DE4300096A1 - Fahrpedal mit Drehpotentiometer - Google Patents
Fahrpedal mit DrehpotentiometerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeu
gung eines Sollwert-Signals für die elektromotorische
Steuerung der Leistung einer Brennkraftmaschine in einem
Kraftfahrzeug, mit
- - einer Montagebasis,
- - einem auf der Montagebasis zwischen einem Leer laufanschlag und einem Vollastanschlag drehbar gelagerten Fahrpedal
- - einer zwischen einem Widerlager am Fahrpedal und einem Widerlager an der Montagebasis eingespann ten Rückstellfeder und
- - einem Drehpotentiometer, dessen Schleiferbahn (oder Schleifer) drehfest mit der Montagebasis verbunden ist und dessen Schleifer (oder Schlei ferbahn) mit dem Fahrpedal drehbar ist.
Für die Steuerung der Leistung einer Brennkraftmaschine in
einem Kraftfahrzeug hat man früher ausschließlich eine me
chanische Kraftübertragungseinrichtung in Form eines Ge
stänges oder eines Seilzuges verwendet. Damit wurde die ge
gen eine Rückstellfeder vom Fahrer erzwungene Bewegung
des Fahrpedals auf das Stellglied (Drosselklappe,
Einspritzpumpe) an der Brennkraftmaschine übertragen. Beim
Personenkraftwagen bereitete die Kraftübertragung wegen der
kurzen Wege zwischen Fahrpedal und Motor keine größeren
Schwierigkeiten. Die mechanische Übertragung der
Fahrpedalstellung auf das Stellglied ist aber schon bei
Omnibussen mit Heckmotoren nicht mehr unproblematisch und
bei großen Gelenkbussen für den Nahverkehr kaum noch zu
realisieren.
Es ist daher verständlich, daß man zuerst für den letztge
nannten Anwendungsfall die "drive by wire"-Methode ent
wickelt hat, bei der mit dem Fahrpedal nur noch ein Poten
tiometer direkt mechanisch bewegt und das damit erzeugte
Signal zur Ansteuerung eines Stellmotors benutzt wird, der
seinerseits das Stellglied der Brennkraftmaschine bewegt.
Da es bei dieser Methode zur Leistungssteuerung einer
Brennkraftmaschine wesentlich leichter als bei einer rein
mechanischen Übertragung des Fahrsignals ist, zur Leerlauf
regelung, zur Abregelung des Motors bei Erreichen einer zu
gelassenen Höchstgeschwindigkeit bzw. bei einem Durchdrehen
der Antriebsräder sowie zur Einhaltung einer vorgegebenen
Geschwindigkeit in den Übertragungsweg einzugreifen, wird
sie in zunehmendem Maße auch bei Lastkraftwagen und Per
sonenkraftwagen angewandt.
Während aber die Federkennlinie bei der mechanischen Über
tragung wegen der notwendigerweise mehrfachen Umlenkung des
Kraftflusses infolge Reibung stets eine mehr oder weniger
große Hysteresefläche aufweist, fehlt diese bei der "drive
by wire"-Methode fast vollständig, weil nur noch die Reib
kräfte des Potentiometers und der Fahrpedallagerung wirken.
Der daraus resultierende Widerstand gegen Änderungen der
Fahrpedalstellung ist bei weitem nicht ausreichend, um un
gewollte oder durch Erschütterungen verursachte Bewegungen
des Fahrpedals soweit zu dämpfen, daß keine störenden Dreh
zahländerungen verursacht werden.
Man hat daher schon vorgeschlagen, bei Vorrichtungen der
eingangs genannten Art das Fahrpedal mit einer künstlichen
Bremse zu versehen. Auf diese Weise kann man der Federkenn
linie eine Reibkraft gewünschter Größe überlagern, die über
den gesamten Stellwinkel und für beide Stellrichtungen im
wesentlichen gleich groß ist und im Weg-Kraft-Diagramm zu
einer Hysteresefläche führt, die durch zwei Parallelen zur
Federkennlinie und zwei Senkrechte zur Weg-Achse begrenzt
ist.
