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Gegenstand
der Erfindung ist ein Pedal mit unmittelbarer Kraftrückkopplung.
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Ein
Pedal mit unmittelbarer Kraftrückkopplung
wird im Bereich der Assistenzsysteme für Kraftfahrzeuge eingesetzt
und dient in diesem Fall als Schnittstelle zwischen dem Fahrzeug
und seinem Fahrer.
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Diese
Art von Pedal wird beispielsweise im Bereich der Geschwindigkeitsregelung
eingesetzt. Es gibt Regler, die die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
automatisch steuern. Dabei genügt
es, eine Reisegeschwindigkeit zu wählen, und ein elektronisches
Steuerungssystem sorgt dafür,
das Fahrzeug auf dieser Geschwindigkeit zu halten. Die Geschwindigkeitsregelung
kann auch erfolgen, indem man eine schwergängige Stelle beim Niedertreten
des Gaspedals schafft. Wenn die Sollgeschwindigkeit dann erreicht
wird, spürt
der Fahrer eine schwergängige
Stelle in diesem Pedal und weiß so,
dass die Sollgeschwindigkeit erreicht ist. Das Pedal mit Kraftrückkopplung
wirkt in diesem Fall wie ein optischer oder akustischer Alarm, der
den Fahrer warnt. Der Fahrer hat nun die Möglichkeit, diesen Alarm zu
berücksichtigen
oder nicht. Diese Art von Informationseinrichtung hat den Vorteil,
dass sie nur vom Fahrer und nicht von den anderen Fahrzeuginsassen wahrgenommen
wird.
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Systeme
mit Kraftrückkopplung
sind aus
DE 199 16
434 A1 sowie aus
US
4,367,805 bekannt. Das Dokument
FR-2 685 667 A1 beschreibt
ebenfalls ein Pedal mit Kraftrückkopplung.
In der beschriebenen Vorrichtung wirkt ein von einer elektronischen
Einheit betätigter
Servomotor auf das Pedal ein, indem er eine Rückstellkraft ändert, die
von der Abweichung zwischen der Istgeschwindigkeit und der maximalen Sollgeschwindigkeit
abhängig
ist. Der beschriebene Mechanismus wirkt so, dass er das Pedal beim
Erreichen der Sollgeschwindigkeit zunehmend verhärtet. Die Steifigkeit des Kraftrückkopplungsmechanismus ändert sich
zunehmend, und man stellt eine Langsamkeit beim Einrichten der schwergängigen Stelle fest.
Das Gefühl
im Fuß des
Fahrers ist daher nicht sehr angenehm.
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Der
in diesem Dokument beschriebene Mechanismus wirkt nur, indem er
die Steifigkeit des Rückstellmechanismus
des Pedals verändert.
Er ermöglicht
es insbesondere nicht, die auf das Pedal auszuübende Kraft momentan zu beherrschen
oder schnelle Vibrationen im Pedal zu erzeugen. Darüber hinaus
kann es im Fall einer Störung
des Kraftrückkopplungsmechanismus
vorkommen, dass die Rückstellkraft
mit der maximalen Steifigkeit ständig
auf das Pedal ausgeübt
wird. Dies beeinträchtigt
die Sicherheit des Fahrzeugs nicht, ist aber unkomfortabel. Schließlich weist
der beschriebene Mechanismus einen relativ hohen Platzbedarf auf,
so dass er sich nicht in eine Pedalbaugruppe, wie sie derzeit in
zahlreiche Kraftfahrzeuge eingebaut wird, integrieren lässt.
