Die Erfindung betrifft eine Fahrpedalvorrichtung für Fahrzeuge, insbesondere für Personenkraftwagen mit einem Fahrpedalmodul, bei dem ein Fahrpedalelement und ein Grundplattenelement in wenigstens einem Drehpunkt relativ zueinander bewegbar sind, und einen Lineartorquemotor hierfür.

Eine Fahrpedalvorrichtung für Fahrzeuge ist aus der DE 100 31 097 C1 bekannt bei dem sich ein Pedalelement gegenüber einer Grundplatte bewegt. Das Pedalelement setzt sich aus einem Fahrpedalelement und einem Pedalhebelelement zusammen, die in einem Fahrpedaldrehpunkt drehbar verbunden sind. Im Lagerzentrum ist ein Drehwinkelsensor ist, angeordnet. Nachteilig ist, dass der Drehwinkel in ein lineares Signal umgewandelt werden muss. Aufgrund der Art der Erzeugung sind Begradigungseinrichtungen erforderlich, die das Signal linearisieren müssen.

Aus der DE 100 33 295 A1 sind Fahrpedalvorrichtungen bekannt, bei denen unterschiedlich ausgebildete Federpakete in Zusammenarbeit mit Reibungsflächen lediglich das Betätigungsverhalten beeinflussen.

In der DE 100 33 297 A1 sind Fahrpedalvorrichtungen für Fahrzeuge beschrieben, bei denen Fahrpedal- und Grundelement mit Hilfe unterschiedlich ausgebildeter Flachfedern in ihre Grundstellung zurück gestellt werden. Ein loses Ende der Federn wird lediglich zur Beeinflussung des Betätigungsverhaltens des Fahrpedalelements eingesetzt.

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, das Betätigungsverhalten, insbesondere das Bewegungsverhalten des Fahrpedalelements der bekannten Fahrpedalvorrichtungen zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,

• – dass eine lineare Weggebereinheit vorgesehen ist, bei der zwei Segmente relativ zueinander bewegbar sind,
• – wobei das eine Segment am Fahrpedalelement und das andere Segment am Grundplattenelement angeordnet ist und
• – wobei wenigstens eines der Segmente teilkreisförmig ausgebildet ist,
• – wobei in dem einen Segment als bewegliches Teil ein Torquemotorschiebeteil mit mehreren hintereinanderliegenden Permanentmagneten und in dem anderen Segment als stationäres Teil ein Torquemotorstatorteil mit mehreren hintereinanderliegenden Feldwicklungen angeordnet ist,
• – und wobei in dem einen Segment die Permanentmagneten eines Torquemotorschiebeteils und ein Resonanzschaltkreis mit wenigstens einer Kapazität und wenigstens einer Induktivität eines Sensors und
• – in dem anderen Segment die Feldwicklungen eines Torquemotorstatorteils und wenigstens drei Spulen eines Spulenschaltkreises des Sensors angeordnet sind.

Die hiermit erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass jede Bewegung des Fahrpedalelements gegenüber dem Grundplattenelement in eine lineare Bewegung umgesetzt wird. Hierdurch ist ein Einsatz dieser linearen Weggebereinheit für unterschiedlichste Antriebs- und Signalaufnahmeeinrichtungen möglich. Drehmotoreinheiten, die in ihrem Aufbau mitunter aufwendig seien können, können durch eine im Aufbau einfachere und robustere lineare Motoreinheit ersetzt werden, mit der die Bewegung des Fahrpedalelements genauer zu beeinflussen ist. Mit einem Lineartorquemotor lässt sich das Betätigungsverhalten des Gaspedals dosiert und kultiviert beeinflussen.

In das eine Segment als bewegliches Teil ist ein Torquemotorschiebeteil mit mehreren hintereinanderliegenden Permanentmagneten und in das andere Segment als stationäres Teil ein Torquemotorstatorteil mit mehreren hintereinanderliegenden Feldwicklungen integriert.

