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Sollwertgeber einer Vorrichtung zum Einstellen der Fahrge-
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schwindigkeit eines Fahrzeuges.
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Die Erfindung betrifft den Sollwertgeber einer Vorrichtung zum Einstellen
der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeuges mit einem Fahrpedal gekoppelt mit dem Sollwertgeber
und mit einer vom Sollwertgeber gesteuerten Verstelleinrichtung für ein die Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeuges beeinflussendes Element des Antriebsmotors, der die Kraft auf das
Fahrpedal durch die lineare Bewegung eines Teiles des Sollwertgebers relativ zu
einem anderen Teil des Sollwertgebers gegen eine Rückstellkraft in eine andere physikalische
Größe umformt.
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In der DE-PS 23 40 841 ist ein derartiger Sollwertgeber beschrieben,
der die in erster Näherung lineare Bewegung des Fahrpedals durch Eintauchen eines
Eisenkerns in eine Differentialdrossel in eine elektrische Ausgangsgröße umformt.
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Die DE-PS 12 14 557 schlägt einen ähnlichen Sollwertgeber vor, bei
dem der Stempel eines hydraulischen oder pneumatischen Stellglieds gegen eine Federkraft
linear durch Verändern der Kraft auf das Fahrpedal beweglich ist.
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Bei den Sollwertgebern der DE-OS 28 43 456 und DE-OS 32 15 167 wird
die in erster Näherung lineare Bewegung des Fahrpedals in eine Drehbewegung und
diese Drehbewegung in eine elektrische Ausgangsgröße umgeformt. Die dort beschriebenen
Sollwertgeber weisen auch eine sogenannte Friktionseinrichtung auf. Die Friktionseinrichtung
wird durch die Reibung zweier gegeneinander drehbarer Scheiben verwirklicht, die
durch die Kraft einer zu diesem Zweck angebrachten Feder zusammengepreßt werden,
was zu einem aufwendigen und störanfälligen Aufbau führt.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Sollwertgeber der eingangs genannten
Art zu schaffen, der aufgrund seiner kleinen
Bauform wenig Platz
beansprucht, kostengünstig herstellbar ist und durch konstruktive Lösungen ohne
zusätzlichen Bauteileaufwand eine Verbesserung hinsichtlich des Bedienungsgefühls
des Kfz.-Führers aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der Sollwertgeber
eine Hülse aufweist, in der ein Stempel verschiebbar gelagert und über mindestens
ein Scharnier mit mindestens einem kippbaren Reibelement verbunden ist, dessen Reibfläche
ähnliche Abmessungen aufweist wie die Grundfläche des kippbaren Reibelementes und
welches durch die Kraft ausgeübt auf den Stempel und die Rückstellkraft gegen den
Stempel verschwenkt wird.
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Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß der beschriebene
Sollwertgeber die für die störungsfreie Funktion der Vorrichtung zum Einstellen
der Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges zweckmäßige Hysterese durch eine Bremskraft
erzeugt. Die Reibung der Reibflächen an der Hülse setzt der Bewegung des Stempels
in der Hülse eine Bremskraft entgegen. Allein die konstruktive Ausgestaltung der
drei wesentlichen Teile Hülse, Reibelemente und Rückstellkraft bestimmt Größe und
Wegabhängigkeit der Bremskraft.
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Bei den Teilen Hülse und Reibelemente sind Formgebung und Materialeigenschaften
wie z. B. die Reibungskoeffizienten maßgebend. Die Rückstellkraft beeinflußt durch
Hebelwirkung die Kraft, mit der die Reibflächen gegen die Hülse gepreßt werden.
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Es erscheint auch zweckmäßig, den Sollwertgeber gegen geringfügige
Änderungen der ausgeübten Kraft unempfindlich zu gestalten. Bei diesen geringfügigen
Kraftänderungen soll sich die physikalische Ausgangsgröße also nicht ändern.
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Eine solche Störung des funktionalen Zusammenhanges zwischen Eingangs-
und Ausgangsgröße bezeichnet man als Hysterese.
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Diese Hysterese erscheint vorteilhaft, um einerseits den subjektiven
Eindruck der Betätigung des Fahrpedals dem Ein-
druck der Betätigung
eines Fahrpedals mit der allgemein üblichen Kraftübertragung über z. B. Seilzug
auf z. B. die federbelastete Drosselklappe eines Kraftfahrzeug-Ottomotors ähnlich
zu machen. Andererseits wird so eine Störung der Verstelleinrichtung durch geringfügige
äußere Einflüsse wie z. B. kurzzeitiges Verringern des Fahrpedaldruckes durch Überfahren
einer Fahrbahnunebenheit vermieden.
