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Die vorliegende Erfindung betrifft 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 des Motors führt und bei nachlassender Betätigungskraft die Rückstellkraft der Rückstellfeder die Pedalplatte in Richtung seiner Ausgangslage zurückbefördert.
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Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht generell das Problem, dass der Fahrzeugführer mit vielen Informationen seines Kraftfahrzeugs versorgt wird. Diese Reizüberflutung des Fahrzeugführers durch akustische und optische Signale führt zu einer Ablenkung vom Verkehr. Infolgedessen neigt der Fahrzeugführer dazu, die Signale zu überhören oder zu ignorieren oder er kann sie nicht mehr der Ursache zuordnen. Eine Fahrpedaleinheit der eingangs genannten Gattung vermeidet alle Nachteile optischer und akustischer Systeme: Es ist eine geeignete Mensch-Maschinen-Schnittstelle für Längsdynamik-Funktionen (Abstandsinformation, Geschwindigkeitsbegrenzung und -regelung) sowie zur Anzeige von Gefahrenhinweisen.
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Aus der
DE 32 32 160 A1 ist daher eine Vorrichtung bekannt, bei der die Rückstellkraft des Fahrpedals veränderbar ist und dem Fahrzeugführer eine haptische Rückmeldung gibt. Die Rückstellkraft des Fahrpedals wird im Bereich des gesamten Pedalwegs in Abhängigkeit von Kenngrößen, die das Motordrehmoment und die Motordrehzahl wiedergeben, automatisch eingestellt. Bei der vorbekannten Vorrichtung ist ein hydraulisches Stellglied vorgesehen, das über eine Feder mit dem Fahrpedal verbunden ist. Derartige Stellglieder sind vergleichsweise aufwendig, da sie regelbar sein müssen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fahrpedaleinheit der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass dem Fahrzeugführer zuverlässig haptische Informationen zugeführt werden können und die Vorrichtung kostengünstig und robust ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Fahrpedaleinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist ein fremdansteuerbarer elektromechanischer Aktuator vorgesehen ist, dessen Krafterzeugung parallel zur Betätigungskraft des Fahrzeugführers wirkt und der ein Element (derart betätigt, dass für den Fahrzeugführer eine Vibration oder ein Klopfen an der Pedalplatte spürbar ist. Der wesentliche Unterschied zu vorbekannten Fahrpedaleinheiten ist es, dass die kinematische Kette der Fahrpedalbetätigung durch die parallele Anordnung des elektromechanischen Aktuators nicht beeinflusst wird. Die Betätigungskraft des Fahrzeugführers und die vom elektromechanischen Aktuator erzeugte Kraft sind zueinander parallel. Das heißt, in den Kraftfluss der Fuß-Betätigungskraft wird kein Krafterzeugungselement geschaltet, sondern der krafterzeugende elektromechanische Aktuator wirkt parallel auf die Pedalplatte.
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Durch die Anordnung des elektromechanischen Aktuators auf der rückseitigen Fläche der Pedalplatte wird erreicht, dass eine Betätigung des Elements durch den elektromechanischen Aktuator eine Vibration oder ein Klopfen auf die Pedalplatte erzeugt.
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In einer ersten Alternative ist der elektromechanische Aktuator als Elektromotor ausgebildet, der ein exzentrisches Rotationselement betätigt. Der Elektromotor wird von einer Halterung aufgenommen, die sich auf der rückseitigen Fläche der Pedalplatte befindet. Alternativ ist der Elektromotor einstückig mit der rückseitigen Fläche der Pedalplatte ausgebildet. In beiden Fällen wird die von der Betätigung des exzentrischen Rotationselements verursachte Vibration auf die Pedalplatte übertragen.
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Bei einer zweiten Alternative ist der elektromechanische Aktuator als Elektromagnet ausgebildet, der einen Stößel betätigt. Dieser Stößel ist gegen die rückseitige Fläche der Pedalplatte bewegbar. Alternativ ist ein mit der rückseitigen Fläche verbundener Anschlag vorgesehen, gegen den der Stößel bewegbar ist.
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Der Elektromagnet wird von einer Haltevorrichtung aufgenommen wird, die sich auf der rückseitigen Fläche der Pedalplatte befindet. Alternativ ist der Elektromagnet einstückig mit der rückseitigen Fläche der Pedalplatte ausgebildet, sodass das von der Betätigung des Stößels verursachte Klopfen auf die Pedalplatte übertragen wird.
