ES2270765T3 - Procedimiento y dispositivo para imitar un acoplamiento mecanico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para imitar un acoplamiento mecánico entre un elemento de mando (10) a accionar por un usuario y un elemento (28) a accionar en un vehículo, los cuales no están directamente acoplados uno con otro por vía mecánica, siendo solicitado el elemento de mando (10) en cuanto a par de giro o a fuerza por un primer actuador eléctrico (16) y siendo solicitado el elemento (28) a accionar en cuanto a par de giro o a fuerza por un segundo actuador eléctrico (20), con los pasos siguientes: solicitación del elemento (28) a accionar por el segundo actuador eléctrico (20) con un par de giro activo o una fuerza activa, captación del contrapar (TLG) actuante sobre el elemento (28) a accionar o de la contrafuerza actuante sobre el mismo, cálculo de un par de giro de realimentación o de una fuerza de realimentación en función del contrapar o de la contrafuerza, solicitación del elemento de mando (10) por el primer actuador eléctrico (16) con el par de giro de realimentación o la fuerza de realimentación, caracterizado porque se prefija una magnitud en forma de una matriz (ZLS, ZLSS) para el acoplamiento mecánico a imitar entre el elemento de mando (10) y el elemento (28) a accionar, se determina al menos una magnitud de acoplamiento de actuador a partir de la magnitud para el acoplamiento mecánico a imitar y teniendo en cuenta los acoplamientos entre el primer actuador (16) y el elemento de mando (10), así como entre el segundo actuador (20) y el elemento (28) a accionar, y se determina al menos una magnitud de control para el primer actuador (16) al menos a partir de la al menos una magnitud de acoplamiento de actuador y del contrapar captado o de la contrafuerza captada.
Description
Procedimiento y dispositivo para imitar un
acoplamiento mecánico.
La invención concierne a un procedimiento y un
dispositivo para imitar un acoplamiento mecánico según el preámbulo
de las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente.
En los vehículos actuales existe en un gran
número de elementos de mando y elementos asociados a accionar una
unión mecánica que no sólo permite el ajuste - prefijado por un
elemento de mando - de un ángulo, un recorrido o parámetros
similares en el elemento a accionar, sino que también transmite
pares o fuerzas de realimentación correspondientes. Como campos de
aplicación se pueden citar, por ejemplo, los sistemas controlador de
motor y de transmisión (elemento a accionar) y pedal del acelerador
o palanca de control (elemento de mando), por un lado, así como
frenos (elemento a accionar) y pedal de freno (elemento de mando),
por otro lado.
En aras de una mayor sencillez, la presente
invención será descrita ayudándose del ejemplo de un sistema de
dirección. Sin embargo, esto no deberá considerarse como una
restricción de la aplicación de la invención, sino únicamente como
una forma de realización dada a título de ejemplo.
Un acoplamiento mecánico entre un elemento de
mando y un elemento a accionar trae consigo algunos inconvenientes.
Por ejemplo, la magnitud de acoplamiento entre los dos elementos
puede ser influenciada sólo con dificultad y de manera
constructivamente complicada. Asimismo, pueden plantearse problemas
de construcción, ya que la unión mecánica entre los dos elementos
tiene que establecerse en el espacio. En un sistema de dirección se
emplea para ello convencionalmente una columna de dirección que no
sólo representa un potencial de peligro en caso de un accidente,
sino que hace que se eche en falta una variabilidad deseada con
relación a la disposición de un volante en el habitáculo del
vehículo.
Como nuevo punto de arranque se discute desde
hace algún tiempo en un gran número de sectores relacionados con
los vehículos automóviles la llamada técnica "por cable". En
este caso, se detecta el accionamiento de un elemento de mando (por
ejemplo, el volante) y se retransmite una señal correspondiente
hacia una unidad de control que proporciona una señal de control
para un actuador que a su vez solicita el elemento a accionar (por
ejemplo, las ruedas). Debido al acoplamiento exclusivamente
eléctrico entre el aparato de control y los distintos actuadores o
sensores y debido a la gran variabilidad en el procesamiento de
señales de entrada se producen un gran número de campos de
aplicación y de libertades de construcción.
Un sistema de dirección conocido sin unión
mecánica entre un volante y las ruedas dirigibles servirá
seguidamente para explicar la invención con más detalle.
