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Technisches
Gebiet
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Die
Effizienz und Ergonomie gewisser Anwendungen zur Unterstützung der
Längsregelung von
Kraftfahrzeugen können
durch ein haptisches Gaspedal stark verbessert werden. Dieses an
sich bekannte Prinzip besteht darin, die Rückstellkraft des Pedals mittels
eines Betätigers
als Funktion einer Führungskenngröße zu kontrollieren:
Geschwindigkeit, Beschleunigung, Fahrzeugabstand usw. Einfacher
ausgedrückt
kann eine individuelle Einstellung der Rückstellkraft des Pedals zur
Verbesserung des Fahrkomforts verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft nicht das haptische Prinzip an sich,
das durch verschiedene Patente bekannt ist. Sie schlägt eine
Verbesserung der Vorrichtung des Patents EP0617674, gemäß dem der
Oberbegriff von Anspruch 1 definiert wird, durch Auslegung eines
Gaspedals vor, bei dem ein im Pedalmechanismus integrierter Betätiger die Rückstellkraft
kontrollieren kann, ohne die Steigung und Hysterese der Ausgangskraft-/-verschiebungskennlinie
zu ändern.
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Stand der
Technik
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In
der folgenden Beschreibung werden sowohl die Begriffe Rückstellkraft
als auch Rückstellmoment
des Pedals verwendet, deren Beziehung für den Fachmann offensichtlich
ist.
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Bis
vor kurzem waren Gaspedale mit dem Steuerglied des Motors, der Luftklappe
oder der Einspritzpumpe, mechanisch verbunden, das Rückstellfedern
enthielt, die die Kraft-/Verschiebungskennlinie des Pedals bestimmen.
In den Patenten der haptischen Systeme wurde ein zusätzlicher
Betätiger
eingesetzt, der mit der mechanischen Verbindung zwischen dem Pedal
und dem Motor verbunden war, wobei diese Lösung auf die so genannten elektronischen
Pedale oder auch „drive-by-wire" der neueren Kraftfahrzeuge
nicht anwendbar ist Darüber
hinaus und insbesondere wiesen die Prinzipen und die Betätigungsmittel
ein mangelhaftes Verhalten auf, das mit der Ergonomie der Hilfsfunktion,
den Komforterwartungen und sogar der Fahrsicherheit nicht kompatibel ist.
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Der
Großteil
der Gaspedale, mit denen Kraftfahrzeuge ausgestattet sind, weist
eine in 1 dargestellte Kraft-/Hubkennlinie
mit Größenordnungen einer
Rückstellkraft
von 20 N, wenn sich das Pedal in oberer Position befindet, und 30
bis 40 N in unterer Position auf.
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2 zeigt
einen allgemeinen Verlauf einer bekannten Beziehung (Stevens-Gesetz)
zwischen der Kraft des Pedals und der von dem Fahrer wahrgenommenen
Empfindung. Dieses Gesetz zeigt im ersten Teil der Kurve eine große Empfindlichkeit
des Fahrers gegenüber Änderungen
der Rückstellkraft, dann
eine Sättigung
der Wahrnehmung und eine unakzeptable Kraft für die Gaspedalfunktion.
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Das
Betätigungssystem,
das die Rückstellkraft
eines haptischen Pedals steuert, muss somit eine Kraft erzeugen,
die so stark ist, dass sie vom Ausgangspunkt der Verschiebung des
Pedals (in oberer Position) und an jedem Punkt seines Hubs wirksam
ist, ohne dass deshalb die auf den Fuß des Fahrers ausgeübte Rückstellkraft
die Akzeptabilitätsgrenze
erreicht, wenn das Pedal heruntergedrückt ist. Außer Ergonomie- und Komfortbetrachtungen
erfüllt
diese Bedingung auch den Wunsch, dem Fahrer die Freiheit zu lassen,
die Rückstellkraft
bewusst zu überschreiten,
ohne dass die zusätzliche
Kraft eine Änderung
der natürlichen
Position des Fußes
auf dem Pedal erfordert.
