DE102017207182A1

DE102017207182A1 - Hauptbremszylinder und Bremsanlage mit einem solchen Hauptbremszylinder

Info

Publication number: DE102017207182A1
Application number: DE102017207182.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Drumm
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Es sind Hauptbremszylinder mit einem Pedalkolben (2) und mit einem Simulatorkolben (3) bekannt, die an einer Simulatorfeder (4) abgestützt sind, um bei gesperrten Bremsleitungen (8, 9) für den Fahrer das gewohnte Bremspedal simulieren zu können.Um u.a. zu einem kompakten Aufbau des Hauptbremszylinders (1) zu gelangen, ist vorgesehen, dass der Simulatorkolben (3) als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem der Pedalkolben (2) geführt ist.Dies hat außerdem den Vorteil, dass der Hauptbremszylinder (1) eine intrinsische Kraftverstärkung bewirkt, wenn über einen Volumengeber (11) druckgesteuert Druckmittel in die an den Hauptbremszylinder (1) angeschlossenen Bremskreise gefördert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hauptbremszylinder mit einem mittels eines Bremspedals betätigbaren Pedalkolben, dessen vordere Stirnfläche eine Hauptzylinderkammer in dem Hauptbremszylinder begrenzt, und mit einem zum Pedalkolben koaxial angeordneten Simulatorkolben, dessen vordere Stirnfläche ebenfalls die Hauptzylinderkammer begrenzt und dessen rückwärtige Stirnfläche zumindest zum Teil an die Atmosphäre angrenzt, so dass eine Vorwärtsbewegung des Pedalkolbens und/oder des Simulatorkolbens das Volumen der Hauptzylinderkammer verkleinert und eine Rückwärtsbewegung des Pedalkolbens und/oder des Simulatorkolbens das Volumen der Hauptzylinderkammer vergrößert, mit einer Simulatorfeder, die auf die rückwärtige Stirnfläche des Simulatorkolbens einwirkt, und mit einer Mitnahmeeinrichtung, mit der der Pedalkolben nach einem initialen vordefinierten Hub den Simulatorkolben in der Vorwärtsbewegung mitnimmt.
In der DE 10 2011 081 872 A1 ist ein Hauptbremszylinder mit einem von einem Pedal betätigbaren Pedalkolben, dessen Vorderseite an eine Hauptzylinderkammer angrenzt, und einem dazu koaxial angeordneten hohlzylindrischen Simulatorkolben beschrieben, dessen Vorderseite ebenfalls an die Hauptzylinderkammer und dessen Rückseite an eine Ausgleichskammer angrenzt, die mit einem Vorratsbehälter verbunden ist, so dass die Rückseite stets mit Atmosphärendruck belastet ist. Sowohl der Simulatorkolben als auch der Pedalkolben grenzen mit ihren äußeren Mantelflächen an der inneren Mantelfläche des Gehäuses des Hauptbremszylinders an, wobei in der äußeren Mantelfläche des Simulatorkolbens ein Dichtring liegt, um eine Abdichtung gegenüber der inneren Mantelfläche des Hauptbremszylinders zu bewirken. Der Pedalkolben besitzt eine Primärdichtung, die bei einer initialen Bewegung des Pedalkolbens in Betätigungsrichtung eine mit dem Vorratsbehälter in Verbindung stehende Querbohrung im Hauptbremszylinder überfährt, um die Hauptzylinderkammer gegenüber dem Vorratsbehälter hydraulisch zu sperren.
Auf die Vorderseiten beider Kolben wirkt jeweils eine Rückstellfeder ein. An der Rückseite des Simulatorkolbens stützt sich eine Scheibenfeder (Tellerfeder) ab, deren Federcharakteristik - wie für Tellerfedern typisch -degressiv ist.
Außerdem besitzt der Simulatorkolben zur Realisierung der Mitnahmeeirichtung eine rückwärtige, hülsenförmige Verlängerung, die in der Grundstellung des Hauptbremszylinders einen Abstand zur Vorderseite des Pedalkolbens hat, aber nach Überwindung des Abstandes dort anlegbar ist.
Bei einer pedalinduzierten Verschiebung des Pedalkolbens wird der dadurch in der Hauptzylinderkammer erzeugte Druck auf den Simulatorkolben übertragen, der dadurch entgegen der Pedalbetätigungsrichtung gegen die Kraft der Simulatorfeder verschoben wird. An die Hauptzylinderkammer ist ein erster Bremskreis angeschlossen, wobei der Druck in der Hauptzylinderkammer auf einen Schwimmkolben im Hauptzylinder wirkt, der einen zweiten Bremskreis beaufschlagt. Wenn die Bremsanlage, in der der Hauptbremszylinder eingesetzt ist, einen Simulatorbremsmodus vorsieht, bei dem die Radbremsen bei einer Bremsbetätigung vom Hauptbremszylinder hydraulisch getrennt und mit einer vom Druck im Hauptbremszylinder gesteuerten Fremddruckquelle verbunden sind, wird in diesem Modus ein Abfließen von Druckmittel aus dem Hauptbremszylinder in beide Bremskreise wie folgt unterbunden: Der direkte Abfluss von Druckmittel aus der Hauptzylinderkammer wird durch ein Absperren des ersten Bremskreisanschlusses und ein indirekter Abfluss von Druckmittel aufgrund einer Verschiebung des Schwimmkolbens in Betätigungsrichtung durch ein Absperren des zweiten Bremskreisanschlusses verhindert. Daher wird das gesamte, vom Pedalkolben verdrängte Druckmittelvolumen in eine Verschiebung des Simulatorkolbens umgesetzt, wobei der Pedalhub in diesem Simulatorbremsmodus dadurch begrenzt ist, dass entweder die Scheibenfeder auf Anschlag gelangt oder der Pedalkolben auf dem Simulatorkolben aufsetzt.