Según la figura 1, un usuario de vehículo
introduce un ángulo de dirección deseado a través de un volante 10
que está fijado a un árbol 11 del mismo. El ángulo de dirección
prefijado por el usuario del vehículo es detectado por un sensor 12
de dicho ángulo. Una señal 14 correspondiente al ángulo de dirección
es enviada a un aparato de control 18. Sobre la base del ángulo de
dirección deseado por el usuario y eventualmente otras magnitudes
del vehículo, como, por ejemplo, la velocidad del vehículo, el
aparato de control 18 calcula un ángulo de rueda deseado, genera
una señal correspondiente y retransmite ésta a una unidad de ajuste
de rueda 20. La unidad de ajuste de rueda 20 solicita a un árbol 20
que está unido con un mecanismo de dirección 26. El mecanismo de
dirección 26 acciona las ruedas 28 de conformidad con la señal
emitida por el aparato de control 18.
Debido a la regulación de las ruedas se produce
en general un contrapar o una contrafuerza que retroactúa sobre el
árbol de dirección 21 a través de las ruedas 28 y el mecanismo de
dirección 26. Esta contrafuerza (o bien este contrapar) es
detectada por un sensor de contrafuerza 22 y notificada al aparato
de control en forma de una señal de contrafuerza correspondiente
24. El aparato de control genera al menos un par de reposición a
partir de la señal de contrafuerza 24 y comunica este par a una
unidad de ajuste de par 16 que está unida con el árbol 11 del
volante.
Debido a la señal emitida por el aparato de
control 18 hacia la unidad de ajuste de par 16, este aparato
solicita al volante a través del árbol 11 del mismo.
A pesar de tratarse de una dirección
mecánicamente desacoplada, el conductor obtiene a través de esta
realimentación un retroaviso sobre las fuerzas y pares actuantes
sobre las ruedas y, por tanto, sobre la situación de marcha. Esta
información es de importancia decisiva para una conducción segura
del vehículo. Debido al retroaviso, el conductor puede juzgar y
estimar la situación de marcha respecto a si se encuentra en una
situación de marcha crítica o no crítica, si circula rápida o
lentamente por una curva, etc.
Dado que el retroaviso es de gran importancia,
se han discutido ya en varias publicaciones algunas formas de
realización para sistemas de retroaviso.
En el documento DE 197 02 313 C1 se describe un
dispositivo para controlar el ángulo de dirección de un vehículo
automóvil, en el que se indica un valor nominal del ángulo de
dirección en función de una fuerza angular de dirección y de la
velocidad del vehículo.
El documento DE 196 07 028 A1 concierne a una
dirección para un vehículo no ligado a una vía de rodadura, en la
que se calcula un par de reposición para un volante en función del
ángulo de dirección y de una velocidad angular de dirección en el
volante. Se emplea en este caso un coeficiente que depende de la
velocidad de marcha. Este sistema corresponde a una emulación de un
elemento amortiguador de muelle artificial para proporcionar una
sensación de marcha. Sin embargo, no tiene lugar un retroaviso real
de un contacto rueda/carretera.
El documento DE 198 04 821 A1 describe un
dispositivo de control de dirección para hacer girar ruedas
dirigidas en coincidencia con el giro de un volante mecánicamente
desacoplado, comprendiendo el dispositivo de control de dirección
una unidad de captación de ángulo de dirección para captar el ángulo
de dirección, un equipo de captación de fuerza de dirección para
captar la fuerza de dirección aplicada sobre el árbol de dirección,
un equipo de captación de fuerza de reacción de giro para captar una
fuerza de reacción de giro aplicada sobre la rueda dirigida y un
equipo de captación de cantidad de giro para captar la cantidad de
giro de la rueda dirigida. Para proporcionar una sensación de
conducción mejorada, el árbol de dirección es accionado por medio
de un accionamiento de árbol de dirección sobre la base de una
fuerza proporcional a la fuerza de dirección, la fuerza de reacción
de giro y una desviación entre una cantidad de control de objetivo -
que se basa en el ángulo de dirección - y la cantidad de giro, con
lo que se deberá reducir sobre todo el aumento no deseado - que se
presenta en el estado inicial de la conducción - de la desviación
entre la fuerza proporcional a la fuerza de dirección y la fuerza
de reacción de giro.
En el documento EP 0 775 624 A2 se calcula un
par de reposición en función de la velocidad de marcha, la corriente
del motor de una unidad de ajuste de ángulo de rueda, la
temperatura exterior, un interruptor de limpiaparabrisas y un
sensor de ultrasonidos. Este sistema representa también solamente un
sistema amortiguador de muelle artificial a través del cual no se
puede proporcionar ningún retroaviso suficientemente auténtico.
