DE102017200661A1 - Fluid actuator for haptic-sensitive signal on an accelerator pedal - Google Patents

Fluid actuator for haptic-sensitive signal on an accelerator pedal Download PDF

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Abstract

Es wird Fluidaktor (2) zum Erzeugen eines haptisch wahrnehmbaren Signals an einem Gaspedal (3) eines Fahrzeugs beschrieben. Der Fluidaktor (2) ist mit einer Fluidkammer und einem in dieser Fluidkammer beweglich angeordneten Trennkolben (23) versehen, welcher die Fluidkammer in einen ersten Kammerbereich (21) und einen zweiten Kammerbereich (22) unterteilt und der Trennkolben (23) zumindest bei einem Druck auf das Gaspedal (31) in eine erste Arbeitsrichtung (X) verschiebt. Zudem ist zwischen erstem und zweitem Kammerbereich ein Rückstromkanal (27) für das Fluid vorgesehen und bilden diese ein geschlossenes Fluidsystem. Dabei ist ein veränderbares Drosselventil (26), vorzugsweise bistabiler Schalter, zum Verändern der Durchflussmenge vorgesehen ist und zumindest eine Rückstellfeder (25) vorgesehen, welche den Trennkolben (23) entgegen der ersten Arbeitsrichtung (X) in eine Ruheposition drückt.A fluid actuator (2) for generating a haptic-detectable signal on an accelerator pedal (3) of a vehicle is described. The fluid actuator (2) is provided with a fluid chamber and a separating piston (23) arranged movably in this fluid chamber, which subdivides the fluid chamber into a first chamber region (21) and a second chamber region (22) and the separating piston (23) at least at one pressure on the accelerator pedal (31) in a first working direction (X) shifts. In addition, a return flow channel (27) for the fluid is provided between the first and second chamber regions and form this a closed fluid system. In this case, a variable throttle valve (26), preferably a bistable switch, for changing the flow rate is provided and at least one return spring (25) is provided which presses the separating piston (23) against the first working direction (X) in a rest position.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor zum Erzeugen eines haptisch wahrnehmbaren Signals an einem Pedal eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an actuator for generating a haptic perceptible signal on a pedal of a vehicle according to the preamble of claim 1.

Pedale in Fahrzeugen, insbesondere das Gaspedal, werden zunehmend mit einem Aktor versehen, um dem Fahrer des Fahrzeuges ein optisch wahrnehmbare Signal bei bestimmten Verkehrssituationen, beispielsweise dem Unterschreiten eines Mindestabstandes oder einem anstehenden Gangwechsel oder einer unökonomischen Fahrweise, beispielsweise dem Abweichen von einem optimalen Geschwindigkeit-oder Drehmomenten Bereich zu signalisieren.Pedals in vehicles, in particular the gas pedal, are increasingly provided with an actuator to the driver of the vehicle, a visually perceptible signal in certain traffic situations, such as falling below a minimum distance or a pending gear change or an uneconomic driving style, such as deviating from an optimal speed or torque range signal.

Dazu werden so genannte „Force-Feedback-Pedale“, wie beispielsweise in der EP 1375233 B1 oder DE 10 2009 041 361 A1 , üblicherweise mit elektrischen Aktoren versehen, welche auf Basis von rotierenden Elektromotoren oder aber elektromagnetischen Linearantrieben arbeiten. Solche Aktoren ermöglichen eine gezielte Steuerung der Gegenkraft-Kennlinie, sind jedoch entsprechend aufwendig, teuer und weisen einen nicht unerheblichen Stromverbrauch auf.These are called "force feedback pedals", such as in the EP 1375233 B1 or DE 10 2009 041 361 A1 , Usually provided with electrical actuators, which operate on the basis of rotating electric motors or electromagnetic linear actuators. Such actuators allow targeted control of the drag characteristic, but are correspondingly expensive, expensive and have a significant power consumption.

Darüber hinaus sind beispielsweise aus der WO 2011 029812 A1 bereits pneumatische oder hydraulische Aktoren für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen bekannt, bei welchem dem Fahrzeugführer auch in der sogenannten Betriebsart „Brake-by-Wire“ das gewohnte Bremspedalgefühl über entsprechende Druckräume, Rückkanäle und Ventile aus einem Druckmittel-Vorratsbehälter nachgestellt wird.In addition, for example, from the WO 2011 029812 A1 already known pneumatic or hydraulic actuators for brake systems of motor vehicles, in which the driver in the so-called "brake-by-wire" the usual brake pedal feeling over corresponding pressure chambers, return channels and valves from a pressure fluid reservoir is adjusted.