Befindet sich das Bremssystem nicht im Simulatorbremsmodus, bleibt der Hauptbremszylinder mit den Radbremsen verbunden. Bei einer Pedalbetätigung bewegt sich der nunmehr aufgrund des Abfließens von Druckmittel mit einem längeren Pedalhub verschiebbare Pedalkolben über den im Simulatorbremsmodus möglichen Pedalhub hinaus und nimmt diesen wegen der nun wirksam werdenden Mitnahmeeinrichtung mit.
Aus der WO 2013/139825 A2 ist eine Bremsanlage bekannt, bei der ein vom Hauptbremszylinder abgesetzter, einen Simulatorkolben aufweisender Pedalsimulator hydraulisch mit dem Hauptbremszylinder koppelbar ist, um eine Bewegung des Bremspedals zu ermöglichen, wenn das Bremssystem im Simulatorbremsmodus betrieben wird, in welchem die hydraulischen Verbindungen der Hauptzylinderkammer zu den Bremskreisen gesperrt sind.
Außerdem ist als Fremdruckquelle ein Volumengeber vorgesehen, der in der Lage ist, anstelle des Hauptbremszylinders Druckmittel in die angeschlossenen Bremskreise zu drücken. Dieser sieht einen eine Speicherkammer begrenzten Kolben vor, der von einem Elektromotor im Sinne einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Volumenkammer verschoben werden kann.
Ein Hauptbremszylinder gemäß der DE 10 2011 081 872 A1 hat aber die folgenden Nachteile:

Wegen der degressiven Federcharakteristik der Tellerfeder lässt sich kein für den Fahrer angenehmes Pedalverhalten erreichen.
Die Dichtringe für den Pedalkolben und den Simulatorkolben liegen in Aufnahmenuten an deren äußeren Mantelflächen, wobei jene mit den glatten Dichtflächen der Innenwände des Hauptbremszylinders zusammenwirken, die aufwändiger herzustellen sind als glatte Dichtflächen auf den Außenseiten von Kolben.
Der Primärdichtring des Pedalkolbens besitzt eine Dichtlippe, die bei einer Verschiebung des Pedalkolbens über die Gehäusebohrung im Hauptbremszylinder verfahren wird, um die Hauptzylinderkammer von einem Vorratsbehälter zu trennen. Hierbei besteht die Gefahr, dass die Dichtlippe beschädigt wird, weil diese durch den hydraulischen Druck in die Gehäusebohrung gepresst wird.
Sowohl die Länge als auch der Durchmesser des Hauptbremszylinders sind wegen der gewählten Konstruktion größer als erwünscht.
Die Grundposition des Simulatorkolbens ist schlecht reproduzierbar, weil sie durch ein Kräftegleichgewicht von Simulatorfeder und Rückstellfeder, die am Simulatorkolben in entgegengesetzter Richtung angreifen und möglicher Dichtringreibkräfte festgelegt ist, wobei letztere durch Hysterese und Slip-Stick-Effekte Zufallsgrößen darstellen.

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, einen Hauptbremszylinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, dass die Nachteile im Stand der Technik behoben sind.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass der Simulatorkolben als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem der Pedalkolben geführt ist, und dass die Simulatorfeder eine progressive Federcharakteristik aufweist.
Da der Pedalkolben in dem Simulatorkolben angeordnet und geführt ist, lässt sich die Baulänge des Hauptbremszylinders trotz der Verwendung einer Simulatorfeder mit einer progressiven Federcharakteristik verkürzen.
Um die Baulänge weiter verkürzen zu können, ist als Simulatorfeder eine Zylinderfeder vorgesehen, die koaxial zum Simulatorkolben angeordnet ist und diesen umgibt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Übertragungsglied zwischen dem Simulatorkolben und der Simulatorfeder angeordnet ist, wobei das Übertragungsglied einen ersten Anschlag für den Simulatorkolben zur Begrenzung seiner Rückwärtsbewegung und einen zweiten Anschlag zur Anlage an den Hauptbremszylinder zur Begrenzung der Vorwärtsbewegung des Übertragungsgliedes aufweist, wobei durch die Anschläge die Grundposition des Simulatorkolbens definiert ist.
Dadurch wird eine definierte Lage des Simulatorkolbens bei unbetätigtem Hauptbremszylinder erreicht: Die Simulatorfeder hält das Übertragungsglied gegen einen Absatz im Hauptbremszylinder, so dass sich der Simulatorkolben an den zweiten Anschlag anlegen kann, womit eine Grundposition des Simulatorkolbens definiert ist.
Das Übertragungsglied ist vorzugsweise als Übertragungshülse ausgebildet, die an ihrem rückwärtigen Ende einen nach innen ragenden Kragen aufweist, der an der Rückseite des Simulatorkolbens anliegt, und die an ihrem vorderen Ende einen nach außen weisenden Kragen aufweist, der an einem Absatz im Hauptbremszylinder anliegt, wobei die Simulatorfeder zwischen diesem Kragen und einem weiteren Absatz im Gehäuse des Hauptbremszylinders eingespannt ist.
Zur Begrenzung der Rückwärtsbewegung des Pedalkolbens weist dieser einen Anschlag zur Anlage an den Simulatorkolben auf, wobei durch den Anschlag die Grundposition des Pedalkolbens in Bezug zum Simulatorkolben definiert ist.
Zur Realisierung der Mitnahmeeinrichtung weist der Pedalkolben an seinem rückwärtigen Ende einen Kragen auf, der an die rückwärtige Stirnfläche des Simulatorkolbens anlegbar ist, wobei in den Grundpositionen von Simulator- und Pedalkolben der Kragen sich in einem Abstand zur rückwärtigen Stirnfläche des Simulatorkolbens befindet. Wenn der Pedalkolben diesen Abstand bei seiner Vorwärtsbewegung überwindet, nimmt er den Simulatorkolben in einer weiteren Vorwärtsbewegung mit.