Se conoce por el documento EP 0 261 325 A1 un
sistema de dirección, especialmente con respecto a una sensación de
conducción. Según la teoría allí descrita, se emplea un freno de
fricción electromecánico que genera una fricción mecánica
controlable en un árbol de dirección, de modo que se inhibe más o
menos una rotación por parte del árbol de dirección en un soporte
de dicho árbol. Sin embargo, también en esta forma de realización
de un sistema de dirección mecánicamente desacoplado se genera una
sensación de marcha solamente en forma artificial.
En ninguna de las formas de realización antes
citadas para un sistema de dirección se ha descrito una
determinación exacta de una reproducción real de una sensación de
conducción de direcciones actuales.
El cometido de la presente invención consiste en
indicar un procedimiento y un dispositivo de la clase citada al
principio en los que se consiga mediante una reproducción real de un
acoplamiento mecánico a imitar un efecto de realimentación
auténtico.
Este problema se resuelve en cuanto al
procedimiento por medio de las características indicadas en la
reivindicación 1 y en cuanto al dispositivo por medio de las
características indicadas en la reivindicación 8.
Una idea nuclear de la invención estriba en que
el acoplamiento que se presenta en el caso de un acoplamiento
mecánico entre un elemento de mando y un elemento a accionar es
imitado con ayuda de un aparato de mando entre los dos actuadores.
A este fin, se prefija, por un lado, la magnitud de un acoplamiento
mecánico a imitar entre un elemento de mando y un elemento a
accionar. Seguidamente, a partir de esta magnitud y también teniendo
en cuenta los acoplamientos entre el actuador y el elemento de
mando, así como entre el actuador y el elemento a accionar, se
determina una magnitud de acoplamiento de actuador. La magnitud de
acoplamiento de actuador define exactamente la magnitud de
acoplamiento entre los dos actuadores que es necesaria para que,
juntamente con los acoplamientos entre el primer actuador y el
elemento de mando, así como entre el segundo actuador y el elemento
a accionar, se obtenga el acoplamiento mecánico a imitar.
En función de la magnitud de acoplamiento de
actuador se determina entonces al menos una magnitud de control
para al menos uno de los dos actuadores. Mediante una solicitación
correspondiente de los actuadores y la generación de un par
resultante de ella o una fuerza resultante de ella se consigue una
imitación auténtica de un acoplamiento mecánico a imitar,
especialmente en lo que respecta al comportamiento de elasticidad en
el sistema general.
Dado que con la medida anteriormente indicada se
imita exactamente el acoplamiento mecánico, un usuario del elemento
de mando no puede tampoco reconocer ninguna diferencia con respecto
a un retroaviso convencional. En conjunto, por ejemplo, un usuario
del vehículo no tiene que acomodarse a un tacto diferente en el
manejo de un vehículo cuando pasa de un sistema convencional a un
sistema "por cable".
La presente invención se puede aplicar a
cualquier acoplamiento mecánico actual, pero éste deberá
materializarse ahora sin unión mecánica directa y no necesita
realimentaciones para poner en conocimiento del usuario las fuerzas
o pares que actúan sobre el elemento a accionar.
Según una forma de realización especial de la
invención, se emplean matrices de transmisión que definen magnitudes
de acoplamiento entre ángulos y pares de fuerza de actuadores. En
particular, la magnitud de acoplamiento de actuador ha de
calcularse aquí de modo que, en combinación con otras matrices de
acoplamiento entre los actuadores y el elemento de mando, por un
lado, o el elemento a accionar, por otro, se consiga un acoplamiento
mecánico Z_{LS} a imitar.
En particular, las reivindicaciones 2 y 9 se
dirigen aquí a una aplicación en un sistema de dirección. No
obstante, las magnitudes \varphi_{AM} y \tau_{AN}, que,
según las reivindicaciones 2 y 9, representan ángulos y pares,
respectivamente, pueden representar también medidas de longitud y
fuerzas. De esta manera, la invención puede aplicarse no solamente
a actuadores de giro, sino también a actuadores de longitud.
Debido a una influenciación del acoplamiento de
actuador o de la generación de la magnitud de control para uno o
ambos actuadores se puede variar de una manera deseada el
acoplamiento a conseguir entre el elemento de mando y el elemento a
accionar o bien se le puede superponer otro par. Por ejemplo, es
posible hacer que la magnitud a prefijar para el acoplamiento
mecánico a imitar dependa de parámetros de entrada tales como la
velocidad del vehículo. En este caso, se varía el acoplamiento
mecánico de conformidad con la magnitud de entrada empleada y se
admite así la imitación de efectos diferentes.
