DE10303860A1

DE10303860A1 - Konstruktion von Bremspedalen

Info

Publication number: DE10303860A1
Application number: DE10303860A
Authority: DE
Inventors: Philip Robert Hemenway; Junai Akhtar
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2003-08-21
Also published as: GB2386172A; FR2835226A1; US6571661B1; GB0300649D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bremspedalsystem mit einem Bremspedal, das einen flexiblen Arm mit einem ersten distalen Ende und einem zweiten distalen Ende aufweist. Das erste distale Ende dient zur Montage an einem Kraftfahrzeug, und am zweiten distalen Ende ist eine Fußstütze befestigt. Zumindest ein Sensor ist an dem Bremspedal befestigt und dient dazu, den Grad der Auslenkung des Bremspedals zu messen und ein entsprechendes Signal zu senden. Ein Anschlagspunkt ist an der Fahrzeugkonstruktion in einem bestimmten Abstand vom Bremspedal so angebracht, dass das Bremspedal den Anschlagspunkt berührt, wenn es eine vorher festgelegte Auslenkung erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Bremspedal, das ein simuliertes Bremsgefühl vermitteln soll. Präziser ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung ein Bremspedal eines elektronischen Bremssystems, bei dem das Bremspedal so entworfen wurde, dass es eine Rückstellkraft auf den Fahrer ausübt.
In einem konventionellen Fahrzeug ist das Bremspedal mit einem hydraulischen Bremssystem verbunden, durch das eine auf das Bremspedal ausgeübte Kraft über die Kompression von Bremsflüssigkeit die Bremsen des Fahrzeugs auslöst. In einem solchen System wächst bei getretenem Pedal die benötigte Kraft zum weiteren Durchtreten des Pedals, da der Druck der Bremsflüssigkeit innerhalb des Systems mit dem zunehmenden Pedaldruck wächst. Dadurch wird dem Fahrer ein Bremsgefühl vermittelt. Der Fahrer hat durch den Betrag der Kraft, die er auf das Bremspedal ausübt, eine physische Rückmeldung über die Traktion der Bremsen.
Bei einem elektronischen Bremssystem existiert keine mechanische Verbindung zwischen dem Bremspedal und den Bremsen des Fahrzeugs. Nicht die Kraft, die der Fahrer auf das Bremspedal ausübt, ist die Steuerungsgröße, sondern die Auslenkung des Pedals, die von Sensoren innerhalb oder außerhalb des Pedals gemessen und an eine Steuereinheit gesendet wird, welche ihrerseits auf elektronischem Wege die Bremsen des Fahrzeugs auslöst. Bei diesen Systemen fehlt normalerweise das Bremsgefühl, das bei konventionellen Systemen aufkommt. Es sind einige Techniken entwickelt worden, dieses Bremsgefühl herkömmlicher Bremssysteme zu simulieren, zum Beispiel das Verbinden des Bremspedals mit einem Elektromotor, der der Bewegung einen modulierten und dosierten Widerstand entgegensetzt. Leider setzen viele dieser Techniken der Bewegung nur einen linearen Widerstand entgegen, der den nichtlinear wachsenden Widerstand eines konventionellen Bremspedals nicht naturgetreu wiedergibt. Komplexere Systeme erfordern viele Bauteile, was sich für den Hersteller des Fahrzeugs in Zwangsläufigkeiten bezüglich deren Unterbringung und des Gewichts niederschlägt.
Daher existiert die Notwendigkeit der Entwicklung eines Bremspedals, das das Bremsgefühl herkömmlicher Bremspedalsysteme simuliert. Dies ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Bremspedalsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 8.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Bremspedals mit Anschlag gemäß der vorliegenden Erfindung, in nicht betätigter Stellung gezeigt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des Bremspedals mit Anschlag aus Fig. 1, in dieser Abbildung ist das Bremspedal bis zum Anschlagspunkt durchgetreten;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Bremspedals mit Anschlag aus Fig. 1, in dieser Abbildung hat das Bremspedal den Anschlagspunkt berührt und komprimiert;
