Un sistema de dirección semejante es conocido
por el documento DE 196 25 503 C1, pero en este caso se tensan los
muelles de compresión helicoidales por medio de un árbol de
dirección configurado como un piñón, de modo que, al aumentar la
desviación del volante, se genera también un par de reposición
creciente. Sin embargo, esta ejecución no es libremente
parametrizable.
En la patente DE 35 44 350 se describe un
sistema de dirección con un acoplamiento mecánico entre el volante
y las ruedas dirigidas del vehículo, en el cual está previsto un
motor de accionamiento para asistir al movimiento de dirección,
estando intercalado entre el motor de accionamiento y el husillo de
dirección un embrague de fricción por líquido que actúa con efecto
amortiguador sobre fuerzas que puedan ser transmitidas al volante
en forma de golpes o vibraciones de torsión a través de la
dirección. La asistencia de fuerza de dirección puede ser
controlada a través del número de revoluciones del motor de
accionamiento transmitiendo para ello un mayor par de giro al
aumentar el número de revoluciones.
En caso de fallo del motor de accionamiento se
puede transmitir ciertamente un par de giro a las ruedas del motor
a través del embrague de fricción por líquido, pero este par se
encuentra a un nivel netamente más bajo el que está presente
mientras está en marcha el motor de accionamiento.
Por último, se conoce el documento DE 100 51 187
A1. Esto concierne a un módulo de dirección de una instalación de
dirección con mando por cable. Esta instalación presenta un actuador
de realimentación. Las retroacciones de la calzada sobre las ruedas
dirigidas del vehículo son transmitidas por este actuador de
realimentación a un volante. A este fin, el actuador de
realimentación presenta un motor eléctrico. Asimismo, está previsto
un elemento de muelle. Este proporciona resistencia contra
movimientos de giro del volante que incrementen el ángulo actual de
dicho volante. Además, está previsto un elemento de amortiguación.
Este actúa sobre el volante a través de una columna de dirección.
El elemento de amortiguación puede ser una rueda de paletas en un
medio de amortiguación o una estrangulación en una corriente de un
medio de amortiguación. El par de giro del motor eléctrico actúa
directamente sobre la columna de dirección. La fuerza elástica del
elemento de muelle actúa entre la columna de dirección y el chasis
del vehículo. Como elemento de muelle puede servir también una
varilla de torsión.
La invención se basa en el problema de indicar
un sistema de dirección constructivamente sencillo de materializar
para un vehículo, en el que, incluso en caso de un fallo del
elemento de ajuste activo mediante el cual se puede generar un par
de reposición actuante sobre el volante, se evitan saltos de par que
puedan ser percibidos en el volante y que puedan conducir a
peligrosos movimientos de dirección involuntarios.
Este problema se resuelve según la invención con
las características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones
subordinadas indican perfeccionamientos convenientes.
El sistema de dirección según la invención
consiste en un sistema de dirección con mando por cable en el que,
en contraposición a sistemas de dirección convencionales, no existe
una unión rígida entre el volante y las ruedas dirigidas del
vehículo, sino que se mide u obtiene el movimiento de dirección
prefijado y se transmite éste como magnitud nominal a un motor de
ajuste de ángulo de dirección que desvía la rueda o las ruedas del
vehículo de la manera deseada. Para proporcionarle al conductor la
resistencia acostumbrada al actuar el volante, se ha previsto un
dispositivo de simulación de par de dirección mediante el cual se
puede generar un par de reposición actuante sobre el volante. Este
dispositivo de simulación de par de dirección comprende una unidad
de ajuste eléctricamente actuable que, en función de magnitudes de
estado y funcionamiento del vehículo -por ejemplo, la velocidad del
vehículo- genera un par de reposición de magnitud variable.
Para evitar que, en caso de un fallo de la
unidad de ajuste eléctricamente actuable, se presente en el par de
reposición un salto de par que pudiera conducir a movimientos de
dirección involuntarios del conductor, se ha asociado, según la
invención, al dispositivo de simulación de par de giro un elemento
de fuerza pasivo que genera un par mínimo al producirse un fallo de
la unidad de ajuste. Se asegura de esta manera que en todas las
circunstancias de funcionamiento el conductor perciba un par mínimo
al producirse una actuación del volante. Se aminoran o impiden así
saltos de par provocados por un eventual fallo de la unidad de
ajuste en el dispositivo de simulación de par de giro.
Como elemento de fuerza pasivo que se utiliza
para asegurar un par mínimo, se emplea en una primera realización
preferida un elemento de fricción que está en condiciones de generar
un par de fricción constante opuesto al movimiento de dirección del
volante.