De la misma manera, se pueden conseguir también
diferentes multiplicaciones angulares y/o multiplicaciones de pares
o de fuerzas entre los dos actuadores. Es necesario únicamente para
ello variar el acoplamiento de los actuadores de la manera
necesaria. Como parámetros de entrada pueden tenerse en cuenta, por
ejemplo, parámetros de funcionamiento del vehículo y/o parámetros
del entorno. Así, es posible emplear como parámetros de entrada la
velocidad del vehículo, el estado de la calzada, una señal de ángulo
de guiñada u otros parámetros de funcionamiento del vehículo o
parámetros del entorno.
Para mejorar el confort es útil la
multiplicación de dirección, en la que se puede variar la relación
entre un ángulo de volante \varphi_{LR} y un ángulo de
mecanismo de dirección \varphi_{LG} o bien una mutiplicación de
par, es decir la relación entre el par \tau_{LR} del volante y
el par \tau_{LG} del mecanismo de dirección.
Naturalmente, el par del volante puede elegirse
adicionalmente también en función del ángulo del volante o del
mecanismo de dirección. Por tanto, se podría superponer al sistema
mecánicamente actuante auténtico un sistema artificial de
amortiguación por muelle, lo que provoca de manera aditiva un efecto
como en el documento DE 196 07 028 C1.
En otra forma de realización ventajosa de la
invención se puede utilizar un miembro de predicción con el cual se
filtra la consigna de predicción del conductor en el elemento de
mando. Se puede acelerar así la reacción del vehículo a una
consigna de dirección (conducción de predicción).
Además de la consigna de dirección del conductor
en el elemento de mando, se puede calcular una consigna de ángulo
de dirección a partir de otras magnitudes, como, por ejemplo, la
velocidad de guiñada del vehículo. Esta medida podría emplearse
para excluir influencias del tiempo y del medio ambiente.
Para suprimir perturbaciones es ventajoso
introducir un circuito de par o de fuerza local en un módulo del
elemento a accionar. Preferiblemente, se elige en este caso un
comportamiento de paso alto para no poner en peligro la exactitud
estacionaria de la regulación. Se pueden imitar también efectos de
rozamiento por adherencia en el mecanismo de dirección tomándolos
en consideración no lineal al generar la magnitud de acoplamiento
de actuador o la magnitud de control.
En conjunto, es posible de manera sencilla con
la presente invención proporcionar una sensación de realimentación
auténtica.
Ayudándose de un sistema de dirección
mecánicamente desacoplado y haciendo referencia a los dibujos
adjuntos se explica con más detalle una forma de realización
concreta de la invención. Los dibujos muestran en:
La figura 1, una representación esquemática de
un esquema de funcionamiento de una dirección mecánicamente
desacoplada según el estado de la técnica,
La figura 2, una representación esquemática de
un esquema de funcionamiento con ángulos de par y de desviación en
una dirección mecánica sin servoasistencia,
La figura 3, una ilustración como la figura 3,
pero para una dirección mecánica con servoasistencia,
La figura 4, un diagrama que representa el par
de asistencia frente al par del volante en un Servotronic para dos
velocidades de marcha diferentes y
La figura 5, una representación esquemática de
un esquema de un sistema de dirección sin acoplamiento mecánico
entre la unidad de mando y el mecanismo de dirección según la
presente invención.
Para entender mejor la invención se exponen
primeramente las particularidades de una dirección dotada de
acoplamiento mecánico con y sin servoasistencia. Los modelos
siguientes para diseñar los sistemas de dirección se concentran en
los efectos físicos fundamentales que se presentan en forma de
masas, muelles y amortiguadores. Se desprecian aquí las faltas de
linealidad.