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Dieser
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für ein Pedal
mit Kraftrückkopplung
zu finden, bei der die auf das Pedal ausgeübte Kraft sofort und gut beherrscht
wird. Vorteilhafterweise tritt sofort eine schwergängige Stelle
auf, wenn die Bedingungen für
das Auftreten dieser schwergängigen
Stelle gegeben sind. Dieses Pedal ermöglicht es darüber hinaus
vorzugsweise, den Punkt des Auftretens der schwergängigen Stelle
sowie die Amplitude dieser schwergängigen Stelle variieren zu
lassen. In einer Ausführungsform
ist es vorteilhaft, dass eine Warnmeldung, beispielsweise in Form einer
Vibration des Pedals, an den Fahrer übermittelt werden kann. Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Pedal mit Kraftrückkopplung,
das eine Betätigungsvorrichtung beinhaltet,
welche ein Betätigungsorgan
besitzt, das zwischen einer angehobenen Ruhestellung und einer ganz
niedergetretenen Stellung beweglich ist, Einrichtungen zum Zurückstellen
der Betätigungsvorrichtung,
die das Betätigungsorgan
in seine Ruhestellung zurückstellen,
sowie einen Kraftrückkopplungsmechanismus,
der dazu dient, beim Niedertreten des Betätigungsorgans eine schwergängige Stelle
zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung
beinhaltet der Kraftrückkopplungsmechanismus
einen Elektromotor, der dazu dient, über unidirektionale Verbindungseinrichtungen
und eventuell auch Untersetzungseinrichtungen in dieselbe Richtung
wie die Rückstelleinrichtungen
der Betätigungsvorrichtung
auf die Betätigungsvorrichtung
einzuwirken, wobei die unidirektionale Verbindung jede Wirkung des
Kraftrückkopplungsmechanismus
auf die Betätigungsvorrichtung
in der entgegengesetzten Richtung zur Wirkrichtung der Rückstelleinrichtungen
verhindert. Die unidirektionale Verbindung ist mit einem flexiblen
Verbindungsglied ausgeführt,
welches zwischen einem Verbindungsorgan (34) und der Betätigungseinrichtung
(2) angeordnet ist, wobei Elektromotor die Einstellung der
Position des Verbindungsorgans (34) ermöglicht, so dass dann, wenn
das Betätigungsorgan
die Stellung erreicht, an der diese schwergängige Stelle auftreten soll,
das flexible Verbindungsglied gespannt ist.
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In
diesem neuen Konzeption nimmt der Elektromotor nicht nur eine Regelung
vor, die es ermöglicht,
die Steifigkeit eines Betätigungsorgans
zu modifizieren, sondern übt
eine Kraft aus, die direkt oder über
eine Untersetzung auf dieses Betätigungsorgan übertragen
wird. Dadurch kann die Wirkung, die auf dieses Betätigungsorgan
ausgeübt
wird, besser beherrscht werden. Das erfindungsgemäße Pedal
mit Kraftrückkopplung
ermöglicht
es so, eine schwergängige
Stelle zu erhalten, die bei einer vorbestimmten Position (fix oder
variabel) des Weges der Betätigungsvorrichtung
auftritt, und nicht eine schwergängige
Stelle, die eingerichtet wird, wenn die Betätigungsvorrichtung eine vorbestimmte
Position erreicht. Mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, jeder
Position des Betätigungsorgans eine
Kraft zuzuordnen, die auf dieses Organ auszuüben ist, um es nach einem vorbestimmten
und zeitlich veränderlichen
Gesetz in dieser Position zu halten. Die Änderung dieser auszuübenden Kraft
wird über die
Steuerung der Stärke
des Stroms, mit dem der Elektromotor gespeist wird, erreicht. Auf
diese Weise kann die Amplitude der schwergängigen Stelle durch den Motor,
der auf die Betätigungsvorrichtung
wirkt, angepasst werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die unidirektionale Verbindung eine Flexibilität auf, die
es ermöglicht,
das Betätigungsorgan
je nach der relativen Position der Betätigungsvorrichtung und des
Kraftrückkopplungsmechanismus
bis zur schwergängigen
Stelle niederzudrücken,
ohne Kraft auf den Kraftrückkopplungsmechanismus
zu übertragen.
Aufgrund dieser Flexibilität
können
die Betätigungsvorrichtung
und der Kraftrückkopplungsmechanismus
unabhängig
voneinander arbeiten, solange die Verbindung frei ist, d. h. keine
Kraft vom Kraftrückkopplungsmechanismus
zur Betätigungsvorrichtung
(oder umgekehrt) übertragen
wird. Wenn die Verbindung dagegen blockiert ist, tritt der Benutzer das
Betätigungsorgan
beim Niedertreten gegen die Kraft nieder, die vom Elektromotor des
Kraftrückkopplungsmechanismus
bereitgestellt wird, oder aber dieser Mechanismus greift ein, um
das Betätigungsorgan
anzuheben.
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Damit
eine schwergängige
Stelle erhalten werden kann, deren Position während des Niedertretens des
Betatigungsorgans variabel ist, ermöglicht der Elektromotor erfindungsgemäß die Regelung
der Position eines Verbindungsorgans, und die unidirektionalen Verbindungseinrichtungen
sind zwischen diesem Verbindungsorgan und der Betätigungsvorrichtung
angeordnet. In dieser Ausführungsform
ist das Verbindungsorgan beispielsweise eine Welle, deren Winkelposition
durch den Elektromotor geregelt wird.
