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Die Erfindung betrifft ein Bremspedalmodul für ein „Brake-by-wire“-Bremssystem eines Fahrzeugs.
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Bei „Brake-by-wire“-Bremssystemen wird ein Bremswunsch eines Fahrers elektronisch erfasst und die Bremsen des Fahrzeugs mittels eines oder mehrerer rein elektrischer Aktuatoren betätigt. Dazu kann vorgesehen sein, dass den Bremsen der einzelnen Räder jeweils ein elektromotorischer Aktuator zugeordnet ist, wie es beispielsweise bei einer „EMB“ (Elektro-Motorische Bremse) bekannt ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein elektrohydraulischer Aktuator zentral angesteuert wird, um die Bremsen in konventioneller Weise hydraulisch zu betätigen, wie es beispielsweise bei einem „IBS“ (Integrated Brake System) bekannt ist. Des Weiteren kann ein „Brake-by-wire“-Bremssystem als Mischsystem ausgeführt sein, indem die Bremsen einer Fahrzeugachse, beispielsweise die der Vorderräder, einem „IBS“ zugeordnet sind und die Bremsen einer anderen Fahrzeugachse, beispielsweise die der Hinterräder, jeweils als „EMB“ ausgestaltet sind.
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Da bei „Brake-by-wire“-Bremssystemen in der Regel keine mechanische Verbindung zwischen einem Bremspedal und den Bremsen vorhanden ist, wird ein Rückwirkverhalten des Bremspedals für den Fahrer simuliert, beispielsweise hydraulisch. Genauer gesagt wirkt bei der Betätigung des Bremspedals mit zunehmendem Hub ein größerer Widerstand.
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Derartige Hydrauliksysteme ermöglichen zwar eine gute Simulation eines Rückwirkverhaltens des Bremspedals, sie sind jedoch aufwendig, was die Integration in eine Fahrzeugumgebung betrifft.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bremspedalmodul bereitzustellen, das sich besonders einfach in einen Fahrzeugbauraum integrieren lässt und gleichzeitig ein Rückwirkverhalten des Bremspedals bestmöglich simulieren kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bremspedalmodul für ein „Brake-by-wire“-Bremssystem eines Fahrzeugs, mit einem schwenkbar gelagerten Bremspedal und mit einer Dämpfungseinheit, die zum Erzeugen eines Widerstands bei einer Betätigung des Bremspedals mit dem Bremspedal mechanisch gekoppelt ist, wobei die Dämpfungseinheit ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung verschiebbar gelagerten Kolben umfasst, wobei sich der Kolben in seiner Ausgangsstellung über mindestens zwei in Reihe angeordnete elastische Elemente an einem Boden des Gehäuses abstützt, und wobei ein weiteres elastisches Element parallel zu den mindestens zwei elastischen Elementen am Boden des Gehäuses angeordnet ist, wobei das weitere elastische Element in einer Ausgangsstellung des Kolbens unbelastet ist.
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Anders ausgedrückt ist eine Anlagefläche des weiteren elastischen Elements am Boden des Gehäuses in Ausgangsstellung des Kolbens unberührt, das heißt, an dem elastischen Element stützen sich auch keine weiteren elastischen Elemente ab. Auch der Kolben stützt sich in der Ausgangsstellung nicht an dem weiteren elastischen Element ab.
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Die Anlagefläche des weiteren elastischen Elements ist die Fläche, die zum Kolben hin gerichtet ist, also die Fläche, die mit dem Kolben bei einer Verschiebung des Kolbens in Kontakt kommen kann.
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Der Kolben ist in seiner Ausgangsstellung, wenn keine Betätigung des Bremspedals erfolgt, und in einer Endstellung, wenn das Bremspedal maximal durchgedrückt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der elastischen Elemente kann eine besonders vorteilhafte Pedalcharakteristik erreicht werden. Die Pedalcharakteristik bezeichnet einen Widerstand, den ein Fahrer beim Betätigen des Bremspedals abhängig von einem Bremshub wahrnimmt.
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Genauer gesagt erzeugen die zwei in Reihe angeordneten elastischen Elemente bei einer Verschiebung des Kolbens eine Gegenkraft, die von einem Fahrer am Bremspedal als Widerstand wahrgenommen wird.
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Das elastische Element, das am Boden des Gehäuses angeordnet ist, beeinflusst zu Beginn eines Bremsvorgangs den am Bremspedal wahrgenommenen Widerstand nicht.
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Das weitere elastische Element am Boden des Gehäuses ist beispielsweise ein Gummidämpfer. Derartige Dämpfer sind besonders kompakt.
