DE102010027924A1

DE102010027924A1 - Fahrpedal

Info

Publication number: DE102010027924A1
Application number: DE102010027924A
Authority: DE
Inventors: Klaus Fallak
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: AB Elektronik GmbH
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-20
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: DE102010027924B4

Abstract

Ein Fahrpedal weist ein Grundelement 14 und ein daran angebrachtes Pedalelement 12 auf, das zwischen einer Grundstellung und einer Betätigungsstellung auslenkbar ist. Ein Element 30 ist zwischen Grundelement 14 und Pedalelement 12 vorgesehen, um eine Kraft entgegen einer Betätigungsrichtung des Pedalelements 12 aufzubringen. Um einen gewünschten Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie mit einer sehr einfachen Konstruktion zu erzielen, ist als Element zwischen dem Grundelement 14 und dem Pedalelement 12 eine Betätigungskraft-Einheit 30 vorgesehen, wobei die Betätigungskraft-Einheit 30 eine Elektromagnet-Einheit 50 und ein ferromagnetisches Schwellenelement 52 umfasst, wobei in einer ersten Stellung das Schwellenelement 52 an der Elektromagnet-Einheit 50 anliegt und in einer zweiten Stellung das Schwellenelement 52 im Abstand von der Elektromagnet-Einheit 50 angeordnet. Die Elektromagnet-Einheit 50 und das Schwellenelement 52 sind so mit dem Pedalelement 12 und dem Grundelement 14 gekoppelt, dass beim Betätigen des Pedalelements 12 ab einer Zwischenstellung x = x1 die Elektromagnet-Einheit 50 und das Schwellenelement 52 von der ersten in die zweite Stellung gebracht werden. In einem alternativen Aspekt ist vorgesehen, dass die Betätigungskraft-Einheit 30 ein Gehäuse mit einem ersten Gehäuseteil 26 und einem zweiten Gehäuseteil 28 aufweist, wobei sich die Gehäuseteile 26, 28 bei der Betätigung relativ zueinander verschieben, und sich bei der Verschiebung zwischen den Gehäuseteilen 26, 28 eine Reibung ergibt. Das Gehäuse weist mindestens ein Rückstellfederelement 48a, 48b auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrpedal. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Fahrpedal mit einem Grundelement und einem daran angebrachten Pedalelement, das zwischen einer Grundstellung und mindestens einer Betätigungsstellung auslenkbar ist. Zwischen dem Grundelement und dem Pedalelement ist eine Betätigungskraft-Einheit vorgesehen, durch die eine Kraft entgegen einer Betätigungsrichtung des Pedalelements aufgebracht wird.
Derartige Fahrpedale sind an sich vielfältig bekannt und werden in verschiedenen Fahrzeugen zur Regelung der Motorleistung eingesetzt, insbesondere in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (”Gaspedal”). Das bewegliche, mit dem Fuß zu betätigende Pedalelement ist auslenkbar an einem in der Regel fahrzeugfesten Grundelement angebracht. Dabei sind bspw. stehende und hängende Pedaltypen bekannt. Ohne äußere Betätigung nimmt das Pedalelement eine Grundstellung ein, die bspw. in der Ansteuerung des Motors zu minimaler Motorleistung (”Standgas”) führt. Zur Auslenkung des Pedalelements in Betätigungsrichtung ist eine Betätigungskraft erforderlich, die die auf das Pedalelement wirkende Gegenkraft überwindet.
Heutzutage werden in der Mehrzahl neu hergestellter Fahrzeuge elektronische Fahrtregler verwendet, bei denen keine direkte mechanische Steuerung (bspw. über einen Bowdenzug) einer Motor-Drosselklappe durch das Pedalelement erfolgt, sondern stattdessen die Stellung des Pedalelements durch einen elektronischen Sensor abgefragt wird. Das Sensorsignal wird in einer Motorsteuereinheit verarbeitet und der Motor entsprechend angesteuert. In derartigen elektronischen Fahrpedalen wirkt einerseits mindestens eine Rückstellfeder, die eine Kraft entgegen der Betätigungsrichtung aufbringt. Zusätzlich sind häufig Reibungselemente vorgesehen, die zu einer Dämpfung der Bewegung und daraus folgenden Bewegungshysterese führen. So wird ein für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschter Verlauf der benötigten Betätigungskraft in Abhängigkeit von der Auslenkung in Betätigungsrichtung (Kraft-Weg-Kennlinie) erzielt.
