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Die Erfindung betrifft einen Kraftsimulator mit einer Betätigungsachse, wobei der Kraftsimulator für ein Betätigungspedal eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Konuskolben mit einer Weg-Kontur;
- - eine Transversalfeder, welche derart angeordnet ist, dass die Transversalfeder bei einer axialen Relativbewegung des Konuskolbens die Transversalfeder mit einer Transversalkraft auf den Konuskolben einwirkt, wobei die Transversalkraft mittels einer aus der Weg-Kontur des Konuskolbens resultierenden Transversalbewegung erzeugt ist; und
- - eine Rollvorrichtung, welche zwischen der Transversalfeder und der Weg-Kontur des Konuskolbens angeordnet ist, sodass die Weg-Kontur relativ zu der Transversalfeder reibungsarm verschiebbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kupplungsvorrichtung mit einem solchen Kraftsimulator, einen Antriebsstrang mit einer solchen Kupplungsvorrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Antriebsstrang.
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Aus dem Stand der Technik sind Pedalkraftsimulatoren bekannt, welche bei einer Clutch-by-Wire-Anwendung in einem Kraftfahrzeug den konventionellen Kupplungsgeberzylinder ersetzen. Die Aufgabe des Pedalkraftsimulators ist es hierbei dem Fahrer ein möglichst gewohntes Gefühl des Kuppelvorgangs zu vermitteln. Idealerweise imitiert der Pedalkraftsimulator also die Kupplungskennlinie des Fahrzeugmodells bei Verwendung eines konventionellen Kupplungsgeberzylinders.
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Für Pedalkraftsimulatoren in Kupplungsanwendungen sind bereits zahlreiche Patentanmeldungen getätigt worden. Besonders relevant sind hierbei die
DE 10 2015 215 029 A1 und die
WO 2017/032 367 A1 .
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Zwischen Rollkörper und Lagerelement der
DE 10 2015 215 029 A1 herrscht hohe Reibung und damit einhergehend hoher Verschleiß. Dadurch kann es bei hohen Betätigungszahlen zu einer Reduzierung der Federkraft und damit Veränderung der Kennlinie kommen. Des Weiteren wird bei der fixierten Lagerung des Elements ein großer Axialweg benötigt, um die Weg-Kontur abzufahren. Damit einhergehend, kann nur eine Kontur, nämlich die des Konus durch Rollen abgefahren werden. Die Kennlinie kann damit nur durch den Konus (Kolben) bestimmt werden. Außerdem werden für die Imitation einer konventionellen Kupplungskennlinie Hystereseverluste benötigt, das heißt die Kraft-Weg-Kennlinie sollte in Betätigungsrichtung (Drücken des Kupplungspedals) einen anderen Verlauf als entgegen der Betätigungsrichtung (Loslassen des Kupplungspedals) haben.
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Ein weiterer Kraftsimulator, welcher die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 enthält, ist aus der
DE 10 2017 102 516 A1 bekannt.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und eine verbesserte Reibwirkung anzugeben. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft einen Kraftsimulator mit einer Betätigungsachse, wobei der Kraftsimulator für ein Betätigungspedal eines Kraftfahrzeugs geeignet ist, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Konuskolben mit einer Weg-Kontur;
- - eine axial verschiebbare Kolbenstange;
- - eine Axialfeder, welche einer Betätigung der Kolbenstange in einer Betätigungsrichtung mit einer Axialkraft entgegenwirkt;
- - eine Transversalfeder, welche derart angeordnet ist, dass die Transversalfeder bei einer axialen Relativbewegung des Konuskolbens die Transversalfeder mit einer Transversalkraft auf den Konuskolben einwirkt, wobei die Transversalkraft mittels einer aus der Weg-Kontur des Konuskolbens resultierenden Transversalbewegung erzeugt ist; und
- - eine Rollvorrichtung, welche zwischen der Transversalfeder und der Weg-Kontur des Konuskolbens angeordnet ist, sodass die Weg-Kontur relativ zu der Transversalfeder reibungsarm verschiebbar ist,
wobei mittels Betätigung der Kolbenstange eine Relativbewegung zwischen dem Konuskolben und der Transversalfeder erzeugt wird.
