DE102013213413A1 - Actuator device for a brake of a vehicle, vehicle and method for actuating a brake of a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aktuatorvorrichtung für eine Bremse eines Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirads wie beispielsweise eines elektrisch betreibbaren Fahrrads, ein Aktuatorgehäuse, einen in dem Aktuatorgehäuse verankerten ersten dielektrischen Elastomeraktor, welcher mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist und welcher in Abhängigkeit von dem beaufschlagten elektrischen Feld dehnbar ist, sowie eine mechanische Wirkverbindung, welche an einem ersten Endabschnitt mit dem dielektrischen Elastomeraktor verbunden, an einem dem ersten Endabschnitt entgegengesetzten zweiten Endabschnitt mit einem Seilzug der Bremse koppelbar und an einem Schwenkungspunkt mit dem Aktuatorgehäuse verbunden ist. Dabei erfolgt bei einer Dehnung des ersten Elastomeraktors eine Kraftübertragung über die mechanische Wirkverbindung auf den Seilzug der Bremse.The invention relates to an actuator device for a brake of a vehicle, in particular a two-wheeled vehicle such as an electrically operable bicycle, an actuator housing, an anchored in the actuator housing first dielectric Elastomeraktor which is acted upon by an electric field and which in response to the applied electrical Field is stretchable, as well as a mechanical operative connection, which at a first end portion connected to the dielectric Elastomeraktor, at a first end portion opposite the second end portion with a cable of the brake coupled and is connected at a pivot point with the actuator housing. When the first elastomeric actuator is stretched, a force transmission takes place via the mechanical operative connection to the cable of the brake.
Description
Die Erfindung betrifft eine Aktuatorvorrichtung für eine Bremse eines Fahrzeugs, ein Fahrzeug, insbesondere ein Zweirad, mit einer Bremse und einer Aktuatorvorrichtung für die Bremse sowie ein Verfahren zum Aktuieren einer Bremse eines Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirads.The invention relates to an actuator device for a brake of a vehicle, a vehicle, in particular a bicycle, with a brake and an actuator device for the brake and a method for actuating a brake of a vehicle, in particular a two-wheeler.
Wenngleich sich die Erfindung bei Fahrzeugen verschiedener Art, insbesondere bei relativ leichten und kostengünstigen Fahrzeugen, als nützlich erweisen kann, soll die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines als Fahrrad ausgeführten Zweirades näher beschrieben werden. Das Fahrrad kann hierbei als ein Fahrrad mit einem motorischen Antrieb, insbesondere einem elektrischen Antrieb, der anstelle der Muskelkraft des Fahrers oder zusätzlich zu dieser wirken kann, ausgebildet sein.Although the invention may prove useful in vehicles of various types, particularly in relatively light and inexpensive vehicles, the invention will be described in more detail below using the example of a two-wheeled bicycle. The bicycle can hereby be designed as a bicycle with a motor drive, in particular an electric drive, which can act instead of or in addition to the muscle power of the driver.
