ITRM960698A1 - Simulatore di reazione per dispositivi di comando, in particolare sterzo per veicoli - Google Patents

Description

Acorredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo : "Simulatore di reazione per dispositivi di comando, in particolare sterzo per veicoli".

L'invenzione riguarda un simulatore di reazione per un dispositivo di comando, in particolare uno sterzo di veicoli, con un datore di valori nominali aziona- cibilé da una impugnatura, in particolare da un volante di sterzo, nonché con una disposizione di controllo regolabile mediante un comando di regolazione conformemente al dato valore nominale, in particolare per i volanti di veicoli, in cui il simulatore di reazione sollecita l'impugnatura con una forza simulante un accoppiamento forzato tra l'impugnatura e la disposizione di controllo.

Sono principalmente noti dispositivi di comando, in cui una impugnatura azionabile a piacimento é colle-· gata operativamente, almeno nell'esercizio normale, unicamente attraverso lo scambio di segnali, con un complesso di controllo, senza uh qualsiasi accoppiamento obboligatorio meccanico o idraulico. Un concetto di comando del genere viene chiamato anche "Steer by Wire". Ad esempio, sia in aerei civili sia in

quelli militari i timoni, nonché le alette delle ali vengono azionati in tale maniera.

Con la tecnica attuale, la trasmissione di segnali può essere eseguita con la massima sicurezza, per cui i corrispondenti dispositivi di controllo possono essere usati anche negli aerei per passeggeri. Pertanto é principalmente anche possibile di confermare in modo corrispondente la guida di un veicolo non legato a rotaie, ossia il volante dello sterzo non presenta, almeno nelle normali condizioni di esercizio, nessun accoppiamento obbligatorio meccanico o simile con le ruote sterzanti del veicolo. Per conferire ciononostante al conducente una sensazione di guida come nei sistemi di guida convenzionali. il volante dello sterzo deve trovarsi in collegamento con un simulatore di reazione, che conformemente alle date circostanze di esercizio esercita sul volante forze che sono al-meno simili alle forze esercitate manualmente sul volante dello sterzo, che si presentano in caso di un accoppiamento forzato tra il volante,e le ruote sterzanti del veicolo. A tale riguardo dalla pubblicazione US 4771 846 é noto coordinare al volante dello sterzo un freno controllabile per via elettromagnetica, per cui sul .-volante dello sterzo si sente sempre una resistenza alla sterzatura dipendente dalle date condizioni di mareia._

Secondo la pubblicazione EP 0447 626 A2, il volante dello sterzo é collegato operativamente con un motore elettrico, che offre principalmente la possibilità di simulare, o1tre ad una resistenza alla sterzatura, anche movimenti del volante, che possono esserere generati nei convenzionali sistemi di sterzatura dei veicoli mediante le scosse causate dal manto stradale o simili.

La pubblicazione WO 90/12724 nonché la pubblicazione EP 0556 082 Al dimostrano che al posto di un moto-‘ re elettrico possono essere usati anche motori idropneumatici per la simulazione di reazione.

Iri tutti questi noti dispositivi, la sicurezza di esercizio dei simulatori di reazione sembra richiedere ancora dei perfezionamenti.

Pertanto, l'invenzione si é posta il compito di in-; dicare un nuovo concetto per un simulatore di reazione.

Questo compito viene risolto secondo l'invenzione per il fatto che il simulatore di reazione presenta un complesso a molla di richiamo, mediante il quale l'impugnatura é solelcitabile in direzione di una posizione iniziale, nonché un complesso di generazione di forze agente direttamente sull'impugnatura! e/o su reggispinta regolabili del complesso a mollai di richiamo.

