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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Pedalmechanismus gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-A-4300096). Die Erfindung ist
insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Verwendung in einem
Kraftfahrzeug vorgesehen, um eine Funktion des Fahrzeugs zu steuern.
Das Pedal kann insbesondere ein Gaspedal sein.
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Die
Bereitstellung einer Verbindung zwischen einem Gaspedal und einer
Drosselklappe eines Drosselmechanismus unter Verwendung eines Bowdenkabels
ist bekannt. Das Gaspedal kann aus einem oder mehreren Teilen gebildet
sein und ist herkömmlich
in einer Bodeneinheit im Fahrerfußraum eines Kraftfahrzeugs
montiert. Die Drosselklappe wird dadurch geöffnet, daß der Fahrer mit seinem Fuß Druck
auf das Gaspedal ausübt.
Eine oder zwei Rückstellfedern
sind vorgesehen, um das Gaspedal und damit die Drosselklappe in
die Leerlaufposition zurückzuziehen,
wenn der Fahrer seinen Fuß anhebt.
Auf diese Weise entsteht eine Verbindung zwischen der Pedal- und
Drosselklappenposition einerseits und einer Änderung der Motordrehzahl andererseits.
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Als
eine Folge der Einführung
neuer Verbrennungsmotoren mit verbesserten Abgas- und Kraftstoffverbrauchseigenschaften
besteht ein zunehmender Bedarf, elektronischen Motorsystemen ein
die Gaspedalposition repräsentierendes
elektronisches Signal zuzuleiten. Das Bewirken der Umwandlung der
Pedalbewegung in ein elektronisches Motormanagementsignal ist bekannt.
Dies wird häufig
als "elektronisches
Gaspedal" bezeichnet.
Um jedoch das richtige "Gefühl" zu erzeugen, mit
dem der Fahrer durch seinen Fußkontakt
beim Fahren eines Autos mit einer Bowdenkabelverbindung üblicherweise
vertraut ist, ist es erforderlich, in einem elektronischen Gaspedalsystem
einen Widerstand gegenüber
der Pedalbewegung zu erzeugen, der den Widerstand und die gleichen
Fahrbedingungen simuliert, die bei Verwendung eines Kabelverbindungssystems
erzeugt werden würden.
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Pedalmechanismen
sind bekannt, in denen die Reibungskraft mittels separater vorgespannter
Reibungselemente erzeugt wird (z.B.
DE 3 411 456 C2 ). Anordnungen dieser Art
sind in ihrer Konstruktion kompliziert und begrenzen die Größe der Reibungskraft.
Es ist außerdem
wichtig, daß beim
Bruch einer Feder eine zufriedenstellende und sichere Rückstellung
möglich
sein muß.
Die sichere Rückstellung
im Falle eines Federbruchs ist aus Gründen der Produkthaftung eine
absolute Notwendigkeit und in den USA in der Sicherheitsnorm FMVSS124
gesetzlich vorgeschrieben.
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Es
gibt bereits verschiedene Vorschläge (z.B.
DE 3 411 393 A1 ; EP A 0
092 640; WO A 89/07706; WO A 91/04165), in denen zusätzliche
Reibungs-, Feder- und Verbindungselemente vorgesehen sind, um die
Reibung zu erzeugen.
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Eine
Anordnung ist aus der deutschen Patentanmeldung
DE 4 407 005 C1 bekannt,
in der die Reibung durch Vorspannen eines Reibungsmechanismus mittels
Rückstellfedern
vorgesehen ist. Ein komplizierter großer Transfermechanismus kommt
hier zum Einsatz, und ein radial verschiebbares keilförmiges Reibungselement
wird verwendet, um Reibung an einem starr mit der Pedalachse gekoppelten
Hebel zu erzeugen.
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Diese
Anordnung erfordert verschiedene, im Verhältnis zueinander bewegbare
Teile und kann als eine Folge des großen Einbauplatzbedarfs nicht
in die Pedalkonstruktion integriert werden.
