DE102013222087A1

DE102013222087A1 - Niederdruckspeicher für ein hydraulisches Bremssystem und Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage

Info

Publication number: DE102013222087A1
Application number: DE201310222087
Authority: DE
Inventors: Frank Sikorski; Joachim Hanke
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Elektrofahrzeuge bzw. Hybridfahrzeuge sind einerseits mit einem hydraulischen Bremssystem und andererseits mit einem Rekuperationsbremssystem verbunden, das es erlaubt, einen Teil der abzubauenden Bewegungsenergie als elektrische Ladung zu speichern. Der Niederdruckspeicher eines solchen Bremssystems sollte eine Rückstellfeder (10) aufweisen, die eine möglichst kleine Rückstellkraft aufweist. Andererseits soll diese nicht zu klein sein, damit eine sichere Entleerung des Niederdruckspeichers nach einem Bremsvorgang erfolgen kann. Die Erfindung schlägt daher vor, die wirksame Rückstellkraft der Rückstellfeder (10) des Niederdruckspeichers zu variieren. Hierzu werden zwei Ausführungen beschrieben. In einer Ausführung wird die Vorspannung der sich auf den Speicherkolben (3) abstützenden Rückstellfeder (10) geändert, indem ein schraubbarer Deckel (9) als Widerlager für die Rückstellfeder (10) vorgesehen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Niederdruckspeicher für ein hydraulisches Bremssystem mit einer Trenneinheit, die an ihrer Vorderseite eine Speicherkammer begrenzt und mit einer Rückstellfeder, die die Trenneinheit in Richtung auf ein kleines Speicherkammervolumen belastet, um den Speicherdruck in der Speicherkammer zu bestimmen, und mit Mitteln zur Verstellung der wirksamen Kraft der Rückstellfeder.
Ein derartiger Niederdruckspeicher ist in der DE 10 212 018 956 A1 beschrieben, bei der die Trenneinheit durch einen Speicherkolben und die Rückstellfeder als Zylinderfeder ausgebildet sind. Ein solcher Niederdruckspeicher kommt insbesondere bei rekuperativen Bremsanlagen für Elektro- oder Hybridfahrzeugen zum Einsatz. Mit Hilfe eines Generators wird zumindest ein Teil der Bewegungsenergie des Fahrzeuges in Form von elektrischer Energie gespeichert. Bei einer rekuperativen Bremsung wird ein Teil der Bremsflüssigkeit des hydraulischen Bremssystems des Fahrzeuges in einen Niederdruckspeicher geleitet, um den hydraulischen Bremsdruck zu senken, damit ein Großteil der Bremswirkung durch die Rekuperation der Bewegungsenergie realisiert werden kann. Die Größe dieses Anteils hängt von verschiedenen Faktoren ab, je nach Aufbau des verwendeten Bremssystems ist einer der begrenzenden Faktoren die Stärke der Rückstellfeder des Niederdruckspeichers, diese bestimmt nämlich den minimal möglichen Radbremsdruck. Um den Wirkungsbereich des Generators möglichst voll auszuschöpfen, sollte die Rückstellfeder des Niederdruckspeichers möglichst schwach ausgelegt werden, so dass der verbleibende hydraulische Druck in den Radbremsen möglichst klein ist und damit ein möglichst großer Anteil der Bewegungsenergie des Fahrzeuges durch den Generator rekuperiert werden kann. Andererseits muss aber sichergestellt werden, dass durch eine ausreichende Vorspannung der Rückstellfeder der Speicher nach einem geregelten Bremsvorgang wieder vollständig geleert wird. Damit dies auch bei niedrigen Umgehungstemperaturen sichergestellt ist, bei denen die Bremsflüssigkeit zähflüssig ist, ist eine bestimmte Mindestrückstellkraft zu realisieren.
In der DE 10 212 018 956 A1 wird ein Niederdruckspeicher beschrieben, der zwar eine Rückstellfeder aufweist, die aber erst nach einem relativ großen Leerweg des Speicherkolbens wirksam wird, so dass der Niederdruckspeicher Druckmittel aufnehmen kann, ohne dass ein Speicherdruck aufgebaut wird. Die Entleerung erfolgt über einen Aktuator, der mit dem Speicherkolben gekoppelt ist und diesen in seine Ausgangsposition zurückdrückt, wenn ein Bremsvorgang beendet ist. Der Leerweg ist so hoch bemessen, dass die Rückstellfeder nur bei sehr starken Bremsungen wirksam wird, bei denen der Niederdruckspeicher zuvor ein großes Volumen aufgenommen hat.
