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Eine Betätigung einer Bremsanlage, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, wird üblicherweise mittels eines Bremskraftverstärkers erleichtert, der eine durch einen Fahrer des Kraftfahrzeugs aufgebrachte Bremskraft um einen gewissen Betrag bzw. einen gewissen Faktor erhöht. Die resultierende Bremskraft wird an eine Bremsanlage des Kraftfahrzeugs vermittelt, die daraufhin eines oder mehrere Räder des Kraftfahrzeugs abbremst. Ein verbreiteter Typ von Bremskraftverstärkern arbeitet auf der Basis eines Unterdruckspeichers, der von einem Sauganschluss eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs evakuiert wird, so dass der Unterdruckspeicher Energie zur Verstärkung der Bremskraft bereitstellt.
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Nicht jedes Kraftfahrzeug verfügt über einen Verbrennungsmotor, der zum Evakuieren des Druckspeichers verwendet werden kann. Beispielsweise in Diesel- oder Elektrofahrzeugen behilft man sich gelegentlich damit, stattdessen eine elektrisch betriebene Unterdruckpumpe einzusetzen. Unterdruckspeicher und darauf basierende Bremskraftverstärker sind jedoch sperrig und eine Anordnung des Bremskraftverstärkers bezüglich des Bremssystems ist wenig flexibel.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Bremskraftverstärker bereitzustellen, der einen oder mehrere der genannten Nachteile überwindet. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Bremskraftverstärker mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Bremskraftverstärker für eine mittels Verschiebung eines Betätigungselements betätigbare Bremseinrichtung einen Elektromotor mit einer drehbaren Welle zur Abgabe eines Drehmoments und einen Wandler zur Umsetzung des Drehmoments in eine auf das Betätigungselement wirkende Verschiebekraft. Zu diesem Zweck umfasst der Wandler einen mit der Welle verbundenen Abrollkörper mit einer radialen Außenfläche und ein lateral flexibles Übertragungselement, wobei ein Abschnitt des Übertragungselements an der Außenfläche des Abrollkörpers anliegt und das Übertragungselement dazu eingerichtet ist, die Umsetzung mittels Übertragung von längs des Übertragungselements gerichteten Kräften durchzuführen.
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Durch das lateral flexible aber vorzugsweise longitudinal starre Übertragungselement ist es möglich, eine Einbauposition des Bremskraftverstärkers relativ unabhängig von einer Einbauposition der Bremseinrichtung zu wählen. Darüber hinaus kann die Umsetzung mittels des Übertragungselements derart ausgeführt sein, dass ein Über- oder Untersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung des Abrollkörpers und der Bewegung des Betätigungselements realisiert ist. Ein kostenintensives und gegebenenfalls anfälliges Getriebe des Elektromotors kann auf diese Weise schwächer dimensioniert bzw. ganz weggelassen werden. Die Umsetzung des Drehmoments in die Verschiebekraft mittels des lateral flexiblen Übertragungselements kann einen sehr hohen Wirkungsgrad im Bereich von 95 bis 99% erreichen. Dadurch kann ein Verschleiß des Bremskraftverstärkers minimiert und eine Leistungsanforderung an den Elektromotor verringert sein, so dass der Elektromotor kostengünstig kleiner dimensioniert sein kann.
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Die längs des Übertragungselements verlaufenden Kräfte können im Wesentlichen Zugkräfte sein. Dadurch kann die Verschiebekraft auf einfache Weise in das Betätigungselement eingeleitet werden, wobei gleichzeitig eine fahrergesteuerte Bedienung des Betätigungselements unabhängig von der Funktion des Bremskraftverstärkers (”Durchgriff”) weiter möglich bleibt. Somit können gesetzliche Forderungen nach einer Ausfallsicherheit des Bremskraftverstärkers erfüllt sein.
