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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bremskraftverstärker für ein Fahrzeug, insbesondere einen Bremskraftverstärker mit Pedalwegverkürzung.
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Stand der Technik
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Dokument
WO 2012/059259 A1 offenbart einen Bremskraftverstärker mit einem durch einen Fahrer betätigbaren Eingangselement bzw. Druckstangenkolben, einem Aktuator zum Erzeugen einer Unterstützungskraft, einem eine Druckkraft übertragenden Ausgangselement, welches durch den Druckstangenkolben und/oder den Aktuator mit einer Eingangskraft bzw. der Unterstützungskraft beaufschlagbar ist, und durch welches ein weiterer Kolben eines Hauptbremszylinders mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist, und einer Kraftübertragungseinheit mit elastischen Eigenschaften, welche zwischen dem Druckstangenkolben und dem Aktuator einerseits und dem Ausgangselement andererseits angeordnet ist und die Eingangskraft und/oder die Unterstützungskraft auf das Ausgangselement und somit den Hauptbremszylinder überträgt.
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Besonderer Wert wird bei automobilen Bremssystemen, auch einschließlich eines wie zum Beispiel oben beschriebenen Bremskraftverstärkers, allgemein auf die konstruktive Auslegung eines so genannten Totwegs gelegt, d.h. der Weg, den das vom Fahrer betätigte Eingangselement (bzw. "Bremspedal") zurücklegt, also der vom Fahrer subjektiv empfundene bzw. "gefühlte" Bremspedalweg, bevor eine tatsächliche Verzögerung, d.h. ein "Bremsen", des Fahrzeuges erfolgt.
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Dabei ist man bestrebt, den Totweg relativ gering zu halten, um dem Fahrer ein "sicheres" Gefühl zu vermitteln, d.h., dass bei Tritt auf das Bremspedal eine mehr oder weniger unmittelbare Verzögerung des Fahrzeuges eintritt, wobei der Bremskraftverstärker der beschriebenen Art, d.h. elektromechanisch mittels Aktuator, unterstützend wirken kann, um insbesondere in Gefahrensituationen, wo das Fahrzeug so schnell wie möglich im Idealfall zum Stillstand gebracht werden muss (zum Beispiel bei einem unmittelbaren Auftauchen einer Person im Fahrtweg des Fahrzeuges), die Verzögerung des Fahrzeuges so schnell wie möglich zu erzielen, auch unter Zuhilfenahme von heutigen Fahrassistenzsystemen, die dem Fachmann bekannt sind.
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Insofern soll die Offenbarung der Lehre, wie sie in dem Dokument
WO 2012/059259 A1 beschrieben ist, hiermit durch Bezugnahme darauf mit in der vorliegenden Anmeldung umfasst sein, da der Gegenstand der vorliegenden Erfindung darauf aufbaut.
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Weiterer Stand der Technik ist in folgenden Dokumenten offenbart:
- [1] Dr.-Ing. B. Witte, Dr.-Ing. T. Barthenheier: „eBKV-der Elektromechanische Bremskraftverstärker), VDI Berichte NR.2000/2007
- [2] DE 103 27 553 A1 : "Elektromechanischer Bremskraftverstärker"
- [3] DE 10 2005 024 577 A1 : „Vorrichtung und Verfahren zur elektromechanischen Bremsunterstützung"
- [4] US 6,574,959 B2 : „Electric brake booster with unrestricted manual push through"
- [5] DE 102 55 198 A1 : "Elektronisch regelbares Bremssystem für Kraftfahrzeuge"
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 einen Bremskraftverstärker für ein Fahrzeug vor, umfassend: einen durch einen Fahrer betätigbaren Druckstangenkolben, welcher in einem relativ zum Fahrzeug verlagerbaren Verstärkerkörper verschiebbar angeordnet ist; ein Ausgangselement, welches durch den Druckstangenkolben mit einer Eingangskraft auf den Druckstangenkolben beaufschlagbar ist und durch welches ein Kolben eines Hauptbremszylinders mit einer Betätigungskraft beaufschlagbar ist; eine Kraftübertragungseinheit, bestehend aus einer ersten Reaktionseinheit mit elastischen Eigenschaften und einer an die erste Reaktionseinheit angrenzenden zweiten Reaktionseinheit, wobei die Kraftübertragungseinheit an einem Ende des Verstärkerkörpers relativ zu diesem verlagerbar angeordnet ist; wobei der Verstärkerkörper in seinem Inneren eine radiale Ausnehmung aufweist, und der Druckstangenkolben einen auf diesem fixierten Kragen im Bereich der Ausnehmung umfasst, wobei zwischen Kragen und einer Innenfläche der Ausnehmung ein erstes Federelement verspannt ist; wobei ein Stoppelement auf dem Druckstangenkolben außerhalb des Verstärkerkörpers fixiert ist; wobei ein zweites Federelement zwischen dem Stoppelement und einer relativ zum Fahrzeug festen Bezugspunkteinrichtung verspannt ist; so dass bei Betätigung des Druckstangenkolbens ein Totweg zwischen dem Stoppelement und der Bezugspunkteinrichtung mittels des zweiten Federelements kompensierbar ist.