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Der Kraftsimulator ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein separates Reibelement und zumindest eine axiale Reibschiene vorgesehen sind, wobei das zumindest eine Reibelement mittels einer der Reibschienen derart geführt ist, dass bei einer axialen Betätigung der Kolbenstange das Reibelement relativ zu der Reibschiene reibend axial bewegt wird.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Betätigungsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden.
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Der Konuskolben beziehungsweise dessen Weg-Kontur und die Transversalfeder wirken über die Rollvorrichtung derart zusammen, dass eine geeignete Kraft-Weg-Kennlinie erzeugt ist, wenn die Kolbenstange so bewegt wird, dass eine axiale Relativbewegung des Konuskolbens relativ zu der Transversalfeder resultiert. In vielen Anwendungen ist die Kolbenstangeunmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über einen Gelenkkolben, mit dem Konuskolben verbunden. Teilweise ist die Kolbenstange gelenkig an einem Gelenkkolben angebunden, wobei der Gelenkkolben axial geführt ist, bevorzugt in dem Gehäuse des Kraftsimulators, und die Betätigung der Kolbenstange ist nicht (unbedingt) achsparallel zu der Betätigungsachse des Kraftsimulators. Alternativ ist die Kolbenstange mit der Transversalfeder unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise mittels eines Gelenkkolbens der zuvor genannten Art, in einer solchen oder ähnlichen Weise verbunden, sodass also die Transversalfeder axial bewegbar ist und der Kolbenkonus axial fixiert ist. Bevorzugt ist bei letzterer Ausführung die axiale Ausrichtung von Konuskolben und Transversalfeder gegenüber der Anbindung der Kolbenstange an den Konuskolben umgekehrt.
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Die Weg-Kontur ist beispielsweise einseitig, beidseitig oder umlaufend des Konuskolbens gebildet. Die Weg-Kontur ist dabei im Zusammenspiel mit der Transversalfeder und der Rollvorrichtung definiert, wobei die resultierende Kraftänderung mit der Kraft der Axialfeder und der Reibung an der Reibschiene überlagert wird. So ist beispielsweise in einer extremen Ausführungsform die Weg-Kontur eine ebene Fläche ohne Neigungswinkel zu der Betätigungsachse. Die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie ist dann durch eine entsprechende Gegenkontur und/oder wegabhängige Federeigenschaft der Transversalfeder und/oder eine Kontur der Rollvorrichtung erzeugt. In einer besonders einfachen Ausführungsform weist der Konuskolben eine keilartige Form auf, sodass es bei einer (nahezu) konstanten oder linear ansteigenden Transversalkraft zu einem geeigneten Kraftanstieg oder Kraftabfall kommt. Für eine Pedalkraftsimulation ist vorteilhafterweise mittels einer dieser Varianten oder eine Kombination daraus bei Auslenken eines Betätigungspedals aus seiner Ruhelage, beispielsweise mittels eines Fußes, zunächst ein langsamer Kraftanstieg bis zu einem Maximum und anschließend ein schneller Kraftnachlass erzeugt, beispielsweise mittels eines etwa tropfenförmigen Konuskolbens.
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Die Axialfeder ist dazu vorgesehen, die Kolbenstange selbsttätig wieder in eine Ruhelage zurück zu überführen oder eine Rückführung zu unterstützen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Axialkraft der Axialfeder so groß, dass entgegenstehende Kräfte, also beispielsweise ausgehend von der Transversalfeder, überwunden werden, wenn keine (entgegengerichtete) Betätigungskraft über die Kolbenstange aufgegeben wird.
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Die Transversalfeder ist in einer einfachen Ausführungsform als Biegebalken oder Gabelfeder mit zwei oder mehr Gabelbalken ausgeführt, wobei der Biegebalken beziehungsweise die Gabelbalken mittels der Rollvorrichtung auf der Weg-Kontur des Konuskolbens abfahren. Mittels des oben beschriebenen Zusammenspiels resultiert damit wegabhängig eine Transversalkraft, welche eine Reibkraft auf den Konuskolben erzeugt, welche der Bewegung entgegenwirkt.
