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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, insbesondere einen Pedalkraftsimulator, wobei ein Kolben über eine Kolbenstange mit dem Betätigungselement verbunden ist, welches den Kolben innerhalb des Zylinders axial bewegt.
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In Kraftfahrzeugen werden Aggregate, wie beispielsweise Kupplungen, Bremsen etc. mittels Pedalen fußbetätigt. Hierzu wird das Pedal beispielsweise an einem Pedalbock schwenkbar angelenkt, wobei durch die Betätigung des Pedals beispielsweise über einen Bowdenzug, eine hydraulische Strecke oder ähnliches das Aggregat betätigt wird. Dabei wirkt auf das Pedal eine typische Rückstellkraft, die dem Bediener das Betätigen erleichtert.
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Auch sind Betätigungssysteme bekannt, bei welchen zwischen dem Pedal und dem Aggregat keine direkte mechanische Verbindung mehr vorgesehen ist, sondern an dem Pedal ein Sensor vorgesehen ist, welcher die Betätigung des Pedals erkennt und entsprechend ein Aktuator die Betätigung des Aggregats vornimmt. Solche Vorrichtungen werden bei der Betätigung einer Kupplung beispielsweise „clutch-by-wire“ genannt. Derartige Vorrichtungen sind auch beispielsweise für das Bremspedal oder das Gaspedal bekannt.
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Dabei ist es für den Bediener von Nachteil, dass die auf das Pedal wirkende Rückstellkraft nicht mehr originär von dem Aggregat resultiert, weil dadurch die vom Bediener erwartete Rückstellkraft nicht mehr vorliegt und die Betätigung durch den Bediener ungewohnt erscheint. Daher sind Pedalkraftsimulationsvorrichtungen bekannt geworden, welche an dem Pedal angreifen und eine mehr realistische oder gewohnte Rückstellkraft verursachen sollen.
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Bei bekannten gattungsgemäßen Systemen wird bei einem Pedalkraftsimulator über eine Federkraft und einen Kolben bzw. eine Kulisse eine Pedalkraftkennlinie simuliert.
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Aus der
DE 10 2011 016 239 A1 ist beispielsweise ein Pedalkraftsimulator für eine Fahrzeugbremsanlage mit elektronischer Signalübertragung bekannt, bei der eine von der Fußkraft des Fahrzeugführers abhängige Ansteuerung des Bremsmomentes, insbesondere mittels elektrohydraulischer oder elektro-mechanischer Systeme vorgenommen wird, wobei der Pedalkraftsimulator ein für einen Fahrzeugführer gewohntes Bremsgefühl generiert. Der Pedalkraftsimulator umfasst eine pneumatisch arbeitende Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolben eine Kompressionskammer mit einem ansteuerbaren Ventil begrenzt und entgegen der Kompressionsrichtung mittels zumindest eines ersten Federelementes den Kolben mit einer Kraft belastet sowie über eine Kolbenstange mit einem Fahrzeugbremspedal derart wirkverbunden ist, dass die Kolbenstange während der Betätigung des Fahrzeugbremspedals eine Winkeländerung relativ zur Kolben-Zylinder-Einheit erfährt. Diese Winkelbeweglichkeit stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion des Pedalkraftsimulators.
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In der Druckschrift
DE 10 2008 061 569 A1 wird ein Kupplungsbetätigungssystem mit einer Ausrückeinheit und einer von einer Betätigungseinheit betätigten Beaufschlagungseinheit zur Beaufschlagung der Ausrückeinheit über eine Kraftübertragungseinheit mit einer Kompensationsvorrichtung zum Erreichen einer vorgegebenen Betätigungskraftkennlinie beschrieben. Dabei kann in Verbindung mit der Verwendung der vorgeschlagenen Kompensationsvorrichtung die Verwendung einer hydrostatischen Kupplungsausrückeinheit mit einem mit der Betätigungsvorrichtung verbundenen Geberzylinder vorgesehen sein, der mittels einer als Kraftübertragungseinheit ausgestalteten Druckleitung einen Nehmerzylinder beaufschlagt, wobei die Betätigungseinrichtung ein um einen Drehpunkt verdrehbares Kupplungspedal ist.
