DE102009031672A1

DE102009031672A1 - Bremssystem mit Zusatzkolben für schaltbares Zusatzvolumen

Info

Publication number: DE102009031672A1
Application number: DE200910031672
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Ipgate AG
Current assignee: Ipgate AG
Priority date: 2009-07-04
Filing date: 2009-07-04
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bremssystem mit einem elektromechanischen Antrieb (104) zur Verstellung mindestens eines Druckkolbens (106b) einer Kolben-Zylinder-Einheit eines Bremskraftverstärkers zum Druckaufbau und Druckabbau in mindestens einer Radbremse (9a, 9d), wobei mittels eines Bremspedals (101) der Druckkolben (106b) bei Ausfall des Antriebs (104) zum Druckaufbau in den Radbremsen (9a, 9d) verstellbar ist, wobei ein von dem Antrieb (104) angetriebener Zusatzkolben (106a) zusätzliches Hydraulikmedium über mindestens ein gesteuertes Ventil (114) wahlweise aus einem Arbeitsraum (130) zum Druckaufbau in mindestens einen Bremskreis (27, 28) einspeist oder in ein Vorratsbehältnis (116) fördert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bremssystem mit einem, insbesondere elektromagnetischen, Antrieb zur Verstellung mindestens eines Druckkolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit eines Bremskraftverstärkers zum Druckaufbau und Druckabbau in mindestens einer Radbremse, wobei mittels eines Bremspedals der Druckkolben bei Ausfall des Antriebs zum Druckaufbau in den Radbremsen verstellbar ist.
Bei neuen Bremssystemen soll der Pedalweg möglichst kurz sein, d. h. das gesamte Bremssystem wird steifer ausgelegt. Eine Vergrößerung des Hauptbremszylinders, z. B. durch größeren Durchmesser, ist nachteilig, da die Pedalkräfte bei Ausfall des Bremskraftverstärkers (BKV) zu groß werden, um die gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen.
Bei Hybridfahrzeugen mit Rekuperation durch das Generatorbremsmoment kann der konventionelle Bremskraftverstärker nicht mehr verwendet werden. Bekanntlich ist es für den Fahrer notwendig, dass Pedalweg und Kraft proportional zum Druck bzw. zur Abbremsung des Fahrzeuges sind. Gelöst wird dies nach dem Stand der Technik durch einen aufwendigen BKV, z. B. mit Pedalwegsimulator oder zusätzlichem Volumenaufnehmer (Kolbenfederspeicher), wie dies aus der DE 10 2007 010 188 und DE 10 2007 030 441 vorbekannt ist. Nachteilig ist, dass diese Lösungen sehr aufwendig sind.
Aus der DE 4423562 ist ein Hauptbremszylinder (HZ) mit Füllstufe vorbekannt. Die Füllstufe wirkt bei diesem Bremssystem nur im unteren Druckbereich. Zudem ist die zusätzliche Füllung beschränkt, da eine größere Füllung die Pedalwegcharakteristik unstetig gestaltet, was wiederum den Fahrer irritiert.
Im Fachbuch Fahrwerktechnik Radschlupf Regelsysteme, 1. Auflage von 1993, ist auf den Seiten 355 bis 360 ein umschaltbarer HZ beschrieben. Hier wird die Druckübersetzung zum zweiten Hinterachsbremskreis über ein Magnetventil variiert. Hier wirkt, z. B. bei ABS und ASR Funktion, ein höherer Druck auf den Hinterachsbremskreis.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bremssystem bereitzustellen, bei dem bei intaktem Bremskraftverstärker ein kurzer Pedalweg möglich ist und gleichzeitig bei Ausfall oder Störung des Bremskraftverstärkers der Fahrer nur geringe Pedalkräfte für eine Bremsung aufbringen muss.
Diese Aufgabe wird mit einem Bremssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bremssystems ergeben sich durch die Merkmale der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen Zusatzkolben zu verwenden, der mit dem Antrieb des Druckstangenkolbens des Hauptbremszylinders des Bremskraftverstärkers gekoppelt ist, vorzugsweise der Spindel eines elektromotorisch angetriebenen Bremskraftverstärkers. Der Zusatzkolben bildet zusammen mit einem Zylinder einen Arbeitsraum, dessen durch den angetriebenen Zusatzkolben verdrängtes Hydraulikvolumen über ein gesteuertes Ventil, insbesondere 3/2-Wege-Magnetventil, in den Druckraum des Druckstangenkolbens oder in eine Hydraulikleitung eines Bremskreises geleitet wird, sofern ein zusätzliches Volumen an Hydraulikmedium für den Bremsvorgang benötigt wird. Die Steuereinrichtung des Bremssystems steuert dabei das gesteuerte Ventil in Abhängigkeit verschiedener Parameter, die nachfolgend noch näher beschrieben werden. In der Ruhestellung des gesteuerten Ventils wird das vom Zusatzkolben verdrängte Volumen in einen Vorratsbehälter geleitet und gelangt somit nicht in den Bremskreis bzw. zu den Radbremsen. Diese Stellung wird vorzugsweise in den nachfolgend aufgezählten Situationen verwendet: 1. bei Ausfall des Bremskraftverstärkers; 2. bei Rekuperation und 3. wenn ein bestimmter Bremsdruck überschritten wird. Im Normalfall, d. h. bei intaktem Bremskraftverstärker, wird bei Betätigung der Bremse über einen Sensor das gesteuerte Ventil umgeschaltet, wodurch das durch den Zusatzkolben geförderte Zusatzvolumen dem Bremskreis zugeführt wird, wodurch sich eine steilere Kennlinie, d. h. ein kürzerer Pedalweg, ergibt. Da der Zusatzkolben erhöhte Betätigungskräfte benötigt, wird dessen Förderung in den Bremskreis bzw. in den Druckraum des Druckstangenkolbens bei einem höheren Druckniveau, z. B. Blockierdruck auf trockener Straße, durch Schalten des gesteuerten Ventils abgeschaltet, so dass bei noch höheren Drucken eine Entlastung des Bremssystems erfolgt. Dies hat jedoch größere Pedalwege zur Folge, die jedoch in der Regel nicht genutzt werden. Bei Ausfall des Bremskraftverstärkers wirkt der Zusatzkolben ebenfalls nicht, so dass, wie vom Gesetzgeber vorgeschrieben, nur kleine Pedalkräfte für das Erreichen des gesetzlich vorgeschriebenen Druckniveaus bzw. der Abbremsung notwendig sind, was insbesondere für schwerere Fahrzeuge von großem Vorteil ist.
Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Bremssystem auch für Hybridfahrzeuge einsetzbar, wobei hier eine variable Pedalcharakteristik durch das wahlweise Zuschalten des vom Zusatzkolben geförderten Zusatzvolumens in den Bremskreis bzw. in den Druckraum des Hauptbremszylinders möglich ist.
Bei Rekuperation sollte der Zusatzkolben zumindest bei einer kleineren Abbremsung nicht wirken, damit der Fahrer bei gleichem Pedalweg und gleicher Kraft nahezu dieselbe Abbremsung erzielt, d. h. die Bremscharakteristik gegenüber einer Bremsung ohne Rekuperation erhalten bleibt.
Der Zusatzkolben kann vorteilhaft zusammen mit dem Druckstangenkolben einen Stufenkolben bilden. Bei dieser Ausführungsform kann vorteilhaft der Zusatzkolben einen größeren Durchmesser aufweisen als der Druckstangenkolben. Der Stufenkolben liegt in einem gemeinsamen Hydraulikzylinder ein, wobei der Arbeitsraum des Zusatzkolbens u. a. durch den Zylinder, den Zusatzkolben und die zylindrische Wandung des Druckstangenkolbens begrenzt ist. Der Stufenkolben kann zudem auch mittels einer Feder einen Schwimmkolben antreiben.
Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Zusatzkolben in einem eigenen Zylinder einliegt, welcher insbesondere parallel zum Hauptbremszylinder angeordnet werden kann. Der Antrieb des Bremskraftverstärkers treibt dabei zusätzlich den Zusatzkolben an. Hierbei ist es möglich, eine Kupplung zwischen Antrieb und Zusatzkolben oder zwischen Druckstange des Druckstangenkolbens und Zusatzkolben vorzusehen, so dass bei Ausfall oder Störung des Antriebs bzw. Bremskraftverstärkers durch Öffnen der Kupplung der Zusatzkolben vom Pedal nicht mit dem Druckstangenkolben mit bewegt wird.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen ist es von Vorteil, wenn der Zusatzkolben in das Zylindergehäuse des Hauptbremszylinders integriert ist. Hierdurch ergibt sich eine kompakte Einheit, die kostengünstig und klein herstellbar ist.
Selbstverständlich ist es auch möglich, bei dem Bremssystem einen Wegsimulator vorzusehen, welcher vom Bremspedal bei dessen Verstellung kraftbeaufschlagt bzw. verstellt wird.
Das erfindungsgemäße Bremssystem weist somit die nachfolgend aufgeführten Vorteile auf:

– sofern das gesteuerte Ventil derart geschaltet ist, dass das vom Zusatzkolben geförderte Volumen lediglich in das Vorratsbehältnis gefördert wird, wie es insbesondere bei Ausfall des Bremskraftverstärkers (BKV) der Fall ist, sind durch den Antrieb oder den Fahrer nur geringe Betätigungskräfte für den erforderlichen Druckaufbau in den Radbremsen aufzubringen;
– bei intaktem Bremskraftverstärker ist eine steifere Pedalkennlinie, d. h. kleinere Pedalwege, durch Zuschalten des vom Zusatzkolben geförderten Zusatzvolumens möglich;
– für Rekuperation mit entsprechendem Generatorbremsmoment kann eine flachere Kennlinie eingestellt werden, damit bei gleichem Pedalweg wie ohne Rekuperation dieselbe Bremswirkung, d. h. Abbremsung, erzielt wird;
– bei gleicher Pedalkraft können durch die variable BKV-Verstärkung mit oder ohne Zuschaltung des Zusatzvolumens des Zusatzkolbens unterschiedliche Druckniveaus im Bremskreis erzielt werden, wodurch beliebig einstellbare Druck-Kennlinien erzielbar sind;
– die Umschaltung des gesteuerten Ventils und somit die Zuschaltung des vom Zusatzkolben geförderten Zusatzvolumens in den Bremskreis kann über den Pedalhub gesteuert werden;
– höhere Sicherheit beim Einsatz in schwereren Fahrzeugen;
– Reduzierung der maximalen Spindelkräfte durch Fördern des Zusatzvolumens in den Vorratsbehälter;
– Baulängenverkürzung durch höhere Pedalübersetzung mit kürzerem Hauptbremszylinderhub;
– einfach und kostengünstig;
– Zusatzkolben kann auch für Funktionen von Assistenzsystemen verwendet werden.

Nachfolgend wird anhand von Zeichnungen das erfindungsgemäße Bremssystem näher erläutert.
