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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Kraft und/oder
Weg und/oder Winkel an einem Pedalwerk gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs
sowie ein Verfahren zum Betrieb einer diesbezüglichen Vorrichtung.
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Moderne
Kraftfahrzeuge weisen zahlreiche Baugruppen auf, mit denen neben
dem eigentlichen Fahrbetrieb auch sicherheits- und umweltrelevante Aspekte
realisiert werden. Für
die Funktionsweise dieser Baugruppen ist eine optimale Wirkverbindung mit
den jeweils zugeordneten Betätigungselementen notwendig.
Sofern die Wirkverbindung ohne Mitwirkung des Fahrers realisiert
wird (z.B. bei Nutzung eines Temperatursensors zur Regelung von
alternativen Kühlmittelkreisläufen in
Abhängigkeit
der Kühlmitteltemperatur),
ergeben sich kaum Probleme, sofern hierfür eine geeignete Gerätetechnik
verfügbar ist.
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Problematisch
sind hingegen Wirkverbindungen, bei denen eine vom Fahrer auf ein
Pedalwerk aufgebrachte Kraft zu berücksichtigen ist, beispielsweise
zur Betätigung
von Bremse, Kupplung oder „Gas". Eine typische Anwendung
sind Rollenprüfstände, die
auch wegen der sicherheitstechnischen Bedeutung der Bremsanlage
im Fertigungsprozess beim Automobilhersteller eingesetzt werden.
Derartige Prüfstände sind
in zahlreichen Varianten bekannt, zum Beispiel aus
DE 36 06 118 A1 . Das Fahrzeug wird
zunächst
mit den Rädern
in die Rollensätze
gefahren. Nachfolgend werden die Laufrollen durch das Fahrzeug getrieben
bzw. durch die Rollenantriebe erfolgt je nach Prüfablauf eine Beeinflussung
des Fahrzeuges in Form von Geschwindigkeitsunterstützung oder
Beaufschlagung mit Belastungs- und Bremsmomenten mittels Antriebsmotor
der einzelnen Rollen. Sobald die Fahrzeugräder über das Bremspedal abgebremst
werden, tritt ein Reaktionsmoment auf, das vom Rollenprüfstand gemessen
und bewertet wird.
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Solche
Rollenprüfstände sind
grundsätzlich geeignet,
um z.B. die Funktionsfähigkeit
und Wirkung einer Bremsanlage bewerten zu können. Allerdings verbleibt
stets ein subjektiver Faktor, weil durch die manuelle Betätigung des
Bremspedals eine exakte Aussage über
aufgebrachte Pedalkräfte
und zurückgelegte
Pedalwege nur bedingt möglich
ist. Denn selbst für
erfahrenes Prüfpersonal
ist es schwierig, die vom Fuß auf
das Bremspedal aufgebrachte Kraft und den damit bewirkten Weg qualitativ
zu bewerten. Deshalb wird eine Messung der aufgebrachten Pedalkraft
und des durch diese Kraft bewirkten Weges angestrebt, um den Zusammenhang
zwischen Pedalkraft, Pedalweg, Bremskraft sowie weiteren physikalisch-technischen
Aspekten zu berücksichtigen.
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In
DE 100 09 168 A1 wird
eine Vorrichtung mit magnetempfindlichen Bauteilen zur Erfassung
einer vom Fahrer ausgeübten
Pedalkraft bei einem Fahrzeug beschrieben. Die Vorrichtung umfasst
eine Trägerplatte
und ein Zungenelement. Das Zungenelement ist einstückig mit
der Trägerplatte
ausgebildet und wird mit Bolzen fest am Pedal montiert. Sobald das
Pedal mit einer Fußkraft
beaufschlagt wird, ändert
sich die Relativposition zwischen dem Zungenelement und der Trägerplatte.
Folglich ändert
sich das in diesem Bereich vorhandene Magnetfeld ebenfalls. Diese Änderung
erfolgt analog zur Kraft, die auf das Pedal ausgeübt wird,
so dass eine Aussage bezüglich
der Pedalbetätigungskraft
möglich
wird. Aufgrund der dauerhaften Befestigung der Vorrichtung mittels
Bolzen am Pedal ist diese Lösung
für Prüfungen an
Fertigungsstraßen
der Automobilhersteller nur bedingt geeignet. Eine derartige Anwendung
ist jedoch ohnehin nicht vorgesehen, denn gemäß den Darlegungen in der Druckschrift
soll die Vorrichtung die Pedalkraft im Fahrbetrieb messen, um diese
Werte für
die Ansteuerung eines Antiblockiersystems, einer Antischlupfregelung
oder ähnlicher
Baugruppen zu verarbeiten. Allerdings bleibt der zurückgelegte Pedalweg
hierbei unberücksichtigt.
