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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation der Pedalcharakteristik einer entkoppelten Kraftfahrzeugbremsanlage zur authentischen Nachbildung der Rückwirkung am Bremspedal beim Betätigen der Betriebsbremsanlage von Kraftfahrzeugen.
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Hybridfahrzeuge, die rekuperatives Abbremsen ermöglichen, verfügen derzeit in der Regel über mindestens zwei Möglichkeiten, das Fahrzeug abzubremsen. Neben den heute üblichen Radbremsen, die über Reibung kinetische Energie in Wärme wandeln, kann durch Rekuperation kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt werden. Handelt es sich bei der Reib-Bremsanlage um ein gekoppeltes System, sind besondere Anstrengungen erforderlich, um den Zusammenhang zwischen der Pedalcharakteristik und der Gesamt-Fahrzeugverzögerung möglichst konstant zu halten. Die Nutzung einer entkoppelten Bremsanlage kann die Problemlösung vereinfachen.
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Auch im Hinblick auf die zunehmende Forderung nach Rückgewinnbarkeit der bei der Abbremsung eines Fahrzeugs umgewandelten Energie, aber auch hinsichtlich Individualität/Individualisierbarkeit und Komfort, nehmen entkoppelte Bremsanlagen eine außerordentliche Stellung ein. Die mechanische Entkopplung der Pedalbetätigung von den Radbremsen bietet neue Gestaltungsmöglichkeiten der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Durch eine gezielte fahrsituationsabhängige Charakteristikänderung wird die Möglichkeit geschaffen, die aktive Sicherheit und den Fahrkomfort zu optimieren.
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Näherungsweise kann die Pedalcharakteristik durch ein physikalisches Ersatzmodell (1) beschrieben werden, welches die am Bremspedal wirkende Pedalkraft in drei einzelne Teilkräfte aufteilt: Federkraft, Coulomb'sche Reibkraft (statische Reibkraft), Stokes'sche Reibkraft (dynamische Reibkraft) [Sendler, J., Trutschel, R., Augsburg, K.: Analyse der Bremspedalcharakteristik von Pkw unter der Nutzung einer neuartigen Methode. brems. tech 2004, München, 2004].
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Unter einem Pedalcharakteristiksimulator ist eine Konstruktion zu verstehen, mit der ein festgelegter Zusammenhang zwischen Pedalkraft und -weg am Pedal künstlich erzeugt werden kann. Grundsätzlich können solche Simulatoren passiv (die Kraft-Weg-Charakteristik wird ausschließlich mit passiven Elementen realisiert), vollaktiv (die Kraft-Weg-Charakteristik wird ausschließlich mit aktiven Elementen realisiert) oder teilaktiv (die Kraft-Weg-Charakteristik wird mit passiven und aktiven Elementen realisiert) ausgeführt sein.
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Passive als auch vollaktive Simulatoren bringen gewisse Nachteile mit sich. Passive Simulatoren bieten keine Möglichkeit der freien Beeinflussung der Kennlinien während der Pedalbetätigung. Die Einstellung der Kennliniencharakteristik erfolgt vor der Betätigung entweder durch Ausbau, Einbau oder Austausch von einzelnen passiven Bauteilen oder durch eine gestufte Einstellung. Eine haptische Informationsübermittlung über das Bremspedal und eine adaptive Anpassung der Pedalcharakteristik sind nicht ohne aktive Elemente möglich. Weiterhin ist es bisher nicht möglich, mit einem trockenen System, d. h. ohne Fluide wie Bremsflüssigkeit oder Hydrauliköl, eine authentische bzw. natürliche Pedalcharakteristik befriedigend nachzubilden. Nachteile aktiver Simulatoren sind die höheren Kosten der Aktoren bei geringerer Energieeffizienz und größerem Bauraumbedarf. Die Aktoren müssen – im Vergleich zu den Aktoren teilaktiver Systeme – hohen Anforderungen hinsichtlich Dynamik bei gleichzeitig hohen Anforderungen hinsichtlich realisierbarer Kräfte bzw. Momente genügen. Ein weiterer Nachteil der aktiven Simulatoren ist die kompliziertere Realisierung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Rückfallebene beim Ausfall des Systems (Erhalten der Funktionalität der Bremsanlage bei Systemausfall z. B. durch direkte mechanische Kopplung zwischen Pedal und Bremsanlage).