Stand der TechnikState of the art
In der
Die Druckschrift
Es besteht jedoch ein Bedarf an verbesserten Systemen zur Bremskraftunterstützung, insbesondere bei elektrisch betriebenen bzw. betreibbaren Zweirädern.However, there is a need for improved brake assist systems, particularly in electrically powered two-wheeled vehicles.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Aktuatorvorrichtung für eine Bremse eines Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirads wie beispielsweise eines elektrisch betreibbaren Fahrrads, ein Aktuatorgehäuse, einen in dem Aktuatorgehäuse verankerten ersten dielektrischen Elastomeraktor, welcher mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist und welcher in Abhängigkeit von dem beaufschlagten elektrischen Feld, entweder im Wesentlichen senkrecht zu einer Feldrichtung oder im Wesentlichen parallel zu der Feldrichtung, dehnbar ist, sowie eine mechanische Wirkverbindung, welche an einem ersten Endabschnitt mit dem dielektrischen Elastomeraktor verbunden, an einem dem ersten Endabschnitt entgegengesetzten zweiten Endabschnitt mit einem Seilzug der Bremse koppelbar und an einem Schwenkungspunkt mit dem Aktuatorgehäuse verbunden ist. Dabei erfolgt bei einer Dehnung des ersten Elastomeraktors eine Kraftübertragung über die mechanische Wirkverbindung auf den Seilzug der Bremse. According to a first aspect of the invention, an actuator device for a brake of a vehicle, in particular a bicycle, such as an electrically operable bicycle, an actuator housing, an anchored in the actuator housing first dielectric Elastomeraktor, which is acted upon by an electric field and which depending on the applied electrical field, either substantially perpendicular to a field direction or substantially parallel to the field direction, and a mechanical operative connection, which at a first end portion connected to the dielectric elastomer actuator, at a first end portion opposite the second end portion with a cable of the Brake coupled and connected at a pivot point with the actuator housing. When the first elastomeric actuator is stretched, a force transmission takes place via the mechanical operative connection to the cable of the brake.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug zumindest ein Rad zum fahrbaren Abstützen des Fahrzeugs auf einem Untergrund, eine Bremseinrichtung, welche an dem Rad angeordnet ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Rotationsgeschwindigkeit des Rades zu vermindern, eine Bedieneinrichtung, einen Seilzug, welcher die Bedieneinrichtung in Wirkverbindung mit der Bremseinrichtung setzt, und eine Aktuatorvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, welche mit dem Seilzug gekoppelt ist.According to a second aspect of the invention, a vehicle comprises at least one wheel for movably supporting the vehicle on a ground, a braking device which is arranged on the wheel and which is designed to reduce the rotational speed of the wheel, an operating device, a cable, which sets the operating device in operative connection with the braking device, and an actuator device according to the first aspect of the invention, which is coupled to the cable.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aktuieren einer Bremse eines Fahrzeugs gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung die Schritte des Ermittelns eines eingeleiteten Bremsvorgangs mit der Bremse des Fahrzeugs, des Ermittelns von Bewegungsparametern des Fahrzeugs durch Auswerten von Drehraten des Fahrzeugs, Drehzahlen der Räder des Fahrzeugs und/oder Momentanbeschleunigung des Fahrzeugs, des Vergleichens der ermittelten Bewegungsparameter des Fahrzeugs mit einem vorbestimmbaren Bewegungsprofil, und des Ansteuerns der Aktuatorvorrichtung zur Übertragung einer Kraft über die mechanische Wirkverbindung auf den Seilzug der Bremse.According to a third aspect of the invention, a method for actuating a brake of a vehicle according to the second aspect of the invention comprises the steps of determining an initiated braking operation with the brake of the vehicle, determining movement parameters of the vehicle by evaluating yaw rates of the vehicle, rotational speeds of the wheels of the vehicle and / or instantaneous acceleration of the vehicle, comparing the determined movement parameters of the vehicle with a predeterminable movement profile, and the driving of the actuator device for transmitting a force via the mechanical operative connection to the cable of the brake.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, eine elektrisch betreibbare Bremsunterstützung für ein Fahrzeug bereitzustellen, mit der die Bremskraft des Fahrzeugs in Abhängigkeit von Bewegungsparametern des Fahrzeugs reguliert werden kann. Hierfür sind in einer Aktuatorvorrichtung Aktoren auf der Basis elektroaktiver Polymere, und insbesondere dielektrischer Elastomere vorgesehen, welche neben der durch den Fahrer des Fahrzeugs über einen mechanischen Seilzug aufgebrachten Bremskraft durch entsprechende Variation der Ansteuerspannung der dielektrischen Elastomere zusätzliche Bremskräfte auf den Seilzug aufbringen kann.The idea underlying the present invention is to provide an electrically operable brake assist for a vehicle, with which the braking force of the vehicle can be regulated in dependence on movement parameters of the vehicle. For this purpose, actuators are provided in an actuator device based on electroactive polymers, and in particular dielectric elastomers, which can apply additional braking forces to the cable in addition to the applied by the driver of the vehicle via a mechanical cable braking force by appropriate variation of the driving voltage of the dielectric elastomers.