Zudem erwähnt die DE 100 26 498 A1 die Möglichkeit, die gepulste Bewegung einer haptischen Rückkopplung am Gaspedal auch mechanisch, pneumatisch oder insbesondere auf hydraulischem Wege zu erzeugen. Ebenso die DE 10 2007 024 885 A1 , ohne dass jeweils die konkrete bauliche Ausgestaltung eines solchen Fluidaktors jeweils näher erläutert würde.In addition, the mentioned DE 100 26 498 A1 the possibility of generating the pulsed movement of a haptic feedback on the gas pedal also mechanically, pneumatically or in particular by hydraulic means. Likewise the DE 10 2007 024 885 A1 , without each of the concrete structural design of such a fluid actuator would be explained in more detail.

Eine erste nähere Ausgestaltung eines solchen Fluidaktors lehrt die WO2016/131454 A1 der Anmelderin, wobei dort ein im Fahrzeug bereits für eine andere Funktion vorhandener Generator für Überdruck und/oder Unterdruck in einem solchen Fluid vorgesehen ist und über eine Druckleitung dieses Fluid an den Pedalaktor zugeführt wird.A first detailed embodiment of such a fluid actuator teaches the WO2016 / 131454 A1 the applicant, where there is already provided in the vehicle for another function existing generator for overpressure and / or negative pressure in such a fluid and is supplied via a pressure line of this fluid to the pedal actuator.

Der Aktor kann dabei ein pneumatischer Aktor und das Fluid Luft mit einem Über- oder Unterdruck oder ein hydraulischer Aktor und das Fluid eine Hydraulikflüssigkeit sein.The actuator may be a pneumatic actuator and the fluid air with a positive or negative pressure or a hydraulic actuator and the fluid may be a hydraulic fluid.

Aus der DE 102015220669 A1 ist zudem eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Kupplungs-Betätigungselement eines Fahrzeuges und eine Einrichtung zur Betätigung eines elektrischen Kupplungssystems bekannt, bei welcher ein Trennkolben in einer einseitig offen Zylinderkammer vorgesehen ist.From the DE 102015220669 A1 In addition, a device for force simulation on a clutch actuating element of a vehicle and a device for actuating an electric clutch system is known, in which a separating piston is provided in a cylinder chamber open on one side.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Fluidaktorkonzept vorzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.The object of the present invention is to present an alternative fluid actuator concept. This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims, and combinations and developments of individual features are conceivable with each other.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die beiden Kammerbereiche mit dem Rückstromkanal zusammen ein geschlossenes Fluidsystem bilden. Geschlossen bedeutet dabei, dass bei Kraftwirkung auf das Gaspedal und damit den Trennkolben ein direkter Fluidstrom von dem einen Kammerbereich über den Rückstromkanal in den anderen Kammerbereich erfolgt. Zudem ist ein veränderbares Drosselventil zum Verändern der Durchflussmenge vorgesehen und dient zum Erzeugen des haptisch wahrnehmbaren Signals durch Verändern der Durchflussmenge am Drosselventil. Zudem ist am Fluidaktor eine Rückstellfeder vorgesehen, welche den Trennkolben entgegen der ersten Arbeitsrichtung in eine Ruheposition drückt. Diese Rückstellfeder kann im Kammerbereich oder außerhalb über den Stößel auf den Trennkolben wirken. Dabei kann das Drosselventil im geöffneten Zustand so dimensioniert werden, dass das Fluid eine Gegenkraft erzeugt, welche kleiner ist als die Gegenkraft der Rückstellfeder, d.h. das Drosselventil so weit geöffnet ist, dass dem Fluidstrom quasi kein nennenswerter Widerstand entgegengebracht wird.An essential idea of the invention is that the two chamber areas together with the return flow channel form a closed fluid system. Closed means that when force is applied to the accelerator pedal and thus the separating piston, there is a direct fluid flow from one chamber area via the return flow channel into the other chamber area. In addition, a variable throttle valve is provided for varying the flow rate and for generating the haptic signal by varying the flow rate at the throttle valve. In addition, a return spring is provided on the fluid actuator, which presses the separating piston against the first working direction in a rest position. This return spring can act on the separating piston in the chamber area or outside via the plunger. In this case, the throttle valve can be dimensioned in the open state so that the fluid generates a counterforce which is smaller than the counterforce of the return spring, i. the throttle valve is opened so far that the fluid flow quasi no significant resistance is presented.