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Zur
Realisierung der unidirektionalen Verbindung können mehrere Einrichtungen
unterschiedlicher Art verwendet werden. Eine erste Ausführungsform
einer solchen Verbindung setzt beispielsweise ein Freilaufrad ein,
das in eine Richtung frei dreht, ohne Kraftübertragung, und in die andere
Richtung im Eingriff steht, wenn eine Raste erreicht ist. Hier können mehrere
andere Einrichtungen eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die unidirektionale Verbindung durch ein flexibles Verbindungsglied
realisiert. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Seil oder
ein Band aus einem flexiblen Material.
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Eine
Untersetzung über
ein Seil wird vorzugsweise zwischen dem Elektromotor und dem Verbindungsorgan
vorgesehen. Auf diese Weise werden, wenn die unidirektionale Verbindung
im Eingriff steht, die von einem Benutzer auf die Betätigungsvorrichtung übertragenen
Kräfte
mit einem geringeren Drehmoment zum Motor weiterübertragen. Tests haben auch
gezeigt, dass diese Untersetzung es ermöglichte, störende Drehmomentschwankungen
des Elektromotors, die zum Betätigungsorgan übertragen werden,
abzuschwächen,
was für
den Benutzer angenehmer ist.
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In
einer für
ein Pedal mit Kraftrückkopplung gemäß der Erfindung
gut geeigneten Ausführungsform
umfasst die Betätigungsvorrichtung
ein Betätigungspedal,
das über
eine Schubstange auf ein um eine Achse drehbares Teil einwirkt,
wobei auf dieses drehbare Teil Rückstelleinrichtungen
einwirken und dieses drehbare Teil mit den unidirektionalen Verbindungseinrichtungen
verbunden ist. In diesem Fall bestehen die unidirektionalen Verbindungseinrichtungen
vorteilhafterweise aus einem flexiblen Band, dessen eines Ende tangential
am drehbaren Teil befestigt ist, so dass sich das Band flach um
das drehbare Teil wickelt, wenn das Betätigungsorgan niedergetreten
wird. In dieser präzisen
Ausführungsform, wenn
der Elektromotor auf ein Verbindungsorgan in Form einer Welle einwirkt,
um es winklig zu positionieren, ist dieses Verbindungsorgan vorteilhafterweise
parallel zum drehbaren Teil und ihm gegenüber montiert, dreht das drehbare
Teil um weniger als 180° um
seine Achse und ist die Befestigung des flexiblen Bandes am drehbaren
Teil vorteilhafterweise in einem Bereich am Umfang des drehbaren
Teils ausgeführt,
der sich immer gegenüber
dem Verbindungsorgan befindet.
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Die
Einzelheiten und Vorteile dieser Erfindung gehen besser aus der
folgenden Beschreibung hervor, die mit Bezug auf die Zeichnungen
im Anhang erfolgt, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Pedals mit Kraftrückkopplung gemäß der Erfindung ist;
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2 eine
Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 ist;
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3 eine
Ansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie III-III aus 2 ist;
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4 eine
perspektivische Ansicht in vergrößertem Maßstab eines
Details einer Übertragung über Seil
und Seilscheiben ist;
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5 eine
Kennlinie eines klassischen Pedals ohne Kraftrückkopplung ist, und
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6 eine
Kennlinie des Pedals mit Kraftrückkopplung
ist, das in den 1 bis 3 dargestellt
ist.
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Das
in der Zeichnung dargestellte Pedal mit Kraftrückkopplung umfasst zum einen
einen Betätigungsmechanismus 2,
in Folgenden auch Betätigungsvorrichtung
genannt, und zum anderen einen Kraftrückkopplungsmechanismus 4.
Diese beiden Mechanismen sind durch eine unidirektionale Verbindung
verbunden, die weiter unten beschrieben wird, und sind beide auf
demselben Träger
montiert.
