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Die Erfindung betrifft ein Fußhebelwerk für ein Fahrzeug mit Merkmalen des Oberbegriffes des geltenden Anspruchs 1.
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Bei der Betätigung von Bremspedalen in Kraftfahrzeugen wird bei herkömmlichen Bremssystemen durch einen hydraulischen Druck in einem Bremsgerät eine Pedalgegenkraft erzeugt, weil aufgrund einer kraftübertragenen Verbindung zwischen dem Bremspedal und dem Bremsgerät der Druck an das Bremspedal weitergegeben wird. Bei modernen Brake-by-Wire Bremssystemen ist diese Verbindung aufgebrochen, woraus sich der Vorteil ergibt, dass das Pedalwerk und das Bremsgerät räumlich voneinander trennbar und somit unabhängig voneinander positionierbar sind. Neben der Lösung von Bauraumproblemen ergibt sich somit auch die Möglichkeit zur Kosten- und Gewichtsreduzierung.
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1 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm eines herkömmlichen Bremssystems mit einer hydraulischen und kraftübertragenen Verbindung zwischen dem Bremspedal und dem Bremsgerät. Die strichlinierte Pedalkennlinie K1 zeigt die Pedalkraft in Abhängigkeit des Pedalwegs. Die Steigung der Pedalkennlinie K1 nimmt mit steigendem Pedalweg monoton zu. Das Verhalten liefert eine charakteristische Haptik, die dem Fahrer einen gefühlvollen und situationsabhängigen Bremsvorgang ermöglicht.
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Um bei Brake-by-Wire Bremssystemen eine zumindest vergleichbare Haptik zu erzeugen, sind Bremspedale bekannt, die gegen die Kraft eines Druckfederpaketes mit mehreren Druckfedern verschwenkbar ist, wobei die Druckfedern sukzessiv bei unterschiedlichen Drehwinkeln des Bremspedals aktiviert werden. Die durchgezogene Pedalkennlinie K2 in 1 zeigt beispielsweise die Pedalkraft in Abhängigkeit des Pedalweges für ein Druckfederpaket mit drei Druckfedern. Im Bereich des Pedalwegs von 0 bis 45 mm ist nur eine Druckfeder aktiv und die Pedalkraft ist dem Hookeschen Gesetz folgend linear von dem Pedalweg abhängig. Zwischen einem Pedalweg von 45 mm bis 75 mm wird eine zweite Druckfeder des Druckfederpaketes aktiviert, so dass die Pedalkraft in Abhängigkeit des Pedalwegs zwar schneller, gleichwohl aber ebenfalls linear einsteigt. Ab einem Pedalweg von 75 mm wird eine dritte Druckfeder des Druckfederpakets aktiviert, weshalb die Pedalkraft nochmals schneller mit steigendem Pedalweg zunimmt. Die einzelnen Abschnitte der Pedalkennlinie K2 verlaufen jeweils linear, so dass der Verlauf der gewünschten Pedalkennlinie allenfalls näherungsweise durch eine geschickte Auswahl von Druckfedern angenähert werden kann.
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Ferner offenbart
DE 10 2012 213 665 A1 ein Betätigungspedal für ein Kraftfahrzeug in Form eines Kupplungspedals oder Fußpedals für eine Feststellbremse, wobei das Betätigungspedal einen Pedalkörper mit einem aus einem endlos faserverstärktem Kunststoff hergestellten Profilträger, eine Lagereinrichtung zur schwenkbaren Lagerung des Betätigungspedals und eine Betätigungstrittfläche umfasst, wobei die Lagereinrichtung und die Betätigungstrittfläche aus Kunststoff hergestellt sind. Der Profilträger ist an seiner Unterseite mit einer Anbindung für einen Kniehebel versehen, welcher mit einer Feder eines so in dem Betätigungspedal integrierten Force-Simulators zusammenwirkt. Der Kniehebel, welcher aus zwei an einem Gelenk zusammengeführten einzelnen Gelenkhebeln gebildet ist, von denen einer drehbar an dem Profilträger und der andere axial verschiebbar an dem Lagerbock fixiert ist, stützt sich über die Feder an dem Lagerbock ab. An dem freien Ende des verschiebbar angeordneten Gelenkhebels ist ein Nocken ausgebildet, welcher in einer Führungsbahn eines Führungselementes geführt ist. Durch die Führung des an dem Gelenkhebel ausgebildeten Nockens in der Führungsbahn einerseits und die den Umlenkhebel abstützenden Feder andererseits ist eine spezielle Hebelkinematik ausgebildet, welcher eine weitgehend freie Gestaltung der Kraft-Weg-Kurve und mithin der Pedalkennlinie des Betätigungspedals ermöglicht. Diese Lösung ist allerdings mechanisch aufwendig und nachträglich nicht mehr individuell einstellbar.