Besonders vorteilhaft ist es, daß in dem einen Segment die Permanentmagneten des Torquemotorschiebeteils und ein Resonanzschaltkreis mit wenigstens einer Kapazität und wenigstens einer Induktivität eines Sensors und in dem anderen Segment die Feldwicklungen des Torquemotorstatorteils und wenigstens drei Spulen eines Spulenschaltkreises eines Sensors angeordnet werden können. Der Sensor erlaubt eine korrekte Erfassung und Steuerung des Torquemotors.

Es ist auch möglich, jeweils zwei Segmente am Fahrpedal- und am Grundplattenelement anzuordnen. In diese können getrennt die aktiven Teile des Sensors, wie Resonanz-Spulenschaltkreis und des Torquemotors, wie Feldwicklungen und Permanentmagnete untergebracht werden. Damit stehen Sensor und Motor räumlich getrennt voneinander zur Verfügung.

Sowohl der Lineartorquemotor als auch der Linearsensor erhöhen die Bedienungsqualität in hervorragenden Maße.

Gelöst wird die Aufgabe ebenfalls durch einen Lineartorquemotor, insbesondere für Fahrpedalmodule, bei denen ein Fahrpedalelement und ein Grundplattenelement in wenigstens einem Drehpunkt relativ zueinander bewegt werden können,

• – wobei in einem Segment, das mit dem Fahrpedalelement verbunden ist, mehrere hintereinanderliegende Permanentmagneten eines Torquemotorschiebeteil angeordnet sind,
• – wobei in einen anderen Segment, das mit dem Grundplattenelement verbunden ist, mehrere hintereinanderliegende Feldwicklungen eines Torquemotorstatorteils integriert sind und
• – wobei das eine Segment ein teilkreisförmiges Stößelsegment und das andere Segment ein teilkreisförmiges Scheidenelement ist.

Hierbei können das Stößel- und das Scheidenelement aus Kunststoff geformt werden. Die aktiven Teile des Linearmotors und/oder des Linearsensors werden so gegen äußere Einflüsse geschützt.

Die Rückholeinheit des Fahrpedalmoduls kann unterschiedlich ausgebildet werden.

Bei einer Magnetfeder können sich jeweils ein Dauermagnetelement gleichgepolt im Fahrpedal- und dem Grundplattenelement gegenüber liegen. Der Einsatz einer Magnetfeder ermöglicht eine Beeinflussung der Betätigungscharakteristik des Fahrpedals. Vor allem aber ist sie wartungs- und verschleißfrei.

Das eine in das Fahrpedalelement eingeformte Dauermagnetelement kann mit seinem Nordpol dem Nordpol des in das Grundplattenelement eingeformten Dauermagnetelementen gegenüberliegend angeordnet werden.

Das eine in das Fahrpedalelement eingeformte Dauermagnetelement kann aber auch mit seinem Südpol dem Südpol des in das Grundplattenelement eingeformten Dauermagnetelementen gegenüberliegend angeordnet werden.

Bei einer Schraubenfeder kann das eine Ende am Fahrpedalelement und das andere Ende am Grundplattenelement angeordnet sein. Diese sehr einfache Federvariante ist sehr robust und wirksam.

Bei einem Federgelenkelement kann das eine Ende am Fahrpedalelement und mit dem anderen Ende am Grundplattenelement angeordnet sein.

Durch den Federbogen des Federgelenkelements kann der Drehpunkt des Fahrpedalmoduls ausgebildet werden.

Bei entsprechender Ausbildung des Federgelenkelement kann die Betätigungscharakteristik des Fahrpedals ebenfalls beeinflusst werden.

