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Title:
DEVICE FOR SIMULATING A FORCE ON AN ACTUATION ELEMENT OF A VEHICLE, PREFERABLY A PEDAL SIMULATOR, AND DEVICE FOR ACTUATING AN ELECTRIC COUPLING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/165452
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for simulating a force on an actuation element of a vehicle, comprising a piston/cylinder unit (5, 12), wherein a working piston (5) is connected to the actuation element (3) via a piston rod (4), said actuation element axially moving the working piston within the cylinder. In a device with which the vehicle operator receives the same sensation as when using a hydraulic actuating device, an approximately circular resistance element (15) protrudes radially into the cylinder, said resistance element separating the cylinder into two cavities (16, 17), both of which are filled with a medium, and a secondary piston (14) which is arranged on an end face of the working piston engages into an opening (18) which is spanned by the resistance element during the movement of the actuation element. The working piston presses the medium from the first cavity into the second cavity while the volume of the circular ring formed between the secondary piston and the resistance element varies.

Inventors:
FIORINI FRANCESCO EMANUELE (DE)
HONSELMANN SEBASTIAN (DE)
BASSLER MANUEL (DE)
Application Number:
DE2015/200217
Publication Date:
November 05, 2015
Filing Date:
March 31, 2015
Export Citation:
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Assignee:
SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG (DE)
International Classes:
B60T7/04; B60T8/40; B60T13/66
Foreign References:
DE102011016240A12012-10-11
US20140069093A12014-03-13
DE3830836A11990-03-22
DE102011016239A12012-10-11
DE102010061439A12012-06-21
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Claims:
Patentansprüche

Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalsimulator, welcher eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, umfassend eine Kolben-Zylinder-Einheit (5, 12), wobei ein Arbeitskolben (5) über eine Kolbenstange (4) mit dem Betätigungselement (3) verbunden ist, welches den Arbeitskolben (5) innerhalb des Zylinders (12) axial bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zylinder (12) ein annähernd kreisförmiges Widerstandselement (15) radial hineinragt, welches den Zylinder (12) in zwei Hohlräume (16, 17) unterteilt, welche beide mit einem Medium gefüllt sind und ein stirnseitig an dem Arbeitskolben (5) angeordneter Sekundärkolben (14) in Abhängigkeit von einer Stellung des Betätigungselementes (3) in eine, von dem Widerstandselement (15) aufgespannte Öffnung (18) eingreift, wobei das Medium mit variierendem Volumen zwischen dem Sekundärkolben (14) und dem Widerstandselement (15) durch den Arbeitskolben (5) von dem ersten Hohlraum (16) in den zweiten Hohlraum (17) gedrückt wird.

Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkolben (14) einen geringeren Durchmesser als der Arbeitskolben (5) aufweist und sich in Richtung des Widerstandselementes (15) verjüngt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkolben (14) an seiner Oberfläche in seiner Längserstreckung sinusähnlich gestaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (18) des Widerstandselementes (15) einen konstanten Durchmesser aufweist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium inkompressibel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer, dem Arbeitskolben (5) gegenüber liegenden Seite des Zylinders (12) ein Trennkolben (19) im zwei- ten Hohlraum (17) positioniert ist, welcher über ein Federelement (20) an einer Innenwandung (21 ) des Zylinders (12) angreift.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Hohlraum (16, 17) über ein außerhalb des Zylinders (12) angeordnetes Druckventil (22) miteinander verbunden sind, wobei das Druckventil (22) öffnet, wenn das Medium vom zweiten (17) in den ersten Hohlraum (16) strömt und schließt, wenn das Medium von dem ersten (16) in den zweiten Hohlraum (17) fließt.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (4) und der Zylinder (12), zumindest teilweise, mit einer Rückstellfeder (23) verbunden sind.

9. Einrichtung zur Betätigung eines elektrischen Kupplungssystems, bei welchem ein Betätigungselement (3) mit einer Vorrichtung zur Kraftsimulation (2) an dem Betätigungselement (3) verbunden ist, wobei die Stellung des Betätigungselementes (3) von einer Sensoreinheit (6) erfasst und elektrisch an eine Steuereinheit (8) weitergegeben wird, welche mit einer Kupplung (10) in einer Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Kraftsimulation (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) eine als Aktor ausgebildete Leistungseinheit zur Ansteuerung der Kupplung (10) aufweist, welche mit der Kupplung (10) mechanisch oder hydraulisch oder pneumatisch gekoppelt ist.

