DE10016879A1

DE10016879A1 - Betätigungseinrichtung für eine Kraftfahrzeug-Bremsanlage vom Typ "brake by wire"

Info

Publication number: DE10016879A1
Application number: DE2000116879
Authority: DE
Inventors: Axel Pauly; Karsten Schille
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-18
Also published as: DE50111175D1; JP2001301591A; EP1142766A1; EP1142766B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für eine Kraftfahrzeug-Bremsanlage vom Typ "brake by wire", bestehend aus einem Bremspedal sowie aus einem mit diesem zusammenwirkenden hydraulischen Simulator, dessen Simulatorkolben bei einer Druckbetätigung des Bremspedals hydraulisch über einen variablen Strömungswiderstand gegen die Kraft eines Federelementes verschoben wird. Erfindungsgemäß ist der variable Strömungswiderstand stufenlos variabel zwischen zwei Extremwerten einstellbar und wird durch eine elektronische Steuereinheit unter Berücksichtigung der auf das Bremspedal einwirkenden Betätigungskraft sowie des durch diese Betätigung zurückgelegten Bremspedalweges wie gewünscht eingestellt. Bevorzugt ist der variable Strömungswiderstand als Elektro-Ventil mit variablem Durchströmquerschnitt ausgebildet. Dabei kann zwischen einem mechanisch an das Bremspedal gekoppelten Stellkolben und dem variablen Strömungswiderstand ein zwischen Kolben vorgesehen sein, der üblicherweise bei einer Betätigung des Bremspedales das Hydraulikmedium durch den Strömungswiderstand in Richtung zum Simulatorkolben verdrängt, wobei zwischen dem Stellkolben und dem sich an diesem auch über ein Federelement abstützenden Zwischenkolben ein mit Hydraulikmedium befüllbarer oder auch von diesem entleerbarer Hydraulikraum vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für eine Kraftfahrzeug- Bremsanlage vom Typ "brake by wire", bestehend aus einem Bremspedal sowie aus einem mit diesem zusammenwirkenden hydraulischen Simulator, dessen Simulatorkolben bei einer Druckbetätigung des Bremspedales hy draulisch über einen variablen Strömungswiderstand gegen die Kraft eines Federelementes vorschoben wird.

Zum bekannten Stand der Technik wird auf die DE 196 40 767 A1 sowie auf die DE 198 32 036 A1 verwiesen.

Bekanntermaßen erfolgt bei einer sog. "brake by wire"-Bremsanlage die Auf bringung der Bremskraft nicht mehr direkt mechanisch bzw. insbesondere hydraulisch unter Zwischenschaltung eines Bremskraftverstärkers, sondern es wird die auf das Bremspedal einwirkende Betätigungskraft sowie der in Folge hiervon vom Bremspedal zurückgelegte Weg als Eingangsinformation für eine elektronische Steuereinheit verwendet, in welcher dann die jeweils geforderte bzw. entsprechend der Anforderung bestgeeignete Bremskraft erzeugt, d. h. bspw. auf die Radbremsscheiben des Kraftfahrzeuges aufge bracht wird. Letzeres kann im übrigen wieder rein mechanisch oder unter Zwischenschaltung eines Hydrauliksystemes erfolgen.

Bei einer derartigen "brake by wire"-Bremsanlage muß dem Kraftfahrzeug- Führer, der das Bremspedal betätigt, eine gewisse Reaktion auf diese Betä tigung hin übermittelt werden, d. h. einer Betätigung des Bremspedales muß eine wünschenswerterweise veränderbare Kraft entgegengesetzt werden. Damit kann für den Kraftfahrzeug-Führer das Verhalten einer herkömmlichen rein mechanischen oder hydraulischen Bremsanlage simuliert werden und praktisch nur damit kann dem Kraftfahrzeug-Führer auch die Möglichkeit ge geben werden, das Bremspedal wie gewünscht mit unterschiedlicher Inten sität betätigen zu können.

In der eingangs erstgenannten DE 196 40 767 A1 wird diese bei einer Betä tigung des Bremspedales auf dieses einwirkende und dabei veränderbare Gegen-Kraft dadurch erzeugt, daß ein sog. Simulatorkolben bei einer Druck betätigung des Bremspedales hydraulisch über einen variablen Strömungs widerstand gegen die Kraft eines Federelementes vorschoben wird. Dieser Strömungswiderstand ist dabei alleine wegabhängig und nur in gewissen Stufenschritten veränderbar. Hiermit kann das bisherige Reaktionsverhalten einer rein mechanischen oder hydraulischen Bremsanlage, d. h. einer sol chen ohne "brake-by-wire"-Elemente nur in unzureichendem Maße nachge bildet werden.