Die EP-A-1154347 beschreibt einen Fahrpedalmechanismus. Ein Pedalarm ist schwenkbar an einer Basis angeordnet. Am Pedalarm ist ein einseitig offener Zylinder gebildet, in dem ein verschiebbarer Kolben angeordnet ist, der durch zwei ineinander angeordnete Schraubenfedern unterschiedlichen Durchmessers vorgespannt wird. Das Ende des Kolbens steht in Reibkontakt mit einer Reibfläche an der Basis. Beim Schwenken des Pedalarms bewirken die Federn eine Rücksstellkraft entgegen der Betätigungsrichtung. Zudem ergibt sich Reibung zwischen dem Kolben und der Reibfläche, so dass eine Betätigungscharakteristik in Form einer Hysteresekurve erzielt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Fahrpedal vorzuschlagen, bei dem ein gewünschter Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie mit einer sehr einfachen Konstruktion erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrpedal gemäß Anspruch 1 und alternativ durch ein Fahrpedal gemäß Anspruch 16. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Betätigungskraft-Einheit vorgesehen, die mit dem Grundelement und dem Pedalelement gekoppelt ist. Dabei kann die Kopplung im Prinzip nur einseitig sein, d. h. dass sie bspw. nur bei Bewegung des Pedalelements in Betätigungsrichtung Kraft übertragen kann, was z. B. durch einseitige Anlage zu erzielen wäre. Bevorzugt ist sie aber vollständig, d. h. in beiden Richtungen wirkend, so dass jede Bewegung des Pedalelements, ob in Betätigungsrichtung oder in Gegenrichtung, stets auch zu einer Bewegung der Betätigungskraft-Einheit führt. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Betätigungskraft-Einheit am Grundelement und am Pedalelement jeweils angelenkt, d. h. über jeweils ein Drehgelenk mit diesen verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird eine gegen die Betätigung des Pedalelements wirkende Gegenkraft mittels eines Elektromagnet-Elements erzeugt.
Dabei weist die Betätigungskraft-Einheit eine Elektromagnet-Einheit und ein ferromagnetisches Schwellenelement auf. Die Elektromagnet-Einheit weist mindestens eine Spule auf, durch deren Bestromung ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Weiter kann die Elektromagnet-Einheit optional auch mehrere Spulen und Leitungselemente für den magnetischen Fluss, d. h. Kerne, Joche etc. aus ferromagnetischem Material aufweisen. Bei Bestromung der Elektromagnet-Einheit wirkt auf das ferromagnetische Schwellenelement eine Anziehungskraft. In einer ersten Stellung des Schwellenelements, in der dieses an der Elektromagnet-Einheit anliegt, ist diese Kraft relativ groß, während sie in einer zweiten Stellung, in der das Schwellenelement im Abstand von der Elektromagnet-Einheit angeordnet ist, schwächer ist.
Die Elektromagnet-Einheit und das Schwellenelement sind so mit dem Pedalelement und dem Grundelement gekoppelt, dass bei Betätigung des Pedalelements an einer bestimmten Auslenkung das Schwellenelement und/oder die Elektromagnet-Einheit so bewegt werden, dass sie relativ zueinander von der ersten Stellung in die zweite Stellung gebracht werden, also das Schwellenelement von der Elektromagnet-Einheit ”abgerissen” wird. Die Auslenkung des Pedalelements, ab der die Bewegung erfolgt, ist eine Zwischenstellung, d. h. sie liegt zwischen der Grundstellung und dem Ende des Betätigungsbereiches, bevorzugt beabstandet von diesen Stellungen. In der bevorzugten Ausführung ist die Zwischenstellung fest, d. h. entspricht einem festgelegten Betätigungsweg (bzw. -winkel) des Pedalelements.
Hierdurch ergibt sich eine charakteristische Abhängigkeit der für die Auslenkung erforderlichen Betätigungskraft vom Betätigungsweg, so dass die Relativbewegung von Schwellenelement und Elektromagnet-Einheit von der ersten in die zweite Position haptisch als die Überwindung einer deutlich spürbaren Schaltschwelle (”Kickdown”) wahrgenommen wird. Diese Schaltschwelle an der Zwischenstellung kann durch unterschiedliche elektrische Ansteuerung des Elektromagnet-Elements in ihrer Höhe verändert werden. Wird die Spule stromlos geschaltet, kann die Schwelle damit vollständig abgeschaltet werden. So sind verschiedene Ansteuerungen möglich, abhängig einerseits von äußeren Vorgaben (bspw. für Signalisierungen an den Fahrer), andererseits aber ggf. auch intern durch eine Ansteuerschaltung. Bspw. kann die Ansteuerung des Elektromagnet-Elements abhängig von der Pedalstellung oder Bewegungsrichtung erfolgen. So könnte eine Kraftspitze bspw. nur in Betätigungsrichtung spürbar sein, bei der Rückstellung des Pedals aber – durch Abschalten der Elektromagnet-Einheit – nicht.
Bevorzugt ist das Schwellenelement scheibenförmig, so dass sich eine relativ große Anlagefläche und damit hohe Anziehungskraft ergibt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Stößelelement vorgesehen. Beim Betätigen des Pedalelements wirkt das Stößelelement so auf das Schwellenelement, dass es sich gegenüber der Elektromagnet-Einheit von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt. Bevorzugt ist das Stößelelement zentral in einem bspw. zylindrischen Hohlraum eines Gehäuses angeordnet. Weiter bevorzugt ist die Elektromagnet-Einheit in einem mittleren Bereich, d. h. mit Abstand von den Endendes Gehäuses angeordnet, bspw. an einer Stufe. Weiter kann eine Schraubenfeder um das Stößelelement herum angeordnet sein, so dass sich eine besonders kompakte Einheit ergibt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann ein verschiebliches Schlittenelement vorgesehen sein, das bei Betätigung des Pedalelements ab der Zwischenstellung verschoben wird. Auf das Schlittenelement wirkt hierbei bevorzugt eine rückstellende Federkraft. Durch das Schlittenelement kann die Kraft-Weg-Kennlinie des Fahrpedals ab der Zwischenstellung beeinflusst werden. Besonders bevorzugt wirkt das oben beschriebene Schwellenelement mit dem Schlittenelement zusammen oder ist mit diesem fest verbunden, so dass das Schlittenelement zum Führen und zur Rückstellung des Schwellenelements dienen kann.
