DE10110836A1 - Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge

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Abstract

Bei einer Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge, die ein Betätigungspedal aufweist, das über einen Übertragungsmechanismus zwecks Erzeugung einer über dem Weg des Betätigungspedals progressiv wachsenden Rückstellkraft (F) mit einem elastischen Element zusammenwirkt, weist das elastische Element zumindest eine Elastomer-Torsionsfeder (1) auf, die durch das Betätigungspedal (4) betätigbar ist und die so ausgebildet sind, daß sie das progressive Anwachsen der Rückstellkraft (F) über dem Weg, insbesondere über dem Drehwinkel (beta), des Betätigungspedals (4) gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge, die ein Betätigungspedal aufweist, das über einen Übertragungsmechanismus zwecks Erzeugung einer über dem Weg des Betätigungspedals progressiv wachsenden Rückstellkraft mit einem elastischen Element zusammenwirkt.
Unter dem Begriff "Betätigungseinrichtung für Bremssysteme" sind hier die Teile eines Bremssystems zu verstehen, die die Wirkung dieses Bremssystems einleiten oder steuern.
Es sind Bremssysteme bekannt, bei denen die zur Erzeugung der Bremskraft benötigte Energie zumindest während des normalen Betriebes ausschließlich von einer oder mehreren "fremden" Energieversorgungseinrichtungen das bedeutet ausgenommen der physischen Kraft des Fahrers, bereitgestellt wird (Fremdkraft-Bremsanlage). Die dem Verzögerungswunsch des Fahrers entsprechenden Pedalstellungen des Betätigungspedals werden in elektronische Signale umgesetzt und ausgewertet und hydraulisch oder elektrisch betriebenen Aktuatoren werden entsprechend gesteuert (elektrisch betätigbare Fahrzeugbremse, "Brake-by-wire-System"). Das Betätigungsgefühl für das Premspedal muß hier mit Hilfe eines "Pedalwegsimulators" simuliert werden. Zu derartigen Fremdkraft-Bremsanlagen gehört auch die sog. "elektromechanische Bremse (EMB)", bei der die Radbremsen des Fahrzeugs direkt auf elektromechanischen Weg, insbesondere mittels eines Elektromotors, betätigbar sind.
Bekannte Pedalwegsimulatoren weisen einen hydraulischen Simulatorspeicher mit einem darin befindlichen Simulatorkolben auf, der mit dem Betätigungspedal betätigbar ist und mittels einer Simulatorfeder vorgespannt wird. Es ist bekannt, eine besondere Simulatorfederanordnung oder Simulatorfederkennlinie zu verwenden, um eine komfortable und dosierbare Betätigungscharakteristik für das Bremspedal zu erzielen. Dabei wird insbesondere eine progressive Pedalcharakteristik angestrebt, um ein Pedalgefühl zu ermöglichen, das der menschlichen Ergonomie optimal entspricht.
Aus der EP 0 708 006 A1 ist ein Bremspedal mit einem Pedalwegsimulator bekannt, bei dem ein für den Fahrer komfortables Pedalgefühl und eine progressive Rückstellkraft mit Hilfe einer Federanordnung erzielt wird, die Federn mit unterschiedlicher Kraft-Weg-Kennlinie oder mit einer progressiven Kennlinie in Kombination mit einem Dämpfungselement aufweist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge, insbesondere für eine elektronisch regelbare Fahrzeugbremse, zu schaffen, welche die Realisierung einer progressiven Pedalcharakteristik auf technisch einfache und damit kostengünstige Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nach der Erfindung besteht das elastische Element im wesentlichen aus mindestens einer Elastomer- Torsionsfeder, die durch das Betätigungspedal betätigbar ist und die so ausgebildet sind, daß sie das progressive Anwachsen der Rückstellkraft (F) über dem Weg, insbesondere über dem Drehwinkel (β), des Betätigungspedals gewährleistet. Daß bedeutet, durch die Elastomer-Torsionsfeder wird dem Betätigungspedal eine Progression in dessen Kraft-Weg- Kennlinie aufgeprägt. Mit dem Drehwinkel (β) ist hier der Winkel gemeint, den ein insbesondere drehbar gelagertes Betätigungspedal aus seiner Ruheposition oder Ausgangsposition zurückgelegt hat.