In der eingangs zweitgenannten DE 198 32 036 A1 ist eine Bremssteue rungseinrichtung mit einem sog. aktiven Hubsimulator beschrieben, bei wel chem neben der Niederdrück-Geschwindigkeit des Bremspedales auch die Niederdrück-Kraft gemessen und beim Aufbau dieses Simulators berück sichtigt wird. Aktiv ist dieser Simulator einer elektrohydraulischen "brake-by- wire"-Bremsanlage insofern, als die auf das Bremspedal ebenfalls auf hy draulischem Wege aufgebrachte Gegen-Kraft quasi von der hydraulischen Bremsanlage abgezweigt wird, d. h. ein Teil des in erster Linie für die Umset zung des Bremsvorganges komprimierten Hydraulikmediums wird dazu verwendet, dem Bremspedal bzw. einem mit diesem mechanisch verbundenen sog. Simulatorkolben einen variablen Widerstand entgegenzusetzen. Unter Wirkungsgrad-Gesichtspunkten ist ein derartiger aktiver Simulator daher we niger günstig.

Gegenüber diesem bekannten Stand der Technik eine verbesserte Betäti gungseinrichtung für eine Kraftfahrzeug-Bremsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß ein bzw. der aus der eingangs erstgenannten Schrift bekannte variable Strömungswider stand stufenlos variabel zwischen zwei Extremwerten einstellbar ist und durch eine elektronische Steuereinheit unter Berücksichtigung der auf das Bremspedal einwirkenden Betätigungskraft sowie des durch diese Betäti gung zurückgelegten Bremspedalweges wie gewünscht eingestellt wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird beim Betätigen des Bremspedales ausgelöst hier durch eine Hydraulikflüssigkeit durch ein regelbares Ventil mit variabel ein stellbarem Durchströmquerschnitt oder dgl. gefördert, d. h. allgemein ausge drückt durch einen stufenlos variablen Strömungswiderstand. Bei der Ein stellung des Durchströmquerschnittes bzw. Strömungswiderstandes wird dabei neben dem in einer gewissen Zeitspanne zurückgelegten Bremspe dalweg - dies entspricht der Betätigungsgeschwindigkeit - auch die auf das Bremspedal aufgebrachte Betätigungskraft berücksichtigt. Unter Berücksich tigung dieser genannten Größen läßt sich zusammen mit dem stufenlos va riablen Strömungswiderstand das bekannte Verhalten bislang üblicher me chanischer oder hydraulischer Bremsanlagen ohne brake-by-wire-Elemente unter Zuhilfenahme einer elektronischen Steuereinheit praktisch identisch nachbilden.

Dabei benötigt eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung nahezu keine Fremdenergie, nachdem analog dem bekannten Stand der Technik nach der bereits genannten DE 196 40 767 A1 das Hydraulikmedium durch die Bremspedalbetätigung selbst durch den Strömungswiderstand hindurch ge fördert wird, ohne daß - wie die bereits genannte DE 198 32 036 A1 zeigt - eine Hydraulikpumpe zum Bereitstellen von Hydraulikdruck erforderlich ist. Wie im vorhergehenden Absatz erläutert wurde, spiegelt eine erfindungsge mäße Betätigungseinrichtung jedoch das jeweilige Bremsverhalten dem Kraftfahrzeug-Führer deutlich besser wieder als die in der erstgenannten Schrift gezeigte Betätigungseinrichtung. Der einzige nennenswerte Energie bedarf einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung entsteht im übrigen beim Einstellen des gewünschten Strömungswiderstandes, so bspw. wenn dieser als ein Elektro-Ventil bzw. ein elektromagnetisch oder elektromoto risch verstellbares Ventil mit stufenlos variablem Durchströmquerschnitt aus gebildet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier lediglich schematisch darge stellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In den beiden bei gefügten Fig. 1, 2 sind dabei gleiche Bauelemente mit den gleichen Be zugsziffern bezeichnet.

Neben einem Bremspedal 1 ist im wesentlichen nur noch ein in seiner Ge samtheit mit der Bezugsziffer 2 bezeichneter hydraulischer Simulator darge stellt, mit Hilfe dessen bei einer Betätigung des Bremspedales 1 gemäß Pfeilrichtung 3 eine geeignete dieser Betätigung entgegengerichtete Reakti ons-Kraft oder Gegen-Kraft erzeugt wird. Selbstverständlich liegt der eigent liche Zweck einer Betätigung dieses Bremspedales 1 jedoch darin, eine nicht dargestellte Bremsanlage eines Kraftfahrzeuges zu betätigen.