In einer alternativen Lösung gemäß Anspruch 16 ist ein Gehäuse der Betätigungskraft-Einheit mit mindestens zwei gegeneinander beweglichen Gehäuseteilen vorgesehen. Wie aus dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ersichtlich, lassen sich die beiden alternativen Lösungen gemäß Anspruch 1 und 16 hierbei besonders vorteilhaft miteinander kombinieren.
Bevorzugt weist die Betätigungskraft-Einheit ein mehrteiliges, mindestens zweiteiliges Gehäuse auf. Bei Betätigung des Pedalelements gegenüber dem Grundelement verschieben sich die Gehäuseteile relativ zueinander. Dabei ergibt sich bei der Verschiebung der Gehäuseteile gegeneinander eine resultierende Reibung. Hierdurch wird die Bewegung des Pedalelements relativ zum Grundelement gedämpft. In der Kraft-Weg-Kennlinie führt die Reibung zwischen den Gehäuseteilen zu einer spürbaren Hysterese, d. h. Differenz zwischen einer für die weitere Betätigung benötigten Betätigungskraft und einer vom Pedalelement entgegen der Betätigung aufgebrachten Kraft. Diese Hystere-Differenz ist bevorzugt in einer deutlich spürbaren Größenordnung von bspw. 1 N oder mehr, bevorzugt mindestens 3 N. Für die Reibungskraft ist hierbei einerseits die Oberflächenbeschaffenheit der Gehäuseteile an der Reibpaarung und andererseits die auf sie wirkende Normalkraft maßgeblich. Um eine solche Normalkraft, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Bewegung der Gehäuseelemente und damit bevorzugt in Richtung einer Schwenkachse des Pedalelements wirkt geeignet einzustellen, sind die entsprechend gewählten Oberflächen dabei in engem Kontakt und die Gehäuseteile sind bevorzugt gegeneinander eingespannt.
Zudem ist innerhalb des Gehäuses mindestens ein Rückstellfederelement angeordnet; bevorzugt sind es zwei unabhängig voneinander in Rückstellrichtung wirkende Federelemente. Die Federn können hierbei als zwei konzentrisch zueinander angeordnete Schraubenfedern unterschiedlichen Wicklungsdurchmessers vorgesehen sein, was besonders platzsparend wirkt. Die beiden Federn sind bevorzugt so ausgebildet, dass sie im Wesentlichen (d. h. +/–20%) gleiche Federkraft aufbringen. Die Federkraft kann durch geeignete Wahl der Steigung und des Drahtdurchmessers beeinflusst werden, so dass die innere Feder trotz des geringen Wicklungsdurchmessers und bevorzugt gleichen Federstahlmaterials dieselbe Federkraft aufbringt wie die äußere Feder.
So kann durch die Betätigungskraft-Einheit sowohl die erforderliche Rückstellkraft als auch eine im Anwendungsfall gewünschte Reibung, d. h. Bewegungshysterese erzeugt werden. Die Betätigungskraft-Einheit kann vorteilhaft separat vom Rest des Fahrpedals hergestellt werden. Identische Betätigungskraft-Einheiten können hierbei für verschiedene Pedaltypen eingesetzt werden, so dass sich Vorteile in der Herstellung ergeben. Als Werkstoff für das Gehäuse der Betätigungskraft-Einheit wird Kunststoff bevorzugt.
Durch das Gehäuse kann die Betätigungskraft-Einheit gekapselt sein, so dass die Funktion der reibungserzeugenden Elemente sowie der Rückstellfederelemente nicht durch äußerliche Einflüsse, insbesondere auch Verschmutzungen, beeinträchtigt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gehäuseteile einen Innenraum abdichtend umschließen. In dem Innenraum ist dann bevorzugt das Rückstellfederelement angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Innenraum von zylindrischer Form, insbesondere im Wesentlichen kreiszylindrischer Form, was sich gut für die Aufnahme von Schraubenfedern eignet. Die Abdichtung des Innenraums kann hierbei je nach Anwendungszweck staub- und/oder flüssigkeitsdicht sein; generell wird unter ”Abdichtung” jedoch zunächst lediglich verstanden, dass die Gehäuseteile keinen offenen Spalt lassen.
