DE102016206299A1

DE102016206299A1 - Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator

Info

Publication number: DE102016206299A1
Application number: DE102016206299.9A
Authority: DE
Inventors: Manuel Baßler; Sebastian HONSELMANN; Marc Babiel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, welche eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, wobei ein in einem Gehäuse (8) axial beweglich gelagerter Kolben (9) mit dem Betätigungselement (3) verbunden ist, welches den Kolben (9) innerhalb des Gehäuses (8) entgegen einer durch eine Rückstellfeder (14, 15) erzeugten Rückstellkraft bewegt. Bei einer Vorrichtung, bei welcher die Antrittskraft minimiert wird, ist ein Federelement (16) zur Erzeugung einer zu der von der Rückstellfeder (14, 15) erzeugten Rückstellkraft entgegengesetzten Gegenkraft vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, welche eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, wobei ein in einem Gehäuse axial beweglich gelagerter Kolben mit dem Betätigungselement verbunden ist, welches den Kolben innerhalb des Gehäuses entgegen einer durch eine Rückstellfeder erzeugten Rückstellkraft bewegt.
In Kraftfahrzeugen werden Aggregate, wie beispielsweise Kupplungen, Bremsen und anderes mittels Pedalen fußbetätigt. Hierzu wird das Pedal beispielsweise an einem Pedalblock schwenkbar angelenkt, wodurch 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.
Es sind Betätigungssysteme bekannt, bei welchen zwischen dem Pedal und dem Aggregat keine direkte mechanische Verbindung mehr vorgesehen ist, sondern an dem Pedal ein Sensor angeordnet 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.
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. Somit sind Pedalkraftsimulatoren bekannt geworden, welche an dem Pedal angreifen und eine mehr realistische und gewohnte Rückstellkraft verursachen sollen. Diese Pedalkraftsimulatoren weisen Rückstellfedern auf, die der Bewegung einer den Kolben mit dem Betätigungselement verbindenden Kolbenstange entgegenwirken und dafür Sorge tragen, dass der Kolben in seine Ruhestellung zurückgefahren wird. Diese Rückstellfedern, die meistens als Druckfedern ausgebildet sind, erhöhen jedoch die Antrittskraft, die durch den Fahrer auf das Fahrpedal aufzubringen ist.
Aus der noch unveröffentlichten DE 10 2015 212 555.6 ist ein Pedalkraftsimulator bekannt, bei welchem in einem Gehäuse ein axial beweglich gelagerter Kolben vorhanden ist, an welchem eine Federeinheit mit einer nicht-linearen Kennlinie anliegt, wobei sich die Federeinheit am Gehäuseboden abstützt. Um sicherzustellen, dass eine definierte Kraftkennlinie über die Lebensdauer eines Tellerfederpaketes annähernd konstant bleibt, umschließt die Federeinheit einen ersten Kolbenabschnitt, wobei sich der Kolben durch das gesamte Gehäuse in axialer Richtung erstreckt und in eine am Gehäuseboden ausgebildete durchgehende Gehäuseöffnung eingreift.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges anzugeben, bei welchem die Antrittskraft, die durch den Fahrer aufzubringen ist, reduziert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Federelement zur Erzeugung einer, zu der von der Rückstellfeder erzeugten Rückstellkraft entgegengesetzten Gegenkraft. Dieses in die Vorrichtung integrierte Federelement hat den Vorteil, dass die Antrittskraft, die von dem als Druckfedern ausgebildeten Rückstellfedern, der Systemreibung sowie einem weiteren Federelement im Inneren des Gehäuses beeinflusst wird, reduziert wird.
Vorteilhafterweise ist das Federelement, den Kolben partiell umspannend, in dem Gehäuse angeordnet, während mindestens eine Rückstellfeder außerhalb des Gehäuses geführt ist. Aufgrund dieser räumlichen Trennung lassen sich die von dem Federelement als auch von der Rückstellfeder entgegengesetzt aufzubringenden Kräfte einfach einstellen.
In einer Ausgestaltung ist der Kolben über eine Kolbenstange mit dem Betätigungselement gekoppelt, wobei mindestens eine Rückstellfeder, die Kolbenstange außerhalb des Gehäuses umgreifend, gegen den Kolben vorgespannt ist. Durch diese Ausgestaltung wird der vorhandene Bauraum für die Vorrichtung zur Kraftsimulation an dem Betätigungselement optimal genutzt.