Wesentlich für die Erfindung ist es, daß die Elastomer- Torsionsfeder eine zumindest annähernd progressive Kraft-Weg- oder Kraft-Drehwinkel-Charakteristik aufweist. Die Verwendung einer Elastomer-Torsionsfeder mit progressiver Kennlinie weist den Vorteil auf, daß dieses Elastomer-Federelement gegenüber einer Feder aus metallischen Werkstoff technisch einfacher und kostengünstiger ist. Metallische, nichtlineare Federn sind aufwendiger in der Herstellung und darüber hinaus führen eventuelle Fertigungstoleranzen zu Abweichungen von der gewünschten Feder-Kennlinie.
Die Elastomer-Torsionsfeder wird bei der Betätigung des Betätigungspedals im wesentlichen auf Drehschub beansprucht. Sie kann beispielsweise als eine Scheibenfeder oder Hülsenfeder realisiert werden. Dazu sind entsprechende Übertragungselemente zwischen dem Betätigungspedal und der Elastomer-Torsionsfeder vorgesehen, die so ausgewählt und ausgestaltet sind, daß sie aufgrund ihres Zusammenwirkens mit dem Betätigungspedal die Elastomer-Torsionsfeder auf Drehschub beanspruchen und so eine Progression der Pedalrückstellkraft erzielen.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Elastomer- Torsionsfeder im wesentlichen aus Naturkautschuk (Gummi) und/oder einer oder mehreren Kunstkautschuk-Sorten besteht und gegebenenfalls zusätzlich Metallelemente aufweist.
Mittels der zusätzlichen Metallelemente, die vorteilhaft bei der Vulkanisation innig mit dem Gummi verbunden werden, kann an den Metallflächen eine gute Kraftübertragung gewährleistet werden. Derartige Federelemente sind auch als "Gummi-Metall- Elemente" bekannt.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kraft-Weg- Kennlinie, die das progressive Anwachsen der Rückstellkraft (F) über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals charakterisiert, einstellbar ist, insbesondere durch Einstellung einer bestimmten Vorspannung der Elastomer- Torsionsfeder. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, zur Einstellung ein Gehäuse oder Gehäuseteil, das die Elastomer-Torsionsfeder zumindest teilweise aufnimmt und/oder abstützt, beispielsweise mittels eines Elektromotors zu verstellen.
Es ist vorteilhaft, durch eine entsprechende Ausgestaltung, beispielsweise durch einen "Leerweg" eine Bewegungsmöglichkeit des Betätigungspedals vor dem Erreichen der progressiven Charakteristik der Pedalbetätigung vorzusehen, um die sog. "Springerfunktion" der bekannten Vakuumbremskraftverstärker (Booster) nachzubilden und dem Fahrer ein "gewohntes" Pedalgefühl zu vermitteln.
Erfindungsgemäß weist daß die Kraft-Weg-Kennlinie daher zumindest zwei Bereiche (A und B bis D) auf, einen ersten Bereich (A), bei dem die Rückstellkraft (F) von der Ausgangsposition oder Grundstellung an über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals in etwa gleich bleibt, d. h. höchstens relativ gering anwächst, und einen zweiten Bereich (B bis D), bei dem die Rückstellkraft (F) über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals relativ stark anwächst mit einer progressiven Kraft-Weg-Kennlinie. Vorzugsweise weist der zweite Bereich (B bis D) zumindest drei Teilbereiche (B, C, D) auf, einen Niederdruckbereich (B), einen Mitteldruckbereich (C) und einen Enddruckbereich (D).
Nach der Erfindung weisen die Elastomer-Torsionsfeder und das Betätigungspedal und gegebenenfalls die Übertragungselemente eine gemeinsame Drehachse auf. Die Drehachse verläuft dabei im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsrichtung des Betätigungspedals. Mit dem Begriff "Drehachse" ist die Drehachse eines einer Trittplatte des Betätigungspedals zugeordneten Hebelarms gemeint. Der Hebelarm, die Übertragungselemente und die Elastomer-Torsionsfeder sind über die Drehachse an einem dem Betätigungspedal zugeordneten Gestell oder Gehäuse fest angelenkt (fester Drehpunkt).
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Elastomer- Torsionsfeder vorgespannt wird. Dabei bewirkt die Elastomer- Torsionsfeder ein Rückstellen des Betätigungspedals in eine Ausgangsposition.
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung bei einer fremdkraftbetätigten, elektronisch regelbaren Fahrzeugbremse, insbesondere einer Brake-by-wire- Fahrzeugbremse und besondere bevorzugt bei einer elektromechanischen Bremse (EMB), eingesetzt.
