DE4300096C2 - Fahrpedal mit Drehpotentiometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Soll­ wert-Signals für die elektromotorische Steuerung der Leistung einer Brenn­ kraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit

• - einer Montagebasis,
• - einem auf der Montagebasis zwischen einem Leerlaufanschlag und einem Vollastanschlag drehbar gelagerten Fahrpedal,
• - einer zwischen einem Widerlager am Fahrpedal und einem Wi­ derlager an der Montagebasis eingespannten Rückstellfeder und
• - einem Drehpotentiometer, dessen Schleiferbahn (oder Schleifer) drehfest mit der Montagebasis verbunden ist und dessen Schleifer (oder Schleiferbahn) mit dem Fahrpedal drehbar ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus EP 0 141 947 A2 bekannt.

Für die Steuerung der Leistung einer Brennkraftmaschine in einem Kraft­ fahrzeug hat man früher ausschließlich eine mechanische Kraftübertra­ gungseinrichtung in Form eines Gestänges oder eines Seilzuges verwendet. Damit wurde die gegen eine Rückstellfeder vom Fahrer erzwungene Bewe­ gung 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 schwenkbare Wippe ausgebildet ist, wobei
• - das eine Ende der Wippe zur Abstützung der Rückstellfeder 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 Dreh­ achse des Fahrpedals verlaufende Reibfläche vorzusehen (Anspruch 2). Damit bleibt der Abstand des Berührungsbereichs zwischen Wippe und Reibfläche zur Drehachse des Fahrpedals über den gesamten Stellwinkel des Fahrpedals unverändert. Dieser Effekt kann verstärkt oder abge­ schwächt 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 deutlich höherem Wider­ stand gegen eine weitere Verstellung des Fahrpedals in Richtung Vollast realisiert werden soll. Damit wird der Abstand des Berührungsbereichs zwi­ schen Wippe und Reibfläche zur Drehachse des Fahrpedals bei einem be­ stimmten Stellwinkel des Fahrpedals mit zunehmendem Stellwinkel zunächst stark vergrößert und danach wieder stark verkleinert.

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 stetig 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 (12)

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 Rückstellfe­ der (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 Außen­ kontur der Reibfläche (4) zur Drehachse des Fahrpedals (2) konzentrisch ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen­ kontur der Reibfläche (4) zur Drehachse des Fahrpedals (2) spiralförmig, in Betätigungs-Drehrichtung des Fahrpedals (2) ansteigend ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen­ kontur der Reibfläche (4) zur Drehachse des Fahrpedals (2) spiralförmig, in Betätigungs-Drehrichtung des Fahrpedals (2) abfallend ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen­ kontur der Reibfläche (4) als ein abgerundeter Nocken ausgebildet ist.

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.