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Die
Erfindung zielt daher darauf ab, einen Pedalmechanismus bereitzustellen,
der die Pedalposition einfach und präzise auf z.B. eine elektronische
Motorsteuerungseinheit überträgt, wobei
das Fahrgefühl
im Vergleich zu herkömmlichen
Regulierungsverfahren unverändert
bleibt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Pedalmechanismus so auszulegen,
daß die
Rückstellkraft
der Rückstellelemente
direkt zur Erzeugung der Reibungskraft verwendet wird, wobei die
Reibungskraft durch die Pedalbewegung gesteigert wird. Des weiteren
soll sich der Reibungsmechanismus in das Pedal integrieren lassen
können,
so daß keine
zusätzlichen
Konstruktions- oder Dichtungselemente erforderlich sind, um den
Reibungsmechanismus vor Schmutz zu schützen. Des weiteren sollte das
Pedallager präzise
und verschleißneutral
sein und sich kostenwirksam herstellen lassen können. Der unvermeidbare Verschleiß an den hochbeanspruchten
Reibungsflächen,
die die aus Komfortgründen
erforderliche Pedalreibung erzeugen, sollte das Spiel oder die Genauigkeit
des Pedalmechanismus während
seiner gesamten betrieblichen Lebensdauer nicht verändern.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Pedalmechanismus bereitgestellt, der einen an einer Basis
schwenkbaren Pedalarm, einen ebenfalls an der Basis schwenkbaren
Hilfsarm, der um eine Schwenkachse parallel zur Pedalarmachse, aber
mit Abstand davon, schwenkbar ist, ein Vorspannmittel, um den Hilfsarm
so vorzuspannen, daß er
in Reibungskontakt mit dem Pedalarm kommt, sowie einen Sensor umfaßt, der
so ausgeführt
ist, daß er
die Position des Pedalarms abfühlt
und ein Pedalpositionssignal ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorspannmittel
zwischen der Basis und dem Hilfsarm wirkt.
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Die
Schwenkachse des Pedalarms liegt vorzugsweise zwischen der Pedalfußauflage
und der Hilfsarmschwenkachse.
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Der
Hilfsarm hat vorzugsweise an der Stelle, wo er in Kontakt mit dem
Pedalarm kommt, eine reibungsverstärkende Oberfläche, und/oder
der Pedalarm hat an der Stelle, wo er in Kontakt mit dem Hilfsarm kommt,
eine reibungsverstärkende
Oberfläche.
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Das
Vorspannmittel kann mindestens eine zwischen dem Hilfsarm und der
Basis eingespannte schneckenförmige
Druckfeder umfassen. Es können
zwei derartige Federn seitlich zueinander vorgesehen sein, wobei
ihre Enden in ringförmigen
Nuten abgestützt
sind. In einer anderen Ausführungsform
sind die Federn durch Rückhaltehaubenabdeckungen
fixiert. Bei den Federn kann es sich um schneckenförmige Druckfedern
mit unterschiedlichen Durchmessern handeln, die ineinanderliegend
vorgesehen sind.
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Die
Basis kann aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff,
geformt sein. Der Pedalarm und der Hilfsarm können ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial
gebildet sein.
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Endanschläge für die Pedalarmbewegung
können
an der Basis montiert sein, wobei die Endanschläge mit einem Teil des Pedalarms
zusammenwirken, der auf der der Fußauflage gegenüberliegenden
Seite der Pedalarmachse liegt. Die Endanschläge können aus einem elastischen
geräuschdämpfenden
Material bestehen.
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Der
Pedalpositionssensor kann an der Basis angrenzend an die Endanschläge montiert
sein, und er kann so montiert sein, daß er gedreht werden kann, um
eine genaue Ruheposition einzustellen. Die Basis kann einen Anschraubflansch
zur Halterung des Positionssensors haben.
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Der
Pedalmechanismus kann eine Vorrichtung (z.B. eine Kickdown-Vorrichtung)
zur Erzeugung einer Erhöhung
des Drucks beinhalten, der erforderlich ist, um den Pedalarm über einen
Teil der Pedalarmbewegungsstrecke herabzudrücken. Die Vorrichtung kann
sich in einem Rücksprung
im Pedalarm befinden.
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Der
Pedalmechanismus kann insbesondere so ausgeführt sein, daß er als
ein Gaspedalmechanismus für
ein Kraftfahrzeug verwendet werden kann.
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Die
Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher beschrieben;
dabei sind:
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1 ein
Blockdiagramm, das ein Steuerungssystem zeigt, in dem das Pedal
der Erfindung als ein Gaspedal verwendet werden kann;
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2 ein
Querschnitt durch einen Pedalmechanismus in Übereinstimmung mit der Erfindung
in der Leerlaufposition;
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3 ein
Querschnitt entsprechend der 2, der jedoch
das Pedal in der Vollgasposition zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht des Pedalmechanismus der Erfindung;
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5 eine
Vorderansicht des Pedalmechanismus;
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6 ein
Querschnitt in einem größeren Maßstab im
Kreis A aus 3;
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7 ein
Querschnitt entlang der Linie VII-VII aus 6;
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8 eine
Ansicht einer alternativen Ausführungsform
des Endanschlags für
das Vollgasende der Pedalbewegung;
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9 und 10 Ansichten
eines Kickdown-Schalters
in der nicht betätigten
bzw. der betätigten
Position; und
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11 eine
Kurve der Kraft im Verhältnis
zum Pedalhub.
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Die
gleichen oder ähnlich
wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet.
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Die
Zeichnungen zeigen einen Gaspedalmechanismus mit einem integrierten
Positionssensor zur Steuerung der Kraft einer Antriebsmaschine.
Bei der Antriebsmaschine kann es sich um einen Elektro-, Benzin-
oder Dieselmotor handeln.
