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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein manuell betätigte
Bedienelemente für drahtlose Anwendungen, und insbesondere
Bedienelementsysteme mit einem manuell betätigten Ausleger
für eine By-Wire-Technologie.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Typische
Kraftfahrzeuge arbeiten mit komplexen mechanischen und elektromechanischen Kopplungen
zwischen dem Fahrer oder Bediener des Fahrzeugs und den Hauptkomponenten
des Kraftfahrzeugs, wie etwa dem Motor und den Bremsen. Bemühungen
zur Verringerung von Kosten und Gewicht von Kraftfahrzeugen haben
es für Kraftfahrzeugentwickler obligatorisch gemacht, alternative Mittel
zum Streuern für die Fahrzeuge zu schaffen, welche Werkstoffe
verringern, Gewicht verringern und Sicherheitsmerkmale verbessern.
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Eine
Alternative zu mechanischen und elektromechanischen Steuerungssystemen
ist als die „By-Wire”-Technologie bekannt. Bei
der By-Wire-Technologie gibt der Bediener eine Steuerung des Kraftfahrzeugs
durch eine Schnittstelle ein, im Fall von Bremsen – oder
Drosselklappenbedienelementen typischerweise Pedale. Die Eingaben
werden dann an die unterlegten Steuerungselemente durch elektronische
oder elektromagnetische Mittel statt durch mechanische oder elektromechanische
Mittel übertragen.
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Durch
den Einsatz von By-Wire-Technologien benötigen Kraftfahrzeuge
keine mühsamen mechanischen und elektromechanischen Kopplungen mehr,
was zu mehreren Vorteilen führt. Da mechanische Kopplungen
allgemein unförmig und schwer sind, verfügt die
Verwendung der By-Wire-Technologie beispielsweise über
das Potential, Gewicht zu verringern und mehr Fahrgastzellenraum
bereitzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die
By-Wire-Technologie auch eine bessere standardisierte Fahrerbedienelementschnittstelle,
da kein Bedarf besteht, Variationen bei mechanischen Kopplungsbaugruppen aufgrund
verschiedener Motoren, Getriebe und anderer Hauptkomponenten unterzubringen.
Zudem können durch den Einsatz von Mikroprozessoren in dem
Konzept eine zusätzliche Analyse und Kontrolle zwischen
der Fahrereingabe und der Betätigung der Bremsen oder der
Drosselklappe hinzugefügt werden.
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Folglich
ist ersichtlich, dass die By-Wire-Technologie eine Gelegenheit zur
Neugestaltung und Verbesserung von Fahrerschnittstellen bereitstellt.
Das Bremspedal von Kraftfahrzeugen hat von diesen Bedienelementsystemen
aufgrund der kritischen Natur dieser Anwendung die größte
Aufmerksamkeit erhalten. Der Entwurf der Schnittstelle zwischen
Mensch und dem Bremssystem war herkömmlich ein subjektives
Unternehmen. Mit dem Erscheinen eines Bremsgefühlindex
(BFI), der in dem technischen Dokument 940331 der SAE mit
dem Titel „Objective Characterization of Vehicle Brake
Feel" berichtet wurde, wurde ein Verfahren entwickelt,
um objektive Entwurfsparameter mit diesen subjektiven Beurteilungen
zu korrelieren. Im Falle von BFI werden Aspekte, wie etwa eine Pedalanwendungskraft, ein
Pedalweg und eine Pedalvorbelastung mit einer gewünschten
Reaktion verglichen. Diese Parameter wurden festgelegt, um die Eigenschaften
von Fahrzeugen für jede Klasse oder jeden Typ von betroffenem
Fahrzeug mit mechanischen und elektromechanischen Kopplungen, an
welche die Fahrer gewöhnt sind, abzustimmen.
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Die
Betriebseigenschaften von By-Wire-Bremspedalen sind allgemein in
den
US-Patenten 6,186,026 ;
6,298,746 ;
6,330,838 ;
6,367,886 ;
6,464,306 ; und
6,591,710 dargestellt. Von diesen
ist das
US-Patent 6,186,026 von
speziellem Interesse, welches einen flexiblem Auslegerpedalhebel
mit einem daran angebrachten Sensor offenbart, bei dem ein Biegungsbedienelement
durch eine stationäre Reaktionsoberfläche bereitgestellt
wird, welche mit der Biegung des Pedalhebels interagiert, wenn eine Kraft
eines Fahrerfußes auf ein Fußfeld (oder ein Pedalfeld)
aufgebracht wird, wobei die Kontur der Reaktionsoberfläche
so abgestimmt wird, dass eine Emulation des Gefühls eines
herkömmlichen schwenkbaren Bremspedals bereitgestellt wird.
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Diese
By-Wire-Bremspedalkonzepte nach dem Stand der Technik verfügen über
das Potential, eine Kraftstoffverbrauchsverringerung durch Masseneinsparung
sowie eine Kosteneinsparung zu bieten, weisen aber eine Anzahl von
Defiziten auf, die überwunden werden müssen, um
ihre Implementierung auf breiter Basis zu ermöglichen.
Beispielsweise ist der Pedalhebel bei dem federnden Teilstück strukturell
schwach, was einen Betrieb des Pedals im Fall einer nicht zentrierten
Anwendung aufgebrachter Kraftlasten auf das Fußfeld (das
bedeutet, wo ein Pedalmoment vorhanden ist) nachteilig beeinflussen kann.
Außerdem kann der Pedalhebel die Elastizität aufgrund
von Verschleiß verlieren, was eine verschlechterte Funktionalität
verursachen kann, speziell im Fall einer Panikbremsung, bei der übermäßige Lasten
auf das Bremspedal aufgebracht werden können. Darüber
hinaus enthalten die By-Wire-Bremspedalkonzepte nach dem Stand der
Technik keine Biegungsfeinsteuerungsmerkmale. In diesem Zusammenhang
bleibt der Bedarf zur Bereitstellung einer Biegungsfeinsteuerung
erhalten, obwohl bekannte By-Wire-Bremspedale nach dem Stand der
Technik eine Einstellung des Gefühls durch eine Biegungsgrobsteuerung
ermöglichen können (d. h.
