Optimierung des Bremspedalgefühls mit Pedalbetätigungsautomatik

Sanft anhalten

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Fahrzeugkäufer honorieren zunehmend die optimale Bedienbarkeit eines neu anzuschaffenden Automobils. Damit rückt die Gestaltung von Fahrer-Fahrzeug-Schnittstellen in den Mittelpunkt der Entwicklungen. Hierzu zählt auch das Bremspedalgefühl, welches sowohl hinsichtlich Komfort als auch Sicherheit an Bedeutung gewinnt. Vor diesem Hintergrund wurde die Betätigungsautomatik entwickelt.

Bei der Auslegung von Kraftfahrzeugen ist viel Wert auf die Merkmale Fahrkomfort und Bedienbarkeit zu legen. Entsprechend sind die Bedienelemente so auszulegen, dass der Fahrer möglichst gut vor Überbeanspruchung und physischer beziehungsweise muskulärer Ermüdung bewahrt wird. Die Gefahr von Überbeanspruchung besteht dabei primär bei Betätigungsaufgaben, die zwar nur kurze Zeit andauern, aber hohe Bedienkräfte erfordern wie bei der Betätigung des Bremspedals. Ermüdungserscheinungen treten hingegen in der Regel bei Betätigungsaufgaben auf, die einen zwar vergleichsweise geringen, aber dafür gleichmäßigen und lang andauernden Kraftaufwand erfordern wie das bei der Betätigung des Fahrpedals bei längerer Autobahnfahrt der Fall ist.

