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Die
Erfindung betrifft ein Steuerorgan zur Betätigung durch den Fahrer eines
Kraftfahrzeugs, insbesondere Fahrpedal, mit einem ersten am Steuerorgan
angreifenden Kraftspeicherelement zum Aufbringen einer Rückstellkraft
und mit einem Kraftrückkopplungsorgan,
das über
ein Zugmittel-Getriebe mittels eines ansteuerbaren Aktuators eine
zusätzliche,
nur in Rückstellrichtung
wirkende, einstellbare Rückstellkraft
auf das Steuerorgan ausüben
kann und das ein zweites Kraftspeicherelement enthält, das über das
Zugmittel-Getriebe ebenfalls eine Rückstellkraft auf das Steuerorgan
ausüben
kann. Ein solches Steuerorgan ist in der
DE 692 09 660 T2 gezeigt.
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Aus
verschiedenen Gründen
kann es erwünscht
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
DE 26 30 071 A1 oder
DE 29 24 391 A1 oder
DE 42 16 764 A1 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
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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Grundsätzlich und
insbesondere bei vom Fahrer eines Kraftfahrzeugs zu betätigenden
Steuerorganen besteht die Anforderung nach einer hohen Ausfallsicherheit.
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Aus
der
DE 692 09 660
T2 ist ein Steuerorgan zur Betätigung durch den Fahrer eines
Kraftfahrzeugs, insbesondere ein Fahrpedal, bekannt, das eine erste
mittels eines Seiles am Pedal angreifende Feder (als Kraftspeicherelement)
zum Aufbringen einer Rückstellkraft
aufweist. Weiterhin ist in der Ausgestaltung nach
8 dieser
Schrift ein Kabel als hier nun sog. Kraftrückkopplungsorgan offenbart,
das über
ein Zugmittelgetriebe mittels eines ansteuerbaren Elektromotors
als hier sog. Aktuator eine zusätzliche,
nur in Rückstellrichtung
wirkende, einstellbare Rückstellkraft
auf das Pedal ausüben
kann. Hierbei ist der Elektromotor mit einem Schwingarm verbunden,
an dem das Zugmittelgetriebe angekoppelt ist und es kann dieser
Elektromotor in beiden Drehrichtungen ein Moment anlegen, wobei
am genannten Schwingarm eine (weitere) Spiralfeder angreift. Diese
weitere Spiralfeder stellt somit ein zweites Kraftspeicherelement
dar, das über
das Zugmittelgetriebe zwar ebenfalls eine Rückstellkraft auf das Pedal
ausüben
kann, jedoch ist auch bei dieser Konstruktion eine Steigerung der
Ausfallsicherheit möglich.
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Aufzuzeigen,
wie auf einfache Weise insbesondere die Ausfallsicherheit eines
Systems mit einem Steuerorgan nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 weiter gesteigert werden kann, ist 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 Steuerorgan
mit einer Sensor-Welle verbunden ist, an der das Zugmittel-Getriebe
angreift und über
deren zugehörigen Sensor
der Steuer-Wert des Steuerorgans elektronisch erfasst wird, um auf
elektronischem Weg geeignet überarbeitet
an ein zugehöriges
Stellglied weitergeleitet zu werden, und dass der Aktuator an eine drehbare
Scheibe, an der das Zugmittel-Getriebe angekoppelt ist, wahlweise
in beide Drehrichtungen ein Moment anlegen kann, wobei an dieser
Scheibe das zweite Kraftspeicherelement in Form einer Rückzugfeder
angreift, so dass dieses zweite Kraftspeicherelement bei nicht aktivem
Aktuator stets aktiv ist, während
der aktive Aktuator der Kraft der Rückzugfeder entweder eine Kraft
hinzufügen
oder die Kraft der Rückzugfeder
herabsetzen, maximal zu Null setzen kann. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Inhalt der Unteransprüche.
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Analog
dem Stand der Technik nach der
DE 692 09 660 T2 sind 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. Abweichend von diesem Stand der Technik ist jedoch
dann, wenn sowohl das Kraftrückkopplungsorgan
bzw. dessen sog. Aktuator als auch die erste Rückstellfeder bzw. das erste
eine Rückstellkraft
auf das Stellorgan ausübende
Kraftspeicherelement (bspw. durch Federbruch) ausfallen sollte,
immer noch die zweite Rückstellfeder
(bzw. allg. das zweite Kraftspeicherelement) vorhanden, die bzw.
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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Im
Unterschied zum genannten Stand der Technik ist bei einem erfindungsgemäßen Steuerorgan
auch bei nicht aktivem Aktuator das zweite Kraftspeicherelement
stets aktiv und es kann der aktive Aktuator der Kraft des zweiten
Kraftspeicherelements entweder eine Kraft hinzufügen oder deren Kraft herabsetzen
und dabei maximal zu Null setzen. Zwar kann auch im genannten Stand
der Technik mit einem Elektromotor die Kraft der zweiten Rückstellfeder
in praktisch beliebiger Weise eingestellt werden, jedoch ist dabei
kein Aktuator offenbart, der einen aktiven und nicht aktiven Zustand
im Sinne der vorliegenden Erfindung einnehmen kann und der noch dazu
im nicht aktiven Zustand das zweite Kraftspeicherelement uneingeschränkt wirken
lässt.
Weiterhin unterscheidet sich die vorliegende Erfindung durch die
funktional besonders vorteilhafte und dabei funktionssichere Anordnung
einer Sensorwelle, deren zugehöriger
Sensor den Steuerwert des Steuerorgans elektronisch erfasst und
auf elektronischem Weg geeignet überarbeitet
an ein zugehöriges
Stellglied weiterleitet.
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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 Kraftrückkopplungsorgan 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 Mitnehmer
(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.