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Die Erfindung betrifft ein Steuerorgan
zur Betätigung
durch den Fahrer eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Fahrpedal,
dessen Steuer-Wert elektronisch erfasst und auf elektronischem Weg
an ein zugehöriges
Stellglied weitergeleitet wird, wobei neben einem ersten am Steuerorgan
angreifenden Kraftspeicherelement zum Aufbringen einer Rückstellkraft
ein Kraftrückkopplungsorgan
vorgesehen ist, das unter Zwischenschaltung eines geeigneten Getriebes
mittels eines ansteuerbaren Aktuators eine zusätzliche, nur in Rückstellrichtung
wirkende und dabei einstellbare Rückstellkraft auf das Steuerorgan ausübt. Ein
solches Steuerorgan bzw. elektromechanisch angetriebenes schwenkbares
Pedal ist aus der
DE
199 16 434 A1 bekannt.
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Aus verschiedenen Gründen kann
es erwrünscht
sein, einem Fahrer über
ein von ihm betätigtes
Steuerorgan, bspw. einem Fahrpedal, mit dem er seinen Geschwindigkeits-
oder Beschleunigungswunsch vorgibt, eine variable bzw. einstellbare
Gegenkraft oder Rückstellkraft
zu vermitteln. Diese Gegenkraft oder Rückstellkraft trachtet danach,
den Fahrer zu veranlassen, das Fahrpedal oder Stellorgan entgegen
seiner Betätigungskraft
bzw. entgegen seiner ausgeübten
Betätigungsrichtung
in eine Steuerorgan-Sollposition zu bewegen oder in dieser zu halten
bzw. in Richtung einer Steuerorgan-Ruheposition zurückzubewegen. Die deutschen
Offenlegungsschriften
26 30 071 oder
29 24 391 oder
42 16 764 zeigen hierfür Beispiele
in Form von Vorrichtungen zum Begrenzen oder Absenken der Fahrgeschwindigkeit
von Kraftfahrzeugen, wobei diese sog. Force-Feedback-Pedale, zu
denen auch die vorliegende Erfindung gehört, nicht direkt als Vorrichtung zur
Geschwindigkeitsbegrenzung des Fahrzeugs wirken sollten bzw. können, sondern
lediglich dem Fahrer des Fzg.'s über eine
spürbare
definierte Gegenkraft eine entsprechende haptische Information übermitteln
sollen.
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Die technische Fortentwicklung geht
in Richtung des sog. „drive-by-wire", wobei der vom Fahrer mittels
des Steuerorgans vorgegebene Wunsch auf elektronischem Wege an ein
zugehöriges
Stellglied weitergeleitet wird, das dann diesen Wunsch entweder
im wesentlichen unverändert
oder durch eine zwischengeschaltete elektronische Steuereinheit
geeignet geregelt umsetzt. Die eingangs genannte
DE 199 16 434 A1 zeigt
und beschreibt ein solchermaßen
gestaltetes Pedal zum Auslösen
und Übertragen
von Steuerbewegungen an Komponenten eines Kraftfahrzeugs. Vorgesehen
ist dabei ein Elektromotor mit daran angekoppeltem mechanischen
Getriebe zur Einwirkung auf das Pedal in Form einer über den Elektromotor
variabel einstellbaren Rückstellkraft. Dabei
ist eine mechanische Verbindung zwischen dem genannten Getriebe
und dem Pedal so ausgebildet, dass eine vom Elektromotor erzeugte
Kraft nur in der Rückstellrichtung
des Pedals ausgeübt
wird. Ferner ist ein Federelement bzw. allgemein ein Energie speicherndes
Rückstellelement
vorgesehen, welches das Pedal ohne Einwirkung des Elektromotors aus
einer ausgelenkten Lage in seine Ausgangslage zurückstellt
und somit bei einem Ausfall des Elektromotors oder dgl. einen fortgesetzten
Betrieb ermöglicht.
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Hiermit soll nun aufgezeigt werden,
wie auf einfache Weise die Ausfallsicherheit eines Systems mit einem
Steuerorgan nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weiter gesteigert
werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung), wobei noch ausdrücklich darauf
hingewiesen sei, dass sich die vorliegende Erfindung auf ein beliebiges
Steuerorgan in einem Kraftfahrzeug bezieht und somit keinesfalls auf
ein Pedal bzw. Fahrpedal beschränkt
ist. Beispielsweise kann auch ein Bremspedal oder ein geeignetes
Bedienelement zum Betätigen
der Fahrzeug-Lenkung entsprechend gestaltet sein. Auch muss ein
Mittel zum Erzeugen der einstellbaren Rückstellkraft im sog. Kraftrückkopplungsorgan
nicht zwangsweise als Elektromotor (wie im bekannten Stand der Technik)
ausgebildet sein, weshalb hierfür der
allgemeine Begriff eines „Aktuators" verwendet wird.