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Aus der US 2002 / 0 108 463 A1 ist ein Fußhebelwerk für ein Fahrzeug mit einem Fußhebel bekannt, wobei eine Widerstandsvorrichtung zur variablen Einstellung eines Widerstands vorgesehen ist und die Widerstandsvorrichtung in einem Zylinder mit einem Zylinderrohr und einem Kolben aufgenommen ist. Die Widerstandsvorrichtung weist eine elektrische Spule auf, wobei die elektrische Spule in dem Kolben angeordnet ist.
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Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fußhebelwerk zu schaffen, das einfach aufgebaut ist und eine variable und individuelle Vorgabe der Pedalkennlinie erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch das Fußhebelwerk nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist eine Widerstandsvorrichtung vorgesehen, die zur variablen Einstellung des Widerstandes ausgebildet ist, der bei einer Betätigung des Fußhebels einer Schwenkbewegung des Fußhebels entgegenwirkt, wobei die Widerstandsvorrichtung in einem Hubzylinder mit einem Zylinderrohr und einer Kolbenstange aufgenommen ist, wobei der Hubzylinder an einem ersten Ende schwenkbeweglich mit einem zweiten Lager und am zweiten Ende schwenkbeweglich mit dem Fußhebel verbunden ist.
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Durch das Rückstellelement wird eine Pedalgegenkraft erzeugt, die einer Betätigung des Fußhebels entgegenwirkt, so dass der Fußhebel im unbelasteten Zustand in seine Ruhelage verschwenkt und dort gehalten wird. Die durch das Rückstellelement erzeugte Pedalgegenkraft ist linear von dem Pedalweg abhängig. Die Widerstandsvorrichtung erzeugt einen variablen Widerstand, der sich während der Betätigung des Fußhebels mit der Pedalgegenkraft überlagert, so dass in Summe eine beliebige und mithin individuelle Pedalkennlinie vorgegeben oder eingestellt werden kann. Die Anordnung der Widerstandsvorrichtung innerhalb eines Hubzylinders erlaubt eine einfache und kostenschonende Montage der Widerstandsvorrichtung, die hierdurch auch leicht zu warten ist. Ein derartiges Fußhebelwerk ist für Brake-by-Wire Bremssystem geeignet und liefert dennoch beim Bremsen eine herkömmliche und vertraute Haptik, was einen gefühlvollen und situationsangepassten Bremsvorgang begünstigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen und im Folgenden beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Widerstandsvorrichtung eine elektrische Spule aufweist, die im Zylinderrohr gelagert ist und koaxial von der Kolbenstange durchgriffen wird, wobei zwischen der Kolbenstange und der Spule zumindest abschnittsweise ein Spalt ausgebildet ist, der mit einer magnetorheologischen Substanz gefüllt ist, deren Viskosität (Zähflüssigkeit) durch die Einstellung eines elektrischen Stroms einstellbar ist, der durch die Spule fließt und hierin ein stromstärkeabhängiges Magnetfeld erzeugt. Die magnetorheologischen Substanz ist vorzugsweise eine magnetorheologische Flüssigkeit oder ein magnetorheologisches Pulver. Eine magnetorheologische Flüssigkeit ist eine Dispersion aus magnetisch polarisierbaren Partikeln, die typischerweise einen Durchmesser von 0,1 µm bis 10 µm aufweisen, und einer Trägerflüssigkeit, wie beispielsweise einem Öl, wobei sich Mineralöl oder synthetisches Öl als vorteilhaft herausgestellt haben. Der Anteil der Feststoffpartikel beträgt vorzugsweise 20 bis 40 vol.