Um eine Verbindung zwischen der Hauptzylinderkammer und dem Vorratsbehälter herzustellen, befindet sich, wie üblich, im Hauptbremszylinder ein Gehäusekanal, der einerseits in einen Außenanschluss für einen Vorratsbehälter übergeht und andererseits in eine an der inneren Mantelfläche des Gehäuses des Hauptbremszylinders umlaufende Gehäuseringnut mündet. Außerdem weist der Simulatorkolben einen Verbindungskanal auf, der in eine Simulatorkolbennut an der inneren Mantelfläche des Simulatorkolbens übergeht und der so angeordnet ist, dass er in der Grundposition des Simulatorkolbens in die Gehäuseringnut weist.
Außerdem weist der Simulatorkolben an seiner inneren Mantelfläche eine umlaufende Simulatorkolbenringnut auf, in die der Verbindungskanal mündet, wobei im Pedalkolben ein in die Hauptzylinderkammer mündender Endkanal verläuft, der in der Grundstellung des Pedalkolbens und des Simulatorkolbens in Überdeckung steht mit der umlaufenden Simulatorkolbenringnut des Simulatorkolbens.
Über die drei Kanäle wird in der Grundstellung des Hauptbremszylinders eine durchgehende Verbindung der Hauptzylinderkammer mit dem Vorratsbehälter hergestellt.
Der Hauptbremszylinder kann als Tandemzylinder ausgeführt werden. In diesem Falle ist in einer seriellen Anordnung vor der vorderen Stirnfläche des Pedalkolbens ein Schwimmkolben vorgesehen, der in etwa einen Durchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser des Simulatorkolbens entspricht, so dass der Hauptbremszylinder einen weitgehenden konstanten Innenquerschnitt aufweist, was dessen Fertigung erleichtert. Außerdem sind Anschlag-Mittel vorgesehen, die eine Bewegung des Schwimmkolbens aus seiner Grundposition heraus entgegen der Pedalbetätigungsrichtung sperren. Dies verhindert, dass der Schwimmkolben sich in eine Lage bewegen kann, in der sich die Schwimmkolbendichtringe aus den Dichtringnuten herausbewegen können. Wie dargestellt, kann das Anschlagmittel ein radialer Absatz sein.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Bremsanlage mit einem solchen Hauptbremszylinder.
Dabei ist der Hauptbremszylinder an wenigstens einen Bremskreis angeschlossen, wobei zwischen dem Hauptbremszylinder und den Radbremsen des Bremskreises eine elektrohydraulische Einheit geschaltet ist, die unter anderem elektromagnetisch betätigbare Ventile, nämlich Modulatorventile, zur Bremsschlupfregelung sowie ggf. Trennventile, Zuschaltventile und Diagnoseventile aufweist.
Außerdem schließt an die Hauptzylinderkammer über eine direkte oder über eine schaltbare hydraulische Verbindung eine elektronisch steuerbare Druck- und Volumenquelle (Fremddruckquelle) an, wobei diese vorzugsweise als so genannter Volumengeber ausgebildet ist, der einen vorzugsweise elektromotorisch betätigten Volumengeberkolben aufweist, der eine Volumenkammer begrenzt. Alternativ kann als steuerbare Druck- und Volumenquelle beispielsweise auch eine Pumpe eingesetzt werden, die Druckmittel in die Abgabe- und Rücknahmerichtung fördern kann, oder auch eine Kombination aus einer in Abgaberichtung fördernden Pumpe mit einem Elektromagnetventil zur Steuerung des Rücknahmevolumenstroms, wobei Letzteres zur elektrohydraulischen Steuerung eines Bremssystemdruckabbaus verwendet wird.
Die Hauptaufgabe des Volumengebers besteht darin, bei einem Brake-by-Wire--Bremssystem das zum Betätigen der Radbremse benötigte Druckmittelvolumen anstelle des von den Bremskreisen getrennten Hauptbremszylinders zur Verfügung zu stellen.
Der Volumengeber kann u.a. auch bei einer Antiblockierregelung aktiviert werden, um die Bremskreise wieder mit Druckmittel entsprechend der Menge aufzufüllen, die zuvor zum Bremsdruckabbau aus den Radbremsen in den Vorratsbehälter geleitet worden ist. Ein entsprechendes Verfahren kann in Bremssystemen verwendet werden, die dabei die hydraulischen Verbindungen vom Hauptbremszylinder zu den Bremskreisen gesperrt halten, wodurch eine Beeinträchtigung des Pedalverhaltens durch den ABS-Regeleinsatz verhindert wird. Aber auch in Bremssystemen, bei denen diese Verbindungen während Radbremsdruckregelvorgängen nicht abgetrennt werden, kann der erfindungsgemäße Hauptbremszylinder vorteilhaft eingesetzt werden, weil dabei auftretende kleine Druckspritzen von der Simulationsfeder aufgenommen werden, so dass die sonst für eine ABS-Bremsung typische Pedalvibration gemindert wird.
Des Weiteren ist zur Steuerung der Bremsanlage ein Sensor vorgesehen, der den Druck in der Hauptzylinderkammer misst, und ein Pedalwegsensor, der den Pedalweg ermittelt.
Wenn der Hauptbremszylinder hydraulisch von den Radbremsen getrennt oder mit dem funktionstüchtigen Volumengeber in Verbindung steht, wirkt die auf das Pedal ausgeübte Pedalkraft gegen die Simulatorfeder, da der von der Pedalkraft belastete Pedalkolben über die Hauptzylinderkammer hydraulisch mit dem von der Simulatorfeder belasteten Simulatorkolben gekoppelt ist. Wenn dann der Pedalkolben unter Wirkung der Pedalkraft in den Hauptbremszylinder hineingeschoben wird, so muss zwangsläufig der Simulatorkolben entgegen der Bewegungsrichtung des Pedalkolbens und damit gegen die Kraft der Simulatorfeder bewegt werden, deren Spannung dem Druck im Hauptbremszylinder entspricht.