\newpage
En todas las figuras los mismos símbolos de
referencia e indicaciones se refieren a los mismos dispositivos o
magnitudes físicas. Se emplean y se tienen en cuenta las magnitudes
siguientes:
- \varphi_{LR}
- Ángulo de dirección en la unidad de mando 10
- \tau_{F}
- Par del conductor en la unidad de mando 10
- \varphi_{LG}
- Anguilo en la salida de la unidad de ajuste de rueda 20
- \tau_{R}
- Par de rueda/calzada
- \tau_{LG}
- Par en el mecanismo de dirección
- \tau_{LR}
- Par en el árbol 11 del volante
- v
- Velocidad del vehículo
- \varphi_{AM}
- Anguilo de la unidad de ajuste de par 16
- \tau_{AM}
- Par generado por la unidad de ajuste de par 16
- \varphi_{BM}
- Anguilo del dispositivo de ajuste de rueda 20 en el mecanismo de dirección 26
- \tau_{BM}
- Par generado por el dispositivo de ajuste de rueda 20
- J_{LR}
- Inercia rotatoria de la unidad de mando 10
- J_{R}
- Inercia rotatoria de las dos ruedas dirigidas 28, referido a \varphi_{LG}
- d_{LR}
- Rozamiento de deslizamiento en el árbol 11 del volante
- d_{LG}
- Rozamiento de deslizamiento en el mecanismo de dirección 26
- c_{LS}
- Rigidez de la barra de torsión de una servodirección actual
- c_{LR}
- Rigidez de la barra de torsión en la columna de dirección de un sistema de dirección sin acoplamiento mecánico entre la unidad de mando 10 y la unidad de ajuste de par 16
- c_{LG}
- Rigidez de la barra de dirección en el módulo de mecanismo de dirección de un sistema de dirección sin acoplamiento mecánico entre el dispositivo de ajuste de rueda 20 y el mecanismo de dirección 26
- \tau_{LS}
- Par de asistencia de una dirección con servoasistencia.
En la figura 2 se representa de manera
esquemática un sistema de dirección con una unidad de mando 10
construida como un volante, la cual está unida mecánicamente con
una columna de dirección 50. La columna de dirección 50 está a su
vez mecánicamente acoplada, a través de un piñón 40, con un
mecanismo de dirección 26 que está concebido de manera conocida
para desviar ruedas dirigibles 28.
La figura 3 se diferencia de la figura 2
únicamente en que se ilustra un sistema de dirección de vehículo
con servoasistencia que se expresa en el parámetro de rigidez
c_{LS} y un par de asistencia adicional \tau_{LS}.
La figura 4 representa a modo de ejemplo dos
curvas características del par de asistencia \tau_{LS} en
función del par \tau_{LR} del volante, concretamente para dos
velocidades diferentes del vehículo.
Con ayuda de la figura 5 se explica seguidamente
la presente invención con más detalle. Esta figura se diferencia
frente a las figuras 2 y 3 por el hecho de que la unidad de mando 10
está mecánicamente desacoplada del mecanismo de dirección 26. El
acoplamiento está materializado por medio de dos actuadores, a
saber, una unidad de ajuste de par 16 y una unidad de ajuste de
rueda 20, que son accionados por vía eléctrica y que, con
intercalación de rigideces c_{LR} y c_{LG}, respectivamente,
entregan los pares generados por ellas a un árbol 11 de volante y a
un árbol de dirección 21, respectivamente. Los dos actuadores, es
decir, la unidad de ajuste de par 16 y la unidad de ajuste de rueda
20, son solicitados por un aparato de control 18 (véase la figura
1). Mediante una activación correspondiente de la unidad de ajuste
de par 16 y de la unidad de ajuste de rueda 20 se puede conseguir
un acoplamiento determinado entre estos dos actuadores, así como
entre la unidad de mando 10 y el mecanismo de dirección 26.
En primer lugar, se describirá una dirección
puramente mecánica sin servoasistencia como la que está representada
en la figura 2.
Se emplean aquí matrices de transferencia para
la representación de ecuaciones de reacción y, a diferencia de la
representación usual como relación de
velocidad-fuerza, se utilizan en el presente caso
ángulos y pares en calidad de magnitudes de referencia. Si en un
modelo de esta clase se consideran magnitudes de entrada el ángulo
\varphi_{ein} y el par \tau_{ein}, y se consideran
magnitudes de salida el ángulo \varphi_{aus} y el par
\tau_{aus}, se puede escribir entonces una función de
transferencia y de acoplamiento en forma de matriz general y
compacta como sigue:
Los elementos individuales se han definido en
este caso como siendo:
El elemento z_{11} describe la multiplicación
de ángulo y el elemento z_{22} describe la multiplicación de par.
Las magnitudes z_{12} y z_{21} representan las rigideces de
entrada y de salida, respectivamente.
