Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Fahrpedalmodul zum Steuern der Leistung einer Antriebsmaschine, insbesondere einer Brennkrafhnaschine eines Fahrzeugs, mit einem an einem Lagerbock um eine Schwenkachse drehbar gehaltenen Pedalhebel, gemäß dem Oberbegriff von Patentan- Spruch 1.

Aus der US 2004/0041558 Al ist ein gattungsgemäßes Fahrpedalmodul bekannt, mit einem Hall- Sensor als Drehwinkelsensor, welcher abhängig von der Änderung der von einem einzelnen Ringmagneten erzeugten Magnetfeldstärke ein elektrisches Signal aussteuert. Der Ringmagnet ist im Pedalhebel aufgenommen und koaxial mit der Schwenkachse angeordnet. Die Auswertung der von den dort verwendeten Hall-Sensoren ausgesteuerten elektrischen Signale erfolgt im Hinblick auf eine Änderung der Feldstärke des vom Magneten erzeugten Magnetfeldes. Falls der Pedalhebel beispielsweise spielbedingt in Bezug zu seiner Schwenkachse kippt, so ändert sich die Magnetfeldstärke und damit auch das ausgesteuerte elektrische Signal des Hall-Sensors auch wenn der Pedalhebels nicht um seine Schwenkachse betätigt wurde. Weiterhin ändert sich die magnetische Feldstärke, die die Messgröße bildet, mit der Temperatur, so dass Temperaturänderungen das Messergebnis verfälschen können.

In der EP 1 182 461 A2 ist eine Sensoreinrichtung mit Hall-Elementen beschrieben, mit deren Hilfe eine Änderung der Richtung eines Magnetfeldes detektiert werden kann, um Drehwinkel von Läufern elektrischer Motoren zu ermitteln.

Vorteile der Erfindung

Es wird vorgeschlagen, dass das Magnetfeld durch wenigstens zwei bipolare Magneten erzeugt wird, denen das Sensorelement vorzugsweise symmetrisch zwischengeordnet ist. Dies bewirkt, dass die von den Magneten jeweils erzeugten Magnetfelder das Sensorelement von verschiedenen Seiten her beaufschlagen und sich in einem Schnittbereich überdecken und addieren, was eine vorteilhaft hohe Magnetfeldstärke und eine hohe Homogenität des Magnetfeldes im Bereich des Sensors bedingt. Ein Magnetfeld hoher Homogenität im Bereich des Hall-Sensors wirkt sich günstig für die Messgenauigkeit aus. Durch die Anordnung des Sensorelements zwischen den Magneten können weiterhin Signaländerungen, die aus Verkippungen des Pedalhebels in Bezug zur Schwenkachse resultieren, kompensiert werden. Deshalb ermöglichen diese Maßnahmen auch, dass die Lagerstelle des Pedalhebels am Lagerbock mit einem größeren Lagerspiel ausgeführt und dann ein Reibbelag zur Erzeugung der bei Fahrpedalen gewünschten Krafthysterese direkt auf den Lagerflächen angeordnet werden kann. Nicht zuletzt hat ein temperatur- oder belastungsbedingter Verzug von Teilen des Fahrpedalmoduls einen geringeren Einfluss auf die Genauigkeit des vom Sensor ausgesteuerten elektrischen Signals. Insgesamt erhöht sich daher die Messgenauigkeit des Sensorelements und es ergibt sich ein robusteres Fahrpedalmodul.

Darüber hinaus erfolgt die Auswertung der vom Sensorelement erzeugten Signale nicht hinsicht- lieh einer Änderung der Magnetfeldstärke, sondern hinsichtlich der Änderung der Richtung des Magnetfeldes. Die Magnetfeldrichtung ändert sich nicht mit schwankenden Temperaturen, so dass die vom Sensorelement des Fahrpedalmoduls gemäß der Erfindung ausgesteuerten elektrischen Signale auch aus diesem Grund unabhängig von Temperaturschwankungen sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.

In bevorzugter Weise sind die Magneten als Magnetscheiben und in Bezug zu einer Scheibenebene diametral magnetisiert ausgebildet. Unter einer diametralen Magnetisierung ist eine 2-polige Magnetisierung an jeder Stirnseite der Magnetscheiben zu verstehen.