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass eine Leerung des Speichers nur erfolgen kann, wenn der Aktuator mit Strom versorgt werden kann. Bei Störungen im elektrischen System des Fahrzeuges oder bei einer sonstigen Störung des Aktuators kann die Leerung ausbleiben, so dass die Bremsflüssigkeit im Speicher verbleibt, was eine folgende Bremsung nachteilig beeinflussen kann.
Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, einen möglichst einfach aufgebauten Niederdruckspeicher zur Verfügung zu stellen, der Bremsflüssigkeit bei einem geringen Druck aufzunehmen vermag und nach einer Bremsung sich sicher leert.
Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass die Rückstellfeder an der Trenneinheit abgestützt ist und die Mittel zur Verstellung der wirksamen Kraft der Rückstellfeder einen Aktuator aufweisen.
Diese Ausgestaltung des Niederdruckspeichers erlaubt es, den Druck, bei dem der Niederdruckspeicher die Bremsflüssigkeit aufnimmt, zu variieren, ohne dass die Fähigkeit der Selbstentleerung beeinflusst wird.
Da die Rückstellfeder unmittelbar an der Trenneinheit abgestützt ist und somit kein Leerweg vorliegt, wird sichergestellt, dass die Rückstellfeder auf Grund ihrer Vorspannung die Trenneinheit auf eine von der Stromversorgung unabhängigen Weise nach einer Bremsung in ihre Grundposition, bei der das Speicherkammervolumen minimal ist, drücken kann.
Die Trenneinheit kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Es kann sich zum Beispiel um einen Speicherkolben handeln, der in einem zylindrischen Gehäusekanal (Bohrung) geführt ist. Denkbar wäre auch eine Membran. Auch die Rückstellfeder kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein. Bei einem Speicherkolben kommt in der Regel eine Zylinderfeder zum Einsatz. Eine Membran wird im Allgemeinen vom Druck in einer mit einem Gas gefüllten Kammer belastet.
Des Weiteren sind Mittel vorhanden, mit denen die wirksame Kraft der Rückstellfeder im laufenden Betrieb mittels eines Aktuators geändert werden kann. Zeichnet sich somit eine rekuperative Bremsung ab, so kann z. B. die Vorspannkraft gemindert werden, so dass der Speicher ohne großen Gegendruck Druckmittel aufnehmen kann. Zur Entleerung des Speichers wird die Vorspannkraft wieder erhöht.
Für eine hydraulische Bremsanlage wird vorzugsweise ein in einem Gehäuse in axialer Richtung geführter Speicherkolben vorgesehen, der an seiner Vorderseite die Speicherkammer begrenzt, wobei die Rückstellfeder an der Rückseite des Speicherkolbens zwischen dem Speicherkolben und einem Deckel des Gehäuses angeordnet und am Deckel und am Speicherkolben abgestützt ist.
Dazu wird erfindungsgemäß der Deckel gegenüber dem Gehäuse in axialer Richtung mittels des Aktuators versetzbar ausgebildet.
Am einfachsten lässt sich die Versetzbarkeit dadurch realisieren, dass das Gehäuse ein Gewinde und der Deckel ein dazu passendes Gegengewinde aufweist, so dass darüber das Gehäuse und der Deckel miteinander verschraubt sind und dass der Aktuator drehend auf den Deckel einwirkt. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen dem Deckel und dem Boden des Speichers verändert, was eine entsprechende Anpassung der Vorspannkraft der Rückstellfeder zur Folge hat. Bei dieser Ausführung ist die wirksame Kraft der Rückstellfeder durch ihre Vorspannung bestimmt. Dabei ist der Aktuator so auszulegen, dass er selbstrückstellend ist, soweit der Aktuator einen Elektromotor ausweist, ist jener so auszulegen so auszulegen, dass er selbstrückstellend ist, wenn der Elektromotor stromlos geschaltet wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die wirksame Kraft aber auch dadurch beeinflusst werden, dass die Rückstellfeder am Speicherkolben abgestützt ist und ein auf den Speicherkolben einwirkender Aktuator vorgesehen ist und dass parallel zur Rückstellfeder zwischen dem Speicherkolben und dem Aktuator eine einseitig wirkende Freilaufkupplung vorgesehen ist, die so ausgelegt ist, dass sie greift, wenn der Speicherkolben von dem Aktuator in Richtung auf den Deckel gezogen wird.
