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Die Erfindung betrifft eine elektronisch gesteuerte Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem vor einer Schraubenfeder abgestützten Bremspedal.
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Schraubenfedern sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, wobei durch eine Veränderung des Drahtdurchmessers entlang der Schraubenfeder die Federcharakteristik variiert werden kann.
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Die Federcharakteristik, welche durch ein Weg-Kraft-Diagramm bestimmt werden kann, kann darüber hinaus auch durch eine Veränderung des Abstandes zwischen den Windungen sowie den Durchmesser der einzelnen Windungen verändert und angepasst werden. So beschreibt die
US 4 111 407 eine konische Druckfeder, welche bei einer Komprimierung eine konstante Federrate aufweist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei einer konischen Form sowohl der Durchmesser der Windungen als auch der Drahtdurchmesser derart kontinuierlich abnehmen, dass die gesamte Feder bei einer vollständigen Komprimierung auf die Höhe der größten Windung zusammengedrückt ist.
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Aus der
DE 37 754 A ist eine Schraubenfeder zur mechanischen Abstützung eines Gefährtes bekannt, die zwei Bereiche mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern aufweist, wobei innerhalb von weniger als zwei Windungen ein kontinuierlicher Übergang der Durchmesser stattfindet.
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Die
DE 20 00 472 A offenbart eine Feder, welche sich ausgehend von einem Mittelabschnitt in Richtung ihrer beiden Enden kegelstumpfförmig verjüngt, wobei zu den Enden auch der Drahtdurchmesser kontinuierlich abnimmt. Je nach Ausführung der Feder kann entweder eine lineare oder eine teilweise lineare, teilweise progressive Kennlinie erreicht werden, wobei bei der Höchstbelastung die Windungen in Form einer Spirale ineinander liegen. Eine Schraubenfeder aus einem Draht mit variablem Drahtdurchmesser und ähnlichen Eigenschaften ist aus der
DE 1 934 984 A bekannt, wobei dort die Schraubenfeder eine einfache Kegelstumpfform aufweist.
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Schließlich ist aus der
DE 28 56 632 A1 eine zylindrische Schraubendruckfeder aus einem Draht mit variablem Drahtdurchmesser bekannt, bei der der Drahtdurchmesser im Bereich der Enden erhöht ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug ein ausgeprägtes zweistufiges Verhalten nachzuempfinden.
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Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist eine elektronisch gesteuerte Bremsanlage gemäß Anspruch 1.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich der Mittelabschnitt über weniger als 25 % der Gesamtlänge erstreckt, wobei das Verhältnis zwischen der ersten Querschnittsfläche QM1 und der zweiten Querschnittsfläche QM2 zumindest 2,5 : 1, insbesondere 3 : 1, beträgt.
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Die Erfindung lehrt damit eine Ausgestaltung einer Schraubenfeder, die an dem Mittelabschnitt eine abrupte Änderung des Drahtdurchmessers aufweist, wodurch sich auch die Federcharakteristik entsprechend ändert. Mit der vorliegenden Erfindung kann damit eine Schraubenfeder, insbesondere eine Druckfeder, bereitgestellt werden, welche in einen Kraft-Weg-Diagramm Bereiche mit deutlich unterschiedlichen Federcharakteristiken aufweisen können.
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Insbesondere kann eine Art zweistufiges Verhalten erreicht werden, wie es beispielsweise bei einer Anordnung von zwei unterschiedlichen Federn hintereinander beobachtet wird, wobei jedoch durch den erfindungsgemäßen kurzen Mittelabschnitt ein stetiger, stufenloser Übergang bereitgestellt wird.
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Beispielsweise können entlang der Kennlinie lineare Bereiche oder im Wesentlichen lineare Bereiche vorhanden sein, wobei die für die beiden Teilbereiche bestimmten Federkonstanten um zumindest einen Faktor 5 auseinander liegen.
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Im Gegensatz zu dem Einsatz von zwei separaten Federn ergibt sich der Vorteil, dass ein einziges, zusammenhängendes Element bereitgestellt wird, welches leicht gehandhabt werden kann und darüber hinaus zwar einen abrupten, jedoch stetigen Übergangsbereich aufweist.
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Der Mittelabschnitt kann sich insbesondere über zwei oder weniger als zwei Windungen erstrecken, wobei dann für die Herstellung der Schraubenfeder geeignete, speziell ausgewählte Herstellungsverfahren gewählt werden können. So ist es gerade bei der beschriebenen, abrupten Änderung des Drahtquerschnittes schwierig, die aufeinander folgenden Windungen der Schraubenfeder frei zu Winden, weshalb die Schraubenfeder vorzugsweise auf einen Kern gewickelt wird, was gerade für vergleichsweise kleine Schraubenfedern unüblich ist.