Bevorzugt ist ein Sensor zur Ermittlung der Auslenkung des Pedalelements vorgesehen. Dies kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein Linearsensor sein, der ein elektrisches Signal entsprechend der Verschiebung mindestens eines der Gehäuseteile ausgibt. In besonders einfacher Weise kann dies erreicht werden, indem an einem der Gehäuseelemente ein Indexelement angebracht wird, dessen Position relativ zu einem Sensorteil, der bspw. am anderen Gehäuseteil oder am Grundelement fest angebracht ist, ermittelt wird. Als Sensor kann bspw. ein magnetischer Sensor, bspw. nach dem Hall- oder (G)MR-Prinzip oder ein optischer, kapazitiver oder potentiometrischer Sensor verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein induktiver Sensor, bei dem der feststehende Sensorteil einen Spulenschaltkreis aufweist, mit dem die Position eines Indexelements am ersten Gehäuseteil ermittelt und als elektrischer Wert ausgegeben werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zudem am Ende des Betätigungsbereiches ein Kickdown-Element, d. h. ein Kraftspitzen-Element vorgesehen sein. Unter einem Kraftspitzen-Element wird ein Element verstanden, das der Betätigung zunächst bis zu einer Kraftschwelle eine Kraft entgegensetzt, die dann aber nach Überwindung der Schwelle geringer wird. Derartige Elemente sind im Prinzip bekannt und können bspw. Federn oder Magnetelemente umfassen. Bevorzugt handelt es sich um eine Schnappscheibe, d. h. einem flächigen Element aus federndem Material, bevorzugt Federblech, die sich ohne äußere Krafteinwirkung in einer ersten Schnappstellung befindet und bei Betätigung des Pedalelements bis zu einer Betätigungsstellung, bei der eine Kraft bevorzugt im Wesentlichen mittig, quer zur Fläche, auf die Schnappscheibe wirkt, in eine zweite Schnappstellung reversibel umspringt. Die Schnappscheibe ist bevorzugt ebenfalls an der Betätigungskraft-Einheit angeordnet, besonders bevorzugt innerhalb des Gehäuses der Betätigungskraft-Einheit. Wie im Zusammenhang mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel deutlich wird, kann sie mit dem Schlittenelement zusammenwirken.
Das Fahrpedal weist bevorzugt weiter ein Anschlagelement auf, durch das das Pedalelement in der Grundstellung gehalten wird. Dabei ist bevorzugt das Rückstellfederelement in der Grundstellung mit einer Vorspannung versehen. Das Anschlagelement ist bevorzugt als Fanghaken ausgebildet, mit dem Grundelement und Pedalelement in der Grundstellung gegeneinander entgegen der Betätigungsrichtung verriegelt sind.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Fahrpedals;
2 in perspektivischer Ansicht eine Explosionsdarstellung von Elementen des Fahrpedals aus 1;
3 in Seitenansicht eine Betätigungskraft-Einheit des Fahrpedals aus 1, 2 mit zugehörigem Sensor;
4 in Draufsicht die Betätigungskraft-Einheit aus 3;
5 eine Explosionsdarstellung der Betätigungskraft-Einheit aus 3, 4 im Schnitt entlang der Linie B ... B in 4;
6a–6d im Längsschnitt entlang der Linie B ... B in 4 Ansichten der Betätigungskraft-Einheit aus 3–5 in verschiedenen Betätigungsstellungen;
7 ein Kraft-Weg-Diagramm des Fahrpedals aus 1, 2 mit der Betätigungskraft-Einheit aus 3–5.
1 zeigt ein Fahrpedal 10 mit einer Pedalplatte 12 (Pedalelement) und einem Grundelement 14. Die Pedalplatte 12 ist am Grundelement 14 mittels eines Filmscharniers 16 schwenkbar angelenkt. In 1 ist eine Grundstellung des Fahrpedals 10 gezeigt, in der die Pedalplatte 12 eine durch einen Fanghaken 18 begrenzte obere Stellung (Grundstellung) einnimmt. Bei Betätigung des Fahrpedals 10 wird die Pedalplatte 12 heruntergedrückt, so dass sich eine Schwenkbewegung in Pfeilrichtung gegenüber dem Grundelement 14 ergibt, bis am Ende des Betätigungsbereiches die Pedalplatte einen Anschlag 20 erreicht.
Wie aus 1, 2 ersichtlich, ist zwischen der Pedalplatte 12 und dem Grundelement 14 ein Pedalzylinder (Betätigungskraft-Einheit) 30 angeordnet. Der Pedalzylinder 30 ist mit einem oberen Drehgelenk 22 an der Pedalplatte und mit einem unteren Drehgelenk 24 am Grundelement angelenkt. Er ist durch Verschieben eines ersten Gehäuseteils 26 gegenüber einem zweiten Gehäuseteil 28 bei Betätigung des Fahrpedals 10 längenveränderlich. Wie nachfolgend näher erläutert wird, erzeugt der Pedalzylinder 30 die bei Betätigung des Fahrpedals 10 auftretende Gegenkraft und sorgt für eine Rückstellung der Pedalplatte 12 in die Grundstellung bei nachlassender Betätigung.