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Der
Betätigungsmechanismus 2 ist
ein Mechanismus, der dem Fachmann bekannt ist. Derartige Mechanismen
werden serienmäßig in zahlreiche Kraftfahrzeuge
eingebaut. Die in der Zeichnung dargestellte Betätigungsvorrichtung umfasst
ein Betätigungspedal 6,
das drehbar um eine Welle 8 montiert ist. Auf der entgegengesetzten
Seite der Welle 8 ist das Pedal über ein Kugelgelenk mit einer
Schubstange 10 verbunden, um auf einen Ring 12 einzuwirken, der
drehbar um eine feststehende Welle 14 montiert ist. Die
Verbindung zwischen der Schubstange 10 und dem Ring 12 wird
ebenfalls durch ein Kugelgelenk realisiert, das am Ende eines Hebelarms 16 angelenkt
ist, der fest mit dem Ring 12 verbunden ist. Dank dieser
Verbindung induziert das Betätigungspedal 6 beim
Drehen um die Welle 8 eine Drehbewegung des Rings 12 um
seine feststehende Welle 14. Ein Positionsfühler mit
Hall-Effekt 18 ist an der feststehenden Welle 14 montiert
und misst die Position des Rings 12 in Bezug auf diese
feststehende Welle 14.
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Zwei
Rückstellfedern 20 wirken
auf den Ring 12, um diesen in die Ruhestellung zurückzuführen, entsprechend
der Position, die der Betätigungsmechanismus
einnimmt, wenn keine Kraft auf das Betätigungspedal 6 ausgeübt wird.
Die Rückstellfedern 20 wirken
auf den Ring 12 über
Seile 22, die an einem ihrer Enden am Ring 12 befestigt
sind und deren anderes Ende jeweils mit einer Rückstellfeder 20 verbunden
ist. Jede Rückstellfeder
ist darüber
hinaus mit einem festen Punkt des Trägers des Pedals mit Kraftrückkopplung
verbunden. In der Zeichnung wirken die Rückstellfedern auf den Ring 12 ein
und versetzen diesen in Drehung in die trigonometrisch entgegengesetzte
Richtung (in derselben Richtung wie in 2 gesehen).
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Die
Ruhestellung des Betätigungspedals 6 (2)
wird durch einen Haken 24 definiert, der unter dem Betätigungspedal 6 montiert
ist und mit einem festen Anschlag 26 zusammenwirkt. Da
die Verbindungen zwischen dem Ring 12 und dem Betätigungspedal 6 Kugelgelenkverbindungen
sind, werden die Kräfte,
die von den Seilen 22 und den Federn 20 auf den
Ring 12 ausgeübt
werden, zum Pedal 6 zurückübertragen
und umgekehrt (bis auf die – geringe – Reibung
der Kugelgelenke). Der Betätigungsmechanismus
gemäß der obigen
Beschreibung entspricht einem klassischen Mechanismus. Der Fahrer des
entsprechenden Kraftfahrzeugs wirkt auf das Betätigungspedal 6 ein.
Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird davon ausgegangen, dass
es sich um ein Gaspedal handelt. In Abhängigkeit von der Leistung,
die der Motor abgeben soll, tritt der Fahrer das Betätigungspedal 6 mehr
oder weniger stark nieder. Der Positionsfühler 18 ermöglicht es,
die Position dieses Betätigungspedals 6 und
seines Niedertretens genau zu kennen. Dies Information wird dann
an eine Motorsteuerungsvorrichtung übermittelt und dazu verwendet,
beispielsweise den Öffnungswinkel eines
Frischlufteinlassventil zu regeln.
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Der
Kraftrückkopplungsmechanismus 4 umfasst
einen Elektromotor 28, der zur Regelung der Position einer
drehbaren Welle 30 verwendet wird. Diese liegt parallel
zur feststehenden Welle 14. Jede dieser Wellen 14, 30 trägt jeweils
eine Seilscheibe 32, 34, wobei sich die beiden
Seilscheiben gegenüber
liegen. Die auf der feststehenden Welle 14 montierte Seilscheibe 32 ist
fest mit dem Ring 12 verbunden, während die Seilscheibe 34 ein
einziges Teil mit der drehbaren Welle 30 bildet. Die beiden
Seilscheiben 32 und 34 sind miteinander über ein flexibles Band 36 verbunden,
das beispielsweise aus Stahl (Metallfolie) oder aus einem Verbundstoff
besteht. Das Band 36 ist so an der Seilscheibe 32 befestigt, dass
das Band 36 unabhängig
von der Drehrichtung der Seilscheibe 34 nur in Richtung
der Rückstellung des
Betätigungspedals 6 in
die Ruhestellung auf den Ring 12 einwirken kann. In der
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weisen der Ring 12 und somit
auch die zugehörige
Seilscheibe 32 einen Winkelweg von ungefähr 60° auf, d.
h. deutlich unter 180°.