Esta realización se puede combinar de manera
especialmente ventajosa con un muelle de torsión que es también
parte integrante del dispositivo de simulación de par de giro y que
puede ser solicitado por la unidad de ajuste eléctricamente
actuable. A través del muelle de torsión o de la actuación del
muelle de torsión con ayuda de la unidad de ajuste se puede ajustar
un par de giro nominal deseado, incluso en caso de que el valor del
rozamiento constante en el elemento de fricción no esté fijado con
suficiente exactitud. En este caso, se puede medir a través de una
sensórica el par de giro actualmente actuante y se puede obtener de
conformidad con el estado de marcha actual del vehículo un par
nominal que puede ser ajustado de manera exacta por la unidad de
ajuste a través de la solicitación del muelle de torsión. Debido a
la acción del rozamiento independiente de la dirección, la unidad
de ajuste debe vencer en cualquier caso un par de fricción del
elemento de fricción. Una ventaja de esta realización reside en que
se mantiene constante el par de giro eficaz en caso de que falle la
unidad de ajuste, ya que el muelle de torsión sigue siendo operativo
con independencia del estado de la unidad de ajuste, por lo que no
tienen lugar saltos de par. Otra ventaja estriba en que la unidad de
ajuste puede conectarse al estado sin corriente en el caso de un
ángulo de dirección y un par de dirección constantes, con lo que se
puede lograr un efecto de ahorro de energía. Siempre que no se
modifiquen las consignas del conductor o las condiciones de estado
del vehículo, no es forzosamente necesaria una actuación activa de
la unidad de ajuste.
Como alternativa al elemento de fricción,
eventualmente también además de éste, puede utilizarse igualmente
como elemento de fuerza pasivo un elemento de amortiguación a través
del cual pueda generarse un par de amortiguación dependiente de la
velocidad y dirigido en sentido contrario al movimiento del volante.
Esta realización tiene la ventaja de que la influencia del elemento
de amortiguación es pequeña en condiciones normales, de modo que no
se necesita forzosamente un sensor de par o una sensórica para
obtener el par de giro. La amortiguación, que se hace significativa
a más altas velocidades de dirección, puede ser compensada total o
parcialmente por la unidad de ajuste de conformidad con el par
nominal que deba ajustarse.
El elemento de fuerza pasivo puede estar
conectado permanentemente o bien, según otra realización, puede ser
de construcción conectable y desconectable, estando desconectado el
elemento de fuerza correspondiente en el caso de plena aptitud
funcional de la unidad de ajuste eléctrica y efectuándose la
conexión solamente en caso de que falle la unidad de ajuste. Dado
que en condiciones normales no es operativo el elemento de fuerza,
se tiene que, empleando un elemento de fricción como elemento de
fuerza, se puede prescindir también del muelle de torsión y
eventualmente de la sensórica de medición de par de giro.
En las figuras se representan de manera
esquemática unos ejemplos de realización de la invención.
Muestran:
La figura 1, un sistema de dirección para un
vehículo con un dispositivo de simulación de par de giro que
comprende un elemento de fricción, una unidad de ajuste
eléctricamente actuable y un muelle de torsión, estando
representada, además, en función del ángulo de dirección la
evolución de par de giro que puede ser generada en el dispositivo
de simulación,
La figura 2, una realización con un elemento de
fricción conectable y desconectable, sin muelle de torsión,
La figura 3, una realización con un elemento de
amortiguación y
La figura 4, una realización correspondiente a
la figura 3, pero con elemento de amortiguación conectable y
desconectable.
El sistema de dirección para un vehículo
representado en la figura 1 está construido como un sistema de
dirección con mando por cable en el que se prefija por el conductor
a través de un volante 1 un movimiento de dirección que es captado
por medio de una sensórica adecuada, alimentándose el movimiento de
dirección como señal de entrada a una unidad de regulación y
control en la que, en función de otras magnitudes de estado y
funcionamiento del vehículo -especialmente de la velocidad del
vehículo- se generan unas señales de ajuste para solicitar un motor
de ajuste de ángulo de dirección que actúa sobre las ruedas
dirigibles del vehículo y ajusta la posición de dirección deseada.
En tales sistemas de mando por cable está anulado un acoplamiento
mecánico directo entre el volante y las ruedas dirigibles del
vehículo.