-%. Beim Anlegen eines Magnetfeldes bilden sich aus den magnetisch polarisierbaren Partikeln Ketten, die sich an den Feldlinien des äußeren Magnetfeldes orientieren. Durch die Ausrichtung der Partikel wird die Suspension mit steigender magnetischer Feldstärke zähflüssiger und die Viskosität nimmt zu. In vergleichbarer Weise verhält sich das magnetorheologische Pulver. Bei einer Betätigung des Fußhebels taucht die Kolbenstange in das Zylinderrohr ein und die Kolbenstange bewegt sich relativ zu der magnetorheologischen Substanz, wobei die Oberfläche der Kolbenstange an der magnetorheologischen Substanz gleitet. Durch diese Relativbewegung wird eine Scherkraft erzeugt, die den Widerstand bildet und die von der Viskosität der magnetorheologischen Substanz abhängig ist. Je höher die Viskosität ist, desto größer ist die bei einer Betätigung des Fußhebels zu überwindende Scherkraft und somit der Widerstand. Der Fußhebel lässt sich zumindest in Betätigungsrichtung nur bewegen, wenn die Pedalgegenkraft und die Scherkraft überwunden werden, weshalb die gewünschte Pedalkennlinie durch die Einstellung des Stroms vorgegeben werden kann, der durch die Spule der Widerstandsvorrichtung fließt und dort ein stromstärkeabhängiges Magnetfeld erzeugt. Eine solche Widerstandsvorrichtung ist vorteilhafterweise verschleißfrei und geräuschlos.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hubzylinder derart am Fußhebelwerk angeordnet ist, dass das Zylinderrohr unmittelbar mit dem zweiten Lager und die Kolbenstange unmittelbar mit dem Fußhebel verbunden ist. Die Spule ist dabei vorzugsweise an dem Ende des Zylinderrohrs angeordnet, das dem zweiten Lager abgewandt ist. Dadurch, dass das Zylinderrohr vorzugsweise unmittelbar mit dem zweiten Lager verbunden ist, ergibt sich hierdurch eine gegenüber dem zweiten Lager äquidistante Lagerung der Spule, was die Montage einer stromleitenden Verkabelung zur Spule vereinfacht. Auch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch verändert sich der Abstand zwischen der Spule und dem zweiten Lager nicht, weshalb die Verkabelung - von einer möglichen Schwenkbewegung abgesehen - ortsstabil positioniert bleibt.
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Vorzugsweise ist ein Drehwinkelsensor vorgesehen, der zur Registrierung des momentanen Drehwinkels und/oder der momentanen Drehwinkelgeschwindigkeit des Fußhebels gegenüber seiner Ruhelage ausgebildet ist. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Fußhebelwerk eine Steuereinheit aufweist, die die Spule mit einem Gleichstrom beaufschlagt, dessen Stromstärke von dem momentanen Drehwinkel und/oder der momentanen Drehwinkelgeschwindigkeit des Fußhebels gegenüber seiner Ruhelage abhängig ist. Im Rahmen einer ersten Umsetzung des Fußhebelwerkes ist vorgesehen, dass die Stromstärke, mit der die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes beaufschlagt wird, ausschließlich von dem momentanen Drehwinkel des Fußhebels gegenüber seiner Ruhelage abhängig ist. Das führt allerdings dazu, dass das Rückstellelement beim Zurückstellen des Fußhebels in seine Ruhelage den lageabhängigen Widerstand überwinden muss, was einer widerstandsfreien und schnellstmöglichen Rückstellung des Fußhebels entgegensteht. Von daher wird vorzugsweise auch die momentane Drehwinkelgeschwindigkeit in Bezug auf die Ruhelage des Fußhebels bestimmt oder registriert und die Stromstärke in Abhängigkeit hiervon eingestellt. Beim Zurückstellen des Fußhebels ergibt sich eine negative Drehwinkelgeschwindigkeit gegenüber der Ruhelage und es ist vorgebbar, dass der Spulenstrom verschwindet oder zumindest auf ein Minimum reduziert wird, sobald eine negative Drehwinkelgeschwindigkeit gegenüber der Ruhelage registriert wird, was eine schnellstmögliche Rückstellung des Fußhebels erlaubt, weil in diesem Fall das Magnetfeld verschwindet, die magnetorheologische Substanz seine geringstmögliche Viskosität annimmt und sich ein minimaler Widerstand ergibt. Sobald der Fußhebel wieder in die Betätigungsrichtung verschwenkt wird, wird in Bezug auf die Ruhelage des Fußhebels eine positive momentane Drehwinkelgeschwindigkeit registriert, was mit einem positionsabhängigen Strom verknüpft ist, mit der die Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes beaufschlagt wird.
