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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Joystick, wie er zum Steuern von Fahrzeug-, Maschinen- oder Anlagenfunktionen verwendet wird. Ein derartiger Joystick weist ein Gehäuse auf, in dem ein um einen Drehpunkt oder zwei kardanische Achsen schwenkbar gelagerter Betätigungshebel und ein zwischen dem Gehäuse und dem Betätigungshebel wirkender Mechanismus angeordnet sind. Hierbei definiert der Mechanismus die zum Schwenken des Betätigungshebels erforderlichen Betätigungsdrehmomente, der Betätigungshebel bewegt sich relativ zum Gehäuse. Bei dieser Art von Joysticks sind oftmals Rastpositionen für den Betätigungshebel erforderlich, beispielsweise bei Maximalauslenkung. Diese Joysticks sollen kompakt, ergonomisch und robust mit einer hohen Lebensdauer sein. Diese Anforderungen gelten daher auch für die Funktionalität des Mechanismus.
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Aus der
DE 10 2006 028 228 A1 ist ein als Stellglied bezeichneter Schalthebel bekannt, dessen eines Ende über einen in einer Lagerschale geführten Drehkörper hinausragt und in eine Kulisse eingreift, die sich unterhalb der Lagerschale in einem Gehäuse befindet. Dieses Ende weist einen Ansatz mit Taststift auf, wobei dieser gegen eine Rückstellfeder in der Kulisse beweglich ist. Demnach weist der Mechanismus dieses Stellgliedes eine Anlagefläche und eine Tasteinheit auf.
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Die
DE 196 08 981 B4 beschreibt eine Schaltvorrichtung für ein Getriebe von Kraftfahrzeugen, bei dem bei Auslenkungen des Schalthebels ein federbelastetes Rastmittel auf einer profilierten Oberfläche gleitet. Auch dieser Mechanismus ist in Verlängerung der Längsachse des Schalthebels im Inneren eines Gehäuses angeordnet.
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Der Stand der Technik beschreibt demnach solche Mechanismen, die koaxial entlang der Längsachse des Hebels in dessen unmittelbarer Bewegungsbahn wirken.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass für derartige Hebel nur sehr eng begrenzte Betätigungswiderstände werkseitig voreingestellt werden können, wodurch einem Benutzer, beispielsweise einem Baumaschinenführer, wenig Rückmeldung über den aktuellen Schaltzustand oder -vorgang zur Verfügung gestellt wird.
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Die
JP 2009-301 097 A zeigt einen Joystick mit einem komplexen Rastmechanismus in einem separaten Gehäuse.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Joystick der eingangs genannten Art anzugeben, der sich durch einen über einen großen Schwenkwinkel hinweg variabel einstellbaren Betätigungswiderstand, eine geringe Gehäusegröße und eine hohe Verschleißresistenz auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Joystick der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Tasteinheit mindestens ein weiteres relativ zu der Tasteinheit beweglich gelagertes zweites Tastelement aufweist, wobei die Rückstelleinrichtung der Tasteinheit sämtliche Tastelemente der Tasteinheit gegendie Anlagefläche drückend ausgebildet ist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer weiteren Tasteinheit können mit großem Vorteil höhere Drehmomente erzeugt und die Drehmomentkennlinie in einem weiteren Bereich voreingestellt werden. Mithin ist eine Bereitstellung von großen Rastkräften möglich, die bei einem exemplarischen Einsatz des erfindungsgemäßen Joysticks in Baumaschinen, wo große Beschleunigungen auftreten, erforderlich sind, um die Rastpositionen des Betätigungshebels relativ zu dem Gehäuse aufrechtzuerhalten. Grundsätzlich erlaubt die räumliche Orientierung der Anlagefläche zu dem Drehpunkt die Erzeugung unterschiedlicher Drehmomente, beispielsweise durch Variation der Entfernung zwischen Anlagefläche und Drehpunkt, insbesondere zwischen Anlagefläche und Tastelement.