In diesem Fall gibt es einen Bereich der Seilscheibe 32,
der nie gegenüber
der Seilscheibe 34 und immer entgegengesetzt dazu liegt.
Das flexible Band 36 ist jetzt in einem solchen Bereich
tangential zur Seilscheibe 32 befestigt. Wenn sich der
Ring 12 nach dem Niedertreten des Betätigungspedals 6 dreht,
wickelt sich das flexible Band 36 flach um einen Teil des
Umfangs der Seilscheibe 32, ohne zu knicken. Dieses flexible
Band 36 ist auf ähnliche
Weise an der Seilscheibe 34 befestigt. Da die Amplitude der
Bewegung dieser Seilscheibe 34 jedoch größer als
180° sein
kann, befindet sich der Befestigungsbereich des flexiblen Bands 36 nicht
unbedingt auf der entgegengesetzten Seite der Seilscheibe 32.
Die Steuerungsvorrichtung des Pedals mit Kraftrückkopplung sorgt dafür, dass
der Motor 28 die Bewegung der Seilscheibe 34 so
steuert, dass sich das flexible Band 36 ohne zu knicken
um die Seilscheibe 34 wickelt. Der Motor 28 wirkt
auf die drehbare Welle 30 über ein Getriebe. Aus Platzgründen ist
die Achse des Motors 28 nicht parallel, sondern im rechten
Winkel zur Achse der drehbaren Welle 30 montiert. Zwei Getriebestufen
sind zwischen dem Motor 28 und der drehbaren Welle 30 vorgesehen.
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Der
Elektromotor 28 umfasst eine Abtriebswelle 38,
die mit einer Seilscheiben 40 mit kleinem Durchmesser verbunden
ist. Ein Metallseil verbindet diese Seilscheibe 40 mit
einer Seilscheibe mit großem
Durchmesser 42. Letztere ist parallel zur drehbaren Welle 30 und
zur feststehenden Welle 14 drehbar auf einer Zwischenwelle 44 montiert.
Umlenkscheiben 46 sind für das Kabel 48, das
die Seilscheiben 40 und 42 verbindet, vorgesehen.
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Die
Zwischenwelle 44 trägt
ebenfalls eine Seilscheibe 50 mit kleinem Durchmesser,
die über ein
Seil 52 mit einer Seilscheibe mit großem Durchmesser 54 zusammenarbeitet.
Letztere Seilscheibe ist fest mit der drehbaren Welle 30 verbunden.
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Jedem
Seil 48, 52 entspricht eine Untersetzungsstufe.
Eine solche Stufe ist in 4 dargestellt. Es handelt sich
um die Stufe, bei der das Seil 52 eingesetzt wird. Die
Seilscheibe 54 besteht aus zwei Seilscheibenhälften 54a und 54b.
Diese beiden Seilscheibenhälften
haben denselben Durchmesser und sind koaxial auf der drehbaren Welle 30 montiert. Eine
Torsionsfeder 56 verbindet die beiden Seilscheibenhälften 54a und 54b.
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Jedes
Ende des Seils 52 ist mit einer Arretierkugel 58 ausgestattet,
und jede Seilscheibenhälfte 54a und 54b ist
mit einer entsprechenden Ausnehmung 60 zur Aufnahme einer
Arretierkugel 58 versehen. So ist ein Ende des Seils 52 über eine
Arretierkugel 58 und die entsprechende Ausnehmung 60 an der
Seilscheibenhälfte 54a befestigt.
Das Kabel wickelt sich daraufhin auf einen Teil des Umfangs dieser
Seilscheibenhälfte 54a,
wird dann mit mehreren Windungen um die Seilscheibe mit dem kleinen Durchmesser 50 gewickelt
und wird schließlich
um einen Teil des Umfangs der zweiten Seilscheibenhälfte 54b gewickelt,
wobei das andere Ende des Seils 52 an dieser Seilscheibenhälfte 54b über die zweite
Arretierkugel 58 und die entsprechende Ausnehmung 60 befestigt
ist. Dank der Feder 56 und dem Drehfreiheitsgrad zwischen
den beiden Seilscheibenhälften 54a und 54b ist
das Seil 52 immer gespannt.
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In 4 ist
festzustellen, dass das Seil 52 eine dritte Arretierkugel 62 besitzt.
Diese befindet sich beispielsweise in der Mitte des Seils 52.
Sie passt in eine entsprechende Ausnehmung 64 in der Seilscheibe 50.