US-Patent 6,186,026 ).
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Folglich
besteht in der Technik ein Bedarf für ein Auslegerbedienelementsystem,
das auf By-Wire-Systeme angepasst werden kann, welches Kraftstoffeinsparungen
aufgrund von Materialverringerung bereitstellt und die Probleme
der strukturellen Schwäche nach dem Stand der Technik überwindet, insbesondere
mit Bezug auf nicht zentrierte Belastung, Ausfallsicherheit, übermäßige
Belastung und der Möglichkeit für sowohl eine
Biegungsgrobsteuerung als auch Biegungsfeinsteuerung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Auslegerbedienelementsystem, das auf
By-Wire-Systeme angepasst ist, welches Kraftstoffeinsparungen aufgrund von
Materialverringerung bereitstellt, während es die Probleme
im Stand der Technik überwindet, die mit der strukturellen
Schwäche (insbesondere einer nicht zentrierten Belastung),
der Ausfallsicherheit, der übermäßigen
Belastung, und der Bereitstellung sowohl einer Biegungsgrobsteuerung
als auch einer Biegungsfeinsteuerung verbunden sind.
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Das
Auslegerbedienelementsystem der vorliegenden Erfindung besteht aus
einem Auslegerbedienelementarm und mindestens einem gekoppelten Sensor,
wobei der Ausgang des mindestens einen Sensors einen Steuerungseingang
an ein elektronisches System (d. h. ein By-Wire-System) bereitstellt. Das
elektronische System kann als Beispiel ein elektronisches By-Wire-System
eines Kraftfahrzeugs sein, wie zum Beispiel das Bremssystem, aber
die Umgebung der Verwendung des Auslegerbedienelementsystems der
vorliegenden Erfindung ist auf andere elektronische Systeme von
Kraftfahrzeugen anwendbar und ist zudem auch auf die elektroni schen Systeme
von Anwendungen anwendbar, die keine Kraftfahrzeuge sind.
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Das
Auslegerbedienelementsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung bietet eine Vielzahl von Merkmalen, welche seine Arbeitsweise
verbessern. Diese Merkmale umfassen ein gabelförmiges Teilstück
des Auslegerbedienelementarms für dessen Anbringen an einer
stationären Struktur, das einen Widerstand gegen eine nicht
zentrierte (exzentrische) Belastung (d. h. Pedalverdrehung) bereitstellt, einen
federnden Abschnitt des Auslegerbedienelementarms, der an dem gabelförmigen
Teilstück angeordnet ist, wodurch eine Federredundanz bereitgestellt
wird, und/oder ein starres Teilstück des Auslegerbedienelementarms,
das den Anwenderschnittstellenabschnitt umfasst (d. h. ein Fußfeld
oder einen Handgriff); unterschiedliche Sensoren hinsichtlich von
Typen und Anordnungen; eine Biegungsgrobsteuerung in der Form eines
konturierten Dämpfers, welcher die Steifigkeitsrate des
Auslegers abstimmt, welche als Biegungsgefühl wahrgenommen
wird; und/oder eine Vielzahl von Biegungsfeinsteuerungen, die eine
Hysteresesteuerung in der Form eines gleitenden Blatts, das eine
Reibungshysterese der Biegung des Auslegerbedienelementarms bereitstellt,
eine Anschlagsteuerung, welche einen zu weiten Weg der Biegung des
Auslegerbedienelementarms durch ein Widerlager verhindert, und/oder
eine Vorbelastungssteuerung, welche eine Biegungsvorbelastung des
Auslegerbedienelementarms bereitstellt.
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Als
ein Implementierungsbeispiel einer By-Wire-Kraftfahrzeuganwendung
ist der Auslegerbedienelementarm ein Bremspedal, das einen Pedalhebel,
der an seinem gabelförmigen Teilstück an einer
stationären Struktur angebracht ist, und ein Fußfeld
umfasst, das davon abgesetzt an dem starren Teilstück angeordnet
ist. Durch diese Implementierung wird eine Anzahl von Vorteilen
bereitgestellt, welche die folgenden umfassen:
Ein erster Vorteil
ist eine Gewichts- und Kostenverringerung. Das Bremspedal besteht
aus einer einstückigen Konstruktion, die beispielsweise
entweder aus einem Verbundmaterial geformt oder aus Stahl ausgebildet
ist, was die Kosten und die Komplexität der Werkzeuge sowie
das primäre Gewichtsproblem verringert. Mindestens ein
zugehöriger Sensor erfasst eine vom Fahrer aufgebrachte
Verbiegung des Pedalhebels und überträgt diese
Informationen beispielsweise über ein elektronisches Steuerungsmodul
an das Bremssystem. Diese Implementierung eines By-Wire-Bremspedals
beseitigt den Bedarf für irgendwelche mechanischen Kopplungen
zwischen der Fahrerbedienelementschnittstelle und dem unterlegten
Bremssystem.
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Ein
zweiter Vorteil ist eine vorhersagbare und wiederholbare Reaktion
auf eine aufgebrachte Kraft. Der federnde Abschnitt des Pedalhebels
wird mit Bezug auf die Oberflächenkontur des Dämpfers
kalibriert (Biegungsgrobsteuerung), um ein gewünschtes Bremspedalgefühl
und eine Verbiegung, die mit der gewünschten Antwort des
Bremssystems korreliert ist, bereitzustellen. Die Gabelung stellt
eine langfristige Konsistenz und eine Ausfallsicherheitsredundanz
der Federung bereit.
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Ein
dritter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Stabilität.
Der gabelförmige Abschnitt stellt eine inhärente
Querbefestigungsstabilität bereit, die nicht zentrierten
(exzentrischen) Kraftanwendungen durch den Fahrer starr widersteht,
das heißt, aufgebrachten Kräften, die ein Pedalmoment
erzeugen. Die Auswirkung einer nicht zentrierten Kraftaufbringung
bei früheren Entwürfen von leichten Bremspedalkonzepten
(wie etwa dem
US-Patent 6,186,026 ) erzeugt
eine zugehörige nicht zentrierte Kraftkomponente, welche
bei dem Fahrer ein wackeliges Gefühl hervorrufen kann.