Weiterhin sind die Magnetscheiben in Bezug zueinander beispielsweise koaxial und parallel zueinander angeordnet, wobei die Mittelachsen der Magnetscheiben koaxial mit der Schwenkachse sind.

Die Anmelderin hat durch Versuche festgestellt, dass sich ein besonders homogenes Magnetfeld ergibt, wenn die Magnetscheiben jeweils auf ihrer zum Sensorelement weisenden Seite eine Ausnehmung aufweisen.

Das Sensorelement beinhaltet bevorzugt wenigstens einen integrierten Hall-IC, mit Hall- Elementen, welche parallel oder senkrecht zu den Magnetscheiben angeordnet sind.

Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn je eine Magnetscheibe in einem senkrecht vom Pedalhebel weg ragenden Wellenzapfen einer mit dem Pedalhebel drehfest verbundenen Welle aufgenommen ist, welche im Lagerbock schwenkbar gelagert ist. Die Mittelachse der Wellenzapfen ist dann koaxial mit der Schwenkachse.

Um einen möglichst großes Volumen zur Erzeugung einer hohen Magnetfeldstärke innerhalb der kreisförmigen Querschnitte der beiden Wellenzapfen einnehmen zu können, weisen die Magnet- Scheiben beispielsweise im Querschnitt gesehen zwei den Magnetpolen gegenüberliegende, parallel zueinander und gerade ausgebildete Umfangsflächenabschnitte und zwei diesen entlang des Umfangs zwischengeordnete kreisbogenförmige Umfangsflächenabschnitte auf.

Die Welle kann eine zentrale, den Wellenzapfen zwischengeordnete Ausnehmung aufweisen, in welche das Sensorelement ragt, welches mit dem Lagerbock verbunden ist. Dann sitzt das Sen- sorelement zwischen den beiden Wellenzapfen, welche die Magneten tragen, so dass bei einem

Verkippen des Pedalhebels sich zwar nach wie vor der Winkel zwischen den Magnetfeldlinien und dem Sensorelement ändert, bedingt durch die beidseitige Magnetfeldbeaufschlagung diese Änderungen jedoch weitgehend kompensiert werden.

Eine vorteilhafte Doppelfunktion der die Magnetscheiben lagernden Wellenzapfen ergibt sich, wenn eine radial äußere Umfangsfläche eines Wellenzapfens zugleich eine Lagerfläche des Pedalhebels bildet. Um eine pedalkraftabhängige Hysterese zu erzeugen, ist beispielsweise wenigstens ein Teil der Umfangsfläche der Wellenzapfen mit einem Reibbelag versehen, welcher mit einer zugeordneten Lagerfläche des Lagerbocks zusammenwirkt.

Wenn der Pedalhebel durch wenigstens ein Federelement in seine Ausgangslage vorgespannt ist, welches sich mit seinem einen Ende am Lagerbock und an seinem anderen Ende an einem Stütz-

abschnitt des Pedalhebels abstützt, wobei dem Stützabschnitt und dem anderen Ende des Federelements ein im Lagerbock in Spannrichtung des Federelements linear geführtes Druckelement zwischengeordnet ist, an welchem eine Wälzfläche des Stützabschnitts abwälzbar ist, dann kann verhindert werden, dass das Federelement beim Spannen während einer Pedalbetätigung aus- knickt. Denn durch die lineare Zwangsführung des Druckelements im Lagerbock ist der Spannweg des Federelements vorgegeben. Die beim Abwälzen des Stützabschnitts am Druckelement auftretenden Querkräfte werden dann durch die Führungen des Druckelements in den Lagerbock abgeleitet und nicht auf das Federelement übertragen, welches dann querkraftfrei betätigt wird. Dann können Pedalhebel mit großem Hebelarm am Stützabschnitt und hoher Federelementspan- nung bei kleinem Bauraum realisiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung kann das Druckelement durch das Federelement in der Ausgangslage des Pedalhebels gegen einen Anschlag derart abgestützt sein, dass im wesentlichen keine Federkräfte auf den Pedalhebel wirken. In der Ausgangslage des Pedalhebels werden die Federkräfte folglich über den Anschlag im Lagerbock abgestützt, was den Vorteil hat, dass die mechanische Belastung des Pedalhebels und seiner Lagerung im Lagerbock sehr gering ist, wodurch das Sensorsignal beeinflussende Verformungen vermieden werden und sich die Lebensdauer des Fahrpedalmoduls erhöht.