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Der Gummidämpfer ist vorzugsweise kegelförmig. Dadurch steigt eine zum Komprimieren des Dämpfers in axiale Richtung erforderliche Kraft exponentiell an. Entsprechend steigt ein von einem Fahrer wahrgenommener Widerstand am Bremspedal schnell an, wenn der Gummidämpfer durch den Kolben komprimiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kolben in seiner Ausgangsstellung von dem weiteren elastischen Element axial beabstandet. Das weitere elastische Element trägt somit erst dann zu einem Rückwirkverhalten des Bremspedals bei, wenn der Kolben den axialen Abstand zum elastischen Element überwunden hat.
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Der Kolben liegt vorzugsweise in seiner Endstellung und vor Erreichen seiner Endstellung direkt an dem weiteren elastischen Element an. Beispielsweise liegt der Kolben im letzten Drittel des Betätigungsweges an dem weiteren elastischen Element an. Das weitere elastische Element trägt also dann zu einem Rückwirkverhalten des Bremspedals bei, wenn ein Fahrer das Bremspedal stark durchdrückt.
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Das in Betätigungsrichtung des Kolbens und vom Kolben aus betrachtet erste der in Reihe angeordneten elastischen Elemente hat vorzugsweise eine geringere Federsteifigkeit als das mindestens eine weitere der in Reihe angeordneten elastischen Elemente. Dies hat den Vorteil, dass ein schnelles Detektieren eines Bremswunsches erfolgt. Insbesondere muss ein Fahrer nur eine geringe Kraft aufbringen, um das Bremspedal aus seiner unbetätigten Stellung heraus zu bewegen.
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Die Betätigungsrichtung des Kolbens ist die Richtung von seiner Ausgangsstellung in seine Endstellung.
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Das elastische Element mit der größeren Federsteifigkeit ist vorzugsweise eine Feder mit einer progressiven Federkennlinie. Eine derartige Feder hat eine nichtlineare Kennlinie. Genauer gesagt ist eine progressive Feder bei geringer Krafteinwirkung relativ weich und wird steigender Belastung härter.
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Gemäß einer Ausführungsform stützen sich die beiden in Reihe angeordneten elastischen Elemente über ein Stützelement aneinander ab, insbesondere wobei die beiden elastischen Elemente an entgegengesetzten Stirnseiten des Stützelements anliegen. Durch den Kontakt mit dem Stützelement haben beide elastischen Elemente eine stabile Anlagefläche.
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An dem Stützelement ist vorzugsweise eine Anlagefläche für den Kolben vorhanden, wobei das in Betätigungsrichtung betrachtet erste elastische Element überbrückt ist, sobald der Kolben an der Anlagefläche anliegt. Sobald das erste elastische Element dann überbrückt ist, wirkt zunächst nur das zweite elastische Element, zumindest solange, bis der Kolben das weitere elastische Element am Boden des Gehäuses erreicht. Somit lässt sich ein Rückwirkverhalten des Bremspedals bereichsweise mittels eines einzelnen elastischen Elements simulieren.
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Die mindestens zwei in Reihe angeordneten elastischen Elemente sind beispielsweise Schraubenfedern. Schraubenfedern sind kostengünstig und einfach verfügbar.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Kolben drehfest gelagert. Die drehfeste Lagerung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Kolben und das Gehäuse einen unrunden Querschnitt haben. Die drehfeste Lagerung des Kolbens ermöglicht eine besonders zuverlässige Erfassung des Verschiebewegs des Kolbens.
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Die Dämpfungseinheit ist vorzugsweise pneumatisch in sich geschlossen. Konkret ist das Gehäuse pneumatisch in sich geschlossen. Ein besonderer Vorteil hierbei ist, dass an der Dämpfungseinheit keine Fluidanschlüsse vorhanden sind bzw. keine Fluidleitungen an die Dämpfungseinheit angeschlossen werden müssen. Somit kann das Bremspedalmodul als separate Einheit gefertigt werden und unabhängig von anderen Komponenten oder Fluidleitungen in einer Bauraumumgebung positioniert werden.
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Zudem kann die Dämpfungseinheit dadurch besonders kompakt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Bremspedalmodul eine Sensoreinheit zum Detektieren eines Bremswunsches eines Fahrers. Insbesondere wird ein Bremswunsch elektronisch erfasst. Basierend auf dem detektierten Bremswunsch kann ein Signal an die den Rädern zugeordneten Aktuatoren weitergeleitet werden, welche daraufhin eine Bremswirkung erzeugen.