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Weiterhin ist der vorliegende Bremskraftverstärker so ausgeführt, dass ein Luftspalt bei unbetätigtem Druckstangenkolben kleiner ausgeführt ist, als es zu Beginn des Bremsvorgangs gewünscht ist, wobei erst bei Betätigen des Druckstangenkolbens der gewünschte Luftspalt durch einen relativ zum Verstärkerkörper gezielt größeren Verfahrweg des Druckstangenkolbens hergestellt wird, so dass der Verfahrweg eines zweiten Kolbens relativ zum ersten Druckstangenkolben größer ausfällt; der kürzere notwendige Verfahrweg des ersten Druckstangenkolbens bewirkt dabei die vorteilhafte Verkürzung des Bremspedalwegs.
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Unter einem zweiten Aspekt gemäß Anspruch 10 schlägt die Erfindung ein Bremssystem für ein Fahrzeug vor, wobei das Bremssystem einen Bremskraftverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil des vorgeschlagenen Bremskraftverstärkers ergibt sich daraus, dass ein Gefühl für ein Verhalten des Bremspedals für den Fahrer aufgrund der Pedalwegreduzierung verbessert ist.
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Weiterhin ist aufgrund des verbesserten Pedalgefühls ein größerer Einstellbereich aufgrund der Pedalwegverkürzungsmöglichkeiten erzielbar.
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Außerdem ist bei einem Ausfall des Bremskraftverstärkers die notwendige Ansprechkraft des Bremspedals aus seiner Null-Lage heraus nur um einen geringen Betrag reduziert, so dass – nach dem Überwinden der ersten Millimeter nach der Null-Lage – zwar eine relativ höhere Kraft aufgebracht werden muss, aber ein Auslösen sicherheitsrelevanter Fahrassistenzfunktionen trotzdem gewährleistet bleibt.
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Vorzugsweise entspannen sich bei Betätigung des Druckstangenkolbens das erste Federelement und das zweite Federelement und das Ausgangselement samt Verstärkerkörper mittels der Kraftübertragungseinheit auf den Kolben des Hauptbremszylinders druckausübend relativ zum Fahrzeug verlagert.
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Vorteilhafterweise ist entsprechend der Eigenschaften der Federelemente ein linearer oder nicht-linearer Kraftverlauf des Druckstangenkolbens bei Betätigung vorbestimmbar einstellbar, oder auch eine beliebige Kombination aus beidem. Hierbei ist von Vorteil, dass für verschiedene Fahrzeugmodelle der gleiche Bremskraftverstärker verwendet werden kann, wodurch Kosten gespart werden, und lediglich – je nach Art des gewünschten Ansprechverhaltens der Bremse – die Federelemente ausgewählt werden müssen.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass das zweite Federelement derart ausbildbar ist, dass bei Betätigung des Druckstangenkolbens eine sich einstellende Kraftkomponente des zweiten Federelements vor, während oder nach einem Kontaktzeitpunkt zwischen Druckstangenkolben und der ersten Reaktionseinheit, welche elastisch ist, Null ist. Hierbei ist von Vorteil, dass sich nach Bedarf das vom Fahrer gefühlte bzw. gewünschte Bremsverhalten auf entsprechend einfache Weise, nämlich durch Auswahl des zweiten Federelements, einstellen lässt.
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Vorzugsweise sind das erste Federelement und/oder das zweite Federelement jeweils als Spiralfeder oder als ein elastisches Element mit den der jeweiligen Spiralfeder entsprechenden Eigenschaften ausgebildet. Denkbar ist jede Art von federartigem Element, solange sie die geforderten Eigenschaften aufweisen.