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Das Übertragungselement kann eines von einem Seil, einer Kette, einem Flachband, einem Bowdenzug oder einem Riemen sein. Diese jeweils lateral flexiblen Übertragungselemente sind in unterschiedlichsten Bauformen in Standardgrößen erhältlich, die dementsprechend kostengünstig sein können. Die Eigenschaften solcher Standardbauteile sind wohlbekannt, so dass der Bremskraftverstärker unter Hinblick auf Herstellungskosten und eine Betriebssicherheit optimiert werden kann.
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Die Länge eines wirksamen Hebelarms zwischen einer Drehachse des Abrollkörpers und dem an der Außenfläche anliegenden Übertragungselement kann von einer Winkelstellung der Welle abhängig sein. Der Abrollkörper kann beispielsweise eine exzentrisch auf der Welle montierte Seiltrommel umfassen. Die Verschiebekraft am Betätigungselement ist damit von einer Winkelstellung des Elektromotors abhängig. So kann beispielsweise eine definierte Progression der Bremskraft über einen Verstellbereich des Elektromotors realisiert sein.
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Der Wandler kann ein weiteres lateral flexibles Übertragungselement umfassen, von dem ein Abschnitt an der Außenfläche des Abrollkörpers anliegt, wobei die mittels der Übertragungselemente auf das Betätigungselement ausübbaren Verschiebekräfte antiparallel zueinander sind. So kann die vom Bremskraftverstärker aufgebrachte Verschiebekraft einer Betätigungskraft des Fahrers entgegenwirken, beispielsweise um dem Fahrer eine Kraftrückmeldung oder eine Aufforderung zum verminderten Bremsen zu geben. Ein Verstärkungsfaktor des Bremskraftverstärkers kann daher kleiner Eins sein.
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Das Übertragungselement kann nach Art eines Flaschenzugs über eine lose Rolle laufen, die mit dem Betätigungselement verbunden ist. Dadurch kann bei Verminderung eines Betätigungsweges die auf das Betätigungselement wirkende Verschiebekraft erhöht sein. In der Folge kann der Elektromotor entsprechend kleiner dimensioniert sein, woraus sich Zuverlässigkeits- und Kostenvorteile ergeben können.
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Die Bremseinrichtung kann einen auf das Betätigungselement wirkenden Fußbremshebel umfassen und das Übertragungselement kann dazu eingerichtet sein, den Fußbremshebel zu betätigen. Eine Hebelüber- bzw. -untersetzung des Fußbremshebels kann somit vorteilhaft für den Bremskraftverstärker ausgenutzt werden. Ein durch die Anordnung des Fußbremshebels bezüglich des Betätigungselements bewirkter Zusammenhang zwischen einer Betätigungskraft des Fußbremshebels und einem Betätigungsweg des Fußbremshebels kann somit auch für einen Zusammenhang zwischen der Verschiebekraft und einem Verschiebeweg des Bremskraftverstärkers gelten. Die Funktion des Bremskraftverstärkers wird somit der durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs bewirkten Funktion angeglichen.
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Der Elektromotor kann ein Untersetzungsgetriebe umfassen. Das vom Elektromotor abgebbare Drehmoment kann dadurch erhöht sein, so dass der Elektromotor entsprechend kleiner dimensioniert sein kann.
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Das Betätigungselement kann einen Druckkolben eines Bremszylinders umfassen. Eine bekannte hydraulisch betätigte Bremsanlage kann somit ohne oder mit nur wenigen Änderungen in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Bremskraftverstärker eingesetzt werden.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, in denen:
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1 einen Bremskraftverstärker an einer Bremsanlage;
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2 den Bremskraftverstärker aus 1 mit Betätigung der Bremsanlage über einen Fußbremshebel;
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3 den Bremskraftverstärker aus 1 mit zwei antiparallel zueinander verlaufenden Übertragungselementen;
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4 den Bremskraftverstärker aus 1 in einer weiteren Ausführungsform; und
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5 den Bremskraftverstärker aus 1 mit einer winkelgesteuerten Übertragungscharakteristik
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Bremskraftverstärker 110 in einer Bremsanlage 100. Die Bremsanlage 100 ist nur ausschnittweise dargestellt; typischerweise handelt es sich um eine Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs 105, insbesondere eines Personenkraftwagens. Die Bremsanlage 100 wird mittels eines Betätigungselements 120 („Stößel”) betätigt, welches in einen Bremszylinder 130 einschiebbar ist. Die dargestellte Ausführungsform mit dem Bremszylinder 130 verwendet eine hydraulische Betätigung von Bremsen. In alternativen Ausführungsformen kann auch eine andere Bremsbetätigung durchgeführt werden, beispielsweise mittels einer Schubstange, so dass der Bremszylinder 130 entfällt.