Die einseitig wirkende Freilaufkupplung ist so gestaltet, dass jedenfalls die freie Beweglichkeit des Speicherkolbens im Sinne einer Erhöhung des Speicherkammervolumens nicht durch den Aktuator behindert wird.
Der Aktuator bringt dabei eine der Federkraft entgegen wirkende Kraft auf den Speicherkolben auf, um die effektive Federkraft zu mindern. Vorzugsweise ist der Aktuator so ausgelegt, dass die auf den Speicherkolben wirkende Rückstellfederkraft entweder um einen Anteil gemindert oder gerade komplett kompensiert werden kann. Die auf den Speicherkolben einwirkende resultierende Kraft ist daher gemindert bzw. vollständig aufgehoben, so dass der Niederdruckspeicher beim Befüllen keinen oder nur einen geringen Gegendruck aufbaut. Auf diese Weise wird das Erzeugen eines Unterdrucks – was möglich wäre, wenn der Aktuator stärker ist als die Feder – aus Sicherheitsgründen immer und zuverlässig vermieden, weil als resultierende Kraft immer eine Restkraft in Richtung eines kleineren Speichervolumens bleibt.
Da ggf. eine Freilaufkupplung dafür sorgt, dass der Speicherkolben im Sinne einer Erhöhung des Speicherkammervolumens und unter Zusammendrücken der Rückstellfeder bewegt werden kann, kann deren Vorspannung relativ hoch gewählt werden, so dass eine sichere Entleerung gegeben ist.
Eine solche Freilaufkupplung wird am einfachsten dadurch realisiert, dass der Speicherkolben und der Aktuator über eine geteilte Stange miteinander verbunden sind, wobei die einander zugewandten Enden der Teilstücke der Stange sich gegenseitig hintergreifen.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage mit einer Einrichtung zur Rekuperation der Bremsenergie und mit einem einen Speicherkolben aufweisenden Niederdruckspeicher, wobei eine Rückstellfeder zur Bestimmung des Speicherdrucks auf die Trenneinheit (den Speicherkolben) einwirkt.
Wie oben erwähnt, wird im Falle einer Rekuperation die Wirkung der Rückstellfeder auf die Trenneinheit gesenkt, wobei in der Grundstellung die Vorspannung der Rückstellfeder so gewählt ist, dass eine sichere Entleerung des Speichers nach einem Bremsvorgang erfolgen kann.
In der ersten oben beschriebenen Ausführung wird die Senkung der Wirkung der Rückstellfeder auf den Speicherkolben dadurch erzielt, dass der Deckel vom Aktuator derart versetzt wird, so dass er sich vom dem Speicherkolben gegenüberliegenden Boden der Speicherkammer entfernt.
Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführung wird die Senkung dadurch erreicht, dass der Speicherkolben von dem Aktuator in Richtung auf den Deckel, das heißt, in Richtung auf ein maximales Speicherkammervolumen, gezogen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen die
1 eine erste Ausführung der Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Niederdruckspeichers und
2 eine zweite Ausführung der Erfindung gemäß einer schematischen Darstellung eines Niederdruckspeichers.
Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen:
Es ist ein hydraulischer Block 1 gezeigt, der in der Regel aus einem Metall besteht. Dieser Block 1 nimmt Ventile und Pumpen des Bremssystems auf. In einer Seitenwand des Blocks 1 befindet sich eine zylindrische Ausnehmung 2, die einen Speicherkolben 3 aufnimmt, der die Form eines Topfes hat, wobei die Unterseite 4 des Topfes dem Boden 5 der Ausnehmung 2 gegenüberliegt, so dass zwischen dem Boden 5 und der Unterseite 4 eine Speicherkammer 6 ausgebildet ist, die über eine Bohrung 7 im Block 1 mit einem hier nicht näher gezeigten Bremskreis in Verbindung steht.
Außen am Block 1 befindet sich in der Verlängerung der Ausnehmung 2 ein zylindrischer Stutzen 8. An der Außenseite des Stutzens 8 befindet sich ein Außengewinde. Darauf ist ein mit einem Innengewinde versehener Deckel 9 aufgeschraubt. Zwischen dem Deckel 9 und dem Boden des Speicherkolbens 3 ist eine Rückstellfeder 10 angeordnet. Die Rückstellfeder 10 wirkt auf den Speicherkolben 3 derart ein, so dass dieser eine Grundposition einnimmt, in der die Speicherkammer 6 ihr minimales Volumen aufweist. Die Vorspannung der Rückstellfeder 10 ist so gewählt, dass sie in der Lage ist, nach einem Bremsvorgang die Bremsflüssigkeit aus der Speicherkammer 6 über eine Bohrung 7 in den dann drucklosen Bremskreis zurückzuführen.