Fig. 4 zeigt eine Kraft-Weg-Funktion bzw. ein Kraft-Weg-Diagramm für eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine Kraft-Weg-Funktion für eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Kraft-Weg-Funktion für eine Variation der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 ist eine Kraft-Weg-Funktion für eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die folgende Darlegung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung soll den Geltungsbereich der Erfindung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen beschränken, sondern einen Fachmann dazu befähigen, die Erfindung herzustellen und zu gebrauchen.
In Fig. 1 ist ein Bremspedalsystem 10 gezeigt. Das Bremspedalsystem 10 umfasst ein Bremspedal 12, das einen flexiblen Arm 14 hat. Ein erstes distales Ende 16 des flexiblen Arms 14 ist für eine Montage an der Fahrzeugkonstruktion 18 ausgelegt. Auf einem zweiten distalen Ende 20 des flexiblen Arms 14 ist eine Fußstütze 22 angebracht, die dem Fahrer des Fahrzeugs einen Angriffspunkt zur Betätigung des Bremspedalsystems 10 bieten soll.
Der flexible Arm 14 des Bremspedals 12 sollte vorzugsweise aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff bestehen. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der flexible Arm 14 aus Glasfaser in einer Epoxidharz-Matrix.
Auf dem Bremspedal 12 ist zumindest ein Sensor 22 befestigt. Der Sensor 22 oder die Sensoren 22 sollten vorzugsweise in das Gefüge des flexiblen Arms 14 eingebettet sein. Eine Einbettung des Sensors 22 in den flexiblen Arm 14 verringert die Probleme, die sich beim Betrieb des Sensors 22 im Zusammenhang mit dessen Verschmutzung oder Beschädigung ergeben können. Der Sensor 22 ist dazu da, den Grad der Neigung bzw. den Neigungsgrad des flexiblen Arms 14 zu messen und ein entsprechendes Signal an eine Steuereinheit (in der Abbildung nicht gezeigt) zu senden, die die Traktion der Bremsen des Fahrzeugs steuert. Generell gilt, dass die Bremsen des Fahrzeugs desto härter greifen, umso stärker das Bremspedal 12 ausgelenkt wird.
Ein Anschlag 24 ist an der Fahrzeugkonstruktion in einem Abstand 26 vom Bremspedal 12 so angebracht, dass das Bremspedal 12 den Anschlag 24 berührt, wenn es eine vorher festgelegte Auslenkung erreicht. Fig. 2 zeigt, wie der flexible Arm 14 den Anschlag 24 bei betätigtem Bremspedal 12 berührt, nachdem das Bremspedal 12 um den Betrag des Abstands 26 ausgelenkt wurde. Die in Fig. 4 gezeigte Funktion beschreibt die Beziehung zwischen dem vom Bremspedal 12 zurückgelegten Weg und dem Betrag der Kraft, die zur Auslenkung des Bremspedals 12 benötigt wird. Auf der x- Achse ist der Betrag der Auslenkung des Bremspedals 12 aufgetragen, und auf der y-Achse der Betrag der auf das Bremspedal 12 ausgeübten Kraft.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht der Anschlag 24 aus einem inkompressiblen, starren Material. Der Verlauf der Kraft, die zur Neigung des flexiblen Arms 14 des Bremspedals 12 benötigt wird, wird in einem ersten Bereich, beginnend mit Null, durch eine Gerade 28 beschrieben, bei der der Betrag der aufgewendeten Kraft linear mit der Auslenkung des Bremspedals 12 wächst. Der Punkt, an dem das Bremspedal 12 den Anschlag 24 berührt, ist im Funktionsverlauf der Fig. 4 als Punkt A gekennzeichnet. Der inkompressible Anschlag 24 stellt für die Bewegung des Bremspedals 12 einen definierten Endpunkt dar. Der flexible Arm 14 wird sich bei wachsender Kraft jedoch weiter neigen, wobei die zusätzlich zum eingespannten ersten Ende 16 eingeführte Lagerung am Anschlag 24 die Momente, die zum Neigen des flexiblen Arms nötig sind, größer werden lässt. Daher hat eine in Fig. 4 gezeigte Gerade 30, die ab dem Punkt A das Verhalten der aufgewendeten Kraft gegenüber der Neigung des flexiblen Arms 14 beschreibt, eine größere Steigung als die Gerade 28.