Bei dieser nicht dargestellten Bremsanlage eines Kraftfahrzeuges handelt es sich um eine sog. "brake-by-wire"-Bremsanlage, bei welcher in Folge der Betätigung des Bremspedales 1 entsprechende elektronische Signale an eine elektronische Steuereinheit 4 (hier mit ECU = "electronic control unit" bezeichnet) geleitet werden, welche ihrerseits dann einem entsprechenden Rechenprogramm folgend die gewünschte Bremsaktion einleitet, d. h. die Bremsanlage betätigt. Bei dieser kann es sich grundsätzlich um eine elek tromechanische oder um eine elektrohydraulische Bremsanlage handeln.

Wie mittels elektronischer Übertragungsleitungen 5 dargestellt ist, erhält die Steuereinheit 4 die aus einer Betätigung des Bremspedales 1 resultierenden elektronischen Signale von einem Kraftaufnehmer 6 sowie einem Wegauf nehmer 7. Werden die Signale des Wegaufnehmers 7 über der Zeit differen ziert, so erhält man im übrigen die Betätigungs-Geschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit, mit welcher das Bremspedal 1 niedergedrückt wird, wäh rend der Kraftaufnehmer 6 direkt wiedergibt, mit welcher Kraft, d. h. wie in tensiv das Bremspedal 1 gemäß Pfeilrichtung 3 niedergedrückt wird.

Die elektronische Steuereinheit 4 veranlaßt jedoch nicht nur eine Betätigung der Bremsanlage, sondern stellt anhand der am Bremspedal 1 mittels des Kraftaufnehmers 6 sowie des Wegaufnehmers 7 ermittelten Betätigungs signale auch den hydraulischen Simulator 2 solchermaßen ein, daß der je weiligen Betätigungscharakteristik des Bremspedales 1 seitens des Simula tors 2 auch die dementsprechende Reaktions- oder Gegen-Kraft entgegen gesetzt wird. Wesentliche Bestandteile dieses hydraulischen Simulators 2 sind ein Hydraulikzylinder 20, ein darin verschiebbar geführter Stellkolben 21, ein sich über ein Federelement 22 abstützender Simulatorkolben 23, so wie ein zwischen den beiden Kolben 21, 22 vorgesehener variabler Strö mungswiderstand 24.

Im folgenden wird zunächst auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 Be zug genommen: Hier ist wie ersichtlich der Stellkolben 21 starr mit dem Bremspedal 1 verbunden, so daß bei einer Betätigung desselben gemäß Pfeilrichtung 3 der Stellkolben 21 ebenso in Pfeilrichtung 3 im Hydraulikzy linder 20 verschoben wird. Innerhalb dieses Hydraulikzylinders 20 ist dabei der Raum zwischen den beiden Kolben 21 und 22 mit Hydraulikmedium be füllt, d. h. es befindet sich sowohl linksseitig des variablen Strömungswider standes 24 in der sog. Teilkammer 25a, als auch rechtsseitig desselben in der sog. Teilkammer 25b Hydraulikmedium.

Bei einer Betätigung des Bremspedales 1 und einer daraus resultierenden Verschiebebewegung des Stellkolbens 21 gemäß Pfeilrichtung 3 wird somit Hydraulikmedium aus der Teilkammer 25a durch den Strömungswiderstand 24 hindurch in die Teilkammer 25b gefördert. Als Folge hiervon wird auch der Simulatorkolben 23 gegen die Kraft des Federelementes 22 gemäß Pfeil richtung 3 verschoben. Somit resultiert aus einer Betätigung des Bremspe dales 1 eine auf den Stellkolben 21 einwirkende Reaktionskraft bzw. Gegen kraft, die dieser Betätigung entgegenwirkt, und die sich aus zwei Anteilen zusammensetzt, nämlich dem Anteil zur Überwindung des Strömungswider standes 24 sowie dem Anteil zum Komprimieren des Federelementes 22.

