DE102011114708A1

DE102011114708A1 - Hauptbremszylinder mit verbessertem Druckabbauverhalten

Info

Publication number: DE102011114708A1
Application number: DE102011114708A
Authority: DE
Inventors: David Lopéz Larequi
Original assignee: Lucas Automotive GmbH
Current assignee: ZF Active Safety GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hauptbremszylinder (10) für eine Fahrzeugbremsanlage, mit einem Gehäuse (12), einer in dem Gehäuse (12) ausgebildeten Bohrung (14) mit einer Längsachse (A), in der wenigstens ein Druckkolben (16) mit einer Erstreckung (L) entlang der Längsachse (A) zur Begrenzung einer Druckkammer (22) für Hydraulikfluid längs der Achse (A) verschiebbar geführt ist, einer Ringnut (56) in dem Gehäuse (12), und einem in der Ringnut (56) angeordneten ringförmigen Dichtelement (52) zur Abdichtung der Druckkammer (22) bezüglich des Druckkolbens (16). Zur Verbesserung des Druckabbauverhaltens weist der Druckkolben (16) auf einem ersten Abschnitt (A1) seiner Längserstreckung (L), der in einer unbetätigten Ausgangsstellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen ersten Außendurchmesser (D1) auf, auf einem sich an den ersten Abschnitt (A1) anschließenden zweiten Abschnitt (A2), der in einer ersten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen zweiten Außendurchmesser (D2), der kleiner als der erste Außendurchmesser (D1) ist, und auf einem sich an den zweiten Abschnitt (A2) anschließenden dritten Abschnitt (A3), der in einer zweiten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen dritten Außendurchmesser (D3), der größer als der zweite Außendurchmesser (D2) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hauptbremszylinder für eine Fahrzeugbremsanlage, mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse ausgebildeten Bohrung mit einer Längsachse, in der wenigstens ein Druckkolben mit einer Erstreckung entlang der Längsachse zur Begrenzung einer Druckkammer für Hydraulikfluid längs der Achse verschiebbar geführt ist, einer Ringnut in dem Gehäuse, und einem in der Ringnut angeordneten ringförmigen Dichtelement zur Abdichtung der Druckkammer bezüglich des Druckkolbens. Ein solcher Hauptzylinder ist beispielsweise aus der US 2004/0144248 A1 bekannt.
In einem unbetätigten Ausgangszustand des Hauptbremszylinders befindet sich der üblicherweise zur Druckkammer hin hohl ausgebildete Druckkolben in einer Stellung, in der die Druckkammer durch eine beispielsweise in der Kolbenwand ausgebildete, sogenannte Nachlauföffnung in flüssigkeitsleitender Verbindung mit einem Vorratsbehälter für Hydraulikfluid steht. In diesem Ausgangszustand kann somit ein Druckausgleich zwischen dem üblicherweise unter Atmosphärendruck stehenden Vorratsbehälter und der Druckkammer stattfinden und es kann, falls erforderlich, Hydraulikfluid aus dem Vorratsbehälter in die Druckkammer nachlaufen. Wird der Hauptbremszylinder zum Bremsdruckaufbau betätigt, verschiebt sich der Druckkolben in die Bohrung hinein, wodurch sich gleichzeitig die in der Kolbenwand ausgebildete Nachlauföffnung unter das Dichtelement bewegt und somit die flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen der Druckkammer und dem Vorratsbehälter für Hydraulikfluid unterbrochen wird, um einen Druckaufbau in der Druckkammer zu ermöglichen.
Bei heutigen Fahrzeugbremsanlagen ist zwischen dem Hauptbremszylinder und der bzw. den Radbremsen häufig eine Schlupfregeleinheit angeordnet, etwa eine ABS-Anlage, eine Antriebsschlupfregelung und/oder ein Fahrdynamikregelungssystem, dessen Regelventile Engstellen für das Hydraulikfluid darstellen und somit die Hydraulikfluiddurchflussraten begrenzen. Die genannten Engstellen bestimmen maßgeblich, welche Druckauf- und Druckabbauraten im gesamten Bremssystem möglich sind.
Bei einem abrupten Lösen des Fahrzeugbremspedals (oder eines anderen den Hauptzylinder betätigenden Organs) nach einem Bremsvorgang kann es deshalb dazu kommen, dass der oder die Druckkolben im Hauptzylinder sich schneller zurückbewegen als es der durch die genannten Engstellen vorgegebenen maximal möglichen Druckabbaurate entspricht, wodurch sich in der dem Druckkolben zugeordneten Druckkammer des Hauptzylinders ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks einstellen kann. Wird dieser Druckunterschied erst beim Erreichen der eingangs beschriebenen Ausgangsstellung oder Ruhelage des Druckkolbens über die dann wieder offene Verbindung der Druckkammer zum Vorratsbehälter abgebaut, kann es zu einem Druckschlag kommen (ähnlich einem Wasserhammereffekt), der deutlich hörbare Geräusche und sogar Schwingungen im Bremspedal hervorrufen kann. Je höher der abzubauende Druckunterschied ist, desto stärker sind diese unerwünschten Begleiterscheinungen.