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Als erfindungsgemäß besonders vorteilhaft erweist es sich, dass bezüglich einer Position des ersten Tastelements das zweite Tastelement jenseits des Drehpunktes angeordnet ist und die Rückstelleinrichtung zwischen dem ersten Tastelement und dem zweiten Tastelement angeordnet ist, wobei die Rückstelleinrichtung relativ zu der Tasteinheit beweglich gelagert ist. Diese relativ zu der Tasteinheit schwimmende Lagerung der Tastelemente und der sie verbindenden Rückstelleinrichtung ermöglicht einen langen Arbeitsweg der Rückstelleinrichtung, ohne ein größeres Gehäuse zu erfordern. Insofern ist der gewünschte Betätigungswiderstand des Betätigungshebels in einem weiten Bereich frei vorgebbar, sodass der erfindungsgemäße Joystick für alle denkbaren Verwendungen anpassbar ist.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgesehen, dass der Mechanismus mindestens zwei Tasteinheiten aufweist, wobei der Drehpunkt zwischen den Tasteinheiten angeordnet ist. Bei dieser Parallelschaltung von Tasteinheiten ist der Bereich des einstellbaren Betätigungswiderstandes des Betätigungshebels abermals erweitert. Der resultierende Betätigungswiderstand des Betätigungshebels ist eine Superposition von separaten Wechselwirkungen der mindestens vier Tastelemente mit der Anlagefläche. Hieraus lassen sich im Prinzip unendlich viele Variationen für den Verlauf des Betätigungswiderstandes ableiten und es sind selbst bei geringer Gehäusegröße große Betätigungswiderstände realisierbar. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung der Erfindung eine Freistellung des Drehpunktes von Kräften und Drehmomenten, was die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Joysticks wesentlich erhöht, da ein mechanischer Verschleiß bei der beweglichen Verbindung an dem Drehpunkt nicht oder lediglich in reduziertem Umfang auftritt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Tasteinheiten zueinander parallel angeordnet und die Anlagefläche weist Anlageflächenabschnitte zum gleichzeitigen Führen von sämtlichen Tastelementen auf, wobei die Anlageflächenabschnitte eine identische Abfolge an lokalen Extrema aufweisen. Eine derartige doppelte oder multiple Anordnung von Tasteinheit und Anlageflächenabschnitt bildet eine Redundanz bezüglich der insbesondere durch die lokalen Minima der Anlageflächenabschnitte definierten Rastpositionen zu deren Sicherung gegen ein ungewolltes Ausrasten, sodass das erreichbare Sicherheitslevel bei großen externen Beschleunigungen des erfindungsgemäßen Joysticks erhöht ist. Zusätzlich erlaubt diese Anordnung klar definierte Ein- und Ausrastpunkte über die in einem weiten Bereich variabel einstellbare Drehmomentkennlinie.
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Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass auf Grund eines definierten Verlaufs der Anlagefläche relativ zu dem Drehpunkt ausgehend von einer Neutralposition des Betätigungshebels relativ zu dem Gehäuse das erforderliche Betätigungsdrehmoment in Abhängigkeit von einem zunehmenden Schwenkwinkel zunächst, insbesondere abschnittsweise, linear ansteigend, knapp vor Erreichen einer Rastposition exponentiell oder sprunghaft ansteigend und sehr knapp vor Erreichen der Rastposition abfallend ist. Eine solche Drehmomentkennlinie gibt dem Benutzer ein detailliertes Feedback hinsichtlich des aktuellen Schaltzustandes. Ein großer Schwenkwinkel impliziert einen für den Benutzer deutlich spürbaren Widerstand, sodass dieser den aktuellen Schaltzustand haptisch wahrnehmen kann. Auf diese Weise kann der Benutzer auch das Erreichen einer Rastposition oder Druckpunktposition erspüren.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß mit großem Vorteil vorgesehen, dass auf Grund eines definierten Verlaufs der Anlagefläche relativ zu dem Drehpunkt ausgehend von einer Neutralposition des Betätigungshebels relativ zu dem Gehäuse das erforderliche Betätigungsdrehmoment in Abhängigkeit von einem zunehmenden Schwenkwinkel für unterschiedliche Schwenkrichtungen unterschiedlich ist. Hierdurch wird ein Joystick bereitgestellt, der eine schwenkrichtungsabhängige Drehmomentkennlinie aufweist. Dies ist besonders zweckmäßig, da bei gattungsgemäßen Joysticks verschiedene Schwenkrichtungen in der Regel mit verschiedenen Funktionen der Baumaschine oder Anlage korrelieren und somit in Abhängigkeit von der Schwenkrichtung verschiedene Rastpositionen und/oder Betätigungswiderstandspfade dorthin wünschenswert sind.
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Erfindungsgemäß erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass auf Grund eines definierten Verlaufs der Anlagefläche relativ zu dem Drehpunkt das erforderliche Betätigungsdrehmoment zum Verlassen einer Rastposition größer 4,0 Nm, insbesondere größer oder gleich 4,9 Nm, ist. Um ein solches Drehmoment aufzubringen, bedarf es eines aktiven und bewussten Tuns des Benutzers, sodass ein versehentliches Ausrasten des Betätigungshebels nahezu ausgeschlossen ist. Zusätzlich wird der Benutzer durch dieses hohe Ausrastdrehmoment gewarnt, dass die momentane Rastposition verlassen und sich der Funktionszustand der Baumaschine oder Anlage ändern wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ausgehend von einer Neutralposition ein maximaler Schwenkwinkel des Betätigungshebels relativ zu dem Gehäuse größer 10°, insbesondere größer 20°, ist. Hierdurch wird einerseits eine Funktionsdichte entlang des Betätigungswiderstandspfades entzerrt, um ein Einstellen einer ungewollten Funktion zu vermeiden. Dies ist insbesondere in einem rauen Baustellenbetrieb mit Erschütterungen und Vibrationen und/oder bei einem Betätigen des Betätigungshebels mit Handschuhen von Vorteil, da das Einstellen einer ungewollten Funktion oftmals zu Arbeitsunfällen führt. Andererseits erlaubt der erfindungsgemäße Joystick bei normaler Funktionsdichte die Anordnung einer Vielzahl von Funktionen entlang eines Betätigungswiderstandspfades, was den Joystick zu einer versatilen Schalteinheit macht.
