DE102009043186A1

DE102009043186A1 - Kombinierte, elektromechanisch sowie hydraulisch betätigbare Fahrzeugbremsanlage und Betriebsverfahren dazu

Info

Publication number: DE102009043186A1
Application number: DE102009043186A
Authority: DE
Inventors: Kai-Jochen Braun; Jan Hoffmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2009-09-26
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kombiniertes, elektromechanisch sowie hydraulisch betätigbares Parkbremssystem 1 umfassend mehrere kombinierte Bremssättel 2, 3. Ausgehend von bekannten kombinierten Bremssätteln 2, 3 mit integriertem, elektromechanischen Antriebsstrang 21 besteht die Aufgabe den Aufwand für ein hydraulisch und elektromechanisch betätigbares, im Fahrzeug vernetztes, Parkbremssystem 1 zu senken, und die Systemfunktionalität bei hoher Verfügbarkeit, hohem Wirkungsgrad sowie kleinem Bauraumbedarf zu steigern. Wesentlich ist ein elektronisch gesteuertes Aggregat 18 umfassend eine Elektronikeinheit 17 und eine Hydraulikeinheit 19 aufweisend ein Motor-Pumpen-Aggregat zur hydraulischen Energieversorgung der Bremssättel 2, 3, das mit den Bremssätteln 2, 3 hydraulisch verbunden ist, und wobei die hydraulisch betätigbaren Bremssättel 2, 3 hydraulisch durch das Aggregat 18 betätigbar und elektromechanisch verriegelbar sind, wobei die Elektronikeinheit 17 zur elektromechanischen Betätigung elektrisch mit dem elektromechanischen Antriebsstrang 21 verbunden ist, und dass der Antriebsstrang 21 ein mehrstufiges Schneckengetriebe und einen nachgeschalteten Wandler 23 zur Wandlung einer Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Betätigungsbewegung aufweist, und wobei der Antriebsstrang 21 derart ausgelegt ist, dass Selbsthemmung außerhalb des Wandlers 23, jedoch innerhalb des Untersetzungsgetriebes 22 vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte, elektromechanisch und hydraulisch betätigbare Fahrzeugbremse und ein Betriebsverfahren dazu.
Aus der DE 100 10 735 A1 geht ein mehrkreisiges, elektronisch regelbares Betriebsbremsbetätigungssystem und ein zugehöriges Betätigungsverfahren hervor. Dabei sind je paarweise an der Vorderachse elektrohydraulische Bremsen und an der Hinterachse des Fahrzeugs elektromechanische Bremsen als Betriebsbremsen vorgesehen. Während die elektrohydraulische Bremse eine elektronische Betätigungsvorrichtung mit elektronischer Signalübertragung sowie eine hydraulische Energieübertragung auf die Radbremsen aufweist, verfügt die elektromechanische Bremse über vollständig elektrische oder elektronische Signal- und Energieübertragungswege. Beide elektromechanischen Radbremsen verfügen über eigene Radrechnermodule, die vorzugsweise redundant vorgesehen sind. Im Grundsatz ist jedoch eine einzige elektronische Steuereinheit ausreichend. In Hinblick auf eine Feststellfunktion wird ausgesagt, dass die elektromechanischen Sättel der Hinterachse als Kombisättel ausgebildet sein können, die sowohl die Betriebsbremsfunktion, als auch eine Feststellbremsfunktion wahrnehmen können. Bei einer Störung oder einem Ausfall der elektromechanischen Bremsen der Hinterachse werden die betreffenden Bremsen abgeschaltet, wobei eine Bremsfunktion künftig durch die Bremsen der Vorderachse übernommen wird. Wie eine defekte Feststellbremsfunktion anhand der Vorderachsbremsen genau kompensiert wird, ist der DE 100 10 735 A1 nicht zu entnehmen, und auch die genaue Aktuatorkonstruktion ist nicht offenbart.
Bei einem bereits in Serie gefertigten Bremssystem mit hydraulisch sowie elektromechanisch betätigbaren Hinterachs-Bremsen vom Kombisatteltyp ist zusätzlich zum elektronischen Stabilitätsprogramm – und dem zugehörigen ESC-Steuergerät (ESC-ECU) – eine gesonderte EPB-Steuerelektronik (EPB-ECU) für die Versorgung und Regelung von zwei elektromechanischen Aktuatoren vorgesehen. Die EPB-Steuerelektronik ist gesondert im Kraftfahrzeugs platziert, und kommuniziert als Sekundärsystem mit insgesamt neun weiteren Steuergeräten, wie insbesondere dem ESC-Steuergerät. Jeder Aktuator verfügt über einen Motor, welcher über ein Untersetzungsgetriebe (1. Getriebestufe-Zahnriemengetriebe, 2. Getriebestufe-Taumelscheibengetriebe) und einen Gewindespindel-Mutter-Trieb, der Selbsthemmung, sowie Wandlung der rotatorischen Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Abtriebsbewegung auf einen Hydraulikkolben bewirkt.