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Der Bremskraftverstärker 110 umfasst einen elektrischen Antrieb 140 mit einem Schneckengetriebe 150, welches eine Trommel 160 antreibt. Der elektrische Antrieb 140 umfasst einen Elektromotor, der ein Untersetzungsgetriebe umfassen kann, beispielsweise ein Stirnrad- oder Planetengetriebe. Ein Seilzug 170 ist derart teilweise um die Trommel 160 gelegt und an ihr befestigt, dass beim Drehen der Trommel 160 der Seilzug 170 in Abhängigkeit der Drehrichtung des elektrischen Antriebs 140 auf- bzw. abgewickelt wird. Der Seilzug 170 verläuft über ein Umlenkelement 180 zu einer losen Rolle 190, die an dem Betätigungselement 120 angeordnet ist, und von dort zu einem Abschlusselement 185. Das Umlenkelement 180 und das Abschlusselement 185 sind an einer gemeinsamen befestigenden Struktur angebracht, beispielsweise einem Chassis des Kraftfahrzeugs 105. In weiteren Ausführungsformen können auch mehr oder weniger als das eine eingezeichnete Umlenkelement 180 verwendet sein. Der Bremszylinder 130 und der elektrischen Antrieb 140, sowie gegebenenfalls weitere Elemente der Bremsanlage 100, sind mit derselben befestigenden Struktur verbunden.
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Dreht sich der elektrische Antrieb 140, so dass die Trommel 160 den Seilzug 170 aufwickelt, so treibt die lose Rolle 190 das Betätigungselement 120 nach rechts und die Bremsanlage 100 wird betätigt. Die lose Rolle 190 bewirkt dabei, dass eine Zugkraft, die der Seilzug 170 in seiner Längsrichtung überträgt, nur halb so groß ist wie eine von der losen Rolle 190 auf das Betätigungselement 120 ausgeübte, nach rechts wirkende Verschiebekraft. Gleichzeitig ist eine Länge des Seilzugs 170, die während der Betätigung der Bremsanlage 100 auf der Trommel 160 aufgewickelt wird, doppelt so groß wie ein Betätigungsweg des Betätigungselements 120. Durch Vorsehen weiterer loser Rollen 190 am Betätigungselement 120 und gegebenenfalls weiterer Umlenkelemente 180 nach Art eines Flaschenzugs kann das Verhältnis zwischen Zugkraft im Seilzug 170 und Verschiebekraft der losen Rolle 190 bedarfsgerecht gesteuert werden. In einer anderen Ausführungsform kann die lose Rolle 190 auch entfallen und der Seilzug 170 unmittelbar mit dem Betätigungselement 120 statt mit dem Abschlusselement 185 verbunden sein.
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Ein Fußbremshebel 195 wirkt ebenfalls auf das Betätigungselement 120. Betätigt ein Fahrer des Kraftfahrzeugs 105 den Fußbremshebel 195, so bewirkt der Fußbremshebel 195 eine nach rechts gerichtete Kraft auf das Betätigungselement 120, die das Betätigungselement 120 nach rechts bewegt und dadurch die Bremsanlage 100 betätigt.
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Wie durch die gestrichelt eingezeichneten Elemente des elektrischen Antriebs 140, des Schneckengetriebes 150 und eines zusätzlichen Umlenkelements 180 angedeutet ist, kann eine Position derjenigen Elemente, die eine Zugkraft im Seilzug 170 generieren, variiert werden. Entsprechend weitergehender Anforderungen, beispielsweise einem zur Verfügung stehenden Einbauraum, einer bevorzugten Einbauposition oder weiterer Einflussfaktoren kann der Bremskraftverstärker 110 relativ unabhängig von den anderen Elementen der Bremsanlage 100 im Kraftfahrzeug 105 angeordnet sein.
