DE102015212555A1

DE102015212555A1 - Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator

Info

Publication number: DE102015212555A1
Application number: DE102015212555.6A
Authority: DE
Inventors: Manuel Baßler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2017-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, mit einem in einem Gehäuse (3) axial beweglich gelagerten Kolben (2), an welchem eine Federeinheit (8) mit einer nichtlinearen Kennlinie anliegt, wobei sich die Federeinheit (8) am Gehäuseboden (7) abstützt. Bei einer Vorrichtung, bei welcher die Kupplungskennlinie optimierbar ist, umschließt die Federeinheit (8) einen ersten Kolbenabschnitt (5), wobei sich der Kolben (2) durch das gesamte Gehäuse (3) in axialer Richtung erstreckt und in eine am Gehäuseboden (5) ausgebildete, durchgehende Gehäuseöffnung (6) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, mit einem in einem Gehäuse axial beweglich gelagerten Kolben, an welchem eine Federeinheit mit einer nicht-linearen Kennlinie anliegt, wobei sich die Federeinheit am Gehäuseboden abstützt.
Kupplungen in Kraftfahrzeugen werden mit einem Kupplungspedal durch den Fahrer betätigt. Dabei muss der Fahrer mit dem Fuß das Pedal gegen eine Rückstellkraft von Elastizitäten und Federkräften im Betätigungssystem und in der Kupplung betätigen. Die Betätigungskraft hat dabei einen typischen, vom Fahrer erwarteten Kraftverlauf. Wird die Kupplung elektronisch gesteuert betätigt, wobei ein Aktuator die Betätigung der Kupplung übernimmt, kann dennoch ein Pedal für den Fahrer vorgesehen sein, um dem Fahrer die Steuerung der Betätigung der Kupplung zu überlassen, obwohl keine direkte mechanische Verbindung oder Druckmittelverbindung zwischen dem Pedal und der Kupplung mehr vorliegt. Damit der Fahrer aber die für die tatsächliche Kupplungsbetätigung resultierende Rückstellkraft spürt, sind Pedalkraftsimulatoren bekannt geworden, die eine Pedalkraft als Kupplungsrückstellkraft simulieren, indem sie die Kupplungskennlinien nachbilden.
Es sind Pedalkraftsimulatoren bekannt, wobei sowohl Tellerfedern als auch eine Druckfeder verwendet werden, um die gewünschte Kraftkennlinie zu simulieren. Bei einem bekannten Pedalkraftsimulator ist ein Kolben axial beweglich in einem Gehäuse geführt, wobei an dem Kolben ein Tellerfederpaket anliegt, die sich an einem Gehäuseboden des Gehäuses abstützt. Gleichzeitig stützt sich die andere Seite des Tellerfederpaketes am Kolben ab. Innerhalb des Tellerfederpaketes ist eine Druckfeder parallel gestaltet. Dies hat aber, wie in 6 dargestellt, den Nachteil, dass ein Anstieg am Ende der Kraftkennlinie infolge der Betätigung der Druckfeder (gestrichelter Bereich D) auftritt, da zunächst bei der Betätigung des Kolbens das Tellerfederpaket (durchgezogener Bereich E) und erst nach einer vorgegebenen Betätigung des Tellerfederpaketes die Druckfeder von dem Kolben betätigt wird. Darüber hinaus werden die Kolbenposition und eine definierte Antrittskraft aufgrund eines Tellerfederverschleißes über der Lebensdauer ungenau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation anzugeben, bei welcher eine definierte Kraftkennlinie über die Lebensdauer des Tellerfederpaketes annähernd konstant bleibt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Federeinheit einen ersten Kolbenabschnitt umschließt, wobei sich der Kolben durch das gesamte Gehäuse in axialer Richtung erstreckt und in eine am Gehäuseboden ausgebildete durchgehende Öffnung eingreift. Durch die alleinige Verwendung einer Federeinheit mit einer nicht-linearen Kraftkennlinie lässt sich die Kraftkennlinie hinsichtlich eines Drop-Off-Effektes, dem Unterschied zwischen dem höchsten Punkt der Kennlinie und dem Endpunkt der Kennlinie, über die Lebensdauer annähernd konstant einstellen.
Zur Verschleißreduzierung der Federeinheit stützt sich die Federeinheit beidseitig direkt an je einem scheibenförmigen Stabilitätselement ab.