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Vorteilhafterweise ist ein Dämpfungselement im Bremskraftverstärker angeordnet, welches dazu dient, unerwünschte Wechselwirkungen, wie zum Beispiel unerwünschte Schwingungen, welche sich aus dem Zusammenspiel der Federelemente bei Betrieb des Bremskraftverstärkers ergeben, zwischen den Federelementen bei Betätigung des Druckstangenkolbens zu kompensieren.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass das erste Federelement und/oder das zweite Federelement jeweils durch eine Kombination mehrerer Federelemente ausgebildet sind, wodurch sich in einfacher Weise bestimmte Kraftverlaufs-Kennlinien des vom Fahrer wahrgenommenen "Bremsgefühls" einstellen lassen.
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Außerdem wird bevorzugt, dass das zweite Federelement mit einem Ende an der Bezugspunkteinrichtung oder an dem Druckstangenkolben oder an einer mit der Bezugspunkteinrichtung fest verbundenen Einrichtung angebracht ist. Hierbei ist von Vorteil, dass sich ein definiertes gewünschtes Verhalten des zweiten Federelementes erzielen lässt.
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Schließlich wird noch bevorzugt, dass das befestigte Ende des zweiten Federelements beweglich ausgebildet ist, so dass nach Bedarf eine gewünschte Vorspannung einstellbar ist.
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Vorzugsweise ist zwischen dem festen Bezugspunkt und dem an der Druckstange fixierten Stoppelement ein drittes Federelement angeordnet, welches sich einerseits an dem festen Bezugspunkt und andererseits an dem Stoppelement abstützt, wobei das dritte Federelement im unbetätigten Zustand der Druckstange vorgespannt, d.h. komprimiert, ist, und im betätigtem Zustand entspannt ist. Weiterhin wird bevorzugt, dass das dritte Federelement entweder an dem festen Bezugspunkt oder an dem Stoppelement befestigt ist. Somit lässt sich in vorteilhafter Weise ein vom Fahrer empfundenes "Verhalten" des Anschlags (hart/weich) entsprechend einstellen.
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Vorteilhafterweise ist ein rückwärtiges Ende des dritten Federelements, welches sich im nicht-betätigten Zustand an dem festen Bezugspunkt abstützt, beweglich ausgebildet, und/oder eine Vorspannung des dritten Federelements ist durch den festen Bezugspunkt einstellbar. Auch hierdurch lässt sich in bevorzugter Weise ein vom Fahrer empfundenes "Verhalten" des Anschlags (hart/weich) entsprechend einstellen.
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Weiterhin wird bevorzugt, dass das erste Federelement und/oder das zweite Federelement und/oder das dritte Federelement jeweils als Spiralfeder oder ein elastisches Element mit der jeweiligen Spiralfeder entsprechenden Eigenschaften ausgebildet sind. Hierbei ist von Vorteil, dass einerseits relativ kostengünstige Federelemente ausgewählt werden können, andererseits kann ein Federelement aus einer Kombination von mehreren Federelementen bestehen, um aufgrund der Federcharakteristiken der jeweiligen Federelemente einen entsprechenden Bremspedalkraftverlauf (linear/nicht-linear oder eine Kombination von beidem für verschiedene Wegabschnitte des Bremspedalkraftverlaus) zu erzielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:
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1 eine schematische Darstellung einer grundlegenden Ausführungsform eines Bremskraftverstärkers zeigt;
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2A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Bremskraftverstärkers mit Pedalwegverkürzung in einem unbetätigten Zustand zeigt;
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2B eine schematische Darstellung der Ausführungsform aus 2A in einem betätigten Zustand im Vergleich zur Darstellung in 2A zeigt;
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3 eine schematische Darstellung einer weiteren grundlegenden Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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4A eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem unbetätigten Zustand zeigt; und
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4B eine schematische Darstellung der weiteren Ausführungsform aus 4A in einem betätigten Zustand im Vergleich zur Darstellung in 4A zeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Querschnitts-Seitenansicht einen Bremskraftverstärker 10, wobei zum besseren Verständnis nur wesentliche Komponenten gezeigt sind.