Durch die Hysteresefläche wird auch die maximal erforderli
che Betätigungskraft am Vollastanschlag und die kleinste
Rückstellkraft am Leerlaufanschlag definiert. Letztere darf
einen Mindestwert nicht unterschreiten, damit bei einer
Entlastung des Fahrpedals unter allen vorkommenden Be
triebsbedingungen noch eine sichere Rückstellung bis zum
Leerlaufanschlag erfolgt. Auf der anderen Seite will man
die maximal erforderliche Betätigungskraft aus Komfortgrün
den auf bestimmte Werte begrenzen. Beide Forderungen sind
mit einer verhältnismäßig flachen Federkennlinie ohne wei
teres zu erfüllen. Da die Rückstellkraft am Leerlaufan
schlag größer Null sein muß, ist der ausnutzbare Teil des
Federweges umso kleiner, je flacher die Federkennlinie ge
wählt wird. Eine im Hinblick auf die kritischen Eckpunkte
der Hysteresefläche günstige flache Federkennlinie erfor
dert demnach bei gleicher maximaler Stellkraft ein größeres
Federvolumen, was wegen des Platzbedarfs als nachteilig an
gesehen wird.
Es besteht somit die Aufgabe, bei einer Vorrichtung der
eingangs genannten Art eine reibungsbedingte Dämpfung bzw.
Hysterese der Federkennlinie zu realisieren, bei der alle
genannten Forderungen erfüllt werden können, ohne daß dazu
zusätzliches Bauvolumen benötigt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen,
daß
- - das Fahrpedal eine Reibfläche aufweist und
- - das Widerlager an der Montagebasis als schwenk bare Wippe ausgebildet ist, wobei
- - das eine Ende der Wippe zur Abstützung der Rück stellfeder dient und das andere Ende der Wippe gegen die Reibfläche des Fahrpedals angepreßt wird.
Auf diese Weise kann eine Reibkraft erzeugt werden, die
direkt proportional zur Rückstellkraft ist. Anders als bei
der bekannten Bremseinrichtung für ein Fahrpedal erhält man
also eine Hysteresefläche, deren obere Begrenzung steiler
ansteigt als die Federkennlinie und deren untere Begrenzung
flacher verläuft als die Federkennlinie. Dazu genügt es,
eine konzentrisch zur Drehachse des Fahrpedals verlaufende
Reibfläche vorzusehen (Anspruch 2). Dieser Effekt kann ver
stärkt oder abgeschwächt werden, wenn man eine spiralförmig
ansteigende oder abfallende Reibfläche vorsieht (Ansprüche
3 und 4).
Außerdem kann die Reibfläche mit einem abgerundeten Nocken
versehen werden, wenn im Bewegungsweg eine Stelle mit deut
lich höherem Widerstand gegen eine weitere Verstellung des
Fahrpedals in Richtung Vollast realisiert werden soll.
Andere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens
sind in den Unteransprüchen 6 bis 11 beschrieben.
Weitere Einzelheiten werden anhand der Fig. 1 bis 4 näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Fahrpedal mit Rückstellfe
der und Wippe,
Fig. 2 zeigt eine Kennlinie nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 zeigt eine Kennlinie gemäß Anspruch 2,
Fig. 4 zeigt eine Kennlinie gemäß Anspruch 5.
In Fig. 1 ist vereinfacht ein Fahrpedal 2 dargestellt, das
auf einer Montagebasis 1, die Teil der Fahrzeugkarosserie
sein kann, drehbar gelagert ist. Durch eine zwischen einem
Widerlager am Fahrpedal 2 und einem Widerlager an der Mon
tagebasis 1 eingespannte Rückstellfeder 3 wird das unbela
stete Fahrpedal 2 gegen einen nicht dargestellten Leerlauf
anschlag (LL) zurückgestellt. Wird das Fahrpedal 2 bela
stet, kann es gegen die Rückstellfeder 3 bis gegen einen
ebenfalls nicht dargestellten Vollastanschlag (VL) gedreht
werden. Der Stellwinkel wird üblicherweise mit α bezeich
net. Der Stellbereich zwischen LL und VL beträgt im allge
meinen 20 bis 30 Grad.