Como se representa en la figura 2, en una unión
puramente mecánica una columna de dirección idealmente rígida y sin
masa une la unidad de mando 10 con el mecanismo de dirección 26. Se
cumplen entonces
(3)\varphi_{LR} = \varphi_{LG}
\hskip0.5cmy
\hskip0.5cm\tau_{LR} = -\tau_{LG}
Como inercias movidas se incorporan aquí también
la inercia J_{LR} del volante y la inercia J_{R} de las ruedas
dirigibles 28 y del mecanismo de dirección 26. Asimismo, se
amortigua el movimiento de giro de la unidad de mando 10 con un
coeficiente de rozamiento de deslizamiento d_{LR}. Resulta
así:
(4)\tau_{F} =
\tau_{LR} \ + (J_{LR}s^{2} \ + \
d_{LR}s)\varphi_{LR}
en donde s representa la variable
de
Laplace.
Las repercusiones sobre las ruedas dirigibles 28
se describen por medio:
(5)\tau_{R} =
\tau_{LG} \ + \ (J_{R}s^{2} \ + \
d_{LG}s)\varphi_{LG}
Las inercias J_{R} de las ruedas y el
coeficiente de rozamiento d_{LG} son aquí parámetros referidos en
su dinámica al ángulo \varphi_{LG} del mecanismo de
dirección.
En la escritura de matrices elegida en (1) y (2)
se obtiene a partir de las ecuaciones (3) a (5) la siguiente matriz
de transferencia del volante:
para la matriz de transferencia de
la columna de
dirección
\newpage
y para la matriz de transferencia
de las ruedas
dirigidas:
Por tanto, el conductor siente el contacto
rueda/calzada a través de la matriz de transferencia total de la
dirección mecánica, que se puede describir como sigue:
Si se emplea la misma clase de descripción en
una dirección mecánica con servoasistencia (Servotronic), se ha de
tener en cuenta que, a través de una barra de torsión 42 (véase la
figura 3) en la columna de dirección, se obtiene el par J_{LR}
aplicado sobre la unidad de mando 10 y se amplifica éste a través de
una curva característica no lineal. En el caso de una
servoasistencia, la curva característica del par de dirección
adicional \tau_{LS} de la servoasistencia depende casi siempre
de la velocidad. Por tanto, se cumple
(10)\tau_{LG}
= -(\tau_{LR} \ + \
\tau_{LS}(\tau_{LR},v))
En la figura 4 se han representado dos curvas
características de amplificación J_{LS} que representan el par de
asistencia en función del par J_{LR} del volante. Las velocidades
elegidas son una velocidad de aparcamiento y una velocidad de v
> 80 km/h.
Debido a la influencia de la barra de torsión 42
con la rigidez c_{LS} se obtiene para la correlación angular
entre el ángulo de dirección \varphi_{LR} en la unidad de mando
y el ángulo \varphi_{LG} del mecanismo de dirección
(11)\varphi_{LR} = \varphi_{LG} \
+ \
\frac{\tau_{LR}}{c_{LS}}
Las ecuaciones 10 y 11 pueden agruparse en
escritura de matrices en lugar de la ecuación 7 dando:
En un sistema de dirección sin acoplamiento
mecánico entre la unidad de mando 10 y las ruedas 28 a dirigir
(véase ahora la figura 5) la columna de dirección 50 está desdoblada
en el árbol 11 del volante para la unidad de mando 10 y el árbol de
dirección 21 para el mecanismo de dirección. Resultan así dos
llamados módulos, a saber, un módulo de volante que comprende el
árbol 11 del volante, el elemento de mando 10, la barra de torsión
44 y la unidad de ajuste de par 16, y un módulo de mecanismo de
dirección que comprende el piñón de dirección 40, el mecanismo de
dirección 26, la barra de torsión 46, la unidad de ajuste de rueda
20 y las ruedas 28 a dirigir.
En lugar de la barra de torsión 42 de la
servodirección (véase la figura 3) se presentan ahora los dos
actuadores eléctricos, a saber, la unidad de ajuste de par 16 y la
unidad de ajuste de rueda 21. La unidad de ajuste de par 16 para
generar la sensación de conducción en la unidad de mando 10 está
unida con el árbol 11 del volante y con el elemento de mando 10 a
través de otra barra de torsión 44 con la rigidez c_{LR}.
La unidad de ajuste de rueda 20 para dirigir las
ruedas dirigibles 28 está unida, también a través de otra barra de
torsión 46 con la rigidez c_{LG}, con el piñón 40 del mecanismo de
dirección (véase la figura 5).