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Versuche
mit einem haptischen System zur Unterstützung der Führung haben gezeigt, dass die besten
Resultate erreicht werden, wenn die Rückstellkraftkontrolle keinen
oder nur wenig Einfluss auf die Steigung der Ausgangskennlinie des
Pedals hat, die sich aus der Wirkung der Rückstellfedern bei Fehlen der
Kontrolle einer Zusatzkraft durch den Betätiger ergibt. Dieser Zustand
wird erreicht, wenn der Betätiger
die Fähigkeit
besitzt, ohne Einfluss der Position des Pedals die Rückstellkraft
proportional zur Führungsgröße zu erhöhen, und
zwar auf gleiche Weise, wie durch das Hinzufügen einer konstanten Kraft
erfolgen würde.
Wie in 4 dargestellt, kommt die Kraftkontrolle dann durch
eine parallel zur Ausgangskennlinie (A) des Pedals mit einer Zusatzkraft von
Null verlaufende Translationsbewegung zur Kennlinie (B) mit einer
Zusatzkrafteinstellung ohne Änderung
der Steigung und insbesondere ohne ihre Zunahme zum Ausdruck. Wenn
der Fahrer das Pedal bewegt, nimmt er somit immer den gleichen Kraftgradienten
und das gleiche Elastizitätsempfinden
wahr, wodurch er für
haptische Informationen empfänglicher
wird.
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Diese
Eigenschaft soll sich auch im dynamischen Bereich bestätigen, wenn
der Fahrer das Pedal mit Bewegungen beaufschlagt, die sehr schnell sein
können:
Für eine
gegebene Krafteinstellung sollen die Bewegungen des Pedals keine
Unterbrechungen oder Übergänge der
Rückstellkraft
erzeugen. Viele frühere
Systeme erfüllen
diese Bedingung nicht.
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Die
in anderen Bereichen, Drehmomentmotoren oder Servozylindern, verwendeten
Kraftkontrollmittel sind aus Masse-, Energie-, Kosten- und Verhaltensgründen nicht
für eine
Gaspedaleinrichtung geeignet. Sie können insbesondere die Funktionssicherheit
gefährden.
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Somit
sind „Versteifungs-"Systeme für das Pedal
auf Grundlage eines Mechanismus realisiert worden, bei dem gegebenenfalls
eine zusätzliche
Feder eingesetzt wird, wie zum Beispiel in den Patenten
DE 2723562 und WO 00/56568
zu sehen. Diese verwandten Systeme und Ausführungen erzeugen eine starke
Zunahme der Neigung des Pedals und eine plötzliche Unterbrechung der Rückstellkraft
bei Einsatz der Feder. Das Patent
DE
196 20 929 zeigt, wie die Rückstellkraft durch eine einstellbare
zusätzliche Feder,
die mit der mechanischen Verbindung zwischen dem Pedal und dem Motor
des Fahrzeugs verbunden ist, vergrößert werden kann. Ihre Wirkung wird
durch die
3 des Patents veranschaulicht,
in der zu sehen ist, dass das Einstellsystem zwar die Rückstellkraft,
aber gleichzeitig und in einem großen Ausmaß auch die Ausgangssteigung
vergrößert. Das gleiche
Merkmal wird in dem Patent
EP
0962350 dargestellt, das ein solches Pedal verwendet. Die
Diskrepanz zwischen der Ausgangsrückstellkraftkurve und der Kurve
mit zusätzlicher
Rückstellkraft
zeigt, dass die zusätzliche
Feder bei einer Zusatzkraftposition von Null inaktiv ist und sich
die Zunahme der Steigung aus dem Beitrag der Konstanten der Einstellfeder
ergibt, wenn diese eingesetzt wird.
3, die denen
der besagten Patente ähnelt,
zeigt diesen Vorgang, bei dem der Verlauf der Ausgangskennlinie (A)
zur Kennlinie (C) mit Zusatzrückstellkraft
mit einer starken Zunahme der Steigung erfolgt. Folglich kommt es
zu einer anomalen Versteifung des Pedals am Hubende und einer schlechten
Ergonomie des haptischen Prinzips, für das die von dem Fahrer verspürte Rückstellkraft
an jedem Punkt des Hubs deutlich die Einstellgröße und nicht die Position des
Pedals repräsentieren
soll.