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Die Patentschrift
DE 197 23 665 C2 beschreibt einen trockenen aktiven Pedalcharakteristiksimulator. Betätigt der Bediener das Pedal, erfasst ein Kraftsensor indirekt die Pedalkraft und die Steuerung errechnet anhand hinterlegter Kennlinien den entsprechenden Pedalweg. Der Motor wird anschließend angesteuert und legt den Spindelweg zurück. Bei der vollaktiven Lösung ist das Gewinde zwischen der Spindel und den Planetenrädern selbstsperrend, sodass die Spindel nur über den Motor axial bewegt werden kann. Problematisch sind hier die hohen Forderungen an die Dynamik. Es ist fraglich, ob die Positionsregelung dynamisch genug ist bzgl. des Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungsverhaltens des Bremspedals bei Betätigung, da mehrere Komponenten an der Übersetzung beteiligt sind (mehrere Planetenräder, Spindelmutter, Motor). Somit ist eine Wahrnehmung der Regelvorgänge des Simulators durch den Bediener zu befürchten. In dieser Patentschrift wird eine weitere – passive Variante – beschrieben, welche entsteht, wenn die Spindel mit nicht selbstsperrendem Gewinde ausgerüstet wird. Aufgrund des nicht selbstsperrenden Gewindes kann die Spindel dann axial verschoben werden, was eine Verdrehung des Motors zu Folge hätte. Es handelt sich bei dieser Lösung jedoch ebenfalls um einen reinen aktiven Simulator, da auch hier kein passives elastisches Element vorhanden ist.
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In der Patentschrift
DE 102 14 145 B4 wird ein passiver Pedalcharakteristiksimulator beschrieben, der aus einem doppelstufigen, über einen Federteller verbundenes Schraubdruckfeder-Paket besteht. Dieses wird über eine hydraulische Verbindung zur Sekundärkammer des Hauptbremszylinders (HBZ) und einen Nehmerkolben aktuiert. Die statische Krafthysterese dieses Systems ist sehr gering, ebenso die Bedämpfung des Pedals (dynamische Krafthysterese). Eine freie Beeinflussung der Kennlinie ist bei diesem Konzept nur schlecht möglich (evtl. Austausch von Federn).
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Zwei weitere Konzepte beinhalten die Patentschriften
DE 10 2006 015 009 A1 und
WO 2006/084864 A1 . Diese beiden passiven Pedalcharakteristiksimulatoren sind trockene Lösungen und funktionieren prinzipiell durch Kompression einer Elastomerfeder bzw. einer Kombination aus Schraubendruckfeder und Elastomerfeder. Hier sind sehr geringe Krafthysteresen zu erwarten, da diese nicht konstruktiv realisiert wurden. Auch hier ist die Pedalcharakteristik nicht ohne Eingriff in den Simulator modifizierbar.
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Die Patentschrift
DE 10 2005 036 922 A1 und darauf aufbauend die Patentschrift
WO 2010/017866 A1 beschreiben Bremsbetätigungsvorrichtungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Pedalcharakteristik und der Zusammenhang zwischen Pedalcharakteristik und Fahrzeugverzögerung bei Hybridfahrzeugen mit gekoppelten Bremsanlagen bei Rekuperation der kinetischen Energie und bei nicht durch den Fahrer initiierten Eingriffen in die Wirkung der Radbremsen möglichst konstant gehalten werden und somit ein möglichst natürliches Pedalgefühl erhalten wird. Es handelt sich bei diesen Varianten nicht um Pedalwegsimulatoren, da hier lediglich die sich aus den Eigenschaften der vorhandenen gekoppelten Bremsanlage ergebende Charakteristik manipuliert wird.
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Aus der Patentanmeldung
JP 59-029550 AA ist weiterhin eine Bremspedaleinrichtung bekannt, bei der abhängig von der Fahrzeugnutzlast das Pedalhebelverhältnis verstellt werden kann. Ziel ist es, die zur Fahrzeugverzögerung erforderliche Pedalkraft bei großen Nutzlasten abzusenken. Damit einher geht bei diesem Prinzip jedoch zwingend eine billigend in Kauf genommene Veränderung des Zusammenhangs zwischen Pedalkraft und Pedalweg. Wird das Übersetzungsverhältnis beispielsweise so verändert, dass bei höherer Nutzlast geringere Kräfte zum Bremsdruckaufbau erforderlich werden, werden gleichzeitig die erforderlichen Pedalwege unerwünscht länger. Es handelt sich aber auch bei dieser Variante nicht um Pedalwegsimulatoren, da ohne weitere Zusatzmaßnahmen keine Pedalcharakteristik erzeugt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise gelingt, die Simulation der Pedalcharakteristik einer entkoppelten Kraftfahrzeugbremsanlage zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten und vierten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des siebten Patentanspruches gelöst.