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Darüber hinaus werden die Änderungen des Drahtquerschnittes zweckmäßigerweise durch ein spanabhebendes Schälen des Drahtes gebildet, wobei der Draht beim Schälen gezogen wird. Die Vortriebgeschwindigkeit des Drahtes, die Zugkräfte und die spanabhebende Bearbeitung sind dann in besonderem Maße anzupassen, um über eine vergleichsweise kurze Länge der Schraubenfeder und damit eine vergleichsweise kurze Länge des die Windungen bildenden Drahtes eine geeignete Durchmesseränderung zu erreichen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Drahtquerschnitt entlang des gesamten ersten Endabschnittes gleich der ersten Querschnittsfläche QM1 ist und dass der Drahtquerschnitt entlang des gesamten zweiten Endabschnittes gleich der zweiten Querschnittsfläche QM2 ist. Die beiden Endabschnitte bilden dann für sich betrachtet herkömmliche, klassische Federabschnitte, die - zumindest zu Beginn ihrer Komprimierung - auch eine herkömmliche, im Wesentlichen lineare Federcharakteristik aufweisen.
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Die beiden Endabschnitte erstrecken sich vorzugsweise jeweils über 20 % bis 70 % der Gesamtlänge.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder einen konstanten Innendurchmesser aufweist. Eine solche Ausführung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Draht bei der Herstellung auf ein Kern gewickelt wird. Die Schraubenfeder kann dann auf besonders einfache Weise von dem Kern entfernt werden. Im Rahmen der beschriebenen Ausgestaltung wird also darauf verzichtet, durch eine Variation des Innendurchmessers eine weitere Anpassung der Federcharakteristik zu ermöglichen, wobei bei einem konstanten Innenmesser die einzelnen Windungen bei einer vollständigen Komprimierung der Schraubenfeder auf Block liegen.
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Die erfindungsgemäße Schraubenfeder wird dazu eingesetzt, um mechanische Systeme mit einem ausgeprägten zweistufigen Verhalten nachzuempfinden. Konkret kann die Schraubenfeder im Kraftfahrzeugbereich beispielsweise zur Abstützung eines Bremspedals benutzt werden, um bei einer elektronisch gesteuerten Bremsanlage das mechanische Verhalten einer hydraulischen Bremsanlage nachzuempfinden.
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Entsprechende Systeme werden in der Praxis auch als „brake-by-wire“ bezeichnet. So ist es bei einer hydraulischen Bremsanlage bekannt, dass über einen ersten Pedalweg für einen Benutzer nur ein relativ leichter Widerstand vorhanden ist, wobei jedoch bereits eine erste, leichte Bremswirkung einsetzt. Bei einer starken Abbremsung, also einer starken Betätigung des Bremspedals einer hydraulischen Bremse steigt dann der Widerstand überproportional an, wobei aber weiterhin eine gewisse Dosierbarkeit vorhanden bleibt. Das beschriebene Verhalten lässt sich durch ein Weg-Kraft-Diagramm mit zwei unterschiedlichen Steigungen beschreiben, wobei jedoch bei einem hydraulischen System ein gewisser weicher, abgerundeter Übergang vorhanden ist.
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Genau dieses Verhalten kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schraubenfeder nachempfunden werden, so dass sich für einen Benutzer ein gewohntes, subjektiv sicheres Bremsgefühl ergibt.
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Eine möglichst genaue Nachbildung einer hydraulischen Bremse ist auch vor dem Hintergrund von Vorteil, dass erprobte Systeme wie Bremsassistenten oder dergleichen auf das Benutzerverhalten an herkömmlichen hydraulischen Bremsen angepasst sind und nur dann ohne Weiteres auf eine elektronische Bremse übertragen werden können, wenn die Kennlinienverläufe vergleichbar sind.
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Die Schraubenfeder weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine erste Querschnittsfläche QM1 zwischen 12 mm2 und 50 mm2 beträgt, wobei die zweite Querschnittsfläche QM2 zwischen 2 mm2 und 12 mm2. Gemäß der allgemeinen Lehre der vorliegenden Erfindung sind die Querschnittsflächen jedoch auch unter Berücksichtigung dieser Parameterbereiche so auszuwählen, dass stets das Verhältnis der ersten Querschnittsfläche QM1 zur zweiten Querschnittsfläche QM2 zumindest 2 : 1, vorzugsweise 2,5 : 1, besonders bevorzugt zumindest 3 : 1 beträgt.
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Insbesondere bei den angegebenen Querschnittsflächen kann die Gesamtlänge der Schraubenfeder zwischen 35 mm und 130 mm betragen, wobei dann der Federweg üblicherweise bei einem Wert zwischen 5 mm und 30 mm liegen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schraubenfeder einer erfindungsgemäßen Bremsanlage in einer Seitenansicht,
- 2 die Schraubenfeder gemäß der 1 in einem Längsschnitt,
- 3 eine schematische Darstellung des Drahtes aus dem die Schraubenfeder der 1 auf einem Kern gewickelt wird,
- 4 eine Kennlinie der Schraubenfeder gemäß der 1.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraubenfeder mit in einer Längsrichtung aufeinander folgenden Windungen aus einem Draht mit variablem Drahtdurchmesser.