In Fig. 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der der Anschlag 24 aus einem kompressiblen Material besteht, sodaß das Bremspedal 12 den Anschlag 24 nach Auslenkung um einen festgelegten Betrag zwar berührt, jedoch von diesem nicht vollständig an einer weiteren Auslenkung gehindert wird. In Fig. 5 ist für die zweite bevorzugte Ausführungsform die aufzuwendende Kraft als Funktion des Weges dargestellt. Da der Anschlag 24 aus einem kompressiblen Material besteht und eine weitere Auslenkung des Bremspedals 12 zulässt, weist diese Funktion drei getrennte Abschnitte auf. Genau wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform wird der Verlauf der Kraft, die zur Neigung des flexiblen Arms 14 des Bremspedals 12 benötigt wird, in einem ersten Bereich durch eine Gerade 32 durch den Nullpunkt beschrieben, bei der der Betrag der aufgewendeten Kraft linear mit der Auslenkung des Bremspedals 12 wächst. Der Punkt, an dem das Bremspedal 12 den Anschlag 24 berührt, ist im Funktionsverlauf der Fig. 5 als Punkt A gekennzeichnet.
Sobald das Bremspedal 12 den Anschlag 24 berührt hat, führt eine weitere Krafteinleitung auf das Bremspedal 12 sowohl zu einer weiteren Auslenkung des Bremspedals 12 als auch zu einer Komprimierung des Anschlags 24. Die zusätzliche Kraft, die zur Komprimierung des Anschlags 24 benötigt wird, führt zu einem Anstieg der zur Auslenkung des Bremspedals 12 aufzuwendenden Gesamtkraft. In einem zweiten Abschnitt zwischen den Punkten A und B der Fig. 5 wird dieses Verhalten der Kraft durch eine Gerade 34 beschrieben. Da die zusätzliche Komprimierung des Anschlags 24 die Kräfte, die für ein weiteres Auslenken des Bremspedals 12 nötig sind, schneller größer werden lässt, hat die Funktion in diesem Bereich eine größere Steigung als im ersten Bereich.
Ab einem bestimmten Komprimierungsgrad verliert der kompressible Anschlag 24 seine weitere Komprimierbarkeit. In anderen Worten ist das Material zu diesem Zeitpunkt von den vom Fahrer des Fahrzeugs ausgeübten Kräften soweit wie möglich zusammengedrückt worden. Der Anschlag 24 ist nun nicht weiter komprimierbar und verhält sich prinzipiell wie ein starrer Anschlag. Der Punkt, an dem der Anschlag 24 seine weitere Komprimierbarkeit verliert, ist im Funktionsverlauf der Fig. 5 als Punkt B gekennzeichnet. Genau wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform kann sich der flexible Arm 14 bei wachsender Kraft jedoch weiter neigen, wobei die benötigte Kraft wesentlich größer wird. Da die Kraft sowohl den flexiblen Arm 14 neigen als auch den kompressiblen Anschlag 24 zusammendrücken muss, wird sie schnell größer, was sich in einem steileren Verlauf der Funktion in Form einer Geraden 36, die ab dem Punkt B den Verlauf der Kraft beschreibt, niederschlägt.
Alternativ kann der kompressible Anschlag 24 aus einer Vielzahl von Schichten kompressibler Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten bestehen, sodaß der Anschlag 24 nach dem Kontakt mit dem Bremspedal 12 der weiteren Auslenkung einen variablen elastischen Widerstand entgegensetzt. Die in Fig. 6 gezeigte Funktion beschreibt das Kraft-Weg- Verhalten eines Bremspedalaufbaus mit einem Anschlag [24], der aus zwei Schichten kompressiblen Materials besteht. Die jeweiligen Schichten kompressiblen Materials im Anschlag 24 zehren jeweils einen unterschiedlichen Betrag an Kraft für ihre Komprimierung auf und verlieren zu unterschiedlichen Zeitpunkten ihre weitere Komprimierbarkeit.
Genau wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform wächst die zur Auslenkung benötigte Kraft langsam bis zu dem Punkt an, an dem das Bremspedal 12 den Anschlag 24 erreicht. Das Kraft-Weg-Verhalten wird in diesem Bereich bis zum Punkt A, der den Kontakt zwischen dem Bremspedal 12 und dem Anschlag 24 kennzeichnet, durch eine Gerade 38 beschrieben. Sobald das Bremspedal 12 den Anschlag 24 erreicht hat, beginnt die Komprimierung der Schicht mit der geringsten Steifigkeit, was zusätzliche Kraft bei der Auslenkung des Bremspedals 12 erfordert. In einem zweiten Abschnitt zwischen den Punkten A und B1 wird dieses Verhalten der Kraft durch eine Gerade 40 beschrieben.