Description:
Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise ein Pedalsimulator, und Einrichtung zur Betätigung eines elektrischen

Kupplungssvstems

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges, vorzugsweise einen Pedalsimulator, welcher eine haptische Rückmeldung über ein vorgegebenes Kraft-Weg-Verhalten vermittelt, umfassend eine Kolben-Zylinder-Einheit, wobei ein Arbeitskolben über eine Kolbenstange mit dem Betätigungselement verbunden ist, welches den Arbeitskolben innerhalb des Zylinders axial bewegt sowie eine Einrichtung zur Betätigung eines elektrischen Kupplungssystems.

Aus der DE 10 201 1 016 239 A1 ist ein Pedalkraftsimulator für eine Fahrzeugbremsanlage mit elektronischer Signalübertragung bekannt, bei der eine, von der Fußkraft des Fahrzeugführers abhängige Aussteuerung des Bremsmomentes, insbesondere mittels elektro-hydraulischer oder elektro-mechanischer Systeme vorgenommen wird, wobei der Pedalkraftsimulator ein für einen Fahrzeugführer gewohntes Bremsgefühl generiert. Der Pedalkraftsimulator umfasst eine pneumatisch arbeitende Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolben eine Kompressionskammer mit einem ansteuerbaren Ventil begrenzt und entgegen der Kompressionsrichtung mittels zumindest eines ersten Federelementes den Kolben mit einer Kraft belastet sowie über eine Kolbenstange mit einem Fahrzeugbremspedal derart wirkverbunden ist, dass die Kolbenstange während der Betätigung des Fahrzeugbremspedals eine Winkeländerung relativ zur Kolben-Zylinder-Einheit erfährt. Diese Winkelbeweglichkeit stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion des Pedalkraftsimulators.

Die DE 10 2010 061 439 A1 offenbart ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Bremspedal, das von einem Fahrzeugführer betätigbar ist, mit einem Pedalsimulator zur Erzeugung einer wegabhängigen Gegen- bzw. Rückstellkraft verbunden ist. Die Stellung des Bremspedals wird mittels eines Sensors erfasst und dessen Sensorsignal dem Steuergerät zur Auswertung zugeführt. Entsprechend der Stellung des Bremspedals erzeugt das Steuergerät Steuersignale für eine Antriebssteuereinheit und eine Bremssteuereinrichtung, so dass ein dadurch erzeugter generatorischer Bremsanteil zusammen mit dem Reibungsbremsanteil ein Bremsmoment bzw. eine Bremswirkung erzeugt, die der Stellung des Bremspedals entspricht. Gleichzeitig wird der Pedalsimulator von dem Steuergerät derart angesteuert, dass auf das Bremspedal eine Gegenkraft bzw. Rückstellkraft wirkt, sich also eine Weg-Kraft- Abhängigkeit einstellt, die dem Fahrer ein Pedalgefühl wie bei einer Bremsung ausschließlich mit einer hydraulischen Bremsanlage gibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges anzugeben, welche dem Fahrzeugführer das gleiche Gefühl übermittelt wie bei einer normalen hydraulischen Anlage und trotzdem einfach herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in den Zylinder ein annähernd kreisförmiges Widerstandselement radial hineinragt, welches den Zylinder in zwei Hohlräume unterteilt, die beide mit einem Medium gefüllt sind und ein stirnseitig an dem Arbeitskolben befestigter Sekundärkolben in Abhängigkeit von einer Stellung des Betätigungselementes in eine von dem Widerstandselement aufgespannte Öffnung eingreift, wobei das Medium mit variierenden Volumen zwischen dem Sekundärkolben und dem Widerstandselement durch den Arbeitskolben von dem ersten Hohlraum in den zweiten Hohlraum gedrückt wird. Dies hat den Vorteil, dass auch bei einem nicht hydraulischen Betätigungssystem, insbesondere einem rein elektrischen Fahrzeugkupplungssystem, dem Fahrzeugnutzer das gleiche Gefühl übermittelt wird, wie bei einem normalen hydraulischen Betätigungssystem. Die Vorrichtung zur Kraftsimulation simuliert dabei eine Kraft-Weg-Kennlinie, wobei die Kraft, welche am Fuß oder an der Hand des Fahrzeugnutzers über das Betätigungselement angreift, in Abhängigkeit des durch den Arbeitskolben zurückgelegten Weges hervorgerufen wird. Die Größe der Vorrichtung zur Kraftsimulation entspricht dabei der Größe eines Geberzylinders bei einem hydraulischen Kupplungsbetätigungssystem, so dass keine weiteren Anforderungen an den Platzbedarf im Kraftfahrzeug gestellt werden, weshalb der Kraftsimulator anstelle des Geberzylinders an derselben Stelle im Kraftfahrzeug eingebaut werden kann. Unter einem Widerstandselement soll im Weiteren ein, in das Medium hineinragendes vorsprungähnliches Element verstanden werden, welches dem Medium einen mechanischen Widerstand entgegensetzt.