Zur Lösung des vorgenannten Problems ist es bereits bekannt, das den Druckkolben abdichtende Dichtelement so auszugestalten, dass es bei einem Auftreten von Unterdruck in der Druckkammer ein sogenanntes Überströmen ermöglicht, solange der Druckkolben seine Ausgangsstellung noch nicht wieder erreicht hat. Mit ”Überströmen” ist hier gemeint, dass Hydraulikfluid aus dem Vorratsbehälter an dem Dichtelement vorbei in die Druckkammer strömen kann, um den dort herrschenden Unterdruck abzubauen. Aus dem Stand der Technik sind zur Erreichung dieses Ziels verschiedene Lösungen bekannt. So wird in der EP 1 658 212 B1 vorgeschlagen, den Dichtelementrücken uneben auszubilden und mit wenigstens einer umlaufenden Dichtfläche zu versehen. In der US 2009/0071325 A1 wird vorgeschlagen, den Dichtelementrücken mit radialen Nuten zu versehen, die sich auf der Außenseite des radial äußeren Dichtelementschenkels fortsetzen und gewährleisten sollen, dass Hydraulikfluid am Dichtelementrücken und am radial äußeren Dichtelementschenkel vorbei in die Druckkammer strömen kann. Eine ähnliche Lösung, bei der die radialen Nuten am Dichtelementrücken in einem radial inneren Endbereich des Dichtelementrückens nicht vorhanden sind, zeigt die EP 2 165 898 A1 .
Zu Beginn eines Bremsvorgangs soll es möglichst schnell zu einem Aufbau von Bremsdruck in der Druckkammer oder den Druckkammern des Hauptbremszylinders kommen. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Strömungsquerschnitt der in der Ausgangsstellung des Hauptbremszylinders ständig offenen Strömungsverbindung zwischen Druckkammer und Vorratsbehälter in der Nähe des ringförmigen Dichtelements möglichst klein ist, damit es bei einer Verschiebung des Druckkolbens in Druckaufbaurichtung zu einer raschen Reaktion in Form einer Drucksteigerung in der dem Druckkolben zugeordneten Druckkammer kommen kann. Insbesondere soll deshalb ein Ringspalt zwischen dem Druckkolben und der Bohrung, in der der Druckkolben geführt ist, nahe dem ringförmigen Dichtelement möglichst eng sein. In der Strömungsverbindung zwischen der Druckkammer und dem Vorratsbehälter für Hydraulikfluid wirkt ein enger Ringspalt nahe dem ringförmigen Dichtelement wie eine den Bremsdruckaufbau begünstigende Drossel, da zu Beginn eines Bremsvorgangs durch einen solchen engen Ringspalt nur wenig Hydraulikfluid zurück zum Vorratsbehälter strömen kann, bevor die Nachlauföffnung in der Kolbenwand sich unter das ringförmige Dichtelement bewegt hat, welches die Nachlauföffnung dann abdichtet.
Ein enger Ringspalt nahe dem ringförmigen Dichtelement ist aufgrund seiner starken Drosselwirkung allerdings dann von Nachteil, wenn ein in der Druckkammer möglicherweise vorhandener Unterdruck schon vor Erreichen der unbetätigten Ausgangsstellung des Hauptbremszylinders abgebaut werden soll. In einer solchen Situation wäre es wünschenswert, einen möglichst großen Strömungsquerschnitt der flüssigkeitsleitenden Verbindung zum Vorratsbehälter für Hydraulikfluid zu haben, damit ein vorhandener Unterdruck möglichst schnell durch aus dem Vorratsbehälter und um das ringförmige Dichtelement herum in die Druckkammer nachströmendes Hydraulikfluid abgebaut werden kann. Nahe dem ringförmigen Dichtelement befindliche, größere Ringspalte wirken jedoch – wie bereits erwähnt – einem schnellen Druckaufbau zu Beginn eines Bremsvorgangs entgegen und haben darüber hinaus den Nachteil, dass bei sehr hohen Bremsdrücken in der Druckkammer Teile des ringförmigen Dichtelements in den Ringspalt hinein gepresst werden, was über kurz oder lang Beschädigungen des ringförmigen Dichtelements nach sich zieht, beispielsweise in Gestalt von Ablösungen von Teilen des das Dichtelement bildenden Elastomermaterials, die als Schmutzpartikel in das Bremssystem eindringen und dort zu Folgeschäden führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hauptbremszylinder anzugeben, der den beschriebenen Zielkonflikt zu lösen in der Lage ist.
Diese Aufgabe ist ausgehend von einem eingangs genannten, gattungsgemäßen Hauptbremszylinder erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Druckkolben auf einem ersten Abschnitt seiner Längserstreckung, der in einer unbetätigten Ausgangsstellung des Hauptbremszylinders in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement steht, einen ersten Außendurchmesser aufweist, der Druckkolben auf einem sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt, der in einer ersten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement steht, einen zweiten Außendurchmesser aufweist, der kleiner als der erste Außendurchmesser ist, und der Druckkolben auf einem sich an den zweiten Abschnitt anschließenden dritten Abschnitt, der in einer zweiten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement steht, einen dritten Außendurchmesser aufweist, der größer als der zweite Außendurchmesser ist. Weist ein Hauptbremszylinder mehrere Druckkolben auf, dann sind vorzugsweise alle Druckkolben wie zuvor beschrieben ausgebildet.