Dieses wackelige Gefühl erzeugt eine Wahrnehmung eines
Bremspedals schlech ter Qualität. Das gabelförmige
Teilstück sorgt jedoch für Stabilität
bezüglich nicht zentrierter Kraftanwendungen, und stellt
dadurch ein festes und sicheres Bremspedalgefühl für
den Fahrer bereit.
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Ein
vierter Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine Biegungsfeinsteuerung.
Durch Biegungsfeinsteuerungen wird die Biegungsreaktion des Pedalhebels
auf eine vom Fahrer auf das Fußfeld aufgebrachte Kraft
fein abgestimmt. Eine Hysteresesteuerung in der Form eines gleitenden
Blatts stellt eine Biegungshysterese bereit; eine Vorbelastungssteuerung
stellt eine Biegungsvorbelastung bereit; und eine Anschlagsteuerung
stellt einen Anschlag bei zu weitem Weg mit Bezug auf eine stationäre
Struktur bereit. Diese Biegungsfeinsteuerungen stellen dem Fahrer
ein Gefühl bereit, das herkömmlichen Bremspedalen ähnelt.
Durch die Aufnahme dieser Biegungsfeinsteuerungen kann die vorliegende
Erfindung abgestimmt werden, um spezielle Bremsgefühlseigenschaften
bei speziellen Kraftfahrzeuganwendungen zu erfüllen.
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Ein
fünfter Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der
Diversität von Sensoren. Die Sensoren können von
einem beliebigen einer Vielzahl von Typen sein, etwa Dehnungsmessstreifen,
taktile Sensoren, Lastzellen (d. h. kapazitiv, magnetisch, aus Halbleitern,
piezoelektrisch, usw.) oder ein Fluiddrucksensor. Außerdem
können die Sensoren an einer Vielzahl von Stellen angeordnet
sein, zum Beispiel an oder in dem Pedalhebel, dem Dämpfer
oder dem Fußfeld. Zudem stellt eine Vielzahl von Sensoren eine
Ausfallsicherheitsredundanz im Fall eines Sensorausfalls bereit
und die Sensordiversität ermöglicht eine Flexibilität
des Entwurfs.
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Zusätzlich
zu dem Vorstehenden besteht mit Bezug auf herkömmliche
Fahrzeuge ein großes Zukunftspotential der vorliegenden
Erfindung für die Anwendung auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge.
Bei derartigen Anwen dungen wird das Signal auch von der ECU oder
dem ECM verwendet, um den Elektromotor/Generator zu steuern, um
ein Regenerationsbremsen oder Nutzbremsen zusätzlich zu
einer normalen Bremssattelsteuerung bereitzustellen. Die ECU oder
das ECM werden dann entscheiden, wie das Verlangsamen des Fahrzeugs
am effizientesten erreicht werden kann, sei es durch ein regeneratives oder
ein Reibungsbremsen oder eine Kombination dieser (ein Mischbremsen).
Mit einem herkömmlichen mechanischen Bremsmechanismus wäre
dieses Merkmal nur extrem mühsam zu erreichen.
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Obwohl
das Auslegerbedienelementsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Kraftfahrzeuganwendung mit Bezug auf zum Beispiel
das Brems-, Gas- und Kupplungspedal sowie auf die Bedienelemente
von physisch beeinträchtigten Fahrern (d. h. Hand- und
Fußbedienelemente von Kraftfahrzeugen) verwendet werden
kann, verfügt die vorliegende Erfindung allgemein über
eine viel weitere Anpassungsmöglichkeit zur Verwendung
bei anderen Umgebungen, etwa den Handhebeln von schwerem Gerät
(d. h. Krane, Bagger, Bulldozer, usw.) und den Handcontrollern von
Arcadespielen, um nur ein paar Anwendungen außerhalb von
Kraftfahrzeugen aufzuzählen.
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Es
ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Auslegerbedienelementsystem
bereitzustellen, das leicht, von fester Struktur, ausfallsicher und
resistent gegen nicht zentrierte Belastung ist und sowohl eine Biegungsgrobsteuerung
als auch Biegungsfeinsteuerung aufweist.
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Diese
und zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
klarer werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist
eine schematische Teilschnittseitenansicht des Auslegerbedienelementsystems
gemäß der vorliegenden Erfindung für
eine Fußpedalanwendung.
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1B ist
eine Teilschnittansicht entlang einer Linie 1B-1B von 1A.
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1C ist
eine schematische Teilschnittseitenansicht des Auslegerbedienelementsystems
gemäß der vorliegenden Erfindung für
eine Handhebelanwendung.
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1D ist
ein Flussdiagramm eines Beispiels von Verarbeitungsschritten, die
an dem Betrieb des Auslegerbedienelementsystems gemäß der
vorliegenden Erfindung beteiligt sind.
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1E ist
ein Beispiel eines Blockdiagramms einer Umgebung zur Verwendung
des Auslegerbedienelementsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf ein Bremssystem.
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2A ist
eine perspektivische Ansicht einer Bremspedalform des Auslegerbedienelementsystems,
bei dem das Bremspedal einen Verbundpedalhebel aufweist.
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2B ist
eine Draufsicht von oben auf das Bremspedal von
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2A,
das nun im Betrieb an eine obere stationäre Struktur eines
Kraftfahrzeugs angebracht gezeigt ist (d. h. eine Pendelmontage).
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3A bis 3C sind
Seitenansichten der Bremspedalform des Auslegerbedienelementarms wie
in 2A und 2B, welche
eine Biegung des Pedalhebels in Ansprechen auf das Aufbringen einer Kraft
durch einen Fahrer während des normalen Betriebsverlaufs
veranschaulichen.
