带有触觉模拟的操纵装置 |
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| 申请号 | CN200980110720.0 | 申请日 | 2009-03-05 | 公开(公告)号 | CN101981353B | 公开(公告)日 | 2014-01-15 |
| 申请人 | 莱姆福德电子有限责任公司; | 发明人 | R·黑弗舍尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于线控换挡操纵的换挡 变速器 的操纵装置。该操纵装置包括操纵杆(2)以及 位置 传感器 (5)和用于触觉模拟的装置。触觉模拟装置包括与操纵杆(2)连接的可调节的 力 产生部件(3)，该力产生部件铰接(8)在操纵装置的支座(10)上。根据本发明，该操纵装置的特征在于一种 弹簧 部件(4)，该弹簧部件设置在操纵杆(2)、力产生部件(3)和铰接机构(8)之间的作用连接(W)内，该弹簧部件的弹性常数是已知的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于选择换挡变速器的换挡等级的操纵装置，该操纵装置包括带有用于求得操纵杆(2)的位置的位置传感器(5)的操纵杆(2)以及用于触觉模拟的装置，其中触觉模拟装置包括与操纵杆(2)连接的铰接在操纵装置的支座(10)上的可调节的电流变的或磁流变的减震器(3)以及电动的促动器(6)，其特征在于，设有一种具有已知弹性常数的弹簧部件(4)，该弹簧部件设置在操纵杆(2)、可调节的减震器(3)和减震器(3)的活节(8)之间的作用连接(w)内，用于利用位置传感器(5)求得施加到操纵杆上的操纵力(F)，其中可调节的减震器(3)借助于控制特性曲线仅用于产生反作用力，而电动的促动器(6)借助于特性曲线仅用于促动操纵杆(2)。 |
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| 说明书全文 | 带有触觉模拟的操纵装置技术领域背景技术[0002] 汽车的换挡变速器通常借助于设置在驾驶员操作区域中的操纵装置来换挡或控制。为此通常使用诸如变速杆或换挡杆的操纵部件，这些操纵部件例如设置在汽车前排座椅之间，或者设置在驾驶舱(Cockpit)的其它区域中。 [0003] 出于人机工程学和安全方面的原因，在此特别是要求将可能发生的暂时不允许的换挡状态或所要求的换挡操作的过程，以相应的换挡阻力或操纵杆的锁止为形式，以在触觉上可明显感受到的方式通报给驾驶员，例如，驾驶员从完全同步的机械的变速器通过与该变速器的转速或速度相关的同步锁止来发觉和感受到此点，或者也可以从对自动变速器的通常操作通过该自动变速器的卡锁及其换挡锁止来发觉和感受到此点。 [0005] 然而对于电操纵的或线控换挡操纵的换挡变速器来说，在客舱中的操纵杆与发动机舱中的汽车变速器之间不再存在机械耦联。更确切地说，对于“线控换挡”的变速器而言，借助于电的或电子的信号，换挡指令从操纵装置传递至汽车变速器，接下来通常对变速器上的换挡指令进行电动液压转换。然而，由于在自动变速器与操纵杆之间缺少机械连接，所以变速器状态、可能的换挡锁止或不允许的换挡指令无法再让驾驶员感觉到地直接地反作用于操纵杆的状态。 [0006] 因此对于线控换挡控制的变速器来说，驾驶员不能直截了当地借助于在操纵杆上可感觉到的一定的卡锁的换挡位置来发觉到杆位置、行驶速度级或换挡指令在即时的行驶状态下可能是不允许的，因而不能选取。