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Die 2 zeigt die gleiche Schraubenfeder in einem Längsschnitt, wobei der Drahtquerschnitt erkennbar ist.
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Aus den 1 und 2 ergibt sich, dass die Schraubenfeder aufeinanderfolgend einen ersten Endabschnitt 1, einen Mittelabschnitt 2 sowie einen zweiten Endabschnitt 3 aufweist. An dem ersten Endabschnitt 1 weist die Schraubenfeder gemäß der 2 einen konstanten Drahtquerschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche QM1 auf, während an dem zweiten Endabschnitt 3 ein konstanter Drahtquerschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche QM2 vorgesehen ist.
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Als Mittelabschnitt 2 ist dabei ein Bereich zwischen dem ersten Endabschnitt 1 und dem zweiten Endabschnitt 3 definiert, an dem sich die Querschnittsfläche in einem Verhältnis von mehr als 2 : 1 verändert. An dem Mittelabschnitt 2 verringert sich der Drahtquerschnitt von der ersten Querschnittsfläche QM1 kontinuierlich zu der zweiten Querschnittsfläche QM2 , wobei sich dieser Mittelabschnitt 2 erfindungsgemäß über weniger als 30 %, in dem Ausführungsbeispiel über etwa weniger als 20 % der in Längsrichtung bestimmten Gesamtlänge erstreckt.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Endabschnitt 1 über etwa 50 % der Gesamtlänge, während sich der zweite Endabschnitt 3 über etwa 30 % der Gesamtlänge erstreckt. Die erste Querschnittsfläche QM1 kann beispielsweise zwischen 12 mm2 und 50 mm2 betragen, während die zweite Querschnittsfläche QM2 zwischen 2 mm2 und 12 mm2 beträgt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Drahtdurchmesser an der ersten Querschnittsfläche QM1 etwa 6 mm, während der Drahtdurchmesser an der zweiten Querschnittsfläche QM2 etwa 3 mm beträgt.
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Ausgehend von einen konstanten Innendurchmesser von beispielsweise 13 mm ergibt sich durch den variablen Drahtdurchmesser an dem ersten Endabschnitt 1 ein Außendurchmesser von ca. 25 mm und an dem zweiten Endabschnitt 3 ein Außendurchmesser von ca. 19 mm. Die Federlänge beträgt 50 mm, wobei der gesamte Federweg etwa 9 mm beträgt, bis sämtliche Windungen auf Block liegen.
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Die 3 zeigt exemplarisch den abgewickelten bzw. noch nicht zu der Schraubenfeder auf einen Kern gewickelten Draht mit einem variablen Drahtdurchmesser. Ein erster Drahtabschnitt I weist die erste Querschnittsfläche QM1 auf, wobei daran ein zweiter Drahtabschnitt II anschließt, an dem der Drahtquerschnitt von der ersten Querschnittsfläche QM1 kontinuierlich bis zu der zweiten Querschnittsfläche QM2 abnimmt, so dass der zweite Drahtabschnitt II kegelstumpfförmig verläuft. Schließlich weist ein dritter Drahtabschnitt III einen konstanten Drahtquerschnitt mit der zweiten Querschnittsfläche QM2 auf.
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Während aus dem ersten Drahtabschnitt I der erste Endabschnitt 1 und aus dem dritten Drahtabschnitt III der zweite Endabschnitt 3 gebildet sind, wird der Mittelabschnitt 2 von dem zweiten Drahtabschnitt II gebildet.
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Die 4 zeigt qualitativ einen Kennlinienverlauf der Schraubenfeder gemäß der 1, wobei die für eine Komprimierung notwendige Kraft in relativen Einheiten über dem Federweg in Millimetern (mm) aufgetragen ist. Zu erkennen ist, dass einerseits in einem ersten Bereich A zwischen 0 und 2 mm sowie in einem zweiten Bereich B zwischen 4 und 8 mm jeweils ein nahezu lineares Verhalten beobachtet wird. Bei der Komprimierung in dem Bereich A zwischen 0 und 2 mm wird im Wesentlichen nur der zweite Endabschnitt 3 der erfindungsgemäßen Schraubenfeder zusammengedrückt, bis dieser auf Block liegt. Der zweite Bereich B bei einem Federweg zwischen 4 mm und 8 mm gibt im Wesentlichen das elastische Verhalten des ersten Endabschnittes 1 wieder, wobei die für den ersten Abschnitt A und dem zweiten Abschnitt B zu bestimmenden Federkonstanten sich um einen Faktor von mehr als 5 unterscheiden. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen, kurzen Mittelabschnitt 2 kann ein stetiger Übergangsbereich bereitgestellt werden.