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Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen zwei, drei, fünf und sechs beschrieben, während bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Patentansprüchen acht und neun angegeben sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigt:
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1 – Physikalisches Ersatzmodell für eine Pedalcharakteristik
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2 – graphischer Zusammenhang zwischen Pedalweg und Pedalkraft (Pedalcharakteristik)
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3 – Definition von Pedalkraft und Pedalweg
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4 – Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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5 – detailliertere Prinzipdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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6 – ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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7 – Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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8 – Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimale Abstimmung des Zusammenspiels von Pedalweg, Pedalkraft und Fahrzeugverzögerung als eines der Hauptkriterien für eine gute Bremspedalcharakteristik gilt [Trutschel, R.: Analytische und experimentelle Untersuchung der Mensch-Maschine-Schnittstellen von Pkw-Bremsanlagen. Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2007].
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In 2 ist der graphische Zusammenhang zwischen Pedalweg und Pedalkraft beispielhaft dargestellt.
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Ein passives elastisches Element, welches zum Beispiel als einfache Druckfeder ausgeführt sein kann, erzeugt einen einfachen Grundzusammenhang zwischen der auf das Bremspedal aufgebrachten Pedalkraft und dem vom Bremspedal ausgeführten Pedalweg. Mit 3 werden die Größen „Pedalkraft” und „Pedalweg” definiert. Die sich daraus ergebende Basischarakteristik ist nicht authentisch, da sie nicht den für eine konventionelle Bremsanlage charakteristischen progressiven Verlauf aufweist und über keine signifikante Krafthysterese verfügt. Zur Behebung dieser Unzulänglichkeiten wird ein aktives Element (Aktor) eingesetzt, der gleich- oder gegensinnig zur Pedalbewegung so angesteuert werden kann, dass eine gewünschte vorgegebene Zielcharakteristik durch gezielte Induktion von zusätzlichen Kräften oder Wegen entsteht. Dabei kann der Aktor so angesteuert werden, dass bezogen auf die Basischarakteristik die erforderliche Pedalbetätigungskraft für einen gegebenen Pedalweg in bestimmten Grenzen geringer oder höher wird, wobei der Aktor zur Erzeugung einer progressiven Betätigungscharakteristik betätigungswegabhängig, zur Erzeugung einer Krafthysterese betätigungsrichtungsabhängig und zur Erzeugung einer z. B. fahrzeuggeschwindigkeitsadaptiven Betätigungscharakteristik fahrzeuggeschwindigkeitsabhängig angesteuert werden. Zum Zweck einer haptischen Übermittlung von Informationen über das Bremspedal kann die Aktorbewegung zum Beispiel mit einem zyklischen Signal überlagert werden.
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Die aufgezählten Ansteuerungsstrategien können weiterhin untereinander kombiniert werden. Je nach Anwendungsfall kann das System so ausgelegt werden, dass die Pedalcharakteristik personalisierbar ist – das System wird dann nach Anforderung des Bedieners auf eine neue Charakteristik umgeschaltet. Dies lässt sich mit unterschiedlichen hinterlegten Kennlinien zur Ansteuerung des Aktors leicht realisieren. Die Variationen können gestuft oder stufenlos geschehen. Somit ist die Pedalcharakteristik in weiten Bereichen frei variierbar. Es ist ebenfalls möglich, die Pedalcharakteristik – in einem anderen Anwendungsfall – adaptiv an die jeweils vorliegenden Fahr- bzw. Bremssituationen anzupassen.