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In 1 repräsentiert
der Block 10 ein Sensormodul, das die Pedalposition abfühlt. Dieses
Modul erzeugt ein die Pedalposition repräsentierendes Signal, das an
ein Motorsteuerungsmodul 12 geleitet wird. Das Modul 12 erhält auch
andere Signale 14 von anderen Sensoren, die z.B. die Motorkühlmitteltemperatur,
die Umgebungslufttemperatur, das Krümmervakuum repräsentieren.
Das Modul 12 wertet alle diese Signale aus und erzeugt
dann ein Ausgabesignal, das einer Drosselventileinheit 16 oder,
im Falle eines Dieselmotors, einer Kraftstoffeinspritzpumpe zugeleitet
wird.
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Der
Pedalmechanismus hat einen schwenkbaren Pedalarm 18, der
um eine Schwenkachse 20 an einem Ende schwenken kann, sowie
eine Auflage 22 für
den Kontakt mit dem Fuß des
Fahrers am anderen Ende. Das Pedal kann gegen eine zunehmende Rückstellkraft,
die von zwei Rückstellfedern
erzeugt wird, aus einer Ruheposition (2 – Leerlaufposition)
in eine Endposition (3 – Vollgasposition) bewegt werden.
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2 zeigt
eine Basis 24, in der der Pedalarm 18 montiert
ist, so daß er
um die Pedalachse 20 schwenken kann. Die Basis hat auch
eine Schwenkachse 26 für
einen Hilfs- oder Reibungsarm 28. Rückstellelemente in der Form
schneckenförmiger
Druckfedern 30, 32 sind zwischen der Basis 24 und
dem Reibungsarm 28 montiert, so daß der Reibungsarm immer in
die Richtung der Ruheposition der 2 gedrückt wird. Der
Reibungsarm 28 hat eine Reibungsoberfläche 34, die in einem
Bereich, wo der Pedalarm auch eine Reibungsoberfläche 36 hat,
gegen die Unterseite des Pedalarms 18 gedrückt wird.
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Da
die Schwenkpunkte des Reibungsarms 28 und des Pedalarms 18 voneinander
beabstandet sind, wenn der Pedalarm durch den Fuß des Fahrers herabgedrückt wird,
werden die Federn 30, 32 zusammengedrückt, und
zwischen den Reibungsoberflächen 34, 36 findet
eine relative Bewegung statt. Diese relative Bewegung erzeugt, in
Verbindung mit der durch die Rückstellfedern 30, 32 bereitgestellten
Vorspannung, eine Reibungskraft, die der durch die Federn auf das
Pedal ausgeübten
Kraft proportional ist.
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Die
Reibungskraft hängt
von der Vorspannkraft der Rückstellfedern 30, 32,
dem Eingriffswinkel α zwischen
dem Pedalarm 18 und dem Reibungsarm 28 und vom
Reibungskoeffizienten (μ)
zwischen dem Reibungsarm und dem Pedalarm ab. Die Vorspannkraft
der Rückstellfederelemente 30, 32 und
die Kraftkomponenten der tangential auf die Pedalachse 20 wirkenden
Reibungskraft erzeugen das Pedalmoment. 6 zeigt,
daß der
Reibungsarm 28 eine spezielle reibungsmodifizierte Beschichtung
bei 34a, direkt an der Oberfläche des Arms, aufweisen kann,
wo ein Kontakt mit der Unterseite des Pedalarms 18 erfolgt.
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Die
Form des Endes des Reibungsarms 28 ist auch aus 7 ersichtlich,
die zeigt, daß an
einem beliebigen speziellen Punkt der relativen Bewegung zwischen
den zwei Armen ein Linienkontakt zwischen den zwei gekrümmten Oberflächen, die
unterschiedliche Krümmungsradien
haben, erfolgt.
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Ein
Pedalmechanismus, wie er vorstehend beschrieben wurde, kann insbesondere
folgende Vorteile haben:
- • Die reibungserzeugende Normalkraft
wird durch die Rückstellfedern 30, 32 erzeugt.
Wenn eine Rück stellfeder
bricht, wird somit auch die Reibung reduziert, und eine sichere
Rückstellung
des Pedals, wie in den amerikanischen Sicherheitsnormen FMVSS124
vorgeschrieben, ist jederzeit garantiert. Dies läßt es zu, den Pedalmechanismus
mit einer sehr großen
Krafthysterese (Reibung) auszulegen, was aus Gründen des Fahrkomforts sehr
vorteilhaft ist.
- • Zur
Reibungserzeugung ist nur ein zusätzliches Bauteil (Hilfsarm 28)
erforderlich, das durch geeignete Geometrie sehr leicht in die Pedaleinheit
integrierbar ist. Der Pedalmechanismus erfordert sehr wenige Bauteile.
