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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs, vorzugsweise einen Pedalkraftsimulator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein elektrisch betätigtes Kupplungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs, zum Beispiel eines Personenkraftfahrzeugs oder dergleichen, sowie auch bei Motorrädern findet sich eine Reibungskupplung, die sowohl als Anfahrelement als auch als Schaltelement dient. Zur Betätigung der Kupplung durch den Fahrer des Fahrzeugs haben sich in der Vergangenheit hydraulisch betätigte Kupplungen durchgesetzt.
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Bei einem solchen Kupplungsbetätigungssystem ist ein Betätigungselement in der Form beispielsweise des vom Fahrer zu betätigenden Kupplungspedals oder, im Falle eines Motorrads, ein Kupplungshebel vorgesehen, wobei der Fahrer des Fahrzeugs das Kupplungspedal zum Öffnen der Kupplung mit dem Fuß betätigt bzw. beim Motorrad den Kupplungshebel mit der Hand in Richtung Lenkerhandgriff zieht. Hierbei wird ein Hydraulikfluid durch den Kupplungsgeberzylinder verdrängt, wodurch ein Hydraulikdruck erzeugt wird, der wiederum von dem Kupplungsnehmerzylinder verwendet wird, um die Kupplung zu öffnen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, die Vorgaben eines Fahrzeugführers elektronisch umzusetzen, zum Beispiel so genanntes „brake-by-wire“, „drive-by-wire“ oder „clutch-by-wire“, das heißt die elektronische Umsetzung eines Fahrerbremswunsches, eines vom Fahrer mit einem Gasbetätigungselement vorgegebenen Lastwunsches oder eines Kupplungswunsches, ohne dass eine mechanische Verbindung zwischen einem Bremsbetätigungselement (z. B. Bremspedal), einem Gasbetätigungselement (z. B. Gaspedal) oder einem Kupplungsbetätigungselement (z. B. Kupplungspedal) mit seinem zugehörigen Stellorgan, das heißt einer Fahrzeugbremsanlage, einem Laststeuerorgan eines Fahrzeugantriebsaggregats oder einer Fahrzeugkupplung, besteht. Hierzu wird die Fahrervorgabe lediglich mittels eines Positionssensors am entsprechenden Betätigungselement aufgenommen, anschließend zum Beispiel durch eine elektronische Steuereinrichtung elektronisch weiterverarbeitet und letztlich durch einen geeigneten Aktor, der mit Hilfsenergie gespeist wird, umgesetzt. Da das Betätigungselement hierbei lediglich ein elektrisches Signal liefert, sind am Betätigungselement, zum Beispiel dem Bremspedal, Gaspedal und/oder Kupplungspedal, geeignete Maßnahmen vorzusehen, mit Hilfe derer während einer Betätigung des Betätigungselements ein übliches Betätigungsgefühl für den Fahrer erzeugt wird.
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So ist beispielsweise aus der
US 2007/0234842 A1 ein elektronisch steuerbares Gaspedal eines Fahrzeugs mit Kickdown-Funktion bekannt, das einem Fahrer eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt. Hierzu ist das Gaspedal schwenkbar am Fahrzeug gelagert, wobei mit dem Gaspedal ein Reibelement verbunden ist, das beim Verschwenken des Gaspedals gegen eine bogenförmig verlaufende, erste Reibfläche reibt. Ferner ist eine zweite Reibfläche vorgesehen, die sich an die erste Reibfläche über eine Reibflächenstufe anschließt, deren Überwindung durch das Reibelement einen höheren Kraftaufwand am Gaspedal erfordert, wodurch dem Fahrer eine haptische Rückmeldung bei der Aktivierung der Kickdown-Funktion gegeben wird.
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In der
DE 101 05 265 A1 wird eine Rückstellvorrichtung für Pedale eines Kraftfahrzeugs beschrieben, bei welcher das Pedal über ein Federelement schwenkbar an einer Fahrzeugkarosserie festgelegt ist. Mit dem Pedal ist ferner ein Reibelement verbunden, das bei Betätigung des Pedals entlang einer an der Karosserie bereitgestellten Reibfläche reibt.
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Aus der
DE 10 2012 217 541 A1 ist eine Kupplungspedaleinrichtung mit einem drehbar gelagerten Kupplungspedal und Mitteln zur Erzeugung eines vorbestimmten Verlaufs der Pedalkraft über dem Pedalweg bekannt. Der Verlauf der Pedalkraft über dem Pedalweg weist nach einem Abschnitt mit positiver Steigung auch einen Abschnitt mit negativer Steigung auf. Die Mittel zur Erzeugung des vorbestimmten Kraft-Weg-Verlaufs sehen vor, dass der Pedalarm auf einen von einer Gegenkraft beaufschlagten, drehbar gelagerten Hebelarm wirkt und bei Betätigung des Kupplungspedals auf einer Kontur des Hebelarms bewegt wird.