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Hier ist aber nun vorgeschlagen, dass die Reibkraft resultierend aus der Transversalkraft übertragen mittels der Rollvorrichtung auf die Weg-Kontur gering ist, zumindest zu gering, um das gewünschte Hystereseverhalten einzig mittels der Einwirkung der Transversalkraft auf die Weg-Kontur zu erzeugen. Vielmehr ist zusätzlich ein separates Reibelement, welches in zumindest einer axialen Reibschiene geführt ist. Bei einer axialen Betätigung der Kolbenstange wird das Reibelement relativ zu der Reibschiene reibend axial bewegt. Somit ist der Verschleiß an der Weg-Kontur infolge der separaten Ausführung erheblich reduziert und bevorzugt ist die Werkstoffpaarung aus Reibelement und Reibschiene für einen geringen Verschleiß ausgelegt und/oder das Reibelement und/oder die Reibschiene mit einem Reibwerkstoff mit ausreichend großen Verschleißreservevolumen ausgeführt. Dadurch wird das Bauteil robuster und die ausgelegte Kraft-Weg-Kennlinie bleibt auch bei sehr vielen Betätigungsvorgängen konstant. Die für die Hysterese der Kraft-Weg-Kennlinie benötigte Reibung wird in Funktionstrennung an dem separaten Reibelement aufgebracht. Dies vereinfacht die Auslegung der Kraft-Weg-Kennlinie und reduziert die Gefahr einer Veränderung der Kraft-Weg-Kennlinie. Es sei darauf hingewiesen, dass das Reibelement ein einziges Element ist oder mehrere Teilelemente umfasst. Weiterhin ist ein Reibelement oder eine Mehrzahl von Reibelementen, beispielsweise eine Buchse oder eins oder mehrere gefederte Einzelelemente, vorgesehen, beispielsweise links und rechts einer Weg-Kontur. Ebenso ist eine zu der Anzahl der Reibelemente korrespondierende Anzahl von Reibschienen gebildet. Im weiteren Verlauf wird repräsentativ für eine oder eine Mehrzahl solcher Reibpaare von einem (einzigen) Reibelement und der korrespondierenden Reibschiene gesprochen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftsimulators ist die Reibschiene an dem Konuskolben außerhalb der mit der Transversalfeder zusammenwirkenden Weg-Kontur angeordnet.
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Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Reibschiene und entsprechend zumindest der Anteil des Reibelements, welches mit der Reibschiene zusammenwirkt, außerhalb der Weg-Kontur angeordnet. Hierdurch ist eine Unabhängigkeit der Form und der Materialeigenschaften von der Oberfläche der Weg-Kontur und der Reibschiene leicht umsetzbar. Beispielsweise ist die Wegkontur in einem Mittenbereich mit Erstreckung quer zu der Betätigungsachse und der Transversalrichtung angeordnet, wobei jeweils zumindest eine Reibschiene links und rechts zu dem Mittenbereich angeordnet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftsimulators weist die zumindest eine Reibschiene eine Axialkontur auf, sodass die resultierende Reibkraft bei einer axialen Bewegung wegabhängig unterschiedlich ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine wegabhängiges Reibverhalten und somit eine wegabhängig veränderliche Hysterese erzeugbar. Bevorzugt weicht dabei die Axialkontur von der Weg-Kontur des Konuskolbens ab. Die Axialkontur ist dabei im Zusammenspiel mit dem Reibelement definiert. So ist beispielsweise in einer extremen Ausführungsform die Axialkontur eine ebene Fläche ohne Neigungswinkel zu der Betätigungsachse. Die resultierende Reibkraft ist dann beispielsweise durch eine entsprechende Gegenaxialkontur des Reibelements erzeugt.
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Gemäß der Erfindung des Kraftsimulators rollt die Rollvorrichtung zwischen der Weg-Kontur des Konuskolbens und der Transversalfeder in axialer Richtung ab.