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Zur Kompensation von Kraftspitzen und Glättung des Kraftverlaufs über den Betätigungsweg ist zwischen der Betätigungseinheit und einem gehäusefesten Abstützpunkt, beispielsweise an der Spritzwand der Fahrzeugkarosserie, einem Rahmenteil oder an dem Geberzylindergehäuse direkt eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen. Die Beaufschlagungseinrichtung ist in Form eines Geberzylinders, einer Kolbenstange und eines Kolbens ausgebildet. Der Geberzylinder weist an seinem Außenumfang mindestens ein Profilteil auf, auf dem Tragteile mittels der Rollen abrollen. Die Kolbenstange, die den Kolben beaufschlagt und die mit dem Kupplungspedal drehbar verbunden ist, ist an derselben Aufnahme aufgenommen wie die Tragteile.
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Eine noch nicht veröffentlichte in
DE 10 2013 226 307 beschriebene Lösung offenbart eine Pedalkraftsimulationsvorrichtung mit einem entgegen der Rückstellkraft eines Kraftspeichers verlagerbaren Eingangselement, wobei weiterhin ein Element mit einer variablen Kontur vorgesehen ist, an welchem sich vorgespannte Arme abstützen und eine Zusatzkraft auf das Eingangselement ausüben. Dabei zeigt sich, dass aufgrund der Reibung zwischen dem Element mit der variablen Kontur und den Armen ein Verschleiß auftritt, welcher die Zusatzkraft über die Lebensdauer der Vorrichtung beeinflusst.
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Ein entscheidender Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, dass die Technologie nicht über die Lebensdauer funktioniert ohne geschmiert zu werden, aber geeignete Lösungen zur Realisierung einer entsprechenden Schmierung nicht verfügbar sind.
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Aus der Druckschrift
DE 103 32 699 A1 ist ein Verfahren zur Montage eines Gleitlagers bekannt, bei welchem in das Lagerschild neben dem Lager auch ein Schmierstoffdepot eingelegt wird, welches beispielsweise ölgetränkter Filz oder eine Matrixstruktur, die mit Öl getränkt ist, sein kann. Das Öl wird durch Kapillarwirkung abgegeben. Eine Anwendung für Kupplungsbetätigungssysteme ist nicht bekannt.
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Weiterhin sind seit mehreren Jahrzehnten Filzstifte bekannt, die als Schreib- oder Zeichengerät, bzw. als Permanentmarker dienen. Diese enthalten einen Kern eine aus Polyesterfaser oder anderem Fasermaterial, die durch Auffüllen mit Tinte gleichmäßig mit dieser durchtränkt wird. Bei Druck auf eine Oberfläche wird Farbe auf diese abgegeben.
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Die beiden vorgenannten Lösungen betreffen vollkommen andere Anwendungsgebiete.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, insbesondere einen Pedalkraftsimulator, zu entwickeln, in welche eine einfache und praktikable Schmierung integriert ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, insbesondere einen Pedalkraftsimulator, einen Kolben aufweist, der über eine Kolbenstange mit dem Betätigungselement verbunden ist, welches den Kolben innerhalb des Zylinders axial bewegt, wobei bei Betätigung des Kolbens die relativ axial zueinander beweglichen Komponenten innerhalb des Gehäuses mit einem Schmiermittel beaufschlagt werden.
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Dazu wird in einer ersten Variante zumindest bereichsweise zwischen den relativ zueinander axial beweglichen Komponenten an deren Kontaktbereich eine Matrixstruktur angeordnet, welche mit einem Schmierstoff getränkt ist.
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Diese Matrixstruktur wird mit Übermaß in die Kulisse eingebaut und wird bei Betätigung des Kolbens von der Kulisse touchiert. Dabei gibt es (analog einem Textmarker) durch Beaufschlagung mit Druck Fluid in Form von Schmiermittel an den Kolben, der als Kulisse ausgeführt sein kann, ab, so dass diese bei jedem Hub mit Öl benetzt wird, und dadurch die Lebensdauer erhöht wird.
