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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen, insbesondere zweikreisig aufgebauten Tandemhauptbremszylinder (THz) für eine hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Einem derartigen Hauptbremszylinder (THz) ist meist ein pneumatischer Bremskraftverstärker vorgeschaltet, welcher eine Verstärkungsfunktion ermöglicht. Die Einheit von Hauptzylinder und Bremskraftverstärker wird üblicherweise als Bremsgerät bezeichnet und ist eine Bestandteil eine Kraftfahrzeugbremsanlage.
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Tandem-Hauptbremszylinder sind bekannt. Für die korrekte Funktionsfähigkeit eines Tandem-Hauptbremszylinders ist es erforderlich, eine hydraulische Verbindung zwischen der Druckkammer und einem Druckmittelbehälter sowohl in einer Ausgangsstellung bzw. Neutralstellung bei einem ungebremsten Zustand, als auch kurzzeitig zu Beginn des Bremsvorganges bzw. zu Beginn der Bewegung des Kolbens sicherzustellen. Bei bekannten Bremsanlagen wird es zudem angestrebt, einen Pedalleerweg möglichst kurz zu halten um einen raschen Bremskraftaufbau nach einem möglichst geringen Zeitversatz zu erzielen.
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Aus
DE 102009054695 ist ein Sekundärkolben von Plunger-Tandemhauptbremszylindern bekannt, welcher zu diesem Zweck eine Kranz von axialen Nuten in seiner äußeren Mantelfläche aufweist, welche in einer einzigen gemeinsamen zum Ende des Kolbens entgegen der Kolbenbetätigungsrichtung nach Hinten parallel zum Kolbenrand versetzten Ebene bzw. Steuerkante beginnen und in der Kolbenstirnseite einmünden.
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Nachteile:
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Als Nachteilig bei bekannten Systemen wir unter Anderem angesehen, dass ein kurzer Pedalleerweg und nachfolgender steiler Druckanstieg derartiger Systeme zu empfindlichen Komforteinbußen führen kann, beispielsweise durch ein hartes, unangenehmes Pedalgefühl, odereiner höheren Geräuschentwicklung aufgrund eines abrupten Abbremsens eines an den THz gekoppelten des Bremskraftverstärkerkolbens bzw. Membrantellers mit Steuergehäuse.
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Es ist bekannt, dass dynamische Effekte infolge der Abbremsung der Innenteile eines Pneumatischen Bremskraftverstärkers zu Geräuschen führen können, wenn das einströmende Atmosphärenvolumen ad hoc zum Stillstand kommt, wenn diese gegen die hydraulische Säule der THz-Kammern auflaufen nachdem der hydraulische Schließweg im THz von den Kolben durchfahren wurde. Es kommt zu einem sogenannten Antrittsklopfen.
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Aufgabe:
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Es stellt sich daher eine Aufgabe, eine verbesserte Kraftfahrzeugbremsanlage anzubieten, welche unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile aus dem Stand der Technik kostengünstig eine sanfte, leise und dennoch ausreichend sicheren Bremseinleitung ermöglicht.
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Lösung und Vorteile:
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hauptbremszylinder mit der Merkmalskombination nach dem Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche und Figuren geben weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen an.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst dass die Nachlaufverbindungen als axiale Nuten ausgeführt sind, die auf der äußeren Mantelfläche des Kolbens angeordnet werden, wobei mit einem Ende jeweils an einer Steuerkante in der Mantelfläche des Kolbens auslaufen und die die Anordnung der Steuerkanten auf der Mantelfläche in einer Weise erfolgt, dass diese nicht alle auf einer einzigen umlaufenden Linie bzw. in einer Ebene liegen, sondern kaskadierend auf mehreren Ebenen verteilt angeordnet sind so dass bei einer Bewegung des Kolbens die Steuerkanten in Gruppen gestaffelt nacheinander durch die Dichtmanschette überfahren werden, was zu einem allmählichen, sukzessiven Schließen der Nuten führt.