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Gegenstand
von
DE 2 250 728 ist
ein Pedalkraftmesser mit einem Gehäuse, einer mit der Pedalbetätigungskraft
beaufschlagbaren Trittplatte und einer Vorrichtung zur Abgabe eines
von der Pedalbetätigungskraft
abhängigen
Signals. Das Gehäuse
weist eine als Adapter ausgestaltete Grundplatte auf, mit der die
gesamte Vorrichtung am Bremspedal lösbar befestigt werden kann.
Die Grundplatte bildet gemeinsam mit einem umlaufenden Rahmen eine
Kontur, die nach oben von der Trittplatte abgeschlossen wird. Somit
wird eine flache Bauweise realisiert, die den freien Bauraum am
Bremspedal nur geringfügig reduziert.
Im Innenraum zwischen Grundplatte, Rahmen und Trittplatte sind Messelemente
angeordnet, mit denen die Kraftbeaufschlagung der Trittplatte ermittelt
wird. Die von den Messelementen erzeugten Signale können alternativ über ein
zugeordnetes Kabel bzw. durch Umsetzung in elektromagnetische Wellen
oder Ultraschall auch drahtlos einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Allerdings sind Genauigkeit und Sicherheit der Messungen fragwürdig, weil
die Kraftbeaufschlagung der Trittplatte mit Schiebepotentiometern
ermittelt wird. Außerdem
wird der Pedalweg nicht berücksichtigt.
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Sofern
neben der Pedalkraft auch der Pedalweg ermittelt werden soll, kann
das tragbare Prüfgerät für Fußpedal-Betätigungen
gemäß
DE 37 42 454 C1 eingesetzt
werden. Dabei wird die Pedalkraft mit einer Vorrichtung gemessen,
die entweder an der Pedalplatte oder am Schuh der Prüfperson
befestigt wird. Der Pedalweg wird mit einem stabförmigen Bauteil
gemessen, das mit einem Ende am Fußpedal und mit dem anderen
Ende an einem festen Punkt abgestützt ist, vorzugsweise am Lenkradkranz. Durch
verschiedene Ausgestaltungen kann diese technische Lösung für eine Anwendung
vom einfachen Werkstatteinsatz ausgehend bis zum Einsatz an einer
Fertigungsstraße
mit vollständiger
Datenvernetzung modifiziert werden. Allerdings ist die Handhabung
des Prüfgerätes umständlich,
weil das stabförmige
Bauteil zur Pedalwegmessung die Bewegungsfreiheit der Prüfperson
erheblich beeinträchtigt.
Weiterhin ist nachteilig, dass die Vorrichtung zur Messung des Pedalweges
stets auf einen Festpunkt bezogen werden muss.
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Die
technische Lösung
zur Erfassung von Kraft und Weg an einem Pedalwerk gemäß der Hauptanmeldung
DE 10 2004 041 733.4 schlägt vor, das
Gehäuse
einer Prüfvorrichtung
als einen separaten Verformkörper
auszugestalten, in dessen Innenraum Sensoren zur Messung von Pedalkraft
und Pedalweg angeordnet sind, wobei der Verformkörper über eine Klemmvorrichtung und
einen als separate Baugruppe ausgestalteten Adapter lösbar am
Pedal befestigbar ist.
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Mit
der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß o.g.
DE 10 2004 041 733.4 wird ein
Kraft- und Wegmesssystem
für Pedalwerke
realisiert, dessen Anwendung subjektive Einflüsse auf Rollenprüfständen, in
Try-out-Entwicklungsbereichen und im Testfahrbetrieb reduziert,
indem für
Pedalbetätigungskraft
und Pedalbetätigungsweg
nunmehr objektiv ermittelte Messwerte verfügbar sind. Trotz dieser Verbesserungen
gegenüber
dem vorher bekannten Stand der Technik wird eine Berücksichtigung
weiterer Parameter sowie in ausgewählten Betriebszuständen eine
noch höhere
Messgenauigkeit angestrebt. Die Erfüllung dieser Forderungen ist
Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Die
Aufgabe wird gelöst,
indem im Innenraum des Gehäuses
ein Neigungssensor zur Messung des Winkels über die Änderung der Erdanziehungskraft
entsprechend Winkelposition des Sensors und/oder ein Gyrometer zur
Messung der Winkelgeschwindigkeit und eine Kraftmessbrücke auf Basis
von Dehnmessstreifen sowie die gesamte Auswerteelektronik inklusive
Akku, Microcontroller und Funkübertragungssystem
integriert sind. Somit wird neben einer Messung der Pedalkraft auch
eine Winkelmessung und über
die Pedallänge
als Parameter die Ableitung wie Bogenmaß und Sekante als Weginformation
möglich.