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Das dargestellte Schneckengetriebe 150 ist selbstsperrend, so dass eine im Seilzug 170 bewirkte Zugkraft auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn der elektrische Antrieb 140 nicht angesteuert ist. In weiteren Ausführungsformen kann auch ein anderes oder ein zusätzliches Getriebe am elektrischen Antrieb 140 eingesetzt und gegebenenfalls von ihm umfasst sein, beispielsweise ein Stirnrad- oder ein Planetengetriebe.
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Eine nach rechts gerichtete Verschiebekraft auf das Betätigungselement 120 kann also unabhängig sowohl mittels des Fußbremshebels 195, als auch mittels des Bremskraftverstärkers 110 ausgeübt werden. Der elektrische Antrieb 140 ist im Normalbetrieb derart gesteuert, dass eine fahrergesteuerte Betätigung des Fußbremshebels 195 unterstützt bzw. verstärkt wird. Eine vom Bremskraftverstärker 120 aufgebrachte Betätigungskraft kann bei einem großen Personenkraftwagen bis zu 2 kN betragen. Auch wenn im Bereich des Bremskraftverstärkers 110 ein Defekt vorliegt, so dass der Seilzug 170 nicht gespannt wird, kann der Fußbremshebel 195 zum Betätigen der Bremsanlage 100 verwendet werden.
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Enden des Seilzugs 170 im Bereich des Abschlusselements 185 und im Bereich der Trommel 160 können mit Abschlussnippeln versehen sein, um die Enden des Seilzugs 170 an dem jeweiligen Element zu verankern. Ein solcher Abschlussnippel kann beispielsweise aus Aluminium-Druckguss bestehen und um ein aufgespleißtes Ende des Seilzugs 170 herumgespritzt sein. Der Durchmesser des Umlenkelements 180 und der Durchmesser der losen Rolle 190 sind ausreichend groß gewählt, um einen Verschleiß des Zugseils 170 durch Biegebeanspruchung gering zu halten. Vorzugsweise verfügt die lose Rolle 190 und/oder das Umlenkelement 180 über eine umlaufende Rille im jeweiligen Rollenkörper, so dass eine Kontaktfläche zwischen der Rolle und dem Zugseil 170 maximiert ist.
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2 zeigt den Bremskraftverstärker 110 aus 1 mit Betätigung der Bremsanlage 100 über den Fußbremshebel 195 als Variante zur in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die lose Rolle 190 nicht mit dem Betätigungselement 120, sondern mit dem Fußbremshebel 195 verbunden. Mittels geeigneter Wahl eines Abstandes zwischen der losen Rolle 190 und einem Drehpunkt des Fußbremshebels 195 kann eine Über- oder Untersetzung der Bewegung des Seilzugs 170 gegenüber der Bewegung des Betätigungselements 120 genutzt werden. Insbesondere kann dabei auch das Verhältnis zwischen der Zugkraft im Seilzug 170 zu der auf das Betätigungselement 120 ausgeübten Verschiebekraft beeinflusst werden.
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In einer weiteren, mit gestrichelten Elementen dargestellten Ausführungsform entfällt die lose Rolle 190, und der Seilzug 170 endet am Fußbremshebel 195.
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Wie durch einen gestrichelten Kreis angedeutet ist, kann ein Antriebsaggregat 210 des Bremskraftverstärkers 110, welches die Trommel 160, das Schneckengetriebe 150, den elektrischen Antrieb 140 (nicht dargestellt) und ein Umlenkelement 180 umfasst, relativ unabhängig von den verbleibenden Elementen der Bremsanlage 100 angeordnet sein. Das Antriebsaggregat 210 kann beispielsweise in dem dargestellten Kreis verdreht werden, ohne eine Funktionssicherheit des Bremskraftverstärkers 110 bzw. der Bremsanlage 100 zu gefährden. Beim Verdrehen des Antriebsaggregats 210 muss gegebenenfalls ein Längenausgleich des Seilzugs 170 durchgeführt werden, beispielsweise durch Auf- bzw. Abwickeln auf bzw. von der Trommel 160.