Nicht zuletzt können zwischen dem Druckelement und dem Lagerbock zwei identische Federelemente parallel zueinander angeordnet sein, was einen vorteilhaften Einsatz von Gleichteilen er- möglicht.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden

Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig.1 einen Längsquerschnitt eines Fahrpedalmoduls gemäß einer bevorzugten Ausfüh- rungsform;

Fig.2 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie II-II von Fig.1 ;

Fig.3 eine Querschnittsdarstellung durch einen Wellenzapfen eines Pedalhebels des Fahrpedalmoduls;

Fig.4 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie IV-IV von Fig.2;

Fig.5 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie V-V von Fig.1

Fig.6 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldlinienverlaufs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Das erfindungsgemäße Fahrpedalmodul 1 wird zur Steuerung einer Antriebsmaschine, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet, deren Drosselklappe von einem Stellmotor verstellbar ist. In diesem Fall dient das Fahrpedalmodul 1 zur Erzeugung von elektrischen Signalen für den Stellmotor, um abhängig von der Stellung eines Pedalhebels 2 des Fahrpedalmoduls 1 die Leistung der Brennkraftmaschine zu steuern. Die Antriebsmaschine kann aber auch beispielsweise ein durch elektrische Signale angesteuerter Elektromotor sein.

Das Fahrpedalmodul 1 wird vom Fahrer des Kraftfahrzeugs fußbetätigt und beinhaltet gemäß Fig.l den beispielsweise hängenden Pedalhebel 2, welcher vorzugsweise das unmittelbar vom Fahrerfuß betätigte Gaspedal darstellt. Alternativ kann es sich bei dem Pedalhebel 2 um einen Hebel einer weitere Hebel enthaltenden Hebel- oder Gestängemechanik handeln, welcher mit dem Gaspedal gekoppelt ist. Weiterhin umfasst das Fahrpedalmodul 1 einen Lagerbock 4 als Haltestruktur für den Pedalhebel 2, welcher vorzugsweise unmittelbar im Fußbereich des Fahrers mittels von einer Bodenplatte 6 des Lagerbocks seitlich hervorragenden Schraubaugen 8 befestigbar ist (Fig.2). Darüber hinaus kann das Fahrpedalmodul 1 zusätzlich mit einem mechanischen Kick- Down-Schalter 10 für ein automatisches Getriebe des Kraftfahrzeugs versehen sein, welche bei- spielsweise in der DE 195 36 699 Al beschrieben ist.

Wie aus Fig.2 hervorgeht, weist der Pedalhebel 2 einen Lagerabschnitt 12 auf, der beispielsweise durch eine Welle 14 gebildet wird, welche in eine Bohrung des Pedalhebels 2 eingepresst ist. Die Welle 14 beinhaltet zwei senkrecht vom Pedalhebel 2 seitlich weg ragende, beispielsweise symmetrisch angeordnete Wellenzapfen 16, 18, welche mit ihren radial äußeren Umfangsflächen als Lagerflächen 20, 22 in komplementär ausgebildeten Lagerflächen 24, 26 des Lagerbocks 4 um eine Schwenkachse 28 schwenkbar gehalten sind.

Die Schwenkbewegungen des Pedalhebels 2 relativ zum Lagerbock 4 werden durch einen Drehwinkelsensor 30 in ein elektrisches Signal gewandelt, welches den Drehwinkel des Pedalhebels 2 relativ zum Lagerbock 4 repräsentiert. Als Drehwinkelsensor 30 wird vorzugsweise wenigstens

ein integrierter Hall-IC verwendet, welcher eine Richtungsänderung eines Magnetfeldes detektie- ren kann. Solche Hall-IC's 30 sind beispielsweise aus der EP 1 182 461 A2 bekannt.

Der Hall-IC 30 wird beispielsweise in einem Sensorgehäuse durch ein Druckgussverfahren mit einem Schmelzkleber umhüllt und auf einer Platine 32 befestigt, welche sich senkrecht zur Schwenkachse 28 in eine zentrale Ausnehmung 33 des Pedalhebels 2 zwischen den beiden Wellenzapfen 16, 18 erstreckt und über einen Steckanschluss 34 mit Pins an eine weiterführende elektrische Leitung angeschlossen werden kann, welche die elektrischen Signale an eine Auswerteelektronik weiterleitet. Alternativ kann jeglicher Sensor verwendet werden, welcher eine Änderung der Richtung eines Magnetfeldes detektieren kann, beispielsweise auch ein magneto- resistiver Sensor. Der Drehwinkelsensor 30 ist vorzugsweise im Bereich der Schwenkachse 28 angeordnet.