在线控换挡操纵情况下，驾驶员的换挡指令输出同样通过变速器反作用到操纵杆上，因此驾驶员也不能在触觉上感受到换挡操纵的过程，他例如从机械操纵的变速器通过该变速器的卡锁和同步卡锁来感受到此点。 [0007] 因而就线控换挡控制的变速器而言，为了实现所需要的触觉反馈，根据有待操作的换挡变速器的状态以及根据汽车的其它状态因素-例如发动机转速、车辆速度、离合器位置等-需要视变速器状态而定主动地以及促动控制地使得操纵杆的运动受到限制、延迟或者完全锁止。 [0008] 即使对于线控换挡控制的变速器而言，只有采用这种方式才能在操作操纵杆时在触觉上可感受到地向驾驶员传达其换挡意愿-例如由于当前的汽车速度或者由于即时的换挡变速器工作状态-是不允许的，因而受到锁止。由此也可以避免在操纵杆上仍能输入当前无法由线控换挡变速器转换的换挡指令，这些换挡指令由变速器电子单元识别出来，进而未从操纵装置传递到变速器上。 [0009] 如果对于线控换挡控制的变速器而言，驾驶员所受到的触觉反馈应与机械操纵的变速器-例如具有传动杆的手动变速器-一样，则同样需要操纵杆上的这种传动机构，其中借助换挡杆来输入各个档次，特别是与转速或速度相关地产生可感受到的操纵杆上的相应的反作用力变化过程。 [0010] 例如由DE 198 48 191 A1已知，在现有技术中尝试针对换挡变速器的操纵部件来实现相应的触觉，其方式为，给该操纵部件设有可电子控制的力产生部件或运动减震器，该运动减震器被控制装置适当地控制，使得在驾驶员操作操纵部件时，能在操纵部件上模拟在换挡变速器中随着相应的状态变化而产生的反作用力。 [0011] 但为了实现模拟触觉，特别是为了实现模拟作用在操纵杆上的反作用力，在此针对操纵杆的电子控制机构，需要在任何时刻都能识别出操纵杆的状态，无论在位置方面和必要时在角速度方面，还是在驾驶员当前施加到操纵杆上的力方面。然而按照由现有技术已知的解决方案，为此需要对操纵杆的位置和必要时的角速度进行检测的第一传感器以及附加地需要另一能求得由使用者施加的力的传感器。 [0012] 按照在防止系统失灵方面要满足的要求，此外还需要将现有技术中基本上必需的这两个传感器分别加倍，或者必须增加多倍。由此在现有技术中，由于需要大量的传感器，结果造成结构明显繁琐，成本相应地大大地增加。 发明内容[0013] 基于这种背景，本发明的目的在于，提出一种操纵装置，其具有用于模拟操纵杆触觉的装置-特别是用于对换挡变速器进行电操纵或电子的线控换挡操纵-且能克服现有技术的所述缺点。操纵装置在此特别是应结构简单，进而成本低廉，以及能可靠且精确地求得作用到操纵杆上的操纵力。而且能可靠且逼真地模拟机械卡锁的操纵杆的触觉。 [0014] 采用按本发明的操纵装置，即可实现所述目的。按本发明的特别是用于选择线控换挡的换挡变速器的换挡等级的操纵装置包括带有用于求得操纵杆的位置的位置传感器的操纵杆以及用于触觉模拟的装置，其中触觉模拟装置包括与操纵杆连接的铰接在操纵装置的支座上的可调节的电流变的或磁流变的减震器以及电动的促动器，其特征在于，设有一种具有已知弹性常数的弹簧部件，该弹簧部件设置在操纵杆、可调节的减震器和减震器的活节之间的作用连接内，用于利用位置传感器求得施加到操纵杆上的操纵力，其中可调节的减震器借助于控制特性曲线仅用于产生反作用力，而电动的促动器借助于特性曲线仅用于促动操纵杆。 [0015] 按照本已公知的方式，根据本发明的操纵装置包括带有传感器的操纵杆，该传感器用于求得操纵杆的当前位置。按照本已公知的方式，操纵装置还包括用于模拟触觉的装置，其包括与操纵杆连接的可控可调的电流变的或磁流变的减震器以及电动的促动器。 [0016] 但根据本发明，操纵装置的特征在于，-为了利用位置传感器求得施加到操纵杆上的操纵力-在任一位置设有具有已知弹性常数的弹簧部件，该任一位置位于就操纵力而言在操纵杆、可调的减震器和减震器在操纵装置的支座上的铰接机构之间已有的作用连接内。 [0017] 鉴于所述作用连接内的弹簧部件及其已知的弹性常数，根据本发明，在操纵装置中已有的一个唯一的位置传感器就足以既能求得操纵杆的即时位置，又能求得操作者施加到操纵杆上的操纵力。概念“作用连接内的任一位置”系指对于实现本发明来说，弹簧部件设置在操纵杆与可调的减震器之间的连接区域内，设置在可调的减震器及其在操纵装置支座上的铰接机构之间的连接区域内，还是设置在这两个连接之间的任一位置，这在原则上并不重要。 [0018] 根据本发明，利用位置传感器来求得施加到操纵杆上的操纵力，经过适当设计，使得利用位置传感器对弹簧部件的压缩或膨胀做出反应，一旦操作者将一操纵力施加到操纵杆上。据此，与操纵杆连接的位置传感器将由操纵力引起的操纵杆的相应的(轻微的)运动记录下来。然后借助弹簧部件的已知弹性常数，根据操纵杆的由力引起的这种运动的程度，来求得施加到操纵杆上的力的大小。 [0019] 于是根据操作者施加到操纵杆上的操纵力的大小，操纵装置的电子控制机构例如可以对减震器进行相应的控制，-按照对实际卡锁的克服-在引入操纵杆运动时，通过所述控制使得操作者受到所希望的实际上的反作用力。采用这种方式-仅仅通过由位置传感器、弹簧部件和可调的减震器构成的装置-就已经可以在很大程度上逼真地模拟或仿效由机械卡锁的操纵杆已知的触觉。 [0020] 操纵杆可以是在至少两个换挡位置之间可移动的被卡锁的操纵杆，其具有稳定的杆位置，但也可以是单稳的在每次操纵之后又回到中间位置的操纵杆。 [0021] 使用电流变的或磁流变的减震器能实现可变化地产生几乎任意的反作用力，必要时直至受控地卡锁减震器，进而卡锁操纵杆，而能耗却最小，进而使得电能消耗和散热最小。使用电流变的或磁流变的减震器的另一优点是，减震器实际上可无磨损且无延迟地调节，这也有利于非常逼真地模拟机械操纵杆的触觉。 [0022] 本发明可以独立于弹簧部件的构造方式和设置方式来实现，只要能确保在力传递到操纵杆上时操纵杆由于弹簧部件的相应压缩而成功地进行轻微的运动。但根据本发明的一种优选的实施方式，弹簧部件由弹性体部件例如0形环构成。 [0023] 通过这种方式能特别成本低廉且节省空间地实现和设置弹簧部件，其方式例如为，将弹簧部件或0形环设置在操纵杆与可控制的减震器-或者减震器在操纵装置的壳体支座上的铰接机构-之间的作用连接内的任一位置上。 [0024] 根据本发明的另一种优选的实施方式，将弹簧部件设置在操纵装置的活节的区域中，或者形成操纵装置的活节的组成部分。 [0025] 由此得到一种结构特别简单的设计方案，因为通过这种方式无需结构上独立的弹簧装置。替代地，采用所希望的措施简单地将操纵装置的活节之一-其方式例如为将优选构造成弹性体部件的弹簧部件整合到该活节本身中-构造成弹性。通过这种方式例如能或者使用可调的减震器在壳体支座上的铰接机构，或者使用可调的减震器与操纵杆的连接，用于安置弹簧部件。 [0026] 根据一种特别优选的实施方式，在此，触觉模拟装置的可调的减震器-在使用控制特性曲线的情况下-仅用于产生与操作者所施加的手力相逆的反作用力。相反，电动的促动器-也借助于控制特性曲线-仅仅用于促动操纵杆。因而借助于控制特性曲线在减震器与电动的促动器之间进行规定的精确的任务分配，经过适当设计，使得仅通过减震器来产生力，且仅通过电动的促动器来产生运动。 [0027] 因而与现有技术不同，促动器-按照力反馈-不再用于产生力，而是仅用于主动地促动操纵杆。这样就能非常逼真地且完全地模拟和效仿机械的操纵杆的触觉。特别是通过可调的减震器与促动器的组合，还能完全逼真地模拟机械卡锁的触觉，而实际上并不存在机械的卡锁。在此，可调的减震器特定地且仅仅负责产生卡锁操纵杆或车辆变速器的实际上的反作用力，而促动器特定地且仅仅负责使得操纵杆实际上回弹至虚拟的卡锁滑槽的下凹中。 [0028] 此点也是特别有利的，因为由此可以实现减小促动器的能耗和模拟操纵杆的触觉，同时能使得促动器的尺寸小型化。因为与现有技术不同，促动器在当前仅用于使得操纵杆产生运动，但并不用于产生明显的反作用力，因为与由操作者所施加的操纵力相逆的反作用力完全可以由可控制的减震器来产生。 [0029] 但一旦操作者不再将明显的力施加到杆上，则通过控制机构和所存储的特性曲线就能相应地将对减震器的控制切换至电动的促动器，且可以通过电动的促动器来模拟操纵杆回落到(实际上根本就不存在的)变速器卡锁滑槽或操纵装置的下一个下凹中。在操纵杆回落到虚拟的卡锁滑槽的下凹中时产生必要时需要的制动力，这一任务以及直至操纵杆静止所需要的运动减振在此相应地也可以由减震器来承担。 [0030] 不仅完全模拟卡锁滑槽的换挡阻力的触觉，而且模拟换挡杆回弹运动到卡锁滑槽的下凹中，这种模拟具有决定性的优势，且使得本发明具有决定性的新颖性。 [0031] 由此例如也可以考虑给操纵杆配备可变的卡锁机构，其中不仅卡锁机构的硬度，而且卡锁下凹的数量及其相互间的间距，都可以随意改变地-通过软件或者通过对用于控制减震器和电动的促动器的特性曲线的相应选择-来调节。例如可以利用软件针对相应驾驶员的偏好，既调节卡锁点的数量，又调节它们的间距和硬度。在此通过所存储的特性曲线，对用于产生反作用力的减震器(只要使用者在杆上施加手力)进行控制，或者对电动的促动器(一旦使用者不再将明显的力施加到杆上，杆因而回落至其卡锁位置)进行控制。 [0032] 通过这种方式甚至可以根据意愿或偏好在某一次给驾驶员提供机械操纵的变速器的触觉，而在另一次则提供自动变速器的触觉，或者还提供无级换挡的触觉。为此必要时需要实现换挡杆或变速杆的多个换挡叉轴拨块凹槽(Schaltgasse)，在此可以多重地设置由可调的减震器、促动器和弹簧部件构成的装置，例如沿着操纵杆的两个相互垂直布置的运动轴进行设置。 [0033] 本发明可以独立于促动器的构造方式和设置方式来实现。特别是鉴于本发明和由此实现减小促动器尺寸，可以使用无变速器的直接驱动操纵杆的促动器。对于具有或没有电刷的直流发动机而言，也有选择促动器的其它方案，也可以使用步进电机。 [0034] 但根据一种优选的实施方式，操纵装置的促动器是电的伺服变速发动机，其中操纵杆优选直接与促动器的输出轴连接。由此使得结构节省空间、耐用且成本低廉。因为促动器仅负责使得操纵杆运动至或促动地回到卡锁滑槽的(虚拟的)下凹中，而产生反作用力的任务只能由受控的减震器来承担，所以可以使用比较小巧轻便的促动器，该促动器的轴还可以直接作用到操纵杆上。附图说明 [0035] 下面对照仅示出实施例的附图详细地介绍本发明。图中示出： [0036] 图1以示意性的立体图示出根据本发明的带有可调节的减震器和促动器的操纵装置的一个实施方式的工作原理；和 [0037] 图2为根据本发明的操纵装置的另一实施方式的立体图。 具体实施方式[0038] 图1以示意性的立体图示出根据本发明的操纵装置的工作原理，其带有可调节的减震器和促动器。 [0039] 一下子就能看到安置在轴1上的操纵杆2。还可看到非常示意性地示出的可调节的减震器3、设置在可调节的减震器3和换档杆2之间的弹簧部件4以及位置传感器5和促动器6，其中无论位置传感器5还是促动器6都直接与操纵杆2的轴1连接，或者直接与轴1相互作用。轴1通过轴承与操纵装置的(用阴影线示出的)支座10连接。促动器6和位置传感器5与操纵装置的支座10的同样存在的连接在根据图1的示意图中-为明了起见-未示出。 [0040] 可调节的减震器3或弹簧部件4通过示意性地示出的活节7与操纵杆2连接，其中可调节的减震器3还铰接在或固定在操纵装置的支座10上。 [0041] 图1中示出的实施方式因而既具有促动器6，又具有弹簧部件4和位置传感器5的组合，按照本发明，位置传感器可双重使用。 [0042] 在所示的实施方式中，采用这种方式既能求得操纵杆2的即时位置和/或围绕轴1的角速度，又能求得由驾驶员施加到操纵杆2上的操纵力F。因为一旦驾驶员将一力F施加到操纵杆2上，这就会-视力方向而定-导致弹簧部件4略微压缩或膨胀。然而，弹簧部件4的这种压缩或膨胀通过轴1还传给位置传感器5，从而可以根据位置传感器5的传感器信号以及根据弹簧部件4的已知的弹性常数来求得施加在操纵杆2上的操纵力F的大小。 鉴于本发明，因此可以省去专门用于求得施加在操纵杆2上的力的单独的传感器。 [0043] 操纵装置的在图1中所示的实施方式除了位置传感器5和可调节的减震器3外，还具有用于促动操纵杆2的电动的促动器6。这样就能完全模拟变速器的机械操纵装置的触觉，包括利用在其它情况下在机械操纵的变速器或机械操纵装置中存在的卡锁装置实现的卡锁。 [0044] 在这里，可调节的减震器负责模拟由卡锁装置产生的或者在变速器中产生的反作用力-必要时直到在出现不允许的换档指令时锁止操纵杆2。相反，在驾驶员未向操纵杆2施加力情况下操纵杆2必须移动时，才使得电动的促动器6动作。特别是在杆2已松开而它尚未精确地处于(虚拟的)卡锁位置时即为此种情况。在这种情况下，利用操纵装置的电子控制机构适当地控制促动器6，使得操纵杆2通过促动器6回落到相应的虚拟的卡锁位置的中间。通过这种方式向操作者或驾驶员精确地表明被机械卡锁的操纵杆的动作，尽管机械的卡锁实际上根本不存在。 [0045] 促动器6也可以被考虑用于使得操纵杆2跟踪至正确的换档位置，如果出于一定的原因要在操纵杆2的换档位置与变速器中的实际换档状态之间出现差异。这例如会在如下情况下发生，即在变速器中按照自动停车方式自动地引入停车锁止(Parksperre)，例如当拔出点火开关钥匙时或者当离开汽车时，如果驾驶员忘记手动地引入停车锁止。在这种情况下，操纵杆2可以通过促动器6自动地过渡至停车锁止位置，从而对于驾驶员来说，汽车倒车时的换挡杆位置与在变速器中自动引入的停车锁止一致，即使当驾驶员事先已将换挡杆留在行驶速度级位置时。 [0046] 图1中所示的实施方式也适合于说明单稳的操纵杆的触觉。在这种情况下，由促动器6与可调节的减震器3构成的组合一方面也用于逼真地模拟卡锁，且必要时模拟变速器中的换挡锁止或换挡阻力。另一方面，促动器6还可以被考虑用于使得操纵杆2在从中间位置摆开之后且在离开之后又回到中间位置。 [0047] 图2示出根据本发明的操纵装置的在工作原理上与图1基本一致的实施方式。 [0048] 在此同样可看到安置在轴1上的操纵杆2、以及还可看到可调节的减震器2、位置传感器5和促动的驱动机构6。与根据图1的示意性的实施方式不同，在根据图2的实施方式中，促动的驱动机构6包括作为传动装置的皮带传动机构，但在工作原理上，这与根据图1的操纵装置相比没有明显差别。 [0049] 然而，根据图2的实施方式与根据图1的原理图的差别特别是还在于弹簧部件4的设置方式和设计方式。即在根据图2的实施方式中，弹簧部件4整合到活节8中，借助该活节使得可调节的减震器3与操纵装置的基板10连接。因而在最简单的情况下，弹簧部件4仅以具有已知弹性常数的剩余弹性的形式装入到活节8中，例如形式为活节8的外环与内环之间的弹性层。弹簧部件4例如也可以整合到活节7中，这具有同样的效果。 [0050] 如果在根据图2的实施方式中现在由驾驶员将操纵力F施加到操纵杆2上，则这会通过活节7和(一开始刚性连接的)可调节的减震器3导致活节8的外环由于装入到活节8中的弹簧部件4相应地压缩而相对于活节8的内环或者相对于活节8在基板10上的固定情况相应地略微偏摆。活节8中的这种偏摆还向后通过减震器3以及通过活节7传递到操纵杆2上，操纵杆相应地也略微偏摆，而操作者几乎感觉不到。操纵杆2的这种偏摆导致轴1相应地略微旋转，因而也导致位置传感器5的传感器圈(Sensorscheibe)11旋转。传感器圈11的这种旋转还被位置传感器5的分析电路记录下来，据此可以根据操纵杆2的偏摆程度以及根据弹簧部件4的已知弹性常数来求得施加到操纵杆上的力的大小。 [0051] 施加到操纵杆2上的力F在减震器3未刚性地连接的情况下-换句话说，在操纵杆2同时进行摆动的情况下-当然也可以求得。但为此根本就无需再测量弹簧部件4的压缩，因为施加到操纵杆2上的力F的大小在操纵杆2同时运动的情况下已经能根据操纵杆的运动速度以及根据可调节的减震器3的已知特性曲线和已知工作点来求得。 [0052] 如同根据图1的实施方式一样，在根据图2的实施方式中，促动器6特别是也用于非常逼真地模拟卡锁的操纵杆2的触觉，其方式为，通过促动器6来模拟操纵杆2回弹至(不存在的)卡锁滑槽的相应的卡锁位置。 [0053] 因此结果很明显，采用本发明提供了一种操纵装置，其能模拟线控换档操纵的换档变速器的触觉，这种操纵装置特别是具有如下优点：只用一个传感器既能确定位置(必要时能确定运动速度)，又能确定施加到操纵杆上的操纵力。 [0054] 通过这种方式使得用于可靠地求得操纵杆状态的必需的传感器数量相比于现有技术减半，这导向相应地简化了结构，并降低了成本。本发明还能向驾驶员精确地表明机械卡锁的操纵杆的动作，尽管机械卡锁根本就不再存在。而且，这种虚拟的卡锁无论在卡锁点数量和间距方面，还是在卡锁机构的硬度方面，都可以自由控制。这样就能在很大程度上完全利用软件来改变换档变速器的操纵装置的整个运动特性，并根据使用者的偏好来适配调整。甚至可以完全利用软件控制来使得操纵装置的触觉在自动换档杆和传统换档变速器的换档杆之间切换。 [0055] 本发明有助于根本性地改善人机工程学、操作舒适性、安装空间有效性和成本有效性，特别是在要求较高地应用于汽车变速器操纵领域中的情况下，且在用软件代替繁琐的机械部件方面迈出了一大步。 [0056] 附图标记列表 [0057] 1 轴 [0058] 2 操纵杆 [0059] 3 可调节的减震器 [0060] 4 弹簧部件 [0061] 5 位置传感器、转角传感器 [0062] 6 电动的促动器 [0063] 7、8 活节 [0064] 9 皮带传动机构 [0065] 10 支座、基板 [0066] 11 传感器圈 [0067] F 操纵力 [0068] W 操纵力的作用连接 |
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