In einer Variante ist das Federelement bei entspannter Rückstellfeder zwischen den Kolben und einem Gehäuseabschluss gespannt. Somit lässt sich die Gegenkraft der Rückstellfeder einfach beim Einpassen in das Gehäuse einstellen.
In einer Ausführungsform ist das Federelement ab einem vorgegebenen Hub des Kolbens entspannt. Dies ist einfach dadurch zu erreichen, dass bei dem vorgegebenen Hub der Kolben den Kontakt zum Federelement verliert, wodurch sich dieses total entspannen kann.
In einer Weiterbildung liegt das gespannte Federelement an einem radialen Anschlag des Kolbens an. Dabei wird die Federkraft des Federelementes durch das Einspannen zwischen dem Anschlag und dem Gehäuseabschluss justiert.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht der Kolben aus einem den Anschlag tragenden Kolbenkopf und einem sich anschließenden Kolbenkonus, wobei der Kolbenkonus in ein zweites Federelement eingreift.
In einer weiteren Variante weist das zweite Federelement an den dem Kolbenkonus zugewandten Enden jeweils einen Rollkörper auf, die an sich gegenüberliegenden Bereichen an einer Außenkontur des Kolbenkonus anliegen. Die Rollkörper erlauben eine gleitende Bewegung des Kolbenkonus bei reduzierter Reibung.
Vorteilhafterweise weist der Kolbenkonus an seinen beiden axialen Enden einen kleineren Durchmesser auf als in der Mitte. Dadurch werden die Arme des stimmgabelförmigen Federelements beim Eindringen des Kolbenkonus zunächst aufgespannt, wodurch eine Gegenkraft des Pedalkraftsimulators erzeugt wird, während nach Überwindung der Mitte der sich verkleinernde Durchmesser eine Kraft in Bewegungsrichtung erzeugt. Auf diese Weise wird eine Kraft-Weg-Kennlinie erzeugt, die mit einer Hysterese belastet ist.
In einer Ausführungsform weist das Federelement eine Federkonstante und einen Hub auf, die so eingestellt sind, dass die Gegenkraft nur zu Beginn eines Betätigungsweges des Betätigungselementes auftritt. Dadurch wird sichergestellt, dass nur, wenn die Rückstellkraft zu überwinden ist, die Gegenkraft eine Unterstützung für den Fahrer darstellt, das Betätigungselement zu bewegen.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung eines Clutch-by-Wire-Kupplungssystems eines Fahrzeuges,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pedalkraftsimulators,
3 Kraft-Weg-Kennlinien mit und ohne erstes Federelement.
In 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Kupplungssystems 1 dargestellt, bei welchem die Kupplung 2 mittels eines Clutch-by-Wire-Systems betätigt wird. Bei einem solchen System ist ein von dem Fahrer zu betätigendes Fahrpedal 3 mit einem Pedalkraftsimulator 4 verbunden, an welchem ein Sensor 5 angeordnet ist, der die Verschiebung des Pedalkraftsimulators 4 an eine Steuereinheit des Elektromotors 6 weitergibt. Der Elektromotor 6 steuert dabei in Abhängigkeit der durch diesen Sensor 5 gemessenen Wegänderung die Kupplung 2 über eine beispielsweise hydraulische Strecke 7 an.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pedalkraftsimulators 4 dargestellt, welcher eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement, dem Fahrpedal 3, des Fahrzeuges darstellt. Der Pedalsimulator 4 umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 8, in dem ein Kolben 9 axial verschieblich gelagert ist. Der Kolben 9 besteht dabei aus einem Kolbenkopf 10 und einem Kolbenkonus 11. An dem Kolbenkopf 10 schließt sich eine Kolbenstange 12 an, die mit dem nicht weiter dargestellten Betätigungselement 3 verbunden ist. Die Kolbenstange 12 ist durch einen Gehäuseabschluss 13 aus dem Gehäuse 8 herausgeführt, wobei sie außerhalb des Gehäuses 8 von zwei Druckfedern 14, 15 umspannt wird. Diese beiden Druckfedern 14, 15 stellen Rückstellfedern dar, die sicherstellen, dass der Kolben 9 bei unbetätigtem Fahrpedal 3 wieder in seine ursprüngliche Position zurückgestellt wird.