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Wird zwischen der beweglichen Komponente, in Form eines Kolbens, der auch kulissenartig ausgestaltet sein kann, und einem Element, in welches der Kolben bei Betätigung eintaucht, eine derartige Matrixstruktur angeordnet, gelangt bei einer radialen Druckbeaufschlagung zwischen Kolben und Matrixstruktur Schmierstoff an dem Kolben/ die Kulisse. Dabei kann die Matrixstruktur als Depot auch aus der Ausnehmung, in welche der Kolben / die Kulisse eingreift, herausführen und beispielsweise das Bauteil bzw. einen Einsatz, in welchen der Kolben / die Kulisse eingreift umringen, so dass durch die Kapillarwirkung über einen langen Zeitraum eine Schmierstoffversorgung gewährleistet ist.
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Eine zweite Variante liegen die relativ zueinander axial beweglichen Komponenten in einem Ölbad, wobei die Kulisse mit zugehöriger Lagerung im eingerückten Zustand oberhalb des Ölspiegels liegt und bei Betätigung des Kolbens dieser den Druckraum komprimiert wodurch der Ölspiegel über die Kulisse und deren Lagerung steigt und dabei die Kulisse und die Lagerung schmiert. Dadurch wird bei jeder Betätigung die Lagerung der Kulisse und die Kulisse selbst mit Öl benetzt und geschmiert. Durch die Komprimierung des Druckraumes mittels des Kolbens steigt der Luftdruck innerhalb des Systems, wobei dies, sollte es nicht gewünscht werden, mit einer Entlüftungsbohrung vermieden werden kann. Die Abdichtung des Kolbens zum Gehäuse erfolgt hierbei mittels einer Dichtung, vorzugsweise eines Standard-O-Rings welcher auftretende Leckagen abdichtet.
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Der Pedalkraftsimulator wird insbesondere für ein Clutch-by-Wire-System, verwendet, bei dem der Simulator über seine gesamte Lebensdauer gleichmäßig geschmiert werden soll. Hierfür wird eine erste Variante mit einer mit Schmiermittel infiltrierte Matrixstruktur, vorzugsweise ein mit Schmiermittel getränktes Flies oder Gewebe, in den Pedalkraftsimulator integriert, welches bei der Simulatorbetätigung bzw. bei der Betätigung des Kolbens des Pedalkraftsimulators, den Kolben, der auch als Kulisse ausgebildet sein kann, touchiert, wodurch wiederum die Kulisse (der Kolben) bei jedem Hub bzw. Rückhub mit Öl benetzt wird. Des Weiteren wird eine Variante mit einem Ölbad vorgesehen, welches durch Reduzierung des Volumens des Gehäuseinneren den Ölspiegel über die Lagerung steigen lässt und diesen so schmiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen.
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Pedalkraftsimulation nach dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Variante einer Vorrichtung zur Pedalkraftsimulation,
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3 eine weitere erfindungsgemäße Variante einer Vorrichtung zur Pedalkraftsimulation.
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4 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Pedalkraftsimulation mit Ölspiegel
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5 eine schematische Ansicht der Vorrichtung zur Pedalkraftsimulation mit Ölspiegel betätigt.
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Die 1 zeigt eine Pedalkraftsimulationsvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik, mit einem zylinderförmigen Gehäuse 2 und mit einem in dem Gehäuse 2 bei Betätigung einer Kolbenstange 3.1 axial verschiebbaren Kolben 3. Der Kolben 3 ist entgegen der Rückstellkraft eines einer Rückstellfeder 4 (ausgebildet als Druckfeder) betätigar, wobei sich die Rückstellfeder 4 am Gehäuse und am Kolben 3 abstützt.
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An dem Kolben 3 ist ein Kulissenbauteil 5 mit einer sich über dessen Längserstreckung ändernden Außenkontur angeordnet und an diesem bevorzugt befestigt oder mit diesem einteilig ausgebildet. Die Breite bzw. der Durchmesser des Kulissenbauteils 5 ist hier an den beiden Enden 5.1, 5.2 geringer als in der Mitte. An der Außenkontur des Kulissenbauteils 5 stützen sich zwei Arme 6 ab, welche eine Kraft auf das Kulissenbauteil 5 ausüben, die von dem Winkel zwischen dem Arm und der Außenkontur im Berührpunkt resultiert. Aufgrund der Abstützung der Arme 6 an der Außenkontur des Kulissenbauteiles 5 wird eine Zusatzkraft erzeugt, die auf den Kolben wirkt, um die Kraft der Rückstellfeder zu modulieren. Aus der Reibung resultiert ein entsprechender Verschleiß der Bauteile.