- • Die
Konstruktion der Reibungselemente läßt es zu, das Pedal zentral
im Verhältnis
zum Pedallager (siehe 5) zu positionieren. In Verbindung
mit einer in geeigneter Weise konstruierten Pedalbasis 24 ist
es dadurch möglich,
Torsionskräfte
im Pedalmechanismus zu vermeiden, was eine hohe Pedalsteifigkeit
zur Folge hat. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, so daß der Pedalmechanismus
vollständig
aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff,
hergestellt werden kann, was aus Kosten- und Gewichtsgründen ein
entscheidender Vorteil für
eine großtechnische
Massenproduktion in der Automobilindustrie ist.
- • Die
kompakte Konstruktion mit einem zentralen Pedallager läßt es zu,
daß der
Pedalmechanismus Kräften widerstehen
kann, die während
einer Fehlbetätigung
des Pedals, beispielsweise während
einer Panikbeschleunigung, oder durch Veränderung der Sitzposition des
Fahrers, während
sein Fuß auf
dem Gaspedal ruht, auftreten können.
Ein Vollast anschlag 38 kann in den Pedalmechanismus integriert
werden. In Verbindung mit einem gleichermaßen in den Pedalmechanismus
integrierten Leerlaufpositionsanschlag 40 kann der Pedalmechanismus
als eine vollständig
voreingestellte Einheit ausgebildet sein, die seitens des Fahrzeugherstellers
während
des Einbaus in das Fahrzeug keine zusätzliche Einstellung erfordert,
und gleichzeitig können
die kleinstmöglichen
Toleranzen für
die Pedalbewegungsstrecke und die räumliche Position des Pedals
im Fahrzeug aufrechterhalten werden (wobei hier dem vertikalen Abstand
zwischen dem Gaspedal und der Fußbremse besondere Bedeutung
zukommt). Da eine beliebige Einstellungsarbeit im schlecht zugänglichen
Bodenflächenbereich
des Fahrzeugs durchgeführt
werden muß,
bedeutet das Vermeiden eines Einstellungsbedarfs eine beträchtliche
Qualitätsverbesserung,
wobei gleichzeitig während des
Einsetzens des Pedalmechanismus in das Fahrzeug nicht unbeträchtliche
Kosteneinsparungen erzielt werden.
- • Die
beschriebene Konstruktion läßt eine
Herstellung des Pedalmechanismus aus stabilem Kunststoff zu. Zusätzlich zu
den bekannten Vorteilen, wie beispielsweise der Herstellung individueller
Fertigteile durch Spritzgießen,
entfällt
die Notwendigkeit einer Sprühlackierung
usw., da der gesamte Pedalmechanismus an die optischen Kundenerfordernisse
angepaßt
werden kann und keine speziellen Pedalabdeckungen, wie beispielsweise
Gummiauflagen für
die Pedalplatte, erforderlich sind, weil dies in jeder gewünschten
Konstruktion direkt in das Pedal integriert werden kann.
- • Die
für den
Pedalarm und den Hilfsarm erforderlichen Lagerpunkte können als
sogenannte direkte Kunststofflager konstruiert sein, so daß keine
zusätzlichen
Lagerbuchsen aus Spezialkunststoffen oder selbstschmierenden Verbundlagermaterialien,
wie sie heutzutage in Pedallagern verwendet werden, erforderlich sind.
- • Um
während
der Kickdown-Funktion eine plötzliche
Krafterhöhung
zu erzeugen, wie aus dem Diagramm in 11 ersichtlich,
läßt die Konstruktion
des Pedalmechanismus mit einem gerippten Kunststoffpedal oder alternativ
mit einem kastenförmigen
Hohlprofilquerschnitt, der sich beispielsweise durch Spritzgießen in einem
Innendruckverfahren herstellen läßt, ein
wahlweises Ausstatten mit einem mechanischen Kickdown-Element in
einer für
diesen Zweck im Pedalarm vorgesehenen Hülse 42 zu. Diese Kickdown-Funktionseinheit
kann in der im Pedalarm gezeigten Hülse oder in der Basis montiert
werden. Dies läßt eine
Modulkonstruktion des Pedalmechanismus zu, die durch einfache Montage
eines zusätzlichen
Bauteils an die unterschiedlichen Erfordernisse eines Schalt- oder
Automatikgetriebes angepaßt
werden kann. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Kickdown-Funktionseinheit unter dem Betätigungsteil
des Pedalarms in einer in geeigneter Weise konstruierten Hülse zu montieren.
Dies hat den Vorteil, daß eine
sehr präzise
Betätigung
des Kickdown-Elements mit einem steilen Kraftanstieg erzeugt werden
kann. Da die vorhandene Elastizität des Pedals als eine Folge
der kurzen freien Pedalarmlänge
sehr gering ist, erfährt
der Pedalkraftanstieg der Kickdown-Einheit gemäß 11 durch
die Pedalelastizität
keine Abflachung.