Nach dem Stand der Technik besteht das Widerlager an der
Montagebasis aus einem einfachen starren Anschlag. Erfin
dungsgemäß ist statt dessen eine schwenkbare Wippe 5 vorge
sehen, wobei das eine Ende 6 zur Abstützung der Rückstell
feder 3 dient und das andere Ende 7 gegen einen als Reib
fläche 4 ausgebildeten Teil des Fahrpedals 2 angepreßt
wird. Bei einer Drehung des Fahrpedals 2 in Richtung VL
wird die Rückstellfeder 3 gespannt, wodurch sich die auf
das Ende 6 zur Wippe 5 wirkende Kraft vergrößert. Damit er
höht sich auch die auf die Reibfläche 4 wirkende Kraft, so
daß eine mit dem Drehwinkel ansteigende Reibkraft entsteht,
die der Bewegung des Fahrpedals 2 entgegengerichtet ist und
somit dämpfend bzw. hysteresebildend wirkt.
In Fig. 1 ist die Rückstellfläche 4 konzentrisch zur
Drehachse des Fahrpedals 2 ausgebildet (Anspruch 2). Damit
resultiert der Anstieg der Reibungskraft allein aus dem An
stieg der Kraft der Rückstellfeder 3. Man kann die Reibflä
che 4 mit Bezug auf die Drehachse aber auch spiralförmig
ansteigend oder abfallend ausbilden und damit einen steile
ren oder flacheren Anstieg der Reibkraft erreichen
(Ansprüche 3 und 4).
Schließlich kann man die Reibfläche 4 auch mit einem Nocken
versehen und damit einen plötzlich ansteigenden Widerstand
gegen ein weiteres Verdrehen des Fahrpedals in Richtung VL
realisieren, wie er für den sogenannten Kick-Down-Punkt be
kannt und erforderlich ist. Bei Bedarf können auch andere
Konturen der Reibfläche 4 vorgesehen werden, wenn ein be
stimmter Verlauf der Reibkraft vorgegeben wird.
Eine zweite Möglichkeit zur Abwandlung des Grundgedankens
der Erfindung besteht darin, den Reibungskoeffizienten zwi
schen der Reibfläche 4 und dem aufliegenden Ende 7 der
Wippe 5 zu variieren. Zunächst kann durch Werkstoffwahl und
Oberflächengestaltung eine gewünschte Größe des Reibungs
koeffizienten eingestellt werden. Dann kann man den Rei
bungskoeffizienten wegabhängig verändern, d. h. mit dem
Stellwinkel α steig vergrößern oder verkleinern. Auch ein
Bereich mit deutlich größerem Reibungskoeffizienten kann
realisiert werden, wenn bei einer bestimmten Pedalstellung
eindeutig höherer Widerstand gegen eine weitere Bewegung
gewünscht wird.
Weitere Möglichkeiten zur Abwandlung der Erfindung bestehen
darin, den Drehpunkt der Wippe 5 veränderlich zu gestalten
und/oder der Wippe 5 noch eine gesonderte Drehfeder zuzu
ordnen. Damit sind genügend Möglichkeiten angegeben, den
Erfindungsgedanken an jeden praktischen Anwendungsfall qua
litativ und quantitativ anzupassen, so daß der Federkenn
linie beliebige Dämpfungen überlagert werden können und
auch eine gewisse Veränderung der Steilheit der Kennlinie
möglich ist.