Zur Bestimmung des Betätigungsgrads bzw. des Wegs des Betätigungspedals kann vorteilhaft an einem Gelenke des Bettätigungspedals ein Drehwinkel und/oder eine Gelenkkraft mit Hilfe geeigneter Sensoren erfaßt und ausgewertet werden. Alternativ zu einem Drehwinkel können auch Abstände ausgewählter Punkte auf den drehbar gelagerten Elementen des Bettätigungspedals und dem Betätigungspedalbock erfaßt werden.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von mehreren Abbildungen (Fig. 1 bis Fig. 4) beispielhaft näher erläutert werden.
Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Betätigungseinrichtung mit einem an dem Betätigungspedal angeordneten Schwingenelement als ersten Hebelarm und einem mit dem elastischen Element in Verbindung stehenden Kurbelelement (zweiter Hebelarm) und einem Koppelelement (dritter Hebelarm) in der ersten Endstellung.
In der Fig. 1 sind Kraft-Weg-Kennlinien für die Pedalbetätigung der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Betätigungseinrichtung mit einer Elastomer-Torsionsfeder.
Die Fig. 3 zeigt die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform in einer ersten seitlichen Ansicht.
In der Fig. 4 ist die in der Fig. 2 dargestellte Ausführungsform in einer zweiten seitlichen Ansicht dargestellt.
In der Fig. 1 ist eine Kennlinie für die Pedalbetätigung (Kraft-Weg-Kennlinie) der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung in einer Darstellung der Pedalkraft (F) über den Drehwinkel (β) dargestellt. Die Kennlinie der Betätigungseinrichtung ist stufenlos oder in Stufen einstellbar. Als Beispiel sind drei Kennlinien (1, 2, 3) in Fig. 1 gezeigt, wobei die Kennlinien 1 und 3 hier die beiden Endstellungen des Verstellbereichs zeigen und die Kennlinie 2 eine zwischen den Andstellungen angeordnete Stellung mit einer "mittleren" Kennlinie.
Bei der Ruheposition des Pedals (β = β0) ergibt sich eine Betätigungskraft F gleich (F0(1), F0(2), F0(3)). Es genügt zunächst eine sehr kleine Pedalkraft, um das Betätigungspedal zu bewegen. Anschließend steigt die Betätigungskraft (F) progressiv mit dem Drehwinkel (β) an. Der erste Bereich kleiner Betätigungskraft A und dessen Anwachsen ist für die Kennlinie 1 in Fig. 1 dargestellt. Das progressive Anwachsen der Betätigungskraft (F) mit dem Drehwinkel (β) ist in drei Bereiche (B, C, D) aufteilbar (siehe Kennlinie 1). Der Bereich B kennzeichnet den Übergangsbereich zwischen dem Bereich A, bei dem die Betätigungskraft F in etwa gleich bleibt (F0(1)) und dem daran anschließenden Bereich mit progressiver Kennlinie. Bereich C zeigt das progressive Anwachsen der Betätigungskraft F, die schließlich im Bereich D sehr groß wird und womit schließlich die Endstellung der Pedalbewegung erreicht wird (maximale Pedalkraft (Fmax(1)) zum Erreichen des maximalen Pedal-Drehwinkels βmax(1)).
Die in der Fig. 2 dargestellte Betätigungseinrichtung weist eine ringförmige Gummi-Torsionsfeder 1 auf, die durch ringförmige bzw. zylinderförmige Übertragungselemente 2,15, die mit einer Drehachse 3 verbunden sind, durch das Betätigungspedal 4 betätigbar ist. Dazu ist die Drehachse 3 mit einem Hebelarm 5 des Betätigungspedal 4 verbunden. Die Drehachse 3 ist in einem Lagerelement 27 an einem Gestell oder Pedalbock 6 drehbar gelagert. Das durch die Drehbewegung des Betätigungspedals 4 ausgeübte Drehmoment wird mit einer Drehbewegung der Drehachse 3 über erste flügelförmige Kontaktelemente 7 des ersten Übertragungselements 2 auf nasenförmige Kontaktelemente 8 der Gummi-Torsionsfeder 1 übertragen. Ferner ist ein erstes im wesentlichen ringförmiges Abstützelement 9 vorgesehen, der erste flügelförmige Stützelemente 10 aufweist, die auf der den ersten flügelförmigen Kontaktelementen 7 gegenüberliegenden Seite an den nasenförmigen Kontaktelementen 8 der Gummi- Torsionsfeder 1 formschlüssig anliegen. Das erste Abstützelement 9 dient dazu, den Bereich "B" der Kennlinie zu erzeugen und liegt dafür kraftschlüssig an der inneren Ringfläche 11 der Gummi-Torsionsfeder 1 an. Die Gummi- Torsionsfeder 1 selbst ist in einem topfförmigen Gehäuseelement 12 kraftschlüssig gehalten.
