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Dokumentenidentifikation DE102004016680B4 16.02.2006
Titel Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator
Anmelder Foerst, Reiner, Dr., 51643 Gummersbach, DE
Erfinder Foerst, Reiner, Dr., 51643 Gummersbach, DE
DE-Anmeldedatum 05.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004016680
Offenlegungstag 03.11.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.02.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.02.2006
IPC-Hauptklasse G09B 9/04(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B62D 15/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator. Aufgabe einer solchen Vorrichtung ist es, die Rückstellmomente, die bei einer echten Autofahrt am Lenkrad auftreten, zu simulieren. Dank der Vorspur der Vorderräder entsteht beim Lenkradeinschlag ein Drehmoment, welches das Lenkrad in Mittelstellung zurückdrückt. Dieses Drehmoment hängt vom Lenkradeinschlag, der Geschwindigkeit des Autos und der Zeit ab. Zur Simulation kann die natürliche Charakteristik durch eine einfachere angenähert werden. Meist genügt ein etwa konstantes Drehmoment, welches das Lenkrad unabhängig von seinem Einschlagwinkel und von der Geschwindigkeit des Autos zurückdrückt, wobei im Bereich der Geradeausstellung das Drehmoment dem Lenkradanschlag etwa proportional folgt.

Solche Vorrichtungen sind bekannt. Üblicherweise wird ein Elektromotor verwendet, dessen Drehmoment in Abhängigkeit vom Lenkradwinkel und gegebenenfalls von der Geschwindigkeit des Autos gebracht wird. Der Lenkradwinkel wird dabei entweder in absoluter Größe oder mit Hilfe eines Inkrementalwinkelgebers gemessen. Im letzteren Falle ist ein Sensor zur Erfassung der Geradeausstellung des Lenkrades erforderlich. Es gibt auch mechanisch funktionierende Vorrichtungen.

In der US-Patentschrift Chuang: „Variable Resistance Computer Input Wheel" US 5, 370, 536 A ist ein Mechanismus mit vier Federn beschrieben, deren Spannung mit Motorkraft veränderbar ist. Die Nachteile dieses Mechanismusses sind, dass die Rückstellcharakteristik unnatürlich ist und dass ein maximaler Einschlagwinkel von nur circa ± 90° erreicht wird.

Auch andere bekannte mechanischen Lösungen haben die Nachteile, dass die Kennlinie zwischen Drehmoment und Lenkradwinkel weit hinter dem natürlichen Verhalten zurück bleibt, und dass nicht ein ausreichender Winkelhub nach jeder Seite bis zum Lenkradanschlag erreicht wird.

Der Nachteil bei der Verwendung eines Elektromotors zur Rückstellung des Lenkrades ist der verhältnismäßig große Aufwand für den Motor, das Steuergerät, das Netzteil, Eingangsinterface-Hardware mit ausreichend hoher Winkelauflösung, und gegebenenfalls den Sensor zur Erfassung der Geradeausstellung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, mit geringstmöglichem wirtschaftlichen Aufwand eine Vorrichtung zur Lenkradrückstellung zu schaffen, die eine ausreichend vorbildgetreue Kennlinie hat und einen großen Lenkradwinkel bis zu den Endanschlägen ermöglicht. Ebenfalls aus wirtschaftlichen Gründen sollte hierbei ein Lenkgetriebe vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Besonderheit dieser Lösung liegt darin, dass die natürliche Lenkradcharakteristik durch eine einfache Drehmoment-/ Winkel-Kennlinie ersetzt wird. Im Bereich um den Mittelpunkt herum wird eine etwa proportionale Charakteristik erzeugt, die dafür sorgt, dass das Lenkrad auch bei kleinsten Einschlägen in die Mittellage zurückgetrieben wird. Außerhalb des mittleren Bereiches ergibt sich ein Rückstellmoment, welches mit dem Lenkradeinschlag schwach ansteigt. Der maximale Lenkradeinschlag bis zu den Anschlägen beträgt nach jeder Seite immerhin fast eine ganze Umdrehung. Dieses Verhalten wird ohne Verwendung eines Getriebes erreicht. Die Vorrichtung ist robust und arbeitet verschleißfrei und geräuschlos. An das freie Ende der Verlängerung der Lenkradspindel kann ein beliebiger Drehwinkelgeber angekuppelt werden.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass auf einer Welle, die von der Lenkradspindel antreibbar ist, ein Antriebsarm befestigt ist, der bei Lenkradeinschlägen nach rechts einen Abtriebsarm für die Rechtsdrehung und bei Lenkradeinschlägen nach links einen Abtriebsarm für die Linksdrehung mitnimmt, wobei jeder Abtriebsarm einen Endanschlag aufweist. Zwei Vorspannungsmechanismen sorgen dafür, dass der rechte Abtriebsarm bei Rechtsdrehung des Lenkrades nach links und der linke bei Linksdrehung des Lenkrades nach rechts getrieben wird. Dadurch ist gewährleistet, dass der Antriebsarm im gesamten Lenkradwinkelbereich immer nur mit einem Abtriebsarm in Kontakt steht, während der andere in Mittelstellung verharrt.