Wenn in der Verbindung zwischen der Hauptzylinderkammer und dem Vorratsbehälter ein elektromagnetisch betätigbares Sperrventil eingebaut wird, kann dieses die Verbindung zum Vorratsbehälter sperren. In diesem Fall kann auch ohne Betätigung des Pedals mittels des Volumengebers Druck in den Bremskreisen aufgebaut werden und so eine von einer Pedalbetätigung unabhängige Bremsung erzielt werden.
Im Folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders und von mehreren Ausführungsbeispielen von Bremsanlagen mit einem solchen Hauptbremszylinder die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen

1 den Aufbau einer Bremsanlage, deren erfindungsgemäßer Hauptbremszylinder keinen Vakuumbremskraftverstärker benötigt, die aber den gleichen Funktionsumfang besitzt wie eine herkömmliche Bremsanlage mit Vakuumbremskraftverstärker,
2 den Aufbau einer schlupfgeregelten Bremsanlage mit einem erfindungsgemäßen Hauptbremszylinder mit integrierter Simulatorfunktion,
3 den Aufbau des erfindungsgemäßen Hauptbremszylinders in einer Querschnittsdarstellung, und
4 den Aufbau einer Bremsanlage mit einem erfindungsgemäßen Hauptbremszylinder, die außer der im ESC-Modul enthaltenen Pumpe keinen separaten Druck- und Volumenaktuator benötigt und trotzdem dazu geeignet ist, eine Fahrdynamikregelung durchzuführen.

Die 1 zeigt den Aufbau einer Bremsanlage mit einem beispielsgemäßen Hauptbremszylinder 1, dessen Aufbau im Zusammenhang mit 3 im Detail näher erläutert werden soll. Der Hauptbremszylinder 1 besitzt einen pedalbetätigten Pedalkolben 2, an dem sich ein Pedal abstützt, sowie einen Druckmittelvorratsbehälter 20.
Koaxial zum Pedalkolben 2 ist im Hauptbremszylinder 1 ein Simulatorkolben 3 geführt, auf dessen Rückseite - das ist die dem Pedal zugewandte Seite - eine Simulatorfeder 4 einwirkt, wobei die Rückseite des Simulatorkolbens 3 der Atmosphäre ausgesetzt ist.
Im Hauptbremszylinder 1 befindet sich zusätzlich zum Pedalkolben 2 ein Schwimmkolben 5, so dass in dem Hauptbremszylinder 1 zwei seriell angeordnete Hauptzylinderkammern 6, 7 geschaffen sind, die zwei Bremskreise der Bremsanlage mit Druckmittel versorgen. Die erste Hauptzylinderkammer 6 erstreckt sich zwischen dem Pedalkolben 2 und dem Schwimmkolben 5, die zweite Hauptzylinderkammer 7 zwischen dem Schwimmkolben 5 und dem Boden des Hauptbremszylinders 1.
Zu den Radbremsen 19 führen Bremsleitungen 8, 9, die eine elektronisch-hydraulische Einheit HECU (auch elektrohydraulische Einheit oder kurz Ventileinheit 10 genannt) durchlaufen, die elektromagnetisch betätigbare Ventile umfasst, die von einer elektronischen Steuereinheit ECU angesteuert werden, mit deren Hilfe der Druck in den Radbremsen 19 radindividuell eingestellt werden kann (ECU=Electronic Control Unit, HCU=Hydraulic Control Unit, HECU=ECU+HCU).
Einem der Bremskreise ist ein Volumengeber 11 zugeordnet, der einen Volumengeberkolben 12 aufweist, der mittels eines Elektromotors 13 verschiebbar ist, so dass Druckmittel in die Bremsleitung 8 der ersten Hauptzylinderkammer 6 gefördert bzw. von dort abgezogen werden kann. Der Elektromotor 13 wird ebenfalls von einer elektronischen Steuereinheit (ECU) angesteuert. Diese kann in die Steuereinheit für die Ventileinheit 10 integriert oder separat ausgeführt sein.
Beispielsgemäß ist Volumengeber 11 in die elektronisch-hydraulische Einheit HECU (10) integriert, d.h. Ventileinheit 10 umfasst neben dem elektrohydraulischen ESC-Modul 10', welches u.a. die elektromagnetisch betätigbaren Ventile enthält, auch den Volumengeber 11. Eine separate Anordnung von elektrohydraulische Einheit / Ventileinheit und Volumengeber 11 ist ebenfalls möglich.
Der elektronischen Steuereinheit für den Elektromotor 13 werden sowohl Informationen über den Druck in der ersten Hauptzylinderkammer 6 als auch über den Pedalweg zur Verfügung gestellt. Die entsprechenden Sensoren können auch Bestandteil der elektronischen Steuereinheit sein. Dazu wird der Hauptzylinderkammerdruck mit einem Drucksensor 14 an der zugehörigen Bremsleitung 8 und der Pedalweg mittels eines Pedalwegsensors 15 bestimmt, der den Schwenkwinkel des Pedals, den Druckstangenweg oder den Pedalkolbenweg erfasst.
Außerdem kann ein Sperrventil oder (vorzugsweise unbestromt offenes) Volumenaustauschventil 16 zwischen der vom Pedalkolben 2 begrenzten ersten Hauptzylinderkammer 6 und dem Vorratsbehälter 20 vorgesehen werden, um diese hydraulisch voneinander zu trennen.
Der Hauptbremszylinder 1 ist gemäß 3 wie folgt aufgebaut: Der Hauptbremszylinders 1 besteht aus einem länglichen Zylinder, in dem der Schwimmkolben 5 und der Simulatorkolben 3 geführt sind. Innerhalb des Simulatorkolbens 3, der als Hohlzylinder ausgeführt ist, befindet sich der Pedalkolben 2, der unmittelbar von dem Pedal betätigt wird, wozu dieser über eine Pedalstange mit dem Bremspedal mechanisch gekoppelt ist. Der Pedalkolben 2 besitzt an seinem vorderen Ende einen nach außen weisenden Kragen 24a, der an die vordere Stirnfläche des Simulatorkolbens 3 anlegbar ist, wodurch die Grundposition des Pedalkolbens 2 im Bezug zum Simulatorkolben 3 definiert ist.