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Die Lösung der genannten Aufgabe
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftrückkopplungsorgan ein zweites
Kraftspeicherelement enthält,
das auf rein mechanischem Weg eine Rückstellkraft auf das Steuerorgan
ausübt.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind im abhängigen Anspruch
aufgelistet.
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Erfindungsgemäß sind (in einer bevorzugten Ausführungsform)
zwei Rückstellfedern
bzw. allgemein zwei Kraftspeicherelemente vorgesehen, von denen
eine bzw. ein (erste(s)) am Fahrpedal bzw. Steuerorgan mehr oder
weniger direkt angreift, während
die zweite Rückstellfeder
oder dgl., d.h. allgemein das zweite Kraftspeicherelement im sog.
Kraftrückkopplungsorgan
vorgesehen ist. Sollte sowohl dieses Kraftrückkopplungsorgan bzw. dessen
sog. Aktuator als auch die erste Rückstellfeder bzw. das erste
eine Rückstellkraft
auf das Stellorgan ausübende
Kraftspeicherelement (bspw. durch Federbruch) ausfallen, so ist
immer noch die zweite Rückstellfeder (bzw.
allg. das zweite Kraftspeicherelement) vorhanden, das auf mechanischem
Wege und somit äußerst sicher
und zuverlässig
eine Rückstellkraft
(bzw. ein Rückstellmoment)
auf das Steuerorgan ausübt.
Es liegt somit eine mehrfache Redundanz vor.
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Bevorzugt befindet sich der Aktuator
im ständigen
Eingriff mit dem Stellorgan, d.h. auch im Falle einer normalen, üblichen
Betätigung,
wobei der Aktuator bzw. allgemein das Kraftrückkopllungsorgan so ausgelegt
ist, dass in diesem „Normal-Betrieb" keine unerwünschten
Rückwirkungen
auf das Betätigungsverhalten
bezüglich
des Stellorgans stattfinden. In diesem Sinne liegt eine besonders
vorteilhafte Weiterbildung vor, wenn die vom erfindungsgemäßen zweiten
Kraftspeicherelement auf das Steuerorgan ausgeübte Kraftwirkung gezielt aufgehoben
oder zumindest teilweise reduziert werden kann, und zwar insbesondere
durch geeignete Aktuator-Betätigung.
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Die weitere Erläuterung erfolgt anhand der beigefügten Prinzipskizze,
in der (stark abstrahiert) ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
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Mit der Bezugsziffer 1 ist
ein um einen Drehpunkt S unter Einwirkung einer vom Fahrer des Kraftfahrzeugs
aufgebrachten Pedalkraft FP verschwenkbares
Fahrpedal bzw. (allg.) Steuerorgan bezeichnet. Zusammen mit diesem
Steuerorgan 1 ist eine sog. Sensor-Welle 2 eines
(nicht dargestellten) elektrisch/elektronischen Sensors um den Punkt
S verdrehbar, mit Hilfe dessen die Verschwenkbewegung des Fahrpedals 1 sensiert
bzw. elektronisch erfasst werden kann, so dass der vom Fahrer über das
Fahrpedal 1 vorgegebene Wunsch auf elektronischem Wege
an eine (ebenfalls nicht dargestellte) elektronische Steuereinheit
weitergeleitet werden kann. In dieser kann das Sensorsignal geeignet überarbeitet werden
und dann geeignet gewandelt oder im wesentlichen unverändert an
ein zugehöriges
Stellglied weitergeleitet werden, bei welchem es sich bspw. um das
die Leistungsabgabe bestimmende Stellglied einer das Kraftfahrzeug
antreibenden Brennkraftmaschine handeln kann.
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Wie hier dargestellt greift an der
Sensor-Welle 2 ein erstes Kraftspeicherelement 3 in
Form einer Rückzugfeder
(auch hierfür
wird im weiteren die Bezugsziffer 3 verwendet) an, die
bewirkt, dass das Steuerorgan 1 in seine Ruhelage zurückbewegt
wird, falls seitens des Fahrers keine Betätigungskraft bzw. Pedalkraft
FP auf das Fahrpedal 1 ausgeübt wird.
Die hier über
die Sensor-Welle 2 seitens des ersten Kraftspeicherelements 3 auf
das Steuerorgan 1 einwirkende Kraft ist der Kraft FP somit entgegengerichtet.
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Vorgesehen ist ein in seiner Gesamtheit
mit der Bezugsziffer 4 bezeichnetes Kraftrückkopplungsorgan,
mit Hilfe dessen auf das Steuerorgan 1 variabel und somit
gezielt einstellbar eine Rückstellkraft aufgebracht
werden kann, und zwar zusätzlich
(und somit gleichgerichtet) zu der durch die Rückzugfeder 3 aufgebrachten
Rückstellkraft.