Auf diese Weise kann die Übertragung
der Bewegung des Motors 28 von der Seilscheibe 50 zur
Seilscheibe 54 oder genauer gesagt zur Seilscheibenhälfte 54a nicht
durch Schlupf beeinträchtigt
werden. Die Übertragung
zwischen der Seilscheibe 40 und der Seilscheibe 42 erfolgt
auf die gleiche Weise. Wie bereits weiter oben ausgeführt, gibt es
bei dieser Übertragung
Umlenkscheiben 46, die – abgesehen von der Richtungsänderung – die Kinematik
des Mechanismus in keiner Weise ändern.
Ein weiterer geringfügiger
Unterscheid ist, dass das Seil 48 nicht mit einer Arretierkugel
in der Mitte versehen ist. Selbstverständlich könnten eine solche Kugel und eine
entsprechende Ausnehmung vorgesehen werden, aber sie sind in Anbetracht
der geringen Kräfte, die
auf das Seil 48 ausgeübt
werden, und somit des sehr geringen Risikos des Schlupfes dieses
Seils um die Seilscheibe 40 optional.
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Die
Position der drehbaren Welle 30 wird mit Hilfe eines Potentiometers 66 gemessen.
Die von diesem Potentiometer 66 übermittelten Informationen
ermöglichen
es, die Winkelposition der drehbaren Welle 30 und somit
auch der Seilscheibe 34 genau zu kennen. Aufgrund dieser
Informationen in Kombination mit denen des Hall-Effekt-Fühlers 18 ist das
Spiel auf Ebene des flexiblen Bandes 36 bekannt. Das oben
unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschriebene
Pedal mit Kraftrückkopplung
hat somit die folgende Funktionsweise.
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Dieses
Pedal mit Kraftrückkopplung
kann zunächst
wie ein klassisches Pedal arbeiten. Hier wird angenommen, dass es
sich um ein Gaspedal handelt. Es genügt also, die drehbare Welle 30 in
eine solche Position zu bringen, dass das flexible Band 36 unabhängig von
der Position des Rings 12 und somit der Seilscheibe 32 nie
gespannt ist. Dazu braucht nur ein flexibles Band 36 mit
ausreichender Länge
vorgesehen zu werden. Diese Länge
wird in Abhängigkeit vom
Abstand zwischen der feststehenden Achse 14 und der drehbaren
Achse 30, den Durchmessern der Seilscheiben 32 und 34 sowie
den Befestigungsstellen des flexiblen Bandes 36 an diesen
Scheiben berechnet.
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Das
Verhalten des Betätigungspedals 6 ohne
Kraftrückkopplungsmechanismus
ist schematisch in 5 dargestellt. In dieser Abb.
wurde auf der Abszisse der Niedertretwinkel A des Pedals abgetragen,
der der Position des Betätigungspedals 6 in
Bezug auf seine Welle 8 entspricht, die direkt proportional
zum Drehwinkel des Rings 12 ist. Auf der Ordinate wurde
die Kraft F abgetragen, die vom Fuß eines Fahrers auf das Betätigungspedal 6 aufgebracht
wird. Die Kennlinie dieser 5 zeigt,
dass die zur Bedienung des Betätigungspedals 6 aufzubringende
Kraft zunächst
(vgl. Ziffer 80) die Rückstellkraft
der Federn 20 zur Rückstellung
dieses Pedals in die Ruhestellung überwinden muss; anschließend verläuft das
Gesetz linear (vgl. Ziffer 82). Beim Loslassen des Betätigungspedals 6 verläuft die Rückkehr in
die Ruhestellung ebenfalls linear (vgl. Ziffer 84). Die
Kennlinie in 5 zeigt eine Hysterese des Betätigungspedals 6 auf,
die insbesondere auf der Reibung zwischen den Seilen 22 und
dem Ring 12 beruht. Dieses Verhalten wird angestrebt, um den
Komfort und die Ergonomie dieses Betätigungspedals 6 zu
erhöhen.
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Wenn
gewünscht
wird, dass der Fahrer beim Niedertreten des Pedals eine schwergängige Stelle spürt, wirkt
man auf den Elektromotor 28 und spannt jetzt das flexible
Band 36 so, dass dann, wenn das Betätigungspedal 6 die
Stellung erreicht, an der diese schwergängige Stelle auftreten soll,
das flexible Band 36 gespannt ist. Wenn das Betätigungspedal 6 daraufhin
die Stellung erreicht, in der das flexible Band 36 gerade
gespannt ist, muss, um das Betätigungspedal 6 weiter
niederzutreten, zum einen die Rückstellkraft
der Federn 20 überwunden
werden und zum anderen die drehbare Welle 30 gegen die Kraft
gedreht werden, die vom Motor 28, der über die oben beschriebenen
Untersetzungseinrichtungen wirkt, auf diese Welle ausgeübt wird.