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Die wesentlichen Komponenten sind ein Druckstangenkolben 30, welcher in Längsrichtung, d.h. in der Zeichnung von links nach rechts durch Ausüben einer Kraft 130 eines Fahrers, d.h. durch Betätigen eines mit dem Druckstangenkolben 30 gekoppelten Bremspedals (hier nicht dargestellt) verlagerbar ist.. Dazu ist der Druckstangenkolben 30 in einem Verstärkerkörper 20 führbar, wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird.
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Der Druckstangenkolben 30 erstreckt sich an einem ersten Ende 50 in eine Durchgangsbohrung 40 des Verstärkerkörpers 20. Die Durchgangsbohrung 40 weist eine radiale Ausnehmung 60 innerhalb des Verstärkerkörpers 20 auf, wobei sich die Ausnehmung 60 entlang der Durchgangsbohrung 40 erstreckt.
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Der Verstärkerkörper 20 bzw. die Durchgangsbohrung 40 ist an einem zweiten Ende 70 mit wenigstens einem scheibenförmigen Element 80 verschlossen. Im dargestellten Beispiel umfasst das scheibenförmige Element 80 eine erste scheibenförmige Komponente 81, welche elastisch ist, und daran angrenzend eine zweite scheibenförmige Komponente 82.
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An dem Druckstangenkolben 30 ist im Bereich der Ausnehmung 60 ein Kragen 90 fixiert, und zwischen Kragen 90 und einer Innenfläche 100 in der Ausnehmung 60 ist ein erstes Federelement 110 angeordnet, welches sich einerseits am Kragen 90 und andererseits an der Innenfläche 100 abstützt.
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Die zweite scheibenförmige Komponente 82 ist mit einem weiteren Federelement 120 gekoppelt, welches sich einerseits an dem scheibenförmigen Element 82 abstützt, und andererseits an einem (hier nicht dargestellten) Kolben eines Hauptbremszylinders eines Fahrzeug-Bremssystems abstützt.
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Ein Pfeil 130 deutet eine auf den Druckstangenkolben 30 – z.B. durch den Fahrer – ausgeübte mechanische Kraft Fin an, während ein Pfeil 140 eine durch die Funktion des Bremskraftverstärkers resultierende Kraft Fout andeutet, welche letztendlich die aufgebrachte Kraft für den (hier nicht dargestellten) Kolben des Bremszylinders für einen Bremseingriff darstellt.
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Die genaue Wirkweise des Bremskraftverstärkers 10 wird aus den folgenden Figuren und der dazugehörigen Beschreibung ersichtlich.
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2A zeigt den Bremskraftverstärker 10 aus 1, wobei allgemein gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten sollen.
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In 2A ist zusätzlich zu der Darstellung in 1 eine Bezugspunkteinrichtung 150 gezeigt, welche als ein fester Bezugspunkt relativ zu dem verlagerbaren Verstärkerkörper 20 mit der Karosserie des Fahrzeuges fixiert ist. Die Art der Befestigung der Bezugspunkteinrichtung 150 an der Fahrzeugkarosserie ist für die Erfindung unwesentlich, genauso wie die genaue Ausbildung der Bezugspunkteinrichtung 150.
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Wie in 2A zu erkennen ist, liegt der Druckstangenkolben 30 mit einem an ihm fixierten Stoppelement 160 an einem Abschnitt 170 der Bezugspunkteinrichtung 150 fest an, wobei ein zweites Federelement 180 zwischen Stoppelement 160 und einem Ende 170 der Bezugspunkteinrichtung 150 angeordnet ist.
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Der Bremskraftverstärker 10 befindet sich in 2A in einem unbetätigten Zustand, wobei sich das erste Federelement 110 und das zweite Federelement 180 jeweils in einem komprimierten Zustand befinden. D.h. die Kräfte Fin und Fout (130, 140) sind jeweils gleich null. Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass die Federelemente 110, 180 in 2A (wie auch in den übrigen Figuren) als Spiralfedern dargestellt sind, jedoch sind auch Federelemente von anderer Gestalt mit entsprechenden Federcharakteristika denkbar.