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Die
Verwendung einer zusätzlichen
Feder mit kleiner Konstante könnte
diesen Mangel abschwächen,
aber die Ergebnisse sind unvollkommen und diese Lösung ist
mit einem großen
Platzbedarf, einem Einstellhub mit großer Amplitude und folglich einer
zu hohen Leistung des Einstellmotors verbunden.
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Das
Patent
EP 0617674 schlägt eine
leistungsfähige
Lösung
mit einer speziellen Zusatzvorrichtung vor, deren Wirkung die Kontrolle
der Rückstellkraft
ohne Beeinflussung der Steigung der Ausgangskennlinie des Pedals
gestattet. Die Vorrichtung dieses Patents kann allerdings einen
großen
Platzbedarf für
die Anordnung bestimmter Pedale erfordern.
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Die
Lösung
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein durch eine elektronische
Einheit betätigter
Einstellbetätiger
den Verankerungspunkt einer oder mehrerer Rückstellfedern des Pedals proportional
zu einer Führungsgröße verschieben
kann, wobei die Feder(n) ständig
und ununterbrochen zur Ausgangskennline des Pedals über dessen
ganzen Hub beiträgt
(beitragen). Die Führungsgröße ist ein von
der Anwendungssoftware ausgegebenes Signal.
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Da
die Einstellfeder in die anfänglichen Rückstellfedern
integriert wird, sind die Summe der Konstanten der Federn und somit
die Steigung der Kennlinie unter allen Umständen identisch. Die Zunahme
der Kraft ist proportional zur Verschiebung des Verankerungspunkts
der Einstellfeder, und das System kann gemäß diesem Prinzip an jedem Punkt des
Hubs eine Zusatzkraft von Null einstellen, sofern die Ausgangskennlinie
der Feder in der Ausgangskennlinie des Pedals enthalten ist. Jeder
Position des Verankerungspunkts der Einstellfeder(n) entspricht eine
zusätzliche
Rückstellkraft
und ein zusätzliches Rückstellmoment,
die über
den ganzen Pedalhub konstant sind. 5 zeigt
das Hinzufügen
der Kennlinien mehrerer Pedalfedern mit beispielhaften nicht einschränkenden
Werten. Die Gerade (F) ist die Standardausgangskennlinie des Pedals
bei Fehlen einer Zusatzkraft (von 20 bis 40 N). Sie ergibt sich aus
der Summe der Kennlinie (D) einer Basisrückstellfeder (von 20 bis 30
N) und der Kennlinie (E) einer Einstellfeder (0 bis 10 N). Die Kennlinie
(D) kann an sich die Summe mehrerer paralleler nicht dargestellter
Federn sein, meistens zwei, um den die Funktionssicherheit der Pedale
betreffenden Normen zu entsprechen. Wenn ein Kontrollbetätiger die
Spannung mindestens einer der Federn und insbesondere der Einstellfeder
vergrößert, indem
er den Verankerungspunkt ihrer Anfangsposition entfernt, wird die Kennlinie
(E) der Zusatzkraft von Null parallel von der maximalen Zusatzkraft
zur Kennlinie E1 verschoben, so dass auch die Kennlinie (F) von
einem an jedem Punkt des Hubs gleichen Wert zur Kennlinie F1 verschoben
wird. Das System verhält
sich somit wie ein System zur Hinzufügung einer konstanten Kraft,
mit einer parallelen Translationsbewegung der Kennlinie des Pedals
von (F) zu (F1) ohne Vergrößerung der Ausgangssteigung
von einer Zusatzkraft von Null zu einer maximalen Zusatzkraft, für die die
Einstellfeder dimensioniert worden ist. Es versteht sich, dass die Einstellfeder
ohne Auswirkung auf die Ergebnisse eine Ausgangsvorspannung aufweisen
kann. Somit ist es möglich,
gemäß diesen
Prinzipien ein Pedal auszuführen,
das den die Funktionssicherheit der Pedale betreffenden Vorschriften
entspricht und nur zwei Federn aufweist, von denen eine eine Einstellfeder
ist. Die Beschaffenheit der Federn hat keinen Einfluss auf die Anwendung
dieser Prinzipien, und sie können
beliebiger bekannter Art sein, zum Beispiel Drehmomentfedern der
Spiral- oder Schraubenfederart, Zugfedern oder Druckfedern, und
die verschiedenen Federn können
auch unterschiedlicher Art sein.