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Das erfindungsgemäße Bremspedalmodul eignet sich zur Verwendung in einem „Brake-by-wire“-Bremssystem, das vorzugsweise mit „EMB“-Bremsen ausgerüstet ist und/oder als „IBS“-System ausgestaltet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beiliegenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Bremspedalmodul,
- - 2 einen Längsschnitt durch eine Dämpfungseinheit eines erfindungsgemäßen Bremspedalmoduls, und
- - 3 eine Kennlinie einer Pedalcharakteristik eines erfindungsgemäßen Bremspedalmoduls.
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1 zeigt schematisch ein Bremspedalmodul 10 für ein „Brake-by-wire“-Bremssystem eines Fahrzeugs.
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Das Bremspedalmodul 10 dient insbesondere dazu, einen Bremswunsch eines Fahrers elektronisch zu detektieren.
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Das Bremspedalmodul 10 umfasst ein schwenkbar gelagertes Bremspedal 12 und eine Dämpfungseinheit 14, die mit dem Bremspedal 12 mechanisch gekoppelt ist.
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Die Dämpfungseinheit 14 dient zum Erzeugen eines Widerstands bei einer Betätigung des Bremspedals 12.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Dämpfungseinheit 14 auf Druck belastet. In einer alternativen Ausführungsform kann die Dämpfungseinheit jedoch auch auf Zug belastet sein.
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Das Bremspedal 12 ist durch eine Strebe 16 gebildet.
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An einem ersten Ende 18 hat die Strebe 16 eine Betätigungsfläche 20, die von einem Fahrer zum Signalisieren eines Bremswunsches gedrückt werden kann. Anders ausgedrückt kann ein Fahrer zum Signalisieren eines Bremswunsches mit dem Fuß einen Druck auf die Betätigungsfläche 20 ausüben.
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An einem zum ersten Ende 18 entgegengesetzten Ende 22 ist die Strebe 16 an einem fahrzeugfesten Lager 24 schwenkbar aufgehängt.
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Die Dämpfungseinheit 14 ist ebenfalls fahrzeugfest gelagert, insbesondere an einem Karosserieteil verschraubt.
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Die Dämpfungseinheit 14 ist zwischen den Enden 18, 22 mit dem Bremspedal 12 mechanisch gekoppelt.
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Die Dämpfungseinheit 14 umfasst ein Gehäuse 26, in dem ein Kolben 28 aufgenommen und verschiebbar gelagert ist.
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Der Kolben 28 unterteilt das Gehäuse 26 in einen Druckraum 30 und einen Unterdruckraum 32.
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Ausgehend von einer Stirnseite 34 des Kolbens 28 erstreckt sich eine Kolbenstange 36.
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Über die Kolbenstange 36 ist der Kolben 28 mit dem Bremspedal 12 gekoppelt. Optional kann zwischen der Kolbenstange 36 und dem Bremspedal 12 ein Zwischenstück 37 (siehe 2) vorgesehen sein.
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Das Bremspedalmodul 10 umfasst außerdem eine Sensoreinheit 40 zum Detektieren eines Bremswunsches eines Fahrers.
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Die Sensoreinheit 40 erfasst einen Verschiebeweg des Kolbens 28.
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Anhand von 2 wird die Dämpfungseinheit 14 im Detail beschrieben.
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Die Dämpfungseinheit 14 umfasst mehrere elastische Elemente 42, 43, 44.
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Zwei der elastischen Elemente 42, 43 sind in Reihe angeordnet, insbesondere zwischen einem Boden 46 des Gehäuses 26 und dem Kolben 28.
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Genauer gesagt stützt sich der Kolben 28 in seiner Ausgangsstellung über die zwei in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 am Boden 46 des Gehäuses 26 ab.
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Die beiden in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 stützen sich über ein Stützelement 48 aneinander ab.
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Genauer gesagt liegen die beiden elastischen Elemente 42, 43 an entgegengesetzten Stirnseiten des Stützelements 48 an.
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Das Stützelement 48 ist so geformt, dass es zumindest abschnittsweise eine Führung für die elastischen Elemente 42, 43 bildet.
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Dadurch sind die elastischen Elemente 42, 43 in axialer Richtung abschnittsweise überlappend angeordnet.
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Insbesondere hat das Stützelement 48 an einer zum Kolben 28 hin gerichteten Stirnseite 50 eine Vertiefung 52, in der das zwischen Stützelement 48 und Kolben 28 angeordnete elastische Element 42 abschnittsweise aufgenommen ist.
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Der Kolben 28 hat ebenfalls eine Vertiefung 53, in der das elastische Element 42 aufgenommen ist.
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An der entgegengesetzten Stirnseite 54 des Stützelements 48 ist eine Stufe 56 vorhanden, an der sich das zwischen Stützelement 48 und Boden 46 angeordnete elastische Element 43 abstützt.