Die Erfindung sei nun anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 ein Übersichtsbild der Vorrichtung

2 eine Schnittansicht

3 die Seitenansicht einer Ausgestaltung

4 die Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung

5 die Seitenansicht einer weiteren Ausgestaltung

6 eine zweifach geknickte Lenkradwinkel-/Drehmomentkennlinie

7 eine vierfach geknickte Kennlinie

8 eine gekrümmte Kennlinie

1 zeigt die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels, wobei zwei Vorspannungsmechanismen 7a und 7b sowie ein Drehwinkelgeber 16 in abstrakter Weise als Blöcke eingezeichnet sind. Kanten, mit denen einzelne Teile mit dem feststehenden Rahmen der Anordnung verbunden sind, sind durch Schraffurleisten dargestellt. Das Lenkrad des Fahrsimulators ist mit 1 und die Lenkradspindel mit 1a bezeichnet. Es ist eine Lenkradkupplung 2 vorgesehen, mit der eine Welle 3 an die Lenkradspindel ankuppelbar ist.

2 zeigt die Schnittansicht A – A von 1.

Die 1 und 2 zeigen gemäß Anspruch 1, dass die Welle 3 in zwei Wellenlagern 4a und 4b drehbar gelagert ist. Der zur Rechtsdrehung gehörige Vorspannungsmechanismus ist mit 7a, der zur Linksdrehung gehörige mit 7b bezeichnet. Der rechte Abtriebsarm 5a und der linke 5b sind mit den beiden Abtriebslagern 6a und 6b drehbar auf der Welle 3 gelagert. Ein Antriebsarm 9 mit einer rechten Antriebsplatte 11a und einer linken 11b ist mittels einer Antriebsarmkupplung 10 fest mit der Welle 3 verbunden. Am rechten Abtriebsarm 5a ist eine Abtriebsplatte 13a und am linken 5b eine Abtriebsplatte 13b befestigt. Zwischen der rechten Antriebsplatte 11a und der rechten Abtriebsplatte 13a befindet sich ein Antriebspuffer 12a, der mit einer der beiden Platten fest verbunden ist. In gleicher Weise befindet sich zwischen der linken Antriebsplatte 11b und der linken Abtriebsplatte 13b ein linker Antriebspuffer 12b, der entweder mit der einen oder der anderen Platte verbunden ist. Der rechte Antriebspuffer 12a steht bei Rechtsdrehung des Lenkrades, der linke 12b bei Linksdrehung unter Druck. Die Antriebspuffer sind so robust ausgeführt, dass sie dem Druck gegen den Endanschlag des Lenkrades standhalten. Es sind Gummipuffer verwendbar.

Der rechte Abtriebsarm 5a weist weiterhin eine rechte Mittelanschlag-Platte 14a auf, die über einen rechten Federkörper 15a gegen eine rechte Mittelanschlag-Gegendruckplatte 16a andrückbar ist. Entsprechend weist der linke Abtriebsarm 5b eine linke Mittelanschlag-Platte 14b auf, die über einen linken Federkörper 15b gegen eine linke Mittelanschlag-Gegendruckplatte 16b andrückbar ist. Die beiden Federkörper 15a und 15b haben eine proportionale Weg-Kraft-Charakteristik. Es sind Druckfedern oder Gummipuffer verwendbar. Dieser Mittelanschlagsmechanismus dient der Drehsperre im jeweils nicht aktiven Bereich des Lenkradeinschlages im Falle, dass ein Vorspannungsmechanismus gemäß Anspruch 2 ausgeführt wird.