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Im Gegensatz zu vorbekannten Lösungen wird hier vorgeschlagen, dass die Rollvorrichtung bei einer axialen Relativbewegung zwischen der Transversalfeder und der Weg-Kontur des Konuskolbens abrollt, also auch eine axiale Relativbewegung zurücklegt. Beispielsweise bei einer kreisrunden Rollenform legt die Rollvorrichtung die Hälfte der zurückgelegten Strecke zwischen Weg-Kontur und Transversalfeder zurück. Dadurch wird die Reibung weiter reduziert. Zudem wird dadurch die Wirkstrecke zwischen Transversalfeder und Konuskolben vergrößert, beispielsweise bei in Laufrichtung kreisrunder Rollenform verdoppelt. Dadurch können der Konuskolben und die Transversalfeder verkürzt und/oder die Wegstrecke zum Erzeugen der Kraft-Weg-Kennlinie verlängert werden. Auch ist es möglich, dadurch eine vielfältigere Kraft-Weg-Kennlinie auf einer relativ kurzen Strecke abzubilden. Bevorzugt ist der zumindest eine Rollkörper der Rollvorrichtung in einem mitwandernden Lagerkäfig gehalten. Der Rollköper weist bevorzugt Zylinderform oder Kugelform auf.
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Gemäß der Erfindung ist die Rollvorrichtung in einem Lagerkäfig gehalten und der Lagerkäfig umfasst das zumindest eine separate Reibelement, sodass das zumindest eine separate Reibelement eine axiale Relativbewegung zu der Transversalfeder ausführt.
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Damit ist das Reibelement mit halber Geschwindigkeit mitgeführt und die Reibstrecke ist damit ebenfalls in Ihrer Wirkung vergrößert, beispielsweise verdoppelt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reibschiene zugleich eine axiale Führungsschiene für den Lagerkäfig.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftsimulators umfasst der Kraftsimulator weiterhin ein axial fixiertes Gehäuse, wobei das zumindest eine Reibelement oder die zumindest eine Reibschiene eine Komponente des Gehäuses ist, und
wobei bevorzugt bei einer Reibschiene am Gehäuse das zumindest eine korrespondierende Reibelement an dem Lagerkäfig für die Rollvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Reibpaarung zusätzlich zu dem Reibpaar aus Lagerkäfig und Reibschiene des Konuskolbens zwischen einer weiteren oder der gleichen Reibschiene des Konuskolbens und dem Gehäuse gebildet. Dabei ist die Wirkung der Strecke gleich der Länge der Strecke der relativen Bewegung zwischen Konuskolben und Gehäuse. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist eine Reibpaarung zwischen einer Reibschiene des Gehäuses und einem Reibelement des Konuskolbens und/oder des Lagerkäfigs gebildet. In letzterem Fall ist die Wirkung der Strecke gegenüber der Länge der Strecke der relativen Bewegung zwischen Konuskolben und Gehäuse vergrößert, beispielsweise verdoppelt. Durch eine dieser Ausführungsformen oder eine Kombination daraus ist ein Hystereseverhalten in weiten Grenzen frei auslegbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Kraftsimulators umfasst die Rollvorrichtung einen Lagerkäfig, bevorzugt nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei der Lagerkäfig eine bajonettverschlussartige Aufnahme für einen Rollkörper mit einem Bajonettverschluss-Eingang umfasst, sodass die Transversalfeder eine Bewegung des Rollkörpers hin zu dem Bajonettverschluss-Eingang sperrt.
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Die bajonettverschlussartige Aufnahme erstreckt sich mit einem Queranteil, bevorzugt senkrecht, zu der Betätigungsachse, wobei der Bajonettverschluss-Eingang im Zusammenbau hinter der Transversalfeder beziehungsweise deren Federbalken angeordnet ist. Bevorzugt ist der Bajonettverschluss-Eingang hin zu einer Öffnung in axialer Richtung, beispielsweise der Einführöffnung für die Kolbenstange, ausgerichtet. Dadurch ist der Rollkörper in den bereits, beispielsweise auf dem Konuskolben, vormontierten Lagerkäfig einführbar und nach dem Zusammenbau mittels der Transversalfeder gesichert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Kupplungsvorrichtung für einen Antriebsstrang, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Kraftsimulator nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei mittels Betätigen des Kraftsimulators eine Signalfolge erzeugbar ist;
- - eine Drehmomentkupplung, welche zum lösbaren Übertragen eines Drehmoments eingerichtet ist;
- - einen Kupplungsaktor, mittels welchem die Drehmomentkupplung betätigbar ist,
wobei der Kupplungsaktor mittels der Signalfolge des Kraftsimulators steuerbar ist.