Die Anordnung des Aktors bzw. der Aktoren in der Aktuatorvorrichtung kann dergestalt gewählt werden, dass einerseits eine Antiblockierfunktionalität (kurz, eine ABS-Funktion) oder eine Bremskraftverstärkung erzielt werden kann. Aufgrund der mechanischen Ausführung eignet sich die Aktuatorvorrichtung besonders gut, um ein leichtes Fahrzeug, beispielsweise ein leichtes Zweirad wie etwa ein muskelkraftgetriebenes Fahrrad, ein E-Bike oder ein Pedelec mit elektrischem Antrieb oder elektrischem Hilfsantrieb, oder ein Mofa, mit einer einfach zu realisierenden, kostengünstigen, zuverlässig wirkenden und automatischen Bremskraftunterstützung auszustatten.The arrangement of the actuator or the actuators in the actuator device can be chosen such that on the one hand an anti-lock functionality (short, an ABS function) or a brake booster can be achieved. Due to the mechanical design, the actuator device is particularly well suited to a light vehicle, For example, a light two-wheeler such as a muscle-powered bicycle, an e-bike or a pedelec with electric drive or electric auxiliary drive, or a moped, equipped with an easy to implement, cost-effective, reliable acting and automatic brake power assistance.
Die Realisierung einer ABS-Funktion ermöglicht es, ein Blockieren des Rades oder der Räder des Fahrzeugs und einen möglicherweise resultierenden Verlust der Kontrolle über das Fahrzeug zu vermeiden. Ist das Fahrzeug einspurig und wird das Vorderrad des Fahrzeugs als das zu unterstützende Rad gewählt, so kann mit der Aktuatorvorrichtung ein Überschlag des Fahrers über den Lenker bei übermäßig starkem Bremsen verhindert werden. Die Erfindung kann sich aber auch bei leichten mehrspurigen Fahrzeugen – wie etwa muskelkraftbetriebenen, rikschaartigen Gefährten mit mehr als zwei Rädern – als nützlich erweisen, um zum Beispiel ein Schleudern beim Blockieren der Räder zu verhindern. The realization of an ABS function makes it possible to avoid locking the wheel or wheels of the vehicle and possibly resulting loss of control over the vehicle. If the vehicle is single-lane and the front wheel of the vehicle is selected as the wheel to be assisted, then with the actuator device a rollover of the driver over the handlebar can be prevented with excessively strong braking. However, the invention may also be useful in light multi-lane vehicles - such as muscle-powered, rickshaw-type companions with more than two wheels - to prevent, for example, skidding when locking the wheels.
Die Aktoren mit dielektrischen Elastomeren können über eine ohnehin vorhandene elektrische Energieversorgung des Fahrzeugs mit Energie versorgt werden. Daher eignet sich die Aktuatorvorrichtung besonders für Fahrzeuge mit einer elektrischen Stromquelle wie etwa E-Bikes oder Pedelecs. Die Aktuatorvorrichtung trägt zur Verbesserung der Fahreigenschaften des Fahrzeugs bei und ermöglicht eine optimale Bremskraftverteilung, die sich günstig auf den Bremsweg auswirken kann.The actuators with dielectric elastomers can be powered by an already existing electrical power supply of the vehicle with energy. Therefore, the actuator device is particularly suitable for vehicles with an electric power source such as e-bikes or pedelecs. The actuator device contributes to the improvement of the driving characteristics of the vehicle and allows an optimal distribution of braking force, which can have a favorable effect on the braking distance.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and developments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einer Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung kann die Aktuatorvorrichtung weiterhin eine Abstützplatte aufweisen, welche in dem Aktuatorgehäuse ortsfest verankert ist, wobei der dielektrische Elastomeraktor an einem Ende mit der Abstützplatte verbunden ist. Dies ermöglicht eine kontrollierte Korrelation zwischen Hebelweg und Kraft des Elastomeraktors.According to an embodiment of the actuator device, the actuator device may further comprise a support plate, which is fixedly anchored in the actuator housing, wherein the dielectric elastomer actuator is connected at one end to the support plate. This allows a controlled correlation between the lever travel and the force of the elastomer actuator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung kann die Aktuatorvorrichtung weiterhin einen in dem Aktuatorgehäuse verankerten zweiten dielektrischen Elastomeraktor aufweisen, welcher mit einem elektrischen Feld beaufschlagbar ist und welcher in Abhängigkeit von dem beaufschlagten elektrischen Feld, entweder im Wesentlichen senkrecht zu einer Feldrichtung oder im Wesentlichen parallel zu der Feldrichtung, dehnbar ist, wobei der zweite dielektrische Elastomeraktor an dem ersten Endabschnitt mit der mechanischen Wirkverbindung verbunden ist. Durch das Vorsehen eines zweiten Elastomeraktors kann beispielsweise der erste Elastomeraktor in seiner Funktion unterstützt werden, um eine verbesserte Kraftübertragung auf den Seilzug zu erreichen.According to a further embodiment of the actuator device, the actuator device may further comprise an anchored in the actuator housing second dielectric Elastomeraktor which is acted upon by an electric field and which depending on the applied electric field, either substantially perpendicular to a field direction or substantially parallel to the Field direction, is extensible, wherein the second dielectric elastomer actuator is connected at the first end portion with the mechanical operative connection. By providing a second elastomer actuator, for example, the first elastomer actuator can be supported in its function to achieve improved power transmission to the cable.