Vorzugsweise ist das Drosselventil als zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand verstellbar, also quasi schaltbar. Der geöffnete Zustand stellt dabei dem Fluid und damit dem Pedal quasi keinen Widerstand entgegen. Wird das Drosselventil jedoch geschlossen, entsteht ein entsprechend harter Gegenanschlag.Preferably, the throttle valve is adjustable as between an open and a closed state, so quasi switchable. The open state provides virtually no resistance to the fluid and thus to the pedal. However, if the throttle valve is closed, a correspondingly hard counter-stop is created.

Daher ist vorzugsweise gerade dafür neben einer denkbaren kurzen Zeitdauer des Zustands insbesondere auch ein paralleles Überdruckventil vorgesehen, welches bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet und natürlich so dimensioniert ist, dass am Pedal ein merkbarer Widerstand übertreten werden muss, um das Überdruckventil auszulösen - die vorgegebene Kraft zum Übertreten aber eben auch innerhalb der Vorgabewerte bleibt.Therefore, in addition to a conceivable short period of time, a parallel overpressure valve is preferably provided for this purpose, which opens when a predetermined pressure is exceeded and of course dimensioned so that a noticeable resistance must be exceeded on the pedal to trigger the pressure relief valve - the predetermined force to transgress but just within the default values remains.

Das Fluidsystem ist vorzugsweise passiv, kommt also ohne Kompressor oder vergleichbare Erzeuger eines fremderzeugten Über- oder Unterdrucks des Fluids aus. Vorzugsweise herrscht somit im Fluid ohne Pedalbelastung somit auch kein Druck bzw. der Umgebungsluftdruck. The fluid system is preferably passive, so comes without a compressor or similar producers of a foreign-generated positive or negative pressure of the fluid. Thus, there is preferably no pressure or ambient air pressure in the fluid without pedal load.

Die Fahrpedaleinheit besteht aus einer passiven Pedaleinheit 1, dem Fluidaktor 2 sowie dem Fahrpedal 3.The accelerator pedal unit consists of a passive pedal unit 1 , the fluid actuator 2 and the accelerator pedal 3 ,

Die passive Pedaleinheit 1 besteht aus zumindest einer, hier in der Figur redundant ausgeführten 2 Rückstellfedern, welche den Pedalarm in Richtung der Nullstellung des Pedals zurückstellen, sofern vom Fahrer keine Kraft auf das Pedal ausgeübt wird.The passive pedal unit 1 consists of at least one, here redundantly running in the figure 2 return springs, which reset the pedal arm in the direction of the zero position of the pedal, if the driver no force is exerted on the pedal.

Das Fahrpedal 3 besteht aus einer skizzenhaft angedeuteten Pedalplatte 31 und einem 1. Pedalarm 32, welcher an einer Drehachse 33 drehbar gelagert und fest verbunden mit einem 2. Pedalarm 34 ausgestaltet ist, wobei das Fahrpedal grundsätzlich auch mit nur einem Pedalarm, auf welchen dann die nachfolgend zu beschreibenden Einheiten wirken, und mit einer an dessen Ende angeordneten Drehachse ausgestaltet sein könnte. Die Formgebung dieser Pedaleinheit ist dabei primär an die Bauraum-Erfordernisse des jeweiligen Fahrzeugs anpassbar.The accelerator pedal 3 consists of a sketchy indicated pedal plate 31 and a 1st pedal arm 32 , which on a rotation axis 33 rotatably mounted and firmly connected to a 2nd Pedalarm 34 is configured, wherein the accelerator pedal could in principle also be configured with only one pedal arm, which then act on the units to be described below, and with an axis of rotation arranged at the end. The shape of this pedal unit is primarily adaptable to the space requirements of the respective vehicle.

Nachfolgend soll der Fluidaktor 2 selbst beschrieben werden, wobei dieser Fluidaktor eine selbstständig handelbare Einheit darstellt und nicht zwingend ausschließlich mit der gesamten Fahrpedaleinheit vertrieben und daher auch entsprechend separat beansprucht wird.The following is the fluid actuator 2 even described, this fluid actuator is an independently tradable unit and not necessarily sold exclusively with the entire accelerator pedal unit and therefore also claimed separately accordingly.