In Fig. 2 ist über dem Drehwinkel α die für eine Verstel
lung des Fahrpedals erforderliche Kraft F dargestellt. Die
ansteigende gestrichelte Linie repräsentiert die Kraft P
der Rückstellfeder, die die Abszisse bei 0 schneidet. In
diesem Punkt ist die Feder völlig entspannt, sie ist man
gels äußerer Kraft nicht elastisch vorgespannt und kann
deswegen auch keine Rückstellkraft ausüben. Für den Fahrbe
trieb ist allerdings nur der Bereich zwischen dem Leerlauf
anschlag LL und dem Vollastanschlag VL brauchbar, so daß
der Verstellwinkel α bei LL definitionsgemäß den Wert 0
hat.
Für das in Fig. 2 dargestellte Beispiel ist eine für beide
Drehrichtungen gleich große Reibungskraft R bzw. -R ange
nommen worden. Die maximal erforderliche äußere Kraft P um
das Fahrpedal bis gegen den Vollastanschlag VL zu verstel
len, ergibt sich aus der Summe der Rückstellkraft P und der
Reibungskraft R. Die kleinste noch wirkende Rückstellkraft
A bei völlig entlastetem Fahrpedal ergibt sich aus der
Rückstellkraft P abzüglich der Reibungskraft R.
Das in Fig. 2 dargestellte Parallelogramm umschließt die
mit einer Bremse nach dem Stand der Technik realisierbare
Hysteresefläche. Bei α = LL muß zunächst eine äußere Kraft
der Größe P+R aufgebracht werden, um das Fahrpedal in Rich
tung VL zu verstellen. Diese Kraft verändert sich direkt
proportional zur Rückstellkraft P bis α = VL erreicht ist,
d. h. bis kein weiteres Verstellen des Fahrpedals mehr mög
lich ist. Wird danach die auf das Fahrpedal einwirkende äu
ßere Kraft unter den Wert F P-R abgesenkt, dann wird das
Fahrpedal von der Rückstellfeder in Richtung auf LL ver
stellt. Die zur Verstellung des Fahrpedals wirksame Kraft
folgt den Begrenzungslinien der Hysteresefläche im Uhrzei
gersinn.
Anhand von Fig. 2 lassen sich auch die äußeren
Randbedingungen erläutern, die üblicherweise bei der
Auslegung einer Dämpfung für das Fahrpedal zu beachten
sind. Für den Fall, daß A, B und R vorgegeben sind, liegt
auch die maximale Steigung für die Federkennlinie fest. Mit
anderen Worten, ein bestimmter Mindestwert von A kann ohne
Verletzung der anderen Bedingungen nur mit einer
verhältnismäßig geringen Steigung der Kennlinie erreicht
werden, wobei sich zwangsläufig das Verhältnis von meßbarer
Federlänge zu Gesamtlänge und im gleichen Maße auch das
ausnutzbare Federvolumen verschlechtert. Diesen Zwängen
kann man bei Anwendung des Erfindungsgedankens entgehen.
In Fig. 3 ist ein Hysteresefeld dargestellt, das bei glei
cher Steigung der Federkennlinie im Vergleich zu Fig. 2
einen dreifach größeren Wert A bei nur geringfügig vergrö
ßertem Wert B aufweist. In diesem Fall ist die Reibkraft R
über den Stellwinkel α nicht konstant, sondern linear an
steigend. Dieser Verlauf läßt sich erfindungsgemäß mit ei
ner konzentrischen Reibfläche allein durch die mit der
Rückstellkraft linear ansteigende Anpreßkraft verwirkli
chen.
Will man dabei den Wert B nicht größer machen als in Fig.
2, kann man die Kontur der Reibflächen von einem bestimmten
Stellwinkel an spiralförmig abfallend ausbilden und so den
weiteren Anstieg der äußeren Kraft begrenzen (vgl. gestri
chelte Linie). Durch Veränderung der Kontur der Reibfläche
und/oder durch Veränderung der Reibungskoeffizienten läßt
sich das Hysteresefeld also in vielfältiger Weise beein
flussen und auf die jeweiligen Randbedingungen einstellen.