Si se tienen en cuenta ahora las dos barras de
torsión análogamente a la ecuación (12), resultan entonces las
ecuaciones siguientes
(13)\varphi_{LR} = \varphi_{AM} +
\frac{\tau_{LR}}{c_{LR}}
(14)-\tau_{LR}
=
\tau_{AM}
(15)\varphi_{LG} = \varphi_{BM} +
\frac{\tau_{LG}}{c_{LG}}
(16)-
\tau_{BM} =
\tau_{LG}
En escritura de matrices se pueden agrupar ahora
las ecuaciones (13) a (16) en lugar de (12) como sigue:
y
En la forma preconizada por la invención se
define ahora un acoplamiento entre los dos actuadores, a saber, la
unidad de ajuste de par 16 y la unidad de ajuste de rueda 20, como
sigue:
Con esta ecuación y teniendo en cuenta la
condición
(20)Z_{AM}Z_{Reg}Z_{BM} =
Z_{LSS}
se puede imitar así exactamente de
manera sencilla el comportamiento y la sensación de conducción de
una dirección mecánica. En este caso, las matrices Z_{AM} y
Z_{BM} son constantes, de modo que con una elección
correspondiente de la matriz de acoplamiento de actuador Z_{Reg}
se puede elegir la clase del acoplamiento mecánico elegido Z_{LS}
que se desea
imitar.
En la imitación de un acoplamiento mecánico con
servodirección se puede emplear la misma matriz de transferencia
en donde hay que tener ahora en
cuenta la
condición
(22)Z_{AM}Z_{Reg}Z_{BM} =
Z_{LSS}
En este caso, las matrices Z_{LS} y Z_{LSS}
se diferencian, tal como puede apreciarse mediante una comparación
de las ecuaciones (7) y (12), tanto por un factor de rigidez como
por un parámetro que depende de la velocidad y de un par de mando
en la unidad de mando 10.
La presente invención garantiza una imitación
auténtica de una sensación de marcha como en una dirección mecánica
con o sin servodirección o con una realimentación auténtica.
En este caso, no se genera, como en los demás
modos de proceder propuestos, un par de reposición determinado
únicamente en función de una contrafuerza generada en las ruedas
dirigibles, de la velocidad del vehículo o de un ángulo de
dirección. Por el contrario, el presente enfoque se diferencia en
una imitación física de un acoplamiento mecánico que determina
después la realimentación de un par detectado aplicado a las
ruedas.
Como ya se ha mencionado al principio, la
presente invención se puede aplicar, naturalmente, en todas las
partes en que un acoplamiento anteriormente mecánico entre un
elemento de mando y un elemento a accionar sea sustituido por una
unión mecánicamente desacoplada, no pudiendo prescindirse entonces
de un retroaviso.
Claims (12)
1. Procedimiento para imitar un acoplamiento
mecánico entre un elemento de mando (10) a accionar por un usuario
y un elemento (28) a accionar en un vehículo, los cuales no están
directamente acoplados uno con otro por vía mecánica, siendo
solicitado el elemento de mando (10) en cuanto a par de giro o a
fuerza por un primer actuador eléctrico (16) y siendo solicitado el
elemento (28) a accionar en cuanto a par de giro o a fuerza por un
segundo actuador eléctrico (20), con los pasos siguientes:
solicitación del elemento (28) a accionar por el
segundo actuador eléctrico (20) con un par de giro activo o una
fuerza activa,
captación del contrapar (\tau_{LG}) actuante
sobre el elemento (28) a accionar o de la contrafuerza actuante
sobre el mismo,
cálculo de un par de giro de realimentación o de
una fuerza de realimentación en función del contrapar o de la
contrafuerza,
solicitación del elemento de mando (10) por el
primer actuador eléctrico (16) con el par de giro de realimentación
o la fuerza de realimentación,
caracterizado porque
se prefija una magnitud en forma de una matriz
(Z_{LS}, Z_{LSS}) para el acoplamiento mecánico a imitar entre
el elemento de mando (10) y el elemento (28) a accionar,
se determina al menos una magnitud de
acoplamiento de actuador a partir de la magnitud para el
acoplamiento mecánico a imitar y teniendo en cuenta los
acoplamientos entre el primer actuador (16) y el elemento de mando
(10), así como entre el segundo actuador (20) y el elemento (28) a
accionar, y
se determina al menos una magnitud de control
para el primer actuador (16) al menos a partir de la al menos una
magnitud de acoplamiento de actuador y del contrapar captado o de la
contrafuerza captada.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque como magnitud de acoplamiento de
actuador se calcula una matriz de transferencia Z_{Reg} que
define el acoplamiento entre los dos actuadores (16, 20) según
en donde \varphi_{AM}
representa un ángulo o una longitud en el primer actuador,
\varphi_{BM} representa un ángulo o una longitud en el segundo
actuador, \tau_{AM} representa un par o una fuerza en el primer
actuador y \tau_{BM} representa un par o una fuerza en el
segundo
actuador,
teniendo en cuenta la condición