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Die
DE 10 2011 075 603 A1 beschreibt eine Fahrpedaleinheit für Kraftfahrzeuge, wobei eine durch eine entsprechende Betätigungskraft herbeigeführte Lageänderung der Pedalplatte gegenüber seiner Ausgangslage entgegen einer Rückstellkraft einer Rückstellfeder zu einer Erhöhung der Antriebskraft eines Motors führt und bei nachlassender Betätigungskraft die Rückstellkraft der Rückstellfeder die Pedalplatte in Richtung seiner Ausgangslage zurückbefördert. Es sind ferner Mittel vorgesehen, die eine Hysterese der Pedalkennlinie erzeugen, wobei die Mittel als Reibelement und mit dem Reibelement zusammenwirkende Reibfläche ausgebildet sind. Das Reibelement ist gegen die Reibfläche federbelastet. Die Reibfläche ist mit der Pedalplatte verbunden und wird bei Betätigung der Pedalplatte relativ gegenüber dem Reibelement gedreht.
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Die
WO 2015/165451 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs mit einer Kolben-Zylinder-Einheit. Ein Arbeitskolben ist über eine Kolbenstange mit dem Betätigungselement verbunden, welches den Kolben innerhalb des Zylinders axial bewegt. In den Zylinder ragt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens ein Widerstandselement hinein, an welchem der Kolben in Abhängigkeit der Stellung des Betätigungselements reibend entlang bewegt wird.
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Aus der
EP 2 896 539 A2 ist ein System zur Pedalkraftsimulation für ein Kupplungsbetätigungssystem bekannt, bei dem das Pedal mit einer Pedalkraft betätigbar ist und mit einem, in einem Gehäuse entgegen einer Rückstellkraft einer Rückstellfeder axial verschiebbaren Kolben wirkverbunden ist. Die Stellung des Pedals wird über einen Sensor erfasst und an die die Kupplung betätigende Aktorik weitergeleitet. Der Kolben ist mit wenigstens einem weiteren federnden Element wirkverbunden, welches mit ansteigendem und abfallendem Kraftverlauf eine Hysterese bereitstellt.
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Des Weiteren beschreibt die
DE 11 2012 001 380 T5 eine elektronische Kupplungsanordnung, die ein realistisches Pedalgefühl zur Verfügung stellt, wobei der Widerstand am Kupplungspedal bis zum Lösepunkt der Kupplung steigt und der Widerstand am Kupplungspedal nach dem Lösepunkt der Kupplung abnimmt. Hierzu ist eine sowohl drehbare als auch komprimierbare Spannvorrichtung zwischen einem Kupplungspedalarm und einer Pedalarmhalterung vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2007 018 962 A1 ist ferner ein stehendes Kupplungspedal für ein Kraftfahrzeug bekannt, das einen Positionssensor umfasst, aufgrund von dessen Signalen eine im Fahrzeugantriebsstrang vorgesehene Kupplung elektronisch angesteuert und mittels eines mit Hilfsenergie gespeisten Aktors entsprechend betätigt wird. Es sind am Kupplungspedal angreifende Federelemente vorgesehen zur Erzeugung einer Pedalkraftkennlinie, die die für den Fahrer spürbare Pedalkraft über den Pedalweg wiedergibt, so dass die Pedalkraftkennlinie ausgehend von der Neutralstellung des Kupplungspedals einen zunächst stetig ansteigenden Verlauf der Betätigungskraft bis zu einem Kraftmaximum zeigt und anschließend hieran in einen degressiven Verlauf übergeht, wobei zur Erzeugung dieser Pedalkraftkennlinie neben einer das Kupplungspedal in seine Neutralstellung bewegenden Druckfeder eine Übertotpunktfeder vorgesehen ist. Ferner ist ein geschwindigkeitsabhängiger Dämpfer zwischen dem Kupplungspedal und dem Pedalblock angebracht.
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Eine nachträglich an einer Pedaleinrichtung anbringbare Dämpfereinheit zur Vermittlung eines natürlicheren Pedalbetätigungsgefühls ist in der
US 2014/0217658 A1 offenbart. Die Dämpfereinheit wird unterhalb des Pedalarms angebracht und durch die Betätigung des Pedalarms in Rotation versetzt, wodurch wiederum ein auf den Pedalarm rückwirkendes Drehmoment erzeugt wird.
