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Die
Erfindung betrifft ein Pedal, ein Steuersystem für ein Kfz und ein Kraftspitzen-Element.
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Zur
Steuerung von Funktionen eines Kfz sind Pedale bekannt. Bei heutigen
Drive-by-wire-Steuerungen
ist hierbei am Pedal eine Sensoreinheit vorgesehen, die ein Sensorsignal
entsprechend der Auslenkung erzeugt und an eine Steuereinheit übermittelt.
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Für Fahrpedale
eines Kfz ist es bekannt, eine hier allgemein als "Kraftspitzen-Element" bezeichnete Einheit
vorzusehen, die einen Verlauf der Rückstellkraft in Form einer
Kraftspitze hervorruft. Während
bei Pedalen üblicherweise
die Rückstellkraft durch
entsprechende Rückstellelemente
mit stärkerer
Betätigung
ansteigt, wird unter einer Kraftspitze ein Verlauf verstanden, bei
dem die Rückstellkraft
mit dem Betätigungsweg
zunächst
ansteigt, nach Überwindung
der Kraftspitze aber abfällt.
Der Anstieg bis zur Kraftspitze ist hierbei bevorzugt steil, so
daß die Kraftspitze
als eine Schaltschwelle vom Benutzer sehr deutlich wahrgenommen
wird. Ein derartiges Kraftspitzen-Element wird bisher hauptsächlich als Kick-down-Schalter
für Fahrzeuge
mit Automatikgetrieben verwendet. Das Kick-Down-Element dient dabei dazu, dem Fahrzeugführer durch
eine Kraftspitze im Verlauf der in der Regel linear ansteigenden
Kraft zur Betätigung
des Pedalelements das Erreichen der Kick-Down-Stellung spürbar zu machen. Vorteilhafterweise
ist dabei das Kick-Down-Element so angeordnet, daß es kurz
vor der maximalen Auslenkung wirksam wird. Eine Betätigung des
Pedalelements mit einer höheren
als der durch das Kick-Down-Element entgegengebrachten Kraft führt zu einer
Aktivierung der Kick-Down-Funktion, bei der das Automatikgetriebe
herunterschaltet.
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Aus
der
DE 100 31 097 ist
bereits eine Fahrpedalvorrichtung mit einem mechanischen Kick-Down-Element bekannt
In der Druckschrift ist zunächst
ein Kick-Down-Element mit einem federgespeicherten zapfenförmigen Stößelkörper beschrieben,
durch eine Ausnehmung mit federgespeicherten Kugeln gedrückt wird.
Ferner wird in der Druckschrift eine Fahrpedal vorrichtung mit einem
magnetischen Kick-Down-Element beschrieben. Ein magnetisches Kick-Down-Element
umfasst dabei einen Stößelkörper, der
bei einer bestimmten Auslenkung des Pedalelements auf ein Magnetelement
trifft und dieses gegen eine Magnetkraft und eine Magnetgegenkraft
bewegt. Die entsprechende Kraft/Weg-Kennlinie ist durch geeignete
Wahl der Elemente und ihrer jeweiligen Anordnung einstellbar. In
jedem Fall handelt es sich aber um Kraftspitzen-Kennlinien, gekennzeichnet
durch einen Kraftanstieg bis zu einer Kraftspitze und anschließendem Kraftabfall.
Diese Elemente haben sich bewährt,
sind aber relativ teuer.
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Für einen
Schalter, der insbesondere als Rückfahrlichtschalter,
Getriebeschalter oder Temperaturschalter für Kraftfahrzeuge verwendet
werden kann, wird in der DE-A-39 17 659 eine Konstruktion mit einer
beidseitig eingespannten Schnappscheibe vorgeschlagen. Eine Membran
aus federelastischem Metall ist randseitig eingespannt und wird
durch einen Stößel betätigt. Nachteil
dieser Konstruktion ist aber, daß mit vertretbaren Baugrößen nur
ein sehr geringer Schaltweg erreicht wird.