Ein erfindungsgemäß ausgestalteter Hauptbremszylinder löst den obigen Zielkonflikt, indem er zu Beginn eines Bremsvorgangs einen engen und damit einen schnellen Bremsdruckaufbau begünstigenden Ringspalt zwischen dem Druckkolben und der Bohrung nahe dem ringförmigen Dichtelement bzw. den ringförmigen Dichtelementen bereitstellt. In einer ersten Betätigungsstellung des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders, die nach einer Anfangsphase eines Bremsvorgangs erreicht wird und niedrigen bis mittleren Bremsdrücken in der Druckkammer entspricht, ist der Strömungsquerschnitt des genannten Ringspalts dann vergrößert, was bei einem abrupten Beenden des Bremsvorgangs einen schnellen Abbau eines sich in der Druckkammer möglicherweise einstellenden Unterdrucks ermöglicht. In einer zweiten Betätigungsstellung des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders, die hohen und höchsten Bremsdrücken in der Druckkammer entspricht (gleichzusetzen mit einer entsprechend weiten Verschiebung des Druckkolbens in Druckaufbaurichtung), ist der Strömungsquerschnitt des genannten Ringspalts dann wieder verringert, so dass ein durch den hohen Druck in der Druckkammer bewirktes ”Fließen” des ringförmigen Dichtelements in den Ringspalt hinein verhindert oder zumindest deutlich erschwert ist.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders ist der erste Außendurchmesser gleich dem dritten Außendurchmesser, d. h. der Strömungsquerschnitt des genannten Ringspalts vergrößert sich im zweiten Abschnitt des Druckkolbens und verkleinert sich im dritten Abschnitt wieder auf den Wert, den er im ersten Abschnitt des Druckkolbens hat. Eine solche Ausführungsform ist dahingehend vorteilhaft, dass nur zwei verschiedene Außendurchmesser des Druckkolbens hergestellt werden müssen. Falls gewünscht, ist es aber ohne weiteres möglich, den dritten Außendurchmesser des Druckkolbens abweichend vom ersten Außendurchmesser zu wählen.
Es ist auch möglich, die auf dem zweiten Abschnitt des Druckkolbens erfolgende Durchmesserverringerung vom ersten Außendurchmesser auf den zweiten Außendurchmesser in Umfangsrichtung des Druckkolbens nur bereichsweise vorzusehen. Auf dem zweiten Abschnitt des Druckkolbens sind bei einer solchen Ausführungsform dann in Längsrichtung des Druckkolbens verlaufende, kanalartige Vertiefungen vorhanden, deren Böden auf dem Niveau des zweiten Außendurchmessers liegen. Zwischen solchen kanalartigen Vertiefungen sind in Umfangsrichtung des Druckkolbens Bereiche vorhanden, deren Außendurchmesser dem ersten Außendurchmesser entspricht.
Zur Schonung der ringförmigen Dichtelemente und zur Vermeidung plötzlicher Drucksprünge erfolgt ein Durchmesserübergang vom ersten Außendurchmesser zum zweiten Außendurchmesser und/oder vom zweiten Außendurchmesser zum dritten Außendurchmesser vorzugsweise nicht abrupt, sondern allmählich. Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders hat der Durchmesserübergang im Längsschnitt des Druckkolbens gesehen ein linear schräges Profil, ein konvexes Profil oder ein konkaves Profil. Auch Mischformen der genannten Profile sind möglich. Die Form des Durchmesserübergangs kann dazu herangezogen werden, das Übergangsverhalten zwischen den einzelnen Abschnitten des Druckkolbens bestimmten Anforderungen oder Kundenwünschen anzupassen.
Es wurde bereits erwähnt, dass die zweite betätigte Stellung des Hauptbremszylinders gleichzusetzen ist mit einer relativ weiten Verschiebung des Druckkolbens in Druckaufbaurichtung. Vorzugsweise entspricht diese zweite betätigte Stellung des Hauptbremszylinders einem Betätigungsweg des Druckkolbens von etwa zwei Drittel seines maximalen Betätigungsweges oder mehr. Mit anderen Worten, der Strömungsquerschnitt des genannten Ringspalts, der im zweiten Abschnitt des Druckkolbens vergrößert ist, verkleinert sich wieder, wenn der Druckkolben etwa zwei Drittel seines maximalen Betätigungsweges oder mehr in Druckaufbaurichtung durchlaufen hat.