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Je nach gewünschtem Schließverhalten kann dabei der Abstand der Steuerkanten zueinander in größeren oder kleineren Abständen definiert werden, um ein Optimum hinsichtlich Gesamtschließweg und Druckgradient in Abhängigkeit vom hydraulischen Verbraucher und Bremsgerätedynamik zu erreichen.
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Vorzugsweise werden die axialen Nuten mit unterschiedlicher Position der Steuerkante vorgesehen, vorzugsweise auf wenigstens drei zueinander versetzten Ebenen.
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Innerhalb der Erfindung können sowohl Nute mit geraden als auch mit gerundeten Steuerkanten vorgesehen werden.
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Vorzugsweise kann der Abstand zwischen der ersten Ebene und einer letzten Ebene (je nach Ausführungsform der dritten, der vierten usw.) in einem Bereich zwischen 0,5mm und 3mm liegen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung liegt der Abstand zwischen der ersten und der letzten Ebene in einem Bereich zwischen 0,9mm und 1,5mm.
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Besonders vorteilhaft können die Kolben mit den Nuten aus Kunststoff und im Spritz- oder Pressverfahren hergestellt werden.
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Ebenso können die Kolben mit den Nuten im Fließpressverfahren hergestellt werden.
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Durch die vorbezeichneten Merkmale können insbesondere ermöglicht werden:
- – sanfter hydraulischer Druckaufbau im Hauptbremszylinder, insbesondere gegen Ende des Schließweges (flacher Gradient der Querschnittsverringerung beim Verschließen der ersten Bohrungsebene),
- – Kompensation von ungewollten dynamischen Effekten, welche Geräusche verursachen könnten,
- – Kostengünstige Herstellung und Gewichtsersparnis, Vermeidung von Zerspannungsvorgängen und somit gänzliche Vermeidung von Spänen und Vereinfachung der Reinigungsprozesse.
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Figurenbeschreibung
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus Unteransprüchen zusammen mit der Beschreibung anhand der Zeichnungen hervor. Übereinstimmende Komponenten und Konstruktionselemente werden nach Möglichkeit mit gleichen Bezugszeichen versehen. Nachstehend zeigt:
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1 Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders in einer Schnittdarstellung.
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2 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Kolbens 4 in einer Seitenansicht.
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3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Kolbens 4 in einer Seitenansicht.
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4 eine Zuordnung der Nachlaufverbindungen 14 zu den einzelnen Ebenen entsprechend der Ausführungsform nach 2.
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5 eine Zuordnung der Nachlaufverbindungen 14 zu den einzelnen Ebenen entsprechend der Ausführungsform nach 3.
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6 räumliche Detailansichten von zwei verschiedenen Ausführungen des Kolbens 4 (a, b).
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7 ein Kolbenhub-bezogener Vergleich von kumulierten Querschnittsflächen der Nachlaufverbindungen 14 an einem erfindungsgemäßen und einem bekannten Kolben.
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Fig. 1
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In der 1 ist eine Schnittdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Hauptbremszylinders 1 abgebildet. Der Hauptbremszylinder 1 ist als ein Tandem-Hauptzylinder des Plunger-Typs ausgeführt. Weil die Funktionsweise von derartigen Hauptbremszylindern hinreichend bekannt ist, wird nachfolgend lediglich auf die besonders erfindungsrelevante Eigenschaften eingegangen.