Durch eine Veränderung des Drehpunkt der Wippe läßt sich
außerdem das Hysteresefeld relativ zur Federkennlinie ver
tikal verschieben und durch eine auf die Wippe einwirkende
gesonderte Drehfeder kann die Anpreßkraft zusätzlich vari
iert werden. Damit ergeben sich weitere Freiheitsgrade, um
bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die erfor
derliche Dämpfung an jeden Anwendungsfall anzupassen.
Fig. 4 schließlich zeigt die Auswirkung einer nockenförmi
gen Erhebung auf der Reibfläche auf den Verlauf der zur
Verstellung des Fahrpedals erforderlichen Kräfte. Der Fah
rer spürt einen stark ansteigenden Widerstand gegen das
weitere Durchtreten des Fahrpedals, womit ihm signalisiert
wird, daß der Kick-Down-Punkt erreicht ist. Auch diese
Funktion läßt sich unter Ausnutzung des Erfindungsgedankens
demnach leicht verwirklichen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Sollwert-Signals für die
elektromotorische Steuerung der Leistung einer Brennkraft
maschine in einem Kraftfahrzeug, mit
- - einer Montagebasis
- - einem auf der Montagebasis zwischen einem Leer laufanschlag und einem Vollastanschlag drehbar gelagerten Fahrpedal,
- - einer zwischen einem Widerlager am Fahrpedal und einem Widerlager an der Montagebasis eingespann ten Rückstellfeder und
- - einem Drehpotentiometer, dessen Schleiferbahn
(oder Schleifer) drehfest mit der Montagebasis
verbunden ist und dessen Schleifer (oder Schlei
ferbahn) mit dem Fahrpedal drehbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß - - das Fahrpedal (2) eine Reibfläche (4) aufweist und
- - das Widerlager an der Montagebasis (1) als schwenkbare Wippe (5) ausgebildet ist, wobei
- - das eine Ende (6) der Wippe (5) zur Abstützung der Rückstellfeder (3) dient und das andere Ende (7) der Wippe (5) gegen die Reibfläche (4) des Fahrpedals (2) angepreßt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenkontur der Reibfläche (4) zur Drehachse des Fahr
pedals (2) konzentrisch ausgebildet ist, so daß der Abstand
des Berührungsbereichs zwischen Wippe (5) und Reibfläche
(4) über den gesamten Stellwinkel des Fahrpedals (2) unver
ändert bleibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenkontur der Reibfläche (4) zur Drehachse des Fahr
pedals (2) spiralförmig ausgebildet ist, so daß sich der
Abstand des Berührungsbereichs zwischen Wippe (5) und Reib
fläche (4) mit zunehmendem Stellwinkel des Fahrpedals (2)
stetig vergrößert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, jedoch mit der Maßgabe, daß
sich der Abstand stetig verkleinert.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Reibfläche (4)
einen abgerundeten Nocken aufweist, so daß der Abstand des
Berührungsbereichs zwischen Wippe (5) und Reibfläche (4)
bei einem bestimmten Stellwinkel des Fahrpedals (2) mit zu
nehmendem Stellwinkel zunächst stark vergrößert und danach
wieder stark verkleinert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wippe (5) und die Reibfläche (4)
jedenfalls im Berührungsbereich als Reibpaarung mit defi
niertem Reibungskoeffizienten und geringem Verschleiß aus
gebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Reibpaarung mit sich über den Stellwinkel verändernden
Reibungskoeffizienten vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
ein sich über den Stellwinkel stetig verändernder Reibungs
koeffizient vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem bestimmten Stellwinkel ein Bereich mit deutlich
größerem Reibungskoeffizienten vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehpunkt der Wippe (5) verstellbar
ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß eine auf die Wippe (5) einwirkende
Drehfeder vorgesehen ist.
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