Letztlich wird auch die zweite Schicht kompressiblen Materials komprimiert. Den Beginn dieses Vorgangs kennzeichnet im Funktionsverlauf der Punkt B1. Wenn dieser Punkt erreicht wird, kann die erste Schicht ihre Kompressibilität bereits verloren haben, sie kann aber auch noch weiter komprimierbar sein. Der für die Komprimierung der zweiten Schicht notwendige größere Kraftzuwachs macht sich im Bereich zwischen B1 und B2 durch eine größere Steigung der Funktion in Form einer Geraden 42 bemerkbar. Genau wie bei der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform kann sich der flexible Arm 14 weiter neigen, wenn beide Schichten ihre Kompressibilität bereits verloren haben, obwohl hierfür wesentlich größere Kräfte notwendig sind, weswegen die Steigung einer Geraden 44, die ab dem Punkt B2 das Kraft-Weg-Verhalten des Aufbaus beschreibt, wiederum steiler ausfällt als im Bereich vor dem Funkt B2.
Wie beschrieben und in den Fig. 4 bis 7 dargestellt, wurden die getrennten Abschnitte der Kraft-Weg-Funktionen als Geraden idealisiert. Unabhängig davon soll angemerkt sein, dass das Verhalten der Kraft in Abhängigkeit von der Auslenkung des Bremspedals 12 ebenso nichtlinear sein kann. Zum Beispiel wird in den Fig. 4, 5 und 6 der Kraftzuwachs in Abhängigkeit von der Neigung ab dem Punkt A, an dem das Bremspedal 12 den Anschlag 24 berührt, als linear angenommen, was die Geraden 28, 32 und 38 widerspiegeln. Einem Fachmann wird allerdings klar sein, dass das Bremspedal 12 und der Anschlag 24 aus Material hergestellt werden können, bei dem eine fortschreitende Neigung des flexiblen Arms 14 einen nichtlinearen Kraftzuwachs hervorruft.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der flexible Arm 14 des Bremspedals 12 aus einem Material, dessen Steifigkeit der Fahrer aufgrund persönlicher Präferenzen selbst variabel erhöhen oder verringern kann. Geeignete Werkstoffe sind der Industrie unter dem Namen "intelligente Werkstoffe" bekannt. Diese Art Material erlaubt eine Regulierung seiner Steifigkeit durch einen elektrischen Strom, der durch das Material geschickt wird. Der elektrische Strom kann selektiv vom Fahrer gesteuert werden, wodurch er nach seinen persönlichen Vorlieben Einfluss auf das Verhalten des Bremspedals 12 nehmen kann.
In Fig. 7 ist die Kraft-Weg-Funktion eines Bremspedalsystems 10 dargestellt, das, ähnlich wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform, einen Anschlag 24 aus kompressiblem Material aufweist. Allerdings kann in dieser dritten bevorzugten Ausführungsform die Steifigkeit des flexiblen Arms 14 gemäß den Präferenzen des Fahrers selektiv erhöht oder verringert werden. Die Kraft-Weg-Funktion 46 verläuft über die Punkte A und B und darüber hinaus prinzipiell wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform, allerdings ist der Fahrer hier in der Lage, die Kraft-Weg- Funktion 46 und somit das Verhalten des Bremspedals 12 zu einer steiferen Kraft-Weg-Funktion 48 oder einer weicheren Kraft-Weg-Funktion 50 parallel zu verschieben, je nach persönlichen Vorlieben.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Bremspedal für ein elektronisches Bremssystem zur Verfügung, das dem Fahrer das Bremsgefühl herkömmlicher Bremssysteme vermittelt. Der flexible Arm 14 und der Anschlag 24 der bevorzugten Ausführungsformen dienen dazu, verschiedene Kraft-Weg-Funktionen anbieten zu können, denen zufolge der Fahrer mehr Kraft aufwenden muß, um eine stärkere Traktion der Bremsen des Fahrzeugs zu erreichen.
Die vorangehende Darlegung umfasst und beschreibt [nur] zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung und der angefügten Zeichnungen und Ansprüche leicht erkennen, dass Änderungen und Abwandlungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass vom wahren Geist und dem angemessenen Geltungsbereich, wie er in den folgenden Ansprüchen festgehalten wird, abgewichen würde. Die Erfindung wurde in einer erläuternden Weise beschrieben, und es sei darauf hingewiesen, dass die verwendete Terminologie vielmehr einen beschreibenden als einen eingrenzenden Wortcharakter haben soll.