Um Hydraulikfluid aus dem Vorratsbehälter in die Druckkammer(n) laufen zu lassen, sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, beispielsweise ein sogenanntes Zentralventil im Druckkolben oder eine oder mehrere radiale Nachlauföffnungen in der Kolbenwand eines hohlen Druckkolbens. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders ist der oder vorzugsweise jeder Druckkolben hohl und weist eine oder mehrere radiale Nachlauföffnungen auf, die in der Ausgangsstellung des Druckkolbens nicht von dem ringförmigen Dichtelement überdeckt ist bzw. sind. Vorzugsweise ist die radiale Nachlauföffnung bzw. sind die radialen Nachlauföffnungen in dem ersten Abschnitt der Längserstreckung des Druckkolbens angeordnet, und zwar vorzugsweise so, dass sich in Druckaufbaurichtung gesehen hinter der oder den Nachlauföffnungen der erste Abschnitt des Druckkolbens noch ein Stück weit erstreckt. Besonders bevorzugt ist die Nachlauföffnung bzw. sind die Nachlauföffnungen in dem ersten Abschnitt des Druckkolbens so positioniert, dass der erste Außendurchmesser den engen Ringspalt solange aufrechterhält, bis sich bei einem Bremsvorgang die Nachlauföffnung(en) unter das ringförmige Dichtelement verlagert haben, d. h. von dem Dichtelement abgedichtet werden. Bei einer weiteren Verlagerung des Druckkolbens bzw. der Druckkolben in Druckaufbaurichtung kann dann ohne Funktionsnachteil der Ringspalt vergrößert werden, d. h. der zweite Abschnitt des Druckkolbens zum Einsatz gelangen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders weist das ringförmige Dichtelement bzw. weisen die ringförmigen Dichtelemente einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden ersten, radial inneren ringförmigen Dichtelementschenkel zur dichtenden Anlage an dem Druckkolben, einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten, radial äußeren ringförmigen Dichtelementschenkel zur dichtenden Anlage an einem Boden der Ringnut, und einen den ersten und den zweiten Dichtelementschenkel in radialer Richtung miteinander verbindenden ringförmigen Dichtelementrücken mit einer ebenen äußeren Rückenfläche auf, die einer Seitenwand der Ringnut zugewandt ist.
Zur noch besseren Abdichtung sind erfindungsgemäße Hauptbremszylinder vorzugsweise so ausgebildet, dass der radial innere Dichtelementschenkel auf seiner dem Druckkolben zugewandten Umfangsfläche wenigstens eine Dichtlippe aufweist. Eine solche Dichtlippe, beispielsweise in Gestalt eines ringförmigen Wulstes, der aus der Umfangsfläche des radial inneren Dichtelementschenkels hervorsteht, sorgt aufgrund einer relativ höheren Flächenpressung für eine gute Abdichtung und setzt gleichzeitig der gleitenden Bewegung des Druckkolbens einen nur geringen Widerstand entgegen. In analoger Weise ist bei bevorzugten Ausführungsformen auch der radial äußere Dichtelementschenkel auf seiner dem Boden der Ringnut zugewandten Umfangsfläche mit wenigstens einer Dichtlippe versehen.
Ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders wird im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Hauptbremszylinder,
2 den Bereich eines ersten Druckkolbens und eines ihm zugeordneten Dichtelements aus 1 in vergrößerter Darstellung, und
3 die Ansicht aus 2 in einem Zustand, in dem das Dichtelement überströmt wird.
1 zeigt im Längsschnitt einen Hauptbremszylinder 10 für eine hydraulische Fahrzeugbremsanlage, der häufig auch nur als Hauptzylinder bezeichnet wird. Der Hauptzylinder 10 hat ein Gehäuse 12 mit einer darin längs einer Achse A verlaufenden Bohrung 14, die an ihrem in 1 rechten Ende offen ist.
In der Bohrung des Hauptzylindergehäuses 12 sind ein erster Druckkolben 16 und, axial vom ersten Druckkolben 16 beabstandet, ein zweiter Druckkolben 18 längs der Achse A verschiebbar angeordnet. Zwischen dem ersten Druckkolben 16 und einem Boden 20 der Bohrung 14 ist in der Bohrung 14 eine erste Druckkammer 22 begrenzt, die über eine Auslassöffnung 24 in Fluidverbindung mit einem hier nicht dargestellten, ersten Bremskreis der Fahrzeugbremsanlage steht. Analog ist zwischen dem ersten Druckkolben 16 und dem zweiten Druckkolben 18 in der Bohrung 14 eine zweite Druckkammer 26 begrenzt, die in betriebsbereitem Zustand des Hauptzylinders 10 über einen Auslass 28 in Fluidverbindung mit einem ebenfalls nicht dargestellten, zweiten Bremskreis der Fahrzeugbremsanlage steht. Jedem Bremskreis sind in üblicher Weise bestimmte Radbremsen (nicht dargestellt) eines Fahrzeugs zugeordnet.
Eine erste Rückstellfeder 30 ist zwischen dem ersten Druckkolben 16 und dem Boden 20 der Bohrung 14 angeordnet und spannt den ersten Druckkolben 16 in die in den 1 und 2 wiedergegebene Ruhelage oder Ausgangsstellung vor, in der der Hauptzylinder 10 unbetätigt ist. In analoger Weise spannt eine zweite Rückstellfeder 32, die sich am ersten Druckkolben 16 abstützt, den zweiten Druckkolben 18 in die in 1 wiedergegebene Ausgangsstellung vor.