Der Simulatorkolben 3 ist funktionsmäßig rückwärtig an der an einem Gehäuseabsatz anliegenden Simulatorfeder 4 abgestützt. Zur Verkürzung der Bauweise ist dazu ein Übertragungsglied 25 vorgesehen, das aus einer Übertragungshülse 26 besteht, die an ihrem rückwärtigen Ende einen nach innen gerichteten Kragen 27 hat, der an der Rückseite des Simulatorkolbens 3 anliegt und die an ihrem vorderen Ende einen nach außen gerichteten Kragen 28 hat, der der Abstützung der Simulatorfeder 4 dient.
Der nach außen gerichtet Kragen 28 liegt an einem Absatz im Hauptbremszylinder 1 an, wodurch die Grundposition des Simulatorkolbens 3 im Bezug zum Hauptbremszylinder 1 definiert ist. Zur Realisierung einer Mitnahmeeinrichtung besitzt der Pedalkolben 2 an seinem rückwärtigen Ende einen weiteren Kragen 24b, der an die rückwärtige Stirnseite des Simulatorkolbens 3 anlegbar ist. Wenn sich Pedal- und Simulatorkolben 2, 3 in ihren Grundpositionen befinden, hält der Kragen 24b einen Abstand d zum Simulatorkolben 3 ein.
Die Verbindung der ersten Hauptzylinderkammer 6 zum Vorratsbehälter 20 verläuft über im Wesentlichen radial verlaufende Kanäle 29, 30, 31 im Simulatorkolben 3 im Pedalkolben 2 sowie im Hauptbremszylinder 1. Der Gehäusekanal 31 im Hauptbremszylinder 1 geht aus von einem Anschluss des Vorratsbehälters 20 am Hauptbremszylinder 1 und mündet in eine in der inneren Gehäusewand ausgebildete Gehäuseringnut 32, die mit dem Verbindungkanal 29 im Simulatorkolben 3 in dessen Grundposition in Verbindung steht. Die Breite der Gehäuseringnut 32 und ihre Lage ist so ausgelegt, dass der Verbindungkanal 29 während des gesamten möglichen rückwärtigen Bewegungshubs des Simulatorkolbens 3, bei dem die Simulatorfeder 4 zusammengedrückt wird, in diese mündet. Vor und hinter der Gehäuseringnut 32 befindet sich jeweils ein Dichtring, der in einer Aufnahmenut in der inneren Mantelfläche des Hauptbremszylinders 1 liegt.
Wenn somit der Pedalkolben 2 den Simulatorkolben 3 in Betätigungsrichtung mitnimmt, überfährt der Verbindungkanal 29 den Dichtring in der vorderen Aufnahmenut, so dass der Verbindungkanal 29 nicht mehr in Überdeckung mit der Gehäuseringnut 32 liegt und somit hydraulisch von der Gehäuseringnut 32 getrennt wird.
Mit der Betätigung des Hauptbremszylinders 1 wird der Pedalkolben 2 in Vorwärtsrichtung bewegt, wodurch der sich in dem Hauptbremszylinder 1 aufbauende Druck den Simulatorkolben 3 unter Zusammendrückung der Simulatorfeder 4 gegen die Bewegungsrichtung des Pedalkolbens 2 verschiebt.
Auch vor und hinter der Simulatorkolbenringnut 33 befinden sich Dichtringe in Aufnahmenuten in der inneren Mantelfläche des Simulatorkolbens 3, wobei die Endbohrung den vorderen Dichtring überfährt, wenn der Pedalkolben über die vordere Stirnfläche des Simulatorkolbens 3 hinaus bewegt wird.
Mit der Bremsanlage nach 1 können unterschiedliche Modi realisiert werden. Im aktiven Normalbremsmodus fördert der elektronisch druckabhängig, aktuatorwegabhängig und pedalwegabhängig geregelte Volumengeber 11 Druckmittel in die erste Hauptzylinderkammmer 6, wobei der Fahrer einen als Regelziel verwendeten Solldruckwert primär durch die von ihm vorgegebene Pedalstellung vorgibt. Entsprechend dem in der Hauptzylinderkammmer 6 herrschenden Druck wird der Simulatorkolben 3 gegen die Kraft der Simulatorfeder 4 zurückgeschoben, wodurch der Pedalkolben 2 nachgibt, so dass in der Simulatorfeder Betätigungsenergie von Fahrer und Volumengeber gespeichert wird. Im Fehler-Fall eines plötzlichen Ausfalls des Volumengebers während einer Bremsung bleibt diese Energie zur hydraulischen Bremsenbetätigung verfügbar.
Bei einer der Normalbremsung überlagerten radindividuellen Regelung (ABS oder ESC) der Radbremsdrücke (Regelmodus) oder bei einer Rekuperationsbremsung wird zur radindividuellen Druckabsenkung Druckmittel von den Radbremsen in Richtung auf den Hauptbremszylinder 1 zurückgefördert bzw. ventilgesteuert nicht zu den Radbremsen weitergeleitet. Dieses Druckmittel wird von dem Volumengeber 11 aufgenommen, wobei weiterhin der vom Fahrer durch seine Pedalbetätigung vorgegebene Druck im Hauptbremszylinder 1 beibehalten wird. Soweit der Volumengeber 11 das zurückgeförderte Druckmittel nicht schnell genug aufnehmen kann, gelangen Teilmengen des zurückgeförderten Druckmittels auch in den Hauptbremszylinder 1. Die dadurch bewirkte kurzzeitige Druckerhöhung wirkt auf das Pedal zurück, so dass - in durchaus gewünschter Weise - der Fahrer eine Rückmeldung über die Einleitung einer radindividuellen Regelung (ABS oder ESC) erhält.