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Dabei
erhält
man ein Verhalten, das in 6 schematisch
dargestellt ist. In dieser Abb. wurde zum Vergleich das Verhalten
eines klassischen Pedals ohne Kraftrückkopplung eingezeichnet, das
in 5 dargestellt ist. Die neue Kennlinie zeigt das
Vorhandensein einer schwergängigen
Stelle bei einem Niedertretwinkel α des Betätigungspedals 6. Diese
schwergängige
Stelle drückt
sich in der Kennlinie durch die nahezu vertikalen Abschnitte 86 der
Kennlinie aus. Über
die schwergängige
Stelle hinaus verläuft
das Verhaltensgesetz klassisch linear mit Hysterese (vgl. Ziffer 88).
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Festzustellen
ist, dass die schwergängige Stelle übergangslos
auftritt. Die Steifigkeit, die der Fahrer spürt, ändert sich abrupt. In der Tat
arbeitet der Kraftrückkopplungsmechanismus
hier unabhängig
vom Betätigungsmechanismus.
Wenn die Vorgabe darin besteht, eine schwergängige Stelle zu erzeugen, wenn
der Niedertretwinkel des Betätigungspedals 6 gleich α ist, handelt
der Elektromotor 28 entsprechend, um die drehbare Welle 30 richtig
zu positionieren. Diese Regelung wird vorgenommen, sobald der Sollwert
bekannt ist, und wird realisiert, bevor das Betätigungspedal 6 die
entsprechende Position erreicht. Die Kraftrückkopplung ist somit bereits vorhanden,
wenn das Betätigungspedal 6 die
gegebene Position erreicht, und wird nicht erst eingerichtet, wenn
das Betätigungspedal
in dieser Position angekommen ist.
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Sobald
das flexible Band 36 gespannt ist, ist es durch Einwirken
auf die Stärke
des Stroms, mit dem der Elektromotor 28 gespeist wird,
möglich,
die Amplitude der schwergängigen
Stelle zu verändern. Diese
verschiedenen Amplituden sind in 6 schematisch
durch die gepunkteten Linien (Niedertreten des Pedals 6)
und durch die Strichpunktlinien (Loslassen des Pedals 6)
dargestellt. So kann eine leicht überwindbare schwergängige Stelle
oder eine schwer überwindbare
schwergängige
Stelle für
den Fahrer geschaffen werden. Damit können dem Fahrer verschiedene
Informationen übermittelt
werden.
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Der
erfindungsgemäße Kraftrückkopplungsmechanismus
ermöglicht
es auch, dem Fahrer über das
Betätigungspedal 6 Vibrationen
im Fuß zukommen
zu lassen. Dazu genügt
es, den Elektromotor 28 abwechselnd mit Strom zu speisen.
So steht eine zusätzliche
Einrichtung zur Übermittlung
von Informationen an den Fahrer zur Verfügung.
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In
einem Extremfall ist sogar vorstellbar, dass der Motor auf die drehbare
Welle 30 und somit auch auf das flexible Band 36 und
den Ring 12 eine Kraft ausübt, die ausreicht, um das Betätigungspedal 6 in
seine Ruhestellung zurückzuführen. Dies
könnte beispielsweise
in Kombination mit einer Sicherheitsvorrichtung, die beispielsweise
das Einschlafen des Fahrers oder andere Parameter feststellt, in
Betracht gezogen werden.
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Anzumerken
ist, dass wenn der Kraftrückkopplungsmechanismus
aus irgendeinem Grund ausfällt,
er in keinem Fall eine Blockierung des Betätigungspedals 6 verursacht
und immer die Rückkehr des
Pedals in die Ruhestellung ermöglicht.
Für den Ausnahmefall,
dass eine starke Kraft auf das Betätigungspedal 6 ausgeübt wird,
während
das flexible Band 36 gespannt ist, ist, um diese starke
Kraft nicht zum Elektromotor 28 zu übertragen und diesen zu schützen, eine
Ausrückvorrichtung 68 zwischen
der drehbaren Welle 30 und dem Elektromotor 28 vorgesehen.