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Die mechanische Konstruktion des Sollwertgebers ist wesentlich einfacher
als bei bisher bekannten Lösungen, so daß alle Teile aus Kunststoff z. B. durch
Spritzgießen hergestellt werden können. Dieser Vorteil senkt die Herstellungskosten,
zumal für die Anpassung der Bremswirkung des Sollwertgebers an vorgegebene Aufgabenstellungen
kein zusätzlicher Fertigungsaufwand erforderlich ist.
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Ein weiterer Vorteil des Sollwertgebers ist die geringe Zahl von Teilen,
so daß der Sollwertgeber wenig Raum beansprucht und auch bei engen Platzverhältnissen
z. B. im Fußraum eines Fahrzeuges verwendet werden kann. Die lineare Bauform des
Sollwertgebers läßt den im Vergleich zu den Sollwertgebern der DE-OS 28 43 456 und
DE-OS 32 15 167 günstigeren Einbau über dem Fahrpedal zu.
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Um eine bessere Führung von Stempel und kippbaren Reibelementen in
der Hülse zu erreichen, kann man zusätzlich feste Reibelemente starr am Stempel
befestigen.
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Gemäß der Erfindung wird gefordert, daß die Reibflächen der festen
Reibelemente ähnliche Abmessungen aufweisen wie die Grundflächen. Dies dient dazu,
das Verkanten der Reibelemente in der Hülse zu vermeiden. Man kann zusätzlich die
Reibflächen mit prismatischen Kanten ausgestalten, um das vollständige Blockieren
des Sollwertgebers auszuschließen, aber dennoch die Reibung von Hülse und Reibflächen
gegeneinander zu nutzen.
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Die für die Funktion des Sollwertgebers erforderliche Rückstellkraft
kann durch eine oder mehrere Schraubenfedern erzeugt werden. Schraubenfedern haben
durch eine hohe Vorspannung den Vorteil, daß sie selbst nach einem Bruch noch genügend
Rückstellkraft besitzen, um den Stempel z. B. in die Leerlaufstellung zu bewegen,
so daß die Betriebssicherheit des Sollwertgebers weiterhin gegeben ist. Die Verwendung
mehrerer Federn erhöht die Betriebssicherheit zusätzlich.
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Weist der Sollwertgeber rotationssymmetrische Bauform auf, ist die
Verwendung von Schraubenfedern besonders vorteilhaft.
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Die einfache mechanische Konstruktion des Sollwertgebers macht eine
Ausführung des Scharniers als Filmscharnier möglich. Diese Lösung ist besonders
vorteilhaft in Verbindung mit der einstückigen Ausgestaltung des Gegenstandes der
Erfindung, da die Elastizität des Kunststoffmaterials ausgenutzt wird. Die einstückige
Fertigung von Stempel mit Reibelementen und/oder Hülse aus Kunststoff senkt vor
allem bei Anwendung der Spritztechnik die Herstellungskosten des Sollwertgebers.
Die Verwendung der Kunststoffkombination 6 Polyamid/Polyoxymethylen hat sich als
günstig erwiesen, da die Reibungskoeffizienten der beiden Kunststoffe bei Reibung
gegeneinander genügend groß und die Abnutzung auch über lange Betriebszeiten des
Sollwertgebers gering ist. Es sind jedoch auch andere Werkstoffkombinationen verwendbar,
sofern sie die o. g. Eigenschaften aufweisen.
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Wird die Rückstellkraft von Schraubenfedern erzeugt, so ist es vorteilhaft,
die Schraubenfedern durch Aussparungen und/oder Kanten zu zentrieren, da sie dazu
neigen, bei Druckbelastung seitlich auszuweichen.
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Besonders vorteilhaft ist auch die konstruktive Festlegung von oberem
und/oder unterem Totpunkt im Sollwertgeber über Anschläge, da durch die Kopplung
auch die Leerlaufstellung und/oder Vollgasstellung des Fahrpedals festgelegt werden.
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Das einzig zusätzlich erforderliche Bauteil ist der ohnehin
meist
vorhandene Deckel, der die Hülse abschließt. Die Verwendung des Deckels ist auch
zum Schutz des Sollwertgebers gegen Verschmutzung vorteilhaft.