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Die Kupplungsvorrichtung weist eine Drehmomentkupplung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein Drehmoment lösbar von einer Antriebswelle auf einen Verbraucher und umgekehrt zu übertragen. Bei einer Ausführung als Reibkupplung wird dies über das (zumindest eine) Reibpaket erreicht, welches eine axial verschiebbare, in der Regel mit der Antriebswelle rotationsfeste, Anpressplatte aufweist, welche gegen zumindest eine korrespondierende Reibscheibe pressbar ist. Infolge der Anpresskraft ergibt sich eine Reibkraft über die Reibfläche, welche multipliziert mit dem mittleren Radius der Reibfläche ein übertragbares Drehmoment ergibt.
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Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, die Drehmomentkupplung hydraulisch mittels eines Kupplungsaktors zu betätigen, weil hierdurch höhere Anpressdrücke erreicht werden oder eine automatisierte Betätigung in gut steuerbarer Weise umsetzbar ist. Hierbei ist bei manchen Ausführungsformen weiterhin eine Betätigungsfeder, zum Beispiel eine Tellerfeder, zwischen der Anpressplatte und einem Betätigungskolben, also dem Nehmerkolben, vorgesehen. Der Betätigungskolben des Kupplungsaktors ist hydraulisch, also mittels einer Veränderung des Betätigungsvolumens im Nehmerzylinder, translatorisch bewegbar. Wird zum Beispiel das Betätigungsvolumen vergrößert, wird der Betätigungskolben in Anpressrichtung bewegt und somit eine Anpresskraft auf die Anpressplatte und damit auf das Reibpaket ausgeübt. Wird in diesem Beispiel das Betätigungsvolumen verkleinert, wird der Betätigungskolben zurückbewegt und somit die (vollständige) Übertragung eines Drehmoments mittels der Drehmomentkupplung unterbrochen. Das Betätigungsvolumen des Nehmerzylinders wird über den Geberkolben beziehungsweise das Aufnahmevolumen im Geberzylinder gesteuert. Hier ist nun der Geberkolben motorisiert betätigt und zwar auf Eingabe einer Signalfolge, welche von dem Kraftsimulator ausgegeben wird, bevorzugt ein reines Wegsignal, welches mit oder ohne Faktor auf den Geberkolben motorisiert umgesetzt wird.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Kraftsimulator ist eine hohe Simulationskonstanz über eine große Anzahl von Wiederholungen erreichbar, weil der Verschleiß an der Weg-Kontur gering ist. Auch an den übrigen Teilnehmern zum Erzeugen der Kraft-Weg-Kennlinie, wie dem Lagerkäfig, dem zumindest einen Rollkörper und der Transversalfeder ist der Verschleiß gering bis vernachlässigbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Antriebsstrang, aufweisend ein Antriebsaggregat mit einer Antriebswelle, zumindest einen Verbraucher und eine Kupplungsvorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung, wobei die Antriebswelle zur Drehmomentübertragung mittels der Kupplungsvorrichtung mit dem zumindest einen Verbraucher lösbar verbindbar ist.