Bei einer notwendig werdenden radindividuellen Druckerhöhung in einzelnen oder mehreren Radbremsen während einer ABS- oder ESC-Regelung wirkt der vorgespannte Simulatorkolben 3 als initialer Druckmittelgeber, bevor die zum Radbremsdruckaufbau benötige Druckmittelmenge vom verzögert arbeitenden Volumengeber 11 geliefert werden kann. Somit kann die Regelung schnell auf eine notwendig werdende Druckerhöhung reagieren.
Bei einer aktiven Normalbremsung wirkt der Hauptbremszylinder 1 im Zusammenwirken mit dem Simulatorkolben 3 bzw. der Simulatorfeder 4 und einem entsprechend angesteuerten Volumengeber 11 auch als Bremskraftverstärker, da die Pedalkraft lediglich von der druckwirksamen Fläche des Pedalkolbens 2 bestimmt wird, die bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Hauptbremszylinders 1 kleiner ist als der Durchmesser der an den Pedalkolben 2 angrenzenden ersten Hauptzylinderkammer 6. Der effektive Druck, den der Volumengeber 11 den Bremskreisen zur Verfügung stellt, wird von dem Pedalweg bestimmt, da die Ansteuerung auf Grund des vom Pedalwegsensor 15 registrierten Pedalweges erfolgt. Bei einer Verschiebung des Simulatorkolbens 3 übt die Simulatorfeder 4 entsprechend der Federcharakteristik eine Kraft auf diesen aus. Gleichzeitig wird die Hauptzylinderkammer 6 mit einer entsprechenden Menge an Druckmittel aufgefüllt, die von dem Volumengeber 11 in die Hauptzylinderkammer 6 vor dem Pedalkolben 2 verschoben wird, so dass sich für den Fahrer der ihm gewohnte Pedalweg bzw. die Pedalwegkraft-Charakteristik einstellt.
Im passiven Normalbremsmodus bleiben die Radbremsen stets mit dem Hauptbremszylinder 1 hydraulisch in Verbindung, der Volumenaktuator ist außer Betrieb, eine Druckregelung findet nicht statt. In diesem Modus wird der Pedalkolben 2 in seiner initialen Bewegung gegen den Simulatorkolben 3 herangefahren, bis sich sein rückwärtiger Kragen 24b an die rückwärtige Stirnfläche des Simulatorkolbens 3 anlegt und diesen bei einer weiteren Bewegung mitnimmt. In der initialen Bewegung wird hauptsächlich Druckmittel zum Befüllen der Radbremsen in diese verdrängt, so dass noch kein wesentlicher Druckaufbau stattfindet, der den Simulatorkolben 3 nach rückwärts verschieben könnte. Sobald beide Kolben gekoppelt sind, bestimmt sich der aufgebaute Druck bei einer weiteren, nun gemeinsamen Verschiebung der beiden Kolben nach der Summe ihrer Stirnflächen.
Die 2 zeigt in Form eines hydraulischen Schaltplans einen weiteren möglichen Aufbau einer Ventileinheit (elektrohydraulischen Einheit) 10, die mit dem erfindungsgemäßen Hauptbremszylinder 1 verbunden oder zusammengefasst werden kann. Die Ventileinheit 10 besitzt elektromagnetisch betätigbare Modulatorventile, nämlich Ein- und Auslassventile 17, 18. Die Auslassventile 18 verbinden bei ihrer Aktivierung die Radbremsen 19 mit einem Vorratsbehälter 20 am Hauptbremszylinder 1. Die Einlassventile 17 verbinden in ihrem nicht aktivierten Zustand die Radbremsen 19 mit einem Abschnitt der jeweiligen Bremsleitung 8, 9, der entweder über elektromagnetisch betätigbare Trennventile 21 mit der jeweiligen Hauptzylinderkammer 6, 7 oder über elektromagnetisch betätigbare Schaltventile 22 oder dem Volumengeber 11 verbindbar ist. Im Gegensatz zur Ausführung nach 1 steht somit der Volumengeber 11 nicht in einer direkten und nicht schaltbaren Verbindung zum Hauptbremszylinder 1, vielmehr wird an Stelle des Hauptbremszylinders 1 der Volumengeber durch eine Aktivierung der Trennventile 21 und der Schaltventile 22 an die Radbremsen angeschlossen.
Die Trennventile 21 in den Bremsleitungen 8, 9 werden für eine Sperrung der Bremsleitungen 8, 9 benötigt. Eine solche Sperrung wird vorgenommen, wenn eine Brake-by-Wire-Bremsung erfolgt, bei der das Pedal des Hauptbremszylinders 1 zwar betätigt wird, das Druckmittel zur Betätigung der Bremsen aber nicht aus diesem, sondern vielmehr bei offenen bzw. sich in Richtung auf die Radbremsen öffnenden Schaltventilen 22 vom Volumengeber 11 stammt, der entsprechend der Pedalbetätigung angesteuert wird und der bei dieser Ausführung an beide Bremskreise angeschlossen ist. Der Hauptbremszylinder 1 wirkt zusammen mit Weg- und Drucksensoren somit als Soll-Druckwertgeber mit elektronischer Sollwertübermittlung (by-Wire-Prinzip) und als Pedalwegsimulator.
Der Volumengeber 11 ist außerdem über ein Saugventil 23 mit dem Vorratsbehälter 20 verbunden, so dass er ggf. von dort Druckmittel aufnehmen kann.
Auch bei dieser Ausführung der Bremsanlage ist der Hauptbremszylinder 1 - wie oben beschrieben und wie in 3 gezeigt - aufgebaut.
Dem Volumengeber 11 kommt die Aufgabe zu, zum Bremsdruckaufbau in Brake-by-Wire-Bremsanlagen Druckmittel in die Radbremsen zu fördern.