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Aktuatorvorrichtung kann eine Dehnung des zweiten Elastomeraktors eine Kraftübertragung auf den Seilzug in entgegengesetzter Richtung zu einer durch eine Dehnung des ersten Elastomeraktors verursachten Kraftübertragung verursachen. Dies birgt den Vorteil, dass eine zweite Bremsunterstützungsfunktionalität realisiert werden kann, beispielsweise eine Bremskraftverminderung neben einer Bremskraftverstärkung.According to a further embodiment of the actuator device, an extension of the second elastomeric actuator may cause a force transfer to the cable in the opposite direction to a force transmission caused by an expansion of the first elastomeric actuator. This has the advantage that a second brake assist functionality can be realized, for example, a brake force reduction in addition to a brake booster.
Gemäß einer Ausführungsform des Fahrzeugs kann das Fahrzeug mehrere Räder aufweisen, wobei jedes der Räder des Fahrzeugs mit einer Bremseinrichtung und einer erfindungsgemäßen Aktuatorvorrichtung ausgestattet ist.According to one embodiment of the vehicle, the vehicle may have a plurality of wheels, wherein each of the wheels of the vehicle is equipped with a braking device and an actuator device according to the invention.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeugs kann das Fahrzeug weiterhin einen Fahrzeugrahmen aufweisen, wobei das Aktuatorgehäuse zumindest teilweise in dem Fahrzeugrahmen ausgebildet ist. Dies ermöglicht die platzsparende und optisch ansprechende Integration einer Aktuatorvorrichtung in ein Fahrzeug, beispielsweise ein Fahrrad.According to a further embodiment of the vehicle, the vehicle may further comprise a vehicle frame, wherein the actuator housing is at least partially formed in the vehicle frame. This allows the space-saving and visually appealing integration of an actuator device in a vehicle, such as a bicycle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeugs kann das Fahrzeug weiterhin eine Steuereinrichtung, welche mit der Aktuatorvorrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, den Betrieb der Aktuatorvorrichtung zu steuern, sowie eine elektrische Energieversorgungseinrichtung aufweisen, welche mit der Aktuatorvorrichtung und der Steuereinrichtung gekoppelt ist, und welche dazu ausgelegt ist, die Aktuatorvorrichtung und die Steuereinrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen. Dadurch ist die Aktuatorvorrichtung besonders gut geeignet für Fahrräder mit elektrischem Antrieb oder Pedelecs.According to a further embodiment of the vehicle, the vehicle may further comprise a control device which is coupled to the actuator device and which is designed to control the operation of the actuator device, and an electric power supply device which is coupled to the actuator device and the control device, and which is adapted to supply the actuator device and the control device with electrical energy. As a result, the actuator device is particularly well suited for bicycles with electric drive or pedelecs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Fahrzeugs kann die Steuereinrichtung weiterhin einen Beschleunigungssensor, einen Drehratensensor, einen Drehzahlsensor und/oder einen Einfederwegsensor aufweisen. Über einen oder mehrere dieser Sensoren kann die Steuereinrichtung den Fahrzustand des Fahrzeugs überwachen und gegebenenfalls kritische Fahrsituationen wie ein Schlingern, ein Blockieren der Bremsen, ein unerwünschtes Kippen um eine Radachse oder ähnliches durch Plausibilisieren der Sensormesswerte erkennen. Dies ermöglicht das Einleiten von entsprechenden Gegenmaßnahmen über eine einprogrammierte Ansteuerung der Aktuatorvorrichtung(en).According to a further embodiment of the vehicle, the control device may further comprise an acceleration sensor, a rotation rate sensor, a rotational speed sensor and / or a compression travel sensor. The control device can monitor the driving state of the vehicle via one or more of these sensors and, if necessary, detect critical driving situations such as a roll, a blocking of the brakes, an undesired tilting about a wheel axle or the like by plausibility checking of the sensor measured values. This allows the initiation of appropriate countermeasures via a programmed control of the actuator device (s).