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Es erweist sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft, dass die Rückstelleinrichtung als Spiralfeder, insbesondere Spiraldruckfeder, ausgebildet ist. Spiralfedern sind nach ihren dynamischen Eigenschaften klassifiziert im allgemein zugänglichen Handel kostengünstig beziehbar, sodass die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Joysticks nicht unnötig in die Höhe getrieben werden. Somit wird auch ein Austausch der Rückstelleinrichtung problemlos möglich, da die Spiralfeder lediglich durch eine Spiralfeder derselben Kennung zu ersetzen ist. Die Drehmomentkennlinie des Joysticks bleibt erhalten, einer Justierung der Drehmomentkennlinie nach dem Austausch bedarf es nicht. Somit kann der Betrieb umgehend wieder aufgenommen und kostenintensive Wartungszeiten kurz gehalten werden.
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In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anlagefläche zumindest abschnittsweise zylindermantelförmig ausgebildet ist und sämtliche Tastelemente als Walzen ausgebildet sind. Diese vereinfachte Ausführungsform ist besonders verschleißresistent, da eine Übertragung der von der Rückstelleinrichtung erzeugten Kräfte auf die Anlagefläche nicht punktuell, sondern mittels einer Anlagestrecke erfolgt. Insofern werden die Tastelemente und die Anlagefläche weniger stark beansprucht. Ein solcher Joystick erlaubt zunächst lediglich ein eindimensionales Schwenken des Betätigungshebels, was aber für viele Basisanwendungen, beispielsweise Greifer auf – Greifer zu oder Vorwärtsfahren – Rückwärtsfahren, völlig ausreichend ist. Um einen zweidimensional schwenkbaren Joystick anzugeben, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Mechanismus zum Definieren von erforderlichen Betätigungsdrehmomenten und zum Bereitstellen von Rastpositionen zweifach vorhanden ist, wobei die beiden Mechanismen zueinander orthogonal orientiert angeordnet sind. Die durch ein Schwenken des Betätigungshebels generierten Steuersignale werden entweder zunächst für jeden Mechanismus separat detektiert und anschließend mittels einer Signalverarbeitung zu einer Linearkombination der Steuersignale der ersten Dimension und der Steuersignale der zweiten Dimension superponiert oder für beide Dimensionen gemeinsam detektiert. Berührungslos wirkende Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren, sind als Mittel zum Detektieren der Steuersignale besonders geeignet.
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Auf Grund dieses reduzierten Krafteintrages pro Fläche ist es erfindungsgemäß möglich, dass die Anlagefläche aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM), besteht. Als besonders bevorzugt erweist sich eine Anlagefläche aus POM 500AF, das bezüglich der in der Regel stählernen Tastelemente hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Alternativ ist für die Herstellung der Anlagefläche eine Verwendung von anderen gleitoptimierten Kunststoffen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), vorgesehen. Eine aus Kunststoff bestehende Anlagefläche ist problemlos austauschbar, wodurch ein Ersatz von verschleißten Anlageflächen durch Einsetzen einer formgleichen Anlagefläche oder eine Variation der Drehmomentkennlinie des Joysticks durch Einsetzen einer Anlagefläche mit einer anderen Form möglich ist. Eine Verwendung von Metall als Anlagefläche ist prinzipiell nicht notwendig. Nichtsdestotrotz ist eine Verwendung von Metall als Anlagefläche denkbar, beispielsweise um besonders hitzebeständige oder chemikalienresistente Anlageflächen bereitzustellen.
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Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnungen zu entnehmen sind.
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Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Joysticks in einer Neutralposition,
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2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Joysticks in einer geschwenkten und eingerasteten Stellung und
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3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Joysticks von schräg unten in einer geschwenkten Stellung.