Auch in dieser Ausführung kann der Hauptbremszylinder 1 bei einem offenen Trennventil 21 im Zusammenwirken mit dem Simulatorkolben 3 bzw. der Simulatorfeder 4 mit einem entsprechend angesteuerten Volumengeber 11 auch als Bremskraftverstärker wirken. Ein entsprechendes Verfahren kann beispielsweise nach der Erkennung eines fehlerhaft nicht schließenden Trennventils durchgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Hauptbremszylinder 1 mit integriertem Simulator ermöglicht auch eine passive Simulatorfunktion, indem zum einen die Hauptbremszylinderabgänge durch Schließen der Trennventile 21 hydraulisch verschlossen werden, wodurch die Rückstellkraft des Bremspedals im Wesentlichen durch die Kraft der Simulatorfeder 4 bestimmt ist. In einer anderen Betriebsart, in der der Hauptbremszylinder 1 nicht abgesperrt wird, wird der Bremssystemdruck mit Hilfe der elektronisch steuerbaren Druck- und Volumenquelle auf den Wert eingeregelt, der sich in einem verschlossenen Simulator-Hauptbremszylinder 1 ausbilden würde. Besonders vorteilhaft ist, dass im laufenden Betrieb, auch während einer Bremsung, problemlos zwischen diesen beiden Betriebsarten hin- und hergeschaltet werden kann. Wenn beispielsweise für eine Rekuperationsbremsung ein Bremssystemdruck benötigt wird, der niedriger ist als der Hauptzylinderdruck, dann wird der Hauptbremszylinder 1 abgesperrt. Dies erfolgt auch dann, wenn es - beispielsweise in einem Sportmodus des Fahrzeuges mit einer solchen Bremsanlage - gewünscht ist, dass jegliche Änderung der Fahrer-Bremspedalbetätigung sofort und ohne jegliche Verzugszeiten durch die unvermeidlichen Signalerfassungs- und Signalverarbeitungs-Laufzeiten einer elektronischen Regelung und/oder einer Aktuatorik mit begrenzter Dynamik an den Radbremsen ankommt.
Die 4 zeigt eine Erweiterung der Anlage nach 1.
In den Bremsleitungen 8, 9 befinden sich zusätzlich Trennventile 21, deren Funktionen im Zusammenhang mit 2 erläutert worden sind. Weiterhin ist in der Ventileinheit 10 für jeden Bremskreis ein Volumenaustauschventil 16 (unbestromt gesperrtes Ventil) in einer Nebenverbindung zum Vorratsbehälter 20 vorgesehen, über die die beiden Bremskreise auch bei bestromten und somit gesperrten Trennventilen 21 Druckmittelvolumen mit dem Behälter 20 austauschen können. Die Volumenaustauschventile 16 sind im nicht aktivierten Zustand geschlossen und ermöglichen so einen Bremsdruckaufbau mit aus dem Hauptbremszylinder verdrängtem Druckmittel. Wenn es beispielsweise zur Durchführung eines Fahrstabilitätsregeleingriffs notwendig ist, mit Hilfe der Pumpe der ESC-HCU Radbremsdruck bereitzustellen, werden sie dann aktiviert und damit hydraulisch geöffnet. Dadurch kann die ESC-HECU 10' aus dem Druckmittelbehälter das erforderliche Volumen ansaugen, aber auch nicht mehr benötigtes Volumen zurückgeben.
Das Bremssystem in 4 benötigt keine elektronisch steuerbare Druck- und Volumenquelle, weil diese Funktion über ein elektrohydraulisches ESC-Modul 10' realisiert wird. Dieses enthält für jeden Bremskreis eine Pumpe mit in üblichen Bauarten ein bis drei Kolben (zur Vermeidung von Pulsationen können mehr Kolben oder auch Pumpen anderer Bauart - wie Zahnradpumpen - zum Einsatz kommen) sowie Ventile zur Kreisdruckregelung und zur Radbremsdruckregelung, jedoch abgesehen von kleinen Niederdruckspeichern, die unbetätigt auch leer sind, keinen Druckmittelvolumenvorrat. Daher ist vorgesehen, dass eine solche hydraulische Verbindung vom ESC-Modul 10' zum Druckmittelvorratsbehälter 20 durch ein Aktivieren der Volumenaustauschventile 16 herstellbar ist. Über diese kann sowohl Volumen angesaugt als auch vom ESC-Modul an den Behälter abgegeben werden. Weil dabei auch die Trennventile 21 aktiviert werden, entspricht dies einer Brake-by-Wire-Betriebsart, in der der Hauptbremszylinder 1 das Bremspedalgefühl erzeugt.