Para generar en el volante 1 una sensación de
dirección próxima a la realidad, este volante está acoplado con un
dispositivo 2 de simulación de par de giro en el que puede
generarse, en función de la situación, un par de giro, con lo que,
por ejemplo, en un viaje en curva se puede generar un par de
reposición opuesto a la desviación del volante. El dispositivo 2 de
simulación de par de dirección comprende en el ejemplo de
realización según la figura 1 una unidad de ajuste eléctricamente
actuable 3 que está construida especialmente como un motor de
ajuste M, así como un elemento de fuerza pasivo 4 y, como otro
elemento pasivo, un muelle de torsión 5. El elemento de fuerza 4
está construido en el ejemplo de realización según la figura 1 como
un elemento de fricción en el que se genera un par de fricción
constante dirigido en sentido contrario a cada movimiento de
dirección.
Durante el funcionamiento normal -con la unidad
de ajuste 3 plenamente capacitada para funcionar- se mide por medio
de una sensórica adecuada el par de giro que opera actualmente sobre
el volante 1 y, en función del valor de medida y de las magnitudes
de estado y funcionamiento del vehículo, se prefija un valor nominal
para el par de giro que se ajusta mediante una actuación
correspondiente de la unidad de ajuste 3 a través del muelle de
torsión 5, teniendo que ser vencido en cada actuación de la unidad
de ajuste 3 el par de fricción del elemento de fricción 4. En el
diagrama de par de giro(M_{D})-ángulo de
giro(\alpha) de la figura 1 se representa una evaluación a
título de ejemplo para el par de giro operativo después de un fallo
de la unidad de ajuste 3. En el caso de un par de dirección
actualmente ajustado M_{D,actual} deberá fallar en el ejemplo de
realización mostrado la unidad de ajuste eléctricamente actuable 3;
este instante se ha identificado en el diagrama con la flecha
dibujada. Bajo un ángulo de dirección constante \alpha se tiene
que, a pesar del fallo de la unidad de ajuste 3, no varía el par de
giro M_{D}, sino que éste se mantiene en el nivel alcanzado. Por
tanto, en caso de un fallo de la unidad de ajuste, no hay que
esperar ningún salto de par que pudiera irritar al conductor. Si se
mueve el volante, el par de dirección varía entonces de momento de
conformidad con la torsión del muelle de torsión 5. Cuando el par
de dirección alcanza el valor del par de fricción del elemento de
fricción 4, dicho par de dirección no sigue aumentando, sino que se
mantiene constante durante el movimiento de dirección adicional.
Siempre que el par de dirección sea actualmente mas grande que el
valor del par de fricción, el par de dirección cae bruscamente al
valor del par de fricción; en este caso, el motor tiene que vencer
menos rozamiento durante el funcionamiento normal, con lo que puede
ahorrarse energía. Por otro lado, siempre que el par de dirección
sea más pequeño que el valor del par de rozamiento, se puede evitar
un salto de par.
Eventualmente, en condiciones exteriores
constantes, especialmente con ángulo de dirección constante y
velocidad constante del vehículo, se puede desconectar el elemento
de ajuste 3, ya que también en este caso se mantiene constante el
par de giro actuante sobre el volante 1; de esta manera, se puede
ahorrar energía.
En la figura 2 se representa una realización
alternativa con un elemento de fuerza 4 construido como elemento de
fricción. A diferencia del ejemplo de realización según la figura 1,
no está previsto un muelle de torsión, pero, en cambio, el elemento
de fricción 4 está construido en forma conectable y desconectable y
puede ser conectado o desconectado en estados de funcionamiento
prefijados. Se ha previsto que, bajo plena capacidad funcional de
la unidad de ajuste 3, el elemento de fricción 4 permanezca
desconectado y el par de giro actuante sobre el volante 1 sea
generado exclusivamente a través de una actuación de la unidad de
ajuste 3. El elemento de fricción no ejerce en esta realización
ninguna influencia sobre el funcionamiento normal del dispositivo 2
de simulación de par de giro. Por el contrario, en caso de un fallo
de la unidad de ajuste 3, se conecta el elemento de fricción 4 y se
genera un par de fricción constante.
En el diagrama mostrado en la figura 2 se
representa el modo de funcionamiento. Bajo el ángulo de dirección
identificado con la flecha dibujada deberá fallar la unidad de
ajuste 3, y al mismo tiempo se conecta el elemento de fricción 4,
cuyo par de fricción se mantiene constante durante la evolución
temporal adicional. A diferencia del ejemplo de realización
precedente, el par de giro M_{D} varía, partiendo del par de
dirección actual, hasta el nivel del par de fricción, efectuándose
la transición en forma brusca.
En caso de una conexión errónea del elemento de
fuerza en fases de funcionamiento con plena capacidad funcional del
elemento de ajuste, quedan prácticamente excluidas las situaciones
de peligro, ya que el nivel de par de giro del elemento de fuerza
es relativamente pequeño, con lo que el par de giro adicionalmente
actuante del elemento de fuerza varía ciertamente el nivel del par
de reposición, pero no conduce a un salto de par inadmisiblemente
alto.