Das Magnetfeld wird durch wenigstens zwei bipolare Magneten 36, 38 erzeugt, denen der HaIl- IC 30 symmetrisch zwischengeordnet ist. Dies bewirkt, dass die von den Magneten 36, 38 jeweils erzeugten Magnetfelder den Drehwinkelsensor 30 von zwei verschiedenen Seiten her beaufschla- gen und sich in einem Schnittbereich überdecken und addieren, was eine vorteilhaft hohe Magnetfeldstärke und eine hohe Homogenität des Magnetfeldes im Bereich des Sensors 30 bedingt.

In bevorzugter Weise sind die Magneten als identische zylindrische Magnetscheiben 36, 38 ausgebildet und in Bezug zueinander koaxial und parallel angeordnet, wobei jeweils ein Magnetpol N oder S einem Ende der Scheibenebene zugeordnet ist, wie aus Fig.3 hervorgeht, welche die Mag- netscheibe 36 vom Hall-IC 30 aus gesehen zeigt. Mit anderen Worten ist an den Stirnseiten der Magnetscheiben 36, 38 eine 2-polige Magnetisierung N, S vorhanden. Ein solcher Magnet 36, 38 wird auch als diametral magnetisiert bezeichnet.

Um einen möglichst großes Volumen zur Erzeugung einer hohen Magnetfeldstärke innerhalb der kreisförmigen Querschnitte der beiden Wellenzapfen 16, 18 einnehmen zu können, weisen die Magnetscheiben 36, 38 beispielsweise im Querschnitt gesehen zwei den Magnetpolen N, S gegenüberliegende, parallel zueinander und gerade ausgebildete Umfangsflächenabschnitte 39 und zwei diesen entlang des Umfangs zwischengeordnete kreisbogenförmige Umfangsflächenabschnitte 41 auf.

Darüber hinaus ist eine sich senkrecht zu den Ebenen der Magnetscheiben 36, 38 erstreckende Mittelachse 43 vorzugsweise koaxial mit der Schwenkachse 28. Die beiden Magnetscheiben 36, 38 werden beispielsweise durch ein einziges Spritzwerkzeug und einem einzigen Fertigungsschritt

in die Wellenzapfen 16, 18 im Rahmen eines Kunststoffspritzverfahrens eingespritzt, wobei von der zum Hall-IC 30 weisenden Seitenfläche lediglich der Rand der Magnetscheiben 36, 38 beispielsweise teilweise umspritzt und der Rest freigelassen wird (Fig.3). Während des Kunststoffspritzverfahrens können die Magnetscheiben 36, 38 durch im Spritzwerkzeug integrierte Mag- netspulen zu Permanentmagneten aufmagnetisiert werden.

Fig.6 zeigt den Verlauf der magnetisches Feldlinien 40, 42, welche von den beiden Magnetscheiben 36, 38 erzeugt werden, wobei diese sich in einem zentralen, eine Symmetrieebene der Magnetscheiben 36, 38 bildenden Bereich überschneiden, in welchem sich der Hall-IC 30 befindet und dort eine hohe Dichte aufweisen. Dieser Hall-IC 30 beinhaltet einen oder mehrere Hall-Elemente, welche parallel oder senkrecht zu den Magnetfeldlinien 40, 42 der Magnetscheiben 36, 38 angeordnet sein können, je nachdem, ob vertikale oder horizontale Hallelemente verwendet werden. Horizontale Hallelemente sind empfindlich auf die Komponente des Magnetfeldes, die senkrecht auf ihre Oberfläche trifft, während vertikale Hallelemente gegenüber der Komponente des Magnetfeldes empfindlich sind, welche parallel zu ihrer Oberfläche verläuft. Zusätzlich können die Hallelemente gemäß der in der der EP 1 182461 A2 offenbarten Lehre auf Magnetfeldkonzentra- toren aus ferromagnetischem Material angeordnet sein, welche die magnetischen Feldlinien im Bereich des jeweiligen Hallelements in eine für die Detektion günstige Richtung umlenken. Darüber hinaus hat die Anmelderin durch Versuche festgestellt, dass sich ein besonders homogenes Magnetfeld ergibt, wenn die Magnetscheiben 36, 38 auf ihrer zum Drehwinkelsensor 30 weisen- den Seite jeweils eine Ausnehmung 44, 46 aufweisen.