Der hier dargestellte Hauptzylinder 10 ist im Betriebszustand, d. h. in einem in ein Fahrzeug eingebauten Zustand, üblicherweise mit einem hier nicht gezeigten Bremskraftverstärker zu einer Baueinheit verbunden. Ein Kraftabgabeglied (nicht dargestellt) des Bremskraftverstärkers greift dabei in eine Ausnehmung 34 des zweiten Druckkolbens 18 ein, um die vom Bremskraftverstärker erzeugte Verstärkungskraft in den Hauptzylinder 10 einzuleiten. Eine von einem Fahrzeugbenutzer über ein nicht dargestelltes Bremspedal aufgebrachte Betätigungskraft wird auf das Kraftabgabeglied des Bremskraftverstärkers übertragen und wirkt somit ebenfalls auf den zweiten Druckkolben 18. Ferner steht der Hauptzylinder 10 im Betriebszustand in Fluidverbindung mit einem nicht dargestellten Vorratsbehälter für Hydraulikfluid, der mit zwei Anschlussstutzen in oben auf dem Gehäuse 12 vorhandene Anschlüsse 36 und 38 gesteckt wird. Durch diese Anschlüsse 36 und 38 kann im Hydraulikfluidvorratsbehälter befindliches Hydraulikfluid über Bohrungen 40, 42 im Gehäuse 12 in zwei kreisringförmige Nachlaufkammern 44, 46 und von dort durch Nachlauföffnungen 48, 50 in den Druckkolben 16, 18 in die erste Druckkammer 16 bzw. die zweite Druckkammer 18 gelangen, wenn die Druckkolben 16, 18 sich in ihrer Ausgangsstellung befinden. Der weitere genaue Aufbau und die Funktion eines solchen Hauptzylinders 10 sowie der mit ihm zusammenwirkenden Komponenten sind Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt und werden deshalb hier nur soweit beschrieben, wie es zum Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist.
Zum Abdichten der Druckkolben 16, 18 in der Bohrung 14 dienen unter anderem zwei ringförmige Dichtelemente 52, 54. Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nun am Beispiel des dem ersten Druckkolben 16 zugeordneten Dichtelements 52 der Aufbau und die Wirkungsweise der Dichtelemente 52 und 54 näher erläutert.
Das Dichtelement 52 ist in einer Ringnut 56 aufgenommen, die im Gehäuse 12 ausgebildet ist und einen Boden 58 sowie zwei Seitenwände 60 und 62 aufweist, die sich gegenüberliegen und im gezeigten Ausführungsbeispiel beide radial und rechtwinklig zur Achse A verlaufen. Das Dichtelement 52 ist ein hier einstückig geformtes Bauteil aus einem für solche Dichtelemente üblichen Elastomermaterial. Es hat einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden ersten, radial inneren ringförmigen Dichtelementschenkel 64, einen sich im Wesentlichen ebenfalls axial erstreckenden zweiten, radial äußeren ringförmigen Dichtelementschenkel 66 und einen die beiden Dichtelementschenkel 64 und 66 verbindenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Dichtelementrücken 68 mit einer ebenen, äußeren Rückenfläche 70. Zwischen dem ersten, inneren Dichtelementschenkel 64 und dem zweiten, äußeren Dichtelementschenkel 66 erstreckt sich vom Dichtelementrücken 68 auf der von der Rückenfläche 70 abgewandten Seite ein ringförmiger Stützschenkel 72 in axialer Richtung über die beiden Dichtelementschenkel 64, 66 hinaus.
Wie in 2 gut zu erkennen, ist das freie Ende des Stützschenkels 72 mit einer kreisringförmigen Anlagefläche 74 zur planen Anlage an der Seitenwand 60 der Ringnut 56 ausgebildet. Aus Gründen, die später noch näher erläutert werden, ist der Stützschenkel 72 im Bereich seines freien Endes mit mehreren radialen Durchgangsöffnungen 76 versehen, die über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Zur Reibungsverminderung und besseren Abdichtung sind der zur dichtenden Anlage an dem Druckkolben 16 bestimmte erste Dichtelementschenkel 64 und der zur dichtenden Anlage am Boden 58 der Ringnut 56 bestimmte zweite Dichtelementschenkel 66 jeweils mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden, ringförmigen Dichtlippe 78 bzw. 80 versehen, die einstückig an die entsprechende Umfangsfläche des Dichtschenkels 64 bzw. 66 angeformt ist.
In dem in 2 wiedergegebenen Ausgangszustand des Hauptzylinders 10 liegt die kreisringförmige, ebene Rückenfläche 70 des Dichtelements 52 an der Seitenwand 62 der Ringnut 56 im Wesentlichen an und eine am radial inneren Umfangsrand der Rückenfläche 70 ausgebildete ringförmige Abschrägung oder Fase 82 ermöglicht, dass Hydraulikfluid aus der Nachlaufkammer 44 durch einen kreisringförmigen Spalt 84 und die Nachlauföffnung 48 in die erste Druckkammer 22 hinein bzw. aus ihr heraus gelangen kann. Der Spalt 84 ist zwischen einer einen Teil der Wand der Bohrung 14 bildenden Schulter 85 und der Außenumfangsfläche des Druckkolbens 16 definiert.