L'invenzione si basa sul concetto di indicare, mediante il complesso a molla di richiamo, in pratica assolutamente infallibile, una caratteristica principale del simulatore di reazione. In caso di uno sterzo di veicoli ciò é equivalente al fatto di concepire il complesso a molla di richiamo in maniera tale che le forze da esso esercitate sul volante dello sterzo corrispondano sostanzialmente alle forze che si presentano nei convenzionali sistemi di sterzatura di veicoli nel campo di alte velocità. In tali condizioni di esercizio, nei normali ^sterzi di veicoli gli effetti di isteresi dovuti all'attrito sono relativamente piccoli, ossia il momento di richiamo, sensibile sul volante dello sterzo,é solo di poco minore della resistenza alla sterzatura, che si oppone ad uno spostamento dello sterzo dalla posizione di marcia rettilinea verso la destra oppure verso la sinistra.

Per poter ora simulare gli effetti di isteresi che si verificano nelle sterzature normali del veicolo ad una velocità di marcia ridotta o in particolare alla locità di marcia tendente ad annullarsi, a mezzo del dispositivo di generazione di forze, sull 1 impue sui reggispinta del complesso a molla di richiamo, che sono, in modo particolarmente preferito,regolabili , vengono esercitate direttamente le forze.

L'azione del dispositivo di generazione di forze si sovrappone quindi all'effetto del dispositivo a molla di richiamo in maniera tale che in caso di un guasto del dispositivo di generazione di forze, sul volante dello sterzo viene simulata sempre ancora una forza di reazione, che corrisponde alle condizioni di una convenzionale sterzatura di veicoli ad alte velocità di marcia, per cui il conducente non può rimanere sorpreso in modo pericoloso in caso di eventuali guasti del dispositivo di generazione di forze.

Secondo una forma di realizzazione particolarmente preferita dell'invenzione, il complesso a molla di richiamo sollecita da un lato l'impugnatura e,dall'altro lato, un aggregato idraulico,che alla sollecitazione a pressione tende a ridurre la forze con la quale il complesso a molla di richiamo sollecita l'impugnatùra. Inoltre, l'impugnatura é collegata direttamente con il motore elettrico, mediante il quale possono essere causati i movimenti dell'imugnatura.

Del resto, per quanto riguarda le caratteristiche preferite dell'invenzione si rimanda alle rivendicazioni nonchè alla seguente descrizione di preferite forme di realizzazione con riferimento al disegno,

in cui:

la figura 1 mostra diversi diagrammi che riproducono forze manuali necessarie per lo spostamento dell'angolo di sterzatura, essendo illustrate le condizioni

tipche delle sterzature convenzionali ;

a figura 2 rappresenta una prima forma di re zazione del simulatore di reazione secondo l’inven-:— zione e

la figura 3 mostra una forma di reaiizzazinns parti-— colarmente preferita.

Nella parte A della figura 1 sono rappresentati momenti manuali M sul volante dello sterzo che -devono essere superati in caso di una velocità elevata oppure che si presentano quando il volante dello sterzo viene deviato dalla neutra di un

alfa. la deviazione avendo dapprima luogo in una delle direzione fino alla battuta terminale e quindi nell’altra direzione fino alla battuta terminale ecc. Secondo la curva A, per lasciare la posizionejneutra ‘ cteve essere generata una piccola forza minima per poter far ruotare il volante dello sterzo. All

rotazione del volante, secondo la curva b si vede supereare un momento che cresce in modo continuo. Non appena viene raggiunto un momento limi te Mg , i l m omento antagonista prat icamente non aumenta-più ossia il volante dello sterzo può essere fatto ruotare fino alla battuta contro un momento antagonista sostanzialmente costante. Il momento di richiamo, sempre attivo, secondo la curva c è sempre leggermente minore, a causa dell'attrito interno nel sistema di sterzatura, del momento antagonista agente contro 11azionamento precedentemente menzionato dello sterzo. La differenza che si presenta é tuttavia relativamente piccola, in quanto alle velocità di marcia superiori i1 manto stradale oppone ai movimenti di sterzatura deIle ruote sterzanti solo una resistenza relativamente piccola.

Conformemente , il momento di richiamo riportare la sterzatura, con il volante lasciato libero, sostanzialmente alla posizione di marcia rettilinea.