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Die
EP 1 645 769 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Betätigung einer Kupplung über einen Betätigungshebel wobei der Betätigungshebel auf einen Kupplungsgeberzylinder wirkt, über den die zum Ausrücken der Kupplung auf einen Kupplungsnehmerzylinder wirkende Ausrückkraft ansteuerbar ist. Zwischen dem Betätigungshebel und dem Kupplungsgeberzylinder ist ein Getriebe zur Erzeugung eines über den Betätigungsweg des Betätigungshebels veränderbaren Übersetzungsverhältnisses der Kraftübertragungsstrecke angeordnet.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs bereitzustellen, die einem das Betätigungselement betätigenden Benutzer, zum Beispiel einem Fahrzeugführer, das gleiche Gefühl vermittelt, wie wenn das Betätigungselement zur Betätigung einer mit diesem mechanisch verbundenen, beispielsweise hydraulischen Anlage verwendet werden würde. Darüber hinaus soll die Vorrichtung einfach herstellbar sein und kompakt bauen. Ferner soll ein elektrisch betätigtes Kupplungssystem eines Fahrzeugs mit denselben vorteilhaften Eigenschaften aufgezeigt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Kraftsimulation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein elektrisch betätigtes Kupplungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs, welche eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, eine Halterung zur schwenkbaren Befestigung des Betätigungselements am Fahrzeug. Das Betätigungselement, beispielsweise ein Betätigungshebel oder ein Pedal, ist an der Halterung entlang eines Betätigungswegs zwischen einer Nichtbetätigungsstellung und einer Betätigungsstellung um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert. Auf das Betätigungselement wirkt ferner eine Rückstellkraft einer Rückstellfeder in Richtung seiner Nichtbetätigungsstellung. Des Weiteren ist wenigstens ein Reibelement vorgesehen, das beim Verschwenken des Betätigungselements entlang des Betätigungswegs gegen eine bogenförmig verlaufende Reibfläche reibt. Das Reibelement ist darüber hinaus gegen die Reibfläche federbelastet. Gemäß der Erfindung weist die Reibfläche wenigstens einen Nocken auf, wobei sich bei Betätigung des Betätigungselements entlang des Betätigungswegs die Reibfläche und das Reibelement derart relativ zueinander bewegen, dass sich das Reibelement entlang der bogenförmig verlaufenden Reibfläche wenigstens auf oder über den Nocken hinweg bewegt.
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Als Nocken ist hierbei insbesondere ein im Wesentlichen gerundeter Vorsprung auf der ansonsten flach und bogenförmig verlaufenden Reibfläche zu verstehen. Insbesondere weist ein solcher Nocken in Bezug auf die Reibfläche vorzugsweise eine ansteigende Flanke, ein Maximum und eine abfallende Flanke auf, so dass sich durch den Nocken eine Erhöhung der bzw. auf der Reibfläche ergibt.
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Da während der Betätigung des Betätigungselements entlang des Betätigungswegs zwischen der Nichtbetätigungsstellung und der Betätigungsstellung das Reibelement an der Reibfläche entlangreibt, gegen diese federbelastet ist und sich wenigstens auf den Nocken, vorzugsweise darüber hinweg, bewegt, ergibt sich ein von dem Betätigungswinkel des Betätigungselements abhängiger Reibungskraftverlauf. In Kombination mit der mit dem Betätigungswinkel des Betätigungselements sich linear verändernden Rückstellkraft der Rückstellfeder ergibt sich an dem Betätigungselement insgesamt eine Reaktionskraft, die im Wesentlichen der Reaktionskraft entspricht, die ein Bediener des Betätigungselements empfinden würde, wenn dieses mit einer herkömmlichen, zum Beispiel hydraulischen Anlage zu deren Betätigung mechanisch gekoppelt wäre.
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Da die Reibfläche gemäß der Erfindung zudem bogenförmig gekrümmt verläuft, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakter bauen, als es bei einer linear verlaufenden Reibfläche der Fall sein würde. Insbesondere kann in dem erfindungsgemäßen Fall somit entweder das wenigstens eine Reibelement infolge der Betätigung des Betätigungselements entlang der gekrümmten Reibfläche auf einer Kreisbahn bewegt werden, wobei die Reibfläche bezüglich der Halterung ruht, oder die gekrümmte Reibfläche kann am Reibelement vorbeigedreht werden, wobei in diesem Fall das Reibelement in Bewegungsrichtung der Reibfläche an der Halterung ruhen könnte.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Reibelement an der Halterung in Bezug auf die bogenförmige Reibfläche federnd radialbeweglich befestigt und die Reibfläche ist mit einem das Betätigungselement an der Halterung lagernden, um die Schwenkachse drehbaren, mit dem Betätigungselement drehfest verbundenen Achsbolzen verbunden. Dementsprechend dreht sich die Reibfläche bei Betätigung des Betätigungselements entlang des Betätigungswegs um die Schwenkachse. Dies stellt eine kompakt bauende und einfach herzustellende Vorrichtung bereit, da das wenigstens eine Reibelement lediglich radial zur gekrümmten Reibfläche beweglich und durch ein Federelement gegen die Reibfläche vorgespannt an der Halterung gelagert sein muss, während die Reibfläche infolge der Betätigung des Betätigungselements um die Schwenkachse am Reibelement vorbei gedreht wird.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an jedem axialen Ende des Achsbolzens jeweils eine Reibfläche und wenigstens ein Reibelement angeordnet sind. Hierdurch lässt sich auf einfache und kompakte Weise die während der Betätigung des Betätigungselements an diesem wirkende Reibkraft verdoppeln bzw. die Anpresskraft bei gleicher Gesamtreibkraft zwischen jedem federbelasteten Reibelement und der jeweiligen Reibfläche verringern, um so eine Abnutzung der Reibelemente möglichst gering zu halten und somit die Lebensdauer und Haltbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen.