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In weiteren Ausführungsformen kann als Übertragungselement zwischen der Trommel 160 und dem Betätigungselement 120 anstelle des Seilzugs 170 auch eine Kette, ein Flachband, ein Bowdenzug, ein Riemen oder ein ähnliches Bauelement verwendet werden, welches dazu geeignet ist, wenigstens teilweise auf die Trommel 160 aufgewickelt zu werden und Kräfte, die längs des Übertragungselements wirken, zu übertragen.
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3 zeigt den Bremskraftverstärker 110 aus 1 mit zwei antiparallel zueinander verlaufenden Seilzügen 170. Die Seilzüge 170 sind in unterschiedlichen Drehrichtungen jeweils teilweise auf der Trommel 160 aufgewickelt. Verbleibende Abschnitte der Seilzüge 170 verlaufen in entgegengesetzte Richtungen über zwei Umlenkelemente 180 und von dort zu einem Einleitungselement 310, welches mit dem Betätigungselement 120 starr verbunden ist. Je nach Drehrichtung der Trommel 160 wird das Einleitungselement 310, und damit das Betätigungselement 120, nach rechts oder links verfahren. Durch die starre Verbindung des Einleitungselements 310 mit dem Betätigungselement 120 kann der Bremskraftverstärker 110 auch einer mittels des Fußbremspedals 195 auf das Betätigungselement 120 bewirkten Kraft entgegenwirken. Dadurch kann eine fahrergesteuerte Bremsenbetätigung abgemildert werden und/oder dem Fahrer über den Fußbremshebel 195 eine haptische Rückmeldung beispielsweise bei Einsatz eines Antiblockiersystems (ABS) gegeben werden. Allerdings ist in der dargestellten Ausführungsform, insbesondere bei Einsatz des nicht dargestellten, selbstsperrenden Schneckengetriebes 150 aus 1, eine Betätigung der Bremsanlage 100 bei nicht funktionierendem elektrischem Antrieb 140 eventuell nur noch eingeschränkt möglich. Ein Ausfall des elektrischen Antriebs 140 bewirkt, dass die Bremskraftverstärkung ausfällt. Das Fahrzeug bleibt aber durch Betätigung mittels des Fußhebels 195 bremsbar. Sollte der elektrische Antrieb 140 im betätigten Zustand ausfallen, muss auf andere Weise, beispielsweise mittels ABS-Ventilen einer nachgeschalteten hydraulischen Übermittlung der Bremskraft, die bereits erfolgte Bremsbetätigung gelöst werden. Danach ist eine eingeschränkte Bremsfunktion über einen verbleibenden Restweg des Betätigungselements 120 verfügbar.
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4 zeigt den Bremskraftverstärker 110 in einer weiteren Ausführungsform. Hier wird anstelle des Zugseils 170 ein Flachband 410 verwendet, welches auch in Schubrichtung zumindest begrenzte Kräfte übertragen kann. Ein Abschnitt des Flachbandes 410 ist auf die Trommel 160 aufgewickelt. Von dort ist das Flachband 410 zum Umlenkelement 180 und weiter parallel zum Betätigungselement 120 zu einem Einleitungselement 310 am Betätigungselement 120 geführt. Zumindest ein Teil des auf die Trommel 160 aufgewickelten Abschnitts des Flachbandes 410 wird von einem Führungselement 420 an der Trommel 160 gehalten.
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Dreht sich die Trommel 160 gegen den Uhrzeigersinn, wie durch den eingezeichneten Pfeil angedeutet ist, so wird auf das Flachband 410 eine Zugkraft ausgeübt, die das Flachband 410 in eine Verschiebekraft am Einleitungselement 310 umwandelt, so dass das Betätigungselement 120 nach rechts geschoben und die Bremsanlage 110 betätigt wird. Dreht sich die Trommel 160 hingegen im Uhrzeigersinn, so überträgt das Flachband 410 eine Schubkraft auf das Einleitungselement 310, die einer fahrergesteuerten, mittels des Fußbremshebels 195 eingebrachten Betätigungskraft entgegenwirkt.