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Die 8, 9 und 10 zeigen
einen Kickdown-Mechanismus
und die Art, in der dieser auch als ein Endanschlag wirkt, um die
Pedalbewegungsstrecke gegenüber
der Rückstellkraft
der Federn 30, 32 zu begrenzen. Der Pedalarm 18 hat
hier eine Hülse 53,
die in rechten Winkeln zur Pedalschwenkachse vorgesehen ist. In
dieser Hülse
ist eine Kickdown-Federeinheit 54 befestigt. Diese Einheit
stellt den zusätzlichen
Widerstand gegenüber
dem Herabdrücken
des Pedals bereit, was dem Fahrer signalisiert, daß der Kickdown
gerade aktiviert wird. Die Einheit 54 hat eine Basis 56 mit
einer Schulter 60, die im Innern der Hülse im Pedalarm sitzt. Eine
Kappe 62 sitzt auf der Basis und ist normalerweise, weg
von der Basis, nach oben zu der in 9 gezeigten
Position hin vorgespannt. Eine (nicht dargestellte) Schraubenfeder
sitzt in einem Rücksprung 66,
um diese Funktion zu erfüllen.
Wenn die Kickdown-Position erreicht ist, berührt die Kappe 62 den
Endanschlag 38 an einer inneren Oberfläche des Gehäuses 48. Um das Pedal
weiter zu bewegen, ist es erforderlich, daß der Fahrer nicht nur den
Widerstand der Federn 30, 32 und die Reibung zwischen
dem Pedalarm und dem Reibungsarm überwindet, sondern auch die
Feder im Rücksprung 66 zusammendrückt.
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Wenn
das Pedal vollständig
zusammengedrückt
wird, erreicht die Kappe 62 die in 10 gezeigte
Position, und dies wirkt als ein Vollastanschlag für die Pedalbewegung.
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Der
Pedalmechanismus ist mit zwei schneckenförmigen oder Schraubendruckfedern 30, 32 ausgestattet
dargestellt. Federn dieser Art lassen sich kostenwirksam und mit
hoher Präzision
herstellen. In Verbindung mit der Erzeugung von Reibung durch den
Reibungsarm 28 ist es möglich,
eine Pedalbetätigungskraft und
eine Pedal reibung mit sehr hoher Präzision ohne zusätzliche
Vorspannelemente und ohne die Notwendigkeit einer Einstellung zu
erzeugen, was für
eine großtechnische
Massenproduktion sehr vorteilhaft ist. In Anbetracht der zunehmenden
Komfortanforderungen in der Automobilindustrie bietet diese Pedalmechanismuskonstruktion
durch die optimale Gestaltung der Fahrer/Fahrzeug-Schnittstelle
im Hinblick auf die ergonomische Gestaltung und das Verhalten des
Pedals beträchtliche
Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik, wo die Reibung allgemein mit zusätzlichen
Reibungs- und Vorspannelementen erzeugt wird und somit große Toleranzen
aufweist.
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Durch
einen integrierten Reibungsmechanismus wird eine Reibungskraft erzeugt,
die von der Rückstellkraft
des Pedalmechanismus abhängt
und die für
eine komfortable ergonomische Pedalbetätigung und die Erzeugung einer
charakteristischen Pedallinie gemäß 11 erforderlich
ist. Der Pedalmechanismus kann wahlweise mit einer Kickdown-Einheit
ausgestattet werden, die einen Kraftanstieg gemäß dem in 11 (11,
Bereich B) gezeigten Diagramm und den Kraftabfall nach Überwindung
der Kraftspitze (11, Bereich C) erzeugt.
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Die
in
11 gezeigten Stufen sind wie folgt:
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Die
erwünschten
Eigenschaften werden im hier beschriebenen Pedalmechanismus dadurch
erzielt, daß:
- • die
Montagebasis 24 ein separates präzises und sehr stabiles Pedallager
hat, das vorteilhafterweise als ein stabiles Kunststofflager hergestellt
werden kann;
- • die
Montagebasis 24 einen außerhalb des Pedallagers 20 montierten
Reibungsarm 28 hat, der durch die Rückstellfedern 30, 32 mit
Kraft vorgespannt wird;
- • der
Reibungsarm 28 mittels der Rückstellfedern 30, 32 gegen
eine speziell ausgeführte
Reibungsfläche 36 des
Pedalarms 18 gedrückt
wird;
- • durch
das separate Lager 26 des Reibungsarms 28, das
vom Pedallager 20 beabstandet ist, eine relative Bewegung
zwischen dem Pedalarm und dem Reibungsarm erzeugt wird, um eine
von der Rückstellkraft abhängige Reibungskraft
zu erzeugen.
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Das
Pedallager und das Reibungsarmlager können durch Kunststoffstifte
gebildet sein, die durch passend ausgeführte Löcher an gegenüberliegenden
Seiten des Pedalgehäuses 48 eingeführt werden.