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Wie bereits vorstehend erläutert wurde, ist die Reibfläche gemäß der vorliegenden Erfindung bogenförmig gekrümmt. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Reibfläche entsprechend eines Kreisbogens gekrümmt sein. Sie kann jedoch beispielsweise auch elliptisch, parabolisch, hyperbolisch und dergleichen gekrümmt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Reibfläche von einer Außenumfangsfläche einer wenigstens einen Kreissektor bildenden Nockenscheibe oder von einer Innenumfangsfläche eines wenigstens einen Kreisbogen bildenden Nockenrings gebildet. Im ersten Fall ist das wenigstens eine Reibelement radial von außen gegen die Außenumfangsfläche der Nockenscheibe federnd vorgespannt. Im zweiten Fall ist das wenigstens eine Reibelement radial von innen gegen die Innenumfangsfläche des Nockenrings federnd vorgespannt. In beiden Fällen können sowohl die Nockenscheibe bzw. der Nockenring drehbar an der Halterung des Betätigungselements gelagert sein und infolge der Betätigung des Betätigungselements in Drehung versetzt werden, so dass sie sich an dem entsprechenden, wenigstens einen Reibelement vorbeidrehen, oder das jeweilige, wenigstens eine Reibelement kann um die Nockenscheibe bzw. innerhalb des Nockenrings an der Halterung des Betätigungselements drehbar gelagert sein und sich infolge der Betätigung des Betätigungselements an der durch die Nockenscheibe bzw. den Nockenring bereitgestellten Reibfläche entlangbewegen.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei Reibelemente vorgesehen und die Reibfläche ist als vollständig umlaufende Zylindermantelfläche ausgebildet, auf der wenigstens zwei diametral angeordnete Nocken angeordnet sind. Hierbei sind die Reibelemente ebenfalls derart diametral angeordnet und jeweils derart einem Nocken zugeordnet, dass sich bei Betätigung des Betätigungselements entlang des Betätigungswegs die Reibfläche und jedes Reibelement derart relativ zueinander bewegen, dass sich jeweils ein Reibelement entlang der Reibfläche wenigstens auf oder über seinen zugeordneten Nocken hinweg bewegt. Hierdurch lässt sich auf einfache und kompakte Weise die während der Betätigung des Betätigungselements an diesem wirkende Reibkraft erhöhen oder die Anpresskraft bei gleicher Gesamtreibkraft zwischen jedem federbelasteten Reibelement und der Reibfläche verringern, um so eine Abnutzung der Reibelemente möglichst gering zu halten und somit die Lebensdauer und Haltbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erhöhen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die der Reibfläche zugewandte Seite des Reibelements eine bezüglich der Reibfläche konkave Kontur aufweist. Auf diese Weise lässt sich die der Reibfläche zugewandte Seite des wenigstens einen Reibelements im Wesentlichen an die Form des Nockens der Reibfläche anpassen, so dass sich ein besser steuerbarer Kraftverlauf der Reibung zwischen dem Reibelement und der Reibfläche ergibt, wenn sich das Reibelement auf den Nocken bzw. darüber hinweg bewegt.