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Der
zwingend erforderliche Punkt dieser Ausführung besteht darin, dass die
Einstellfeder(n) über
den ganzen Pedalhub aktiv ist (sind) und dass sie zur Ausgangskennlinie
beiträgt
(beitragen), wenn sich das Einstellsystem in einer Zusatzkraftposition von
Null befindet. Diese Ausführung
ist besonders für moderne
elektronische Pedale, auch „drive-by-wire" genannt, geeignet,
bei denen die Rückstellfedern
bereits im Pedal integriert sind. Sie gestattet das Ausführen einer
Pedal-Betätiger-Anordnung
mit einer großen
Funktionssicherheit, die den Erwartungen der Kraftfahrzeugindustrie
hinsichtlich Kosten, Anbringung und Ergonomie entspricht.
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Um
die Empfindlichkeit des Fahrers für von der Rückstellkraft gesteuerte Änderungen
zu erhöhen,
wird bevorzugt, dass die Einstellfeder(n) keine oder nur eine begrenzte
Einwirkung auf die Hysteresevorrichtung hat (haben), mit der die
Pedale im Allgemeinen ausgestattet sind. Der Betätiger, der den Verankerungspunkt
der Einstellfeder(n) verschiebt, kann ein Motor oder ein Getriebemotor
sein, dessen Ausgangsbewegung gemäß bekannten Mitteln unter Steuerung
einer elektronischen Einheit, die die durch die spezifische Anwendungssoftware
bestimmten Befehle empfängt,
in Position geregelt wird. Um den Verwendungskomfort zu verbessern
und den Initiativen des Fahrers zu entsprechen, kann die zusätzliche
Rückstellkraft
als Funktion von durch die Anwendungssoftware oder die Kontrolleinheit
vorbestimmten Kriterien, wie zum Beispiel die Erfassung eines Ausrückvorgangs
durch den Fahrer, die Inbetriebnahme eines Blinkers, eine gewollte
oder nachdrückliche
schnelle Beschleunigung seitens des Fahrers, gemäß den in die Anwendung programmierten
nicht einschränkenden
Wahlmöglichkeiten,
schnell außer Kraft
gesetzt werden. Der Wille zu beschleunigen wird dadurch erfasst,
dass das Pedalpositionssignal auf eine Ableitfunktion angewandt
wird, an der sich eine Schwellfunktion anschließt, so dass der Befehl für eine schnelle
Außerkraftsetzung
der zusätzlichen Rückstellkraft
erst dann freigegeben wird, wenn das Pedal gleichzeitig einen ausreichenden
Hub und eine ausreichende Bewegungsgeschwindigkeit aufwies. Diese
Funktionen können
durch die elektronische Kontrolleinheit des Betätigers oder allgemeiner im Bereich
der Anwendungssoftware realisiert werden.
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Die
schnelle Rückkehr
wird durch den Befehl des Einstellbetätigers bei voller Geschwindigkeit
in die Zusatzkraftposition von Null erhalten. Sie kann auch aus
der Wirkung eines gesteuerten Entkoppelsystems resultieren, das
zwischen dem Einstellmotor und dem Verankerungspunkt der Feder eingesetzt ist,
so dass der Verankerungspunkt unter Wirkung der Feder von selbst
in die Ruhestellung zurückkehrt. Diese
Lösung
gestattet die Verringerung der Nenngeschwindigkeit und somit der
Leistung des Einstellbetätigers
und kann auch für
eine gewisse Sperrung des Systems bei Ausfall verwendet werden.