Innerhalb des Gehäuses 8 ist ein erstes Federelement 16, das als Druckfeder ausgebildet ist, vorgesehen, welches den Kolbenkopf 10 umgreift und bei nicht vorhandenem Hub des Fahrpedals 3 zwischen einem radialen Vorsprung 17 des Kolbenkopfes 11 und dem Gehäuseabschluss 13 eingespannt ist.
Der sich an den Kolbenkopf 10 anschließende Kolbenkonus 11 weist über seine Längserstreckung eine sich im Querschnitt ändernde Außenkontur auf. Die Breite bzw. der Durchmesser des Kolbenkonus 11 ist beispielsweise an den Enden geringer als in der Mitte. Dieser Kolbenkonus 11 greift bei der Betätigung durch das Betätigungselement 3 in ein Federelement 18 ein. Das Federelement 18 ist am Gehäuseboden 19 befestigt. Die zwei Arme 20, 21 des Federelementes 18 sind als Blechteil ausgebildet und weisen an den dem Kolbenkonus 11 zugewandten Enden jeweils einen Rollkörper 22, 23 auf, die an sich gegenüberliegenden Bereichen des Kolbenkonus 11 anliegen. Jeder Rollkörper 22, 23 ist dabei in einem Lagerelement 24, 25 abgestützt. Die Rollkörper 22, 23 sind als Nadelkörper ausgebildet, welche eine Reibminderung begünstigen.
Die beiden Arme 20, 21 des Federelementes 18 üben dabei eine Kraft auf den Kolbenkonus 11 aus. Aufgrund der Abstützung der Arme 20, 21 des Federelementes 18 an der Außenkontur des Kolbenkonus 11 wird eine Zusatzkraft erzeugt, die auf den Kolben 9 wirkt, um die Kraft der Rückstellfeder 14, 15 zu modulieren. Dies erfolgt, da der Kolben 9 mittels des Betätigungselementes 3 gegen die Rückstellfeder 14, 15 betätigbar ist.
Wird bei der Betätigung des nicht weiter dargestellten Betätigungselementes 3 der Kolben 9 und somit der Kolbenkonus 11 in Richtung Gehäuseboden 19 bewegt, dringt der Kolbenkonus 11 zwischen die Arme 20, 21 des Federelementes 18 ein, wobei die Rollkörper 22, 23 auf der Außenkontur des Kolbenkonus 11 abrollen und die Arme 20, 21 auseinandergedrückt werden. Das Auseinanderdrücken erfolgt dabei durch das Zunehmen des Querschnitts des Kolbenkonus 11. Dabei entsteht eine Gegenkraft aufgrund des veränderlichen Querschnittes des Kolbenkonus 11, die in axiale Richtung entgegen der Bewegungsrichtung drückt. Ist der größte Querschnitt des Kolbenkonus 11 überschritten, wird eine Reaktionskraft in Richtung der Betätigung erreicht. Auf diese Weise entsteht ein Hystereseverhalten der Kraft-Weg-Kennlinie bei Betätigen des Betätigungselementes 3.
Der nach dieser Funktion arbeitende Pedalkraftsimulator 4 benötigt aber zur Auslösung dieser Funktion eine hohe Antrittskraft durch den Fahrer. Um diese Antrittskraft zu reduzieren, dient das erste Federelement 16, welches in das Gehäuse 8 integriert ist und der außerhalb des Gehäuses 8 liegenden Rückstellfeder 14, 15 entgegenwirkt. Diese Gegenkraft wird in Abhängigkeit vom Hub und der Federkonstante des als Druckfeder ausgebildeten ersten Federelements 16 erzeugt, so dass eine definierte Gegenkraft einstellbar ist.
Wie in 2a ersichtlich, ist dieses erste Federelement 16 gespannt, wenn der Hub des Kolbens 9 null beträgt, da es in diesem Zustand zwischen dem Vorsprung 17 des Kolbenkopfes 10 und dem Gehäuseabschluss 13 eingespannt ist. Wird allerdings das Betätigungselement 3 durch den Fahrer betätigt, werden die beiden Rückstellfedern 14, 15 zusammengedrückt und der Kolben 9 innerhalb des Gehäuses 8 bewegt. Die Bewegung des Kolbens 9 führt zu einer Entspannung des ersten Federelementes 16, wie in 2b dargestellt. Dabei wird bei maximalem Hub des Kolbens 9 ein Abstand zwischen dem entspannten ersten Federelement 16 und dem Anschlag 17 erzeugt, so dass jetzt der Fahrer das Betätigungselement 3 bloß noch gegen die Rückstellfeder 14, 15 betätigt.
In 3 sind zwei Kraft-Weg-Kennlinien des Pedalkraftsimulators 4 dargestellt, wobei Kennlinie A ohne Antrittskraftunterstützung ermittelt wurde, während Kennlinie B mit in Antrittskraftunterstützung bestimmt wurde. Die Antrittskraftunterstützung erfolgt nur zu Beginn des Betätigungsweges aufgrund der geometrischen Gestaltung des ersten Federelementes 16. Dabei senkt sich die Antrittskraft mittels der Gegenfeder 16 um etwa 50 N, die vom Fahrer weniger aufgebracht werden müssen als ohne Antrittskraftunterstützung (siehe Tabelle 1). Tabelle 1