Vorteilhafterweise weist der Sekundärkolben einen geringeren Durchmesser als der Arbeitskolben auf und verjüngt sich in Richtung des Widerstandselementes. Durch diesen sich verjüngenden Durchmesser des Sekundärkolbens und dem zwischen Widerstandselement und Sekundärkolben hindurch strömenden Medium wird ein Kraftunterschied erzeugt, welcher am Betätigungselement haptisch durch den Fahrzeugnutzer spürbar ist. ln einer Ausgestaltung ist der Sekundärkolben an seiner Oberfläche in seiner Längserstreckung sinusähnlich gestaltet. Durch diese Kolbenkontur sind die Kraftunterschiede verfeinert variierbar, da sich das Volumen des Mediums, welches durch einen, sich zwischen dem Widerstandselement und dem, in die Öffnung des Widerstandselements eingreifenden Sekundärkolben gebildeten Kreisring mit variierender Breite stetig verändert, so dass je nach eingestellter Breite des Kreisringes ein entsprechendes Volumen des Mediums das Widerstandselement passieren kann. Diese Ausgestaltung gewährleistet eine sehr feinfühlige Einstellung der Kraft-Weg-Kennlinie.

In einer Variante weist die Öffnung des Widerstandselementes einen konstanten Querschnitt auf. Dabei lässt der zwischen dem Widerstandselement und dem in die Öffnung des Widerstandselements eingreifenden Sekundärkolben die Kraft allein durch die Oberflächenform des Sekundärkolbens zuverlässig variieren.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Medium inkompressibel. Vorteilhafterweise ist das inkompressible Medium eine Hydraulikflüssigkeit, die durch den Arbeitskolben zwischen den von Widerstandselement und Sekundärkolben aufgespannten Kreisring hindurch gedrückt wird. Aufgrund der inkompressiblen Eigenschaft der Hydraulikflüssigkeit entsteht eine Gegenkraft, welche durch den Fahrzeugnutzer am Betätigungselement, vorzugsweise einem Fahrpedal, sicher fühlbar ist.

Um der inkompressiblen Eigenschaft des Mediums Rechnung zu tragen, ist an einer dem Arbeitskolben gegenüberliegenden Seite des Zylinders ein Trennkolben im zweiten Hohlraum positioniert, welcher über ein Federelement an einer Innenwandung des Zylinders angreift. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Angreifen des inkompressiblen Mediums der Trennkolben in seiner Position nachgibt und so der Raum für das im ersten Hohlraum verdrängte Volumen des Mediums geschaffen wird. Strömt dieses Medium wieder zurück in den ersten Hohlraum, so drückt das Federelement den Trennkolben wieder in seine Ausgangsposition.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der erste und der zweite Hohlraum über ein außerhalb des Zylinders angeordnetes Druckventil miteinander verbunden, wobei das Druckventil öffnet, wenn das Medium vom zweiten in den ersten Hohlraum strömt und schließt, wenn das Medi- um von dem ersten in den zweiten Hohlraum fließt. Mittels dieses Druckventils wird sichergestellt, dass bei Betätigung des Betätigungselementes durch den Fahrzeugnutzer das Medium lediglich durch den Kreisring vom ersten in den zweiten Hohlraum strömt, der von dem Widerstandselement und dem Sekundärkolben entsprechend der Position des Betätigungselementes aufgespannt wird. Dadurch wird das entsprechende haptische Empfinden des Fahrzeugnutzers gesteuert.