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Bei einem derartigen Clutch-by-Wire-System wird das mechanische Stellsignal bei Betätigen der Kupplung in ein elektrisches Stellsignal gewandelt (Komponenten dafür nicht dargestellt) und einem Steuergerät zugeführt wird, das zugeordnete Systemkomponenten rein elektrisch ansteuert.
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Nachteilig bei den bekannten Systemen ist, dass keine Schmierung vorhanden ist, wodurch die Lebensdauer eingeschränkt ist.
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Aus 2 ist eine erste Variante und in 2 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Pedalkraftsimulators 1 ersichtlich. Bei beiden Varianten ist ebenfalls ein zylinderförmiges Gehäuse 2 vorhanden, in dem ein Kolben 3 axial verschiebbar gelagert ist. An den Kolben 3 schließt sich eine Kolbenstange 3.1 an, die mit einem nicht dargestellten Betätigungselement mittels einer Druckstange 3.2 verbunden ist. Zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 stützt sich innerhalb des Gehäuses eine Rückstellfeder 4 ab, gegen welche der Kolben 3 mittels des Betätigungselementes betätigbar ist. An dem Kolben 3 ist der Kolbenstange 3.1 gegenüberliegend ein sich entlang der Längsachse A erstreckendes Kulissenbauteil 5 angeordnet, dessen Enden 5.1, 5.2 verjüngt sind im Vergleich zu einem nicht bezeichneten verdickten mittleren Bereich. Der Kolben 4 und das Kulissenbauteil 5 befinden sich in einer nicht betätigten Ausgangsstellung, in welcher das Kulissenbauteil 5 mit seinem vom Kolben 4 abgewandten Ende 5.2 zwischen zwei sich entlang der Längsachse A erstreckende voneinander beabstandete Arme 6 eingreift, die an einem Einsatz 7 angeordnet sind. Zwischen den beiden Armen wird somit eine erste schlitzförmige Ausnehmung 7.1 gebildet. Der Einsatz 7 ist an dem vom Kolben 3 abgewandten Ende in einem am Boden 2.1 anliegenden Befestigungsmittel 8 befestigt, hier in ein ringförmiges Befestigungsmittel 8 mit Innengewinde eingeschraubt. An den in Richtung zum Kolben 3 weisenden Enden der Arme 6 sind Rollkörper 9 angebracht, die an sich gegenüberliegenden Bereichen der Außenkontur des Kulissenbauteiles 5 anliegen. Innerhalb der Ausnehmung 7.1 ist ein zusätzliches Federelement 4.1 angeordnet, gegen welches das Kulissenbauteil 5 mit seiner Stirnseite am Ende 5.2 wirkt.
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Bei der Variante 1 greift in die schlitzförmige Ausnehmung 7.1 zwischen den Innenseiten der Arme 6 und der Außenkontur des Federelementes 4.1 eine Matrixstruktur 10 in Form eines mit Öl getränkten Trägerfließes, welches sich nach außen um die Außenkontur der Arme 6 erstreckt und ein Schmierstoffdepot bildet.
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Bei der Variante 2 greift ebenfalls in die schlitzförmige Ausnehmung 7.1 zwischen den Innenseiten der Arme 6 und der Außenkontur des Federelementes 4.1 eine minenartige Matrixstruktur 10 aus Polyesterfaser oder einem anderen Fasermaterial, welches mit Öl getränkt ist. An die Ausnehmung 7.1 schließt sich eine sich axial erstreckende zweite Ausnehmung 7.2 an, in welche die Matrixstruktur 10 eingreift. Die Matrixstruktur 10 weist eine zentrische Ausnehmung auf, in welcher ein Stift 11 sitzt, der sich am Boden 2.1 des Gehäuses 2 abstützt und an dem sich das Federelement 4.1 abstützt. Die Matrixstruktur 10 ist somit in der Art einer Hohlmiene ausgestaltet, welche in nicht bezeichneten einer Längsausnehmung den Stift 11 und das Federelement 4.1 aufnimmt.