Diese Ausrückvorrichtung 68 ist
beispielsweise zwischen der drehbaren Welle 30 und der
Seilscheibe 54 angeordnet. So wird garantiert, dass kein höheres Drehmoment
als das vorbestimmte Drehmoment zum Elektromotor 28 übertragen
werden kann.
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Bei
dem oben beschriebenen Pedal mit Kraftrückkopplung wirkt der Elektromotor
direkt auf das Betätigungspedal 6 ein.
Dank der hier eingesetzten Übertragung über Seile
und Seilscheiben liefert der Elektromotor eine sehr geringe Kraft
(verminderte Reibung) und kann aus einer Reihe von Motoren mit geringer
Baugröße ausgewählt werden,
deren Preis vorteilhafterweise relativ niedrig ist. Eine andere Übertragungsart,
beispielsweise Zahnradpaare, würde
einen größeren und
somit kostenaufwändigeren
Motor erfordern. Selbstverständlich
ist die gewählte
Untersetzung dergestalt, dass die Stützkraft des Fußes des
Fahrers auf dem Betätigungspedal 6 selbst
dann, wenn der Fahrer entscheidet, sich über die vom Kraftrückkopplungsmechanismus
gegebene Warnung hinwegzusetzen, keine Überströme am Motor erzeugen wird und
somit der Motor nicht beschädigt
zu werden droht.
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Die
unidirektionale Verbindung zwischen dem Kraftrückkopplungsmechanismus und
dem Betätigungsmechanismus des
Betätigungspedals,
die hier durch das flexible Band 36 realisiert wurde, ermöglicht es
den Rückstellfedern 20,
frei auf das Betätigungspedal 6 einzuwirken,
unabhängig
vom Kraftrückkopplungsmechanismus.
Dies garantiert zunächst,
dass nur das Niedertreten des Betätigungspedals über die
schwergängige
Stelle hinaus mechanisch gebremst wird, während die Rückkehr des Pedals in die Ruhestellung
ungebremst erfolgt, da sich das flexible Band der Arbeit der Rückstellfedern
nicht widersetzt. Diese vollständige
Entkopplung zwischen dem Kraftrückkopplungsmechanismus
und dem Betätigungsmechanismus
des Betätigungspedals
ermöglicht
ein hohes Maß an
Flexibilität
bei der (elektronischen) Steuerung des erfindungsgemäßen Pedals
mit Kraftrückkopplung.
Das Pedal mit Kraftrückkopplung
gemäß der obigen
Beschreibung kann in Form eines Moduls ausgeführt werden, das einfach an
der für
das Gaspedal bestimmten Stelle eines Kraftfahrzeugs angeschraubt
und angeschlossen wird. Diese Vorrichtung kann recht kompakt sein,
um das benachbarte Bremspedal nicht zu behindern.
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Dieses
Pedal weist auch den Vorteil auf, dass ein und dieselbe Vorrichtung
es ermöglicht, ganz
unterschiedliche Verhaltensgesetze zu erhalten: Position der schwergängigen Stelle über den ganzen
Bereich des Niedertretens des Betätigungspedals, Amplitude der
schwergängigen
Stelle, Senden von Vibrationen in das Betätigungspedal usw. Diese Erfindung
beschränkt
sich nicht auf die oben als nicht erschöpfendes Beispiel beschriebene
Ausführungsform.
Sie betrifft auch alle Ausführungsvarianten,
die im Rahmen der nachfolgenden Ansprüche in Reichweite des Fachmanns
sind. So hat die Erfindung eine Hauptanwendung, die die Gaspedale
des Kraftfahrzeugs betrifft. Dennoch sind weitere Anwendungen denkbar:
Bedienhebel für
alle Arten von Maschinen in Industrie oder Haushalt, Joystick usw.
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Die
Zahl der Untersetzungsstufen beträgt in dem oben beschriebenen
Beispiel zwei. Eine einzige Stufe oder im Gegenteil mehrere Stufen
können ebenfalls
in Erwägung
gezogen werden.
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Das
flexible Band, das eine unidirektionale Verbindung zwischen dem
Betätigungsmechanismus des
Pedals und dem Kraftrückkopplungsmechanismus
herstellt, könnte
beispielsweise durch ein Freilaufrad ersetzt werden. Die Spannung
des ungespannten Trumms in jeder Untersetzungsstufe könnte auf
andere Weise ausgeführt
werden als durch Verwenden von gedoppelten Seilscheiben mit einer Spannfeder,
wie weiter oben beschrieben.