Die grundsätzliche Funktion ist üblicherweise so, dass das EPB-Steuergerät einen Feststellbremsbetätigungswunsch einliest und die elektromechanischen Aktuatoren (EPB-Aktuatoren) – die üblicherweise als reversierbare elektrische Getriebemotoren ausgebildet sind – unabhängig voneinander in Abhängigkeit des Fahrerwunsches versorgt, also entweder im Sinne einer Feststellbremswirkung betätigt oder löst.
Das bekannte Bremssystem verursacht sowohl bei einem Bremssystemhersteller als auch bei einem Kraftfahrzeughersteller einen hohen Aufwand. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass die gesonderte Hardware hergestellt, montiert und schließlich in einem Kraftfahrzeug so installiert werden muss, dass diese als Sekundärsystem mit den weiteren Steuergeräten kommunizieren kann, und auch elektrisch versorgt wird. Dies verursacht insbesondere einen erheblichen Verkabelungs- und Konfigurationsaufwand beim Fahrzeughersteller.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand für ein vernetztes hydraulisch und elektromechanisch betätigbares Parkbremssystem zu senken, und die Systemfunktionalität bei hoher Verfügbarkeit, hohem Wirkungsgrad sowie kleinem Bauraumbedarf zu steigern.
Die Aufgabe wird durch ein integriertes System mit den Merkmalen vom Patentanspruch 1 gelöst. Sowohl für die Betriebs- als auch die Feststellbremsfunktionen ist ein einziges, integriertes Steuergerät (ESC-ECU) vorgesehen, das geeignet ist, eine Betriebsbremsfunktion sowie eine hydraulische, als auch eine elektromechanische Spannkrafterzeugung in einer Park-/Feststellbremsfunktion zu managen. Der elektromechanische Antriebsstrang ist so ausgelegt dass Selbsthemmung außerhalb eines Kugelgewindetriebs in einer Getriebestufe vorliegt. Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung anhand der Zeichnung hervor.
In der Zeichnung zeigt:
1 ein Systemschaltbild
2 eine dreidimensionale Darstellung einer Fahrzeugbremse mit hydraulisch betätigbarer Betriebsbremse und elektromechanisch betätigbarer Feststellbremse;
3 eine Explosionsdarstellung der in 2 dargestellten Fahrzeugbremse,
4 eine Explosionsdarstellung eines Untersetzungsgetriebe, das in 2 und 3 prinzipiell dargestellt ist, und
5 eine Prinzipskizze zur Spannkraftsumierung.
Das in 1 gezeigte Parkbremssystem 1 für ein Kraftfahrzeug verfügt über mehrere kombinierte Bremssättel 2, 3 mit Bremsgehäusen 4, 5 (Bremssättel, die jeweils wenigstens einen hydraulischen Kolben 6 entlang einer Kolbenlängsachse 7 verschiebbar aufnehmen, um eine hydraulische Betriebsbremsfunktion wahrzunehmen, indem wenigstens eine Bremsscheibe 8, 9 zwischen wenigstens zwei Reibbelägen 10, 11; 12, 13 eingespannt wird. Dabei ist das Bremsgehäuse 4, 5 faustartig auf einer Innenseite als Bremszylinder ausgebildet, und wobei zwischen einem Boden vom Kolben 6 und dem Bremszylinder ein Betriebsdruckraum ausgebildet ist, der zur Durchführung der Betriebsbremsungen mit Bremsflüssigkeit versorgt werden kann, so dass sich ein Bremsdruck aufbaut, der den Kolben 6 axial entlang seiner Kolbenlängsachse 7 zur Bremsscheibe 8, 9 hin verschiebt. Dadurch werden die dem Kolben 6 zugewandten Reibbeläge 11, 13 gegen die Bremsscheibe 8, 9 gedrückt, wobei sich bei Faustsätteln als Reaktion das Bremsgehäuse 4, 5 in eine entgegen gesetzte Richtung verschiebt und dadurch auch den anderen Reibbelag 10, 12 gegen die Bremsscheibe 8, 9 drückt.