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4 ist
ein Graph eines Pedalwegs über einer Pedalkraft, bei dem
eine Kurve A für das Auslegerbedienelementsystem der vorliegenden
Erfindung in der Form eines Bremspedals ist und eine Kurve B für
ein herkömmliches schwenkbares Bremspedal ist.
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5 ist
eine Seitenansicht eines Auslegerbedienelementsystems in der Form
eines am Boden montierten Bremspedals mit einem Verbundpedalhebel.
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6A ist
eine perspektivische Ansicht von oben auf eine Bremspedalform des
Auslegerbedienelementsystems, bei dem das Bremspedal einen metallischen
Pedalhebel aufweist.
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6B ist
eine perspektivische Ansicht von unten des Bremspedals von 6A.
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7A und 7B zeigen
schematische Seitenansichten eines Auslegerbedienelementarms gemäß der
vorliegenden Erfindung in der Form eines Bremspedals, welche jeweils
ver schiedene Typen und Stellen von Sensoren zeigen, die damit verbunden
sind.
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8A ist
eine perspektivische Ansicht von oben des Auslegerbedienelementsystems
in der Form eines Gaspedals.
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8B und 8C sind
Seitenansichten der Gaspedalform des Auslegerbedienelementarms von 8A,
welche eine Biegung des Pedalhebels in Ansprechen auf das Aufbringen
einer Kraft durch einen Fahrer während des normalen Betriebsverlaufs veranschaulichen.
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9 ist
eine schematische Ansicht des Inneren einer Fahrgastzelle eines
Kraftfahrzeugs, das mit By-Wire-Auslegerbedienelementsystemen gemäß der
vorliegenden Erfindung jeweils für das Kupplungspedal,
das Bremspedal und das Gaspedal ausgestattet ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Mit
Bezug nun auf die Zeichnung sind Beispiele eines Auslegerbedienelementsystems
gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Obwohl
die Zeichnungen prinzipiell die Implementierung der vorliegenden
Erfindung in einer Kraftfahrzeugumgebung darstellen, ist zu verstehen,
dass die vorliegende Erfindung allgemeiner auf jede beliebige Umgebung zutrifft.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung,
ihre Anwendungen oder ihre Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken.
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Mit
Blick zuerst auf 1A bis 1E wird ein Überblick über
das Auslegerbedienelementsystem 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung genau beschrieben. In diesem Zusammenhang
zeigen 1A und 1C Fuß-
bzw. Handanwendungen des Auslegerbedienelernentsystems 100,
wohingegen 1B die Gabelung des Auslegerbedienelementarms
desselben darstellt (als eine bevorzugte Y-Gestalt gezeigt, aber
die Gestalt kann anders sein); 1D zeigt
ein Beispiel von Verarbeitungsschritten, die mit der Verwendung
des Auslegerbedienelementsystems verbunden sind; und 1E zeigt
ein Blockdiagramm eines Verwendungsbeispiels, bei dem das Auslegerbedienelementsystem
mit einem externen By-Wire-System gekoppelt ist.
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Bei 1A liegt
das Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Fußpedals 100a der
Sorte vor, die bei Kraftfahrzeuganwendungen und vielen anderen Anwendungen
verwendet werden kann, wobei der Auslegerbedienelementarm 102a als
ein Pedalhebel 115a dient. Der Auslegerbedienelementarm 102a weist
ein gabelförmiges Teilstück 104a, der
einen federnden Abschnitt 106a umfasst, und ein starres
Teilstück 108a auf. Der federnde Abschnitt 106a ermöglicht
das Biegen von einer neutralen Position Pro zu einer maximal gebogenen Position
PM (gestrichelt gezeigt). Ein Dämpfer 110a weist
eine Biegungssteuerungsoberfläche 110a' auf, welche
in Kombination mit der Konturoberfläche des federnden Abschnitts
eine gewünschte Biegungsgrobsteifigkeitsrate des federnden
Abschnitts 106a bereitstellt. Eine Biegungsfeinsteuerung
wird von einer Hysteresesteuerung 112a, einer Vorbelastungssteuerung 114a und
einer Anschlagsteuerung 116a bereitgestellt. Die Hysteresesteuerung 112a liegt
in der Form eines gleitenden Blattes 112a vor, das ein Reibgleiten
gegen den Auslegerbedienelementarm 102a bereitstellt, wenn
er sich biegt (die Reibung kann durch eine Materialauswahl und/oder
eine Beschichtung des Blattes eingestellt werden), wodurch eine
Biegungshysterese bereitgestellt wird. Die Vorbelastungssteuerung 114a liegt
in der Form einer Vorbelastungsanschlagoberfläche 114a' vor,
die an der Biegungsrückkehrseite 102a' des Auslegerbedienelementarms
angeordnet ist, welche eine Biegungsvorbelastung des federnden Abschnitts
bereitstellt; und eine Anschlagsteuerung 116a liegt in
der Form einer Widerlageroberfläche 116a' vor,
die an der Biegungsseite 102a'' des Auslegerbedienelementarms angeordnet
ist, welche einen Anschlag gegen zu weiten Weg bereitstellt. Die
Anschlagsteuerung 116a ist ein Widerlager des Auslegerbedienelementarms
mit Bezug auf eine stationäre Struktur 124a, wobei
in diesem Zusammenhang vorzugsweise ein elastischer Anschlagblock
(bei 116a' gezeigt) an dem Auslegerbedienelementarm oder
der stationären Struktur angeordnet sein kann, wobei die
Elastizität des Anschlagblocks einen kleinen Betrag an
Auslegerbedienelementarmweg ermöglicht, wenn Kräfte über
das Maximum hinaus aufgebracht werden, bei dem das Anschlagen auftritt.
Eine Vielfalt von Sensoren 118a ist bereitgestellt, die
beispielsweise mehrere Dehnungsmessstreifen 118a' an dem
starren Teilstück 108a, einen Drucksensor 118a'' in
dem Fußfeld 120a und einen weiteren Drucksensor 118a''' in
dem Dämpfer 110a umfassen. Nur als Beispiel ist
ein geeigneter Sensor ein einachsiger ICP®-Dehnungssensor
mit Modellnummer 740B04, der bei PCB Piezotronics aus Depew, NY
14043 erhältlich ist.