Es zeigen:
1: Zwei mögliche Ausführungsformen eines Bremssystems mit einem elektromagnetischen Spindelantrieb zum Verstellen des Druckkolbens des Hauptbremszylinders des Bremskraftverstärkers ohne Zusatzkolben;
2: dritte und vierte mögliche Ausführungsform eines Bremssystems mit einem elektromagnetischen Spindelantrieb zum Verstellen des Druckkolbens des Hauptbremszylinders des Bremskraftverstärkers ohne Zusatzkolben;
3: erfindungsgemäßes Bremssystem mit Zusatzkolben, der zusammen mit dem Druckkolben als Stufenkolben ausgebildet ist;
4: Druck-Kennlinien.
Die 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Bremssystems bestehend aus HZ bzw. THZ 5, EC-Motor mit Stator 11 und Rotor 12, Spindel 13 zum Antrieb des Druckstangenkolbens 24 über den Stößel 21 und einem Drehwinkelgeber 4 zur Positionsbestimmung des Druckstangenkolbens 24 und der Erfassung der Rotorposition bzw. des Kolbenweges.
Erhält der Kolben 24 den Stellbefehl zum Aufbau eines bestimmten Druckes, so erfolgt über die vorher über Kolbenweg und Druckvermessung aufgenommene und in einem Kennfeld gespeicherte Druckvolumenkennlinie die entsprechende Kolbenbewegung über den Drehwinkelgeber 4 mit entsprechendem Druck in den Bremskreisen. Bei vereinfachten Systemen, z. B. ABS, kann auch ein für die Motorsteuerung ohnehin notwendiger Shunt 26 zur Strommessung der Ansteuerung 25 verwendet werden. Bei anschließendem kurzem konstanten Druck, was meistens bei einer Bremsung der Fall ist, erfolgt der Korrelationsvergleich aufgrund neuer Messdaten mit den abgelegten Kennfelddaten. Bei einer Abweichung wird bei späterem Fahrzeugstillstand nochmals einzeln die Druckvolumenkennlinie für jede Radbremse aufgenommen und das Kennfeld korrigiert. Ist die Abweichung nennenswert, z. B. an einem Radzylinder, so erfolgt der Hinweis, die Werkstatt aufzusuchen.
Der im HZ bzw. THZ erzeugte Druck gelangt über die Leitungen 6 und 7 von Druckstangenkolben und Schwimmkolben über die 2/2 Magnetventile 8a bis 8d zu den Radzylindern 9a bis 9d. Hierbei ist die Dimensionierung der Strömungswiderstände für das Multiplexverfahren in den Leitungen und Ventilen von großer Bedeutung. Zudem ist die Abstimmung der Schalt- und Umschaltzeiten entscheidend. Dies ist detailliert in weiteren Anmeldungen des Anmelders beschrieben und im Einzelnen nicht Gegenstand dieser Erfindung.
Bei Betätigung des Bremspedals 16 wirkt dieses über den Pedalstößel 16a auf die Übertragung- bzw. Betätigungseinrichtung 14 und diese auf die Spindel 13. In der unteren Bildhälfte ist ein Leerhub Δs eingezeichnet. Bei Nichtbetätigung des Bremspedals 16 hebt die Feder 17 die Übertragungseinrichtung 14 um den Leerhub Δs von der Spindel 13 ab. Der Leerhub Δs muss bei jeder Bremsung überwunden werden, bis der Bund der Übertragungseinrichtung 14 auf die Spindel 13 trifft. Bei dieser Lösung wirkt der Antrieb (Spindel) über die Übertragungseinrichtung 14 direkt auf das Bremspedal 16, was bei der Druckreduzierung bei ABS und entsprechender schneller Kolbenbewegung durch den Stoß störend wirken kann. Die Bremskraftverstärkung erfolgt hier über einen nicht eingezeichneten Kraftsensor wie er in der DE 10 2004 050 103 beschrieben ist. Die Rückstellfeder 17 zwischen Spindel 13 und Übertragungseinrichtung 14 drückt diese auf einen Anschlag im Gehäuse 15.
Eine erhebliche Minderung des Stoßes wird durch eine Lösung erzielt, wie sie in der oberen Bildhälfte dargestellt ist. Hier wirkt eine starke Druckfeder 20 über eine Scheibe 18 auf die Spindel 13. Aus Montagegründen ist diese Scheibe 18 über einen Sicherungsring 19 fixiert. Die Feder 20 ist linear oder degressiv für eine Pedalkraft oder Stangenkraft bei BKV-Funktion für einen Maximaldruck von z. B. 200 bar ausgelegt und weist einen Federhub von 4–6 mm auf. Die Feder 20 wird proportional zur Stangenkraft ausgelegt und überträgt diese Kraft auf die Spindel 13, auf die außerdem entsprechend der gewählten BKV-Verstärkung die Verstellkraft des Motors 11, 12 wirkt. Beide Kräfte ergeben zusammen die Kraft, die auf den Kolben wirkt. Erfolgt bei Druckabsenkung für die ABS-Regelung eine schnelle Kolbenrückstellung, so wirkt diese über die Feder 20 gedämpft auf das Pedal. Eine 10 bar Druckabsenkung im Regelzyklus entspricht bei einem Mittelklassefahrzeug ca. 0,5 mm ≈ 10% des Federweges.