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Eine
randseitig eingespannte Feder als Kick-Down-Anschlag für ein Pedal
zeigt die DE-A101 06 709. Hier werden in verschiedenen Ausführungsformen
Blattfedern als Kraftspitzen-Elemente
vorgeschlagen, die jeweils beidseitig eingespannt sind. Ein Nocken
an der Unterseite eines Pedalelements betätigt die Blattfeder und führt zu einem
mechanisch spürbaren
Kick-Down-Anschlag.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Pedal und ein Steuersystem hiermit
sowie ein Kraftspitzen-Element vorzusehen, die hohe Betätigungskräfte und lange
Betätigungswege
bei kleinen Abmessungen ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Pedal nach Anspruch 1, ein Steuersystem nach Anspruch 13
und ein Kraftspitzen-Element nach Anspruch 14. Abhängige Ansprüche beziehen
sich auf vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Pedal
sind zunächst
in bekannter Weise ein Pedalelement und ein Grundelement vorgesehen,
wobei das Pedalelement in einer Betätigungsrichtung auslenkbar
ist. Eine entsprechende Rückstellkraft
wird bspw. durch entsprechende Rückstellelemente, üblicherweise
Federn, aufgebracht.
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Zusätzlich verfügt das Pedal über ein
Kraftspitzen-Element, das erfindungsgemäß eine einseitig eingespannte
Blattfeder aufweist. Die Blattfeder weist in ihrer Fläche eine
Struktur auf, die zu einem Schnappverhalten führt, d.h. daß die Blattfeder
reversibel umspringt und so eine Betätigungscharakteristik in Form
einer Kraftspitze erzeugt. Die Struktur kann bspw. eine Krümmung, ein
Knick, eine Prägung und/oder
einen Längsschlitz
umfassen. Die Blattfeder weist ein freies Ende auf, das nicht gehalten
ist. Bei Betätigung
durch Herunterdrücken
des Pedals wird die Blattfeder an ihrem freien Ende in einer Richtung
im wesentlichen quer zu ihrer Fläche
ausgelenkt. Durch die Ausbildung als Blattfeder mit der Struktur
in der Fläche
wird eine Federkennlinie erzielt, die dem für das Kraftspitzen-Element
gewünschten
Verlauf entspricht. Die Feder springt hierbei aus einer ersten stabilen
Lage (eingespannte Feder ohne zusätzliche Belastung) in eine
zweite stabile Lage (ausgelenkte Feder) reversibel um. Die sich
ergebende Kraft/Weg-Kennlinie zeigt eine Kraftspitze, bis zu der
die Rückstellkraft
ansteigt und ab der die Rückstellkraft
geringer wird.
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Ein
derartiges Kraftspitzen-Element ist besonders einfach und kostengünstig zu
fertigen. Für den
Einsatz in einem Fahrpedal ist besonders vorteilhaft, daß auch bei
geringer Größe relativ
hohe Kräfte (Kraftspitze)
und relativ große
Betätigungswege
erreicht werden können.
Somit ist das Element besonders für ein mit dem Fuß zu betätigendes
Pedal geeignet.
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In
einer Ausführung
weist die Blattfeder eine Krümmung
um eine in Längsrichtung
verlaufende Krümmungsachse
auf. Die Längsrichtung
ist hierbei als die Richtung von der Einspannung zum freien Ende
zu verstehen. Eine solche Struktur weist ein stabiles Schnappverhalten
auf und ist besonders einfach und damit kostengünstig zu fertigen. In einer weiteren
Ausführung
ist in der Fläche
der Blattfeder mindestens ein in Längsrichtung verlaufender Knick oder
eine in Längsrichtung
verlaufende Sicke vorgesehen. Als weitere Alternative kann die Fläche der Blattfeder
mindestens eine als geschlossene Linie ausgebildete, bevorzugt im
Wesentlichen runde Prägung
aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführung
ist mindestens ein Längsschlitz
in der Fläche
der Blattfeder vorgesehen, der die Fläche in zwei Abschnitte teilt.
Der Schlitz endet bevorzugt vor dem freien Ende der Blattfeder,
so daß die
beiden Abschnitte am freien Ende wieder zusammenkommen. Mindestens
einer der Abschnitte ist so gekrümmt,
daß er
eine Auslenkung quer zur Fläche
aufweist.