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Da die wegabhängige Rückstellkraft am oberen Totpunkt des Stempels
in der Hülse kleiner ist als am unteren Totpunkt, man jedoch auch bei der Bewegung
des Stempels in der Hülse nahe dem oberen Totpunkt die Bremswirkung nutzen möchte,
ist es sinnvoll, die Hülse z. B. zum oberen Totpunkt hin mit Verjüngungen auszustatten.
Wird z. B. ein erhöhter Kraftaufwand zur Bewegung des Fahrpedals in die Vollgasstellung
gefordert, kann man solche Verjüngungen auch am unteren Totpunkt anbringen. Es sind
selbstverständlich weitere Anwendungen dieser Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
machbar.
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Besonders vorteilhaft ist eine rotationssymmetrische Ausgestaltung
des Gegenstandes der Erfindung, da die Herstellung der Teile bzw. Formen für das
Spritzen aus Kunststoff sich im wesentlichen auf Arbeitsgänge wie Drehen oder Bohren
reduziert. Das zeitaufwendige Fräsen von Bauteilen oder Formen ist häufig nicht
erforderlich. Die rotationssymmetrische Bauform des Sollwertgebers bietet zusammen
mit der Ausgestaltung nach Anspruch 12 den Vorteil erhöhter Sicherheit gegen Verkanten
des Stempels in der Hülse. Sechs Reibelemente zusammengefügt zu einer Kreisfläche,
in der sich drei kippende und drei feste Reibelemente abwechseln, sorgen für eine
hohe Steifigkeit des Sollwertgebers und für große Sicherheit gegen das Blockieren
der Reibelemente. Die Verwendung einer anderen Zahl von festen oder kippbaren Reibelementen
ist durch diesen Anspruch nicht ausgeschlossen.
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Häufig erfolgt die Weiterverarbeitung der Ausgangsgröße elektrisch
oder elektronisch. Es ist also vorteilhaft, der Verstelleinrichtung ein elektrisches
Signal anzubieten.
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Vorzugsweise ein der Stellung des Stempels in der Hülse proportionales
Spannungssignal läßt sich durch die heute
häufig verwendeten Operationsverstärkerschaltungen
problemlos verarbeiten. Es ist vorteilhaft, das Spannungssignal durch ein Linearpotentiometer
zu erzeugen, dessen relativ zueinander bewegliche Teile an Stempel und Hülse des
Sollwertgebers befestigt sind. Es ist jedoch auch z. B. die Änderung einer Wechselspannung
durch induktive oder kapazitive Glieder möglich.
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Selbstverständlich kann man die auf den Sollwertgeber ausgeübte Kraft
durch z. B. einen Hydraulikzylinder in hydraulischen Druck oder durch z. B. ein
pneumatisches Glied in pneumatischen Druck umformen. Diese Ausgestaltungen des Sollwertgebers
sind sinnvoll in Verbindung mit Verstelleinrichtungen, die hydraulisch oder pneumatisch
die ihnen zugeführte Eingangsgröße weiterverarbeiten.
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Durch Anbringen von Schaltelementen an z. B. den Totpunkten des Stempels
in der Hülse ist es möglich, Stellungen des Stempels relativ zur Hülse wie z. B.
Leerlaufstellung und/ oder Vollgasstellung festzustellen. Diese Ausgestaltung ist
besonders zweckmäßig, da durch die konstruktiv erzeugte Bremskraft kein funktionaler
Zusammenhang zwischen der Kraft auf den Sollwertgeber und der physikalischen Ausgangsgröße
besteht. Für die störungsfreie Funktion der Verstelleinrichtung ist häufig jedoch
das eindeutige Erkennen z. B.
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der Leerlaufstellung des Fahrpedals wichtig. Als Schaltelemente sind
vor allem dann elektrische Schalter günstig, wenn eine elektrische/elektronische
Weiterverarbeitung der Signale in der Verstelleinrichtung erfolgt, was jedoch hydraulische
oder pneumatische Schaltelemente nicht ausschließt.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den drei Figuren dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 die Seitenansicht einer einfachen Ausführungsform
des
Sollwertgebers, Fig. 2 die Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Sollwertgebers
und Fig. 3 die Aufsicht auf den geöffneten Sollwertgeber aus Fig. 2.