Aus 2 ist ferner der genaue Aufbau des ersten Druckkolbens 16 zu ersehen. Der zweite Druckkolben 18 ist ebenso aufgebaut (nicht dargestellt). Der Druckkolben 16 hat eine Längserstreckung L, auf der angeordnet sind – gesehen vom druckkammerseitigen Ende des ersten Druckkolbens 16 – ein erster Abschnitt A₁ mit einem ersten Außendurchmesser D₁, ein zweiter Abschnitt A₂ mit einem zweiten Außendurchmesser D₂, der kleiner als der erste Außendurchmesser D₁ ist, und ein dritter Abschnitt A₃ mit einem dritten Außendurchmesser D₃, der im gezeigten Ausführungsbeispiel gleich dem ersten Außendurchmesser D₁ ist. Zwischen dem ersten Abschnitt A₁ und dem zweiten Abschnitt A₂ sowie zwischen dem zweiten Abschnitt A₂ und dem dritten Abschnitt A₃ befindet sich jeweils ein Durchmesserübergang 86, 88, der im gezeigten Ausführungsbeispiel – bezogen auf den dargestellten Längsschnitt – linear vom ersten Außendurchmesser D₁ zum zweiten Außendurchmesser D₂ abfällt (Durchmesserübergang 86) und linear vom zweiten Außendurchmesser D₂ zum dritten Außendurchmesser D₃ ansteigt (Durchmesserübergang 88). Alternativ können die Durchmesserübergänge 86, 88 auch mit im Längsschnitt konvexem oder konkavem oder andersartigem Profil ausgebildet sein (nicht dargestellt), um ein bestimmtes, gewünschtes Übergangsverhalten zu erreichen.
Aus 2 ist auch gut zu erkennen, dass die Nachlauföffnung 48 (und gegebenenfalls weitere in Umfangsrichtung um den Druckkolben 16 herum verteilte, hier nicht dargestellte Nachlauföffnungen) im Bereich des ersten Abschnitts A₁ des Druckkolbens angeordnet sind und dieser erste Abschnitt A₁ sich über die Nachlauföffnung 48 hinaus (gesehen vom druckkammerseitigen Ende des Druckkolbens 16) in Richtung der Längserstreckung L noch so weit erstreckt, dass der Ringspalt 84 solange eng bleibt, bis die Nachlauföffnung 48 bei einer im Folgenden noch näher beschriebenen Betätigung des Hauptzylinders 10 vollständig unter den radial inneren Dichtelementschenkel 64 des Dichtelements 52 verlagert worden ist. Der radial innere Dichtelementschenkel 64 dichtet dann die Nachlauföffnung 48 ab.
Der zweite Abschnitt A₂ des Druckkolbens 16 nimmt einen mittleren Bereich der Längserstreckung des Druckkolbens 16 ein und führt aufgrund seines gegenüber dem ersten Außendurchmesser D₁ verringerten, zweiten Außendurchmessers D₂ zu einer Vergrößerung des Strömungsquerschnitts des Ringspalts 84, wenn der erste Druckkolben 16 im Rahmen einer Betätigung des Hauptzylinders 10 entsprechend in Druckaufbaurichtung verschoben worden ist.
Der dritte Abschnitt A₃ des Druckkolbens 16 folgt – gesehen vom druckkammerseitigen Ende des Druckkolbens 16 – auf den zweiten Abschnitt A₂ und verkleinert den Strömungsquerschnitt des Ringspalts 84 wieder, wenn der erste Druckkolben 16 bei eine starken Bremsvorgang entsprechend weit in Druckaufbaurichtung verschoben worden ist.
Die Funktionsweise des dargestellten Hauptzylinders 10 wird nun anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Bei einer Betätigung des Hauptzylinders 10 wird der erste Druckkolben 16 in die Bohrung 14 hinein, d. h. in den Figuren nach links verschoben, so dass die Nachlauföffnung 48 bereits kurz nach Beginn der Betätigung des Hauptzylinders 10 vom inneren Dichtelementschenkel 64 abgedichtet wird und in Folge ein Druckaufbau in der ersten Druckkammer 22 möglich wird. Ein sich in der Druckkammer 22 aufbauender Bremsdruck wirkt auf das Dichtelement 52 zurück und führt zum einen dazu, dass die beiden Dichtelementschenkel 64, 66 in radialer Richtung auseinandergedrückt werden und sich somit fester an die äußere Umfangsfläche des ersten Druckkolbens 16 bzw. an den Boden 58 der Ringnut 56 anlegen, und führt zum anderen dazu, dass die ebene Rückenfläche 70 des Dichtelements 52 sich fest an die Seitenwand 62 der Ringnut 56 anlegt. Es sind deshalb immer zwei kreisringförmige Abdichtstellen in der Ringnut 56 gebildet, eine durch die an der Seitenwand 62 anliegende Rückenfläche 70 und die andere durch die am Boden 58 anliegende Dichtlippe 80 des äußeren Dichtelementschenkels 66. Diese Redundanz der Abdichtung wirkt sich positiv aus, wenn eine der beiden Abdichtstellen versagt oder nicht mehr einwandfrei abdichtet, beispielsweise aufgrund einer Ansammlung von Schmutzpartikeln im Bereich der Dichtlippe 80.