Damit ist der Pedalhub entsprechend diesem Hub größer als der Kolbenweg. Die Feder 20 kann auch für eine entsprechende Pedalcharakteristik leicht vorgespannt sein. Diese kann zur Bremskraftverstärkung unterschiedliche Hübe verwenden, indem der Druck proportional zum Differenzweg ist. Dieser Weg wird aus den Signalen von Pedalhubsensor 22 und Kolbenweg gewonnen. Der Kolbenweg kann dabei über den Drehwinkelsensor 4 ermittelt werden. Die Bremsdrucksteuerung erfolgt über den Kolbenweg auf Basis der Druckvolumenkennlinie. Die Bremsbetätigungseinrichtung 16, 16a, 14 ist permanent während der Bremsung über die Feder 20 mit dem Antrieb in Kontakt. Entsprechend der gewünschten Verstärkung wird vom Motor über die Spindel 13 die entsprechende Kraft auf den Kolben 24 übertragen, so dass Pedalkraft und Verstärkerkraft die dem Druck proportionale Kolbenkraft ergibt. Die Spindelkraft wird über einen beweglich gelagerten Stößel 21 auf den Druckstangenkolben 24 übertragen. Dabei ist der Stößel 21 sowohl an den Druckstangenkolben 24 als auch an die Spindel 13 gekoppelt, damit hohe Druckgradienten auch bei kleinen Drücken realisiert werden können. Der Stößel hat die Aufgabe, den möglichen Versatz der Spindel 13 und Schlag des Kugelgewindegetriebes nicht auf den Druckstangenkolben 24 zu übertragen. Die Spindel-Momentenabstützung 27 läuft in einer Nut des Gehäuses, vorzugsweise mit guten Gleiteigenschaften, entsprechend dem Kolbenweg. Die Momentenabstützung wird dabei zugleich als Anschlag genützt, da die THZ-Rückstellfedern auf die Spindel 13 wirken und neben der Kolbenrückstellung noch die Aufgabe der Motorrückstellung haben.
Die Kolben- oder Antriebsrückstellung erfolgt über den Motor. Um bei einer fehlerhaften Rückstellung und einem harten Anschlag eine zusätzliche Belastung des Kugelgewindeantriebes zu reduzieren, ist eine Tellerfeder 23 zwischen der Momentenabstützung 27 und dem Kugelgewindeantrieb 28 vorgesehen. Üblicherweise ist die Betätigungseinrichtung gegen Eindringen von Schmutz durch einen elastischen Balg 29 geschützt.
Die 2 zeigt eine dritte und vierte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssystems. Zwischen dem Kolben 24 und der Spindel 13 besteht eine starre Kopplung, indem der Stößel 21 beidseitig als Kugelgelenk ausgebildet ist. Auf der rechten Seite der Spindel wird hier ein entsprechendes Einsatzstück 30 eingeschraubt.
Auf der Seite der Bremsbetätigungseinrichtung 16, 16a, 14 ist die Feder 20 in einer entsprechenden Ausbildung der Pedalübertragungseinrichtung 14 eingelagert, deren Führungssteg 14a den Pedalweggeber 22 betätigt. Die Feder 20 wirkt auf einen Bund 31aeines Lagerteils 31 mit innen liegender Rückstellfeder 17. Dieses Lagerteil ist zusätzlich in einer Bohrung geführt.
Die Übertragungseinrichtung 14 ist zusätzlich als Kolben ausgebildet, der im Gehäuse 15 gelagert und abgedichtet ist. Der Kolbenraum ist über ein Magnetventil 33 und 33a mit dem Vorratsbehälter verbunden. Das Ventil dient zur Pedalwegblockierung mittels der Übertragungseinrichtung 14. Erfolgt eine HZ-Kolbenrückstellung zum Druckabbau, so wirkt diese auf die Feder 20 und nicht auf das Pedal 16, da bei gesperrtem Magnetventil 33, 33a nur eine Bewegung innerhalb der Flüssigkeitskomprimierung erfolgen kann. Der Rücklauf von der Kolbenkammer wird hierfür über das Magnetventil 33 geschlossen. Wenn der Kolbenweg, z. B. bei einem Sprung im Reibbeiwert, größer ist als der Federweg, werden über entsprechende Auswertung des Differenzwegs zwischen Kolbenweg und Pedalweg die Magnetventile 33, 33a geöffnet. In der unteren Bildhälfte wird die Pedalvorwärtsbewegung zum selben Zweck blockiert, indem der Pedalweg nicht mehr erhöht werden kann.
Die 3 zeigt den möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Bremssystems. Das Bremssystem gem. der 3 entspricht von seinen wesentlichen Funktionen den möglichen Bremssystemen, wie sie in den 1 und 2 beschrieben sind. Im Folgenden wird daher nur auf die spezielle Lösung gem. der Erfindung bei der Beschreibung der 3 eingegangen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz der Bremssysteme gem. der 1 und 2 beschränkt. Vielmehr sollen die 1 und 2 nur das generelle Prinzip eines elektromagnetisch angetriebenen Bremskraftverstärkers erläutern.