Da der Deckel 9 auf den Stutzen 8 aufgeschraubt ist, kann durch eine Drehung des Deckels 9 dieser vor und zurückgeschraubt werden, so dass sich seine relative Position zum Boden 5 der Ausnehmung und damit die Vorspannung der Rückstellfeder 10 ändert. Die Drehung kann z. B. durch einen Aktuator in Form eines Elektromotors erfolgen, der hier nicht näher dargestellt ist.
Um sicher zu stellen, dass auch bei Ausfall einer Stromversorgung der Deckel eine Position einnimmt, in der die Rückstellfeder 10 ihre höchste Vorspannkraft hat, kann an den Deckel 9 eine weitere Feder, z.B. in Form einer Spiralfeder, in Umfangsrichtung angreifen, die den Deckel 9 in die eingeschraubte Position dreht.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung. Der Deckel 9 ist hier einstückig mit dem Stutzen 8 ausgeführt, so dass die Vorspannkraft der Rückstellfeder 10 im Prinzip gleich bleibt. Allerdings befindet sich an der Außenseite des Deckels ein Aktuator 11, der über eine geteilte Stange 12 mit dem Boden des Speicherkolbens 3 verbunden ist. Die Enden der Teilstücke der Stange 12 sind in Form von Haken 13a, b ausgeführt, die sich hintergreifen. Solange der Aktuator 11 unbetätigt bleibt, wird der Speicherkolben 3 beim Füllen der Speicherkammer 6 unter Zusammendrückung der Rückstellfeder 10 frei in Richtung auf den Deckel 9 bewegt, wobei sich die Haken 13a, b voneinander lösen. Die Rückstellfeder 10 übt dabei eine Kraft entsprechend ihrer Vorspannung aus den Speicherkolben 3 aus, wodurch der Druck der Bremsflüssigkeit in der Speicherkammer bestimmt wird.
Bei einer Betätigung des Aktuators 11, bei dem es sich z. B. um einen elektromagnetischen Aktuator 11 handelt, wird der Speicherkolben 3 in Richtung auf den Deckel 9 gegen die Kraft der Rückstellfeder gezogen. Die Rückstellfeder 10 übt dabei zwar auch eine Kraft auf den Speicherkolben 3 aus, diese wird durch den Zug auf die Stange 12 kompensiert, so dass der Druck in der Speicherkammer 6 nicht allein von der Rückstellfeder 10 bestimmt wird. Soweit der Speicher über den Wirkungsbereich des Aktuators hinaus gefüllt wird, wird der Speicherdruck wieder von der Kraft der Rückstellfeder bestimmt.
Bei einer Rekuperationsbremsung wird die wirksame Kraft der Rückstellfeder 10 verändert. Dies erfolgt gemäß der Ausführung nach 1, indem der Deckel 9 zurück geschraubt wird, um damit vom Boden 5 der Ausnehmung 2 entfernt wird, wodurch sich die Vorspannung der Rückstellfeder 10 und damit ihre Kraftwirkung auf den Speicherkolben 3 ändert. Der Speicherdruck und damit der Gegendruck während des Füllens des Speichers richten sich nach der wirksamen Federkraft, die in dieser Variante über die Verstellung der Vorspannung reduziert wird.
Gemäß der Ausführung 2 erfolgt die Reduzierung der Wirkung der Rückstellfeder 10, indem der Speicherkolben von dem Aktuator 11 gegen die Kraft der Rückstellfeder 10 zurückgezogen wird, wodurch die Rückstellfeder 10 in soweit in Bezug auf den sich in der Speicherkammer einstellenden Druck wirkungslos gestellt wird. Die Aufnahmefähigkeit der Speicherkammer 6 wird somit vom Betätigungsweg des Aktuators 11 und darüber hinaus durch die Kraft der Rückstellfeder bestimmt. Der Speicherdruck und damit der Gegendruck während des Füllens des Speichers richten sich nach der wirksamen Federkraft, die in dieser Variante über die zusätzliche Gegenkraft reduziert ist.
Sobald der Aktuator 11 stromlos gestellt wird, kann die Rückstellfeder 10 den Speicherkolben 3 wieder in die Grundposition zurückdrücken.