Ein anderer ähnlicher
Stift kann durch Löcher
an gegenüberliegenden
Seiten des Gehäuses
eingeführt
werden, um für das
Pedal am Leerlaufende seiner Bewegungsstrecke einen Endanschlag
zu bilden.
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Die
Pedalbetätigungskraft,
die vom Fahrer gefühlt
werden kann, entspricht der Pedalkraft, dividiert durch den aktiven
Pedalradius. Somit fühlt
der Fahrer in der Betätigungsrichtung
die durch die Rückstellelemente
erzeugte Pedalrückstellkraft,
die Rückstellkraft,
zuzüglich
der tangential wirkenden Reibungskraftkomponenten, und in der Richtung
abnehmender Beschleunigung oder des Haltens der Gaspedalposition
fühlt der Fahrer
die von den Rückstellelementen
erzeugte Pedalkraft, abzüglich
der tangential wirkenden Reibungskraftkomponenten, da die Reibungskraft
immer gegen die Bewegungsrichtung wirkt.
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Durch
Ausüben
einer großen
Reibungskraft ist es somit möglich,
die zur Aufrechterhaltung der Position des Pedals erforderliche
Kraft wesentlich zu verringern. Da dadurch eine Ermüdung des
Fußes
bei längeren Fahrten
verhindert wird, wird der Komfort durch eine hohe Pedalreibung erwiesenermaßen verbessert.
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Die
Verwendung der gezeigten Rückstellelemente
zur Erzeugung der Reibungskraft läßt es zu, die Pedalbetätigungs-
und -haltekräfte
ausschließlich
aus ergonomischen Gesichtspunkten zu erzeugen. Sollte ein Rückstellelement
ausfallen, wird die Pedalreibung zur gleichen Zeit verringert, so
daß eine
sichere Rückstellung
des Pedals im Falle eines Bruchs an einem Rückstellelement sichergestellt
wird. Dies ist zum Teil auch gesetzlich vorgeschrieben (z.B. in
den USA durch FMVSS 124).
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Des
weiteren ist nur ein zusätzliches
Bauteil (Reibungsarm 28) erforderlich, um die Pedalreibung
zu erzeugen. Dies läßt eine
sehr einfache und extrem robuste, ein geringes Gewicht aufweisende
und platzsparende Konstruktion des Pedalmechanismus zu.
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Eine
aus stabilem Kunststoff bestehende Konstruktion eines Pedalmechanismus
ist in den Beispielen dargestellt. Die Konstruktion des Reibungsarms
und seine Integrierung in die Pedalkonstruktion läßt eine äußerst steife
Konstruktion zu, die ein extrem geringes Gewicht aufweist und für Kunststoffe
geeignet ist. Das Gewicht dieser Konstruktion kann etwa 250 g betragen.
Vergleichbare Konstruktionen mit Stahlpedal und angepaßtem Pedalsensor,
die heutzutage allgemein verwendet werden, sind wesentlich schwerer
und wiegen im Durchschnitt etwa > 750
g.
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Wenn
die Oberflächen 34, 36,
d.h. die Kontaktflächen
zwischen dem Pedalarm und dem Reibungsarm, mit einer spezifischen
Reibungsauskleidung versehen werden, ist es durch eine entsprechende
Materialwahl ohne weiteres möglich,
die Reibungswerte und somit die Reibungskraft anzupassen. Da die
Reibungsauskleidung im Pedal eine kleine Fläche und ein geringes Volumen
hat und keine Pedalkräfte
zu absorbieren braucht, können
hier relativ teure reibungsmodifizierte Spezialkunststoffe verwendet
werden, die für
diesen Einsatz am besten geeignet sind und eine definierte ruhige
ruck-/gleitfreie
Reibung garantieren, die während der
betrieblichen Lebensdauer konstant ist und keiner Schmierung bedarf.
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Die
Rückstellelemente
sind durch zwei Schraubendruckfedern 30, 32 dargestellt.
Sie lassen sich kostenwirksam mit hoher Präzision herstellen. Bei einer
Konstruktion aus rostfreiem Ventilfederstahl (wie bevorzugt) sind
eine Berechnung und Auslegung für
permanente Festigkeit problemlos möglich.
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Um
insbesondere die Breite des erforderlichen Einbauplatzes zu minimieren,
werden die Schraubendruckfedern seitlich zueinander montiert und
in ringförmigen
Rücksprüngen im
Reibungsarm 28 und in der Montagebasis 24 fixiert.
Alternativ besteht die Möglichkeit,
die zwei Schraubendruckfedern ineinanderliegend (die kleine Feder
in der großen
Feder) einzubauen. Das Fixieren der großen äußeren Feder kann dann durch einen
ringförmigen
Rücksprung
im Reibungsarm und in der Montagebasis erfolgen. Die kleinere innere
Feder wird dann an Rückhaltestiften
in der Montagebasis und am Reibungsarm fixiert.