Vorteilhafterweise ist die Federeinheit radial an dem Gehäuse oder dem Kolben geführt. Für die Führung der Federeinheit am Gehäuse wird der Außendurchmesser der Federeinheit derart bemessen, dass dieser dem Innendurchmesser des Gehäuses annähernd entspricht. Soll die Federeinheit am Kolben geführt werden, so wird ein Innendurchmesser der Federeinheit so ausgebildet, dass dieser annähernd dem Außendurchmesser des Kolbens entspricht.
In einer Ausgestaltung greift die Federeinheit axial direkt an einem Kolbenkopf an. Dadurch ist die Federeinheit fest zwischen dem Kolbenkopf und dem Gehäuseboden eingeklemmt, was eine zuverlässige Positionierung der Federeinheit ermöglicht.
In einer Variante ist zwischen dem Kolbenkopf und der Federeinheit in Reihe ein, einen zweiten Kolbenabschnitt umfassendes Federelement angeordnet, gegen welches die Federeinheit vorgespannt ist. Da bei der Betätigung des Kolbens zuerst das Federelement betätigt wird, und erst anschließend die Federeinheit, so weist infolge der Betätigung des Federelementes die Kraftkennlinie zunächst eine lineare konstante Steigung auf, an welche sich der nicht-lineare Verlauf der durch die Federeinheit gebildeten Kraftkennlinie anschließt. Gleichzeitig wird durch das Federelement mit linearer Kraftkennlinie eine Antrittskraft definiert. Das bedeutet, dass immer dieselbe Kraft vor der Betätigung des Kolbens an dem Fahrpedal eingestellt ist.
In einer konstruktiv einfachen Gestaltung ist der Kolben stufenförmig ausgebildet, wobei der sich an den, von einem Innenquerschnitt des Gehäuses geführten Kolbenkopf anschließende zweite Kolbenabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Kolbenabschnitt.
In einer Ausführungsform ist an einer Gehäuseinnenseite ein radialer, in das Gehäuse hineinragender Vorsprung ausgebildet, an welchem sich die Federeinheit abstützt, wobei der Vorsprung den Bereich des Federelementes begrenzt. Dadurch ist der Weg des Kolbens, in welchem dieser nur das Federelement und anschließend nur die Federeinheit betätigt, genau vorgegeben, um den gewünschten Kennlinienverlauf der Kraftkennlinie einzustellen.
In einer Weiterbildung ragt der Kolben bei der axialen Betätigung durch die Öffnung am Gehäuseboden hindurch, wobei am Kolben und am Gehäuseboden ein Wegmesssystem positioniert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegung des Kolbens dazu genutzt wird, auf einer Motorseite die Bewegung des Kolbens zu messen, wobei ein Wegsensor am Pedal eingespart wird.
Vorteilhafterweise umfasst das Wegmesssystem einen Sensor, welcher innen an der Gehäuseöffnung fest positioniert ist, während nahe der Stirnseite des ersten Kolbenabschnittes ein Sensorauslöseelement fest angeordnet ist. Das Wegmesssystem lässt sich somit konstruktiv einfach realisieren.
Aufgrund dieser einfachen Anbindung können Wegmesssysteme verwendet werden, welche entweder nach einem induktiven oder einem magnetischen Wirkprinzip arbeiten.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im unbetätigten Zustand,
2 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im betätigten Zustand,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im unbetätigten Zustand,
4 das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im betätigten Zustand,
5 ein Beispiel für eine Kraftkennlinie des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine Kraftkennlinie nach dem Stand der Technik.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, bei welchem ein Kolben 2 in einem zylinderähnlich ausgebildeten Gehäuse 3 axial beweglich gelagert ist. Der Kolben 2 wird dabei über ein nicht weiter dargestelltes Fahrpedal über eine am Kolben 2 angreifende Kolbenstange bewegt. Der Kolben 2 weist einen Kolbenkopf 4 auf, der einen Außendurchmesser besitzt, welcher annähernd einem Innendurchmesser des Gehäuses 3 entspricht, wobei der Kolbenkopf 4 am Gehäuse 3 geführt ist. An den Kolbenkopf 4 schließt sich ein erster, einen geringeren Durchmesser als der Kolbenkopf aufweisender Kolbenabschnitt 5 in axialer Richtung an. Der erste Kolbenabschnitt 5 durchsetzt dabei die gesamte axiale Erstreckung des Gehäuses 3 und greift in eine Gehäuseöffnung 6 ein, welche durchgängig am Gehäuseboden/-deckel 7 ausgebildet ist. Zwischen dem Kolbenkopf 4 und dem Gehäuseboden 7 ist eine Federeinheit mit einer nicht-linearen Kraftkennlinie in Form eines Tellerfederpaketes 8 ausgebildet, wobei das Tellerfederpaket 8 den ersten Kolbenabschnitt 5 umschließt. Der Innenradius des Tellerfederpaketes 8 entspricht dabei annähernd dem Außenradius des ersten Kolbenabschnittes 5, so dass das Tellerfederpaket 8 an dem ersten Kolbenabschnitt 5 geführt ist.