Der rechte Abtriebsarm 5a weist weiterhin eine rechte Endanschlag-Platte 17a auf, die über einen rechten Endanschlag-Puffer 18a gegen eine rechte Endanschlag-Gegendruckplatte 19a andrückbar ist. Ausgehend von der Mittelstellung des Lenkrades stoßen die Abtriebsarme nach etwas weniger als einer vollen Abtriebsarm-Umdrehung gegen die Endanschläge. Als Endanschlag-Puffer 18a und 18b sind Gummipuffer verwendbar. Am freien Ende der Welle 3 ist ein Drehwinkelgeber 16 eingezeichnet. Er stützt sich gegen den festen Rahmen ab. Es ist ein digitaler Absolutwertwinkelgeber, ein digitaler Inkrementalwinkelgeber oder ein Potentiometer verwendbar. Bei Verwendung eines Potentiometers ist dieses entweder als Getriebepotentiometer mit einem Übersetzungsverhältnis 1:2 auszuführen, damit die abgegebene Gleichspannung in beiden Drehbereichen des Lenkrades eindeutige Werte abgibt, oder es ist im Simulationsrechner per Software dafür zu sorgen, dass ein Sprung der vom Potentiometer abgegebenen Spannung vom Maximalwert auf den Minimalwert oder umgekehrt die Sprungdifferenz-Spannung so dem vorangegangenen Wert hinzuaddiert wird, dass eine stetig verlaufende effektive Lenkradwinkelspannung entsteht.

3 zeigt gemäß Anspruch 2 eine Ausgestaltung des Vorspannungsmechanismusses 7a für den rechten Abtriebtriebsarm 5a. Es ist eine Torsionsfeder 24a vorgesehen. Sie steht ständig unter Vorspannung und drückt den Abtriebsarm 5a entweder gegen die rechte Antriebsplatte oder gegen die rechte Mittelanschlag-Gegendruckplatte.

4 zeigt gemäß Anspruch 3 eine Ausgestaltung des rechten Federkörpers 15a. Dargestellt sind zwei Druckfedern 25a1 und 25a2 verschiedener Federraten, die hintereinander gefügt sind, so dass sich eine geknickte Weg-Kraft-Kennlinie ergibt, die aus zwei Geradenabschnitten besteht.

5 zeigt gemäß Anspruch 4 eine Alternative zur Lösung gemäß den 3 und 4. Es wird ein Zahnrad 21a verwendet, an dem eine Kette 22a befestigt ist, die an dem einen Ende in eine vorgespannte Zugfeder 23a eingehängt ist. Diese Zugfeder ist am anderen Ende fest mit dem Rahmen verbunden. In der Darstellung gemäß 5 ist die Kette 22a tangential gegenüber dem Zahnrad 21a ausgerichtet. Dieser Zustand entspricht dem Arbeitspunkt der Kennlinie (siehe 8), in dem der Geradenabschnitt bei starken Lenkradeinschlägen seinen Anfang hat. Bei kleineren Lenkradeinschlägen zieht die Feder 23a über die Kette 22a mehr in tangentialer Richtung, wodurch sich der nichtlineare Verlauf der Kennlinie ergibt.

6 zeigt die Momenten-Winkel-Kennlinie bei Ausführung der Vorrichtung mit Torsionsfeder gemäß Anspruch 2 und einer Druckfeder. M ist das Drehmoment und W der Lenkradwinkel.

7 zeigt die Kennlinie bei Verwendung eines zweifach ausgestalteten Federkörpers gemäß Anspruch 3 und 4. Dabei befindet sich die Anordnung mit zwei hintereinandergefügten Druckfedern 25a1 und 25a2 zwischen Mittelanschlag-Platte und Mittelanschlag-Gegendruckplatte.

8 zeigt die Kennlinie bei Verwendung von Zahnrädern, Ketten und Zugfedern gemäß Anspruch 4 und 5, wobei in Mittelstellung des Lenkrades die Ketten mehr in radialer Richtung an den Zahnrädern ausgerichtet sind und erst nach etwa einer Viertel Lenkradumdrehung in den aktiven Bereich hinein lineares Verhalten zeigen.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Lenkradrückstellung in einem Fahrsimulator unter Verwendung einer Welle und eines Wellenlagers für das Lenkrad, zweier Abtriebsarme, an denen jeweils ein Vorspannungsmechanismus angreift, und eines Drehwinkelgebers, der an die Welle angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,

    dass die Welle (3) an die Lenkradspindel (1a) des Fahrsimulators über eine Lenkradkupplung (2) angekuppelt ist,