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Wie
aus 1B zu entnehmen ist, stellt das gabelförmige
Teilstück 104a zwei separate und gegenseitig voneinander
beabstandete Schenkel 122a bereit, von denen jeder seine
eigene separate Befestigung an einer stationären Struktur 124a aufweist und
jeder einen separaten federnden Abschnitt 106a trägt.
Obwohl eine Y-Gestalt der Gabelung gezeigt ist, versteht es sich,
dass in der Bedeutung des Worts Gabelung jede beliebige Gestalt
enthalten ist, welche zwei separate und gegenseitig voneinander
beabstandete Schenkel bereitstellt, die mit dem starren Teilstück
verbunden sind, wie zum Beispiel eine U-Gestalt (siehe 9).
Folglich ist der Auslegerbedienelementarm 102a sehr stabil
und resistent gegen eine nicht zentrierte (d. h. exzentrische) Kraftanwendung,
die ein Pedalmoment mit sich bringt (siehe die Beschreibung hier
nachstehend mit Bezug auf 2A und 2B).
Außerdem stellt die Redundanz der federnden Abschnitte
eine lange Lebensdauer und eine Ausfallsicherheit gegen Ausfälle
bereit.
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Bei 1C liegt
das Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Handbedienelements 100b der
Sorte vor, die bei schweren Maschinen und vielen anderen Anwendungen
verwendet wird, wobei der Auslegerbedienelementarm 102b als ein
Handhebel 115b dient. Der Auslegerbedienelementarm 102b kann
ein gabelförmiges Teilstück, wie in 1B gezeigt,
aufweisen oder nicht, und er weist einen federnden Abschnitt 106b,
der mit einer stationären Struktur 124b verbunden
ist, und ein starres Teilstück 108b auf. Der Auslegerbedienelementarm (der
Handhebel) biegt sich in einer Biegungsebene (siehe Pfeile) zwischen
einer ersten maximalen Biegeposition PM1,
einer Neutralposition P'N und einer zweiten
maximalen Biegeposition PM2. Ein Paar von Dämpfern 110b ist
an gegenüberliegenden Seiten des Handhebels 115 angeordnet
und jeder weist konturierte Biegungssteuerungsoberflächen 110b' auf, die
mit der Kontur des Federabschnitts koppeln, um eine gewünschte
Biegungssteifigkeitsrate bereitzustellen, welche als Biegungsgrobsteuerungen
des federnden Abschnitts 106b dienen. Eine Biegungsfeinsteuerung
kann bereitgestellt sein oder nicht. Wenn sie umfasst ist, sind
vorzugsweise eine Hysteresesteuerung 112b und eine Anschlagsteuerung 116b bereitgestellt.
Die Hysteresesteuerung 112b liegt in der Form eines Paars
gleitender Blätter 112b' vor, welche ein Reibgleiten
gegen den Auslegerbedienelementarm 102a bereitstellen,
wenn er sich biegt, wodurch eine Biegungshysterese bereitgestellt
wird (die Reibung kann durch die Auswahl des Materials und/oder
die Beschichtung der Blätter eingestellt werden). Die Anschlagsteuerung 116b liegt
in der Form eines Paars von Anschlagwiderlageroberflächen 116b' vor,
die an jeder Seite des Auslegerbedienelementarms angeordnet sind,
und die jeweils einen Widerlageranschlag gegen einen zu weiten Weg
in Verbindung mit stationären Strukturen 124b' bereitstellen
und vorzugsweise elastische Anschlagblöcke aufweisen (bei 116b' gezeigt).
Eine Vielfalt von Sensoren 118b ist bereitgestellt, die
beispielsweise mehrere Dehnungsmessstreifen 118b' an dem
starren Teilstück 108b und einen Drucksensor 118b'' in
jedem der Dämpfer 110b umfassen.
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Mit
Bezug als nächstes auf 1D ist
ein Beispiel einer Arbeitsmethodik des Auslegerbedienelementsystems 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei Block 130 wird
durch einen Bediener eine Kraft auf den Auslegerbedienelementarm aufgebracht,
was allgemein entweder durch den Fuß oder die Hand ausgeführt
wird. Bei Block 132 reagiert der Auslegerbedienelementarm
auf die aufgebrachte Kraft, indem er sich an dem federnden Abschnitt
desselben elastisch biegt und mit der Biegungssteuerungsoberfläche
des Dämpfers interagiert, sowie mit irgendwelchen vorhandenen
Biegungsfeinsteuerungen interagiert (d. h. Hysterese, Vorbelastung
und Anschlag). Bei Block 134 wird die Biegung des Auslegerbedienelementarms
von dem einem oder den mehreren Sensoren erfasst, die mit dem Auslegerbedienelementsystem
gekoppelt sind (d. h. an dem Auslegerbedienelementarm, dem Dämpfer,
usw.). Bei Block 136 wird mindestens ein Signal, das von dem
einen oder den mehreren Sensoren bereitgestellt wird, an eine externe
elektronische Steuerungsschaltung (d. h. By-Wire-Schaltung) geliefert,
welche daraufhin in einer vorkalibrierten Reaktion auf das Signal
eine Operation ausführt.
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Mit
Bezug nun auf 1E ist ein Beispiel einer Implementierung
der Arbeitsmethodik von 1D dargestellt.
Eine auf den Auslegerbedienelementarm des Auslegerbedienelementsystems 100 aufgebrachte
Bedienerkraft stellt mindestens ein Signal an ein elektronisches
Steuerungsmodul 140 bereit, bei dem das Signal verarbeitet
und in ein sekundäres Signal umgesetzt wird, das für
das Bremssystem 142 erkennbar und implementierbar ist,
welches wiederum die Bremssättel 144 an die Bremsscheibe anlegt,
wobei die Anlegekraft eine vorkalibrierte Reaktion auf die Biegung
des Auslegerbedienelementarms ist. Beim Loslassen des Auslegerbedienelementarms
durch den Bediener nimmt der Auslegerbedienelementarm seine Neutralposition
elastisch wieder ein und auch der Bremssattel wird gelöst.