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Ebenso lässt sich während der Betätigung des Betätigungselements der Kraftverlauf der Reibung zwischen dem wenigstens einen Reibelement und der Reibfläche insbesondere im Verlauf der Bewegung des Reibelements auf bzw. über den Nocken der Reibfläche hinweg verbessern, indem gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die bezüglich der Bewegungsrichtung des Reibelements zur Reibfläche definierte Vorderseite und/oder Rückseite des Reibelements an der der Reibfläche zugewandten Seite des Reibelements mit jeweils einer Fase versehen wird. Die Fase bzw. Anschrägung des Reibelements an seiner Vorder- und/oder Rückseite erlaubt eine Anpassung an die Steigung der ansteigenden bzw. abfallenden Flanke des Nockens der Reibfläche und damit eine bessere Steuerung der an dem Reibelement erzeugten Reibkraft.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist je Reibelement wenigstens eine Tellerfeder vorgesehen, die das Reibelement bezogen auf die Reibfläche radial gegen diese vorspannt.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Rückstellfeder ein linear betätigbares Federelement sein, beispielsweise eine Schraubenfeder. Diese kann beispielsweise im Falle eines Kupplungspedals als Betätigungselement an der Stelle des Kupplungsgeberzylinders einer herkömmlichen, hydraulischen Kupplungsbetätigungseinrichtung angeordnet sein, so dass sich insgesamt ein kompakter Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftsimulation an dem Betätigungselement ein Pedalkraftsimulator eines Kraftfahrzeugs.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrisch betätigtes Kupplungssystem für Fahrzeuge bereitgestellt, das ein Betätigungselement, zum Beispiel ein Kupplungspedal oder ein Kupplungshebel, aufweist, das mit einer Vorrichtung zur Kraftsimulation an dem Betätigungselement versehen ist. Hierbei wird die Betätigungsstellung des Betätigungselements von einer Sensoreinheit erfasst und elektrisch an eine Steuereinheit weitergegeben, die mit einer Kupplung des Fahrzeugs in Wirkverbindung steht, um diese mittels einer geeigneten Aktorik zu betätigen. Die Vorrichtung zur Kraftsimulation ist hierbei nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet. Weitere Ausgestaltungen des elektrisch betätigten Kupplungssystems, deren Wirkungen und Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kraftsimulation an dem Betätigungselement, die sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße, elektrisch betätigte Kupplungssystem angewendet werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wird. In diesen Zeichnungen zeigen schematisch:
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1 eine perspektivische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von rechts,
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2 eine perspektivische Seitenansicht der Vorrichtung aus 1 von links,
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3 eine vergrößerte, seitliche Ausschnittansicht der Vorrichtung aus 1 im Bereich der Schwenkachse, und
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4 Kraft-Weg-Kurven zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt eine perspektivische Seitenansicht einer Vorrichtung 1 zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement 2 eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von rechts dar und 2 eine perspektivische Seitenansicht der Vorrichtung 1 von links. Wie 1 zu entnehmen ist, ist das Betätigungselement 2 des dargestellten Ausführungsbeispiels ein Pedalarm 2, der an einem freien Ende eine Pedalplatte 3 zur Betätigung des Pedalarms 2 durch einen Fahrer des Fahrzeugs mit seinem Fuß (nicht dargestellt) aufweist. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 handelt es sich bei dem Betätigungselement 2 insbesondere um ein Kupplungspedal zur elektrischen Betätigung eines Kupplungssystems des Fahrzeugs.
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An seinem dem freien Ende entgegengesetzten Ende des Pedalarms 2 ist das Betätigungselement 2 schwenkbar mit einer Halterung 4 verbunden. Die Halterung 4 dient der Befestigung des Betätigungselements 2 am Fahrzeug, indem diese ihrerseits beispielsweise an einem Karosserieteil des Fahrzeugs festgelegt werden kann.
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Das Betätigungselement 2 bzw. der Pedalarm 2 ist an der Halterung 4 entlang eines Betätigungswegs zwischen einer Nichtbetätigungsstellung, in welcher das Betätigungselement 2 nicht betätigt ist und sich in seiner Neutralstellung befindet, und einer Betätigungsstellung, in welcher das Betätigungselement 2 niedergedrückt ist, um eine Schwenkachse 5 schwenkbar gelagert.
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Ferner wirkt auf das Betätigungselement 2 eine Rückstellkraft einer Rückstellfeder 6 in Richtung seiner Nichtbetätigungsstellung. Vorteilhafterweise ist die Rückstellfeder 6 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 eine linear betätigbare Rückstellfeder 6, wie beispielsweise eine sich axial im Wesentlichen geradlinig erstreckende Druckfeder (z. B. Schraubenfeder). Diese ist bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 an derselben Stelle angeordnet, an der bei einem herkömmlichen, hydraulischen Kupplungssystem der Kupplungsgeberzylinder angeordnet wäre. Somit kann der bei einem elektrisch betätigten Kupplungssystem nicht mehr benötigte Bauraum für den Kupplungsgeberzylinder in vorteilhafter Weise zur Anordnung der Rückstellfeder 6 genutzt werden, was einen kompakten Aufbau der Vorrichtung 1 ermöglicht.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, handelt es sich bei dem Betätigungselement 2 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 um ein Kupplungspedal zur elektrischen Betätigung eines Kupplungssystems des Fahrzeugs. Hierzu wird die Betätigungsstellung des Betätigungselements 2 von einer Sensoreinheit 7 erfasst und elektrisch an eine Steuereinheit 8 weitergegeben, die mit einer Kupplung des Fahrzeugs (nicht dargestellt) in Wirkverbindung steht, um diese mittels einer geeigneten Aktorik (ebenfalls nicht dargestellt) entsprechend der Betätigungsstellung des Betätigungselements 2 zu betätigen.
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Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, sind sowohl auf der rechten als auch auf der linken Seite der Schwenklagerung des Betätigungselements 2 an der Halterung 4 jeweils vier Reibelemente 9 konzentrisch und umfänglich gleichverteilt, das heißt diametral, um die Schwenkachse 5 angeordnet. Die Reibelemente 9 sind gegen eine bogenförmig verlaufende Reibfläche 10 federbelastet. Beim Verschwenken des Betätigungselements 2 um die Schwenkachse 5 reiben die Reibelemente 9 an der Reibfläche 10 infolge einer Relativbewegung zwischen den Reibelementen 9 und der Reibfläche 10.