Eine weiterhin vorgesehene, sattelintegrierte, elektromechanische Feststellbremsvorrichtung 14, 15 ist anhand von einem Bedienelement 16 betätigbar. Das Bedienelement ist zu diesem Zweck elektrisch mit einer Elektronikeinheit 17 (EPB+ESC-ECU) von einem elektronisch gesteuerten Aggregat 18, umfassend die Elektronikeinheit 17 und eine Hydraulikeinheit 19 (HCU), verbunden, um Zuspann- oder Lösevorgänge durchzuführen. Die elektromechanische Feststellbremsvorrichtung 14, 15 wirkt letztendlich auf den hydraulischen Kolben 6. Die gesamte mechanische Anbindung und Abstimmung ist entsprechend 5 so abgestimmt, dass am hydraulischen Kolben 6 eine Spannkraftsummierung oder Addition eintritt, wobei sich hydraulisch und elektromechanisch erzeugte Spannkraftanteile prinzipiell addieren. Der Vorteil dieser Bauweise besteht darin, dass sämtliche ohnehin vorgesehenen Aggregate, die einen Beitrag zur Spannkrafterzeugung liefern können, also auch die Bauteile und Energieerzeugungsvorrichtungen einer Betriebsbremsanlage, in die Feststell-Spannkrafterzeugung eingebunden sind. Mit anderen Worten wird die Beanspruchung stets auf mehrere – insbesondere auf zwei – Subsysteme der Fahrzeugbremsanlage verteilt, mit dem Vorteil, dass die Einzelbelastung des einzelnen Subsystems maßgeblich verringert ist. Dadurch wird insbesondere eine günstigere, insbesondere eine verringerte, Baugröße der elektromechanischen Feststellbremsvorrichtungen 14, 15 ermöglicht, was besonders vorteilhaft ist, weil diese im bauraumkritischen Radbereich angesiedelt sind. Durch diese Vorgehensweise wird weiterhin eine gesonderte EPB-ECU, welche der Stand der Technik erfordert, rationalisiert.
Nachstehend wird insbesondere der Aufbau der Bremssättel 2, 3 gemäß den 2–4 näher erläutert. Jede elektromechanische Feststellbremsvorrichtung 14, 15 verfügt über einen elektromotorischen/elektromechanischen Antrieb 20 umfassend einen elektromechanischen Antriebsstrang 21 mit einem mehrstufigen Untersetzungsgetriebe 22 das zwei Schneckengetriebestufen sowie einen kolbenseitigen Wandler 23 zur Wandlung einer rotatorischen Drehantriebsbewegung in die translatorische Betätigungsbewegung entlang der Kolbenlängsachse 7 umfasst. Der Wandler 23 ist als reibungsarmer Kugelgewindetrieb mit einer Gewindespindel 24 und mit einer Gewindemutter 25 ausgebildet, wobei Wälzkörper/Kugeln zwischen Gewindespindel 24 und Gewindemutter 25 vorgesehen sind, was besonders hohe Wirkungsgrade im Vergleich mit wälzkörperfreien Wandlern 23 ermöglicht.
Ein Schaft ist mit der Gewindespindel 24 verbunden und ragt auf einer Seite, welche Bremsscheibe 8, 9 abgewandt ist, aus dem Bremsgehäuse 4, 5 heraus. Die Gewindespindel 24 wird dadurch unter Zwischenschaltung des Untersetzungsgetriebes 22 motorisch reversierbar angetrieben, um Zuspann- und Lösebewegungen auszuführen. In diesem Zusammenhang wird eine, durch die Gewindespindel 24 ausgeführte, Rotationsbewegung auf die im Gewindegang platzierten Wälzkörper/Kugeln übertragen. Weil die Gewindemutter 25 drehfest im Bremsgehäuse 4, 5 angeordnet ist, lassen die im Kraftfluss vorgesehenen Wälzkörper ausschließlich eine translatorische Betätigungsbewegung der Gewindemutter 25 zu. Der Kolben 6 wird translatorisch betätigt, weil er an der Gewindemutter 22 abgestützt ist. Andererseits stützt sich die Gewindespindel 24 über einen, mit der Gewindespindel 24 verbundenen Kragen und ein erstes Axiallager, am Bremsgehäuse 4, 5 ab. Dadurch untersetzt und wandelt das Untersetzungsgetriebe 22 eine schnelle rotatorische Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Betätigungsbewegung und dient der Generierung des Anteils der elektromechanisch erzeugten Zuspannkraft Fem zwecks Durchführung eines Park-/Feststellbremsvorganges.