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Nun
zusätzlich mit Bezug auf die verbleibenden 2A bis 9 werden
Beispiele einer Kraftfahrzeugimplementierung des Auslegerbedienelementsystems 100 gemäß der
vorliegenden Erfindung genau beschrieben, wobei daran erinnert wird,
dass dies nur zu Beispielzwecken erfolgt, da die vorliegende Erfindung über
eine weite Anwendung über Kraftfahrzeuge hinaus verfügt.
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2A bis 3C stellen
ein Beispiel eines Auslegerbedienelementsystems 100 in
der Form eines Bremspedals 100c dar, wobei der Auslegerbedienelementarm 102c wiederum
in der Form eines Verbundpedalhebels 115c vorliegt, der
oben an einer stationären Struktur montiert ist (d. h.
eine Pendelmontagemodalität).
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Wie
in 2A und 2B gezeigt
ist, weist der Pedalhebel 115c (der Auslegerbedienelementarm)
ein gabelförmiges Teilstück 104c, der
einen federnden Abschnitt 106c umfasst, und ein starres
Teilstück 108c auf. Das gabelförmige
Teilstück 104c stellt zwei separate und gegenseitig
voneinander beabstandete Schenkel 122c bereit, die jeweils über ihre
eigene separate Befestigung an einer stationären Struktur 124c verfügen
und jeweils einen separaten federnden Abschnitt 106c tragen.
Ein Dämpfer 110c weist eine Biegungssteuerungsoberfläche 110c' auf,
welche als eine Biegungsgrob steuerung des federnden Abschnitts 106a (an
jedem Schenkel 122c) dient. Eine Biegungsfeinsteuerung
wird durch eine Hysteresesteuerung 112c, eine Vorbelastungssteuerung 114c und
eine Anschlagsteuerung 116c bereitgestellt (bei 3A bis 3C gezeigt).
Die Hysteresesteuerung 112c liegt in der Form eines gleitenden
Blatts 112c' vor, welches ein Reibgleiten gegen den Pedalhebel 115c bereitstellt,
wenn er sich biegt, wodurch eine Biegungshysterese bereitgestellt wird.
Die Vorbelastungssteuerung 114c liegt in der Form einer
Vorbelastungswiderlageroberfläche 114c' vor, die
an der Biegungsrückkehrseite 115c' des Pedalhebels 115c angeordnet
ist, welche eine Biegungsvorbelastung des federnden Abschnitts bereitstellt;
und die Anschlagsteuerung 116c (siehe 3A bis 3C)
liegt in der Form einer Anschlagwiderlageroberfläche 116c vor,
die an der Biegungsseite 115c'' des Pedalhebels 115c angeordnet
ist, welche in Kombination mit einer stationären Struktur 124c einen
Widerlageranschlag gegen einen zu weiten Weg bereitstellt. Die Anschlagsteuerung 116c ist ein
Widerlager des Pedalhebels 115c mit Bezug auf eine stationäre
Struktur (d. h. den Boden 124c'), wobei in diesem Zusammenhang
vorzugsweise ein elastischer Anschlagblock (bei 116c' gezeigt)
an dem Pedalhebel oder der stationären Struktur angeordnet sein
kann (siehe beispielsweise Widerlageroberflächen 116i, 116k, 116j der
elastischen Blöcke von 9), wobei
die Elastizität des Anschlagblocks einen kleinen Betrag
an Auslegerbedienelementarmweg ermöglicht, wenn Kräfte über
einer maximal aufgebrachten Kraft FM, die
zum Bereitstellen des Anschlags benötigt wird, aufgebracht
werden.
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Aufgrund
des gabelförmigen Teilstücks 104c ist
der Pedalhebel 115c sehr stabil und widerstandsfähig
gegen ein Aufbringen einer nicht zentrierten (d. h. exzentrischen)
Kraft auf das Fußfeld 120c, welche ein Pedalmoment
mit sich bringt (siehe Pfeile FL und FR
für ein Aufbringen einer nicht zentrierten linken und rechten
Kraft auf beiden Seiten eines Pfeils FC des Aufbringens
einer zentrierten Kraft in 2A). Darüber
hinaus stellt die Redundanz der federnden Abschnitte eine lange
Lebensdauer und eine Ausfallsicherheit gegen Ausfälle bereit.
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Das
Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Bremspedals 102c umfasst
ferner mindestens einen Sensor 118c zum Erfassen des Aufbringens
einer Kraft auf das Fußfeld 120c. Obwohl eine
Vielfalt von Sensoren bereitgestellt sein kann, stellen 2A und 2B nur
als Beispiel einen einzigen Dehnungsmessstreifen 118c' dar,
welcher an dem starren Teilstück 108c angebracht
oder darin eingebettet (d. h. eingegossen) ist.
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3A bis 3C stellen
Ansichten einer fortschreitenden Biegung des Pedalhebels 115c von der
Neutralposition bei 3A bis zu der maximal gebogenen
Position bei 3C aufgrund der progressiven
Kräfte, die auf das Fußfeld 120c aufgebracht
werden, dar.
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Bei 3A,
der Neutralposition, stößt die Vorbelastungssteuerung 114c an
den Pedalhebel 115c an, wodurch der Pedalhebel elastisch
dagegen gebogen wird, um eine Vorbelastung darauf bereitzustellen.
Die Vorbelastung macht es erforderlich, dass mindestens eine Vorlastkraft
FP aufgebracht werden muss, bevor sich der
Pedalhebel biegt.
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Bei 3B,
einer mittleren gebogenen Position, ist eine mittlere Kraft FA auf den Pedalhebel aufgebracht. Es ist
ersichtlich, dass die Hysterese steuereng 112c eine Interaktion
mit dem Pedalhebel eingeht, wobei das Blatt 112c' mit Reibung
an dem Pedalhebel gleitet, wenn er sich auch biegt.