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Bevorzugt ist der elektromechanische Aktuator fremdansteuerbar ausgebildet, das heißt, der elektromechanische Aktuator ist von einer Steuereinheit ansteuerbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von vier Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Fahrpedaleinheit in der Ausführung eines stehenden Fahrpedals;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels in der Ausführung eines hängenden Fahrpedals;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels als stehendes Fahrpedal;
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4a, b zwei Seitenansichten des dritten Ausführungsbeispiels aus 3 mit zwei Betätigungspositionen des elektromechanischen Aktuators;
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5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels als hängendes Fahrpedal;
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6a, b zwei Teilansichten des vierten Ausführungsbeispiels aus 5 mit zwei Betätigungspositionen des elektromechanischen Aktuators und
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7a, b zwei Kraft-Weg-Diagramme der Pedalkennlinie der erfindungsgemäßen Fahrpedaleinheiten.
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In 1 ist eine Fahrpedaleinheit für Kraftfahrzeuge dargestellt. Wenn der Fahrzeugführer auf eine Pedalplatte 3 der Fahrpedaleinheit tritt und sich eine durch seine entsprechende Fuß-Betätigungskraft herbeigeführte Lageänderung der Pedalplatte gegenüber der Ausgangslage entgegen einer Rückstellkraft einstellt, so führt dies zu einer Erhöhung der Antriebskraft des Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs. Dabei ist es unerheblich, ob der Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs durch einen Verbrennungsmotor oder einen bzw. mehrere Elektromotoren oder durch eine Kombination der genannten Motoren realisiert wird. Löst der Fahrzeugführer seinen Fuß von der Pedalplatte 3, so befördert eine Rückstellkraft die Pedalplatte 3 in Richtung seiner Ausgangslage zurück. Diese Rückstellkraft wird von einer hier nicht dargestellten Rückstellfeder erzeugt. Bei der in 1 dargestellten Fahrpedaleinheit handelt es sich um eine sogenanntes stehende Fahrpedaleinheit: Die Pedalplatte 3 ist verschwenkbar in einer Abstützvorrichtung 1 gelagert, die in der Regel im Fußraum eines Kraftfahrzeugs auf dem Boden montiert wird. Die Bewegungen der Pedalplatte 3 werden mittels eines Hebels 6 in ein Gehäuse 7 übertragen. In dem Gehäuse 7 befindet sich die weitere Mechanik der Fahrpedaleinheit, wie etwa die eben genannte Rückstellfeder. Außerdem befindet sich in dem Gehäuse 7 ein Sensor, der die Bewegung der Pedalplatte 3 ermittelt und ein entsprechendes Signal ausgibt. Das Signal kann zur Ansteuerung des Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs dienen. Ein lediglich teilweise dargestellter Gehäusedeckel 8 zeigt in 1, dass in dem Gehäuse 7 eine Steuereinheit 9 angeordnet ist, deren Aufgabe nachfolgend noch näher erläutert wird.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden dem Fahrzeugführer durch Anzeigesysteme zahlreiche optische und/oder akustische Informationen übermittelt. Bei einer Vielzahl derartiger optischer und/oder akustischer Informationen kann der Fahrzeugführer leicht wichtige Informationen übersehen oder nimmt diese nicht wahr. Daher sieht die vorliegende Erfindung vor, dem Fahrzeugführer auf besonders einfache Weise haptische Informationen über die Fahrpedaleinheit zukommen zu lassen. Die in 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Fahrpedaleinheiten erzeugen eine Vibration an der Pedalplatte 3, die der Fahrzeugführer über seinen Fuß, der auf der Trittfläche 13 der Pedalplatte 3 ruht, wahr nimmt. So kann beispielsweise zum ökonomischen und spritsparenden Betrieb des Kraftfahrzeugs angehalten werden, indem eine Vibration der Pedalplatte 3 vor einer ineffizienter Motordrehzahl des Antriebsmotors warnt. Andere haptische Informationen, die dem Fahrzeugführer übermittelt werden können sind außerdem die Übermittlung sicherheitskritischer Informationen wie ein unzureichender Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug.