Die Rückholeinheit als Magnetfeder, Federgelenkelement, Schraubenfeder müssen laut Vorschrift zweifach zwischen Fahrpedal- und Grundplattenelement eingebaut werden. Hierbei kann ein Paar gleich ausgebildeter Federn zum Einsatz kommen. Es können aber zwei unterschiedliche Federn, z.B. eine Magnetfeder und ein Federgelenkelement verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein hängendes Fahrpedalmodul mit einem Linearsensor und Lineartorquemotor in zwei Betätigungsstellungen in einer schematisch dargestellten Vorderansicht,

2 einen Schnitt durch ein Fahrpedalmodul gemäß 1 in einer ersten Betätigungsstellung entlang der Linie II-II,

3 einen Schnitt durch ein Fahrpedalmodul gemäß 1 in einer zweiten Betätigungsstellung entlang der Linie III-III,

4 eine erste Ausführungsform eines stehenden Fahrpedalmoduls mit einem Linearsensor und Lineartorquemotor in einer schematisch dargestellten Seitenansicht,

5 eine zweite Ausführungsform eines stehenden Fahrpedalmoduls mit einem Linearsensor und Lineartorquemotor in einer schematisch dargestellten Seitenansicht,

6 eine zweite Ausführungsform eines stehenden Fahrpedalmoduls mit verschiedenen Rückholeinrichtungen in einer schematisch dargestellten Seitenansicht,

7 einen Linearsensor für ein Fahrpedalmodul gemäß 1 – 5 in einer schematisch dargestgellten Längsschnittansicht,

8a einen Linearantrieb für ein Fahrpedalmodul gemäß 1 – 5 in einer schematisch dargestellten Längschnittansicht,

8b der Linearantrieb aus 8a in einer Betätigungsposition in einer schematisch dargestellten Querschnittansicht,

8c den Linearantrieb aus 8a, 8b in einer zweiten Betätigungsposition in einer schematisch dargestellten Querschnittansicht,

8d ein Detail des Linearatriebs entsprechend dem Kreis D aus 8b,

8e eine Ausgangsspannung eines Linearsensors gemäß 1 bis 5 und 7 in Abhängigkeit vom Stößelweg.

Die Entwicklungen zur Verbesserung wichtiger Details der Fahrpedale für Personenkraftwagen werden immer weiter voran getrieben. Insbesondere gehen die Anstrengungen dahin, die Stellungen eines Fahrpedalelements genauer mit empfindlichen Sensoren zu erfassen. Weiterhin gehen die Anstrengungen dahin, die Stellungen eines Fahrpedalelements genauer beeinflussen zu können.

Ein neuartiger Sensor und Torquemotor, die die Stellung eines Fahrpedalelements genauestens erfassen und beeinflussen können, weisen ein Stößelelement 114 und ein Scheidenelement 118 auf (vgl. insbesondere 7). Stößel- und Scheidenelement sind vorzugsweise aus Kunststoff geformt. Es sind aber auch andere im Automobilbau verwendete formbare Materialien einsetzbar.

Das Stößelelement ist ähnlich einem Degen in dem Scheidenelement genau und unverkantet hin und her zu führen.

In das Stößelelement 114 ist als induktives Kopplungselement ein Resonanzschaltkreis 115 integriert, der aus einer Kapazität C und einer Induktivität L besteht. In einer der Seitenwände des Scheidenelements 118 ist ein Spulenschaltkreis 119 mit drei Spulen SP1, SP2 und SP3 eingeformt. Der Resonanzschaltkreis, auch als PUCK bezeichnet, und der Spulenschaltkreis, auch als PAD bezeichnet, sind die aktiven Teile eines an sich bekannten Sensors (vgl. WO 03/03 83 79). Der Sensor ist ein induktiver Sensor mit einem Resonanzschaltkreis.

Beim Betrieb des PAD werden in den Spulen SP1 und SP2 zwei um 90° verschobene Signalverläufe, d.h. ein sinus- und ein cosinusförmiges Signal, erzeugt. Durch diese Signale wird der Resonator im PUCK angeregt. In der dritten Spule SP3 wird ein entsprechendes Ausgangssignal induziert, dessen Phase dem Weg des PUCKs über dem PAD entspricht. Der PAD übernimmt hier die Funktion eines Senders/Empfängers.