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Bei 3C schließlich,
der maximal gebogenen Position, hat sich der Schwenkhebel 115c aufgrund
des Aufbringens mindestens einer maxima len Kraft FM in
seine maximal gebogene Position gebogen, wobei er durch die Anschlagsteuerung 116c über
die Anschlagwiderlageroberfläche 116c' gestoppt
wird, die an eine stationäre Struktur 124c'' einer
stationären Struktur 124c' angrenzt. Die Hysteresesteuerung 112c hat
das Arbeiten fortgesetzt, wobei das Blatt 112c' mit Reibung
weiter gegen den Pedalhebel 115c geglitten ist. Beim Loslassen
der Kraft, die auf das Fußpedal 150 aufgebracht
wurde, kehrt der Pedalhebel elastisch in die Neutralposition zurück.
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4 ist
ein Graph eines Pedalwegs über einer Fußpedalkraft,
wobei eine Kurve A für den Auslegerbedienelementarrn in
der Form eines Bremspedals ist und eine Kurve B für ein
herkömmliches Schwenkbremspedal ist. Es ist zu sehen, dass
die Kurve A angepasst werden kann, um die Kurve B einschließlich
einer Vorbelastung FP nachzuahmen. Die Maximalkraft
wird vorteilhafterweise durch die Anschlagsteuerung auf FM begrenzt, wobei für die Kurve A
die Pedalhebelstruktur, die zum Bewältigen einer übermäßigen
Belastung, wie sie für die Kurve B benötigt wird,
vermieden wird. Die elastische Funktion des elastischen Blocks der
Anschlagsteuerung ist aus einem kleinen Pedalweg aufgrund der aufgebrachten
Kraft über FM ersichtlich. Die
vorliegende Erfindung beseitigt den Bedarf für 20 mm an
verlorenem Weg und verringert den mit Systemverbiegungen verbundenen
zu weiten Weg des Pedalsystems.
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5 ist
ein Beispiel eines Auslegerbedienelementsystems 100 in
der Form eines Bremspedals 100d, bei dem der Auslegerbedienelementarrn 102d wiederum
in der Form eines Verbundpedalhebels 115d vorliegt, der
unten an einer stationären Struktur montiert ist (Bodenmontage).
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Der
Pedalhebel 115d (der Auslegerbedienelementarm) weist ein
gabelförmiges Teilstück 104d (allgemein ähnlich
zu dem, das bei 2A und 2B gezeigt
ist), einen kurvigen federnden Abschnitt 106d und ein kurviges
starres Teilstück 108d auf. Bei dieser Ausführungsform
weist der Dämpfer 110d eine Biegungssteuerungsoberfläche 110d' mit einer
allgemein ebenen Kontur auf und der federnde Abschnitt weist eine
gebogene Kontur auf, wobei die Biegungssteuerungsoberfläche
mit dem federnden Abschnitt koppelt, wenn sich der federnde Abschnitt biegt,
und die jeweiligen Konturen die Biegungssteifigkeitsrate steuern,
was als eine Biegungsgrobsteuerung des federnden Abschnitts dient.
Eine Biegungsfeinsteuerung wird durch eine Vorbelastungssteuerung 114d und
eine Anschlagsteuerung 116d bereitgestellt, welche allgemein
auf die hier vorstehend erörterte Weise arbeiten.
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Das
Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Bremspedals 102d umfasst
ferner mindestens einen Sensor 118d zum Erfassen des Aufbringens
einer Kraft auf das Fußfeld 120d. Obwohl eine
Vielfalt von Sensoren bereitgestellt sein kann, stellen 2A und 2B nur
als Beispiel einen einzigen Dehnungsmessstreifen 118d' dar,
welcher an dem starren Teilstück 108d angebracht
oder darin eingebettet (d. h. eingegossen) ist.
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Als
nächstes mit Bezug auf 6A und 6B,
ist ein Beispiel eines Auslegerbedienelementsystems 100 in
der Form eines Bremspedals 100e dargestellt, wobei der
Auslegerbedienelementarm 102e wiederum in der Form eines
metallischen Pedalhebels 115e vorliegt, der oben an einer
stationären Struktur montiert ist (d. h. Pendelmontagemodalität).
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Der
Pedalhebel 115e (der Auslegerbedienelementarm) besteht
aus einem Metall, bei einem bevorzugten Beispiel aus Stahl, und
weist ein gabelförmiges Teilstück 104e,
der einen federnden Abschnitt 106e umfasst, und ein starres
Teilstück 108e auf, der vorzugsweise einen U-förmigen
Querschnitt zum Bereitstellen der Starrheit aufweist. Das gabelförmige Teil stück 104e stellt
zwei separate und gegenseitig voneinander beabstandete Schenkel 122e bereit, von
denen jeder seine eigene separate Befestigung an einer stationären
Struktur 124e aufweist und jeder einen separaten federnden
Abschnitt 106e trägt. Ein Dämpfer 110e weist
eine Biegungssteuerungsoberfläche 110e' auf, die
als eine Biegungsgrobsteuerung des federnden Abschnitts 106e (an
jedem Schenkel 122e) dient. Eine Biegungsfeinsteuerung
wird durch eine Hysteresesteuerung 112e, eine Vorbelastungssteuerung 114e und
eine Anschlagsteuerung 116e bereitgestellt, deren Details
allgemein vorstehend hier mit Bezug auf 2A bis 3C beschrieben sind.
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Aufgrund
des gabelförmigen Teilstücks 104e ist
der Pedalhebel 115e sehr stabil und resistent gegen die
Anwendung einer nicht zentrierten (d. h. exzentrischen) Kraft auf
das Fußfeld 120e in der bei 2A gezeigten
Weise. Darüber hinaus stellt die Redundanz der federnden
Abschnitte eine lange Lebensdauer und eine Ausfallsicherheit gegen
Fehler bereit.