Ausgehend von den Bremssystemen gem. der 1 und 2 wirkt das Bremspedal 101 über den Pedalstößel 102 über den Antrieb des Kolbens 103, vorzugsweise mittels einer nicht dargestellten Spindel, auf den gestuften Druckstangenkolben 106. Um Querkräfte vom Antrieb auf den gestuften Druckstangenkolben 106 klein zu halten, erfolgt die Kraftübertragung über einen Biegeschaft 105. Der gestufte Druckstangenkolben 106 und der Antrieb 104 sind fest gekoppelt. Die Bremskraftverstärkung erfolgt, bei dem elektr. BKV über den Rotor der über einen vorzugsweise Kugeltrieb auf die Spindel wirkt, wie es beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt und beschrieben ist. Dieser Kugelspindelantrieb ist bei kleinen und kostengünstigen Antrieben begrenzt in der axialen Übertragungskraft. Der Stufenkolben 106 hat die Aufgabe, ein zusätzliches Volumen zu verdrängen, indem bei seiner Bewegung die Schnüffelbohrung 125 bekanntlich hinter die Kolbendichtung gelangt und der Druckraum geschlossen wird. Die Schnüffelbohrungen 125 stehen über eine Nut 126 im Kolben 106 mit dem Arbeitsraum 130 in Verbindung. Die üblichen Primär- 111a und Sekundärdichtungen 111 sind beim Schwimmkolben 109 angeordnet. Bekanntlich wird dieser zu Beginn der Bewegung des Stufenkolbens 106 über die vorgespannte DK-Feder 110 bewegt und später durch den Druck des DK-Kolbens 106. Die SK-Feder 110 übernimmt die Rückstellung beider Kolben 106 und 109 gegen die Reibungskräfte. Die Spindelrückstellung mit Motor kann eine in 2 dargestellte gezeichnete Rückstellfeder 3 übernehmen. Für die Funktion des elektr. BKV und die Druckmodulation sind noch Pedalwegsensor 122 und Drehwinkelsensor 123 notwendig. Der Pedalwegsensor 122 ermittelt die Bewegung des Pedalstößels 102. Der Druckwinkelsensor 123 ermittelt die Lage des in 3 nicht dargestellten Rotors.
Der gestufte Druckstangekolben 106 besteht aus den beiden Kolben 106a und 106b. Der Kolben 106a fungiert als Zusatzkolben. Der Kolben 106b entspricht in seiner Funktion dem Druckstangenkolben 24 gem. der in den 1 und 2 dargestellten und beschriebenen Bremssysteme.
Das vom Stufenkolben 106a aus dem Arbeitsraum 130 über die Hydraulikleitung 115a und ein gesteuertes 3/2-Wege-Magnetventil 114, welches sich in der nicht geschalteten Stellung befindet, geförderte Zusatzvolumen an Hydraulikmedium wird über die Rücklaufleitung 115 in den Vorratsbehälter 116 geleitet und ist somit für den Bremsdruckaufbau nicht wirksam. Diese dargestellte Ventilstellung ist z. B. bei Ausfall des BKV wirksam, mit dem Vorteil, dass infolge des wirksamen kleineren Durchmessers des DK-Kolbens 116b die Pedalkräfte kleiner sind.
Im Normalfall bei intaktem BKV wird zu Bremsbeginn, vorzugsweise über den Pedalwegsensor 122, das 3/2-Wege-Magnetventil 114 umgeschaltet, und das Zusatzvolumen des Stufenkolbens 116a gelangt vom Arbeitsraum 130 in den Bremskreis Nr. 1, welcher mit dem Bezugszeichen 127 bezeichnet ist, was zur Folge hat, dass bei den gewünschten kleineren Pedalwegen der entsprechende Druck aufgebaut wird. Diese Umschaltung kann solange wirken, bis ein Druck von z. B. etwas mehr als 100 bzw. 120 bar im Bremskreis aufgebaut ist. Dieser Druck entspricht in etwa dem Blockierdruck auf trockener Straße, was dem vom Fahrer genutzten Bereich entspricht. Bei höheren Drücken wird wieder in die dargestellte Ausgangsposition des Ventils 114 zurückgeschaltet, was zur Folge hat, dass infolge des kleineren Kolbendurchmessers bei gleichem Druck kleinere Spindelkräfte wirken. Die Umschaltung erfolgt über einen nicht gezeichneten Druckgeber im Bremskreis Nr. 2, welcher mit dem Bezugszeichen 128 bezeichnet ist, oder vorzugsweise über die über den Druckwinkelgeber 123 erfasste Kolbenposition, die proportional zum Druck bzw. Strom ist. Wie bereits zu den 1 und 2 beschrieben, erfolgt in Abständen eine Erfassung der Druckvolumenkennlinie der einzelnen Bremskreise bzw. Radbremsen. Im Normalbetrieb erfolgt die Ein- und Ausschaltung des 3/2 MV 114 bei derselben Kolbenposition. Bei ABS-Betrieb ist es vorteilhaft, die Abschaltposition auf eine kleinere Kolbenposition, z. B. 70%, zu verändern, damit während der Druckmodulation durch die DK-Kolbenbewegung 106 nicht immer eine Umschaltung erforderlich ist. Die Umschaltung hat bei dem Einsatz eines 3/2-Wege-Magnetventils 114 auch zur Folge, dass während der Ventilbewegung ein kleines Volumen aus dem Bremskreis in den Vorratsbehälter abfließt. Dies ist durch den Einsatz von zwei 2/2-Wege-Magnetventilen vermeidbar, wobei dann der Zufluss zum Bremskreis aus dem Stufenkolben und der Abfluss aus dem Bremskreis hin zum Vorratsbehältnis 116 jeweils über ein 2/2-Wege-Magnetventil und somit getrennt erfolgt. Mit dieser Anordnung kann z. B. das bei einem SUV oder Kleintransporter benötigte große Volumen bei kleinen Pedalwegen bereitgestellt werden, ohne dass die Spindelkräfte sehr hoch ausfallen, mit dem bereits erwähnten zusätzlichen Vorteil, dass bei Ausfall des BKV infolge der Wirksamkeit des kleinen Kolbens 106b, z. B. nur bis zu 50% kleinere Pedalkräfte notwendig sind.