Zwischen dem Kolbenkopf 4 und dem Tellerfederpaket 8 ist eine erste gehärtete Scheibe 9 angeordnet. Genauso ist zwischen dem Tellerfederpaket 8 und dem Gehäuseboden 7 eine zweite gehärtete Scheibe 10 positioniert. Die beiden gehärteten Scheiben 9, 10 tragen zur Verschleißreduzierung des Tellerfederpaketes 8 bei.
An der Innenseite der Gehäuseöffnung 6 nach außen weisend ist ein Sensor 11 angeordnet, welcher in einer Wirkverbindung mit einem Sensorauslöseelement 12 steht, das nahe der Stirnseite 19 des ersten Kolbenabschnittes 5 befestigt ist. Bei der Betätigung des Fahrpedals wird der Kolben 2 gegen das Tellerfederpaket 8 gedrückt und der erste Kolbenabschnitt 5 bewegt sich durch die Gehäuseöffnung 6 hindurch und kann sogar auf der rechten Seite herausragen. Dabei tritt der Sensor 11 mit dem Sensoraktivierungselement 12 in Kontakt, was für eine Wegmessung des Kolbens 2 genutzt werden kann. Bei dem Sensor 11 kann es sich um einen Hall-Sensor handeln, welcher mit einem als Magnet ausgebildeten Sensoraktivierungselement 12 zusammenwirkt. In einer Alternative kann der Sensor 11 aber auch induktiv arbeiten, wobei das Sensoraktivierungselement 12 ein Target, beispielsweise aus Aluminium, darstellt, das in ein elektromagnetisches Feld einer Sensorspule eintaucht.
In 2 ist das erste Ausführungsbeispiel im betätigten Zustand dargestellt. Dabei ist das Tellerfederpaket 8 durch den Kolben 2 vollkommen zusammengedrückt und der erste Kolbenabschnitt 5 ragt über den Gehäuseboden 7 hinaus. In 5 ist die durch das erste Ausführungsbeispiel eingestellte Kraftkennlinie A gestrichelt dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass dieses Tellerfederpaket 8 lediglich eine nicht-lineare Kraftkennlinie erzeugt, was zu einer Unzufriedenheit des Fahrzeugnutzers führen kann.
Um dies zu unterbinden, ist gemäß 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 13 gezeigt, bei welchem zwischen dem Kolbenkopf 4 und dem Tellerfederpaket 8 in Reihe ein, eine lineare Kraftkennlinie aufweisendes Federelement in Form einer Druckfeder 14 angeordnet ist, gegen welche das Tellerfederpaket 8 vorgespannt ist. Dabei liegt die Druckfeder 14 an dem Kolbenkopf 4 an, während das entgegengesetzte Ende der Druckfeder 14 an die erste gehärtete Scheibe 9 drückt, wobei die zweite gehärtete Scheibe 10 wiederum am Gehäuseboden 7 anliegt und die beiden gehärteten Scheiben 9, 10 das Tellerfederpaket 8 einschließen. Um die Vorspannung des Tellerfederpaketes 8 zu halten, weist der Innenraum des Gehäuses 3 einen Vorsprung 15 auf, an welchem die erste gehärtete Scheibe 9 anliegt und somit den Wirkungsbereich des Tellerfederpaketes 8 eingrenzt. Die Vorsprung 15 wird durch einen Übergang eines kleineren Innenquerschnittes 16 des Gehäuses 3 zu einem größeren Innenquerschnitt 17 gebildet.
Der Kolben 2 weist eine stufenförmige Ausbildung auf, wobei sich an dem Kolbenkopf 4 ein zweiter Kolbenabschnitt 18 anschließt, dessen Durchmesser kleiner als der des Kolbenkopfes 4, aber größer als der des ersten Kolbenabschnittes 5 ist. Während sich die Druckfeder 14 im unbetätigten Zustand des Pedalkraftsimulators 13 vollständig um den zweiten Kolbenabschnitt 18 und teilweise den ersten Kolbenabschnitt 5 erstreckt, umgreift das Tellerfederpaket 8 lediglich den ersten Kolbenabschnitt 5.