Wie bereits erwähnt ist der Strömungswiderstand 24 stufenlos variabel zwi schen zwei Extremwerten einstellbar. Durch Variation des Wertes dieses Strömungswiderstandes 24 ist somit die durch eine Betätigung des Brems pedales 1 hervorgerufene Reaktions- oder Gegenkraft einstellbar. Somit sind also an diesem hydraulischen Simulator 2 unterschiedliche, und wegen der stufenlosen Variabilität des Strömunsgwiderstandes 24 praktisch beliebige Reaktionskräfte erzeugbar.

Bevorzugt ist der variable Strömungswiderstand 24 als Elektro-Ventil mit va riablem Durchströmquerschnitt ausgebildet, wobei dieser Durchströmquer schnitt mittels eines elektrischen Stellmotors 24a gesteuert durch die elek tronische Steuereinheit 4 einstellbar ist. Dies erlaubt es vorteilhafterweise auch, für eine Rückstellbewegung des Bremspedales 1 gegen Pfeilrichtung 3 diesen Strömungswiderstand 24 zu minimieren, so daß diese Rückstellbe wegung bestmöglich alleine durch das Federelement 22 hervorgerufen wird. Wird somit auf das Bremspedal 1 keine weitere Betätigungskraft gemäß Pfeilrichtung 3 ausgeübt, so wird der variable Strömungswiderstand 24 mi nimiert, wonach sich das Federelement 22 zu entspannen trachtet und somit den Simulatorkolben 23 gegen Pfeilrichtung 3 verschiebt. Hierdurch gelangt Hydraulikmedium aus der Teilkammer 25b in die Teilkammer 25a und ver drängt bzw. verschiebt somit den Stellkolben 21 zusammen mit dem Brems pedal 1 gegen Pfeilrichtung 3 zurück in die Ausgangsposition.

Im übrigen ergibt sich hieraus, daß minimal einstellbare Reaktionskraft auf eine Betätigung des Bremspedales 1 hin bei einem Wert des Strömungswi derstandes 24 in der Größenordnung von "Null" durch die Kraft-Kennung des Federelementes 22 bestimmt ist, für welches im übrigen auch ein anderes Kraft- oder Energiespeicherelement zum Einsatz kommen kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist zwischen dem mechanisch an das Bremspedal 1 gekoppelten Stellkolben 21 und dem variablen Strö mungswiderstand 24 ein Zwischenkolben 26 vorgesehen, der üblicherweise bei einer Betätigung des Bremspedales 1 das Hydraulikmedium durch den Strömungswiderstand 24 in Richtung zum Simulatorkolben 23 verdrängt, wobei zwischen dem Stellkolben 21 und dem sich an diesem auch über ein Federelement 27 abstützenden Zwischenkolben 26 ein ebenfalls mit Hy draulikmedium befüllbarer oder auch von diesem entleerbarer Hydraulikraum 28 vorgesehen ist.

Wie bereits erwähnt ist üblicherweise eine Verschiebebewegung des Stell kolbens 21 im wesentlichen starr an eine solche des hier gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zusätzlich vorgesehenen Zwischenkolbens 26 gekoppelt, was daraus resultiert, daß der Hydraulikraum 28 üblicherweise vollständig mit praktisch nicht mehr weiter komprimierbarem Hydraulikmedi um befüllt ist. In diesem Zustand ist die Funktionsweise des hydraulischen Simulators 2 nach Fig. 2 identisch derjenigen des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1.

Nun kann aber bei einer Kfz-Bremsanlage vom Typ "brake-by-wire" eine sog. Rückfallebene erwünscht sein, mit Hilfe derer sichergestellt werden kann, daß auch bei einem Ausfall des elektrischen Systemes noch eine Betäti gung, zumindest Notbetätigung der Bremsanlage möglich ist. Bei einer elek trohydraulischen "brake-by-wire"-Bremsanlage kann diese Notfall- Bremsanlagen-Betätigung dann bevorzugt auf hydraulischem Wege erfol gen. Der entsprechende Betätigungsimpuls muß dann direkt vom Bremspe dal 1 aufgebracht bzw. eingeleitet werden. Dies ist direkt aus dem hydrauli schem Simulator 2 heraus möglich, wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt.

Bei einem Ausfall des elektrischen oder elektronischen Systemes kann au tomatisch sichergestellt werden, daß der variable Strömungswiderstand ma ximiert bzw. sogar geschlossen wird, so daß dann kein Hydraulikmedium von der Teilkammer 25a in die Teilkammer 25b gelangen kann. Dann liegt der Zwischenkolben praktisch unverrückbar im Hydraulikzylinder 20 fest bzw. kann zumindest nicht in Pfeilrichtung 3 verschoben werden.