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In einem Gehäuse 3 des Hauptbremszylinders 1 sind zwei Kolben 4 (Sekundärkolben) und 5 (Primärkolben) hintereinander verschiebbar angeordnet. Dabei begrenzt der Kolben 4 in dem Gehäuse 3 einen mit einem Druckmittel gefüllten Druckraum 6 und ist diesem gegenüber mittels einer Dichtmanschette 12 abgedichtet; der Kolben 5 begrenzt den ebenfalls mit einem Druckmittel gefüllten Druckraum 7 und ist diesem gegenüber mittels der Dichtmanschette 13 abgedichtet. Sowohl der Kolben 4 als auch der Kolben 5 sind im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und zeigen mit ihrem jeweiligen Kolbenrand 8 beziehungsweise 9 in Richtung des jeweils begrenzen Druckraum 6 beziehungsweise 7. Ein in den Druckräumen 6, 7 erzeugbarer Bremsdruck wird über nicht gezeigte Bremsleitungen an die nicht gezeigten Radbremsen weitergeleitet.
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Die Dichtmanschetten 12, 13 sind jeweils in den Ringnuten 10,11 in dem Gehäuse 3 positioniert.
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Um die Kolben 4, 5 herum sind in dem Gehäuse 3 in Betätigungsrichtung B unmittelbar vor den Ringnuten 10, 11 jeweils als eine Ringnut mit einer in Richtung Ringnut 10 beziehungsweise 11 abgeschrägten Flanke ausgebildete Nachlaufräume 16 und 17 angeordnet. Die Nachlaufräume 16, 17 sind über Nachlaufkanäle 21, 22 mit Kammern eines nicht abgebildeten drucklosen Druckmittelbehälters permanent verbunden und verbleiben daher ebenfalls drucklos.
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Die Kolben 4, 5 verfügen über mehrere Nachlaufverbindungen 14 beziehungsweise 15, die in der gezeigten, unbetätigten Ausgangslage ungeachtet der Dichtmanschetten 14, 15 eine hydraulische Verbindung zwischen den jeweiligen Druckräumen 6, 7 und den drucklosen Nachlaufräumen 16, 17 ermöglichen und so einen Druckausgleich und Entlüftung des Bremssystems unterstützen.
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Die beiden Rückstellfedern 19 und 20 werden bei einem Bremsvorgang durch Verschiebung der Kolben 4 bzw. 5 in die Betätigungsrichtung B komprimiert und dienen zum Rückversetzen der beiden Kolben 4, 5 in ihre jeweiligen unbetätigten Ausgangspositionen nach Beendigung eines Bremsvorgangs.
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Der Kolben 5 wird durch eine Druckstange eines ansonsten nicht abgebildeten pneumatischen Bremskraftverstärkers 2 betätigt. Bei einem Bremsvorgang beaufschlägt der Bremskraftverstärker 2 den Kolben 5 in die Betätigungsrichtung B mit einer Kraft und verschiebt diesen aus seiner unbetätigten Ausgangsposition ausgehend in Richtung Kolben 4. Der Kolben 4 wird dabei zunächst durch die Steifigkeit der Rückstellfeder 20 und anschließend durch einen sich in der Druckkammer 7 aufbauenden Bremsdruck weitgehend synchron mit dem Kolben 5 in die gleiche Richtung mitverschoben. Dabei werden die Nachlaufverbindungen 14, 15 sukzessive durch Überfahren mit den Dichtmanschetten 12, 13 von den Nachlaufräumen 16, 17 abgetrennt und ein Strom des aus den Druckräumen 6, 7 in die Nachlaufräume 16, 17 verdrängbaren Druckmittels unterbunden, so dass in den Druckräumen 6, 7 Bremsdruck aufgebaut werden kann. Ein Verschiebeweg des Kolbens, bei dem die Nachlaufverbindungen 14, 15 von den Nachlaufräumen 16, 17 durch Dichtmanschetten 12, 13 abgetrennt werden, wird allgemein als ein Schließweg bezeichnet.