Diese vom Kraftrückkopplungsorgan 4 aufbringbare
Rückstellkraft
soll dabei im Bedarfsfall einerseits signifikant wahrnehmbar sein,
andererseits jedoch jederzeit vom Fahrer „übertreten" werden können, d.h. dem Fahrer des Fahrzeugs
soll stets die Möglichkeit
gegeben sein, das Steuerorgan 1 bzw. das Fahrpedal 1 wie
von ihm gewünscht
zu betätigen,
und zwar unabhängig
von einer ggf. seitens des Kraftrückkopplungsorgans zusätzlich angelegten
Rückstellkraft. Über diese
genannte zusätzliche
Rückstellkraft
soll dem Fahrer lediglich eine entsprechende haptische, d.h. spürbare Rückmeldung
gegeben werden.
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Das besagte Kraftrückkopplungsorgan 4 besteht
im wesentlichen aus einem geeigneten Aktuator 4a sowie
einem diesem nachgeschalteten Getriebe 4b, das die vom
Aktuator 4a bereitgestellte Kraft oder ein vom Aktuator 4a bereitgestelltes
Moment MP
* auf die
Sensor-Welle 2 überträgt, das
dem dort durch die Pedalkraft FP mit dem
Hebelarm IP erzeugten Moment insbesondere
entgegengerichtet ist, daneben aber auch diesem Pedalkraft-Moment
gleichgerichtet sein kann. Somit kann durch den Aktuator 4a,
der bspw. als Elektromotor ausgebildet sein kann, die Höhe der für ein Verdrehen
der Sensor-Welle 2 bzw. ein Verschwenken des Fahrpedals 1 erforderliche
Pedalkraft FP in gewissen Grenzen festgelegt bzw.
gezielt eingestellt werden. In der beigefügten Figur ist dabei in der
den Aktuator 4a darstellenden, um ihren Mittelpunkt M drehbare
Scheibe ferner noch das mögliche
Aktutor- Moment MM eingetragen, das grundsätzlich in beiden Drehrichtungen
wirken kann, worauf an späterer
Stelle noch näher
eingegangen wird.
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Als Getriebe 4b, das das
vom Aktuator 4a erzeugte bzw. gezielt einstellbare Moment
MP
* auf die Sensor-Welle 2 überträgt, ist
hier ein Zugmittel-Getriebe in Form eines Stahlseiles oder Stahlbandes vorgesehen.
Dieses Stahlseil oder Stahlband bzw. Zugmittel des Getriebes 4b ist
wie ersichtlich über eine – prinzipiell
dargestellte – Überlastsicherung 5 geführt. Dieses
bspw. (wie in der Figur gezeigt) im Kraftrückkopplungsorgan 4 vorgesehene Überlastsicherungselement 5 begrenzt
durch geeignete Gestaltung – hier
als nachgiebig unter Federkrafteinwirkung ausgelenkte Umlenkrolle – das zwischen
dem Aktuator 4a und letztlich dem Steuerorgan 1 übertragene
Moment bzw. die übertragene
Kraft betragsmäßig. Alternativ
zur Darstellung in der beigefügten
Figur kann ein geeignet gestaltetes (bspw. mit dem Übertotpunkteffekt
arbeitendes) Überlastsicherungselement
praktisch funktionsgleich auch am Aktuator 4a oder an anderer
Stelle des Kraftrückkopplungsorgans 4,
das sich im übrigen
bis zum Steuerorgan 1 hin erstreckt, vorgesehen sein
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Wie figürlich dargestellt greift auch
am Aktuator 4a (bzw. an der mit dem Aktuator 4a drehfest verbundenen,
um den Mittelpunkt M drehbaren Scheibe 4a) eine Rückzugfeder 6 an,
bei welcher es sich also um ein zweites Kraftspeicherelement, für welches
ebenfalls die Bezugsziffer 6 verwendet wird, handelt, das über das
Getriebe 4b letztlich auf das Steuerorgan 1 eine
Rückstellkraft
aufbringen kann, die insbesondere der Betätigungskraft oder Pedalkraft
FP entgegengerichtet ist. Neben dem ersten
entweder wie hier an der Sensor-Welle 2 oder direkt am Steuerorgan 1 angreifenden
und dabei eine Rückstellkraft
ausübenden
Kraftspeicherelement 3 in Form der Rückzugfeder 3 ist somit
im Kraftrückkopplungsorgan 4 ein
zweites Kraftspeicherelement 6 bzw. eine zweite Rückzugfeder 6 vorgesehen, das/die
aus Redundanzgründen
die gleiche Funktion besitzt.