Die Drehachse 3 ist hier stufenförmig ausgebildet, mit einer ersten Stufe 13 und einer zweiten Stufe 14, die den Übergang zum Bereich der Drehachse 3 bildet, an welchem das erste Übertragungselement 2 angeordnet ist. Die erste Stufe 13 bildet einen Übergang zu einem durchmessergrößeren ersten Abschnitt der Drehachse 3, an welchem ein zweites Übertragungselement 15 angeordnet ist. Das durch die Drehbewegung des Betätigungspedals 4 ausgeübte Drehmoment wird mit einer Drehbewegung der Drehachse 3 über zweite flügelförmige Kontaktelemente 16 des zweiten Übertragungselements 15 auf Anschlagelemente 17 übertragen. Ferner ist ein zweites Abstützelement 18 vorgesehen, das zweite flügelförmige Stützelemente 19 aufweist, die auf der den ersten flügelförmigen Kontaktelementen 16 gegenüberliegenden Seite an den Anschlagelementen 17 formschlüssig anliegen. Das zweite Abstützelement 18 dient dazu, den Bereich "D" der Kennlinie zu erzeugen. Ferner ist ein Motor 22 angeordnet, mit welchem das Gehäuseelement 12 und das zweite Abstützelement 18 über eine erstes und zweites exzentrisches Einstellelement 23, 24 über dessen Abtriebsachse 25 bewegbar ist.
In den Fig. 3 und 4 ist die in der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung in einer Draufsicht (Schnitt F in Fig. 3 und Schnitt E in Fig. 4) dargestellt. Dieselben Elemente wie in der Fig. 2 sind hier auch mit dem gleichen Bezugszeichen dargestellt und bedürfen keiner erneuten Erklärung. Das Betätigungspedal 4 ist hier in einer Ausgangsstellung, der Ruheposition gezeigt, da keine Betätigungskraft vorliegt.
Wird das Pedal nur um den Winkel A betätigt, genügt eine sehr kleine Betätigungskraft (siehe Fig. 1), denn in diesem Bereich besteht noch ein leerer Raum zwischen den ersten flügelförmigen Kontaktelementen 7 des ersten Übertragungselements 2 und den nasenförmigen Kontaktelementen 8 der Gummi-Torsionsfeder 1 (siehe Fig. 4). Wird der Betätigungsweg größer und der Winkel A überwunden, dann kommen die flügelförmigen Kontaktelemente 7 des ersten Übertragungselements 2 an den nasenförmigen Kontaktelementen 8 der Gummi-Torsionsfeder 1 zum Anliegen. Nun wird bei einer weiterer Betätigung durch die Gummi-Torsionsfeder 1 eine mit zunehmendem Betätigungswinkel (β) größer werdende Kraft erzeugt. Das bedeutet, bei einem nur relativ geringen Weg des Betätigungspedals 4 muß nur eine relativ geringe Kraft aufgewendet werden, aber diese aufzuwendende Kraft wird um so höher, je größer der Weg des Betätigungspedals 4 aus der hier dargestellten Ruheposition ist. Diese progressive Kraft-Weg- Kennlinie wird im wesentlichen dadurch erzielt, daß die Verformungskräfte der Gummi-Torsionsfeder 1 mit größer werdender Verformung ansteigen.
Bei einem größeren Winkel, wenn die Pedalstellung das Ende des Bereichs C erreicht, kommen auch die zweiten flügelförmigen Kontaktelemente 16 des zweiten Übertragungselements 15 mit den Anschlagelementen 17 in Kontakt, wodurch die aufzuwendende Kraft für eine weitere Betätigung stark ansteigt (siehe Fig. 3). Dazu bestehen die Anschlagelemente zumindest teilweise aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus Gummi. Für den progressiven Anstieg der Kraft sind in den Anschlagelementen 17 in etwa halbkreisförmige Ausnehmungen angebracht, wodurch bei einer Betätigung des Pedal eine zunehmend größere Kraft aufzuwenden ist, um das Pedal zu betätigen. Die aufzuwendende Kraft steigt stark an, bis eine Endstellung, das bedeutet ein voll betätigter Zustand des Pedals, erreicht wird (Ende des Bereichs D). Bei der maximal von einem Fahrer aufgebrachten Betätigungskraft kann nicht weiter um die Drehachse 3 gedreht werden, der Weg des Betätigungspedals bleibt auf diese Auslenkung im Grundsatz begrenzt. Damit hat der Pedalweg sein Maximum erreicht.