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Bei der in 1 dargestellten ersten Ausführung ist als elektromechanischer Aktuator ein Elektromotor 5 an einer der Trittfläche 13 gegenüberliegenden Fläche 16 angeordnet. An dieser rückseitigen Fläche 16 ist eine Halterung 4 befestigt, die den Elektromotor 5 aufnimmt. Von dem Elektromotor 5 wird ein exzentrisches Rotationselement 2 betätigt, d.h. in Rotation versetzt. Durch die schnelle Rotation des exzentrischen Rotationselements 2 entsteht aufgrund der Unwucht des Rotationselements 2 eine Vibration, die über den Elektromotor 5 und die Halterung 4 auf die Pedalplatte 3 übertragen wird. Der Fahrzeugführer spürt diese Vibration an seinem Fuß, der auf der Trittfläche 13 der Pedalplatte 3 anliegt. Der Elektromotor 5 wird von der vorhin erwähnten Steuereinheit 9 angesteuert. Zu diesem Zweck ist der Elektromotor 5 elektrisch mit der Steuereinheit 9 verbunden, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Wie es aus 1 ersichtlich ist, wird die kinematische Kette der Fahrpedalbetätigung durch die parallele Anordnung des Elektromotors 5 nicht beeinflusst. Die Betätigungskraft des Fahrzeugführers und die vom Elektromotor 5 erzeugte Kraft sind zueinander parallel. Die Rückstellkraft der nicht dargestellten Rückstellfeder und die durch den Elektromotor 5 erzeugten Vibrationen wirken parallel auf die Pedalplatte 13.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrpedaleinheit dargestellt. Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit derselben Wirkung erhalten dabei dasselbe Bezugszeichen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ein sogenanntes hängendes Fahrpedal, das hängend in den Fußraum eines Kraftfahrzeugs montiert wird. Eine Pedalplatte 3 ist mit einem Pedalhebel 10 mit dem Gehäuse 7 der Fahrpedaleinheit gekoppelt. Der Pedalhebel 10 ist schwenkbar um eine Drehachse 11 innerhalb des Gehäuses 7 gelagert. Der Trittfläche 13 der Pedalplatte 3 gegenüberliegend befindet sich die rückseitige Fläche 16. An dieser rückseitigen Fläche 16 ist ein Elektromotor 5 angeordnet, der eine Welle 12 antreibt. Auf der Welle 12 ist das exzentrische Rotationselement 2 aufgesteckt. Beim Betätigen des Elektromotors 5 wird das exzentrische Rotationselement 2 in eine schnelle Rotation versetzt und erzeugt aufgrund der exzentrischen Unwucht eine Vibration, die sich auf die Pedalplatte 3 bzw. die Trittfläche 13 überträgt. Der Elektromotor 5 kann dabei an die rückseitige Fläche 16 der Pedalplatte 3 befestigt sein oder einstückig mit der Pedalplatte 3 ausgebildet sein. Denkbar ist beispielsweise, dass die Pedalplatte 3 als Spritzgussteil hergestellt wird, wobei direkt ein zylinderförmiges Gehäuse, in das der Elektromotor 5 eingesetzt wird, mit ausgebildet wird. Wie bereits anhand von 1 erwähnt, wird der Elektromotor 5 von der Steuereinheit 9 angesteuert.
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Die durch den Elektromotor 5 und das exzentrische Rotationselement 2 erzeugten Vibrationen sind graphisch in dem Kraft-Weg-Diagramm in 7a dargestellt. In den 7a und 7b ist eine Pedalkennlinie dargestellt. Auf der Abszisse ist der Hub S der Pedalplatte 3 abgetragen. Die Ordinate stellt die Rückstellkraft F an der Pedalplatte 3 dar. Um die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu erhöhen, übt der Fahrzeugführer – wie bereits erwähnt – eine Kraft auf die Pedalplatte 3 aus. Mit zunehmendem Hub, um den die Pedalplatte 3 ausgelenkt wird, erhöht sich die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs. Um dem Fahrzeugführer das Gefühl zu vermitteln, dass er die Geschwindigkeit steuert, wird der Pedalplatte 3 die Rückstellkraft F gegen den Fuß des Fahrzeugführers mit steigendem Pedalhub erhöht. Diese Rückstellkraft F wird durch eine Rückstellfeder und eine Hysterese-Feder erzeugt. Sind die Kraft, die durch den Fahrzeugführer auf die Pedalplatte 3 ausgeübt wird, und die Rückstellkraft F, die durch die Rückstellfeder und die Hysterese-Feder erzeugt wird, im Gleichgewicht, so wird dem Fahrzeugführer insbesondere auf ebener Fahrbahn das Gefühl vermittelt, er bewegt sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit vorwärts.