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Ebenso
sind Mischformen möglich.
Statt eines einfachen Knicks kann eine Sicke vorgesehen sein, die
bevorzugt in Längsrichtung
(d. h. bei Einspannung zum freien Ende) verläuft. Ebenso können zwei
oder mehr Knicke oder Sicken vorgesehen sein. Auch sind beliebige
weitere Mischformen (Kombination aus Knicken, Prägung und Krümmung, Kombination aus Sicken
und Krümmung
etc.) denkbar, solange dadurch eine reversibel umspringende Feder
erzeugt wird.
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Bevorzugt
besteht die Blattfeder aus Metall, bspw. einem Federstahl. Weiter
bevorzugt weist sie im wesentlichen rechteckige Form auf.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist die Blattfeder in einem Halteelement
bspw. gekrümmt
oder geknickt eingespannt. Das Halteelement kann bspw. aus Kunststoff
bestehen und starr mit dem Pedalelement oder Grundelement verbunden
sein. Bevorzugt ist die Blattfeder in dem Halteelement zwischen
einem oberen und einem unteren Backen eingespannt. Hierbei ist es
bevorzugt, das von der Länge
der Blattfeder mindestens 10%, bevorzugt mehr als 20% eingespannt
sind, wobei der Rest frei von dem Halteelement vorsteht.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Kraftspitzen-Elements mit einer ersten Ausführungsform
einer Blattfeder;
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2a-2e Querschnitte
von reversibel umspringenden Blattfedern gemäß der ersten sowie einer zweiten
bis fünften
Ausführungsform;
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3 eine
perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform einer Blattfeder
aus 2a;
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4 eine
Seitenansicht des Kraftspitzen-Elements aus 1;
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5 eine
Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform
einer Blattfeder;
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5a eine
Schnittansicht des Schnitts A .. A in 5;
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6 eine
Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform
einer Blattfeder;
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6a eine
Schnittansicht des Schnitts entlang der Linie A .. A in 6;
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7, 8 Seitenansichten
der siebten Ausführungsform
einer Blattfeder gemäß 6 in
einer ersten und zweiten Position;
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9 eine
Seitenansicht eines Fahrpedals mit Kraftspitzen-Element in Grundstellung;
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9a eine
vergrößerte Darstellung
des Bereichs A aus 5, allerdings in einer Stellung,
die dem Beginn der Kraftspitze entspricht und
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10 eine
Diagrammdarstellung einer Kraft/Weg-Kennlinie.
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1 und 4 zeigen
ein Kraftspitzen-Element 10, das bspw. als Kick-Down-Element
in einem Fahrpedal eines Kfz verwendet werden kann. Eine Blattfeder 12 ist
in einem Halteelement 14 zwischen einem oberen Backen 16 und
einem unteren Backen 18 eingespannt. Im gezeigten Beispiel
besteht das Halteelement 14 aus Kunststoff und ist einstückig ausgebildet,
wobei ein Spalt 20 zwischen den Backen 16, 18 vorgesehen
ist. Aufgrund der Elastizität des
Materials des Halteelements 14 kann durch ein geeignetes
Spannelement (Schraube 22) die Blattfeder 12 zwischen
den Backen eingespannt werden. Alternativ können die oberen und unteren
Backen 16, 18 des Halteelements 14 auch
als getrennte Körper ausgebildet
sein. Als weitere Alternative kann die Blattfeder 12 im
Halteelement 14 eingespritzt sein.
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Weiter
ist ein Stößelelement 24 (im
gezeigten Beispiel mit abgerundeter Spitze) vorgesehen, das sich
in seiner Längsrichtung
entlang des in 1 gezeigten Pfeils bewegen kann.
Dabei kommt er mit dem freien Ende 26 der Blattfeder 12 in
Kontakt und drückt
dieses nach unten (gestrichelte Darstellung).