Mittels des Motors 22 kann eine Einstellung der Kraft-Weg- Kennlinie erfolgen, indem die Leerwege bis zum Anschlag der Kontaktelemente an den Abstützelementen verändert werden. In einer ersten Position (Kennlinie 3 in Fig. 1), die dadurch eingestellt wird, daß das Gehäuseelement 12 und das zweite Abstützelement 18 durch den Motor 22 nach links verdreht werden, ist das Pedalgefühl "weich" in dem Sinne, daß bereits eine relativ kleine Kraft einen relativ großen Pedalweg bewirkt. Bei der durch die Kennlinie 2 in der Fig. 1 charakterisierten mittleren Stellung bildet sich eine größere Kraft, welche der Betätigung des Betätigungspedals entgegensteht. Das Pedalgefühl ist dadurch "härter". Dies wird erzielt, indem das Gehäuseelement 12 und das zweite Abstützelement 18 in eine Mittelstellung gebracht werden. Bei der in der Fig. 1, Kennlinie 1 dargestellten Endposition der Einstellung der Kennlinie, bewirkt die Federkraft, das die dem Betätigungspedal entgegenstehende Kraft maximal ist, woraus ein "sehr hartes" Pedalgefühl resultiert. Dies wird erreicht, indem das Gehäuseelement 12 und das zweite Abstützelement 18 nach rechts im Uhrzeigersinn verdreht werden.
Für viele Anwendungsfälle im praktischen Einsatz kann so ein mit einer ausreichenden Variationsbreite zwischen der "weichen" und der "sehr harten" Stellung eine individuelle, für den jeweiligen Fahrer optimale Pedal-Kennlinie eingestellt werden, die seinem Gewohnheiten oder speziellen Wünschen entspricht.

Claims (10)

1. Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem für Kraftfahrzeuge, die ein Betätigungspedal aufweist, das über einen Übertragungsmechanismus zwecks Erzeugung einer über dem Weg des Betätigungspedals progressiv wachsenden Rückstellkraft mit einem elastischen Element zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element im wesentlichen aus mindestens einer Elastomer- Torsionsfeder(1) besteht, die durch das Betätigungspedal (4) betätigbar ist und die so ausgebildet sind, daß sie das progressive Anwachsen der Rückstellkraft (F) über dem Weg, insbesondere über dem Drehwinkel (β), des Betätigungspedals (4) gewährleistet.
2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer- Torsionsfeder (1) im wesentlichen aus Naturkautschuk (Gummi) und/oder einer oder mehreren Kunstkautschuk- Sorten besteht und gegebenenfalls zusätzlich; Metallelemente aufweist.
3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft-Weg-Kennlinie, die das progressive Anwachsen der Rückstellkraft (F) über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals (4) charakterisiert, einstellbar ist, insbesondere durch Einstellung einer bestimmten Vorspannung der Elastomer-Torsionsfeder (1).
4. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft-Weg-Kennlinie zumindest zwei Bereiche (A und B bis D) aufweist, einen ersten Bereich (A), bei dem die Rückstellkraft (F) über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals in etwa gleich bleibt, d. h. höchstens relativ gering anwächst, und einen zweiten Bereich (B bis D), bei dem die Rückstellkraft (F) über dem Drehwinkel (β) des Betätigungspedals relativ stark anwächst.
5. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (B bis D) zumindest drei Teilbereiche (B, C, D) aufweist, einen Niederdruckbereich (B), einen Mitteldruckbereich (C) und einen Enddruckbereich (D).
6. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer- Torsionsfeder (1) und das Betätigungspedal (4) eine gemeinsame Drehachse aufweisen.
7. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer- Torsionsfeder (1) vorgespannt ist und ein Rückstellen des Betätigungspedals (4) in eine Ausgangsposition bewirkt.
8. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer- Torsionsfeder (1) vorgespannt ist und ein Rückstellen des Betätigungspedals (4) in eine Ausgangsposition bewirkt.
9. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer- Torsionsfeder (1) vorgespannt ist und ein Rückstellen des Betätigungspedals (4) in eine Ausgangsposition bewirkt.
10. Brake-by-wire-Fahrzeugbremse, insbesondere elektromechanische Bremse (EMB), gekennzeichnet durch eine Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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