Fahrzeuge mit stärkeren Generatoren für die Rekuperation der Bremsenergie, wie dies bei Mild- und Vollhybridfahrzeugen der Fall ist, erfordern spezielle Einrichtungen bei der Bremsdruckerzeugung, wie bereits eingangs zum Stand der Technik erwähnt. Der Fahrer erwartet, dass die Abbremsung proportional zum Pedalweg und Abbremsung ist. Bei der beschriebenen Anordnung ist es möglich, dass bei der Bremsung mit Generatorbremswirkung der Stufenkolben nicht wirkt, also ohne Umschaltung. Hierbei erfolgt ein längerer Pedalweg, da aber die zusätzliche Generatorbremswirkung wirkt, entsteht dieselbe pedalwegabhängige Abbremsung. Gleichzeitig kann die Verstärkung des BKV variiert werden. Bei höheren Abbremsungen, d. h. Pedalwegen, kann dann beliebig umgeschaltet werden und der Stufenkolben fördert entsprechend mehr oder weniger Volumen in den Bremskreis. Diese Abläufe werden in der 4 beschrieben. Damit sind die eingangs beschriebenen Vorteile mit geringem Zusatzaufwand darstellbar.
Nachteilig bei der Lösung ist die größere Baulänge, da der Hub des Stufenkolbens 106 hier eingeht. Aus diesem Grund wurde für den kleineren Durchmesser des Stufenkolbens 106 nur eine Lippendichtung 112b vorgesehen, da im Normalfall gleiche Drücke in den Kolbendruckräumen 130 und 131 vorliegen oder ohne Umschaltung im Druckraum 131 des kleinen Kolbens 106b ein höherer Druck herrscht. Eine Reduzierung des Kolbenweges oder auch der Baulänge kann auch durch eine höhere Pedalübersetzung, allerdings mit notwendigerweise größerem Kolbendurchmesser erreicht werden. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Lösung möglich, da bei Ausfall des BKV mehr Reserve für akzeptable Pedalkräfte vorliegt.
In der oberen Bildhälfte der 3 ist die konventionelle Lösung mit zwei Dichtungen gezeichnet, welche mehr Baulänge und höhere Reibung erfordert. In der unteren Bildhälfte ist der Stufenkolben 106 mit sechs Gleitringen 113 und 113a geführt. Dies hat den Vorteil, dass das Zylindergehäuse 107 aus einem Aluminium mit größerer Bruchdehnung gestaltet werden kann, was vorteilhaft für das Einstemmen und die Integration der Magnetventile des Ventilblocks 118 in das HZ-Gehäuse ist.
In der 3 ist der gestufte DK-Kolben 106 in Tandem Anordnung gezeigt und beschrieben. Möglich ist auch mindestens ein, vorzugsweise aber zwei, nicht dargestellte Zusatzkolben, welche parallel zu den DK- und SK-Kolben 24, 24a, gem. der Ausführungsformen der 1 und 2 angeordnet sind. Diese Zusatzkolben können sowohl mit dem DK-Kolben als auch dem Antrieb bzw. der Spindel gekoppelt sein.
Ein großes Potenzial für die gesamte Funktion hat insbesondere beim elektr. BKV die variable Verstärkung, z. B. bei

– der Rekuperation;
– der ABS Funktion; hier kann der Druck oder die Kolbenposition bei einsetzender ABS-Funktion ausgewertet werden und bei weiterem Verlauf die Verstärkung so verändert werden, damit sich 20% Überschussdruck einstellt;
– Begrenzung des Druckes bei Stillstand des Fahrzeuges zur Entlastung des Bremssystems;
– Erhöhung der Verstärkung bei Bremskreisausfall;
– Reduzierung der Verstärkung nach dem o. g. Umschalten, d. h. wenn das Zusatzvolumen in das Vorratsbehältnis 116 gefördert wird.

Die 4 zeigt verschiedene Druck-Kennlinien als Funktion des Volumens V und des Kolbenwegs S. Kurve B stellt den Verlauf des mittels des DK-Kolbens 106b erzeugten Drucks dar. Kurve C stellt den Verlauf des mittels des Zusatzkolbens 106a erzeugten Drucks dar.
Bei Schaltung des 3/2-Wege-Magnetventils 114 in die in 3 nicht dargestellte Position, wirken beide Volumen zusammen und ergeben Kurve A bzw. A1. Bei II wird das Zusatzvolumen über das Magnetventil 114 abgeschaltet, so dass sich der Kurvenverlauf A2 ergibt. Die Kurve C verläuft nach II konstant. Die Druckerhöhung Δp₂ überträgt sich in Kurve A in Δp₂' und am Ende von A1 in Δp₂''. Ohne Umschaltung, d. h. ohne durch den Zusatzkolben in den Bremskreis gefördertes Zusatzvolumen, wird bei S_max ein um Δp'' kleinerer Druck erreicht. Das Zusatzvolumen kann bei Rekuperation wahlweise z. B. bei I zugeschaltet werden. Mit Rekuperation wird zugunsten des längeren Pedalweges Δ_S mit der Kurve B gestartet und wie bereits beschrieben, über das Bremsmanagement dem Pedalweg das Generatorbremsmoment mit entsprechender Verstärkung zugerechnet, damit der Fahrer die gewohnte Pedalkraft- und -wegabhängige Bremswirkung erfährt. Die Schaltung des Zusatzvolumens wie zu Umschaltpunkt I beschrieben, kann auch während des Pedalhubes beliebig zu- und abgeschaltet werden, so dass Kennlinien zwischen den Kennlinien A und C erzielbar sind.