Es wird damit vorgeschlagen, dass als Weg-/Winkelsensor zumindest
ein Neigungssensor verwendet wird. Die möglichen Störeinflüsse durch Schwing-, Rüttel- und ähnliche
Bewegungen können
in derartigen Applikationen durch eine weitere Ausgestaltung mit
einem Gyrometer vermieden werden. Die erreichbare Messgenauigkeit wird
durch Kombination der Messergebnisse beider Sensoren erheblich verbessert.
Bei Anwendung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die am Pedal
adaptierte Messeinrichtung alle Messwerte ohne weitere Bezugspunkte
im Fahrzeug erfasst. Hierfür
ist als einziger Parameter lediglich der Pedalhebelradius in Bezug
seiner Drehachse notwendig.
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Mit
der erfindungsgemäßen technischen
Lösung
wird eine vorteilhafte Weiterentwicklung der technischen Lösung gemäß der Hauptanmeldung
DE 10 2004 041 733.4 erzielt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen
Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in perspektivischer Ansicht
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2 einen
Verformkörper
in perspektivischer Ansicht
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3 das
Prinzip der Vernetzung einer Vielzahl von Vorrichtungen
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung wird zur Erfassung
von Kraft und/oder Weg und/oder Winkel an einem Pedalwerk verwendet,
insbesondere für Anwendungen
hinsichtlich eines Pedals in einem Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung
besteht aus einem Gehäuse 1 und
einer Trittplatte 2. Dem Gehäuse 1 wird eine als
Adapter 3 ausgestaltete Baugruppe zugeordnet. Mit diesem
Adapter 3 kann das Gehäuse 1 lösbar an
einem (nicht näher
dargestellten) Pedal befestigt werden. Es versteht sich, dass für eine lagestabile
Befestigung die Konturen von Adapter 3 und Pedal anzupassen
sind. Somit ist es ausreichend, lediglich einen Typ von Messvorrichtung
für unterschiedliche
Fahrzeugtypen bereitzustellen, wobei die Messvorrichtung mittels
Pedaladapter mit geringem Aufwand sowohl für Pedale in Fahrzeugen mit
Automatikgetriebe als auch mit Schaltgetriebe modifizierbar ist.
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Die
Trittplatte 2 kann verschiedenartig ausgestaltet werden,
beispielsweise gemäß 1 mit Konturen 21,
die eine lagestabile Fußabstützung bewirken
sollen. Unabhängig
von der jeweils konkreten Ausgestaltung ist diese Trittplatte 2 mit
einer Pedalbetätigungskraft
beaufschlagbar. Infolge einer solchen Kraftwirkung ergeben sich
Lageveränderungen am
Pedal und damit an der Vorrichtung, welche als äquivalente Parameter für Pedalweg,
Pedalkraft und Pedalwinkel erfasst werden. Hierfür ist eine im Gehäuse 1 angeordnete Sensorik
vorgesehen, deren Signale drahtlos einer Auswerteeinrichtung übergeben
werden.
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Der
Adapter 3 zur lösbaren
Befestigung der Vorrichtung am Pedal ist als eine separate Baugruppe
ausgestaltet. An seiner zum Pedal entgegengesetzt angeordneten Seitenfläche steht
der Adapter 3 mit einer Klemmvorrichtung 4 in
Wirkverbindung, über
die eine Verbindung zwischen dem Adapter 3 und dem Gehäuse 1 geschaffen
wird.
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Das
Gehäuse 1 ist
als ein separater Verformkörper 1 ausgestaltet,
dessen grundsätzlicher
Aufbau aus 2 ersichtlich ist. Im Innenraum
dieses Verformkörpers 1 sind
Sensoren zur Messung von Pedalkraft, Pedalweg und Pedalwinkel angeordnet, wobei
diese Elemente in der Zeichnung nicht näher dargestellt sind. Im Innenraum
ist ferner eine, im wesentlichen aus einer Hauptplatine, einem Akkumulator,
einem Microcontroller, einem Funkmodul, einer Temperaturmessung,
einer Akkuladeeinheit und Anzeigeelementen bestehende Baugruppe
angeordnet, die ebenfalls nicht näher dargestellt ist und die
an der Innenkontur der äußeren Umhüllung 11 abgestützt wird.
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Der
Verformkörper 1 weist
ausgehend von seiner äußeren Umhüllung 11 mehrere
Biegestege 12 auf. Die Biegestege 12 gehen in
eine weitgehend flächige
Baugruppe 13 über.
In der äußeren Umhüllung 11 des
Verformkörpers 1 sind
mehrere Durchbrüche 14, 15 und 16 ausgestaltet.
Dabei sind die Durchbrüche 14 für Kontaktverbindungen
zum Laden des Akkumulators vorgesehen, die Durchbrüche 15 für die Anzeigeelemente
und der als Aussparung gestaltete Durchbruch 16 für die Antenne
eines Funkmoduls.