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In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ein Simulator für die Pedalcharakteristik mit aktiver Federfußpunktverstellung, prinzipiell dargestellt. Das passive elastische Element (6) und der Aktor (1) sind hierbei seriell miteinander verkoppelt. Zwei Sensoren zur Erfassung der auf das Pedal aufgebrachten Kraft (Pedalkraft) und des Wegs bzw. Winkels, um den das Pedal (10) ausgelenkt wird (Pedalweg), werden zur Erfassung des Fahrerwunsches bzw. zur Erzeugung des Eingangssignals für den Regelkreis, der den Aktor (1) ansteuert, verwendet. Der Aktor (1) bewirkt eine translatorische Verschiebung des Fußpunktes (13) der Druckfeder (6) gleich- oder gegensinnig zur Pedalbewegung. Der Kennlinienverlauf (2) kann auch während des Betriebs moduliert werden. Statische und dynamische Krafthysterese können so ebenfalls generiert werden. Ein Ausfall des Aktors (1) ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht sicherheitskritisch, da immer eine rein passiv realisierte Basischarakteristik zur Verfügung steht. Um die hohen erforderlichen Antriebsmomente zu realisieren, kann zum Beispiel ein Schraubengetriebe (2) verwendet werden, welches sich durch eine große Übersetzung auszeichnet (5). Eine Antriebseinheit (1.1), z. B. ein Elektromotor, treibt eine durch Fest- und Loslager (3) gelagerte Spindel (2.1) an. Diese versetzt eine drehfeste Mutter (2.2) in eine Transversalbewegung, welche den Federfußpunkt (13) verschiebt. Ausgangspunkt der Federfußpunktverstellung ist die theoretisch reibungsfreie Kraft-Weg-Kennlinie einer linearen Feder, welche in der Regel mit einer Geraden mit dem konstanten Anstieg c (Federsteifigkeit) anzunehmen ist. Bei maximalem Federweg stellt sich eine maximale Federkraft ein. Ein aktives Element (1) verstellt den Federfußpunkt in translatorischer Richtung und somit die bei gleichbleibend angenommenem Pedalweg vorherrschende Pedalkraft. Soll die Pedalkraft erhöht werden, muss der Federfußpunkt (13) gegensinnig zum Pedalweg verstellt werden. Somit ist mithilfe einer geeigneten Regelung und genügend hoher Verstelldynamik des aktiven Elements (1) eine – in den Grenzen der Feder (6) und des Verstellbereichs des Aktors – beliebige Zuordnung der Pedalkraft über den Pedalweg möglich. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass der Aktor (1) nicht den gesamten Weg des Koppelpunkts (14) zwischen Pedal (10) und Koppelstange (5) verfahren können muss. Weiterhin muss der Aktor (1) auch nicht mit der gleichen Dynamik wie der Koppelpunkt (14) verfahren können. Ein Ausfall des Aktors (1) führt nicht zu einem Totalversagen des Simulators.
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5 zeigt die Prinzipdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels detaillierter bzgl. der möglichen Anordnung der Elemente des Aktors (1).
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In 6 ist beispielhaft ein möglicher konstruktiver Aufbau eines solchen Pedalcharakteristiksimulators dargestellt. Der Aktor (1) besteht zunächst aus einer Antriebseinheit (1.1) (z. B. Elektromotor mit optionaler Ausgleichskupplung und Getriebe). Mit der Antriebseinheit (1.1) ist eine Spindel (2) verbunden. Ein Kugellager (3) stützt die Spindel (2) gegen die gestellfeste Lagerhülse (4) ab. Auf der Spindel (2) befindet sich die drehgesicherte Kugelumlaufmutter (2.2), welche das elastische Element (6), hier eine Schraubendruckfeder, aufnimmt. Auf der anderen Seite wird die Druckfeder (6) von einer Schiebehülse (7), welche auf der Lagerhülse beweglich ist, geführt. An der Stirnseite der Schiebehülse (7) ist das Zentrierstück (8) befestigt. Über eine Nut in der Lagerhülse (4) stellt diese zusammen mit dem Pedalstößel (9) eine mittige Verbindung mit dem schematisch dargestellten Bremspedal (10) inklusive Drehpotenziometer (11) her, mit welchem Drehwinkel und Pedalweg ermittelt werden können. Zentrierstück (8) und Pedalstößel (9) sind über ein Gelenk (8.1) verbunden. Die für die Regelung notwendige Pedalkraft wird über eine Kraftmessdose (12) gemessen. Bei Drehung der Spindel (2) geht der Kraftfluss also über Kugelumlaufmutter (2.2), Feder (6), Schiebehülse (7), Zentrierstück (8), Pedalstößel (9) zum Pedal (10). Wird das Bremspedal (10) betätigt, misst die Kraftmessdose (12) die Pedalkraft und eine Steuerung errechnet anhand hinterlegter Kennlinien den entsprechenden Pedalweg. Anschließend steuert die Regelung den Aktor (1) an und dieser legt einen vom Wegsensor (11) erfassten Spindelweg zurück.