Bei der Betätigung des Kolbens 2 wird, wie in 4 gezeigt, durch den Kolbenkopf 4 zunächst die Druckfeder 14 zusammengedrückt, wobei sich der erste Kolbenabschnitt 5 durch die Gehäuseöffnung 6 hindurchdrückt. Dies erfolgt bis zu einem Punkt, an dem der Kolben 2 auf Block läuft, wodurch die Wirkung der Druckfeder 14 ausgeschaltet wird, was in der Kraftkennlinie gemäß 5 eine lineare Kennlinie (durchgezogener Bereich B) einstellt.
Nachdem die Druckfeder 14 auf Block gelaufen ist, wird anschließend das Tellerfederpaket 8 durch den Kolben 2 weiter betätigt und man erhält wiederum auf dem restlichen Weg den gewünschten nicht-linearen Verlauf der Kraftkennlinie (durchgezogener Bereich C), bei welchem der höchste Punkt und der Endpunkt der Kraftkennlinie über der Lebensdauer der Vorrichtung 13 immer denselben Abstand zueinander aufweisen.
Auch in dieser Ausführung ist die Möglichkeit zur Anbindung eines beliebigen Wegmesssystems gegeben, wie es im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde.
Aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung kann der Verschleiß des Tellerfederpaketes über die Lebensdauer kompensiert werden, da die Druckfeder 14 bei auftretendem Verschleiß der Höhe des Tellerfederpaketes 8 in axialer Richtung deren Abstand verringert und somit ein Spiel des Tellerfederpaketes 8 zwischen den gehärteten Scheiben 9, 10 unterbindet. Gleichzeitig wird durch die Druckfeder 14 eine definierte Antrittskraft am Fahrpedal realisiert. Die spielfreie Konstruktion ermöglicht, dass kein Unterschied bei der Betätigung der Kupplung über der Lebensdauer auftritt. Somit bleibt das Kupplungsgefühl, welches der Fahrer bei der Betätigung des Fahrpedals hat, über die gesamte Lebensdauer nahezu unverändert.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Kolben
3: Gehäuse
4: Kolbenkopf
5: Erster Kolbenabschnitt
6: Gehäuseöffnung
7: Gehäuseboden
8: Tellerfederpaket
9: Gehärtete Scheibe
10: Gehärtete Scheibe
11: Sensor
12: Sensorauslöseelement
13: Vorrichtung
14: Druckfeder
15: Vorsprung
16: Innenquerschnitt des Gehäuses
17: Innenquerschnitt des Gehäuses
18: Zweiter Kolbenabschnitt
19: Stirnseite des ersten Kolbenabschnittes

Claims

Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, mit einem, in einem Gehäuse (3) axial beweglich gelagerten Kolben (2), an welchem eine Federeinheit (8) mit einer nichtlinearen Kennlinie anliegt, wobei sich die Federeinheit (8) am Gehäuseboden (7) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinheit (8) einen ersten Kolbenabschnitt (5) umschließt, wobei sich der Kolben (2) durch das gesamte Gehäuse (3) in axialer Richtung erstreckt und in eine am Gehäuseboden (5) ausgebildete, durchgehende Gehäuseöffnung (6) eingreift.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Federeinheit (8) beidseitig direkt an je einem scheibenförmige Stabilitätselement (9, 10) abstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinheit (8) radial an dem Gehäuse (3) oder dem Kolben (2) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinheit (8) axial direkt an einem Kolbenkopf (4) angreift.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolbenkopf (4) und der Federeinheit (8) in Reihe eine, einen zweiten Kolbenabschnitt (18) umfassendes Federelement (14) angeordnet ist, gegen welches die Federeinheit (8) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) stufenförmig ausgebildet ist, wobei der sich an den, von einem Innenquerschnitt des Gehäuses (3) geführten Kolbenkopf (4) anschließende zweite Kolbenabschnitt (18) einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Kolbenabschnitt (5).
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Gehäuseinnenseite ein radial in das Gehäuse (3) hineinragender Vorsprung (15) ausgebildet ist, an welchem sich das Tellerfederpaket (8) abstützt, wobei der Vorsprung (15) den Bereich des Federelementes (14) begrenzt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) bei der axialen Betätigung durch die Gehäuseöffnung (6) am Gehäuseboden (7) hindurchragt, wobei am Kolben (2) und am Gehäuseboden (7) ein Wegmesssystem (11, 12) positioniert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegmesssystem (11, 12) einen Sensor (11) umfasst, welcher innen an der Gehäuseöffnung (7) fest positioniert ist, während nahe der Stirnseite (19) des ersten Kolbenabschnitts (5) ein Sensorauslöseelement (12) fest angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegmesssystem (11, 12) nach einem induktiven oder magnetischen Wirkprinzip arbeitet.