Der Fluidaktor 2 weist dabei üblicher Weise eine Fluidkammer mit einem in dieser Fluidkammer in Arbeitsrichtung beweglich angeordneten Trennkolben 23 auf. Dabei unterteilt der Trennkolben 23 die Fluidkammer in einen ersten Kammerbereich 21 und einen zweiten Kammerbereich 22. Zumindest bei einem Druck auf das Gaspedal 3 verschiebt sich über den Stößel 24 der Trennkolben 23 in die in der Figur skizzierte Arbeitsrichtung X und wird so das Fluid im 2. Kammerbereich 22 komprimiert.The fluid actuator 2 in this case usually has a fluid chamber with a separating piston movably arranged in this fluid chamber in the working direction 23 on. Here, the separating piston divided 23 the fluid chamber into a first chamber area 21 and a second chamber area 22 , At least with a pressure on the gas pedal 3 moves over the pestle 24 the separating piston 23 in the sketched in the figure working direction X and so is the fluid in the 2nd chamber area 22 compressed.

Durch eine Rückstellfeder 25, hier in der Kammer gezeigt, alternativ aber auch außerhalb am Stößel anordenbar, wird bei unbelastetem Pedal eine Rückführung in die Nullstellung des Pedals und damit entgegen der Arbeitsrichtung X bewirkt.By a return spring 25 , shown here in the chamber, but alternatively also outside the ram, a return to the zero position of the pedal and thus counter to the working direction X is effected at unloaded pedal.

Dabei sind die beiden Kammerbereiche (21,22) über einen Rückstromkanal 27 verbunden und bilden ein geschlossenes Fluidsystem, welches zudem passiv ist, d.h. ohne fremderzeugten Über- oder Unterdruck des Fluids und so auch insbesondere ohne zusätzliche Reservekammern oder dergleichen auskommt.In this case, the two chamber areas (21,22) via a return flow channel 27 connected and form a closed fluid system, which is also passive, ie manages without third-party positive or negative pressure of the fluid and thus in particular without additional reserve chambers or the like.

Erfindungsgemäß ist in diesem geschlossenen Fluidsystem ein veränderbares Drosselventil 26 zum Verändern der Durchflussmenge vorgesehen. Dieses Drosselventil ist hier auch, wie in der 1 gezeigt, direkt im Rückstromkanal 27 zwischen den beiden Kammerbereichen 21 und 22 der eigentlichen Arbeitskammer, also jener mit dem Trennkolben 23 angeordnet. Aus Stoßdämpfersystemen sind auch Trennkolben bekannt, welche eine Durchströmöffnung im Trennkolben selbst aufweisen, erscheint es aber sehr aufwändig, ein solches Ventil wiederum veränderbar auszugestalten.According to the invention, in this closed fluid system, a variable throttle valve 26 provided for changing the flow rate. This throttle valve is here too, as in the 1 shown, directly in the return flow channel 27 between the two chamber areas 21 and 22 the actual working chamber, ie the one with the separating piston 23 arranged. Shock absorber systems also disclosing pistons are known, which have a flow opening in the separating piston itself, but it seems very complicated to design such a valve in turn changeable.

Gerade aber bei einem in sich geschlossenen Fluidsystem ohne aktive Druckerzeugung und zusätzliche Reservekammern zum Zu- oder Abführen des Fluids ist durch ein Drosselventil direkt im Rückstromkanal 27 durch Verändern der Durchflussmenge ein unmittelbares haptisch wahrnehmbares Signal am Pedal erzeugbar.But just in a self-contained fluid system without active pressure generation and additional reserve chambers for supply or discharge of the fluid is through a throttle valve directly in the return flow channel 27 by changing the flow rate an immediate haptic perceptible signal on the pedal generated.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Drosselventil 26 als bistabiler Schalter zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand schaltbar ausgebildet. Der geöffnete Zustand stellt dabei dem Fluid und damit dem Pedal quasi keinen Widerstand entgegen. Wird das Drosselventil jedoch geschlossen, entsteht ein entsprechend harter Gegenanschlag.In a preferred embodiment, the throttle valve 26 designed as a bistable switch switchable between an open and a closed state. The open state provides virtually no resistance to the fluid and thus to the pedal. However, if the throttle valve is closed, a correspondingly hard counter-stop is created.