Am Grundelement 14 ist eine Sensorbaugruppe 36 aus einem induktiven Indexelement 32 und einem Spulenträger 34 vorgesehen, mit dem die Position des ersten Gehäuseelements 26, an dem das Indexelement 32 angebracht ist, gegenüber dem Grundelement 14, an dem der Spulenträger 34 befestigt ist, ermittelt werden kann. An dem als Leiterplatte ausgebildeten Spulenträger 34 sind Kontaktelemente 38 vorgesehen, die innerhalb eines Gehäusedeckels 40 in einem Steckergehäuse 42 angeordnet werden, um die Sensorbaugruppe 36 elektrisch mit einer Motorsteuereinheit (nicht dargestellt) zu verbinden. Ein zweiter Steckeranschluss ist aus einem Steckergehäuse 44 und darin enthaltenen Steckerkontakten 46 gebildet, die, wie unten genauer erläutert wird, über eine elektrische Zuleitung mit einer Elektromagnet-Einheit des Pedalzylinders 30 verbunden sind.
In 3, 4 ist die relative Anordnung des Pedalzylinders 30 und der Elemente 32, 34 der Sensorbaugruppe 36 dargestellt.
Wie in 3 gezeigt, ist der Spulenträger 34 mit einer darauf angeordneten Spulenanordnung 62 parallel zur Längsachse des Pedalzylinders 30 neben diesem angeordnet.
Somit liegt das induktive Indexelement 32 dem Spulenschaltkreis 62 direkt gegenüber. Bei Betätigung der Pedalplatte 12 verschiebt sich der damit gekoppelte obere Gehäuseteil 26 des Pedalzylinders 30 nach unten, währender den unteren Gehäuseteil 28 teleskopisch in sich aufnimmt. Hierdurch verändert einerseits der Pedalzylinder 30 seine Länge zwischen den beiden Lagerpunkten 22 und 24. Andererseits ergibt sich eine Relativbewegung zwischen dem Indexelement 32 und dem Spulenschaltkreis 62. Diese Relativbewegung führt zu einer abhängig vom Betätigungsweg bzw. -winkel unterschiedlichen Position des Indexelements 32 relativ zum Spulenschaltkreis 62, die durch geeignete Ausbildung und Ansteuerung des Spulenschaltkreises 62 induktiv erfasst werden kann. Die Ansteuerung der Spulen des Spulenschaltkreises 62 und die Auswertung des Signals erfolgt durch eine integrierte Schaltung (nicht dargestellt) auf der Leiterplatte (Spulenträger) 34. Insbesondere bevorzugt wird hierbei ein Sensoraufbau, bei dem der Spulenschaltkreis mindestens eine Erregerspule und mindestens eine Empfängerspule aufweist, wobei die Erregerspule mit einem Wechselstromsignal angesteuert wird. Durch das Indexelement 32 erfolgt eine positionsvariable Überkopplung des Erregersignals in die Empfängerspule, so dass die Relativposition ermittelt werden kann. Insbesondere wird ein Sensoraufbau gemäß WO-A-03/038379 bevorzugt, bei dem das Indexelement 32 ein Schwingkreis ist.
Es ist anzumerken, dass sich bei dem Aufbau des Fahrpedals 10 mit einem an beiden Enden angelenkten Pedalzylinder 30 und dem fest am Gehäusedeckel 40 und damit am Grundelement 14 angebrachten Spulenträger 34 keine rein lineare Bewegung des Indexelements 32 über dem Spulenträger 34 ergibt, sondern der Weg des Indexelements 32 in einem Bogen verläuft. Dem kann Rechnung getragen werden, indem der Spulenschaltkreis 62 seinerseits nicht vollständig linear verläuft, sondern entlang des Bewegungsbogens des Indexelements 32. Alternativ kann die Sensoranordnung 36 auch so ausgebildet und kalibriert sein, dass sich trotz der seitlichen Abweichung ein exakter Sensorwert ergibt.
5 zeigt den inneren Aufbau des Pedalzylinders 30. Bei diesem ist der obere Gehäuseteil 26 einstückig mit einem Lagerauge 22 als einseitig offener Hohlzylinder ausgebildet, in dem ein Stößel 60 fest angebracht ist, der vom geschlossenen Ende mittig vorsteht.
Das untere Gehäuseteil 28 besteht aus zwei miteinander verbundenen Elementen, nämlich einer Abschlusskappe 28b, die einstückig mit dem zweiten Lagerauge 24 ausgebildet ist und einem Zylinderelement 28a, das ebenfalls im Wesentlichen als Hohlzylinder aus Kunststoff ausgebildet ist und einen Durchmesser aufweist, so dass es passend im oberen Gehäuseteil 26 aufgenommen werden kann. Der Innenraum des Zylinderelements 28a ist unterteilt mittels einer einstückig ausgebildeten Stufe 64, in der ein Elektromagnet 50 gehalten ist. Der Elektromagnet 50 weist eine Ringspule und einen umgebenden ferromagnetischen Kernkörper auf und ist elektrisch an die Kontakte 46 (2) zur Bestromung angeschlossen.