Wie insbesondere 8a bis 8c zeigen, kann als Linearantrieb in das Stößelelement 114 ein Schiebeteil 16 mit mehreren hintereinander liegenden Permanentmagneten 161a, 161b und in das Scheidenelement 118 ein Statorteil 162 mit mehreren hintereinander liegenden Feldwicklungen 162a, 162b, 162c aufgenommen werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen, Rotations-Torquemotoren werden für den Linearantrieb Stator und Rotor quasi aufgeschnitten und laufen als segmentförmige Teile in funktionsgleicher Art und Weise übereinander her, so dass eine Art Linartorquemotor gebildet wird.

Hierbei sind die Permanentmagnetelemente so ausgebildet, daß sie quer zur Betätigungsrichtung magnetisiert sind, wie im Detail in 8d gezeigt. Hintereinanderliegende Permanentmagnete sind hier entgegengesetzt magnetisiert. Durch die Feldspulen 162a, 162b, 162c, die wie in 8c beispielhaft gezeigt auch paarweise angeordnet sein können, werden nun jeweils Magnetfelder quer zur Betätigungsrichtung erzeugt. Durch magnetische Anziehung bzw. Abstoßung der Permanentmagnetelemente 161a, 161b wirkt so eine Kraft auf das Stößelelement 114.

Die Richtung dieser Kraft kann durch die Polarität der Bestromung gewählt werden. Durch den Betrag des Stroms kann die Feldstärke und so der Betrag der Kraft eingestellt werden.

Der induktive Sensor und der Linearantrieb sind in ein in den 1 bis 3 dargestelltes hängendes Fahrpedalmodul wie folgt eingebaut.

Das Fahrpedalmodul 1 besteht aus einem Fahrpedalelement 12, an dem das Stößelsegment 114 befestigt ist, und einem Grundplattenelement 13, an dem das Scheidensegment 118 angeordnet ist, die in einem Fahrpedaldrehpunkt 11, der als Achsenelement ausgebildet ist, relativ zueinander zu bewegen sind.

Um das Achsenelement 11 ist ein Pedalringelement 21 mit einem wenigstens teilweise umlaufenden Gleitflächenelement 20 mit einem Reibungskoeffizient &mgr; gelegt. Zwischen dem Fahrpedalelement und dem Grundplattenelement 13 sind Zugfederelemente 14, 15 angeordnet, die durch Federhalteelemente 16, 17 am Grundplattenelement 13 und durch Federhalteelemente 18, 19 am Fahrpedalelement 12 befestigt sind. Das Fahrpedalelement 12 endet in seinem frei hängenden Ende in einem Pedalbetätigungselement 22, auf das eine Betätigungskraft FB wirken kann. Durch FB wirkt in Abhängigkeit von &mgr; eine Reibungskraft Fr die Pedalbewegung von einer Stellung 12.1 in 3 zu einer Stellung 12.2 in 2 entsprechend gedämpft.

Sensor und Torquemotor werden in ein in den 4 dargestelltes stehendes Fahrpedalmodul 3 wie folgt eingebaut. Das Fahrpedalmodul 3 besteht aus einem Fahrpedalelement mit einem Fahrpedal 7, das über einen Pedaldrehpunkt 8 mit einem Pedalhebelelement 9 verbunden ist, an dem das Stößelsegment 114 befestigt ist, und einem Grundplattenelement 4, an dem das Scheidensegment 118 angeordnet ist, die in einem Fahrpedaldrehpunkt 10, der als Achsenelement ausgebildet ist, relativ zueinander zu bewegen sind.

Grundplattenelement 4 und Fahrpedalelement 7 sind durch ein Gliederkopplungselement 7' verbunden. Im Grundplattenelement 4 ist ein Kick-Down-Schalter 50 angeordnet.