In einer anderen Variante sind die Kolbenstange und der Zylinder, zumindest teilweise, mit einer Rückstellfeder verbunden, so dass bei Nachlassen der Betätigung des Betätigungselementes durch den Fahrzeugnutzer das Betätigungselement wieder in seine ursprüngliche Stellung zurückkehren kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Betätigung eines elektrischen Kupplungssystems, bei welchem ein Betätigungselement mit einer Vorrichtung zur Kraftsimulation an dem Betätigungselement verbunden ist, wobei die Stellung des Betätigungselementes von einem Sensorelement erfasst und elektrisch an eine Steuereinheit weitergegeben wird, welche mit einer Kupplung in einer Wirkverbindung steht. Die Vorrichtung zur Kraftsimulation ist dabei nach mindestens einem der in dieser Schutzrechtsanmeldung ausgeführten Merkmale ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass bei einem elektrischen Kupplungssystem an dem Betätigungselement von dem Fahrzeugnutzer genau dieselbe Kraft wahrgenommen wird, wie bei einem hydraulischen oder pneumatischen Kupplungssystem.

Vorteilhafterweise weist die Steuereinheit eine als Aktor ausgebildete Leistungseinheit zur An- steuerung der Kupplung auf, welche mit der Kupplung mechanisch oder hydraulisch oder pneumatisch gekoppelt ist. Somit ist die Vorrichtung zur Kraftsimulation an einem Betätigungselement eines Fahrzeuges in einer beliebigen Form der Betätigungselemente einsetzbar.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines elektro-hydraulischen Kupplungsbetätigungssys- tems,

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für einen Pedalsimulator des elektro-hydraulischen

Kupplungsbetätigungssystems gemäß Figur 1.

Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung eines elektro-hydraulischen Kupplungsbetätigungssystems dargestellt, welches auch als Clutch-by-Wire- System bezeichnet wird. Das elektro- hydraulische Kupplungsbetätigungssystem 1 umfasst einen Pedalsimulator 2, der mechanisch mit einem Kupplungspedal 3 verbunden ist. Das Kupplungspedal 3 betätigt über eine Kolbenstange 4 einen, in dem Pedalsimulator 2 axial beweglich gelagerten Arbeitskolben 5. Die Bewegung des Arbeitskolbens 5 wird durch eine Wegsensoreinheit 6 detektiert, die mit dem Pedalsimulator 2 verbunden und vorzugsweise in diesem integriert ist. Über eine elektrische Leitung 7 ist die Wegsensoreinheit 6 mit einer Steuer- und Leistungseinheit 8 verbunden. Neben der Steuerelektronik umfasst die Steuer- und Leistungseinheit 8 einen Aktor, welcher über eine weitere Leitung 9 die Kupplung 10 ansteuert. Die Leitung 9 ist im vorliegenden Fall als hydraulische Leitung ausgebildet. Die Ansteuerung der Kupplung 10 kann alternativ aber auch pneumatisch oder mechanisch erfolgen.

In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Pedalsimulators 2 gezeigt, wie dieser in dem Kupplungsbetätigungssystem 1 gemäß Figur 1 verwendet wird. Das Kupplungspedal 3 ist über einen Anschluss 1 1 an der Kupplungsstange 4 befestigt. Innerhalb eines Zylinders 12 wird der Arbeitskolben 5 über die Kupplungsstange 4 in Abhängigkeit von der Stellung des Kupplungspedals 3 axial bewegt. Der Zylinder 12 weist an einem Ende ein Führungselement 13, beispielsweise eine Dichtung oder eine Wandöffnung, auf, in welcher die Kolbenstange 4 axial gelagert ist. Am Vorderende der Kolbenstange 4 ist der Arbeitskolben 5 mit dieser verbunden und an der Zylinderinnenwand umfangsseitig geführt. An der Stirnseite des Arbeitskolbens 5 ist ein Sekundärkolben 14 befestigt, welcher sich in Richtung eines Widerstandselementes 15, das den Innenraum des Zylinders 12 in zwei Hohlräume 16, 17 unterteilt, verjüngt. Gleichzeitig ist die Oberflächenkontur des Sekundärkolbens 14 in seiner Längserstreckung sinusähnlich gestaltet. Der Arbeitskolben 5 bewegt sich dabei im ersten Hohlraum 16 des Zylinders 12.