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Die
angehängten
Figuren zeigen Folgendes:
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1:
eine Standardkennlinie eines Gaspedals,
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2:
die Beziehung zwischen den Empfindungen des Fahrers und der Rückstellkraft,
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3:
Rückstellkraftkontrolle
mit Zunahme der Anfangssteigung,
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4:
Rückstellkraftkontrolle
mit konstanter Steigung,
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5:
Beitrag der Wirkungen mehrerer Federn zur Pedalkennlinie,
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6:
die Funktion der Erfassung gewollter Beschleunigungen darstellendes
Schema,
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7:
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Gaspedals mit
integrierter Rückstellkraftkontrolle,
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8:
schematische Darstellung einer Ausführungsvariante.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Die
folgende Beschreibung zeigt eine bevorzugte, aber nicht einschränkende Ausführungsform des
Gaspedals mit integrierter Rückstellkraftkontrolle bei
Anwendung der obigen Prinzipien. Die Zeichnungen zeigen ein Pendelpedal,
aber die gleichen Ausführungsprinzipien
gelten natürlich
auch für
den Mechanismus eines am Boden angelenkten Pedals.
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7 liefert
eine schematische Darstellung des Gaspedals in Form einer linearen
Zusammenstellung von Funktionsblöcken.
Die Einzelheiten der Ausführung
sind dem Fachmann bekannt und werden der Übersichtlichkeit der Darstellung
halber nicht dargestellt. Das Pedal umfasst einen Gaspedalarm (1),
einen Sensor (2) zur Lageerfassung, eine Hysteresevorrichtung
(3), die Einstellfeder (4) umfassende Rückstellfedern
(4, 5) und einen durch die elektronische Einheit
(7) gesteuerten Einstellmotor oder Einstellgetriebemotor
(6).
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Ein
Ende der Rückstellfedern
(4, 5) bewegt sich zusammen mit dem Pedalarm (1).
Die Rückstellfeder
(5) kann aus einer oder zwei Federn gebildet sein, deren
Reaktionskräfte
auf die Hysteresevorrichtung (3) wirken. Der Lagesensor
(5), die Hysteresevorrichtung, die Rückstellfeder(n) (5)
entsprechen an sich bekannten Lösungen
zur Ausführung
dieser Pedalart. Es versteht sich, dass der Lagesensor von dem Pedalmechanismus
getrennt sein könnte,
ohne dass die Prinzipien beeinträchtigt
werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform handelt
es sich bei der als Einstellfeder verwendeten Rückstellfeder (4) um
eine Drehmomentfeder der Schrauben- oder Spiralfederart. Diese Federart
begünstigt
einen verringerten Platzbedarf und gestattet einen längeren aktiven
Hub, der den Einstellerfordernissen entspricht. Es handelt sich
jedoch nicht um ein bevorzugtes Beispiel, und eine Ausführungsvariante könnte gemäß den oben
angeführten
Prinzipien der Erfindung eine Einstellfeder (4) der Zug-
oder Druckfederart verwenden. Im Gegensatz zu der (den) Feder(n)
(5), übt
diese Feder keine Wirkung auf die Hysteresevorrichtung (3)
aus. Ein Ende der Feder (4) bewegt sich zusammen mit dem
Pedal, und das andere Ende ist an die Ausgangsbewegung des Einstellgetriebemotors
(6) gekoppelt. Der Einstellmotor oder -getriebemotor (6)
ist vorzugsweise mechanisch nicht reversibel, damit die Einstellposition
ohne Energieverbrauch aufrechterhalten wird. 7 zeigt schematisch
einen Getriebemotor (6) mit Schnecke, bei dem es sich unter
anderem um eine geeignete Lösung
handelt. Das Ende der Feder (4) könnte auch durch eine tangential
zur Feder verlaufende Spindelvorrichtung betätigt werden. Eine Ausführung gemäß der Anordnung
von 7 erfordert, dass sich die Achse des Pedals in
der Mitte des mit ihm konzentrischen Untersetzungsgetriebes frei
drehen kann. Diese Darstellung soll nur ein Ausführungsbeispiel sein. Das Untersetzungsgetriebe
könnte
auch anderer Art sein und/oder die Achse des Pedals könnte genauso gut
auch aus der gegenüberliegenden
Seite der Anordnung austreten. Allgemein kann der Fachmann gemäß den Prinzipien
der Erfindung die mechanische Integration konzipieren, die am besten
für bestimmte
Abmessungen und minimale Kosten geeignet ist. 8 zeigt
eine Ausführungsvariante,
bei der der Motor oder Getriebemotor (6) von dem Pedal
entfernt ist, auf das eine Verbindungsvorrichtung die Einstellbewegung überträgt.