Z_{AM}Z_{Reg}Z_{BM} =
Z_{LS}
con Z_{AM} como matriz de
acoplamiento entre el elemento de mando (10) y el primer actuador
(16), Z_{BM} como matriz de acoplamiento entre el elemento (28) a
accionar y el segundo actuador (20) y Z_{LS} como matriz de un
acoplamiento mecánico a imitar entre el elemento de mando (10) y el
elemento (28) a
accionar.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
determina el acoplamiento de actuador de tal manera que se presente
una multiplicación de ángulo y/o una multiplicación de par o de
fuerza entre los dos actuadores.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque se determina la multiplicación de
ángulo, de par y/o de fuerza en dependencia de parámetros del
funcionamiento de marcha.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la
determinación de la al menos una magnitud de acoplamiento de
actuador o de la al menos una magnitud de control se tienen en
cuenta otros parámetros de funcionamiento del vehículo y/o del
entorno.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque se emplean como parámetros de
funcionamiento del vehículo o del entorno una magnitud de
accionamiento del elemento de mando (10), una velocidad del
vehículo, el estado de la calzada o una señal de ángulo de
guiñada.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, para la
supresión de perturbaciones, se emplea un circuito de par o de
fuerza local en un módulo del elemento (28) a accionar.
8. Dispositivo para imitar un acoplamiento
mecánico entre un elemento de mando (10) a accionar por un usuario
y un elemento (28) a accionar en un vehículo, los cuales no están
ambos directamente acoplados uno con otro por vía mecánica, que
comprende
un primer actuador eléctrico (16) que está
acoplado mecánicamente con el elemento de mando (10)
un segundo actuador eléctrico (20) que está
acoplado mecánicamente con el elemento (28) a accionar,
un detector (22) para captar un contrapar o una
contrafuerza en el elemento (28) a accionar,
un equipo de control (18) que está unido con los
dos actuadores (16, 20) y activa éstos en función del contrapar
captado o de la contrafuerza captada,
caracterizado porque
la unidad de control (18) contiene una magnitud
para el acoplamiento mecánico a imitar entre el elemento de mando
(10) y el elemento (28) a accionar en forma de una matriz (Z_{LS},
Z_{LSS}) o bien el aparato de control (18) está concebido para
recibir una magnitud de esta clase,
la unidad de control (18) está concebido de tal
manera que, sobre la base de la magnitud para el acoplamiento
mecánico a imitar y teniendo en cuenta los acoplamientos entre el
primer actuador (16) y el elemento de mando (10), así como entre el
segundo actuador (20) y el elemento (28) a accionar, se calcule al
menos una magnitud de acoplamiento de actuador, y
la unidad de control (18) está concebida de tal
manera que se determine al menos una magnitud de control para el
primer actuador (16) al menos a partir de la al menos una magnitud
de acoplamiento de actuador y el contrapar captado o la
contrafuerza captada.
9. Dispositivo según la reivindicación 8,
caracterizado porque el acoplamiento mecánico a imitar está
archivado en el aparato de control (18) en forma de una matriz
Z_{LS} o bien puede ser alimentado a este aparato, y porque una
unidad de cálculo del aparato de control está diseñada para calcular
una correlación
en donde \varphi_{AM}
representa un ángulo o una longitud en el primer actuador,
\varphi_{BM} representa un ángulo o una longitud en el segundo
actuador, \tau_{AM} representa un par o una fuerza en el primer
actuador y \tau_{BM} representa un par o una fuerza en el
segundo
actuador,
teniendo en cuenta la condición
Z_{AM}Z_{Reg}Z_{BM} =
Z_{LS}
con Z_{AM} como matriz de
acoplamiento entre el elemento de mando y el primer actuador y
Z_{BM} como matriz de acoplamiento entre el elemento a accionar y
el segundo
actuador.
10. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque el equipo de
control (18) presenta una unidad de filtro para la supresión de
perturbaciones.
11. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el aparato de
control (18) está diseñado de modo que la magnitud archivada en el
mismo o la magnitud a alimentar al mismo correspondiente al
acoplamiento mecánico sea variable en función de parámetros tales
como la velocidad del vehículo, la velocidad de mando del elemento
de mando o el estado de la calzada.
12. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 8 a 11, caracterizado porque al lado del
elemento (28) a accionar está previsto un circuito de par o de
fuerza local para la supresión de perturbaciones.
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