Vorzugsweise wird die Rückstellfeder so ausgelegt, dass der Öffnungsdruck des Niederdruckspeichers bei etwa 3 bar liegt, um ein selbsttätiges Entleeren Des Niederdruckspeichers sicherzustellen. Der Aktuator wird idealerweise so ausgelegt, dass der Öffnungsdruck bei einer durch den Aktuator reduzierten Rückstellkraft bei etwa 0,5 bar liegt. Bei einem solchen Wert liegt der rekuperierbare Anteil an der Bewegungsenergie bei über 90 %.
Bezugszeichenliste

1: Block
2: Ausnehmung
3: Speicherkolben
4: Unterseite
5: Boden
6: Speicherkammer
7: Bohrung
8: Stutzen
9: Deckel
10: Rückstellfeder
11: Aktuator
12: Stange
13a: Haken
13b: Haken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10212018956 A1 [0002, 0003]

Claims

Niederdruckspeicher für ein hydraulisches Bremssystem mit einer Trenneinheit (3), die an ihrer Vorderseite eine Speicherkammer (6) begrenzt und mit einer Rückstellfeder (10), die die Trenneinheit (3) in Richtung auf ein kleines Speicherkammervolumen belastet, um den Speicherdruck in der Speicherkammer (6) zu bestimmen, und mit Mitteln zur Verstellung der wirksamen Kraft der Rückstellfeder (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (10) an der Trenneinheit abgestützt ist und die Mittel zur Verstellung der wirksamen Kraft der Rückstellfeder (10) einen Aktuator (11) aufweisen.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit ein in einem Gehäuse in axialer Richtung geführter Speicherkolben (3) ist, der an seiner Vorderseite die Speicherkammer (6) begrenzt, dass die Rückstellfeder (10) an der Rückseite des Speicherkolbens (3) zwischen dem Speicherkolben (3) und einem Deckel (9) des Gehäuses angeordnet und am Deckel (9) abgestützt ist, und dass die Rückstellfeder (10) am Speicherkolben (3) abgestützt ist.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (9) gegenüber dem Gehäuse in axialer Richtung mittels des Aktuators (11) versetzbar ist.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Gewinde und der Deckel (9) ein dazu passendes Gegengewinde aufweist, so dass darüber das Gehäuse und der Deckel (9) miteinander verschraubt sind, und dass der Aktuator (11) drehend auf den Deckel (9) einwirkt.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit ein in einem Gehäuse in axialer Richtung geführter Speicherkolben (3) ist, dass die Rückstellfeder (10) am Speicherkolben (3) abgestützt ist und ein auf den Speicherkolben (3) einwirkender Aktuator (11) vorgesehen ist und dass parallel zur Rückstellfeder (10) zwischen dem Speicherkolben (3) und dem Aktuator (11) eine einseitig wirkende Freilaufkupplung vorgesehen ist, die so ausgelegt ist, dass sie greift, wenn der Speicherkolben (3) von dem Aktuator (11) in Richtung auf den Deckel (9) gezogen wird.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator so ausgelegt ist, dass die auf den Speicherkolben wirkende Rückstellfederkraft entweder um einen Anteil gemindert oder gerade komplett kompensiert werden kann.
Niederdruckspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkolben (3) und der Aktuator (11) über eine geteilte Stange (12) miteinander verbunden sind, wobei die einander zugewandten Enden der Teilstücke der Stange (12) sich gegenseitig hintergreifen.
Verfahren zum Betreiben einer Bremsanlage mit einer Einrichtung zur Rekuperation der Bremsenergie und mit einem einen Trenneinheit (3) aufweisenden Niederdruckspeicher, wobei eine Rückstellfeder (10) zur Bestimmung des Speicherdrucks auf die Trenneinheit (3) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Rekuperation die Wirkung der Rückstellfeder (10) auf die Trenneinheit (3) gesenkt wird, wobei in der Grundstellung die Vorspannung der Rückstellfeder (10) so gewählt ist, dass eine sichere Entleerung des Niederdruckspeicher nach einem Bremsvorgang erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Niederdruckspeicher nach einem der Ansprüche 3 oder 4 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Senkung der Wirkung der Rückstellfeder (10) auf den Speicherkolben (3) der Deckel (9) vom Aktuator (11) derart versetzt wird, so dass er sich vom der dem Speicherkolben (3) gegenüberliegenden Boden (5) der Speicherkammer (6) entfernt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Niederdruckspeicher nach einem der Ansprüche 5 oder 6 ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Senkung der Wirkung der Rückstellfeder (10) auf den Speicherkolben (3) der Speicherkolben (3) von dem Aktuator (11) in Richtung auf den Deckel (9) gezogen wird.