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Der
Pedalarm ist als ein einteiliges Kunststoffteil 18 mit
einem Rücksprung 42 zum
wahlweisen Einbau mit einem Kickdown-Element und einem Pedalpositionssensor 44 ausgeführt. In
einer Ausführung
mit einer stabilen Kunststoffkonstruktion kann der Sensor 44 in
seiner Form und Ausführung
ohne zusätzliche
Kosten in optimaler Weise an Kundenerfordernisse angepaßt werden.
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Die 4 und 5 zeigen
eine Fuß-
oder Pedalauflage 22, die eine gerippte Ausführung in
Kombination mit einer leicht abgerundeten Pedalkontur aufweist,
wodurch eine optimale ergonomische Pedalform erzeugt wird. Die angezeigte
durchbrochene Konstruktion, durch Vermeidung einer großen Wanddicke,
läßt eine zuverlässige Herstellung
in einem Spritzgießverfahren
mit maximaler Steifigkeit und kleinstmöglichem Gewicht zu. Diese Konstruktion
kann durch finite Elementeanalyse optimiert werden, so daß für jede unterschiedliche Ausführung genau
definierte Grenzwerte für
Dauer- und Spitzenbelastungen angegeben werden können.
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Der
Pedalarm 18 wird von einer Lagerwelle 20 getragen,
die in eine Bohrung im Pedalarm und in Bohrungen 46 in
Seitenwänden 48 der
Montagebasis 24 eingesetzt wird. Da sich diese Welle nicht
zu drehen braucht, kann sie entweder aus Stahl oder Kunststoff (z.B.
als ein spritzgegossenes Teil) hergestellt werden. Wenn sie aus
Stahl hergestellt wird, wird der Bolzen vorteilhafterweise auf einer
Seite gewalzt und hat einen Preßsitz
in der Montagebasis. Die Bohrung im Pedalarm ist mit Spiel ausgebildet.
Bei der kostenwirksamen Ausführung
des Lagerbolzens als ein spritzgegossenes Kunststoffteil sind die
Verbindungsteile im Pedalarm 18 und in der Montagebasis 24 als
Verbindungsteile mit Spiel ausgebildet. Der axiale Festsitz des
Lagerbolzens wird durch eine (nicht dargestellte) radial montierte
Arretiernase am Lagerbolzen, die in einen (nicht dargestellten)
Rücksprung
im Pedalarm eingreift, sichergestellt.
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Der
Positionssensor 44 ist aus Gründen der Lagerpräzision und
-standardisierung als ein separates Bauteil mit seinem eigenen Lager
und seinem eigenen Gehäuse
ausgebildet. Er wird mittels Schrauben auf entsprechend ausgebildete
Anschraubhaubenabdeckungen der Montagebasis aufgeschraubt und durch
als Langlöcher
ausgebildete Anschraubflanschbohrungen in der Ruheposition durch
Drehen und anschließendes Festziehen
der Schrauben auf ein genau spezifiziertes Startsignal eingestellt.
Die mechanische Übertragung der
Pedalbewegungsstrecke durch den Positionssensor findet durch einen
herkömmlichen
Hebelmechanismus oder eine herkömmliche
Stirnradverzahnung statt.
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Die
Montagebasis hat einen Kunststoffflansch, in dem entsprechende Montagebohrungen 50 vorgesehen
sind, die von oben leicht zugänglich
sind. Es ist vorteilhaft, wenn Gewindebolzen an der Fahrzeugkarosseriekonstruktion
vorfixiert werden, so daß der
Pedalmechanismus während
der Montage bereits vorzentriert ist. Um aus Gewichts- und Kostengründen auf
die derzeit herkömmlichen
Metallbuchsen in den Montagebohrungen verzichten zu können, die
eine Überbeanspruchung
des Kunststoffs während
des Festziehens der Schrauben verhindern sollen, können daher
sogenannte Quetschmuttern als Verbindungsteile verwendet werden.
Es ist somit möglich,
den Pedalmechanismus durch Festziehen der Muttern mit einem vorbestimmten Drehmoment
zu sichern, das einen zuverlässigen
Festsitz des Pedalmechanismus garantiert, jedoch den glasfaserverstärkten Kunststoff
im Bereich der Einschraubbohrungen nicht überbeansprucht. Trotz des unvermeidbaren
Abfalls der Vorspannung kann durch das Fließen des Kunststoffs im Flanschbereich
der Montagebasis ein sicherer Sitz des Pedalmechanismus durch die
vorhandene Restspannung gesichert und ein Lösen der Schrauben durch die
in den Quetschmuttern vorhandene radiale Vorspannung verhindert
werden.