Weiter weist das Zylinderelement 28a eine Zentrierhülse 66 an der Stufe 64 auf. Wie aus 5 ersichtlich, ist innerhalb des oberen Gehäuseelements 26 und innerhalb des Zylinderelements 28a ein Paar Schraubenfedern 48a, 48b angeordnet, die zwischen dem oberen Ende des oberen Gehäuseteils 26 und der Stufe 64 als Druckfedern unter Vorspannung eingebracht sind. Hiervon weist die äußere Schraubenfeder 48a den größeren Wicklungsdurchmesser auf, während die Schraubenfeder 48b mit kleinerem Wicklungsdurchmesser innerhalb der Schraubenfeder 48a angeordnet ist.
Die Stufe 64 des Zylinderelements 28a weist eine zentrale Bohrung 68 auf, durch die der Stößel 6o bei entsprechender Betätigung hindurch treten kann. Unterhalb der Stufe 64 ist im Zylinderelement 28a ein verschiebbarer Schlitten 54 mit einer daran fest angebrachten Platte 52 aus magnetisierbarem Stahl angebracht, die als Schwellenelement eingesetzt ist. Der Schlitten 54 nimmt eine weitere Schraubenfeder 56 auf, die ebenfalls unter Vorspannung zwischen dem Schlittenelement 54 und der Abschlusskappe 28b des unteren Gehäuseelements 28 angeordnet ist. Auf der Abschlusskappe 28b ist ferner als Kickdown-Element eine Schnappscheibe 58 aus Federstahl angeordnet. Das Schlittenelement 54 weist einen mittleren Schlittenstößel 70 auf, der bei entsprechender Betätigung – wie im Zusammenhang mit 6a bis 6d noch genauer erläutert wird – die Schnappscheibe 58 betätigt.
Das Schlittenelement 54 mit der Stahlplatte 52, die Schraubenfeder 56 und die Schnappscheibe 58 werden beim Zusammenbau des Pedalzylinders 30 innerhalb des Zylinderelements 28a aufgenommen. Die Abschlusskappe 28b schließt dann den unteren Gehäuseteil 28 dichtend ab.
6a zeigt den zusammengebauten Pedalzylinder 30 in der Grundstellung des Pedalelements 12, d. h. bei seiner maximalen, durch die Einbausituation innerhalb des Fahrpedals 10 vorgegebenen Länge zwischen den Lagerstellen 22, 24. Wie erläutert ergibt sich bei Betätigung der Pedalplatte 12 eine Verschiebung des oberen Gehäuseteils 26 gegenüber dem unteren Gehäuseteil 28. Die Koordinaten dieser Verschiebung sind in 6a bis 6d auf einer Achse x aufgetragen, wobei vorliegend die Spitze des Stößels 60 betrachtet wird. Diese liegt in der Grundstellung (6a) auf einer Position x = x₀. In dieser Position sind die Federelemente 48a, 48b bereits zwischen dem oberen Gehäuseteil 26 und der Stufe 64 des unteren Gehäuseteils 28 vorgespannt. Am gegenüberliegenden Ende des Pedalzylinders 30 ist die Schraubenfeder 56 zwischen dem Ende des unteren Gehäuseteils 28 und dem Schlittenelement 54 vorgespannt, so dass die Stahlplatte 52 am Elektromagneten 50 anliegt.
Der untere Gehäuseteil 28 ist teleskopisch innerhalb des oberen Gehäuseelements 26 aufgenommen, so dass eine innere Wandung 72 des oberen Gehäuseteils und eine äußere Wandung 74 des unteren Gehäuseteils direkt reibend übereinander liegen.
Ausgehend von der in 6a gezeigten Grundstellung zeigen die 6a bis 6d den Verlauf einer Betätigung der Pedalplatte 12 bis zum Ende des Betätigungsbereiches. Die entsprechende Kraft-Weg-Kennlinie ist in 7 dargestellt, wobei das dortige Diagramm rein qualitativ zu verstehen ist. Hierbei ergibt sich ab der Grundstellung x = x₀ in einem ersten Bereich bis zur Auslenkung x = x₁ ein zunächst linearer Anstieg der zur Betätigung benötigten Kraft. Dies resultiert aus der Kompression der Schraubenfedern 48a, 48b sowie zusätzlich der Reibung zwischen den Flächen 72, 74. In diesem ersten Bereich taucht der Stößel 60 in die Zentrierhülse 66 und die zentrale Bohrung 68 der Stufe 64 des zweiten Gehäuseelements 28 ein.
Ab der Auslenkung x = x₁ (6b) nimmt der Stößel 60 die Stahlplatte (Schwellenelement) 52 bei der Bewegung mit und entfernt diese so vom Elektromagneten 50. Je nach Bestromung des Elektromagneten 50 wirkt entgegen der Bewegung hierdurch eine Gegenkraft, die im Kraft-Weg-Diagramm von 7 als Kraftspitze 76 gezeigt ist. Hierbei sind je nach Bestromung des Elektromagneten 50 unterschiedlich hohe Kraftspitzen 76 erzielbar; ist der Elektromagnet 50 stromlos, so ergibt sich keine Kraftspitze.