In der DE 10 2008 051 316 ist ein System beschrieben, in dem über Unterdrucksteuerung ein Bremsbelaglüftspiel des Bremskolbens in der Radbremse erzeugt wird. Hierzu sind zwei Absperrventile zum Vorratsbehälter notwendig. Beim erfindungsgemäßen System genügt nur ein 2/2-Wege-Absperrventil 129 in der Leitung zum Vorratsbehälter 116, da bereits das 3/2-WEge-Magnetventil 114 in der Ruhestellung die Rücklaufleitung absperrt. Dieses Ventil 129 muss ohne Bremsbetätigung in Abständen geschaltet werden, damit ein Druckausgleich zwischen Vorratsbehälter 116 und Bremskreis stattfindet.
Das System ist auch für alle Assistenzfunktionen, z. B. Pre-Crash Bremsung, geeignet, da der elektr. BKV über ein Ansteuersignal einen beliebigen Druck ohne Fahrer einstellen kann. Auch ist es möglich, dass bei einem Crash und entsprechendem Signal der elektr. BKV voll ausgesteuert wird, damit der Abstand von Bremspedal zum Fuß wegen der Intrusionswirkung möglichst groß ist.
Damit wird nahezu die Funktionalität eines Wegsimulatorsystems erreicht bei erheblich geringerem Aufwand. Selbstverständlich ist es dennoch möglich, einen Wegsimulator bei dem erfindungsgemäßen Bremssystem vorzusehen.
Bezugszeichenliste

1: EC-Motor
2: Spindel
3: Spindelrückstellung
4: Drehwinkelgeber (Positionsgeber)
5: HZ bzw. THZ
6: Druckleitung vom Druckstangenkolben
7: Druckleitung vom Schwimmkolben
8a–8d: 2/2 Magnetventile als Schaltventile
9a–9d: Radzylinder
10: Druckgeber
11: Stator
12: Rotor
13: Spindel
14: Übertragungseinrichtung
14a: Führungssteg
15: Gehäuse
15a: Gehäuselager für Übertragungseinrichtung
16: Bremspedal
16a: Pedalstößel
17: Rückstellfeder
18: Scheibe
19: Sicherungsring
20: Druckfeder
20a: Federscheibe
20b: zweite Druckfeder
21: Stößel
21a: Stößelbund
22: Pedalhubsensor
23: Tellerfeder
24: Druckstangenkolben
24a: Schwimmkolben
25: Motoransteuerung
26: Shunt
27: Momentenabstützung
28: Kugelgewindeantrieb
29: Balg
30: Einsatzstück
31: Lagerteil
31a: Bund des Lagerteils
31b: biegeelastischer Stößel
31c: gelenkiger Stößel
32: Bohrung
33/33a: 2/2 Magnetventil
101: Bremspedal
102: Pedalstößel
103: Antriebskolben vorzugsweise Spindelantrieb
104: BKV vorzugsweise E-Motor
105: Biegeschaft
106: gestufter DK-Kolben
106a: Zusatzkolben
106b: DK-Kolben
107: H2-Gehäuse
108: Nut
108a: Nut
109: Schwimmkolben (SK)
110: DK Feder
110a: SK Feder
111: SK Dichtung
111a: SK Dichtung
112: DK Dichtung
112a: DK Dichtung
112b: DK Dichtung
113: Gleitring
113a: Gleitring
114: 3/2 Magnetventil (MV)
115: Rücklaufleitung
115a: Hydraulikleitung
116: Vorratsbehälter
117: Zusatzspeicher alternativ
118: Ventilblock integriert in H2 Gehäuse
119: Bremsleitung zu den Radzylindern
120: EZV
121: Betätigung für Pedalwegsensor
122: Pedalwegsensor
123: Drehwinkelsensor für Motor/Kolbenweg
124: el. Zuleitung
125: Schnüffelbohrungen
126: Nut
127: Bremskreis 1
128: Bremskreis 2
129: 2/2 Absperrventil
130, 131, 132: Arbeitsräume
A: normale steife Pedalweg Kennlinie
A2: steife Kennlinie mit größerem H2 Durchmesser
B: Kennlinie mit kleinem DK, SK Kolben
C: Kennlinie des Zusatzkolbens
S: Kolbenweg
V: Volumen
I: Umschaltpunkt z. B. bei Rekuperation
II: Umschaltpunkt bei Normalbetrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007010188 [0003]
- DE 102007030441 [0003]
- DE 4423562 [0004]
- DE 102004050103 [0025]
- DE 102008051316 [0044]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Fahrwerktechnik Radschlupf Regelsysteme, 1. Auflage von 1993, ist auf den Seiten 355 bis 360 [0005]

Claims

Bremssystem mit einem, insbesondere elektromagnetischen, Antrieb (104) zur Verstellung mindestens eines Druckkolbens (106b) einer Kolben-Zylinder-Einheit eines Bremskraftverstärkers zum Druckaufbau und Druckabbau in mindestens einer Radbremse (9a, 9d), wobei mittels eines Bremspedals (101) der Druckkolben (106b) bei Ausfall des Antriebs (104) zum Druckaufbau in den Radbremsen (9a, 9d) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Antrieb (104) angetriebener Zusatzkolben (106a) zusätzliches Hydraulikmedium über mindestens ein gesteuertes Ventil (114) wahlweise aus einem Arbeitsraum (130) zum Druckaufbau in mindestens einen Bremskreis (27, 28) einspeist oder in ein Vorratsbehältnis (116) fördert.
Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkolben (106a) mit dem Druckkolben (106b) der Kolben-Zylinder-Einheit des Bremskraftverstärkers einen Stufenkolben (106) bildet.
Bremssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzkolben (106a) und Druckkolben (106b) einstückig ausgebildet sind und den Stufenkolben (106) bilden.
Bremssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkolben (106a) einen größeren Durchmesser als der Druckkolben (106b) aufweist.
Bremssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenkolben (106) über eine Druckkolbenfeder (110) mit einem Schwimmkolben in Verbindung ist und diesen antreibt.
Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkolben eine Kolben-Zylinder-Einheit mit dem Arbeitsraum bildet, wobei der Antrieb den Zusatzkolben, insbesondere über einen Mitnehmer oder eine feste Kopplung, antreibt.
Bremssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Antrieb und dem Zusatzkolben oder zwischen dem Druckkolben und dem Zusatzkolben eine Kupplung angeordnet ist, so dass wahlweise oder bei Ausfall des Antriebs eine Trennung des Zusatzkolbens vom Antrieb erfolgt.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb den gestuften Kolben (106), den Zusatzkolben und/oder den Druckkolben mittels einer Spindel verstellt.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall oder Störung des Antriebs (104) das gesteuerte Ventil (114) in eine Stellung, insbesondere mittels einer Feder, verstellt, so dass der Arbeitsraum (130) über das gesteuerte Ventil (114) und Hydraulikleitungen mit dem Vorratsbehältnis (116) verbunden ist.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung das gesteuerte Ventil (114) in Abhängigkeit des Druckniveaus in einem Bremskreis oder den Bremskreisen (27, 28) und/oder in Abhängigkeit von Rekuperation ansteuert.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesteuerte Ventil (114) ein 3/2-Wege-Ventil ist, wobei ein erster Anschluss mittels einer Hydraulikleitung (115a) mit dem Arbeitsraum (130), ein zweiter Anschluss mittels einer Hydraulikleitung (115) mit dem Vorratsbehältnis und ein dritter Anschluss des gesteuerten Ventils mit einer Hydraulikleitung eines Bremskreises oder einem Arbeitsraum (131) des Bremskraftverstärkers in Verbindung sind.
Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gesteuerte Ventile, insbesondere zwei 2/2-Wege-Ventile den Fluss des Hydraulikmediums zwischen Arbeitsraum, Vorratsbehältnis und Bremskreis steuern.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben-Zylinder-Einheit des Zusatzkolbens im Ventilblock des Bremskraftverstärkers angeordnet, insbesondere integriert, ist.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkolben mittels Gleitringen (113, 113a) in einem Zylinder (107) der Kolben-Zylinder-Einheit geführt ist.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absperrventil (129) in der Rücklaufleitung (129a), welche den Arbeitsraum (132) mit dem Vorratsbehältnis (116) verbindet, angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung das Absperrventil (129) und das Ventil (114) in die Absperrstellung verstellt, damit sich bei dem Zurückfahren der Kolben (106, 109) ein Unterdruck zur Erzeugung eines Belaglüftspiels in den Radbremsen (9a, 9d) einstellt.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsraum der Kolben-Zylinder-Einheit mittels einer Hydraulikleitung mit mindestens einer Radbremse verbunden ist, wobei die Hydraulikleitung mittels eines gesteuerten und mindestens einer Radbremse zugeordneten Umschaltventils, insbesondere eines 2/2-Wegeventils, zum Halten des in der mindestens einen Radbremse eingestellten Drucks verschließbar ist.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremspedal auf einen Wegsimulator wirkt, wobei eine Steuereinrichtung den Antrieb und die Umschaltventile der Bremskreise zumindest in Abhängigkeit der Signale des Wegsimulators und des Fahrzustandes ansteuert bzw. regelt.
Verfahren zum Betrieb des Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Zusatzkolben (106a) geförderte zusätzliche Hydraulikmedium zur Erhöhung des Volumenstroms in einen Bremskreis mittels eines gesteuerten Ventils (114) oder einer Ventilkombination zu dem Volumenstrom des Bremskraftverstärkers hinzu geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zu- und Abschaltung des vom Zusatzkolben (106a) erzeugten Volumenstroms in Abhängigkeit zumindest eines der folgenden Parameter „Kolbenposition”, „Druckniveau im Bremskreis”, „Anbremsgeschwindigkeit” und/oder „Einsetzen der ABS-Funktion” erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Werte der einzelnen Parameter für die Zu- und Abschaltung voneinander unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ”Front-Crash-Signal” die Steuereinrichtung das Ventil (114) in die Position verstellt, bei der der Zusatzkolben (106a) in den das Vorratsbehältnis (116) fördert, und der Bremskraftverstärker den Druckkolben (106a) und den Zusatzkolben (106a) mit maximaler Kraft derart antreibt, das die Kolben in Richtung Druckaufbau im Bremskreis verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (114) bei nicht erfolgender Bremsbetätigung von der Steuereinrichtung geschaltet wird, so dass ein Druckausgleich, insbesondere bei einer Türöffnung, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass Assistenzsysteme des Fahrzeugs das Zu- und Abschalten des vom Zusatzkolben geförderten Zusatzvolumens nutzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleicher Pedalkraft durch die variable BKV-Verstärkung, mit oder ohne Zuschaltung des Zusatzvolumens des Zusatzkolbens, unterschiedliche Druckniveaus im Bremskreis eingestellt oder eingeregelt werden, wodurch beliebig einstellbare Druck-Kennlinien einstellbar oder einregelbar sind.