    dass ein Antriebsarm (9) vorgesehen ist, der einseitig mittels einer Antriebsarmkupplung (10), die vom Lenkrad (1) antreibbar ist, fest an die Welle (3) angekuppelt ist, und der am äußeren Ende eine rechte Antriebsplatte (11a) und eine linke Antriebsplatte (11b) aufweist,

    dass der rechte Abtriebsarm (5a) und der linke Abtriebsarm (5b) auf der Welle (3) mittels zweier Abtriebslager (6a und 6b) drehbar gelagert sind, dass am rechten Abtriebsarm (5a) eine rechte Abtriebsplatte (13a) befestigt ist, über die er mittels eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Antriebspuffers (12a) nach rechts drehbar ist, und dass am linken Abtriebsarm (5b) eine linke Abtriebsplatte (13b) befestigt ist, über die er mittels eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Antriebspuffers (12b) nach links drehbar ist,

    dass der rechte Abtriebsarm (5a) weiterhin eine rechte Endanschlagplatte (17a) aufweist, mittels derer unter Verwendung einer rechten Endanschlag-Gegendruckplatte (19a) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Endanschlagspuffers (18a) verhindert wird, dass der rechte Abtriebsarm (5a) um mehr als etwa eine volle Umdrehung nach rechts drehbar ist, und dass der linke Abtriebsarm (5b) weiterhin eine linke Endanschlagplatte (17b) aufweist, mittels derer unter Verwendung einer linken Endanschlag-Gegendruckplatte (19b) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Endanschlagspuffers (18b) verhindert wird, dass der linke Abtriebsarm (5b) um mehr als etwa eine volle Umdrehung nach links drehbar ist, und dass ein rechter Vorspannungs-Mechanismus (7a) vorgesehen ist, welcher den Abtriebsarm (5a) nach links treibt, und dass ein linker Vorspannungs-Mechanismus (7b) vorgesehen ist, welcher den Abtriebsarm (5b) nach rechts treibt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

    der Vorspannungs-Mechanismus (7a) aus einer Torsionsfeder (24a) besteht, die einseitig in den Abtriebsarm (5a) eingehängt und an der anderen Seite fest eingespannt ist, und die dafür sorgt, dass der Abtriebsarm (5a) ständig nach links getrieben wird, und dass der Vorspannungs-Mechanismus (7b) aus einer Torsionsfeder (24b) besteht, die einseitig in den Abtriebsarm (5b) eingehängt und an der anderen Seite fest eingespannt ist, und die dafür sorgt, dass der Abtriebsarm (5b) ständig nach rechts getrieben wird,

    und dass der rechte Abtriebsarm (5a) eine rechte Mittelanschlagplatte (14a) aufweist, die durch Verwendung einer rechten Mittelanschlag-Gegendruckplatte (16a) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Federkörpers (15a) verhindert, dass der Abtriebsarm (5a) über seine Mittelstellung hinaus nach links drehbar ist, und dass der linke Abtriebsarm (5b) weiterhin eine linke Mittelanschlagplatte (14b) aufweist, die durch Verwendung einer linken Mittelanschlag-Gegendruckplatte (16b) und eines zwischen den beiden Platten einseitig befestigten Federkörpers (15b) verhindert, dass der Abtriebsarm (5b) über seine Mittelstellung hinaus nach rechts drehbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federköper (15a und 15b) aus Gummipuffern, Druckfedern, oder aus mehreren hintereinander gefügten Druckfedern (25a1, 25a2, 25b1 und 25b2) verschiedener Federraten bestehen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Vorspannungs-Mechanismus (7a) aus einem Zahnrad (21a), welches am Abtriebsarm (5a) befestigt und um die Welle (3) drehbar ist, einer Kette (22a) oder einem Seil, welche an der einen Seite am Umfang des Zahnrades (21a) befestigt ist, und an der anderen Seite an einer vorgespannten Zugfeder (23a), welche den Abtriebsarm (5a) bei Rechtsdrehung des Lenkrades nach links zieht, besteht, und dass der Vorspannungs-Mechanismus (7b) in gleicher Weise aus einem Zahnrad, einer Kette und einer vorgespannten Zugfeder besteht, welche den Abtriebsarm (5b) bei Linksdrehung des Lenkrades nach rechts zieht, und dass die Ketten der beiden Vorspannungsmechanismen 7a und 7b in einem solchen Winkel an den Zahnrädern befestigt sind, dass sich in Nullstellung des Lenkrades eine steile Momentenkennlinie ergibt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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