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Der Spalt, der zwischen der Kolbenstange und der Spule ausgebildet ist und der die magnetorheologische Substanz aufnimmt, weist vorzugsweise eine Spaltbreite von 0,3 mm ± 0,1 mm und/oder eine Spaltlänge von 90 mm ± 20 mm auf.
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Der Spalt ist in axialer Richtung vorzugsweise durch Dichtelemente abgedichtet, so dass die magnetorheologische Substanz nicht aus dem Spalt heraustreten kann. Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Zylinderrohr einen Außendurchmesser von 55 mm ± 10 mm und die Kolbenstange einen Außendurchmesser von 20 mm ± 5 mm aufweist, wobei der Kolbenweg vorzugsweise 70 mm ± 10 mm beträgt.
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Schließlich ist im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass das Rückstellelement als Druckfeder ausgebildet ist, die vorzugsweise innerhalb des Zylinderrohrs angeordnet ist und eine Vorspannung zwischen dem Zylinderrohr und der Kolbenstange erzeugt. Alternativ kann das Rückstellelement auch als Torsionsfeder ausgestaltet sein, die vorzugsweise in dem ersten Lager angeordnet ist, an dem der Fußhebel schwenkbeweglich gelagert ist.
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Eine konkrete Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fußhebelwerks wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Kraft-Weg-Diagramm mit zwei Pedalkennlinien,
- 2 eine Seitenansicht eines Fußhebelwerkes und
- 3 eine Detailansicht einer Widerstandsvorrichtung.
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2 zeigt die Seitenansicht einer konkreten Ausführungsform eines Fußhebelwerks 1 für ein (nicht gezeigtes) Fahrzeug mit einem Fußhebel 2, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ein stehendes Bremspedal ist. Der Fußhebel 2 besitzt eine Trittfläche 3 und ist um eine Fußhebelachse 4 schwenkbar an einem ersten Lager 5 gelagert, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Pedallagerbock ausgebildet ist. Der Fußhebel 2 ist gegen die Kraft eines Rückstellelementes 6 verschwenkbar, das als Druckfeder ausgebildet ist und in einem Zylinderrohr 7 eines Hubzylinders 8 gelagert ist. Der Hubzylinder 8 besitzt eine Kolbenstange 9, die in das Zylinderrohr 7 eintaucht. Das Zylinderrohr 7 ist schwenkbeweglich an einem zweiten Lager 10 gelagert, das an einem Lagerbockgehäuse 11 befestigt ist. Die Kolbenstange 9 des Hubzylinders 8 ist schwenkbeweglich am oberen Ende des Fußhebels 2 fixiert. Das erste und zweite Lager 4, 10 sind derart positioniert und voneinander beabstandet, dass eine Verschwenkung des Fußhebels 2 in Betätigungsrichtung 12 eine Kontraktion des Hubzylinders 8 bewirkt.
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Der Hubzylinder 8 nimmt eine Widerstandsvorrichtung 13 auf, die einen variablen Widerstand erzeugt, der einer Betätigung des Fußhebels 2 in Betätigungsrichtung 12 entgegenwirkt und von dem Drehwinkel α und/oder der Drehwinkelgeschwindigkeit α̇ des Fußhebels 2 relativ zu seiner Ruhelage abhängt.