Wird ein Bremsvorgang abrupt beendet, kann es bei der Rückkehrbewegung der Druckkolben 16, 18 zu einem Unterdruck in den zugeordneten Druckkammern 22, 26 kommen, der möglichst abgebaut sein soll, bevor die Druckkolben ihre Ausgangsstellung erreichen, weil es ansonsten zu einem schlagartigen Druckausgleich mit unerwünschten Nebenwirkungen kommen kann. Wie im Folgenden beschrieben wird, wirkt der spezielle Aufbau der Druckkolben 16, 18 einem solchen schlagartigen Druckabbau entgegen.
Wird die Betätigung des Hauptzylinders 10 beendet, d. h. eine auf den Hauptzylinder 10 wirkende Betätigungskraft aufgehoben, so wird sich der Druck in der Druckkammer 22 (und auch in der Druckkammer 26) verringern und der Druckkolben 16 wird in seine Ausgangsstellung zurückgleiten (ebenso wie der zweite Druckkolben 18).
Kommt es im Verlauf der Rückkehrbewegung des Druckkolbens 16 in der Druckkammer 22 zu einem Unterdruck gegenüber dem Atmosphärendruck, bevor der Druckkolben 16 seine Ausgangsstellung wieder erreicht hat, d. h. bevor die Nachlauföffnung 48 wieder in Fluidverbindung mit der Nachlaufkammer 44 ist, führt diese Druckdifferenz dazu, dass Hydraulikfluid aus der Nachlaufkammer 44 durch den Ringspalt 84 in den freien Raum zwischen der Rückenfläche 70 und der dieser gegenüberliegenden Seitenwand 62 der Ringnut 56 strömen kann. Aufgrund des vorhandenen Druckunterschieds reicht die Kraft des Hydraulikfluids dazu aus, die Rückenfläche 70 von der Seitenwand 62 abzuheben, so dass das unter Atmosphärendruck stehende Hydraulikfluid an der Rückenfläche 70 vorbei zur Dichtlippe 80 des äußeren Dichtelementschenkels 66 strömen kann. Der äußere Dichtelementschenkel 66 wird, solange der erwähnte Druckunterschied besteht, etwas radial nach innen gezogen, wodurch die Dichtlippe 80 vom Boden 58 der Ringnut 56 abgehoben wird und den Weg für das unter Atmosphärendruck stehende Hydraulikfluid frei macht. Letzteres strömt, wie durch einen Pfeil F in 3 symbolisiert, dann weiter durch die radialen Durchgangsöffnungen 76 im Stützschenkel 72 solange in die erste Druckkammer 22, bis die genannte Druckdifferenz zumindest weitgehend ausgeglichen ist.
Da der erste Abschnitt A₁ des Druckkolbens 16 so bemessen ist, dass er bereits kurz nach einem Beginn einer Betätigung des Hauptzylinders 10 vollständig unter den radial inneren Dichtelementschenkel 64 des Dichtelements 52 verschoben worden ist, wird es im Verlauf einer Rückkehrbewegung des Druckkolbens 16 bei nahezu allen Bremsvorgängen dazu kommen, dass der zweite Abschnitt A₂ sich gegenüber der den Ringspalt 84 definierenden Schulter 85 des Hauptzylindergehäuses 12 befindet. In diesem Zustand ist der Strömungsquerschnitt des Ringspalts 84 so vergrößert, dass im Verlauf der während der Rückkehrbewegung des Druckkolbens 16 zur Verfügung stehenden Zeit ausreichend Hydraulikfluid aus dem Vorratsbehälter durch die Bohrung 40 in die Nachlaufkammer 44 und von dort durch den Ringspalt 84 und außen am Dichtelement 52 vorbei in die Druckkammer 22 strömen kann, um einen gegebenenfalls bestehenden Unterdruck abzubauen. Die Gefahr eines schlagartigen Druckausgleichs bei Erreichen der Ausgangsstellung des Druckkolbens 16 ist auf diese Weise überwunden.
Zur Erzeugung hoher und höchster Bremsdrücke, wie sie für besonders starke Bremsvorgänge erforderlich sind, muss der Druckkolben 16 sehr weit in Druckaufbaurichtung, d. h. in die Bohrung 14 hinein verschoben werden. Da der dann in der Druckkammer 22 herrschende, sehr hohe Bremsdruck auf das Dichtelement 52 zurückwirkt, besteht die Gefahr, dass das Dichtelement 52 im Bereich des inneren Umfangsrandes der Rückenfläche 70 in den Ringspalt 84 hineingepresst und dadurch beschädigt wird. Diese Gefahr ist umso größer, je größer der Ringspalt 84 ist, d. h. je größer der radiale Abstand zwischen der Außenumfangsfläche des ersten Druckkolbens 16 und der Schulter 85 des Hauptzylindergehäuses 12 ist. Zur Verringerung oder Eliminierung der beschriebenen Gefahr ist der dritte Abschnitt A₃ des Druckkolbens 16 vorgesehen, der seinen Beginn – gesehen vom druckkammerseitigen Ende des Druckkolbens 16 – bei etwa zwei Drittel der Maximalverschiebung des Druckkolbens 16 in Druckaufbaurichtung hat und demzufolge erste bei hohen und höchsten Bremsdrücken zur Wirkung kommt. Der dann wieder verkleinerte Abstand zwischen der Außenumfangsfläche des Druckkolbens 16 und der Schulter 85 verhindert wirkungsvoll ein Eindringen des Materials des Dichtelements 52 in den Ringspalt 84.