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Wird dabei die hydraulische Verbindung zu den Nachlaufräumen 16, 17 zu abrupt unterbrochen, beispielsweise bei einer Vollbremsung, kann dies im Allgemeinen zu einer ungewollt schnellen Abbremsung des Kolbens 5, ebenso der bewegten Komponenten eines durch die Kolbenstange mit dem Kolben 5 in Verbindung stehenden pneumatischen Bremskraftverstärkers 2 aber auch zu Störung von Luftströmen innerhalb des Bremskraftverstärkers 2. Dadurch kann es zu einer hohen Geräuschentwicklung kommen – dem sogenannten Antrittsklopfen. Darüber hinaus Verursacht ein abruptes Abbremsen des Kolbens ein hartes und unangenehmes Pedalgefühl.
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Eine erfindungsgemäße Verbesserung des vorstehend beschriebenen Verhaltens wird insbesondere durch die nachfolgenden Figuren erklärt.
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Fig. 2
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Eine Vielzahl von Nachlaufverbindungen 14 ist an dem Kolben 4 wie abgebildet angeordnet. Die Nachlaufverbindungen 14 sind als axiale Nuten ausgebildet, welche in die äußere Mantelfläche des Kolbens 4 eingelassen sind und jeweils mit einem Einmündung-Ende 23 an dem Kolbenrand 8 einmünden und mit einem anderen Ende jeweils an einer Steuerkante 18 in der Mantelfläche auslaufen. Dabei sind die Steuerkanten 18 in mehreren Gruppen in unterschiedlichen Abständen S1, S2, S3 zum Kolbenrand 8 angeordnet, so dass jede Gruppe in einer zum Kolbenrand 8 parallelen Ebene E1, E2 oder E3 liegt. Die zu dem Kolbenrand 8 am weitesten beanstandete Hauptebene E1 definiert dabei den Schließweg des Kolbens 8.
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Der Kolben 4 ist in seiner relativ zu der Dichtmanschette 12 unbetätigten Ausgangslage abgebildet. Dabei befinden sich sämtliche Steuerkanten 18 in Betätigungsrichtung B vor der Dichtmanschette 12 und sämtliche Nachlaufverbindungen 14 ermöglichen eine hydraulische Verbindung und Druckmittelzirkulation zwischen der Druckkammer 6 und dem drucklosen Nachlaufraum 16.
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Wird nun der Kolben 4 beim Einleiten einer Bremsung in die Betätigungsrichtung B verschoben, überfährt die Dichtmanschette 12 zunächst die Gruppe der Steuerkanten 18 3, die in der Ebene E3 angeordnet sind. Dadurch verringert sich der verbleibende Durchtrittsquerschnitt – ein kumulierter Querschnitt aller Nachlaufverbindungen 14, durch welche die hydraulische Verbindung zwischen der Druckkammer 6 und dem Nachlaufraum 16 noch möglich ist – um die Querschnitte der bereits von dem Nachlaufraum 16 abgetrennten Nachlaufverbindungen 14. Bei einer genügend schnellen Bewegung des Kolbens 4 beginnt in der Druckkammer 6 bereist ein langsamer, sanfter Druckanstieg. Mit dem weiteren Verschiebeweg beziehungsweise Hub des Kolbens 4 werden sukzessive die Gruppe der Steuerkanten 18 2 in der Ebene E2 und anschließend die Steuerkanten 18 1 der Hauptebene E1 überfahren. Beim Überfahren der Hauptebene E1 werden sämtliche noch verbliebenen Nachlaufverbindungen 14 von dem Nachlaufraum 16 getrennt, die Druckkammer 6 ist vom Atmosphärendruck abgeschlossen – der Schließweg ist erreicht, der Bremsdruckaufbau verläuft nun ähnlich wie in einem konventionellen Hauptbremszylinder 1.
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Die genaue radiale Verteilung sowie Zuordnung der Nachlaufverbindungen 14 beziehungsweise Steuerkanten 18 zu den einzelnen Ebenen E1, E2, E3 der abgebildeten Ausführungsform wird nachfolgend in der 4 detailliert tabellarisch aufgezeigt.