Bei der weiteren Betätigung über die Position x = x₁ hinaus verschiebt der Stößel 60 das Schlittenelement 54 gegen die zusätzliche Kraft der Feder 56. Dadurch ergibt sich im Bereich x = x₁ bis x = x₂ eine etwas stärker ansteigende Kennlinie. Allerdings ist die Federkraft der Feder 56 erheblich geringer als die Federkraft der Federn 48a, 48b.
Kurz vor Ende des Betätigungsbereiches ergibt sich in der Position x = x₂ (6d) eine weitere Kraftspitze 78 daraus, dass der Stößel 70 die Schnappscheibe 58 betätigt. Diese besteht aus einem flachen Federstahlelement mit einer Wölbung. Bei Einwirkung des Stößels 70 rechtwinklig zur Fläche der Schnappscheibe 58 springt sie reversibel federnd in eine entgegengesetzte Wölbung um, so dass die in 7 dargestellte Kraftspitze 78 an der Pedalplatte 12 fühlbar ist.
Wie aus 7 ersichtlich, verläuft die Kennlinie in 7 bei nachlassender Betätigung nicht in gleicher Höhe wie in Betätigungsrichtung (Pfeile in der Kurve in 7). Dies resultiert aus der Reibung zwischen den Gehäuseteilen 26, 28, wodurch sich die dargestellte Hysteresekurve ergibt.
Das Fahrpedal 10 ist vorrangig konzipiert zur Steuerung der Motorleistung einer Brennkraftmaschine, der Fachmann wird jedoch erkennen, dass die Anwendung nicht allein hierauf beschränkt ist. Die jeweilige Stellung x wird durch die Sensoranordnung 36 als elektrischer Wert am Steckerausgang 38/42 abgegeben und zur entsprechenden Steuerung des Motors weiterverarbeitet.
Die Kickdown-Position x = x₂ kurz vor Ende des Betätigungsbereiches kann hierbei eine Kickdown-Funktion, d. h. bei einem Automatikgetriebe ein Herunterschalten auslösen, um zusätzliche Motorleistung zu erhalten.
Die Kraftspitze 76 an einer Zwischenposition x = x₁ kann genutzt werden, um für den Fahrer eine entsprechende Betätigungsschwelle fühlbar zu machen, bei der ein günstiger Betriebspunkt, insbesondere ein günstiger Kraftstoffverbrauch ergibt. Durch die variable Höhe der Kraftspitze 76 und die Möglichkeit, diese vollständig abzuschalten, ergeben sich vielfältige Steuerungsmöglichkeiten, mit denen die haptische Rückmeldung an den Fahrzeugführer beeinflusst werden kann.
Zu der gezeigten Ausführung sind eine Anzahl von Änderungen und Ergänzungen möglich.
Während die gezeigte Ausführungsform ein stehendes Pedal betrifft, kann der Pedalzylinder 30 – sogar in weitgehend oder vollständig identischer Form – auch in anderen Bauarten, insbesondere hängenden Pedalen, verwendet werden.
Das Kickdown-Element (Schnappscheibe 58) am Ende des Bewegungsbereiches kann entfallen, falls kein Kickdown benötigt wird oder eine entsprechende Einheit an anderer Stelle des Fahrpedals 10, bspw. am Anschlag 20, angebracht wird.
Die Reibung zwischen den Wandungen 72 und 74 des oberen Gehäuseteils 26 und unteren Gehäuseteils 28 kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden. Dies betrifft einerseits die Passung der beiden Elemente, von der die Andruckkraft zwischen den Flächen abhängt. Andererseits betrifft dies die an der Reibpaarung beteiligten Materialien. In einer bevorzugten Ausführung werden die Teile 26, 28a durchgängig aus demselben Kunststoff-Material gefertigt, so dass die Reibflächen 72, 74 entsprechend beschaffen sind. Alternativ ist es auch möglich, an den Reibflächen 72, 74 Einsätze aus gezielt hierfür ausgewählten Materialien vorzusehen. Bspw. kann innen am oberen Gehäuseelement 26 und/oder außen am unteren Gehäuseteil 28 ein Reibring eingesetzt werden.
Als weitere Möglichkeit kann zusätzliche Reibung erzeugt werden durch Reibung eines Fluids, das sich innerhalb des Zylinders 30 befindet, bspw. Luft oder eine Dämpfungsflüssigkeit. Wird dieses Fluid beim Zusammenfahren der Teile 26, 28 des Zylinders 30 durch eine hinreichend enge Bohrung und/oder einen engen Spalt gepresst, so ergibt sich eine zusätzliche Dämpfungswirkung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information 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

EP 1154347 A [0004]
WO 03/038379 A [0037]

Claims

Fahrpedal mit – einem Grundelement (14) und einem daran angebrachten Pedalelement (12), das zwischen einer Grundstellung und mindestens einer Betätigungsstellung auslenkbar ist, – wobei mindestens ein Element (30) zwischen Grundelement (14) und Pedalelement (12) vorgesehen ist, um eine Kraft entgegen einer Betätigungsrichtung des Pedalelements (12) aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass – als Element zwischen dem Grundelement (14) und dem Pedalelement (12) eine Betätigungskraft-Einheit (30) vorgesehen ist, wobei die Betätigungskraft-Einheit (30) eine Elektromagnet-Einheit (50) und ein ferromagnetisches Schwellenelement (52) umfasst, wobei in einer ersten Stellung das Schwellenelement (52) an der Elektromagnet-Einheit (50) anliegt und in mindestens einer zweiten Stellung das Schwellenelement (52) im Abstand von der Elektromagnet-Einheit (50) angeordnet ist, – wobei die Elektromagnet-Einheit (50) und das Schwellenelement (52) so mit dem Pedalelement (12) und dem Grundelement (14) gekoppelt sind, dass beim Betätigen des Pedalelements (12) mindestens ab einer Zwischenstellung (x = x₁) die Elektromagnet-Einheit (50) und das Schwellenelement (52) relativ zueinander von der ersten in die zweite Stellung gebracht werden.