Für die Auslegung der Bedienelemente ist es erforderlich, die Kraft- und Wegcharakteristik (beziehungsweise Moment- und Winkelcharakteristik) mit physikalischen Parametern aussagekräftig beschreiben zu können. Bei der Bremsanlage handelt es sich hierbei unter anderem um die Pedal- und Bremscharakteristik. Für die notwendigen Messungen wurde eine Betätigungsautomatik entwickelt.
Betätigungsautomatik (Bremsroboter)
Der Bremsroboter ermöglicht reproduzierbare Pedalbetätigungen mit hoher Dynamik und Präzision. Mit diesem System können die Pedaleigenschaften (beispielsweise des Bremspedals, aber auch des Kupplungs- oder des Fahrpedals) sowie die zugehörigen Fahrzeugreaktionen sehr genau statisch und dynamisch gemessen und analysiert werden. Das Pedal wird wahlweise weggeregelt oder kraftgeregelt betätigt. Zweckmäßige Normbetätigungen erlauben eine leichte Auswertung und Interpretation der Ergebnisse.
Das System wird vorrangig für die Erarbeitung von Gestaltungsrichtlinien zur ergonomiegerechten Auslegung von Bedienelementen im Fahrzeug (hier die Pedalerie) verwendet. Ein weiteres großes Anwendungsspektrum ist die vergleichende Analyse von vorhandenen Se- rien- oder Prototypenfahrzeugen mit anerkannt guten Produkten von Wettbewerbern. Der Abgleich der gewonnenen objektiven Messdaten mit den subjektiven Eindrücken von professionellen Testfahrern oder „Durchschnittsfahrern“ ermöglicht dann eine gezielte Bestimmung der relevanten Unterschiede inklusive der dafür verantwortlichen Fahrzeugkomponenten. Dem Entwickler oder Konstrukteur können anschließend konkrete Empfehlungen zur Verbesserung seines Produkts gegeben werden.
Oft stehen die zu untersuchenden Fahrzeuge nur eine sehr beschränkte Zeit zur Verfügung. Deshalb ist der Bremsroboter so ausgelegt, dass der Ein- und Ausbau möglichst schnell vorgenommen werden kann und nötige Anpassungsarbeiten auf ein Minimum beschränkt werden. Die Realisierung dieser Anforderung erhöht zugleich die Akzeptanz beim Anwender.
Modulare Auslegung
So ist der Bremsroboter modular ausgelegt und setzt sich zusammen aus Aktuatorik zur Pedalbetätigung, Elektronik, elektrischer Energieversorgung, hydraulischer Energieversorgung und Sensorik. Das ermöglicht den problemlosen Einbau in nahezu jedem Pkw oder leichten Nfz. Zudem kann so auf spezielle Anforderungen schnell und unkompliziert reagiert werden. Die Module sind untereinander elektrisch mit Steckverbindern verbunden, die so kodiert sind, dass fehlerhafte Verbindungen verhindert werden. Die hydraulische Verbindung zwischen den Modulen „hydraulische Energieversorgung“ und „Aktuatorik“ ist mit tropffreien hydraulischen Schnellkupplungen realisiert.
Das Modul Aktuatorik ist servohydraulisch ausgelegt, da die hohe Leistungsdichte des hydraulischen Antriebs extreme Zustellgeschwindigkeiten bei sehr hohen Beschleunigungen und Betätigungskräften ermöglicht. Durch den Austausch einzelner hydraulischer Komponenten wie Hydraulikzylinder oder Servoventil können auch hier Anpassungen an spezielle Anforderungen bezüglich Betätigungsdynamik und -kräften vorgenommen werden. Zwischen Aktuator und Pedal befindet sich eine Zugentlastung. So wird ein unrealistisches und schädliches Zurückziehen des Pedals vermieden. Weiterhin wird die Möglichkeit des überlagerten (Not-)Abbremsens durch den Fahrer ermöglicht. Der Aktuator wird mit dem Pedal über einen Pedaladapter verbunden, der in der Regel universell verwendbar ist. Selten sind hier jedoch mechanische Anpassungsarbeiten nötig.
Abgestützt wird der Aktuator an einem Rahmen, der an den Anschraubpunkten der Sitzschiene montiert wird, was eine extrem steife Abstützung und somit sehr genaue Erfassung der Pedalkräfte erst ermöglicht. Im einfachsten Fall wird der Rahmen direkt unter den Sitzschienen verschraubt. Dieser Rahmen ist als einzige Komponente für nahezu jedes Fahrzeug neu anzufertigen und besteht aus einfachsten Halbzeugen, die miteinander zu verschweißen sind. Eine universell anwendbare Abstützung ist sitz- und pedalseitig realisierbar, aber mit Nachteilen bezüglich Betätigungs- und Messpräzision verbunden.
Bremsroboter in der Anwendung
Nach der Beschleunigung des Fahrzeugs auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit werden die Pedalbetätigung und die Messung automatisch gestartet. Der jeweilige Betätigungszyklus wird vom System nach dem Unterschreiten der Geschwindigkeit v1 selbstständig ausgelöst. Angewendet werden zwei verschiedene Zyklen. Den Zyklus „Halten“ charakterisiert, dass sich die Pedalkraft sprungförmig erhöht und anschließend bis zum Fahrzeugstillstand konstant bleibt, während beim Zyklus „Trapez“ das Pedal rampenförmig belastet und noch vor dem Fahrzeugstillstand rampenförmig vollständig entlastet wird.
Weitere Betätigungsmuster können ebenso wie Skriptabläufe definiert werden. Ebenso sind unterschiedlichste Auslöseereignisse realisierbar. Umgesetzt wurde beispielsweise die Auslösung per Knopfdruck und per Entlastung des Fahrpedals. Angedacht ist die Auslösung beim Passieren einer Lichtschranke.
Analysiert wurde bisher eine Auswahl von Mittelklasse-Pkw, Sportwagen, SUV und leichten Nutzfahrzeugen mit Laufleistungen zwischen 5000 und 100 000 km. Die Fahrzeuge waren mit Scheibenbremsen und hydraulischen, vakuumunterstützten Hilfskraftbremsanlagen ausgerüstet. Ergänzende Labormessungen fanden an einem Schwungmassenbremsenprüfstand statt. Die mit dem Bremsroboter erreichte Qualität kraft- und weggeregelter Pedalbetätigungen erwies sich als deutlich höher, als die von professionellen Versuchsfahrern erreichbare.
TU Ilmenau, Fachgebiet Kraftfahrzeugtechnik; Telefon: 03677 6938-43; E-Mail: klaus.augsburg@tu-ilmenau.de
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