Ein weiteres stehendes Fahrpedalmodul 101 ist in 5 und 6 dargestellt, das aus einem Fahrpedalelement 112 mit einem Fahrpedalbetätigungsflächenelement 127 und Fahrpedalunterseite 128 sowie einer Oberanschlagseite 123 und einem Grundplattenelement 113 mit einer Unteranschlagseite 124 besteht, in einem Fahrpedaldrehpunkt 111 verbunden sind. Ein Fahrpedalende 126 am Fahrpedaldrehpunkt liegt einem Pedalspitzenelement 125 gegenüber. Bei einer Betätigung des Fahrpedalelement 112 von einer Nichtbetätigungsstellung 112.1 in eine Betätigungsstellung 112.2.

Um wieder in der in die Stellung 112.1 zurück gelangen zu können, ist wenigstens eine Rückholeinrichtung erforderlich.

Aus darstellerischen Gründen sind verschiedene Rückholeinrichtungen separat in 6 gezeigt.

Eine Ausführungsform ist eine Magnetfeder, bei der sich zwei Dauermagnetelemente 116, 117 mit gleichen Polen gegenüberstehen. Das Dauermagnetelement 116 weist einen Nordpol N und einen Südpol S auf. Es ist mit seinem Nordpol N zum Pedal 112 hin zeigend in das Grundplattenelement 113 eingeformt. Das Dauermagnetelement 117 weist ebenfalls einen Nordpol N und einen Südpol S auf. Es ist mit seinem Nordpol N zum Grundplattenelement 113 hin zeigend in das Pedal 112 eingeformt. Beide Nordpole stoßen sich derart ab, dass das Pedal ohne Belastung wie bei einer Feder immer in die Stellung 112.1 gedrückt wird. Durch entsprechende Auswahl der Magnete kann die Betätigungscharakteristik der Magnetfeder beeinflusst werden.

Eine weitere Ausführungsform einer Rückholeinrichtung ist eine Hakenfeder 141. Hierbei wird das eine Ende der Feder 141 mit dem Grundplattenelement, z.B. im Bereich des Drehpunktes 111 verbunden, während das andere Ende unter dem Pedal 112 verlegt bis zu dessen Spitze 125 reichen kann. Diese Federvariante zeichnet sich Einfachheit- und Zuverlässigkeit nicht zu vergessen Kostengünstigkeit aus.

Eine elegante Ausführungsform einer Rückholeinrichtung ist ein Federgelenkelement 142. Kommt sie zum Einsatz, sind Pedal 112 und Grundplatte 113 etwa entlang der Schnittlinie 144 abgeschnitten. Die zangenförmig ausgebildete Feder kommt mit einem Schenkel unter die Fahrpedalunterseite 128 und mit dem anderen Schenkel auf dem Grundplattenelement 113 zu liegen. Hervorzuheben ist, dass ein Federbogen der Feder 142 ein im Drehpunkt 111 liegendes Pedalgelenk ausbildet. Dieses Gelenk zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Wartungsfreiheit aus. Durch entsprechende Auswahl des Federmaterials lässt sich die Betätigungscharakteristik des Fahrpedalelements 112 beeinflussen. Eine andere Ausführungsform einer Rückholeinrichtung ist eine Schraubenfeder 143, die mit einem Ende an der Fahrpedalunterseite 128 und dem anderen Ende auf dem Grundplattenelement 113 liegt. Die kann entsprechend geführt werden.

Grundsätzlich sind bei einem Fahrpedalmodul wenigstens zwei Rückholeinrichtungen erforderlich. Deshalb können die Federn 141, 142, 143 paarig oder gemischt eingebaut werden.

Bei der Realisierung eines Linearsensors ist, wie bereits beschrieben im Stößelelement 114 der Resonanzschaltkreis 115 als PUCK und im Scheidensegment 118 der Spulenschaltkreis 119 als PAD angeordnet.