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Aktuieren einer Bremse eines Fahrzeugs kann die Richtung der Kraft der Richtung der durch den eingeleiteten Bremsvorgang verursachten Bremskraft auf den Seilzug der Bremse entgegengesetzt sein. Alternativ dazu kann die Richtung der Kraft der Richtung der durch den eingeleiteten Bremsvorgang verursachten Bremskraft auf den Seilzug der Bremse gleichen. Diese zwei Möglichkeiten stellen vorteilhafte Implementierungsmöglichkeiten für eine ABS-Funktionalität oder eine Bremsassistenzfunktion bei einer Notbremsung oder einer drohenden Gefahrensituation dar. According to an embodiment of the method for actuating a brake of a vehicle, the direction of the force may be opposite to the direction of the braking force caused by the initiated braking action on the cable of the brake. Alternatively, the direction of the force may be the same as the direction of the braking force caused by the initiated braking action on the cable of the brake. These two options represent advantageous implementation options for an ABS functionality or a brake assistance function in emergency braking or an imminent danger situation.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen hierbei:The invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures. It show here:
Die beigefügten Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und illustrieren beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung. Sie dienen zur Erläuterung von Prinzipien, Vorteilen, technischen Effekten und Variationsmöglichkeiten. Selbstverständlich sind andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Erfindung ebenso denkbar, insbesondere mit Blick auf die im Folgenden dargestellte ausführliche Beschreibung der Erfindung. Die Elemente in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und aus Gründen der Übersichtlichkeit teils vereinfacht oder schematisiert dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichartige Komponenten oder Elemente.The accompanying drawings are provided for a better understanding of the present invention and illustrate exemplary embodiments of the invention. They serve to explain principles, advantages, technical effects and possible variations. Of course, other embodiments and many of the intended advantages of the invention are also conceivable, particularly with a view to the following detailed description of the invention. The elements in the drawings are not necessarily drawn to scale and for reasons of clarity partly simplified or schematized. The same reference numerals designate the same or similar components or elements.
Obschon hierin spezielle Ausführungsformen beschrieben und dargestellt sind, ist es für einen Fachmann klar, dass eine Fülle weiterer, alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen für die Ausführungsformen gewählt werden können, ohne im Wesentlichen vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen sollen alle Variationen, Modifikationen und Abwandlungen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ebenfalls von der Erfindung als abgedeckt geltenAlthough specific embodiments are described and illustrated herein, it will be apparent to those skilled in the art that a plethora of other, alternative and / or equivalent implementations may be selected for the embodiments without substantially departing from the spirit of the present invention. In general, all variations, modifications and variations of the embodiments described herein are also to be considered covered by the invention
Die Rotationsgeschwindigkeit des ersten Rads
Gleichzeitig mit der Betätigung der Bremseinrichtung
In dem Aktuatorgehäuse
Der Elastomerkörper
Der Hebel
Diese Kraftübertragung kann beispielsweise für eine temporäre Bremskraftaussetzung verwendet werden, wenn mit der Bedieneinrichtung
Durch temporäres Anlegen einer hohen Ansteuerspannung an die Elektroden
In ähnlicher Weise kann auch eine ABS-Funktion realisiert werden: Wenn ein Blockieren eines oder mehrerer mit Aktuatorvorrichtungen
Das Fahrzeug
Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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