En el ejemplo de realización según la figura 3
el dispositivo 2 de simulación de par de giro comprende, además del
elemento de ajuste 3, un elemento de fuerza 4 que funciona
constantemente junto con él y que está construido en forma de un
elemento de amortiguación. El elemento de amortiguación actúa en
contra de cada movimiento de ángulo de dirección, de tal manera
que, como puede deducirse de la evolución de par de
giro(M_{D})-velocidad angular de
dirección(d\alpha/dt), al aumentar la velocidad angular de
dirección aumenta también el par de giro generado por el elemento
de amortiguación. En caso de fallo de la unidad de ajuste 3, se
suaviza el movimiento de dirección involuntario, puesto que se
impide altas velocidades de dirección por medio de la amortiguación.
Dado que el conductor cesa de dirigir el vehículo al cabo de un
corto tiempo (tiempo de reacción), el ángulo de dirección es
netamente más pequeño que sin el dispositivo. La evolución de la
curva muestra un posible ejemplo de la evolución del par después de
un fallo. El par de dirección disminuye primero, mientras que
aumenta la velocidad de dirección. Sin embargo, debido a la inercia
del volante, el par de dirección no cae a cero. Al aumentar la
velocidad de dirección actúa cada vez con más fuerza la
amortiguación del elemento de rozamiento.
La figura 4 corresponde a la realización según
la figura 3, pero con la modificación de que el elemento de fuerza
4 construido como elemento de amortiguación está realizado en forma
conectable y desconectable. El elemento de amortiguación 4
permanece desconectable en el modo de funcionamiento normal y se
conecta solamente en caso de avería al producirse un fallo del
elemento de ajuste. La curva de par de
giro-velocidad angular corresponde a la de la
figura 3.
Los elementos de fuerza conectables y
desconectables pueden ser activados eventualmente también en caso de
plena capacidad funcional del elemento de ajuste para influir sobre
la curva de par de giro-ángulo de giro o sobre la curva de par de
giro-velocidad angular de giro. Se puede conseguir
así, por ejemplo empleando un elemento de fricción conectable, que
el rozamiento sea más alto al conducir hacia fuera -en dirección a
una posición de tope final- que al conducir hacia dentro. Mediante
una conexión o desconexión se puede reducir el rozamiento hasta
cero al producirse el movimiento hacia dentro.
Claims (6)
1. Sistema de dirección para un vehículo,
- en el que un movimiento de dirección prefijado
a través de un volante (1) puede ser transmitido, a través de un
motor de ajuste de ángulo de dirección, a una rueda dirigible del
vehículo,
- con un dispositivo (2) de simulación de par de
giro mediante el cual se puede prefijar un par de giro (M_{D})
actuante sobre el volante (1), comprendiendo el dispositivo de
simulación de par de dirección una unidad de ajuste eléctricamente
actuable (3),
- en donde el dispositivo de simulación de par
de giro comprende un elemento de fuerza pasivo (4) que, al
producirse un fallo de la unidad de ajuste eléctricamente actuable
(3), genera un par de giro (M_{D}) opuesto al movimiento de
giro,
- caracterizado porque el par de giro
prefijado (M_{D}) es ajustable por una actuación correspondiente
de la unidad de ajuste (3) a través de un muelle de torsión
(5).
2. Sistema de dirección según la reivindicación
1, caracterizado porque el elemento de fuerza pasivo (4) es
un elemento de fricción para generar un par de fricción
constante.
3. Sistema de dirección según la reivindicación
1, caracterizado porque el elemento de fuerza pasivo (4) es
un elemento de amortiguación para generar un par de amortiguación
dependiente de la velocidad.
4. Sistema de dirección según la reivindicación
3, caracterizado porque se compensa el par de amortización a
través de la unidad de ajuste (3).
5. Sistema de dirección según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el elemento de
fuerza (4) es de construcción conectable y desconectable, de tal
manera que el elemento de fuerza (4) está desconectado cuando la
unidad de ajuste eléctricamente actuable (3) se encuentra en una
condición apta para funcionar, y la desconexión se efectúa en caso
de que falle la unidad de ajuste (3).
6. Sistema de dirección según la reivindicación
1, caracterizado porque, además de un elemento de fuerza
pasivo (4) que está construido como un elemento de fricción para
generar un par de fricción constante, se utiliza un elemento de
amortización mediante el cual se puede generar un par de
amortiguación dependiente de la velocidad y opuesto al movimiento
del volante.
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