Die elektro-mechanische Verriegelung erfolgt außerhalb vom Wandler 23 anhand der Getriebestufen des Untersetzungsgetriebes 22. Mit Vorteil findet die Selbsthemmung in der zweiten Schneckengetriebestufe statt. Dadurch wird es ermöglicht, dass der elektromechanische Antriebsstrang 21 im Falle einer Parkbremsbetätigung zunächst lastfrei eine zuvor mittels hydraulischer Vorspannung erzielte Parkbremskraft aus einer Ruheposition heraus nahezu kraftlos anfährt, um nach Kraftschluss zwischen Gewindemutter 25 und Kolben 6 einen im Vergleich zum hydraulischen Spannkraftanteil Fhy bevorzugt verringert dimensionierten elektromechanischen Spannkraftanteil Fem additiv aufzubringen. Das Gesamtsystem ist so ausgelegt, dass die zusätzliche elektromechanische Spannkraft Fem zumindest in besonders kritischen Fällen (Anhängerbetrieb, erhöhte Neigung) grundsätzlich nicht ausreicht, um die notwendige, geforderte, Parkbremskraft/Zuspannkraft vollständig elektromechanisch – also ohne hydraulische Unterstützung – zu erzeugen.
Aufgrund der selbsthemmenden Bauart des Untersetzungsgetriebes 22 wird es jedoch ermöglicht, die Summenparkbremskraft FΣSp im stromlosen Zustand des Antriebsstranges 21 und ohne weitere hydraulische Unterstützung oder elektrische Bestromung/Blockierung des Antriebs 20 im Antriebsstrang 21 der sattelintegrierten elektromechanischen Feststellbremsvorrichtung 14, 15 zu halten, und das Fahrzeug dadurch abgesichert und gemäß der gesetzlichen Forderung zu parken.
Wesentliche Vorteile des Systems resultieren aus einem hochwirksamen Antriebsstrang 21, der selbsthemmend innerhalb insbesondere einer ersten Stufe des Untersetzungsgetriebes 22 ausgeführt ist, und wobei eine hydraulische Unterstützung zur Erzeugung eines maßgeblichen Kraftanteils Fhy der erforderlichen Parkbremskraft FΣSp ermöglicht ist. Daraus resultiert wiederum der Vorteil, die elektromechanische Feststellbremsvorrichtung 14, 15 verkleinert und mit verringerter Masse auszulegen, was insbesondere ungedämpften Massen am Rad vorteilhaft beeinflusst.
Während ein Parkbremsbetätigungsprozess primär zeitlich gestaffelt mit vorausgehender hydraulischem Spannkraftaufbau und nachfolgendem elektromechanischen Spannkraftaufbau erfolgt, wird das Lösen des Parkbremssystems 1 primär ohne hydraulische Pumpenunterstützung alleine durch elektromechanische Betätigung erzielt, wobei flankierend oder als erste Eilmaßnahme nach einem Lösebefehl der hydraulische Druck aus dem Betriebsdruckraum abgelassen werden kann, indem je ein stromlos geschlossenes SG-Ventil, welches jeweils jedem Bremssattel 2, 3 zugeordnet ist, geöffnet wird, und der Druck in einen Niederdruckspeicher abgelassen werden kann.