Se successivamente il volante viene deviato in direzione opposta,allora corrispondentemente alla curva d si verifica di nuovo un corrispondente momento antagonlsta , mentre il momento di richiamo secondo la curva e avrà un valore di nuovo leggermente minore del momento antagonista.

L'isteresi che si verificaa causa dell' attrito tra il momento antagonista e il momento di richiamo rimane complessivamente molto piccolo.

Condizioni completamente differenti si presentano quando lo sterzo viene azionato allo stato di fermo oppure ad una velocità molto ridotta. Queste condizioni sono rappresentate nella parte B rie!la figura 1.

Mentre all'azionamento del volante dello sterzo secondo le curve a' e b' si presentano condizioni snst-anzialmente simili a quelle nel caso delle curve a e b nella parte A della figura 1, il momento di richiamo si distanzia nel suo valore notevolmente dal momento antagonista. Secondo la curva c', quando il volante deIlo sterzo é lasciato libero si presenta solo un piccolo richiamo delle ruote sterzanti. Successivamente , secondo la curva e' il volante deve essere attivamente azionato. Còndizioni corrisponden— ti si verificano alla rotazione del volante in direzione opposta.

Un comportamento simile si deve ottenere con il simulatore di reazione secondo l'invenzione.

In una prima forma di realizzazione del simulatore sdi reazione secondo l’invenzione, il volante 1 dello sterzo é collegato operativamente con un mozzo 2, a rotazione limitatamente elastica, con un albero 3, che é accoppiato operativamente da un lato con motore elettrico autofrenante 4 e, dall'altro lato attraverso un sistema di trasmissione autofrenante (non illustrato) con un elemento di trascinamento 5 spostabile trasversalmente all'albero 3. A seconda della sollecitazione con la corrente elettrica del ί motore elettrico 4, ad una rotazione del volante 1 dello sterzo può essere contrapposto un momento antagonista più o meno grande. Inoltre, é anche possibile di provocare, ad una corrisponde sollecitazione con la corrente del motore elettrico 4, movimento del volante 1 all'incirca in modo come se le influenze del manto stradale avessero attraverso le ruote sterzanti del veicolo, non illustrate, una reazione. sul volante 1 dello sterzo.

L'elemento di trascinamento 5 viene spostato a destra o sinistra a seconda della direzione di rota+ zione del volante 1 dello sterzo. Se l'elemento di trascinamento 5 viene sollecitato con una forza in una o l'altra direzione di spostamento, allora esso cerca di far ruotare il volante 1 dello sterzo in una o l ' altra direzione .

L'elemento di trascinamento 5 viene sollecitato, nella posizione centrale .illustrata, da due molle di pressione elicoidali 6 e 7, le cui.estremità o reggispinta dal lato dell'elemento di trascinamento 5 sollecitano, nella posizione centrale illustrata di quest'ultimo, contemporaneamente una battuta stazionaria 8. Alle rispettive altre estremità delle molle di pressione elicoidali 6 e 7 sono coordinati reggisponta 9 e 10 regolabili per via idraulica.

Se il volante dello sterzo viene fatto ruotare dal_ la posizione centrale in una direzione, allora l’elemento di trascinamento 5 trascina l'estremità ad esso rivoita di una delle molle di pressione elicoidali, ad esempio della molla 6, ossia l'estremità dal lato dell’elemento di trascinamento di questa molla 6 viene allontanata sempre di più dalla battuta 6 conformemente alla rotazione del volante 1 dello sterzo, la molla 6 essendo sempre più tesa. L'altra molla di pressione elicoidale 7 rimane nella posizione di appoggio sulla battuta 8.

Pertanto la molla 6 oppone alla suddetta rotazione del volante 1 dello sterzo una resistenza crescente conformemente alla tensione della molla, resistenza che é eventualmente variabile mediante la regolazione del reggispinta 10. Il reggisponta 10 può essere regolato particolarmente in maniera tale che il momento di richiamo, agente sul volante 1 dello sterzo, sia di una misura variabile minore del momento antagonista agente precedentemente contro la rotazione del volante dello sterzo.