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Detaillierter ist die Anordnung und Ausgestaltung der Reibelemente 9 und der Reibfläche 10 in der in 3 dargestellten seitlichen Ausschnittansicht im Bereich der Schwenkachse 5 dargestellt. 3 ist zu entnehmen, dass konzentrisch zur Schwenkachse 5 ein um die Schwenkachse 5 drehbarer Achsbolzen 11 an der Halterung 4 gelagert ist. An dem Achsbolzen 11 ist das Betätigungselement 2 drehfest angebunden, so dass sich der Achsbolzen 11 bei Betätigung des Betätigungselements 2 in der Halterung 4 um die Schwenkachse 5 dreht. Des Weiteren ist die Reibfläche 10 drehfest mit dem Achsbolzen 11 verbunden, so dass sich die Reibfläche 10 bei Betätigung des Betätigungselements 2 mit dem Achsbolzen 11 ebenfalls um die Schwenkachse 5 dreht.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist weiter zu erkennen, dass die Reibfläche 10 von einer Außenumfangsfläche einer in der gezeigten Seitenansicht einen Vollkreis bildenden Nockenscheibe 12 gebildet ist. Somit erstreckt sich die Reibfläche 10 in dieser Ausführung entlang eines Kreisbogens, da die Reibfläche 10 als vollständig umlaufende Zylindermantelfläche der Nockenscheibe 12 ausgebildet ist. Die Nockenscheibe 12 weist auf ihrer Außenumfangsfläche, das heißt der Reibfläche 10, insgesamt vier Nocken 13 auf. Die Nocken 13 sind ähnlich wie die Reibelemente 9 entlang des Außenumfangs der Nockenscheibe 12 gleichmäßig verteilt, das heißt diametral, angeordnet. Jeder Nocken 13 bildet bezüglich der an sich flach und bogenförmig verlaufenden Reibfläche 10 einen im Wesentlichen gerundeten Vorsprung.
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Die Reibelemente 9 sind in tangentialer Richtung der Reibfläche 10 ortsfest an der Halterung 4 gelagert und in radialer Richtung zur Reibfläche 10 radialbeweglich und federnd gegen die Reibfläche 10 vorgespannt. Zur federnden Vorspannung der Reibelemente 9 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 pro Reibelement 9 jeweils eine Tellerfeder 14 vorgesehen. Andere Federelemente, zum Beispiel Blattfedern oder Schraubenfeder, oder auch mehrere Federelemente pro Reibelement 9 können ebenfalls verwendet werden.
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Des Weiteren ist 3 zu entnehmen, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 die der Reibfläche 10 zugewandte Seite jedes Reibelements 9 eine bezüglich der Reibfläche 10 konkave Kontur 15 aufweist. Darüber hinaus ist bei der in 3 dargestellten Vorrichtung 3 die bezüglich der Bewegungsrichtung des Reibelements 9 zur Reibfläche 10 (tangentiale Richtung zur Reibfläche 10) definierte Vorderseite und Rückseite jedes Reibelements 9 an der der Reibfläche 10 zugewandten Seite des Reibelements 9 mit jeweils einer Fase 16 versehen.
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Die in 3 dargestellte Position der Reibelemente 9 und der Reibfläche 10 entspricht dem Nichtbetätigungszustand des Betätigungselements 2. In diesem Zustand liegen die Reibelemente 9 gegen die kreisbogenförmig und flach verlaufende Reibfläche 10 an, wie in 3 dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 entspricht der insgesamt mögliche Betätigungsweg des Betätigungselements 2 einer Drehung des Achsbolzens 11 um etwa 35 °.
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Wird nun das Betätigungselement 2 in Richtung seiner Betätigungsstellung betätigt, dreht sich in der Darstellung der 3 die Nockenscheibe 12 in etwa um 35 ° im Uhrzeigersinn. Hierbei reibt jedes Reibelement 9 zunächst mit konstantem Anpressdruck (= konstante Reibkraft) entlang der kreisbogenförmig, flach verlaufenden Reibfläche 10, bis jedes Reibelement 9 jeweils einen Nocken 13 erreicht. Um bei weiterer Drehung der Nockenscheibe 12 auf den Nocken 13 zu gelangen, wird jedes Reibelement 9 in radialer Richtung bezogen auf die Reibfläche 10 nach außen bewegt, wodurch die durch jede Tellerfeder 14 bereitgestellte Vorspannung auf jedes Reibelement 9 solange ansteigt, bis das Maximum des Nockens 13 erreicht ist. Hierdurch erhöht sich die zwischen der Reibfläche 10 und dem jeweiligen Reibelement 9 wirksame Reibkraft.