1: Parkbremssystem
2: Bremssattel
3: Bremssattel
4: Bremsgehäuse
5: Bremsgehäuse
6: Kolben
7: Kolbenlängsachse
8: Bremsscheibe
9: Bremsscheibe
10: Reibbelag
11: Reibbelag
12: Reibbelag
13: Reibbelag
14: Feststellbremsvorrichtung
15: Feststellbremsvorrichtung
16: Bedienelement
17: Elektronikeinheit
18: Aggregat
19: Hydraulikeinheit
20: Antrieb
21: Antriebsstrang
22: Untersetzungsgetriebe
23: Wandler
24: Gewindespindel
25: Gewindemutter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10010735 A1 [0002, 0002]

Claims

Kombiniertes, elektromechanisch sowie hydraulisch betätigbares Parkbremssystem (1) umfassend mehrere kombinierte Bremssättel (2, 3) aufweisend Bremsgehäuse (4, 5) für eine Betriebs- und eine Parkbremsfunktion, jeweils aufweisend wenigstens einen hydraulischen Kolben (6) und einen integrierten elektromechanischen Antriebsstrang (21) umfassend einen elektromechanischen Antrieb (20) und ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe (22), sowie umfassend ein elektronisch gesteuertes Aggregat (18) umfassend eine Elektronikeinheit (17, EPB+ESC-ECU) und eine Hydraulikeinheit (19, HCU) aufweisend ein Motor-Pumpen-Aggregat zur hydraulischen Energieversorgung der Bremssättel (2, 3), das mit den Bremssätteln (2, 3) hydraulisch verbunden ist, und wobei die hydraulisch betätigbaren Bremssättel (2, 3) hydraulisch durch das Aggregat (18) betätigbar und elektro-mechanisch verriegelbar sind, wobei die Elektronikeinheit (17) zur elektromechanischen Betätigung elektrisch mit dem Antriebsstrang (21) verbunden ist, und dass der Antriebsstrang (21) ein mehrstufiges Schneckengetriebe und einen nachgeschalteten Wandler (23) zur Wandlung einer Antriebsdrehbewegung in eine translatorische Betätigungsbewegung aufweist, und wobei der Antriebsstrang (21) derart ausgelegt ist, dass Selbsthemmung außerhalb des Wandlers (23), jedoch innerhalb des Untersetzungsgetriebes (22), vorgesehen ist.
Kombiniertes, elektromechanisch sowie hydraulisch betätigbares Parkbremssystem (1) umfassend mehrere kombinierte Bremssättel (2, 3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (21) einen reibungsarmen Kugelgewindetrieb aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines kombinierten, elektromechanisch sowie hydraulisch betätigbaren Parkbremssystems (1), insbesondere mit den Merkmalen von Patentanspruch 1, umfassend mehrere kombinierte Bremssättel (2, 3), die Bremsgehäuse (4, 5) für eine Betriebs- und eine Parkbremsfunktion aufweisen, mit wenigstens einem hydraulischen Kolben (6) und einem integrierten elektromechanischen Antriebsstrang (21) umfassend einen elektromechanischen Antrieb (20) und ein mehrstufiges Untersetzungsgetriebe (22), sowie umfassend ein elektronisch gesteuertes Aggregat (18) umfassend eine Elektronikeinheit (17, EPB+ESC-ECU) und eine Hydraulikeinheit (19, HCU) aufweisend ein Motor-Pumpen-Aggregat zur hydraulischen Energieversorgung der Bremssättel (2, 3), das mit den kombinierten Bremssätteln (2, 3) hydraulisch verbunden ist, und wobei die hydraulisch betätigbaren Bremssättel (2, 3) mittels hydraulischer Unterstützung – insbesondere durch das Aggregat (18) -vorspannbar und elektromechanisch verriegelbar sind, und wobei die Elektronikeinheit (17) zur elektromechanischen Betätigung elektrisch mit dem elektromechanischen Antriebsstrang (21) verbunden ist, wobei im Anschluss an eine Parkbremsbetätigung, zur Durchführung eines Feststellbremsvorgangs, durch die Elektronikeinheit (17) eine Ansteuerung des Aggregats (18) sowie des elektromechanischen Antriebsstrangs (21) derart erfolgt, dass sich eine Summenparkbremskraft (FΣSp) additiv aus einem elektromechanischen Kraftanteil (Fem) und aus einem hydraulischen Kraftanteil (Fhy) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (17) die elektromechanische Erzeugung eines Kraftanteils (Fem) zeitlich nach Erzeugung eines hydraulischen Kraftanteils (Fhy) initiiert, und wobei der hydraulische Kraftanteil (Fhy) manuell durch einen Fahrzeugführer infolge Betätigung eines Bremspedals, oder durch die Elektronikeinheit (17) eingesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (17) für eine günstige, kleine Gestaltung der Bauteile des Antriebsstrangs (21) derart ausgelegt ist, dass der hydraulische Kraftanteil (Fhy) im Vergleich mit dem elektromechanischen Kraftanteil (Fem), jeweils bezogen auf die erzeugte Summenparkbremskraft (FΣSp), überwiegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (17) die Erzeugung des hydraulischen Kraftanteils (Fhy) und die Erzeugung des elektromechanischen Kraftanteils (Fem) zeitgleich einsteuert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Löseprozess, im Anschluss an die Parkbremsbetätigung, elektromechanisch durch den Antriebsstrang (21) vorgenommen wird.