Wie ersichtlich zweigt vom zwischen dem Zwischenkolben 26 und dem Stell kolben 21 eingeschlossenen Hydraulikraum 28 eine Abfuhrleitung 29 ab, in der ein als Elektromagnetventil ausgebildetes Sperrventil 30 vorgesehen ist. Üblicherweise, d. h. wenn die "brake-by-wire"-Bremsanlage voll funktionsfä hig ist, ist dieses Sperrventil 30 geschlossen (wie figürlich dargestellt). Bei einem Ausfall des elektrischen oder elektronischen Systemes wird dieses Sperrventil 30 jedoch geöffnet. Dann kann bei einer Betätigung des Brems pedales 1 das hierbei im Hydraulikraum 28 komprimierte Hydraulikmedium über die Abfuhrleitung 29 aus dem Hydraulikzylinder abgeführt und unter Druck solchermaßen in die hydraulische Bremsanlage eingeleitet werden, daß hierdurch die Bremsen greifen und somit das Kraftfahrzeug immer noch zum Stillstand gebracht werden kann.

Nach Beendigung dieses Bremsmanövers erfolgt die Rückstellung des Stell kolbens 21 sowie des Bremspedales 1 durch das sich am dann praktisch unverschiebbaren Zwischenkolben 26 abstützende Federelement 27. In Fig. 2 sind im übrigen noch zwei Tankvolumina 31, 32 vorgesehen, aus de nen die Hydraulikkammer 28 bzw. die Teilkammer 25a mit Hydraulikmedium befüllbar ist. Ferner sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen. Stets erhält man eine Betätigungsein richtung für eine Kfz-Bremsanlage vom Typ "brake-by-wire", bei der am Bremspedal 1 ein regelbarer Kraft-Weg-Geschwindigkeitsverlauf realisierbar ist, wobei keine separate Energiezufuhr zur Darstellung dieses geregelten Kraft-Wegverlaufs notwendig ist. Dabei zeichnet sich eine erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung vorteilhafterweise durch geringes Gewicht, wenig Bauraumbedarf und niedrige Herstellkosten aus.

Bezugszeichenliste

1

Bremspedal

2

hydraulischer Simulator

3

Pfeilrichtung: Betätigung von

1

4

elektronische Steuereinheit (ECU)

5

elektronische Übertragungsleitung

6

Kraftaufnehmer

7

Wegaufnehmer

20

Hydraulikzylinder

21

Stellkolben

22

Federelement (allg.: Kraftspeicherelement)

23

Simulatorkolben

24

variabler Strömungswiderstand (insbesondere Elektro-Ventil)

24

a Steilmotor (zur Einstellung von

24

)
25a, b Teilkammer

26

Zwischenkolben

27

Federelement (allg.: Kraftspeicherelement)

28

Hydraulikraum

29

Abfuhrleitung

30

Sperrventil

31

,

32

Tankvolumen

Claims

1. Betätigungseinrichtung für eine Kraftfahrzeug-Bremsanlage vom Typ "brake by wire", bestehend aus einem Bremspedal (1) sowie aus ei nem mit diesem zusammenwirkenden hydraulischen Simulator (2), dessen Simulatorkolben (23) bei einer Druckbetätigung des Bremspe dales (1) hydraulisch über einen variablen Strömungswiderstand (24) gegen die Kraft eines Federelementes (22) vorschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Strömungswiderstand (24) stufenlos variabel zwischen zwei Extremwerten einstellbar ist und durch eine elektronische Steuereinheit (4) unter Berücksichtigung der auf das Bremspedal (1) einwirkenden Betätigungskraft sowie des durch diese Betätigung zurückgelegten Bremspedalweges wie ge wünscht eingestellt wird.

2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Strömungswiderstand (24) als Elektro-Ventil mit variablem Durchströmquerschnitt ausgebildet ist

3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem mechanisch an das Bremspedal (1) gekoppelten Stellkolben (21) und dem variablen Strömungswiderstand (24) ein Zwischenkolben (26) vorgesehen ist, der üblicherweise bei einer Betätigung des Bremspedales (1) das Hy draulikmedium durch den Strömungswiderstand (24) in Richtung zum Simulatorkolben (23) verdrängt, wobei zwischen dem Stellkolben (21) und dem sich an diesem auch über ein Federelement (27) abstützen den Zwischenkolben (26) ein mit Hydraulikmedium befüllbarer oder auch von diesem entleerbarer Hydraulikraum (28) vorgesehen ist.