In einer solchen Ausgestaltung erweist es sich aber dann wiederum als besonders bevorzugt, wenn parallel zum Drosselventil 26 ein (hier in den Figuren nicht gezeigtes) Überdruckventil vorgesehen ist, welches bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet. Daher ist vorzugsweise gerade dafür neben einer denkbaren kurzen Zeitdauer des Zustands insbesondere auch dieses parallele Überdruckventil vorgesehen, welches bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet und so dimensioniert ist, dass am Pedal ein merkbarer Widerstand übertreten werden muss, um das Überdruckventil auszulösen - die vorgegebene Kraft zum Übertreten aber eben auch innerhalb der Vorgabewerte bleibt. So kann der Fahrer in einer Gefahrensituation trotz aktiviertem Aktor und damit geschlossenem Drosselventil 26 noch über das parallele Überdruckventil den Aktor für ihn erkennbar übersteuern, indem er eine Kraft oberhalb des Vorgabewerts erzeugt.In such an embodiment, however, it turns out to be particularly preferred when parallel to the throttle valve 26 a (not shown here in the figures) pressure relief valve is provided which opens when a predetermined pressure is exceeded. Therefore, in addition to a conceivable short period of time, this parallel pressure relief valve is preferably provided for this purpose, which opens when a predetermined pressure is exceeded and dimensioned so that a noticeable resistance must be exceeded on the pedal to trigger the pressure relief valve - the predetermined force for Trespassing but just within the default values remains. Thus, the driver in a dangerous situation despite activated actuator and thus closed throttle valve 26 still over the parallel pressure relief valve override the actuator for him recognizable by generating a force above the default value.

Die 2 skizziert nun noch den ungefähren Kraft-Weg-Verlauf einer beispielhaft vorgegebenen Pedalkennlinie mit einer Hysterese, bei welcher zusätzlich im Pedalwegverlauf über eine vorgegebene Zeit die Durchflussmenge am Drosselventil verändert und so am Pedal ein haptisch wahrnehmbares Signal erzeugt wird.The 2 now outlines the approximate force-displacement curve of an exemplary predetermined pedal characteristic with a hysteresis, in which additionally changed in the Pedalwegverlauf over a predetermined time, the flow rate at the throttle valve and the pedal a haptic perceptible signal is generated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (5)

Fluidaktor (2) zum Erzeugen eines haptisch wahrnehmbaren Signals an einem Gaspedal (3) eines Fahrzeugs, mit einer Fluidkammer (21,22) und einem in dieser Fluidkammer beweglich angeordneten Trennkolben (23), welcher die Fluidkammer in einen ersten Kammerbereich (21) und einen zweiten Kammerbereich (22) unterteilt und der Trennkolben (23) zumindest bei einem Druck auf das Gaspedal (31) in eine erste Arbeitsrichtung (X) verschiebt und zwischen ersten und zweiten Kammerbereich zudem ein Rückstromkanal (27) für das Fluid vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammerbereiche (21,22) und der Rückstromkanal (27) ein geschlossenes Fluidsystem bilden und ein veränderbares Drosselventil (26) zum Verändern der Durchflussmenge vorgesehen ist und der Fluidaktor eine Rückstellfeder (25) aufweist, welche den Trennkolben (23) entgegen der ersten Arbeitsrichtung (X) in eine Ruheposition drückt.Fluid actuator (2) for generating a haptic perceptible signal on an accelerator pedal (3) of a vehicle, comprising a fluid chamber (21,22) and a separating piston (23) arranged movably in said fluid chamber, which distributes the fluid chamber into a first chamber region (21) divides a second chamber portion (22) and the separating piston (23) at least at a pressure on the accelerator pedal (31) in a first working direction (X) moves, and also a return flow channel (27) is provided for the fluid between first and second chamber area, characterized characterized in that the two chamber regions (21, 22) and the return flow channel (27) form a closed fluid system and a variable throttle valve (26) is provided for varying the flow rate and the fluid actuator has a return spring (25) which separates the separating piston (23). against the first working direction (X) presses in a rest position. Fluidaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidsystem passiv, d.h. ohne fremderzeugten Über- oder Unterdruck des Fluids ist.Fluid actuator after Claim 1 , characterized in that the fluid system is passive, ie without external positive or negative pressure of the fluid. Fluidaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass. das Drosselventil (26) als zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand schaltbar ausgebildet ist.Fluid actuator after Claim 1 or 2 , characterized in that. The throttle valve (26) is designed as switchable between an open and a closed state. Fluidaktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Drosselventil (26) ein Überdruckventil vorgesehen ist, welches bei Überschreiten eines vorgegebenen Drucks öffnet.Fluid actuator according to one of the preceding claims, characterized in that parallel to the throttle valve (26), a pressure relief valve is provided, which opens when a predetermined pressure is exceeded. Verfahren zum Betrieb eines Fluidaktors nach einem der vorangehenden Ansprüche, indem zum Erzeugen des haptisch wahrnehmbaren Signals die Durchflussmenge am Drosselventil über eine vorgegebene Zeit verändert wird.A method of operating a fluid actuator according to any one of the preceding claims, wherein the flow rate at the throttle valve over a predetermined time is changed to produce the haptic perceptible signal.
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