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Blattfeder 12 sind in den 2a-2e im
Querschnitt gezeigt. Bei der Blattfeder 12 handelt es sich
um ein flaches, rechteckiges Stück
Federstahl. Die Blattfeder 12 ist hierbei so gestaltet,
daß sie
bei einer Auslenkung quer zu ihrer Fläche reversibel umspringt.
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Gemäß der in 2a dargestellten
Ausführungsform
ist die Feder flach, weist aber wie auch in 3 und 4 gezeigt
in der eingespannten Lage eine gewisse Krümmung auf. Der Schlitz 20 bzw.
Ober- und Unterbacken 16, 18 sind entsprechend
geformt.
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Gemäß der in 2b gezeigten
zweiten Ausführungsform
weist die Feder einen Knick auf, der in Längsrichtung (von der Einspannung
zum freien Ende 26) verläuft. Entsprechend sind in diesem Fall
dann auch Ober- und Unterbacken 16, 18 des Halteelements 14 ausgebildet
(nicht dargestellt).
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In
der dritten Ausführungsform
(2c) weist die Feder eine längsverlaufende Sicke 28 auf.
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In
der vierten Ausführungsform
(2d) ist eine Sicke und zusätzlich eine Krümmung vorgesehen.
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In
einer fünften
Ausführungsform
(2e) sind zwei längslaufende Sicken vorgesehen.
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In
einer sechsten Ausführungsform
(5, 5a) weist die Blattfeder 12 eine
mittlere, runde Einprägung 13 auf.
Auch hierdurch wird bei Auslenkung am freien Ende ein reversibles
Umspringen erzielt.
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In
einer siebten Ausführungsform
(6, 6a, 7, 8)
sind an der Blattfeder 12 zwei in Längsrichtung (d.h. in Richtung
auf das freie Ende) verlaufende Schlitze 15 vorgesehen.
Die Schlitze 15 sind vollständig innerhalb der Fläche der
Feder 12 angeordnet, d.h. sie gehen nicht bis zum Rand.
Deshalb ist die Feder 12 zwar im mittleren Bereich 17 in einen
breiteren Mittelabschnitt 19 und zwei seitlich hiervon
verlaufende, schmalere Außenabschnitte 21a, 21b geteilt,
an beiden Enden der Blattfeder, d.h. insbesondere auch am freien
Ende, sind die äußeren Abschnitte 21a, 21b und
der mittlere Abschnitt 19 jedoch verbunden.
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Wie
aus 6a, 7 ersichtlich, sind die Außenabschnitte 21a, 21b gedehnt,
so daß sie
aus der Ebene der Blattfeder 12 heraus gewölbt sind,
d.h. bogenförmig
verlaufen. Alternativ ist es auch möglich, daß die verschiedenen Abschnitte 19, 21a, 21b gleich
lang sind, aber der mittlere Abschnitt 19 gegenüber den äußeren Abschnitten 21a, 21b in
die entgegengesetzte Richtung aus der Ebene heraus gewölbt ist,
also bspw. in 7 der mittlere Abschnitt 19 nach
oben und die äußeren Abschnitte 21a, 21b nach
unten.
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Auch
bei dieser Ausgestaltung ergibt sich bei einer Belastung, die am
freien Ende 26 quer zur Fläche aufgebracht wird (Pfeil
in 7, 8) ein reversibles Umspringen
der Feder 12.
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Das
Kraftspitzen-Element 10 kann allgemein für jede Anwendung
verwendet werden, bei der ein Kraftverlauf entsprechend einer Schaltschwelle
benötigt
wird. Besonders vorteilhaft kann es in einem Pedal eingesetzt werden.
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In 9 ist
in der Seitenansicht ein Pedal 30 gezeigt. Es handelt sich
um ein Fahrpedal eines Kfz mit Drive-by-wire-Steuerung. An einem
Grundelement 32 aus Kunststoff ist ein Pedalelement 34 über ein
Filmscharnier 36 schwenkbar angebracht. Die in 9 dargestellte
Grundstellung ist durch einen oberen Anschlag 38 begrenzt.