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In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der der Anlenkpunkt (14) des Simulators am Pedal (10) und damit die Pedalübersetzung variabel gestaltet wird. Durch Verschieben dieses Anlenkpunktes (14) werden die Zusammenhänge Pedalkraft zu Gegenkraft des elastischen Simulatorelements (6) und Pedalweg zu Kompressionsweg des elastischen Simulatorelements (6) verändert. Soll die Pedalkraft bei gegebenem Pedalweg erhöht werden, muss der Anlenkpunkt (14) des Simulators am Pedal (10) in Richtung von der Pedalaufhängung (10.1) weg verstellt werden – das Kraftübersetzungsverhältnis wird somit kleiner. Auf diese Weise kann die Kennlinie (Pedalcharakteristik) sowohl vorab eingestellt werden als auch während der Pedalbetätigung verstellt werden. Somit ist die Kennlinie durch Ändern der Pedalübersetzung modulierbar. Ein Ausfall des Aktors (1) ist nicht sicherheitskritisch, wenn der Aktor (1) selbsthemmend ausgeführt ist, da immer noch eine rein passiv realisierte Basischarakteristik zur Verfügung steht.
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In den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen die aktiven Elemente (Aktoren) selbsthemmend ausgeführt sein, da beim Ausfall des Aktors (1) dieser eine starre Verbindung zwischen Federfußpunkt (13) und Aktorbefestigung (1.2) bilden muss, um die rein passiv realisierte Basischarakteristik ermöglichen zu können. Ist der Aktor (1) nicht selbsthemmend, würde er, im passiven Betätigungsfall (Aktor nicht in Betrieb), die der Betätigung entgegenwirkende Federkraft kompensieren, dadurch dass er den Betätigungsweg weiterhin passiv mitfahren würde.
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In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei dem das elastisches Element (6) und der Aktor (1) parallel zueinander angeordnet sind. Hier ist der Vorteil, dass die Antriebseinheit (1.1) des Aktors (1) nicht die komplette, auf das elastische Element (6) wirkende Kraft aufnehmen muss. Der Aktor (1) wird tendenziell gleichsinnig mit der Pedalbewegung aktuiert. Zur Erhöhung der Pedalkraft bei gegebenem Pedalweg wird der Aktor (1) so angesteuert, dass er der Pedalbewegung eine Kraft entgegensetzt. Jedoch darf er die Pedalbewegung dabei aber nicht blockieren. Ein Ausfall des Aktors (1) ist nicht sicherheitskritisch, wenn der Aktor (1) nicht selbsthemmend ausgeführt ist, da immer eine rein passiv realisierte Basischarakteristik zur Verfügung steht.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung muss das aktive Element (Aktor) nicht selbsthemmend ausgeführt sein, da sonst bei Ausfall des Aktors (1) mit Selbsthemmung ein Betätigen des Pedals (10), und somit eine Komprimierung des elastischen Elements (6) zur Nachbildung der passiv realisierten Basischarakteristik nicht möglich wäre. Der Aktor (1) muss sich im passiven Betrieb überdrücken lassen. Dies kann z. B. mit einer ausreichend großen Gewindesteigung der Spindel (2) zu realisiert werden.
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Der erfindungsgemäße teilaktive Simulator lässt sich ohne Fluide, wie z. B. Bremsflüssigkeit oder Hydrauliköl, realisieren. Es handelt sich deshalb um eine sogenannte trockene Lösung. Eine trockene Lösung ist vorteilhaft hinsichtlich Kosten, Umweltverträglichkeit und Entsorgung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor (aktives Element)
- 1.1
- Antriebseinheit
- 1.2
- Aktorlagerung/-befestigung
- 2
- Spindeltrieb/Schraubengetriebe
- 2.1
- Spindel
- 2.2
- Kugelumlaufmutter (drehgesichert)
- 3
- Kugellager
- 4
- Lagerhülse
- 5
- Koppelstange
- 6
- elastisches Element (passives Element)
- 7
- Schiebehülse
- 8
- Zentrierstück
- 8.1
- gelenkige Verbindung zwischen dem Zentrierstück und dem Pedalstößel
- 9
- Pedalstößel
- 10
- Bremspedal
- 10.1
- Pedalaufhängung
- 11
- Drehpotenziometer
- 12
- Kraftmessdose
- 13
- Federfußpunkt
- 14
- Anlenkpunkt zwischen dem Pedal und dem Pedalstößel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19723665 C2 [0007]
- DE 10214145 B4 [0008]
- DE 102006015009 A1 [0009]
- WO 2006/084864 A1 [0009]
- DE 102005036922 A1 [0010]
- WO 2010/017866 A1 [0010]
- JP 59-029550 AA [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Sendler, J., Trutschel, R., Augsburg, K.: Analyse der Bremspedalcharakteristik von Pkw unter der Nutzung einer neuartigen Methode. brems. tech 2004, München, 2004 [0004]
- Trutschel, R.: Analytische und experimentelle Untersuchung der Mensch-Maschine-Schnittstellen von Pkw-Bremsanlagen. Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2007 [0023]