Hub (mm) Antrittskraft (N)

5 56

4 45

3 34

2 23

1 11

0 00
Aufgrund dieser Lösung können die Kraft-Weg-Kennlinien des Pedalkraftsimulators 4 individuell ausgelegt werden und die bisher zum Teil erheblich erhöhte Antrittskraft durch die vorgespannten Druckfedern auf ein gewünschtes Maß reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungssystem
2: Kupplung
3: Fahrpedal
4: Pedalkraftsimulator
5: Sensor
6: Elektromotor
7: Hydraulische Strecke
8: Gehäuse
9: Kolben
10: Kolbenkopf
11: Kolbenkonus
12: Kolbenstange
13: Gehäuseabschluss
14: Druckfeder
15: Druckfeder
16: Federelement
17: Radialer Vorsprung
18: Stimmgabelförmiges Federelement
19: Gehäuseboden
20: Arm
21: Arm
22: Rollkörper
23: Rollkörper
24: Lagerelement
25: Lagerelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015212555 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalkraftsimulator, welche eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, wobei ein in einem Gehäuse (8) axial beweglich gelagerter Kolben (9) mit dem Betätigungselement (3) verbunden ist, welches den Kolben (9) innerhalb des Gehäuses (8) entgegen einer durch eine Rückstellfeder (14, 15) erzeugten Rückstellkraft bewegt, gekennzeichnet durch ein Federelement (16) zur Erzeugung einer zu der von der Rückstellfeder (14, 15) erzeugten Rückstellkraft entgegengesetzten Gegenkraft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (16), den Kolben (9) partiell umspannend, in dem Gehäuse (8) angeordnet ist, während mindestens eine Rückstellfeder (14, 15) außerhalb des Gehäuses (8) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (9) über eine Kolbenstange (12) mit dem Betätigungselement (3) gekoppelt ist, wobei mindestens eine Rückstellfeder (14, 15), die Kolbenstange (12) außerhalb des Gehäuses (8) umgreifend, gegen den Kolben (9) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (16) bei entspannter Rückstellfeder (14, 15) zwischen den Kolben (9) und einem Gehäuseabschluss (13) gespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (16) ab einem vorgegebenen Hub des Kolbens (9) entspannt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gespannte Federelement (16) an einem radialen Anschlag (17) des Kolbens (9) anliegt.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (9) aus einem den Anschlag (17) tragenden Kolbenkopf (10) und einem sich anschließenden Kolbenkonus (11) besteht, wobei der Kolbenkonus (11) in ein zweites Federelement (18), welches am Gehäuseboden (19) befestigt ist, eingreift.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (18) an den, dem Kolbenkonus (11) zugewandten Enden jeweils einen Rollkörper (22, 23) aufweist, die an sich gegenüberliegenden Bereichen an einer Außenkontur des Kolbenkonus (11) anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkonus (11) an seinen beiden axialen Enden einen kleineren Durchmesser aufweist als in der Mitte.
Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (16) eine Federkonstante und einen Hub aufweist, die so eingestellt sind, dass die Gegenkraft nur zu Beginn eines Betätigungsweges des Betätigungselementes (3) auftritt.