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Dabei kann das Flachband 410 nur wesentlich geringere Schubkräfte als Zugkräfte übertragen. Übersteigt eine in das Flachband 410 eingeleitete Schubkraft ein gewisses Maß, so wölbt sich das Flachband 410 im Bereich zwischen dem Umlenkelement 180 und dem Einleitungselement 310 nach oben, so dass keine nennenswerte Verschiebekraft mehr in das Betätigungselement 120 eingebracht wird. Auf diese Weise kann die oben mit Bezug auf 3 beschriebene haptische Rückmeldung an den Fahrer des Kraftfahrzeugs 105 realisiert sein, wobei trotzdem noch eine vom Bremskraftverstärker 110 unabhängige Betätigung der Bremsanlage 100 mittels des Fußbremshebels 195 erhalten bleibt.
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5 zeigt einen Bremskraftverstärker 110 mit einer winkelgesteuerten Übertragungscharakteristik. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Trommel 160 durch eine Kurvenscheibe 510 ersetzt. Das Grundprinzip der oben beschriebenen Ausführungsformen bleibt erhalten, indem die Kurvenscheibe 510 im Uhrzeigersinn gedreht wird, um eine Zugkraft auf den Seilzug 170 auszuüben und eine nach rechts wirkende Verschiebekraft mittels des Einleitungselements 310 auf das Betätigungselement 120 auszuüben, so dass die Bremsanlage 100 betätigt wird.
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Je nach Winkelstellung der Kurvenscheibe 510 ist ein wirksamer Radius, der sich als Abstand zwischen dem Drehpunkt der Kurvenscheibe und dem Punkt des Seilzugs 170, an dem dieser die Kurvenscheibe 510 verlässt, ergibt, unterschiedlich groß. In der dargestellten Ausführungsform sinkt dieser wirksame Radius mit zunehmendem Drehwinkel im Uhrzeigersinn ausgehend von der dargestellten Position an. Das vom elektrischen Antrieb 140 (nicht dargestellt) an die Kurvenscheibe 510 abgegebene Drehmoment entspricht dem Produkt aus dem beschriebenen wirksamen Radius und der Zugkraft im Seilzug 170. Durch Verändern des wirksamen Radius in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Kurvenscheibe 510 ergibt sich ein vorbestimmter Zusammenhang zwischen der Winkelstellung des elektrischen Antriebs 140 und der auf das Betätigungselement 120 ausgeübten Verschiebekraft. Auf diese Weise kann ein Verlauf der auf das Betätigungselement 120 ausgeübten Verschiebekraft über den Verschiebeweg des Betätigungselementes 120 gezielt beeinflusst werden, beispielsweise um die Bremskraftverstärkung bei einer starken fahrergesteuerten Betätigung des Betätigungselementes 120 entsprechend zu steigern.
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In der dargestellten Ausführungsform ist bei unbetätigter Bremse (Position A) und damit geringer auf den Fußhebel 195 wirkenden Gegenkraft bei relativ großem wirksamen Radius der Kurvenscheibe 510 eine schnelle Bewegung des Betätigungselements 120 möglich. Die damit verbundene relativ geringe Betätigungskraft reicht aus, um bei gegebenem Abtriebsmoment des elektrischen Antriebs 140 eine ausreichende Betätigungskraft auf das Betätigungselement 120 auszuüben.
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Bei teilweise betätigter Bremse (Position B) ist die erreichbare Betätigungskraft bei gleichem Abtriebsmoment des elektrischen Antriebs 140 durch den relativ kleinen wirksamen Radius an der Kurvenscheibe 510 höher. Damit kann der elektrische Antrieb 140 insgesamt kleiner dimensioniert werden, wobei die verminderte Betätigungsgeschwindigkeit für die Betätigung ausreicht.