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In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Joysticks in einer Neutralposition dargestellt, wie er zum Steuern von Fahrzeug-, Maschinen- oder Anlagenfunktionen Verwendung findet. Der Joystick umfasst ein Gehäuse 1, einen in dem Gehäuse 1 um einen Drehpunkt 3 schwenkbar gelagerten Betätigungshebel 2 und einen zwischen dem Gehäuse 1 und dem Betätigungshebel 2 wirkenden Mechanismus 4. Der Mechanismus 4 dient zum Definieren von erforderlichen Betätigungsdrehmomenten zum Schwenken des Betätigungshebels 2 relativ zu dem Gehäuse 1 und zum Bereitstellen von Rastpositionen des Betätigungshebels 2 relativ zu dem Gehäuse 1. Hierzu weist der Mechanismus 4 eine zylindermantelförmige Anlagefläche 5 und zwei Tasteinheiten 6 auf. Jede der zwei Tasteinheiten 6 umfasst ein relativ zu der jeweiligen Tasteinheit 6 beweglich gelagertes erstes Tastelement 7, ein relativ zu der Tasteinheit 6 beweglich gelagertes zweites Tastelement 8 und eine als Spiralfeder ausgebildete Rückstelleinrichtung 9, die ebenfalls relativ zu der Tasteinheit 6 beweglich gelagert ist. Die Tastelemente 7, 8 sind als Walzen ausgebildet, die von der dazwischen angeordneten Rückstelleinrichtung 9 gegen die Anlagefläche 5 gedrückt werden. Der Drehpunkt 3 ist zwischen den Tasteinheiten 6 derart angeordnet, dass er kräfte- und drehmomentfrei ist, unabhängig von der Position des Betätigungshebels 2 relativ zu dem Gehäuse 1. Die Tasteinheiten 6 sind zueinander parallel orientiert und funktionieren voneinander unabhängig. Die Anlagefläche 5 führt sämtliche Tastelemente 7, 8 der zwei Tasteinheiten 6. Spezielle Bereiche der Anlagefläche 5, nämlich die Anlageflächenabschnitte 10, zeichnen sich durch eine identische Abfolge an lokalen Extrema aus, um in Verbindung mit den zwei Tasteinheiten 6 eine redundante Anordnung innerhalb des Mechanismus 4 zu bilden.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Joysticks in einer geschwenkten und eingerasteten Stellung. Um diese eingerastete Stellung zu erreichen, ist ausgehend von der in 1 dargestellten Neutralposition des Betätigungshebels 2 relativ zu dem Gehäuse 1 ein definierter Betätigungswiderstandspfad mit einer vorbestimmten Drehmomentkennlinie zurückzulegen, wobei die Drehmomentkennlinie über den Verlauf der Anlagefläche 5 relativ zu dem Drehpunkt 3 und die Spiralfedercharakteristika festgelegt ist. Das zum Schwenken des Betätigungshebels 2 nach rechts erforderliche Betätigungsdrehmoment steigt in Abhängigkeit von einem zunehmenden Schwenkwinkel zunächst linear, dann sprunghaft an, um kurz vor dem Erreichen der Rastposition wieder linear abzufallen und damit die Rastposition gegen ein ungewolltes Ausrasten zu sichern. Die Rastposition ist durch die Anlagefläche 5 definiert, die für sämtliche Tastelemente 7, 8 der zwei Tasteinheiten 6 ein lokales Minimum, insgesamt also vier lokale Minima bereitstellt. Um die Rastposition wieder zu verlassen, ist ein Betätigungsdrehmoment von 4,9 Nm erforderlich. Ausgehend von der in 1 dargestellten Neutralposition ist zum Schwenken des Betätigungshebels 2 nach links (siehe hierzu 3) ein anderer Betätigungswiderstandspfad mit einer anderen Drehmomentkennlinie zurückzulegen. Hier steigt das erforderliche Betätigungsdrehmoment in Abhängigkeit von einem zunehmenden Schwenkwinkel abschnittsweise linear an, ohne eine definierte Rastposition zu erreichen. Die Drehmomentkennlinien der zwei möglichen Schwenkrichtungen sind voneinander verschieden, ebenso die maximalen Schwenkwinkel. Der maximale Schwenkwinkel nach rechts beträgt 23°, der nach links 15°.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Joysticks von schräg unten in einer geschwenkten Stellung dargestellt. Hier, als auch in 2, ist besonders gut ersichtlich, dass die zwei Tasteinheiten 6 grundsätzlich voneinander unabhängig funktionieren, über die wiederkehrende Abfolge der lokalen Minima der Anlagefläche 5 aber zusammenwirken, um gemeinsam die Schaltzustände des Joysticks und die Art und Weise, diese einzunehmen, festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Betätigungshebel
- 3
- Drehpunkt
- 4
- Mechanismus
- 5
- Anlagefläche
- 6
- Tasteinheit
- 7
- Erstes Tastelement
- 8
- Zweites Tastelement
- 9
- Rückstelleinrichtung
- 10
- Anlageflächenabschnitt