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In Fig. 1 beherbergt die Hülse 1 den Stempel 2, an dessen unterem
Ende mittels zweier Scharniere 4 zwei kippbare Reibelemente 3 befestigt sind. Die
Reibflächen 6 werden durch die Rückstellkräfte 5 gegen die Hülse 1 gepreßt. Der
Sollwertgeber braucht nicht rotationssymmetrisch zu sein.
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Der Sollwertgeber nach Fig. i hat folgende Funktion: Wirkt eine Kraft
auf den Stempel 2 des Sollwertgebers in der Figur von oben nach unten, so werden
die kippbaren Reibflächen 6 durch die unterschiedlichen Angriffspunkte der Kraft
auf den Stempel und der entgegengesetzt gerichteten Rückstellkräfte 5 auf die kippbaren
Reibelemente 3 gegen die Hülse 1 gepreßt und erzeugen eine Bremskraft. Die Bremskraft
wirkt der Bewegung des Stempels 2 relativ zur Hülse 1 entgegen. Verharrt der Sollwertgeber
in einem stationären Zustand, ist also die Kraft auf den Stempel 2 gleich groß und
entgegengesetzt gerichtet der Summe der Rückstellkräfte, so begünstigt die Bremskraft
diesen Beharrungszustand des Sollwertgebers, indem geringfügige Änderungen der Kraft
auf den Stempel 2 durch das Festhalten der Reibflächen 6 an der Hülse 1 ausgeglichen
werden. Es findet keine Änderung der Position des Stempels 2 relativ zur Hülse 1
statt. Bei Anderungen der Kraft auf den Stempel 2, die größer sind als die Haltekraft
durch die Reibung der Reibflächen 3 an der Hülse 1 nimmt der Stempel 2 eine Position
ein, die dem neuen Gleichgewicht der Kräfte entspricht.
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In Fig. 2 und Fig. 3 sind gleiche Teile oder Teile mit gleicher
Funktion
wie in Fig. 1 mit um 10 höheren Nummern gekennzeichnet. Die Hülse 11 mit Boden beherbergt
den Stempel 12, um den herum mit Filmscharnieren 14 drei kippbare Reibelemente 13
und jeweils gegenüberliegend drei feste Reibelemente 17 angebracht sind. Die Reibflächen
16 besitzen prismenförmige Kanten. Die vorgespannte Schraubenfeder 15 bringt die
Rückstellkräfte auf und wird durch Aussparungen 18 in den Reibelementen 13, 17 zentriert.
Die Kraft der Schraubenfeder 15 wirkt nur auf die kippbaren Reibelemente 13, in
deren Aussparungen 18 zur weiteren Führung der Schraubenfeder 15 Kanten 21 angeordnet
sind.
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Die Hülse 11 ist mit einem Deckel 20 mit Bohrung versehen, durch die
der Stempel 12 zusätzlich geführt wird. Die Berührung der Anschläge 19 der festen
Reibelemente 17 mit dem Deckel 20 legt den oberen Totpunkt des Stempels 12 in der
Hülse 11 fest. Der untere Totpunkt wird durch das Aufstoßen der festen Reibelemente
17 auf den Boden der Hülse 11 festgelegt. Am unteren und oberen Totpunkt des Stempels
12 in der Hülse 11 weist die Hülse 11 Verjüngungen 22 auf.
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An der Hülse 11 ist der Bodenblechbefestigungspunkt 23 und an dem
Stempel 12 ist der Fahrpedalbefestigungspunkt 24 angeformt. Der Stempel 12 befindet
sich in einer Position zwischen dem unteren und dem oberen Totpunkt. Der Sollwertgeber
ist rotationssymmetrisch zur Achse durch die Befestigungspunkte 23, 24.
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Die Funktion des Sollwertgebers nach Fig. 2 und Fig. 3 ist prinzipiell
gleich der Funktion des Sollwertgebers nach Fig. 1. Das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 und Fig. 3 hat sich jedoch aus folgenden Gründen als besonders vorteilhaft
erwiesen: Die Anordnung von festen Reibelementen 17 zusätzlich zu den kippbaren
Reibelementen 13 zusammen mit dem rotationssymmetrischen Aufbau des Sollwertgebers
mit dem Deckel 20 mit Bohrung stellt sicher, daß der Stempel 12 nicht in der Hülse
11 verklemmt. Die Ausbildung der Reibelemente 13, 17
mit prismatischen
Reibflächen 16 sorgt einerseits durch die Reibung der Reibflächen 16 an der Hülse
11 für die erwünschte Bremskraft. Andererseits wird ein Verkanten eines oder mehrerer
Reibelemente 13, 17 in der Hülse 11 wirkungsvoll vermieden.