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Bereits erwähnt wurde, dass der Aktuator 4a bzw.
das Kraftrückkopplungsorgan 4 praktisch
nur in Rückstellrichtung
des Steuerorgans 1 eine entsprechende Rückstell-Kraft oder ein Rückstell-Moment auf
dieses ausüben
kann, was bspw. durch einen geeigneten Freilauf oder einen Mitnehmen
(nicht dargestellt) insbesondere im Getriebe 4b des Kraftrückkopplungsorgans 4 umgesetzt
sein kann. Hingegen kann der Aktuator 4a selbst, so wie
dies durch den Doppelpfeil MM dargestellt
ist, in beiden Richtungen drehen. Dies ermöglicht es, dass durch den Aktuator 4a (bzw.
allg. durch das Rückkopplungsorgan 4)
die Kraft der zweiten Rückzugfeder 6 bezüglich des Steuerorgans 1 aufgehoben
oder zumindest teilweise herabgesetzt werden kann, so dass sich
die auf das Steuerorgan 1 wirkende Rückstellkraft nicht zwangsläufig aus
der Summe der Kräfte-Beträge des ersten
Kraftspeicherelementes 3 und des zweiten Kraftspeicherelementes 6 und
des durch den entsprechenden Hebelarm dividierten Drehmoments des
Aktuators 4a ergibt. Vielmehr kann bedarfsweise oder wie
gewünscht
die Kraft des zweiten Kraftspeicherelements 6 bzw. der
zweiten Rückzugfeder 6 durch
ein entsprechendes vom Aktuator 4a angelegtes Drehmoment
verringert oder vollständig
zu Null gesetzt werden, so dass sich den jeweiligen Anforderungen
entsprechend ein nahezu beliebiger Kraft-Weg-Kennlinien-Verlauf
bezüglich
des Steuerorgans 1 einstellen lässt. Aus Sicherheitsgründen sollte
jedoch darauf geachtet werden, dass der Aktuator 4a bzw.
das Kraftrückkopplungsorgan 4 keinesfalls
eine höhere
und dabei der Kraft der beiden Kraftspeicherelemente 3 und 6 entgegegerichtete
Kraft in das beschriebene System einleiten kann als die jeweils
vom zweiten Kraftspeicherelement 6 selbst erzeugte Rückstellkraft
ist. Maximal kann also der Aktuator 4a die Wirkung der
zweiten Rückzugfeder 6 bzw.
des zweiten Kraftspeicherelements aufheben.
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Da im übrigen der Aktuator 4a in
Betätigungsrichtung
des Fahrpedals 1 bzw. Steuerorgans 1 aufgrund
des genannten Freilaufs oder dgl. keine mit der Pedalkraft FP gleichgerichtete Kraft aufbringen bzw.
an das Steuerorgan 1 anlegen kann, ist ein entsprechendes
Fehlverhalten vorteilhafterweise sicher ausgeschlossen. Hingegen
ist eine Rückstellung
des Steuerorgans 1 in seine Ruhelage aufgrund der beschriebenen
mehrfachen Redundanz praktisch absolut sicher gestellt. Das Überlastsicherungselement 5 bzw.
allg. ein im Kraftrückkopplungsorgan 4 vorgesehener Überlastschutz
verhindert eine Beschädigung
von Bauteilen durch Überlastung
und ermöglicht
einen Notbetrieb auch bei blockiertem Aktuator 4a.
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Eine gezeigte und beschriebene Vorrichtung bzw.
ein erfindungsgemäßes Steuerorgan
ist einfach und robust konstruktiv umsetzbar, wobei vorteilhafterweise
eine extrem steife Anbindung und somit ein guter Wirkungsgrad zwischen
dem Aktuator 4a und dem Steuerorgan 1 erzielbar
ist. Auch ist eine konstante Übersetzung über dem
Betätigungsweg
des Steuerorgans 1 möglich,
ebenso wie eine hervorragende Haptik, da auch die sog. Grundbetätigungskennlinie
des Steuerorgans 1 mit dem Aktuator 4a bzw. dem
Kraftrückkopplungsorgan 4 beeinflussbar ist.
Insgesamt besteht eine große
Freiheit hinsichtlich der gegenseitigen Positionierung zwischen
dem Aktuator 4a und der Sensor-Welle 2, wobei
der die Sensor-Welle 2 aufweisende Sensor vorteilhafterweise gleichzeitig
als Positionssensor für
den Aktuator 4a fungieren kann, so dass dieser keinen eigenen
Sensor benötigt,
jedoch kann dies sowie eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend
vom gezeigten Ausführungsbeispiel
sowie obigen Erläuterungen gestaltet
sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.