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Der Antriebsstrang ist dazu eingerichtet, ein von einem Antriebsaggregat, zum Beispiel einer Energiewandlungsmaschine, bevorzugt einer Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, bereitgestelltes und über ihre Antriebswelle abgegebenes Drehmoment für zumindest einen Verbraucher lösbar, also zuschaltbar und abschaltbar, zu übertragen. Ein beispielhafter Verbraucher ist zumindest ein Antriebsrad eines Kraftfahrzeugs und/oder ein elektrischer Generator zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Umgekehrt ist auch eine Aufnahme einer von zum Beispiel einem Antriebsrad eingebrachten Trägheitsenergie umsetzbar. Das zumindest eine Antriebsrad bildet dann das Antriebsaggregat, wobei dessen Trägheitsenergie mittels der Drehmomentkupplung auf einen elektrischen Generator zur Rekuperation, also zur elektrischen Speicherung der Bremsenergie, mit einem entsprechend eingerichteten Antriebsstrang übertragbar ist. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Antriebsaggregaten vorgesehen, welche mittels der Drehmomentkupplung in Reihe oder parallelgeschaltet beziehungsweise voneinander entkoppelt betreibbar sind, beziehungsweise deren Drehmoment jeweils lösbar zur Nutzung zur Verfügung stellbar ist. Beispiele sind Hybridantriebe aus elektrischer Antriebsmaschine und Verbrennungskraftmaschine, aber auch Mehrzylindermotoren, bei denen einzelne Zylinder (-gruppen) zuschaltbar sind.
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Um das Drehmoment gezielt und/oder mittels eines Schaltgetriebes mit unterschiedlichen Übersetzungen zu übertragen beziehungsweise eine Übertragung zu trennen, ist die Verwendung der oben beschriebenen Kupplungsvorrichtung besonders vorteilhaft. Der für die hier vorgeschlagene Kupplungsvorrichtung eingerichtete Kraftsimulator weist eine sehr gute Verschleißbeständigkeit und in einer Ausführungsform ein besonders geringes Bauvolumen auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest ein Antriebsrad, welches mittels eines Antriebsstrangs nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung antreibbar ist.
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Die meisten Kraftfahrzeuge weisen heutzutage einen Frontantrieb auf und ordnen daher bevorzugt das Antriebsaggregat, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine oder einer elektrischen Antriebsmaschine, vor der Fahrerkabine und quer zur Hauptfahrrichtung an. Der Bauraum ist gerade bei einer solchen Anordnung besonders gering und es ist daher besonders vorteilhaft, eine Kupplungsvorrichtung kleiner Baugröße oder zumindest flexibel anordenbaren Komponenten zu verwenden. Ähnlich gestaltet sich der Einsatz einer Kupplungsvorrichtung in motorisierten Zweirädern, für welche eine deutlich gesteigerte Leistung bei gleichbleibendem Bauraum gefordert wird.
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Verschärft wird diese Problematik bei Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse nach europäischer Klassifizierung. Die verwendeten Funktionseinheiten in einem Personenkraftwagen der Kleinwagenklasse sind gegenüber Personenkraftwagen größerer Wagenklassen nicht wesentlich verkleinert. Dennoch ist der zur Verfügung stehende Bauraum bei Kleinwagen wesentlich kleiner. Der oben beschriebene Antriebsstrang weist eine Kupplungsvorrichtung beziehungsweise einen Kraftsimulator auf, welcher eine lange Lebensdauer und eine geringe Baugröße aufweist.
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Personenkraftwagen werden einer Fahrzeugklasse nach beispielsweise Größe, Preis, Gewicht und Leistung zugeordnet, wobei diese Definition einem steten Wandel nach den Bedürfnissen des Marktes unterliegt. Im US-Markt werden Fahrzeuge der Klasse Kleinwagen und Kleinstwagen nach europäischer Klassifizierung der Klasse der Subcompact Car zugeordnet und im Britischen Markt entsprechen sie der Klasse Supermini beziehungsweise der Klasse City Car. Beispiele der Kleinstwagenklasse sind ein Volkswagen up! oder ein Renault Twingo. Beispiele der Kleinwagenklasse sind ein Alfa Romeo Mito, Volkswagen Polo, Ford Fiesta oder Renault Clio.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: einen Kraftsimulator in seitlichem Schnitt;
- 2: den Kraftsimulator nach 1 im Querschnitt; und
- 3: ein Antriebsstrang in einem Kraftfahrzeug mit Kupplungsvorrichtung.