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Die Rotationssymmetrie des Sollwertgebers macht die Verwendung einer
Schraubenfeder 15 als die Rückstellkräfte aufbringendes Element sinnvoll. Die Rückstellkräfte
aller drei kippbaren Reibelemente 13 werden durch diese Schraubenfeder 15 erzeugt.
Da Schraubenfedern bei Druckbelastung zu seitlichem Ausweichen neigen, wird die
Schraubenfeder 15 durch Aussparungen 18 und Kanten 21 in den Reibelementen 13, 17
geführt.
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Die Aussparungen 18 sind so ausgeführt, daß die Kraft der Rückstellfeder
15 allein auf die kippbaren Reibelemente 13 wirkt. Übersteigt die Kraft auf den
Stempel 12 einen Wert, der unter anderem von der Konstruktion der Aussparungen 18
und Kanten 21, der Elastizität des Filmscharniers i4 und der Federkonstante der
Schraubenfeder 15 abhängt und durch die Dimensionierung der Teile konstruktiv beeinflußt
werden kann, so legt sich die obere Wendel der Schraubenfeder 15 auch an die festen
Reibelemente an. Die Rückstellkraft der Schraubenfeder 15 verteilt sich dann auf
alle sechs Reibelemente 13, 17. Die Rückstellkraft auf die kippbaren Reibelemente
13 und damit die Bremskraft wird wirkungsvoll begrenzt. Eine mechanische Überlastung
der kippbaren Reibelemente 13 und vor allem der Filmscharniere 14 wird vermieden.
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Der Stempel 12 mit den Reibelementen 13, 17 sei aus Kunststoff einstückig
gefertigt. Die Ausführung der Filmscharniere 14 reduziert sich dann auf die Verringerung
der Materialstärke an den kippbaren Reibelementen 13 nahe beim Stempel 12. Solche
Filmscharniere besitzen eine Eigenelastizität, die die kippbaren Reibelemente 13
ohne Bela-
stung durch die Rückstellkraft in die Ruhelage stellen.
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Die Überwindung dieser Elastizität mindert zwar die Kraft, mit der
die Reibflächen 16 gegen die Hülse 11 gepreßt werden. Bei entsprechend geringer
Materialstärke des Filmscharniers 14 ist dessen Elastizität jedoch gegen die übrigen
wirkenden Kräfte vernachlässigbar und beeinflußt die Funktion des Sollwertgebers
nicht. Für die festen Reibelemente 17 gilt, daß durch Vergrößern der Materialstärke
im Bereich des Anschlags 19 die Eigenelastizität stark unterdrückt und eine Störung
der Funktion des Sollwertgebers ebenfalls vermieden wird.
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Der Anschlag 19 ist an die festen Reibelemente 17 angeformt, um die
Festlegung des oberen Totpunktes eindeutig zu gestalten. Würde der Anschlag 19 an
die kippbaren Reibelemente 13 angeformt, so wäre der obere Totpunkt von dem Grad
der Verkippung der kippbaren Reibelemente 13 gegen den Stempel 12 abhängig. Zusätzlich
wäre die Bremswirkung der kippbaren Reibelemente 13 im oberen Totpunkt vollständig
aufgehoben.
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Der untere Totpunkt ist durch das Aufsetzen der festen Reibelemente
17 auf den Boden der Hülse 11 festgelegt, da bei der Stellung des Stempels 12 nahe
dem unteren Totpunkt die kippbaren Reibelemente 13 gegen den Stempel 12 verkippt
sind.
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Um auch im oberen Totpunkt die Bremswirkung des Sollwertgebers sicherzustellen,
befindet sich die Schraubenfeder 15 auch im oberen Totpunkt des Stempels 12 unter
Spannung.
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Da für die Anwendung des Sollwertgebers in Fahrzeugen mit Automatikgetriebe
ein erhöhter Widerstand des Fahrpedals zum unteren Totpunkt hin fühlbar sein soll,
ist die Hülse 11 zum unteren Totpunkt hin ebenfalls verjüngt. Die Verjüngung 22
ist zweckmäßig als sprunghafte Verjüngung ausgebildet.
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