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Die bei der Vorrichtung 1 vorgesehene Fase 16 bzw. Anschrägung jedes Reibelements 9 an seiner Vorderseite erlaubt eine Anpassung an die Steigung der ansteigenden Flanke jedes Nockens 13 der Reibfläche 10 und damit eine bessere Steuerung der an jedem Reibelement 9 erzeugten Reibkraft. In ähnlicher Weise erlaubt die der Form jedes Nockens 13 angepasste konkave Kontur 15 auf der der Reibfläche 10 zugewandten Seite jedes Reibelements 9 einen besser steuerbaren Kraftverlauf der Reibung zwischen dem Reibelement 9 und der Reibfläche 10, wenn sich das Reibelement 9 auf den Nocken 13 bewegt.
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Sobald das Maximum jedes Nockens 13 bei weiterer Drehung der Nockenscheibe 12 bis zum Erreichen der maximalen Betätigungsstellung von jedem Reibelement 9 überwunden ist, sinkt die an jedem Reibelement 9 wirkende Reibkraft zwischen dem Reibelement 9 und der Reibfläche 10, da die durch jede Tellerfeder 14 erzeugte Vorspannung jedes Reibelements 9 infolge seiner nach innen auf die Reibfläche 10 zugewandten radialen Bewegung abnimmt. Auch hier erlaubt die Fase 16 jedes Reibelements 9 an seiner Rückseite eine Anpassung an die Steigung der abfallenden Flanke jedes Nockens 13 der Reibfläche 10 und damit eine bessere Steuerung der an jedem Reibelement 9 erzeugten Reibkraft.
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Beim Loslassen des Betätigungselements 2 dreht sich die in 3 dargestellte Nockenscheibe 12 infolge der auf das Betätigungselement 2 wirkenden Rückstellkraft der Rückstellfeder 6 (1 und 2) gegen den Uhrzeigersinn, bis die Nichtbetätigungsstellung bzw. Ausgangsstellung des Betätigungselements 2 erneut erreicht ist. Die bei dem Rückweg der Nockenscheibe 12 erzeugte Reibung zwischen den Reibelementen 9 und der Reibfläche 10 führt zu einer an dem Betätigungselement 2 wahrnehmbaren geringeren Gesamtkraft als bei dem Hinweg, wodurch sich ein gewünschter Hystereseeffekt des an dem Betätigungselement 2 erzeugten Kraft-Weg-Verlaufs einstellt.
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Das auf die hierin beschriebenen Weise am Betätigungselement 2 erzeugte Kraft-Weg-Verhalten der Vorrichtung 1 entspricht in sehr guter Näherung dem Kraftverlauf, der an dem Betätigungselement 2 von einem das Betätigungselement 2 betätigenden Benutzer wahrnehmbar ist, wenn das Betätigungselement 2 zur Betätigung einer hydraulisch betätigten Kupplung verwendet werden würde.
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In 4 sind die der vorangehenden Beschreibung entsprechenden Kraft-Weg-Kurven der Vorrichtung 1 aus 1 aufgetragen. Hierbei entspricht die Abszisse dem Pedalweg 17 des Betätigungselements 2 in Millimeter und die Ordinate entspricht der Kraft in Newton.
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Die in 4 dargestellte Kurve 19 entspricht dem Reibkraftverlauf des an der flachen, kreisbogenförmig verlaufenden Reibfläche 10 reibenden Reibelements 9. Diese ist für den Hin- und Rückweg der Betätigung des Betätigungselements 2 gleich und konstant.
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Die Kurve 20 beschreibt den Reibkraftverlauf des Reibelements 9 während der reibenden Bewegung entlang eines Nockens 13 für den Hinweg der Betätigung des Betätigungselements 2 (Bewegung des Betätigungselements 2 von der Nichtbetätigungsstellung in die Betätigungsstellung). Wie zuvor beschrieben, steigt der Kraftverlauf mit der Bewegung des Reibelements 9 entlang der ansteigenden Flanke des Nockens 13 zunächst an, erreicht ein Kraftmaximum und fällt bei der Bewegung entlang der abfallenden Flanke des Nockens 13 wieder auf seinen Ausgangswert ab.
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Die Kurve 21 beschreibt den Reibkraftverlauf des Reibelements 9 während der reibenden Bewegung entlang eines Nockens 13 für den Rückweg der Betätigung des Betätigungselements 2 (Bewegung des Betätigungselements 2 von der Betätigungsstellung in die Nichtbetätigungsstellung). Qualitativ entspricht die Kurve 21 dem Verlauf der Kurve 20, jedoch ist die Reibkraft der Kurve 21 gegenüber der Kurve 20 aufgrund der zwischen den Reibelementen 9 und der Reibfläche 10 erzeugten Reibung verringert (Hysterese).