Claims

1. Bremspedalsystem (10), das umfasst:

a) ein Bremspedal (12), das einen flexiblen Arm (14) mit einem ersten Ende (16) hat, das fest mit der Fahrzeugkonstruktion (18) verbunden wird, und ein zweites Ende (20), auf dem eine Fußstütze (22) befestigt ist, aufweist;

b) zumindest einen Sensor (22), der an dem Bremspedal (12) befestigt ist und dazu dient, den Grad der Auslenkung des Bremspedals (12) zu messen und ein entsprechendes Signal zu senden;

c) ein Anschlag (24), der im Fahrzeug in einem bestimmten Abstand (26) von dem Bremspedal (12) so befestigt ist, dass das Bremspedal (12) den Anschlag (24) berührt, wenn es um den Betrag des Abstands (26) ausgelenkt wurde.

2. Bremspedalsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Arm (14) aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff besteht.

3. Bremspedalsystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (24) aus einem kompressiblen Material besteht, sodaß das Bremspedal (12) den Anschlag (24) nach einer Auslenkung um einen vorher festgelegten Betrag zwar berührt, die Komprimierung des Anschlags (24) jedoch die weitere Auslenkung des Bremspedals (12) ermöglicht.

4. Bremspedalsystem (10), das umfasst:

a) ein Bremspedal (12), das einen flexiblen Arm (14) aus faserverstärktem Verbundwerkstoff mit einem ersten distalen Ende (16), das fest mit der Fahrzeugkonstruktion (18) verbunden wird, und ein zweites distales Ende (20), auf dem eine Fußstütze (22) befestigt ist, aufweist;

b) zumindest einen Sensor (22), der in das Bremspedal (12) eingelassen ist und dazu dient, den Grad der Auslenkung des Bremspedals (12) zu messen und ein entsprechendes Signal zu senden;

c) einen kompressibler Anschlag (24), der im Fahrzeug in einem bestimmten Abstand (26) von dem Bremspedal (12) so befestigt ist, dass das Bremspedal (12) den Anschlag (24) berührt, wenn es um den Betrag des Abstands (26) ausgelenkt wurde, jedoch durch seine Kompressibilität eine weitere Auslenkung des Bremspedals (12) ermöglicht.

5. Ein Bremspedalsystem (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Arm (14) aus einem Material mit variabler Steifigkeit besteht, sodaß der Fahrer die Steifigkeit des Bremspedals (12) selektiv vergrößern oder verringern kann.

6. Bremspedalsystem (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (24) aus einer Vielzahl getrennter Schichten mit unterschiedlichen Steifigkeiten besteht, sodaß der Anschlag (24) einer weiteren Auslenkung des Bremspedals (12) einen wachsenden elastischen Widerstand entgegensetzt, wenn dieses den Anschlag (24) einmal erreicht hat.