Lo stesso vale per la rotazione del volante dello sterzo nell'altra direzione. In questo caso viene eventualmente spostato il reggispinta 9.

Mediante la re azione dei reggispinta 9 e 10 possono essere quindi simulate le isteresi tra il momento antagonista e la forza di richiamo, visibili nella figura 1 e dipendenti dalla velocità di marcia

Il motore elettrico 4 serve prevalentemente per simulare forze che si possono sentire nei sistemi di sterzatura convenzionali per veicoli a causa delle i influenze esercitate dal manto stradale.

Il motore elettrico 4 può però principalmente servire anche per simulare l'isteresi della figura 1, ; in quanto viene alimentato con la corrente in maniera tale da cercare di agire contro le azioni di richiamo delle molle 6 e 7.

Il mozzo 2 a rotazione elastica simula in tutti i casi l'elasticità, esistente nei convenzionali sistemi di guida per veicoli, della trasmissione di forze tra il volante dello sterzo e le ruote sterzanti.

Per il resto, i movimenti di rotazione dell'albero 3 controllano un datore di valori nominali (non illustrato), di modo che attraverso una linea di regolazione, non illustrata, le ruote sterzanti del veicolo (non illustrate), seguono i rispettivi movi menti di rotazione del volante 1 dello sterzo (sostanzialmente senza ritardi).

Nella forma di realizzazione illustrata nella figura 3, il volante 1 dello sterzo é collegato ugualmente in modo operativo attraverso un mozzo 2, a rotazione elastica, con l'albero 3, che é supportato in modo · girevole in un involucro 12 a mezzo di un supporto stazionario 13, di un supporto radiale 14 nonché dii un supporto assiale 15. Sull'albero 3 é disposta una ruotadentata 16, che ingrana in modo autofrenante un ingranaggio elicoidale 17, che è a sua volta accoppiabile in modo operativo attraverso un accoppiamento elettrico con il motore elettrico 4.

Inoltre, sull'albero 3 é disposto un elemento di guida 18, che presenta simmetricamente ad un piano assiale mediano longitudinale dell'albero 3 due settori inclinati 18' con inclinazioni uguali, tra loro opposte. Nell'interno dell'involucro 12, coassialmente all'albero 3, é disposta una molla di pressione elicoidale 19, che si poggia alla sua estremità, di sinistrane lla figura 3. su una parete radiale del-; l'involucro e la cui altra estremità cerca di spin-. gere un pistone 20 contro l'elemento di guida 18. Questo pistone 20 é supportato a mezzo di una molla di adattamento 21 nell'involucro 12 in modo non girevole . però spostabile in direzione assiale dell'albero 3. Sul suo lato, rivolto verso l'elemento ; di guida 18, il pistone 20 reca un cuscinetto ad aghi 23 ritenuto su un perno 22 disposto perpendicolarmente all'albero 3 e atto a scorrere a guisa di un rullo sull'elemento di guida o scorritoio 18.

Se quindi l'elemento di guida 18 viene fatto ruotare per rotazione dell'albero 3, il cuescinetto ad aghi 23 viene respinto dalla posizione terminale illustrata a destra contro la forza della molla di pressione elicoidale 19, per cui alla rotazione dell'elemento di guida 18 si oppone un momento antagonista. Sul pistone 20 é disposto in modo stazionario un cilindro 24, la cui estremità distante dal pistone é conformata quale stantuffo anulare 25. Assialmente tra due guarnizioni di tenuta anulare 26 e 27, che sono disposte tra l'involucro 12 e lo stantuffo anulare 25 rispettivamente tra l'involucro 12 e il cilindro 24, é previsto uno spazio anulare 29, che é sollecitabile attravero un foro 30 dell 'involucro con un mezzo di pressione idraulico. pressione idraulica agisce nello spazio anulare 29 contro la forza della molla 19, ossia con una c ente pressione idraulica si può ridurre la pressione del cuscinetto a rullinì 23 sull'elemento

da 18 oppure eventualmente anche il pistone 20 può essere rimosso con il cuscinetto a rullini 23 dall 'elemento di guida 18.