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Die in 4 dargestellte Kurve 22 stellt den linearen Kraftverlauf der durch die Rückstellfeder 6 erzeugten Federkraft für den Hinweg der Betätigung des Betätigungselements 2 dar. Die Kurve 23 stellt den linearen Kraftverlauf der durch die Rückstellfeder 6 erzeugten Federkraft für den Rückweg der Betätigung des Betätigungselements 2 dar. Auch hier ergibt sich aufgrund von innerer Reibung der Rückstellfeder 6 (z. B. einer Schraubendruckfeder) ein Hystereseverhalten dieses Kraftverlaufs.
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Die Kurve 24 stellt den Gesamtkraftverlauf dar, der sich aus der Addition der Einzelkraftverläufe der Kurven 19, 20 und 22 für den Hinweg der Betätigung des Betätigungselements 2 ergibt. Die Kurve 25 stellt den Gesamtkraftverlauf dar, der sich aus der Addition der Einzelkraftverläufe der Kurven 19, 21 und 23 für den Rückweg der Betätigung des Betätigungselements 2 ergibt (Hysterese).
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Der maximal mögliche Pedalweg 17 (z. B. beim Erreichen eines Endanschlags) ist durch die Kurve 26 veranschaulicht.
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Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, sind an beiden axialen Enden des Achsbolzens 11, das heißt zu beiden Seiten des Betätigungselements 2, jeweils eine Reibfläche 10 und vier Reibelemente 9 wie zuvor beschrieben angeordnet. Insgesamt weist das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 demnach zwei Reibflächen 10 und insgesamt acht Reibelemente 9 auf. Auf diese Weise lässt sich der Anpressdruck pro Reibelement 9 auf die Reibfläche 10 und damit der Verschleiß bzw. die Abnutzung der Reibelemente 9 erheblich verringern, so dass die Vorrichtung 1 eine größere Lebensdauer und Haltbarkeit aufweist.
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Vorzugsweise sind die Reibelemente 9 aus einem POM-Material (Polyoxymethylen) hergestellt, mit dem bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung 1 in etwa wenigstens 1,2 Millionen Betätigungszyklen der Vorrichtung 1 erzielbar sind.
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Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftsimulation sowie das erfindungsgemäße elektrisch betätigte Kupplungssystem sind nicht auf die hierin offenbarte Ausführungsform beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
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Insbesondere ist beispielsweise eine Bewegungsumkehr von Reibfläche und Reibelement denkbar, bei der sich anstelle der Reibfläche das wenigstens eine Reibelement um die Schwenkachse des Betätigungselements dreht, wobei dann die Reibfläche bezüglich der Halterung ruht. In diesem Fall wäre das wenigstens eine Reibelement beispielsweise mit dem Achsbolzen drehfest verbunden, so dass eine Betätigung des Betätigungselements eine Drehung des wenigstens einen Reibelements hervorrufen würde.
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Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Verwendung an Kupplungsbetätigungselementen zur elektronischen Steuerung eines Kupplungssystems eines Fahrzeugs beschränkt, sondern kann selbstverständlich generell zur Steuerung eines Fahrzeugbetriebs eingesetzt werden, beispielsweise einschließlich einer elektronischen Bremssteuerung, einer elektronischen Beschleunigungssteuerung oder jeder anderen elektronischen Steuerung, die ein Betätigungselement verwendet, an dem eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten einer herkömmlichen, mechanischen Kopplung des Betätigungselements mit seinem Stellorgan simuliert werden soll.
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In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeugs zur elektrischen Betätigung eines Kupplungssystems des Fahrzeugs verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Kraftsimulation
- 2
- Betätigungselement, Pedalarm
- 3
- Pedalplatte
- 4
- Halterung
- 5
- Schwenkachse
- 6
- Rückstellfeder
- 7
- Sensoreinheit
- 8
- Steuereinheit
- 9
- Reibelement
- 10
- Reibfläche
- 11
- Achsbolzen
- 12
- Nockenscheibe
- 13
- Nocken
- 14
- Tellerfeder
- 15
- Konkave Kontur
- 16
- Fase
- 17
- Pedalweg
- 18
- Kraft
- 19
- Reibkraftverlauf von 9 entlang 10 (ebener Abschnitt)
- 20
- Reibkraftverlauf von 9 entlang 13 (Hinweg)
- 21
- Reibkraftverlauf von 9 entlang 13 (Rückweg)
- 22
- Kraftverlauf von 6 (Hinweg)
- 23
- Kraftverlauf von 6 (Rückweg)
- 24
- Gesamtkraftverlauf aus 19, 20, 22 (Hinweg)
- 25
- Gesamtkraftverlauf aus 19, 21, 23 (Rückweg)
- 26
- Maximaler Pedalweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0234842 A1 [0005]
- DE 10105265 A1 [0006]
- DE 102012217541 A1 [0007]
- DE 102011075603 A1 [0008]
- WO 2015/165451 A1 [0009]
- EP 2896539 A2 [0010]
- DE 112012001380 T5 [0011]
- DE 102007018962 A1 [0012]
- US 2014/0217658 A1 [0013]
- EP 1645769 A2 [0014]