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3 zeigt eine Detailansicht der Widerstandsvorrichtung 13, die innerhalb des Zylinderrohres 7 und dort am oberen Ende angeordnet ist, das dem zweiten Lager abgewandt ist. Die Widerstandsvorrichtung 13 besitzt eine Spule 14 mit Steckkontakten 151, 152 für eine Steuereinrichtung 23 und ist ausgebildet, um ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Magnetfeldstärke zumindest mittelbar von dem Drehwinkel α und/oder der Drehwinkelgeschwindigkeit α̇ des Fußhebels 2 in Bezug auf seine Ruhelage abhängig ist. Die Spule 14 ist in einer Matrix 19 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material eingebettet. Zwischen der Spule 14 und der Kolbenstange 9 befindet sich ein Spalt 16, der die Kolbenstange 9 zumindest bereichsweise umgreift und der eine magnetorheologische Substanz 17 aufnimmt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel eine magnetorheologische Flüssigkeit ist. Durch die Einstellung eines Gleichstroms, der durch die Spule 14 fließt, wird ein stromstärkeabhängiges Magnetfeld erzeugt, durch das die magnetisch polarisierbaren Partikel der magnetorheologischen Substanz 17 ausgerichtet werden und wodurch die Viskosität der magnetorheologischen Substanz 17 steigt. Hierdurch vergrößert sich die Scherkraft, die bei einer längsaxialen Bewegung der Kolbenstange 9 in Pfeilrichtung 18 überwunden werden muss, wodurch sich der variable und vorgebbare Widerstand ergibt. Der Spalt 16 ist in längsaxialer Richtung beidseitig durch ringförmige Dichtelemente 20, 20' abgedichtet.
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Zur Einstellung des elektrischen Stroms, der durch die Spule 14 der Widerstandsvorrichtung 13 fließt, besitzt das Fußhebelwerk 1 die Steuereinrichtung 23, die mit einem Drehwinkelsensor 21, den Steckkontakten 151, 152 der Spule 14 und dem Bordnetz 22 verbunden ist. Durch die zeitabhängig erfassbare Position des Fußhebels 2 in Bezug auf seine Ruhelage lässt sich sein momentaner Drehwinkel α und/oder seine momentane Drehwinkelgeschwindigkeit α̇ in Bezug auf die Ruhelage erfassen und durch die Steuereinrichtung 23 wird die Spule 14 mit einem hiervon abhängiger Strom beaufschlagt. Wird hierbei eine negative Drehwinkelgeschwindigkeit α registriert, was beim Loslassen des Fußhebels 2 und mithin beim Zurückstellen des Fußhebels 2 entgegen der Betätigungsrichtung 12 erfolgt, wird die Spule 14 nicht mit einem Strom beaufschlagt und das Magnetfeld verschwindet, so dass einem Zurückstellen des Fußhebels 2 durch das Rückstellelement 6 kein Widerstand durch die Widerstandsvorrichtung 13 entgegenwirkt.
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Bezugszeichen
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- 1
- Fußhebelwerk
- 2
- Fußhebel
- 3
- Trittfläche
- 4
- Fußhebelachse
- 5
- erstes Lager
- 6
- Rückstellelement
- 7
- Zylinderrohr
- 8
- Hubzylinder
- 9
- Kolbenstange
- 10
- zweites Lager
- 11
- Lagerbockgehäuse
- 12
- Betätigungsrichtung
- 13
- Widerstandsvorrichtung
- 14
- Spule
- 151
- Steckkontakt
- 152
- Steckkontakt
- 16
- Spalt
- 17
- magnetorheologische Substanz
- 18
- Pfeilrichtung
- 19
- Matrix
- 20, 20'
- Dichtelement
- 21
- Drehwinkelsensor
- 22
- Bordnetz
- 23
- Steuereinrichtung
- α
- Drehwinkel
- α
- Drehwinkelgeschwindigkeit
- K1
- Pedalkennlinie
- K2
- Pedalkennlinie