Fahrpedal nach Anspruch 1, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) ein Stößelelement (60) aufweist, wobei beim Betätigen des Pedalelements (12) das Stößelelement (60) so auf das Schwellenelement (52) wirkt, dass dieses gegenüber der Elektromagnet-Einheit (50) von der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt wird.
Fahrpedal nach Anspruch 2, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) ein Gehäuse (26, 28) aufweist, in dem sich das Stößelelement (60) zwischen gegenüberliegenden Enden des Gehäuses bewegt, – wobei die Elektromagnet-Einheit (50) mit Abstand zu den Enden des Gehäuses angeordnet ist.
Fahrpedal nach Anspruch 3, bei dem – die Elektromagnet-Einheit (50) an einer Stufe des Gehäuses angeordnet ist.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) ein verschiebliches Schlittenelement (54) aufweist, – wobei das Schlittenelement (54) bei Betätigung des Pedalelements (12) mindestens ab der Zwischenstellung (x = x₁) verschoben wird.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) ein Gehäuse mit mindestens einem ersten Gehäuseteil (26) und einem zweiten Gehäuseteil (28) aufweist, wobei sich die Gehäuseteile (26, 28) bei der Betätigung relativ zueinander verschieben, wobei sich bei der Verschiebung zwischen den Gehäuseteilen (26, 28) eine Reibung ergibt.
Fahrpedal nach Anspruch 6, bei dem – die Teile (26, 28) des Gehäuses der Betätigungskraft-Einheit (30) einen Innenraum abdichtend umschließen.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – an der Betätigungskraft-Einheit (30) ein Linearsensor (36) vorgesehen ist, der ein elektrisches Signal entsprechend der Verschiebung mindestens eines der Gehäuseteile (26, 28) ausgibt.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) mindestens ein Rückstellfederelement (48a, 48b) aufweist, um eine Kraft entgegen der Betätigungsrichtung des Pedalelements (12) aufzubringen.
Fahrpedal nach Anspruch 9, bei dem – das Rückstellfederelement zwei konzentrisch angeordnete Schraubenfedern (48a, 48b) umfasst.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – die Betätigungskraft-Einheit (30) am Grundelement (14) und am Pedalelement (12) jeweils angelenkt ist.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – am Ende eines Bewegungsbereiches des Pedalelements (12) ein Kickdown-Element (58) vorgesehen ist.
Fahrpedal nach Anspruch 12, bei dem – eine Schnappscheibe (58) vorgesehen ist, die bei Krafteinwirkung zwischen einer ersten und einer zweiten Schnappstellung umschnappt, – wobei sich die Schnappscheibe (58) in der Grundstellung des Pedalelements (12) in der ersten Schnappstellung befindet, – und bei Betätigung des Pedalelements (12) in eine Schnappposition in die zweite Schnappstellung umschnappt.
Fahrpedal nach Anspruch 13, bei dem – die Schnappscheibe innerhalb des Gehäuses der Betätigungskraft-Einheit (30) angeordnet ist.
Fahrpedal nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem – ein Anschlagelement (18) vorgesehen ist, durch das das Pedalelement (12) ohne Betätigung in seiner Grundstellung gehalten ist.
Fahrpedal mit – einem Grundelement (14) und einem daran angebrachten Pedalelement (12), das zwischen einer Grundstellung und mindestens einer Betätigungsstellung auslenkbar ist, – wobei mindestens ein Element (30) zwischen Grundelement (14) und Pedalelement (12) vorgesehen ist, um eine Kraft entgegen einer Betätigungsrichtung des Pedalelements (12) aufzubringen, dadurch gekennzeichnet, dass – als Element zwischen dem Grundelement (14) und dem Pedalelement (12) eine Betätigungskraft-Einheit (30) vorgesehen ist, wobei – die Betätigungskraft-Einheit (30) ein Gehäuse mit mindestens einem ersten Gehäuseteil (26) und einem zweiten Gehäuseteil (28) aufweist, wobei sich die Gehäuseteile (26, 28) bei der Betätigung relativ zueinander verschieben, wobei sich bei der Verschiebung zwischen den Gehäuseteilen (26, 28) eine Reibung ergibt, – und wobei das Gehäuse mindestens ein Rückstellfederelement (48a, 48b) umfasst.