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Die Kennlinie 17, 18, 19 der Pedalplatte 3 zeigt den Verlauf der Rückstellkraft F in Abhängigkeit vom Pedalhub S. In den 7a, 7b repräsentiert die hinlaufende Kennlinie 17 die Geschwindigkeitserhöhung. Die anfängliche Gegenkraft beim Pedalhub S gleich Null und die Steigung der hinlaufenden Kennlinie 17 sind durch die Auswahl der Rückstellfeder und der Hysterese-Feder bestimmt. Will der Fahrzeugführer die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs verringern, reduziert er die Kraft auf die Pedalplatte 3. Sobald sich die Richtung der Pedalauslenkung in Richtung abnehmendem Pedalhub S umkehrt, wird die Hysterese-Feder weggeschaltet, zum Beispiel durch Ausklinken der entsprechenden Feder. Die Rückstellkraft F, mit der die Pedalplatte 3 auf den Fuß des Fahrzeugführers wirkt, wird nun um den Betrag, der durch die Hysterese-Feder erzeugt wird, reduziert. Diese Verringerung der Rückstellkraft F bei Pedalhubumkehr wird durch die sogenannten Hysteresesprung 18 veranschaulicht. Die Gegenkraft der rücklaufenden Kennlinie 19 wird nun einzig durch die vorhin erwähnte Rückstellfeder aufgebracht. Der Fahrzeugführer verringert bei dem Wunsch, die Geschwindigkeit zu reduzieren, die Kraft auf die Pedalplatte 3. Die durch die Rückstellfeder ausgeübte Rückstellkraft F bewirkt, dass die Pedalplatte 3 in Kontakt mit dem Fuß des Fahrzeugführers bleibt. In 7a ist im Bereich x der Elektromotor 5 aktiviert und moduliert eine Vibration auf die Pedalplatte 3. Diese Vibration im Bereich x spürt der Fahrzeugführer an der Pedalplatte 3.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fahrpedaleinheit in der Ausführung eines stehenden Fahrpedals dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der elektromechanische Aktuator als Elektromagnet 15 ausgebildet. Der Elektromagnet 15 ist in einer Aufnahmevorrichtung 14 auf der der Trittfläche 13 gegenüberliegenden, rückseitigen Fläche 16 der Pedalplatte 3 angeordnet. Die Funktionsweise dieser Anordnung wird anhand von 4a und 4b näher erläutert: Der Elektromagnet 15 betätigt einen Stößel 22. Der Stößel 22 wird dadurch zur Anlage an die rückseitige Fläche 16 gebracht. Da der Stößel 22 durch die Betätigung des Elektromagneten 15 eine gewissen Beschleunigungsenergie aufnimmt, schlägt der Stößel 22 gegen die rückseitige Fläche 16. In 4a ist der Stößel 22 gegen die rückseitige Fläche 16 angelegt, während sich der Stößel 22 in 4b gerade in seiner anderen maximalen Position befindet. Durch das Betätigen des Stößels 22 gegen die rückseitige Fläche 16 spürt der Fahrzeugführer ein Klopfen oder ein Ticken gegen seinen Fuß auf der Trittfläche 13. In 7b ist dieses Klopfen graphisch dargestellt. Im Bereich y wird der Elektromagnet 15 zweimal bestromt und der Stößel schlägt zweimal gegen die rückseitige Fläche 16. Dieses sogenannte Doppelticken hat sich in Fahrversuchen als sehr effizientes haptisches Informationsinstrument bewiesen.
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Analog zu der in 4 dargestellten Ausführungsform, weist die in 5 und 6a, 6b gezeigte Ausführungsform einen Elektromagneten 15 als elektromechanische Aktuator auf. Die in 5 dargestellte Fahrpedaleinheit ist eine Fahrpedaleinheit vom hängenden Typus. Der Elektromagnet 15 ist auf der rückseitigen Fläche 16 der Pedalplatte 3 angeordnet. Alternativ kann der Elektromagnet 15 auch einstückig mit der Pedalplatte 3 ausgebildet werden. Außerdem ist auf der rückseitigen Fläche 16 ein Anschlag 23 ausgebildet, der mit dem Stößel 22 zusammenwirkt, wie nachfolgend noch näher ausgeführt wird: In 6a ist der vom Elektromagneten 15 betätigte Stößel 22 ganz zurückgefahren. Wird der Elektromagnet 15 angesteuert, so wird der Stößel 22 beschleunigt und schlägt gegen den Anschlag 23. In 6b ist die Situation gezeigt, in der der Stößel 22 zur Anlage an den Anschlag 23 kommt. Durch die Betätigung des Stößels 22 spürt der Fahrzeugführer ein Klopfen oder Ticken an seinem Fuß, wenn sich dieser auf der Trittfläche 13 der Pedalplatte 3 befindet.
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Die dargestellten Ausführungsformen einer Fahrpedaleinheit zeigen, wie einem Fahrzeugführer haptische Informationen effizient übermittelt werden können. Gleichzeitig zeichnen sich diese Fahrpedaleinheiten durch einen einfachen Aufbau aus und sind sehr robust.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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