Eine Rückstelleinheit 40 umfaßt einen
Schwenkarm 42, zwei Federelemente 44 (in 9 ist
nur ein Federelement 44 sichtbar, das zweite ist dahinter
angeordnet) und einen induktiven Linearsensor 46. Das Rückstellelement 40 sorgt durch
entsprechende Reibung in seinem Drehgelenk 48 für eine gewünschte Hysterese
bei der Betätigung des
Pedalelements 34.
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Am
Rückstellelement 40 ist
auch ein Sensorelement 46 für die Position des Pedalelements 34,
d. h. dessen Auslenkung α vorgesehen.
Der induktive Linearsensor 46 arbeitet wie aus 9a ersichtlich, mit
einem induktiven Koppelelement 52 am freien Ende des Hebels 42,
dessen Position relativ zu Flachspulen auf einer Leiterplatte 54 bestimmt
wird. Entsprechende Sensoren sind bspw. aus der WO 03/038379 bekannt.
So wird der Wert der Auslenkung des Pedals ermittelt und kann von
einer Steuereinheit für
die Motorsteuerung ausgewertet werden.
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Das
Pedal 30 verfügt über einen Kick-down-Schalter 10,
der wie zuvor erläutert
aufgebaut ist. Das Halteelement 14 und die daraus hervorragende
Feder 12 ist hierbei starr mit dem Pedalelement 34 verbunden.
Das Stößelelement 24 ist
mit dem Grundelement 32 starr verbunden.
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In
der in 9 gezeigten Grundstellung sind Stößelelement 24 und
Feder 12 zunächst
voneinander entfernt. Beim Betätigen
des Pedalelements 34 wirkt die Kraft der Federelemente 44 sowie
die Reibung aus dem Drehgelenk 48 der Bewegung entgegen.
Am Ende des Betätigungsbereiches
kommt nun, wie in 5a gezeigt, die Feder 12 mit
dem Stößelelement 24 in
Kontakt. Einer weiteren Betätigung
ist dann zusätzlich
zu den bereits erwähnten
Gegenkräften
nur gegen die von der Feder 12 aufgebrachte Kraft möglich.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Form der Feder 12 setzt diese der
Auslenkung quer zu ihrer Fläche
eine Kraft entgegen, deren Verlauf eine Kraftspitzen-Charakteristik
aufweist. Die Kraft steigt bis zu einem Maximalwert (Kraftspitze)
an. Dann springt die Feder in einen zweiten Zustand um, wobei die
Gegenkraft absinkt.
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In 10 ist
in vereinfachter Form (ohne Berücksichtigung
der Reibung) die Kraft/Weg-Kennlinie einer
Bewegung des Pedalelements 34 von seiner Grundstellung
(α = o)
in Richtung der Vollgasstellung (diese Richtung ist in 5 als
Pfeil eingezeichnet) dargestellt. Die Gegenkraft F, die zunächst von
den Federelementen 44 aufgebracht wird, steigt im wesentlichen
linear mit der Auslenkung α an.
An der in 5a gezeigten Position, die der
Stelle 58 in 6 entspricht, kommt es durch
die Wirkung des Kick-Down-Elements 10 zu einem weiteren
Kraftanstieg bis zur Kraftspitze 60, d. h. dem Punkt, an
dem die Feder 12 reversibel umspringt. Danach fällt die Kraft
zunächst
ab, bis sie bei Kontakt des Pedalelements 34 am Anschlag 56 wieder
stark ansteigt.
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Der
jeweils gewünschte
Betrag der Gegenkraft und der Weg, über den die Gegenkraft entfaltet wird,
kann beeinflußt
werden durch Material und Geometrie der Feder 12.
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Es
sei darauf hingewiesen, daß die Kick-Down-Einheit 10 nicht
als elektrisches Schaltelement ausgebildet ist, sondern lediglich
den Kick-Down-Schaltpunkt für
den Benutzer fühlbar
machen soll. Die Aktivierung der Kick-Down-Funktion erfolgt dann,
wenn aus dem Signal des Sensors 46 erkannt wird, daß die Auslenkung
des Pedalelements 34 oberhalb des Schaltpunkts 60 liegt.