Als maximaler Betätigungsweg des Druckkolbens 16 wird üblicherweise die Strecke verstanden, um die der erste Druckkolben 16 in die Bohrung 14 hinein verschoben werden muss, um eine Einheit aus Hauptzylinder 10 und nicht dargestelltem, mit dem Hauptzylinder verblocktem Bremskraftverstärker an ihren sogenannten Aussteuerpunkt zu bringen. Dieser Aussteuerpunkt ist definiert als derjenige Zustand der Einheit, bis zu dem eine von einem Fahrer eingeleitete Bremsbetätigungskraft vom Bremskraftverstärker verstärkt werden kann. Oberhalb dieses Aussteuerpunktes findet keine Bremskraftverstärkung mehr statt und eine erhöhte Betätigungskraft wird ohne zusätzlichen Servoanteil an den dem Bremskraftverstärker nachgeschalteten Hauptzylinder 10 weitergeleitet. Der zuvor erwähnte maximale Betätigungsweg des Druckkolbens 16 bedeutet also nicht, dass der Druckkolben 16 mechanisch an einer weiteren Verschiebung in Druckaufbaurichtung gehindert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2004/0144248 A1 [0001]
EP 1658212 B1 [0005]
US 2009/0071325 A1 [0005]
EP 2165898 A1 [0005]

Claims

Hauptbremszylinder (10) für eine Fahrzeugbremsanlage, mit – einem Gehäuse (12), – einer in dem Gehäuse (12) ausgebildeten Bohrung (14) mit einer Längsachse (A), in der wenigstens ein Druckkolben (16) mit einer Erstreckung (L) entlang der Längsachse (A) zur Begrenzung einer Druckkammer (22) für Hydraulikfluid längs der Achse (A) verschiebbar geführt ist, – einer Ringnut (56) in dem Gehäuse (12), und – einem in der Ringnut (56) angeordneten ringförmigen Dichtelement (52) zur Abdichtung der Druckkammer (22) bezüglich des Druckkolbens (16), dadurch gekennzeichnet, dass – der Druckkolben (16) auf einem ersten Abschnitt (A₁) seiner Längserstreckung (L), der in einer unbetätigten Ausgangsstellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen ersten Außendurchmesser (D₁) aufweist, – der Druckkolben (16) auf einem sich an den ersten Abschnitt (A₁) anschließenden zweiten Abschnitt (A₂), der in einer ersten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen zweiten Außendurchmesser (D₂) aufweist, der kleiner als der erste Außendurchmesser (D₁) ist, und – der Druckkolben (16) auf einem sich an den zweiten Abschnitt (A₂) anschließenden dritten Abschnitt (A₃), der in einer zweiten betätigten Stellung des Hauptbremszylinders (10) in Kontakt mit dem ringförmigen Dichtelement (52) steht, einen dritten Außendurchmesser (D₃) aufweist, der größer als der zweite Außendurchmesser (D₂) ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außendurchmesser (D₁) gleich dem dritten Außendurchmesser (D₃) ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem zweiten Abschnitt (A₂) erfolgende Durchmesserverringerung vom ersten Außendurchmesser (D₁) auf den zweiten Außendurchmesser (D₂) in Umfangsrichtung des Druckkolbens (16) nur bereichsweise vorhanden ist.
Hauptbremszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesserübergang (86, 88) vom ersten Außendurchmesser (D₁) zum zweiten Außendurchmesser (D₂) und/oder vom zweiten Außendurchmesser (D₂) zum dritten Außendurchmesser (D₃) allmählich erfolgt.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserübergang (86, 88) im Längsschnitt des Druckkolbens (16) ein linear schräges Profil, ein konvexes Profil oder ein konkaves Profil hat.
Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite betätigte Stellung des Hauptbremszylinders einem Betätigungsweg des Druckkolbens (16) von etwa 2/3 seines maximalen Betätigungsweges oder mehr entspricht.
Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben (16) hohl ist und eine radiale Nachlauföffnung (48) aufweist, die in der Ausgangsstellung des Druckkolbens (16) nicht von dem ringförmigen Dichtelement (52) überdeckt ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Nachlauföffnung (48) in dem ersten Abschnitt (A₁) der Längserstreckung (L) des Druckkolbens (16) angeordnet ist.
Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Dichtelement (52) einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden ersten, radial inneren ringförmigen Dichtelementschenkel (64) zur dichtenden Anlage an dem Druckkolben (16), einen sich im Wesentlichen axial erstreckenden zweiten, radial äußeren ringförmigen Dichtelementschenkel (66) zur dichtenden Anlage an einem Boden (58) der Ringnut (56), und einen den ersten und den zweiten Dichtelementschenkel (64 und 66) in radialer Richtung miteinander verbindenden ringförmigen Dichtelementrücken (68) mit einer ebenen äußeren Rückenfläche (70) aufweist, die einer Seitenwand (62) der Ringnut (56) zugewandt ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der radial innere Dichtelementschenkel (64) auf seiner dem Druckkolben (16) zugewandten Umfangsfläche wenigstens eine Dichtlippe (78) aufweist.