Mediante la pressione del cuscinetto a rullini 23 ! sull 'elemento di guida 18 nonché mediante la sua forma, viene determinato il momento antagonista, ché agisce contro la rotazione del volante 1 e quindi dell'albero 3 e dell'elemento di guida 18. Contemporaneamente, viene in tale maniera determinato anche! il momento di richiamo, che cerca di far ruotare all 'indietro il volante 1 dello sterzo ad una deviazione dalla posizione illustrata. Mediante una corrispondente sollecitazione con pressione dello spazio anulare 29, si può simulare l'isteresi secondo la figura 1. Sostanzialmente lo stesso si può ottenere anche a mezzo del motore elettrico 4. Inoltre, il motore elettrico 4 può anche causare i movimenti di rotazione .dell'albero 3 nonché del volante 1 dello sterzo.

Per rendere possibile una regolazione molto fine dei momenti sensibili sul volante 1 dello sterzo, assialmente davanti e dietro il mozzo 2 a rotazione elastica sono disposti rispettivamente datori di angoli di rotazione 31 e 32, con i quali si possono determinare la rotazione relativa tra l'albero 3 e il volante 1 dello sterzo e quindi la tensione elastica del mozo 2 nonché il momento torcente sensibile sul volante 1 dello sterzo. Di conseguenza, esiste la possibilità di regolare in modo molto esatto mediante la pressione nello spazio anulare : 29 e/o mediante una corrispondente sollecitazione con corrente del motore elettrico 4 i momenti sensibili sul volante 1 dello sterzo.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.Simulatore di reazione per un dispositivo di comando, in particolare di uno sterzo per veicoli, con un datore di valori nominali, azionabile da una impugnatura, in particolare da un volante dello sterzo nonché con un complesso di controllo regolabile mediante un comando di re azione conformemente al dato valore nominale, in icolare per le ruote sterzanti di veicoli, in cui il simulatore di reazione sollecita l'impugnatura con una forza simulante un accoppiamento forzato tra l'impugnatura e il i complesso di comando,caratterizzato dal fatto che il simulatore di reazione presenta un complesso- a mol -la di richiamo (6, 7; 19)mediante il quale l'impugnatura (1) é sollecitabile in direzione di unaposizione iniziale,nonché un complesso di generazione di forze (4) agente direttamente sull'impugnatura (1) e/o su reggisponta regolabili (9, 10; 20) del complesso a molla di richiamo, 2.Simulatore di reazione secondo la rivendicazione 1,caratterizzato dal fatto che un albero (3), collégato operativamente con l'impugnatura rispettivamen te un volante (1) dello sterzo, é collegato operativamente con un elemento di trascinamento (5),che é sollecitabile mediante molle (6,7), serrabili tra di loro, in direzione di una posizione centrale e_ dal fatto che alle dette molle sono coordinati regsispinta regolabili alle estremità delle molle , distanti dall'elemento di trascinamento._ 3. Simulatore di reazione secondo la rivendicazion 2. caratterizzato dal fatto che le molle (6, 7) si poggiano. nella posizione centrale dell ' elemento di trascinamento (5),direttamente o indirettamente su una battuta stazionaria (8) in maniera tale che l ' elemento di trascinamento ( 5) é solleci tabile , all'abbandono della posizione centrale, ogniqualvolta solo da una delle molle._ 4. Simulatore di reazione secondo una dele rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che un albero (3), collegato operativamente con l'impu gnatura rispettivamente il volante (1) dello ster-_ zo, reca un eiemento di guida (18), contro il quale può essere spinta a mezzo di molle (19) una parte a pistone (20), spostabile in direzione assiale dell’albero, la forza di pressione essendo variabile in quanto la parte a pistone é collegata operativamente con un organo di spinta (25, 29) in maniera tale da generare una forza agente contro la molla (19). 5. Simulatore di reazione secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che