Um eine pedalkraftabhängige Hysterese zu erzeugen, ist beispielsweise wenigstens ein Teil der Umfangsfläche der Wellenzapfen 16, 18 mit einem Reibbelag 48 versehen, welcher mit den zugeordneten Lagerflächen 24, 26 des Lagerbocks 4 zusammenwirkt, wie insbesondere in Fig.4 gezeigt ist. Vorzugsweise erstreckt sich ein solcher Reibbelag 48 am Umfang der Wellenzapfen 16, 18 über ca. 170 Grad.

Der Pedalhebel 2 ist aus Sicherheitsgründen durch wenigstens zwei sich parallel zur Bodenplatte 6 des Lagerbocks 4 und linear erstreckende Federelemente 50, 52 in seine Ausgangslage vorgespannt, wie insbesondere aus Fig.5 hervorgeht. Die Federelemente 50, 52 sind bevorzugt parallel zueinander angeordnete, identische Schraubenfedern, welche sich mit ihrem einen Ende an einer am Lagerbock ausgebildeten Stützfläche 54 und mit ihrem anderen Ende an einem hervorkragenden, in Bezug zur Schwenkachse 28 einen Hebelarm bildenden Stützarm 56 des Pedalhebels 2

abstützen. Dabei ist dem Stützarm 56 des Pedalhebels 2 und den anderen Enden der Federelemente 50, 52 ein im Lagerbock 4 in Spannrichtung der Federelemente 50, 52 linear geführtes Druckelement 58 zwischengeordnet.

Die Kontaktfläche des Stützarmes 56 des Pedalhebels 2 mit dem Druckelement 58 ist als vor- zugsweise ballig konvexe Wälzfläche 60 ausgebildet, so dass das Druckelement 58 an dieser Wälzfläche 60 abwälzen kann, wenn der Pedalhebel 2 um die Schwenkachse 28 geschwenkt und dadurch eine geringfügige radiale Relativbewegung zwischen dem Stützarm 56 und dem Druckelement 58 stattfindet. Dadurch kann verhindert werden, dass die Federelemente 50, 52 beim Spannen während einer Pedalbetätigung ausknicken. Denn durch die lineare Zwangsführung des Druckelements 58 im Lagerbock ist die parallel zu den Mittelachsen der Federelemente 50, 52 verlaufende Spannrichtung vorgegeben. Die beim Abwälzen des Stützarmes 56 am Druckelement 58 auftretenden Querkräfte werden dann durch die Führungen, an denen das Druckelement 58 geführt ist in den Lagerbock 4 abgeleitet und nicht auf die Federelemente 50, 52 übertragen, welche dann querkraftfrei sind. Das Druckelement 58 kann durch die Wirkung der von den Federelementen 50, 52 ausgeübten Druckkräfte in der Ausgangslage des Pedalhebels 2, d.h. in einer Leerlaufstellung, gegen einen oder mehrere am Lagerbock 4 ausgebildete Anschläge 62 derart abgestützt sein, dass im wesentlichen keine Federkräfte auf den Pedalhebel 2 wirken. In der Ausgangslage des Pedalhebels 2 werden die Federkräfte folglich über die Anschläge 62 im Lagerbock 4 abgestützt. Um den Pe- dalhebel 2 in der Ausgangsstellung dennoch in einer definierten Lage zu halten, ist die von den Federelementen 50, 52 weg weisende Stirnfläche des Stützarms 56 des Pedalhebels 2 gegen einen vorzugsweise elastischen, am Lagerbock 4 gehaltenen Anschlag 64 abgestützt. Somit ist der Stützarm 56 in der Ausgangsstellung dem Druckelement 58 und dem Anschlag 64 nahezu kraftfrei zwischengeordnet. Bei Betätigung des Pedalhebels 2 rückt der Stützarm 56 vom Anschlag 64 weg und spannt über das Druckelement 58 die Federelemente 50, 52, welche dann eine der Betätigungskraft entgegengerichtete Federkraft auf den Pedalhebel 2 ausüben.