Das Widerstandselement 15, welches kreisringförmig, beispielsweise als Blende oder Drossel, aufgebaut ist und an der Innenseite des Zylinders 12 befestigt ist, weist eine Öffnung 18 mit einem konstanten Durchmesser auf, in welche bei der Bewegung des Kupplungspedals 3 der Sekundärkolben 14 eindringt. Auf der zum Arbeitskolben 5 entgegengesetzten Seite des Zylinders 12 ist ein Trennkolben 19 im zweiten Hohlraum 17 angeordnet, welcher ebenfalls gleitend axial beweglich gelagert ist und über eine Innenfeder 20 an einer Innenwand 22 des Zylinders 12 anliegt.

Die Hohlräume 16 und 17 sind mit einer hydraulischen Flüssigkeit gefüllt. Ein Druckventil 22, welches das Widerstandselement 15 umgeht und außerhalb des Zylinders 12 abgeordnet ist, verbindet die Hohlräume 16, 17 miteinander, wobei das Druckventil 22 so angeordnet ist, dass es geschlossen ist, wenn die hydraulische Flüssigkeit von dem ersten Hohlraum 16 durch den Arbeitskolben 5 in den zweiten Hohlraum 17 gedrückt wird. Dieses Druckventil 22 ist geöffnet, wenn die hydraulische Flüssigkeit aus dem zweiten Hohlraum 16 in den ersten Hohlraum 15 zurückfließt. Um die Kolbenstange 4 und den Zylinder 12 ist teilweise eine Rückstellfeder 23 angeordnet.

Der beschriebene Pedalsimulator 2 funktioniert wie folgt: Bei der Betätigung des Kupplungspedals 3 wird die Pedalbewegung über den Anschluss 1 1 in eine entsprechende Vorschubbewegung der Kolbenstange 4 umgesetzt. Hierbei wird zum einen die Rückstellfeder 23 zusammengedrückt und gespannt, wodurch eine rückstellende Reaktionskraft entsteht. Außerdem wird der an der Kolbenstange 4 befestigte Arbeitskolben 5 gemeinsam mit dem Sekundärkolben 14 gegenüber dem ortsfest gelagerten Zylinder 12 innerhalb diesem vorwärtsbewegt. Dabei greift der Sekundärkolben 14 in die Öffnung 18 des Widerstandselementes 15 ein, wodurch sich zwischen dem Widerstandselement 15 und der Außenkontur des Sekundärkolbens 14 ein Kreisring ausbildet, welcher je nach Position des Sekundärkolbens 14 in seiner Breite variiert. Dadurch wird ein mehr oder weniger großes Volumen der hydraulischen Flüssigkeit entlang der Außenkontur des Sekundärkolbens 14 aus dem ersten Hohlraum 16 durch die Öffnung 18 in den zweiten Hohlraum 17 verdrängt. Zugleich verursacht das über den Arbeitskolben 5 verdrängte Flüssigkeitsvolumen eine Bewegung des Trennkolbens 19, welcher gegen die innenliegende Feder 20 gedrückt wird und dabei das in dem ersten Hohlraum 16 verdrängte Volumen für die hydraulische Flüssigkeit in dem zweiten Hohlraum 17 bereitstellt.

Der beschriebene Pedalsimulator 2 ist für ein nicht hydraulisches Betätigungssystem, insbesondere ein rein elektrisches Fahrzeugkupplungssystem vorgesehen. Er kann alternativ aber auch für beliebige andere Betätigungssysteme wie beispielsweise Bremssysteme, eingesetzt werden, die auch statt eines Pedals ein beliebig anderes Betätigungselement aufweisen können.

Bezuqszeichenliste Kupplungsbetätigungssystem

Pedalsimulator

Kupplungspedal

Kolbenstange

Arbeitskolben

Wegsensoreinheit

Elektrische Leitung

Steuer- und Leistungseinheit

Hydraulische Leitung

Kupplung

Anschluss

Zylinder

Führungselement

Sekundärkolben

Widerstandselement

Hohlraum

Hohlraum

Öffnung

Trennkolben

Innenfeder

Innenwand

Druckventil

Rückstellfeder