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Als
Kraftsensor wird zumindest eine Dehnmessstreifenbrücke verwendet.
In einer bevorzugten Ausführung
gemäß 2 sind
vier Biegestege 12 ausgestaltet, denen jeweils ein Dehnmessstreifen zugeordnet
wird, beispielsweise mittels Aufkleben. Die Dehnmessstreifen werden
zum Beispiel als Vollbrücke
miteinander verschaltet.
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Als
Weg-/Winkelsensor wird zumindest ein Neigungssensor verwendet. Über die
mit ihm gemessene Winkeländerung
(Neigung) bei Betätigung
des Pedals kann bei bekannter Pedallänge der Betätigungsweg errechnet werden.
Als Bezugspunkt der Wegmessung dient somit die Wirkrichtung (Vektor zum
Erdmittelpunkt) der Erdbeschleunigung (Gravitation). Für eine Erhöhung der
Messgenauigkeit bei der dynamischen Wegmessung wird ein Gyrometer verwendet.
Sofern nur relative Weg-/Winkelmessungen erforderlich sind, kann
auf den Neigungssensor verzichtet werden.
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Bei
Anwendung der Vorrichtung ist es möglich, dass mehrere Vorrichtungen
A, B und C betrieben werden, die für jeweils verschiedene Fahrzeugtypen,
Pedalgrößen und
Parameter modifizierbar sind. Somit wird ein Handling für unterschiedliche
Anwendungen mit geringem Aufwand möglich. Die von einer Vielzahl
von Vorrichtungen A, B, C usw. erzeugten Signale sind über Funkverbindung
einer gemeinsamen Basisstation 10 für eine zentrale Datenverwaltung
zuführbar.
Dabei ergeben sich Vorteile, weil diese Vorrichtungen A, B, C usw.
durch einen Microcontroller gesteuert werden, mit dem eine Vorverarbeitung
der Signale direkt am Pedal realisierbar ist. Die Vorrichtungen
A, B, C stehen vorzugsweise mit zumindest einer Einricht- und/oder
Teststation D in Wirkverbindung. Eine derartige Einricht- und/oder Teststation
D ermöglicht
einen Abgleich und eine Überprüfung der
Messvorrichtungen A, B und C.
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Schließlich ist
es vorteilhaft, wenn die Parameter Temperatur und Akkuspannung in
die Messung einbezogen werden. Somit wird einer eventuellen Messungenauigkeit
der Sensorik entgegengewirkt.
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Sofern
die Vorrichtung nicht im Einsatz ist, kann sie vorteilhaft mit einer
Baugruppe in Wirkverbindung gebracht werden, die als Lade- und/oder
Ablageeinheit 5 ausgestaltet ist.
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Das
Prinzip einer Vernetzung mehrerer Vorrichtungen ist aus 3 ersichtlich,
wobei lediglich beispielsweise drei Vorrichtungen A, B, C dargestellt sind.
Hierbei werden die von diesen Vorrichtungen A, B, C erzeugten Signale über Funk
einer gemeinsamen Basisstation für
eine zentrale Datenverwaltung zugeführt. So könnten die Vorrichtungen A,
B und C an verschiedenen Standorten innerhalb der realisierbaren Übertragungsweite
oder auch an einem gemeinsamen Standort an wechselnden Kraftfahrzeugtypen
angeordnet werden und über
Funk mit einem Messrechner 10 im Datenverbund stehen. In
der Zeichnung sind diesbezüglich
ein Rollenprüfstand mit
einem ersten Fahrzeugtyp 6 und ein Rollenprüfstand mit
einem zweiten Fahrzeugtyp 7 dargestellt, denen die Vorrichtungen
A und B zugeordnet sind. Außerdem
befindet sich eine temporär
nicht benutzte Vorrichtung C in der Lade- und Ablageeinheit 5.
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- 1
- Gehäuse/Verformkörper
- 11
- äußere Umhüllung
- 12
- Biegesteg
- 13
- flächige Baugruppe
- 14
- Durchbruch
für Kontaktverbindungen
zum Laden des Akkumulators
- 15
- Durchbruch
für Anzeigeelemente
- 16
- Durchbruch
für Antenne
eines Funkmoduls
- 2
- Trittplatte
- 21
- Kontur
für Fußabstützung
- 3
- Adapter
- 4
- Klemmvorrichtung
- 5
- Lade-
und Ablageeinheit
- 6
- Fahrzeugtyp
I auf Rollenbremsprüfstand
- 7
- Fahrzeugtyp
II auf Rollenbremsprüfstand
- 9
- Funk
- 10
- Messrechner
- A
- Messvorrichtung
- B
- Messvorrichtung
- C
- Messvorrichtung
- D
- Einricht-
und/oder Teststation