Bei der Realisierung eines Lineartorquemotors 160 ist, wie bereits beschrieben, im Stößelelement 114 das Torquemotorschiebeteil 161 und im Scheidensegment 118 das Torquemotorstatorteil 162 angeordnet.

Werden Linearsensor und Lineartorquemotor benötigt, ist im Stößelelement 114 der Resonanzschaltkreis 115 und das Torquemotorschiebeteil 161 und im Scheidensegment 118 der Spulenschaltkreis 119 und das Torquemotorstatorteil 162 angeordnet.

Linearsensor und Lineartorquemotor können auch gleichzeitig so zur Verfügung gestellt werden, in dem in zwei nebeneinander angeordneten Stößelelementen 114 jeweils der Resonanzschaltkreis 115 und das T orquemotorschiebeteil 161 und in zwei nebeneinander angeordneten Scheidensegmenten 118 jeweils der Spulenschaltkreis 119 und das Torquemotorstatorteil 162 angeordnet sind.

Die Funktion eines Fahrpedals mit einem Linearsensor und/oder einem Lineartorquemotor gemäß den 1 bis 5 sei insbesondere unter Zuhilfenahme der 5 bis 8 beschrieben.

Beim Betätigen des Fahrpedalelements 112 wird dieses gegenüber dem Grundplattenelement 113 von der Stellung 112.1 in die Stellung 112.2 verstellt. Hierbei bewegt sich bei einem Linearsensor der PUCK 115 über dem PAD 119 und regeneriert im PAD als Sender/Empfänger ein Signal. Das Signal wird als Sensorausgangsspannung UA durch einen integrierten Schaltkreis – ASIC – ausgegeben. Hervorzuheben ist, dass die Spannung UA bereits einen linearen Verlauf hat, ohne das Linearisierungseinrichtungen eingesetzt werden müssen. Damit ist jeder Pedalstellung ein genauer Spannungswert zu zuordnen. Bei einem Lineartorquemotor 160 bewegen sich die hintereinander liegenden Permanentmagneten über die hintereinander liegenden Feldwicklungen- Werden die Feldwicklungen erregt, wird die Bewegung von 112.1 zu 112.2 beeinflusst und damit zu den von den jeweiligen Federn erzeugten Federkräften hinzu addiert. Die Felderregung kann von einem Steuercomputer nach einem Steueralgorithmus gesteuert werden. Steuergrößen können sein eine einzuhaltende Höchstgeschwindigkeit, ein einzuhaltender Fahrzeugabstand, Witterungsverhältnisse, wie z.B. Nebel, Glatteis, Schnee oder dgl. Die Rückholeinrichtungen gemäß 6 sorgen dafür, dass beim Loslassen des Pedals die Stellung 112.1 wieder eingenommen wird.

Wird bei dem Fahrpedalmodul 1 gemäß 1 bis 3 das Fahrpedal 12 mit der Betätigungskraft FB von der Stellung 12.1 in die Stellung 12.2 bewegt, werden die Federn 14, 15 kontinuierlich gespannt. Die Zugkraft erhöht den Druck auf das Gleitflächenelement 20, so dass eine immer größer werdende Kraft FB aufgewendet werden muss. Der Reibungskoeffizient &mgr; gibt die Möglichkeit, die Kraft FB unterschiedlich ansteigen zu lassen. Durch den gesteuerten Lineartorquemotor 160 lässt sich die Kraft noch weiter, wie oben beschrieben, beeinflussen, so dass eine gewünschte Bewegungshysterese entsteht.

Bei einem Betätigen des Fahrpedals 7 bei einem Fahrpedalmodul 3 gemäß 4 wird über die Gelenke 8, 10 das Pedalhebelelement 9 ausgelenkt. Dadurch wird das an dem Pedalhebelelement 9 befestigte Stößelsegment in dem Scheidensegment 118 und damit der PUCK über den PAD mit den bereits beschriebenen positiven Wirkungen verschoben.