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In 1 ist ein Kraftsimulator 1 mit einer Betätigungsachse 2 im Schnitt dargestellt, bei welchem ein Konuskolben 5 mit einer Kolbenstange 7 (gelenkig) über einen Gelenkkolben 46 verbunden ist. Mittels einer Axialfeder 8, welche hier außerhalb des Gehäuses 18 angeordnet ist, aber auch innerhalb des Gehäuses 18 anordenbar ist, wird einer axialen Betätigung in Betätigungsrichtung 9 entgegengewirkt. Zum Erzeugen einer Kraft-Weg-Kennlinie weist der Konuskolben 5 eine beidseitige Weg-Kontur 6 auf, welche quer zu der Richtung der Transversalbewegung 11 der Transversalfeder 10 etwa tropfenförmig ausgebildet ist. Bei einer Betätigung der Kolbenstange 7 entgegen der Kraft der Axialfeder 8 wird der Konuskolben 5 entlang der Betätigungsrichtung 9 relativ zu der als Gabelfeder ausgeführten Transversalfeder 10 verschoben. Dadurch werden die beiden Federbalken der Transversalfeder 10 in Richtung der Transversalbewegung 11 ausgelenkt und wirken somit dem weiteren Vorrücken in Betätigungsrichtung 9 zusätzlich zu der Axialfeder 8 entgegen, und zwar unterschiedlich stark abhängig von der Weg-Kontur 6. Zwischen der Transversalfeder 10 und der Weg-Kontur 6 ist eine Rollvorrichtung 12 mit zwei in einem Lagerkäfig 17 aufgenommene und als Wälzzylinder ausgebildeten Rollkörpern 13 derart angeordnet, dass diese bei einer Transversalbewegung 11 und rückwärtigen Richtung mit halber Geschwindigkeit abwälzend mitwandern. Die Rollkörper 13 sind in einer bajonettverschlussartigen Aufnahme 19 des Lagerkäfigs 17 aufgenommen, deren jeweiliger Bajonettverschluss-Eingang 20 jenseits des jeweiligen Gabelbalkens der Transversalfeder 10 angeordnet sind, hier in der Darstellung also unterhalb und oberhalb des unteren beziehungsweise des oberen Gabelbalkens. Die Aufnahme 19 ist hier teils gestrichelt dargestellt, weil sie durch die Transversalfeder 10 und die Rollkörper 13 in dieser Darstellung verdeckt ist. Zum Erzeugen eines Hystereseverhaltens ist zudem eine (kolbenseitige) Reibschiene 15 mit einer Axialkontur 16 seitlich am Konuskolben 5 angeordnet, wobei die Reibschiene 15 hier gestrichelt dargestellt ist, weil sie durch den Konuskolben 5 in dieser Darstellung verdeckt ist. Das zugehörige (kolbenseitige) Reibelement 14 ist in 2 zu erkennen und wird in diesem Zusammenhang erläutert. Die Axialkontur 16 ist hier eben und ohne Neigung, also parallel, zu der Betätigungsachse 2 ausgeführt.
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2 zeigt den Schnitt A-A wie er in 1 gekennzeichnet ist, also durch den Lagerkäfig 17 mit Blickrichtung in Betätigungsrichtung 9. Der Lagerkäfig 17 führt mittels seiner bajonettverschlussartigen Aufnahme 19 beidseitig des Konuskolbens 5, also in der Darstellung oberhalb und unterhalb davon, jeweils einen Rollkörper 13 zwischen den Gabelbalken der Transversalfeder 10. Darüber hinaus weist der Lagerkäfig 17 (kolbenseitige) Reibelemente 14 beidseitig des Konuskolbens 5, also in der Darstellung links und rechts davon, auf, in welchen entsprechende (kolbenseitige) Reibschienen 15, welche hier einstückig mit dem Konuskolben 5 gebildet sind, geführt sind. Die Reibschienen 15 sind nur reibend relativ zu den Reibelementen 14 bewegbar. Der Lagerkäfig 17 wandert mit halber Geschwindigkeit mit dem Konuskolben 5 mit und entsprechend ist die Relativgeschwindigkeit zwischen den Reibelementen 14 und den Reibschienen 15 die Hälfte der Betätigungsgeschwindigkeit des Konuskolbens 5. Die Reibelemente 14 sind beispielsweise als elastomerartige Beläge und/oder mit einer Federung zum Vorspannen gegen die korrespondierende Fläche der führenden Reibschiene 15 versehen.