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Das
Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Bremspedals 102e umfasst
ferner mindestens einen Sensor 118e zum Erfassen der Anwendung
einer Kraft auf das Fußfeld 120e. Obwohl eine
Vielfalt von Sensoren bereitgestellt sein kann, ist nur als Beispiel
ein einziger Dehnungsmessstreifen 118e' an dem starren
Teilstück 108e angebracht.
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Die
Vielfalt von Sensoren ist ferner durch 7A und 7B beispielhaft
dargestellt. Bei 7A weist ein Auslegerbedienelementsystem 100 in
der Form eines Bremspedals 100f einen Sensor 118f in
der Form eines Drucksensors 118f' auf, der einen Druck
eines Fluids 160 in einem Fluidsack 162 des Fußfeldes 120f erfasst.
Bei 7B weist ein Auslegerbedienelementsystem 100 in
der Form eines Bremspedals 102g mehrere Sensoren 118g von vielfältigen
Typen auf, die an vielfältigen Stellen angeordnet sind:
mehrere
Biegungssensoren 118g', die an dem starren Teilstück 108g angeordnet
sind; einen in der Anschlagsteuerung 118g'' montierten
Drucksensor, einen in dem Dämpfer 110g montierten
Drucksensor 118g''', und einen oder mehrere Drucksensoren 118g'''' in
dem Fußfeld 120g. Die Sensoren können beispielsweise
in der Form beliebiger Dehnungsmessstreifen, taktiler Sensoren,
Lastzellen (d. h. kapazitiv, magnetisch, aus Halbleitern, piezoelektrisch, usw.)
vorliegen.
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Wie
bei 8A bis 9 zu sehen ist, kann das Auslegerbedienelementsystem 100 zusätzlich
zu Bremspedalen andere Anwendungen bei Kraftfahrzeugen aufweisen.
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Bei 8A bis 8C ist
ein Beispiel eines Auslegerbedienelementsystems 100 in der Form
eines Gaspedals 100h dargestellt, wobei der Auslegerbedienelementarm 102h wiederum
in der Form eines Verbundpedalhebels 115h vorliegt, der
unten an eine stationäre Struktur montiert ist (d. h. Bodenmontagemodalität).
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Der
Pedalhebel 115h (der Auslegerbedienelementarm) weist vorzugsweise,
aber nicht unbedingt, ein gabelförmiges Teilstück 104h,
das einen federnden Abschnitt 106h umfasst, und ein starres
Teilstück 108h auf. Eine Biegungsfeinsteuerung
wird durch eine Hysteresesteuerung 112h, eine Vorbelastungssteuerung 114h und
eine Anschlagsteuerung 116h bereitgestellt, die so arbeiten
wie hier vorstehend allgemein beschrieben ist. In diesem Zusammenhang
erfordert die Vorbelastungssteuerung, wie bei 8B gezeigt
ist, dass eine minimale Kraft FP' aufgebracht
wird, bevor eine Biegung des federnden Abschnitts 106h auftritt;
und wie bei 8C gezeigt ist, stellt die Anschlagsteuerung 116h einen
Widerlageranschlag für zu weiten Weg bereit, der in Verbindung
mit einer stationären Struktur 124h wirkt, wenn die
aufgebrachte Kraft mindestens FM' erreicht.
Ferner stellt das gabelförmige Teilstück 104h,
wenn es bereitgestellt ist, zwei separate und gegenseitig voneinander
beabstandete Schenkel 122h bereit, von denen jeder seine
eigene separate Befestigung an einer stationären Struktur 124h aufweist
und jeder einen separaten federnden Abschnitt 106h trägt,
mit den Vorteilen, wie zuvor erörtert wurde.
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Das
Auslegerbedienelementsystem 100 in der Form eines Gaspedals 102h umfasst
ferner mindestens einen Sensor 118h zum Erfassen des Aufbringens
von Kraft auf das Gaspedal. Obwohl eine Vielfalt von Sensoren bereitgestellt
sein kann, stellen 2A und 2B nur
als Beispiel einen einzigen Dehnungsmessstreifen 118h' dar,
der an dem starren Teilstück 108h angebracht oder
darin eingebettet (d. h. eingegossen) ist.
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9 stellt
ein Beispiel eines Satzes von Auslegerbedienelementsystemen 100 in
der Form eines Kupplungspedals 100i, bei dem der Auslegerbedienelementarm 102i desselben
wiederum in der Form eines Kupplungspedalverbundhebels 115i vorliegt,
eines Bremspedals 100j, bei dem der Auslegerbedienelementarm 102j desselben
wiederum in der Form eines Bremspedalverbundhebels 115h vorliegt, und
eines Gaspedals 100k dar, bei dem der Auslegerbedienelementarm 102k desselben
wiederum in der Form eines Gaspedalverbundhebels 115k vorliegt,
die alle unten an einer stationären Struktur montiert sind
(d. h. Bodenmontagemodalität).
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Jeder
der Kupplungs- und Bremspedalhebel weist beispielsweise ein U-förmiges
gabelförmiges Teilstück 104i, 104j auf,
und jeder der Kupplungs-, Brems- und Gaspedalhebel weist einen federnden Abschnitt 104i, 104j, 106k auf,
die in Faltenbalgen 170i, 170j, 170k angeordnet
sind, und jeder weist ferner ein starres Teilstück 108i, 108j, 108k auf
und kann beliebige oder alle der vorstehend erwähnten und
beschriebenen Biegungsgrob- und -feinsteuerungen umfassen.
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Für
Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, kann die
vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsform einer Änderung
oder Modifikation unterliegen. Eine derartige Änderung oder
Modifikation kann ausgeführt werden, ohne den Umfang der
Erfindung zu verlassen, der nur durch den Umfang der beigefügten
Ansprüche eingeschränkt sein soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6186026 [0006, 0006, 0007, 0014]
- - US 6298746 [0006]
- - US 6330838 [0006]
- - US 6367886 [0006]
- - US 6464306 [0006]
- - US 6591710 [0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - technischen
Dokument 940331 der SAE mit dem Titel „Objective Characterization
of Vehicle Brake Feel” [0005]