Bezugszeichenliste

1: Hauptbremszylinder
2: Pedalkolben
3: Simulatorkolben
4: Simulatorfeder
5: Schwimmkolben
6: Hauptzylinderkammer
7: Hauptzylinderkammer
8: Bremsleitung
9: Bremsleitung
10: Elektrohydraulische Einheit (HECU)
10': Elektrohydraulische Einheit mit Ventilen, Pumpen und Pumpenmotor
11: Volumengeber
12: Volumengeberkolben
13: Elektromotor
14: Drucksensor
15: Pedalwegsensor
16: Volumenaustauschventil
17: Einlassventile
18: Auslassventile
19: Radbremsen
20: Vorratsbehälter
21: Trennventile
22: Schaltventil
23: Saugventil
24a: Kragen
24b: Kragen
25: Übertragungsglied
26: Übertragungshülse
27: Kragen
28: Kragen
29: Verbindungskanal
30: Endkanal
31: Gehäusekanal
32: Gehäuseringnut
33: Simulatorkolbenringnut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011081872 A1 [0002, 0009]
WO 2013/139825 A2 [0007]

Claims

Hauptbremszylinder (1) mit einem mittels eines Bremspedals betätigbaren Pedalkolben (2), dessen vordere Stirnfläche eine Hauptzylinderkammer (6) in dem Hauptbremszylinder (1) begrenzt, und mit einem zum Pedalkolben (2) koaxial angeordneten Simulatorkolben (3), dessen vordere Stirnfläche ebenfalls die Hauptzylinderkammer (6) begrenzt und dessen rückwärtige Stirnfläche zumindest zum Teil an die Atmosphäre angrenzt, so dass eine Vorwärtsbewegung des Pedalkolbens (2) und/oder des Simulatorkolbens (3) das Volumen der Hauptzylinderkammer (6) verkleinert und eine Rückwärtsbewegung des Pedalkolbens (2) und/oder des Simulatorkolbens (3) das Volumen der Hauptzylinderkammer (6) vergrößert, und mit einer Simulatorfeder (4), die auf die rückwärtige Stirnfläche des Simulatorkolbens (3) einwirkt, und mit einer Mitnahmeeinrichtung, mit der der Pedalkolben nach einem initialen vordefinierten Hub den Simulatorkolben (3) in der Vorwärtsbewegung mitnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulatorkolben (3) als Hohlzylinder ausgeführt ist, in dem der Pedalkolben (2) geführt ist, und dass die Simulatorfeder (4) eine progressive Federcharakteristik aufweist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulatorfeder (4) eine Zylinderfeder ist, die koaxial zum Simulatorkolben (3) angeordnet ist und diesen umgibt.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übertragungsglied (25) zwischen dem Simulatorkolben (3) und der Simulatorfeder (4) vorgesehen ist, wobei das Übertragungsglied (25) einen ersten Anschlag für den Simulatorkolben (3) zur Begrenzung seiner Rückwärtsbewegung und einen zweiten Anschlag zur Anlage an den Hauptbremszylinder zu Begrenzung der Vorwärtsbewegung des Übertragungsgliedes aufweist, wobei durch die Anschläge die Grundposition des Simulatorkolbens (3) definiert ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied eine koaxial zum Simulatorkolben (3) angeordnete Übertragungshülse (26) ist, die an ihrem rückwärtigen Ende einen nach innen ragenden Kragen (27) aufweist, der an der rückwärtigen Stirnfläche des Simulatorkolbens (3) anliegt, und die an ihrem vorderen Ende einen nach außen weisenden Kragen (28) aufweist, der an einem Absatz im Hauptbremszylinder (1) anliegt, wobei die Simulatorfeder (4) zwischen diesem Kragen (28) und einem weiteren Absatz im Hauptbremszylinder (1) eingespannt ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pedalkolben (2) zur Begrenzung seiner Rückwärtsbewegung einen Anschlag zur Anlage an den Simulatorkolben (3) aufweist, wobei durch den Anschlag die Grundposition des Pedalkolbens (2) in Bezug zum Simulatorkolben (3) definiert ist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pedalkolben (2) an seinem rückwärtigen Ende einen Kragen (24b) aufweist, der an die rückwärtige Stirnfläche des Simulatorkolbens (3) anlegbar ist.
Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Hauptbremszylinder (1) ein Gehäusekanal (31) befindet, der einerseits in einen Außenanschluss für einen Vorratsbehälter (20) übergeht und andererseits in eine an der inneren Mantelfläche des Gehäuses des Hauptbremszylinders (1) umlaufende Gehäuseringnut (32) mündet, und dass auch der Simulatorkolben (3) einen Verbindungskanal (29) aufweist, der in eine Simulatorkolbenringnut (33) an der inneren Mantelfläche des Simulatorkolbens (3) übergeht und der so angeordnet ist, dass er in der Grundposition des Simulatorkolbens (3) in die Gehäuseringnut (32) weist.
Hauptbremszylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulatorkolben (3) an seiner inneren Mantelfläche eine umlaufende Simulatorkolbenringnut (33) aufweist, in die der Verbindungskanal (29) mündet, und dass im Pedalkolben (2) ein in die Hauptzylinderkammer (6) mündender Endkanal (30) verläuft, der in der Grundstellung des Pedalkolbens (2) und des Simulatorkolbens (3) in Überdeckung steht mit der umlaufenden Simulatorkolbenringnut (33) des Simulatorkolbens (3).
Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbremszylinder (1) als Tandemzylinder ausgeführt ist, wobei in einer seriellen Anordnung vor der vorderen Stirnfläche des Pedalkolbens (2) ein Schwimmkolben (5) vorgesehen ist, sowie Anschlag-Mittel, die eine Bewegung des Schwimmkolbens aus seiner Grundposition heraus entgegen der Pedalbetätigungsrichtung verhindern.
Bremsanlage mit einem Hauptbremszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbremszylinder (1) an wenigstens einen Bremskreis mit Radbremsen (19) angeschlossen ist, wobei zwischen dem Hauptbremszylinder (1) und den Radbremsen (19) des Bremskreises eine elektrohydraulische Einheit (10) vorgesehen ist, die unter anderem mit elektromagnetisch betätigbaren Ventilen (16, 17, 18, 21, 22) versehen ist.
Bremsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptzylinderkammer über eine direkte oder über eine schaltbare hydraulische Verbindung mit einer elektronisch steuerbaren Druck- und Volumenquelle verbunden ist.
Bremsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch steuerbare Druck- und Volumenquelle einen elektronisch steuerbaren Volumengeber (11) umfasst, der einen Volumengeberkolben (12) aufweist, der eine Volumenkammer begrenzt, die über eine Leitung mit der Hauptzylinderkammer (6) in Verbindung steht.
Bremsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumengeberkolben (12) elektromotorisch betätigbar ist.
Bremsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (14) vorgesehen ist, der den von der Hauptzylinderkammer (6) abgegebenen Druck erfasst, und ein Pedalwegsensor (15), der den Pedalweg oder eine mit dem Pedalweg gekoppelte Größe, wie Pedalschwenkwinkel oder Pedalkolbenweg, ermittelt.
Bremsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verbindung zwischen der Hauptzylinderkammer (6) und einem Vorratsbehälter (20) ein elektromagnetisch betätigbares Volumenaustauschventil (16) angeordnet ist.