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2B zeigt nun den Bremskraftverstärker 10 in einem betätigten Zustand, d.h. die Kräfte Fin und Fout sind größer Null, was daran zu erkennen ist, dass sich das Stoppelement 160 von der Anschlageinrichtung 150 bzw. dem entsprechenden Abschnitt 170 davon um einen Betrag x weg verlagert hat, und zwar in der Zeichnung nach rechts. Gleichzeitig hat eine von einem Elektromotor M (siehe 3) aufgebrachte Kraft, mittels eines am Verstärkerkörper 20 angeordneten Ritzels 21, den Verstärkerkörper 20 um einen Betrag y nach "rechts" verlagert. Somit übt der der Motor M auf den Verstärkerkörper 20 eine Kraft Fsupport auf den (hier nicht gezeigten) Kolben des Hauptbremszylinders für einen Bremsvorgang aus, was durch den mit Fgegen gekennzeichneten Pfeil angedeutet sein soll. Durch den relativ zum Verstärkerkörper 20 größeren Verfahrweg des Druckstangenkolbens 30 wird das Federelement 120 entspannt, was einen ungewollten, fallenden Verlauf der Gegenkraft gegen den (hier nicht dargestellten) Kolben zur Folge hat.
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Ein Sensorelement 31 dient zur Messung des zurückgelegten Weges des Druckstangenkolbens 30, wobei die dadurch bereitgestellte Information beispielsweise einem Fahrassistenzsystem und/oder einer Steuerung des Motors M bereitgestellt werden kann.
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4A und 4B entsprechen den in 2A und 2B dargestellten Situationen (d.h. 4A: unbetätigter Zustand des Bremskraftverstärkers 10, und 4B: betätigter Zustand des Bremskraftverstärkers 10), jedoch mit dem Unterschied, dass in 4A und 4B statt des Bezugspunkteinrichtungs-Abschnitt 170 jeweils das zweite Federelement 180 dargestellt ist, welches in sich abstützender Weise zwischen Stoppelement 160 und Abschnitt 170 angeordnet bzw. verspannt ist.
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Der Unterschied zu der in 2A und 2B dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die Federkraft des zweiten Federelements 180 anders als bei der in 4A und 4B dargestellten Ausführungsform, der Verringerung der Federkraft des Federelements 120 entgegenwirkt und so ein unerwünschtes Abfallen der Gegenkraft gegen den Druckstangenkolben 30 vermieden wird. Durch geeignete Wahl der Federeigenschaften des zweiten Federelements 180 lässt sich der vom Fahrer wahrgenommene Kraftverlauf entsprechend einstellen.
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4A und 4B entsprechen den in 2A und 2B dargestellten Situationen (d.h. 4A: unbetätigter Zustand des Bremskraftverstärkers 10, und 4B: betätigter Zustand des Bremskraftverstärkers 10), jedoch mit dem Unterschied, dass in 4A und 4B zusätzlich zum zweiten Federelement 180 jeweils ein fester Anschlag in der Form eines von dem Abschnitt 170 hervorstehenden Vorsprungs 190 dargestellt ist.
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Dieser Vorsprung 190 kann beispielsweise ein fixierbarer Gewindebolzen sein, so dass eine weitere Einstellmöglichkeit des Anschlags besteht, welcher entsprechend den Bedürfnissen des Fahrers einstellbar ist, oder zum Einstellen einer definitiven Endlage des Druckstangenkolbens 30 im unbetätigten Zustand genutzt werden kann.
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Das zweite Federelement 180 in 2A bis 4B kann mit einem Ende entweder am Stoppelement 160 oder am Abschnitt 170 befestigt sein, wie oben bereits erwähnt wurde.
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Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass sich aufgrund der Elastizität der so genannten "Reaction Disc" ein Vorsprung 200 (siehe 2B und 4B) bildet, gegen den der Druckstangenkolben 30 im betätigten Zustand stößt bzw. diesen kontaktiert, um so die aufgebrachte Kraft Fin 130 zu übertragen (Fout 140). Dabei kann das zweite Federelement 180 und/oder das erste Federelement 110 so gewählt werden, dass die den Fahrer unterstützende Kraftkomponente unterhalb, auf oder oberhalb des so genannten Jump-In-Punktes (d.h. Kontaktzeitpunkt zwischen Reaction Disc und Druckstangenkolben 30) zu Null wird.
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Es sei noch bemerkt, dass die dargestellten Dimensionen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/059259 A1 [0002, 0005]
- DE 10327553 A1 [0006]
- DE 102005024577 A1 [0006]
- US 6574959 B2 [0006]
- DE 10255198 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Dr.-Ing. B. Witte, Dr.-Ing. T. Barthenheier: „eBKV-der Elektromechanische Bremskraftverstärker), VDI Berichte NR.2000/2007 [0006]