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Ein
Sensor überträgt das Signal
(8) der Position des Verankerungspunkts der Feder (4)
zur elektronischen Einheit. Das Positionssignal kann auch aus der
Messung der Verschiebung eines mechanischen Zwischenelements, aus
der direkten Steuerung eines Schrittmotors oder aus einem ganz anderen
bekannten System resultieren.
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Gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsvariante
ist in der Kinematik des Einstellsystems zwischen dem Motor und
dem Verankerungspunkt der Feder eine gesteuerte Entkoppelvorrichtung,
zum Beispiel eine Kugelkupplung, Klauenkupplung, Schaltkupplung
oder irgendeine andere bekannte Vorrichtung, die die sofortige Freigabe
des Verankerungspunkts der Einstellfeder (4) gestattet, so
dass sie durch Zuführung
eines Steuersignals von selbst in ihre Ausgangsposition zurückkehrt,
vorgesehen.
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Die
Erfassung des Willens des Fahrers zu beschleunigen, erfolgt durch
Anwendung des Pedalpositionserfassungssignals auf eine Erfassungsfunktion,
deren Prinzip durch 6 in Form eines elektronischen
Schemas einer Analogtechnologie dargestellt wird. Das Pedalpositionserfassungsignal
wird einer Ableitschaltung RC zugeführt, die ein Signal liefert,
das gleichzeitig die Amplitude und die Bewegungsgeschwindigkeit
des Pedals repräsentiert.
Dieses Signal wird einem Schwellenvergleicher zugeführt, dessen
Ausgang nur dann ein Steuersignal abgibt, wenn die Amplitude und
die Geschwindigkeit der Pedalbewegung ausreichend sind. Eine plötzliche Bewegung
des Pedals steuert sofort eine schnelle Rückkehr auf die Kraft Null an,
unter der Bedingung, dass der Hub ausreichend ist, in der Regel
mehrere Millimeter beträgt.
Die Rückkehr
kann auch durch eine langsamere Bewegung des Pedals, eine minimale
Wirkgeschwindigkeit überschreitend,
angesteuert werden, unter der Bedingung, dass diese Bewegung nachdrücklich ist.
Der Auslösezeitpunkt
hängt also
von der Herunterdrückgeschwindigkeit
ab. Die Ergebnisse dieser Funktion liegen nahe den Erfordernissen
und Empfindungen des Fahrers und sind viel zufriedenstellender als
das bekannte „Kick-down"-Prinzip, für das das Pedal zum Hubende geführt werden
muss, um eine Wirkung auszulösen. Das
analoge Schema von 7 stellt die realisierte Funktion
dar, und es versteht sich, dass sie in der Software einer Steuereinheit
durch eine, vorzugsweise gefilterte, äquivalente Ableitfunktion,
an der sich eine Schwellfunktion anschließt, interpretiert werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
weist der Getriebemotor ein besonders hohes Untersetzungsverhältnis und
eine geringe Ausgangsbewegungsgeschwindigkeit auf, wodurch die Verwendung
eines Motors mit sehr geringer Leistung gestattet wird. Diese kostengünstige Ausführungsvariante
findet besondere Anwendung bei einer Gaspedalausführung, die
zur Verbesserung des Fahrkomforts durch elektrische Einstellung
einer individuellen Rückstellkraft
bestimmt ist.
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Diese
Erfindung findet bevorzugte Verwendung als Mensch-Maschine-Grenzfläche bei
Anwendungen zur Unterstützung
der Fahrt, wie zum Beispiel Geschwindigkeitsbegrenzer, Unterstützung hinsichtlich
Sicherheitsabstände
zwischen Fahrzeugen, Kollisionsverhütung und allgemein Hilfen hinsichtlich der
Verbesserung des Fahrkomforts und der Fahrsicherheit. Sie kann zur
Verbrauchsverringerung sowie zur Begleitung der Entscheidungen des
Fahrers beim Folgen einer elektronischen Straßenkarte beitragen.