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Optional ist in 2 zusätzlich oder ersetzend für die (kolbenseitigen) Reibelemente 14 ein (gehäuseseitiges) Reibelement 21 und eine entsprechend korrespondierende (gehäuseseitige) Reibschiene 22 vorgesehen. Das gehäuseseitige) Reibelement 21 ist an dem Lagerkäfig 17 angeordnet und die (gehäuseseitige) Reibschiene 22 ist an dem Gehäuse 18 gebildet. Auch hier gilt, dass aufgrund der halben Geschwindigkeit des Lagerkäfigs 17 die Relativgeschwindigkeit zwischen dem (gehäuseseitigen) Reibelement 21 und der (gehäuseseitigen) Reibschiene 22 die Relativgeschwindigkeit der Hälfte der Betätigungsgeschwindigkeit des Konuskolbens 5 entspricht. Das gehäuseseitige) Reibelement 21 ist beispielsweise als elastomerartiger Belag und/oder mit einer Federung zum Vorspannen gegen die korrespondierende Fläche der geführten (gehäuseseitigen)< Reibschiene 22 versehen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Begriffe kolbenseitig und gehäuseseitig allein der Unterscheidbarkeit dienen und nicht den Befestigungsort bezeichnen.
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In 3 ist ein Antriebsstrang 24, umfassend ein Antriebsaggregat 27, hier als drei-zylindrige Verbrennungskraftmaschine dargestellt, eine Antriebswelle 28, eine Kupplungsvorrichtung 23 und ein drehmomentübertragend verbundenes linkes Antriebsrad 29 und rechtes Antriebsrad 30, schematisch dargestellt. Der Antriebsstrang 24 ist hier in einem Kraftfahrzeug 4 angeordnet, wobei das Antriebsaggregat 27 mit seiner Motorachse 33 quer zur Längsachs 32 vor der Fahrerkabine 31 angeordnet ist. Die Kupplungsvorrichtung 23 umfasst eine Drehmomentkupplung 25, hier eine Reibkupplung, welche mittels eines Nehmerzylinders 35 hydraulisch oder pneumatisch verpressbar ist. Der Nehmerzylinder 35 bildet einen Teil eines Kupplungsaktors 26, welcher als hydraulischen beziehungsweise pneumatischen Eingang einen Geberzylinder 34 umfasst. Der Geberzylinder 34 ist mittels einer Signalfolge des Betätigungspedals 3 in der Fahrerkabine 31 steuerbar, wobei dem Fahrer mittels des Kraftsimulators 1 eine gewohnte Kraft-Weg-Kennlinie vermittelt wird.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Kraftsimulator ist eine lange Lebensdauer bei konstanter Kraft-Weg-Kennlinie und eine Verringerung des benötigten Bauraums erzielbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftsimulator
- 2
- Betätigungsachse
- 3
- Betätigungspedal
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Konuskolben
- 6
- Weg-Kontur
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Axialfeder
- 9
- Betätigungsrichtung
- 10
- Transversalfeder
- 11
- Transversalbewegung
- 12
- Rollvorrichtung
- 13
- Rollkörper
- 14
- kolbenseitiges Reibelement
- 15
- kolbenseitige Reibschiene
- 16
- Axialkontur
- 17
- Lagerkäfig
- 18
- Gehäuse
- 19
- Aufnahme
- 20
- Bajonettverschluss-Eingang
- 21
- gehäuseseitiges Reibelement
- 22
- gehäuseseitige Reibschiene
- 23
- Kupplungsvorrichtung
- 24
- Antriebsstrang
- 25
- Drehmomentkupplung
- 26
- Kupplungsaktor
- 27
- Antriebsaggregat
- 28
- Antriebswelle
- 29
- linkes Antriebsrad
- 30
- rechtes Antriebsrad
- 31
- Fahrerkabine
- 32
- Längsachse
- 33
- Motorachse
- 34
- Geberzylinder
- 35
- Nehmerzylinder
- 46
- Gelenkkolben