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Wird bei Betätigung des nicht dargestellten Betätigungselementes der Kolben 3 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 4 aus der in den 2 und 3 dargestellten Position in Richtung zum Boden 2.1 des Gehäuses 2 bewegt, dringt die Kulisse 5 weiter in die Ausnehmung 7.1 ein, wobei die Rollkörper 9 auf der Außenkontur der Kulisse 5 abrollen und die Arme 6 auseinandergedrückt werden. Die Kulisse 5 gelangt in Kontakt mit der Matrixstruktur 10, wodurch auf die Matrixstruktur 10 ein Druck ausgeübt wird und Schmiermittel, bevorzugt Öl daraus abgegeben wird (ähnlich der Abgabe von Farbe aus einem Filzstift, wenn auf diesen Druck ausgeübt wird), was den Verscheiß innerhalb des Pedalkraftsimulators 1 erheblich reduziert.
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Eine weitere Variante der Schmierung wird in 4 und 5 dargestellt. Der Aufbau und die Bauteile entsprechen der 1, jedoch weist die Pedalkraftsimulationsvorrichtung 1 zudem ein Ölbad mit einem Ölspiegel S auf. Der Ölspiegel S liegt bei nicht betätigtem Kolben unterhalb des Kulissenbauteils 5 und der Arme 6 des gabelförmigen Einsatzes 7. Am in das Gehäuse 2 zeigenden Ende der Arme 6 ist eine Lagerung, vorzugsweise Rollenlagerung vorgesehen, in welcher das Ende des Kulissenbauteils 5.2 abgestützt wird. Das Kulissenbauteil 5 ist in Form einer Blattfeder ausgestaltet und wird mittels des Kulissenbauteils 5, welcher ein Formkolben ist ausgelenkt. Dabei laufen die Rollenlager 5.3 entlang des Formkolbens 5. Wird die Pedalkraftsimulationsvorrichtung 1 ausgerückt, wird der Kolben 3 verfahren und komprimiert die Rückstellfeder 4 und das Volumen im Gehäuse 2. Durch reduziertes Volumen im Gehäuse 2 steigt dabei der Ölspiegel in eine Höhe, dass gemäß 5 die Rollenlager 5.3 von dem Ölspiegel überstiegen und benetzt werden. Der bei Reduzierung des Volumens im Gehäuse 2 steigende Luftdruck kann die Rückstellfeder 4 unterstützen, oder mittels eines nicht dargestellten Entlüftungsventils verhindert werden. Sämtliche Spalte, die eine Leckage vom Öl verursachen können, werden mittels Dichtungen am Kolben 3 verhindert.
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Es wird erstmalig eine einfache, preiswerte und praktikable Lösung eines Pedalkraftsimulator für ein Clutch-by-Wire-System geschaffen, bei dem der Simulator über seine gesamte Lebensdauer gleichmäßig geschmiert werden kann, was über die mit Schmiermittel getränkte Matrixstruktur oder den eingesetzten Ölspiegel realisiert wird, mit welchen bei der Betätigung des Pedalkraftsimulators die Bauteile mit der Matrixstruktur oder dem Öl in Berührung kommen, wodurch wiederum die Kulisse 5 bei jedem Hub / Rückhub mit Öl benetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pedalkraftsimulationsvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kolben
- 3.1
- Kolbenstange
- 3.2
- Druckstange
- 4
- Rückstellfeder
- 4.1
- Federelement
- 5
- Kulissenbauteil
- 5.1, 5.2
- Enden des Kulissenbauteils
- 5.3
- Lagerung, Rollenlager
- 6
- Arme
- 7
- Einsatz
- 7.1
- erste Ausnehmung
- 7.2
- zweite Ausnehmung
- 8
- Befestigungsmittel
- 9
- Rollkörper
- 10
- Matrixstruktur
- 11
- Stift
- A
- Längsachse
- S
- Ölspiegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016239 A1 [0006]
- DE 102008061569 A1 [0007]
- DE 102013226307 [0009]
- DE 10332699 A1 [0011]