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Der
Anschlag für
die Pedalbewegungsstrecke in der Ruhe- oder Leerlaufposition ist
durch in geeigneter Weise ausgeführte
Flächen
in den Pedalarm und die Montagebasis 40, 52 integriert.
Indem diese Teile als spritzgegossene Teile hergestellt werden,
werden für
den Anschlag in der Ruheposition die kleinstmöglichen Toleranzen erzeugt.
Dies hat den Vorteil, daß,
wenn im Fahrzeug entsprechende Toleranzen vorgesehen werden, die
kleinstmöglichen
Lagertoleranzen für
die räumliche
Anordnung des Pedalmechanismus im Verhältnis zur Position der Bremse
erzeugt werden. Dies hat einen wesentlichen Vorteil, insbesondere
bei Hochleistungsfahrzeugen, da eine genauere vertikale Distanz
zwischen dem Bremspedal und dem Gaspedal dazu beiträgt, eine
unbeabsichtigte gleichzeitige Betätigung des Gaspedals und des
Bremspedals zu vermeiden, so daß dadurch
verhindert wird, daß die
Motorkraft die Bremskraft überwindet
und das Fahrzeug in unerwünschter
Weise beschleunigt wird.
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Für die ergonomische
Fußbetätigung ist
es erforderlich, daß die
Pedalbewegungsstrecke des Pedalmechanismus nicht zu groß ist, weil
sich der Fuß ansonsten
bei Vollgasbetätigung
in eine ermüdende
gestreckte Position, die nicht akzeptabel ist, bewegt oder die Ferse
des Fußes
jedes Mal zwischen der Leerlauf- und der Vollastposition bewegt
werden muß.
Somit ist für
den Fuß eine
kleine Pedalbewegungsstrecke aus ergonomischen Gründen erforderlich.
Andererseits führt
eine zu kleine Pedalbewegungsstrecke, insbesondere im Falle von
Hochleistungsfahrzeugen, dazu, daß die Kraft des Fahrzeugs schlecht
dosiert werden kann. Viele Experimente haben gezeigt, daß eine Pedalbewegungsstrecke
von etwa 50 mm vom Leerlauf zur Vollast den bestmöglichen
Kompromiß zwischen
Gasdosierung und Pedalergonomie darstellt. Dies bedeutet, daß ein idealer
Pedalmechanismus für
die Pedalbewegungsstrecke geringe Toleranzen aufweisen muß, da sonst
das Gasgeben oder die Pedalergonomie negativ beeinflußt wird.
In der Ausführung
des Pedalmechanismus gemäß der Erfindung
sind daher der Leerlaufanschlag und der Vollastanschlag in den Pedalmechanismus
integriert. Da die Toleranzen für
die Pedalbewegungsstrecke in der in 3 dargestellten
Ausführungsform
im wesentlichen durch die Position der integrierten Anschläge 38, 40 in
nur zwei betriebsfertigen Teilen, d.h. im Pedalarm 18 und
in der Montagebasis 24, erzeugt werden, die mit hoher Präzision im
Spritzgießverfahren
hergestellt werden können,
ist es offensichtlich, daß sich
geringe Toleranzen für
die Pedalbewegungsstrecke erzeugen lassen, ohne anschließend im
Fahrzeug irgendeine Einstellung vornehmen zu müssen.
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Der
kritische Punkt beim Integrieren des Vollastanschlags in den Pedalmechanismus
besteht darin, daß alle
Pedalkräfte,
die auf das Pedal einwirken, allein durch den Pedalmechanismus mit
seiner Gehäusekonstruktion
im Fahrzeug absorbiert werden müssen.
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Da
das Gaspedal eine sicherheitskritische Konstruktionsgruppe darstellt,
ergibt sich daraus unmittelbar, daß der Pedalmechanismus mit
seiner Gehäusekonstruktion
im Fahrzeug eine sehr hohe Steifigkeit aufweisen muß und die
Lastgrenzen durch Berechnung eindeutig nachgewiesen und durch präzisionsdefinierte Verfahren
in der Produktion garantiert werden müssen.
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Mit
der hier beschriebenen Konstruktion werden diese Erfordernisse in
der Ausführung
berücksichtigt. Das
Pedal liegt zentral zwischen zwei extrem steifen Seitenwänden 48,
die Lagerpositionen bilden. Durch Vermeidung von Torsionskräften im
Pedal und in der Montagebasis wird eine maximale Steifigkeit bei
kleinstmög lichem
Gewicht erzeugt. Mittels einer finiten Elementeanalyse kann eine
Rahmenkonstruktion für
das Pedal im Bereich des Betätigungsteils
optimiert werden, und eine Kastenkonstruktion kann im Bereich des
Lager- und Reibungsmechanismus optimiert werden.
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Der
beschriebene Pedalmechanismus bietet somit dem Fahrer ein gutes "Gefühl", verbunden mit geringen
Kosten, einem niedrigen Gewicht und genauer zuverlässiger Leistung.