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In der gezeigten Ausführungsform verfügt der Kolben 4 über insgesamt 30 Nachlaufverbindungen 14, jedoch ist innerhalb der Erfindung auch eine abweichende Anzahl zulässig.
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Ebenfalls ist es innerhalb der Erfindung zulässig, dass beide Kolben 4, 5 über die als axiale Nuten gestalteten Nachlaufverbindungen 14, 15 nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip verfügen.
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Fig. 3
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Im Unterschied zu dem Kolben 4 nach der 2 sind die Steuerkanten 18 der Nachlaufverbindungen 14 in der abgebildeten Ausführungsform in 4 statt 3 Gruppen aufgeteilt und den 4 Ebenen E1, E2, E3, E4 zugeordnet. Hierdurch kann im Vergleich zu der vorstehend beschriebenen Ausführung eine noch feinere Abstufung beziehungsweise sukzessive Verringerung des Durchtrittsquerschnitts erreicht werden. Auch eine Anordnung in 5 oder noch mehr Ebenen ist innerhalb der Erfindung zulässig.
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Fig. 4
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Die 4 zeigt in einer Tabelle die Zuordnung der einzelnen Nachlaufverbindungen 14 zu den Ebenen E1–E3 sowie deren Verteilung am Umfang des Kolbens 4 in seiner unter der 2 beschriebenen Ausführungsform. Insgesamt verfügt der Kolben über 30 Nachlaufverbindungen 14, die Gleichmäßig in einem Winkelabstand von jeweils 12° zueinander am Umfang des Kolbens 4 verteilt sind.
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Es ist ersichtlich, dass der Hauptebene E1 sowie der zweiten Ebene E2 jeweils 5 gleichmäßig am Umfang des Kolbens in einem Winkelabstand von 72° zueinander verteilte Nachlaufverbindungen 14 zugeordnet sind, deren Steuerkanten in der jeweiligen Ebene liegen. Die Nachlaufverbindungen 14 der Ebene E2 liegen dabei radial jeweils genau zwischen den Nachlaufverbindungen 14 der Hauptebene E1. Die restlichen 20 Nachlaufverbindungen 14 sind der Ebene E3 zugeordnet und paarweise nebeneinander am restlichen Umfang verteilt.
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Eine Derartige Anordnung bewirkt bei einer Bremseinleitung und Überfahren mit dem Kolben 4 des Schließweges zunächst eine rasche Verringerung des Durchlassquerschnitts um etwa 67% zu Beginn einer Bremseinleitung und einem nachfolgenden langsamen Verringerung des restlichen Durchlassquerschnitts in 2 gleich große Stufen bis zum kompletten Schließen an der Hauptebene 1. Hierdurch kann einem „harten“ Pedalgefühl insbesondere bei schnellen Bremsungen signifikant entgegengewirkt werden.
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Fig. 5
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In der 5 ist die Aufteilung und Zuordnung der einzelnen Nachlaufverbindungen 14 am Kolben 4 entsprechend der Ausführungsform nach 3 abgebildet. Die Schließung des Durchlassquerschnitts verläuft prinzipiell Analog zu der Ausführung nach 4, jedoch durch das Vorschalten einer weiteren Ebene E4 gleichmäßiger über den gesamten Schließweg verteilt – zuerst eine relativ moderate 2-stufige Verringerung des Durchlassquerschnitts an den Ebenen E4 und E3 mit jeweils etwa 37% Querschnittsabschaltung pro Stufe, anschließend ebenfalls zweistufige Schließung mit jeweils etwa 13% Querschnittsabschaltung. Dadurch ist auch der Verlauf des Druckgradienten gleichmäßiger als bei der vorstehend beschriebenen Anordnung.
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Die in den 4 und 5 gezeigten Kombinationen und Anordnungen sind keineswegs als abschließend zu interpretieren. Innerhalb der Erfindung kann durch Variation der Anzahl, Abstände und Dimensionen der Nachlaufverbindungen 14 und der Ebenen E1, E2, E3, ...) insbesondere für die Phase einer Bremseinleitung ein nahezu beliebiger gewünschter Verlauf des Druckgradienten und somit auch das Pedalgefühl konstruktiv festgelegt werden.
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Fig. 6
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Die 6 zeigt in den Ansichten a und b zwei verschiedene Ausführungsformen des Kolbens 4. Die Steuerkanten 18 in der Ausführungsform nach der Ansicht a weist weitgehend gerade Steuerkanten 18 auf, die parallel zum Kolbenrand 8 angeordnet sind.
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Dagegen sind die Steuerkanten 18 in der Ausführungsform nach der Ansicht b verrundet ausgebildet so dass nicht die gesamte Steuerkante, sondern deren Tangente in einer zum Kolbenrand 8 parallel verlaufenden Ebenen liegt. Derartig gestalteten Kolben lassen sich vorzugsweise besonders kostengünstig und effektiv in Umform- oder Urformverfahren herstellen, so dass keine oder nur wenig Nachbearbeitung erforderlich ist und aufwendige teure spanabhebende Fertigungsverfahren vermieden werden. Vorzugsweise kann er Kolben 8 in Spritz- oder Pressverfahren aus einem Kunststoffwerkstoff, aber auch im Fließpressverfahren aus einem Metallwerkstoff hergestellt werden.
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Fig. 7
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In der 7 ist im Vergleich die Verringerung des Durchlassquerschnitts (Y-Achse) über den Kolbenhub beziehungsweise Verschiebeweg (X-Achse aufgezeigt. Die Durchgezogene Linie repräsentiert eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Kolbens 4 mit einer Anordnung nach 4, die gestrichelte Linie einen bekannten konventionellen Kolben mit eine einzigen Ebene, in der sämtliche Steuerkanten 18 liegen. Am Verlauf der durchgezogenen Linie erkennt man deutlich die 3 Stufen, welche jeweils beim Überfahren der Ebenen E3 (bei 0,6mm), E2 (bei 0,8mm) und E1 (Schließen bei 1,2mm) entstehen.
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Man erkennt zudem den wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbens – durch eine moderate Querschnittsverringerung bereits zum Beginn des Kolbenhubes muss gegen Ende des Schließweges nur noch wenig Durchlassquerschnitt geschlossen werden, wodurch der Druckgradient im Vergleich zu dem bekannten Kolben nur noch unwesentlich steigt, dadurch ein abruptes Abbremsen des Kolbens am Ende des Schließweges vermieden und folglich die Gefahr eines Antrittsklopfens signifikant verringert wird. Darüber hinaus verläuft auch der Anstieg einer gefühlten Gegenkraft am Bremspedal gleichmäßiger und für den Fahrer komfortabler.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hauptbremszylinder
- 2
- Bremskraftverstärker
- 3
- Gehäuse
- 4
- Kolben
- 5
- Kolben
- 6
- Druckraum
- 7
- Druckraum
- 8
- Kolbenrand
- 9
- Kolbenrand
- 10
- Ringnut
- 11
- Ringnut
- 12
- Dichtmanschette
- 13
- Dichtmanschette
- 14
- Nachlaufverbindung
- 15
- Nachlaufverbindung
- 16
- Nachlaufraum
- 17
- Nachlaufraum
- 18
- Steuerkante
- 19
- Rückstellfeder
- 20
- Rückstellfeder
- 21
- Nachlaufkanal
- 22
- Nachlaufkanal
- 23
- Einmündung
- B
- Betätigungsrichtung
- E1
- Hauptebene
- E2
- Ebene
- E3
- Ebene
- E4
- Ebene
- S1
- Abstand vom Kolbenrand zur Ebene E1
- S2
- Abstand vom Kolbenrand zur Ebene E2
- S3
- Abstand vom Kolbenrand zur Ebene E3
- S4
- Abstand vom Kolbenrand zur Ebene E4
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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