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Zusätzlich ist am Boden 46 eine Vertiefung 57 vorhanden, in der das elastische Element 43 abschnittsweise aufgenommen ist, um eine stabile Positionierung des elastischen Elements 43 zu gewährleisten.
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An dem Stützelement 48 ist eine Anlagefläche 58 für den Kolben 28 vorhanden, insbesondere an der zum Kolben 28 hin gerichteten Stirnseite 50.
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In seiner Ausgangsstellung ist der Kolben 28 axial von der Anlagefläche 58 beabstandet. Genauer gesagt hat der Kolben 28 eine Anlagefläche 60, die in Verschieberichtung des Kolbens 28 betrachtet mit der Anlagefläche 58 am Stützelement 48 überlappt, wobei die Anlageflächen 58, 60 axial voneinander beabstandet sind.
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Mit zunehmender Betätigung des Bremspedals 12 nähert sich der Kolben 28, insbesondere die Anlagefläche 60 des Kolbens 28, der Anlagefläche 58 und legt sich schließlich an die Anlagefläche 58 an. Wenn dieser Zustand erreicht ist, ist das in Betätigungsrichtung betrachtet erste elastische Element 42 überbrückt.
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Optional kann der Kolben 28 einen die Anlagefläche 60 des Kolbens 28 umgebenden Führungsabschnitt 62 haben. Der Führungsabschnitt 62 ist im Ausführungsbeispiel ein Kragen, der sich ausgehend von der Anlagefläche 60 axial erstreckt und am dem eine Lauffläche 64 des Kolbens 28 gebildet ist.
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Im Ausführungsbeispiel sind die beiden in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 Schraubenfedern.
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Das in Betätigungsrichtung des Kolbens 28 und vom Kolben 28 aus betrachtet erste elastische Element 42 der in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 hat eine geringere Federsteifigkeit als das weitere der in Reihe angeordneten elastischen Elemente.
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Außerdem hat das in Betätigungsrichtung des Kolbens 28 erste elastische Element 42 einen kleineren Durchmesser als das weitere der in Reihe angeordneten elastischen Elemente 43.
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Die beiden elastischen Elemente 42, 43 sind konzentrisch zueinander angeordnet.
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Das elastische Element 43 mit der größeren Federsteifigkeit ist eine Feder mit einer progressiven Federkennlinie.
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Im Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei in Reihe angeordnete elastische Elemente 42, 43 dargestellt. Es können jedoch auch mehr als zwei elastische Elemente in Reihe angeordnet sein, wobei die axial aufeinanderfolgenden elastischen Elemente sich jeweils über ein Stützelement aneinander abstützen.
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Die beiden in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 dienen zum Erzeugen eines Widerstands, der von einem Fahrer beim Betätigen des Bremspedals 12 wahrgenommen wird.
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Des Weiteren dienen die in Reihe angeordneten elastischen Elemente 42, 43 als Rückstellelement, um den Kolben 28 bei unbetätigtem Bremspedal 12 in seine Ausgangsstellung zurück zu bewegen bzw. in der Ausgangsstellung zu halten.
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Zusätzlich zu den in Reihe angeordneten elastischen Elementen 42, 43 ist ein weiteres elastisches Element 44 parallel zu den mindestens zwei elastischen Elementen 42, 43 angeordnet, und zwar am Boden 46 des Gehäuses 26.
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Zur einfacheren Positionierung ist am Boden 46 eine Aufnahme 66 für das elastische Element 44 geformt.
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Das elastische Element 44 am Boden 46 des Gehäuses 26 ist ein Gummidämpfer.
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Der Gummidämpfer ist im Ausführungsbeispiel kegelförmig, wobei sich der Gummidämpfer zum Kolben 28 hin verjüngt.
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Das weitere elastische Element 44 ist in einer Ausgangsstellung des Kolbens 28 unbelastet, wie in 2 zu sehen ist.
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Der Kolben 28 ist in seiner Ausgangsstellung insbesondere axial von dem elastischen Element 44 beabstandet.
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Das heißt, dass der Kolben 28 das elastische Element 44 in seiner Ausgangsstellung nicht berührt.
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In seiner Endstellung und vor Erreichen seiner Endstellung liegt der Kolben 28 jedoch direkt an dem weiteren elastischen Element 44 an, insbesondere im letzten Drittel seines Betätigungswegs.
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Somit trägt das als Gummidämpfer ausgebildete elastische Element 44 im letzten Abschnitt des Betätigungsweges des Kolbens 28 zur Dämpfung der Kolbenbewegung bei.
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Die Sensoreinheit 40 umfasst in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einen mit dem Kolben 28 fest gekoppelter Läufer 68, der seitlich am Gehäuse 26 in einer Führung 70 verläuft. Im dem Läufer 68 sind Magnete 72 integriert, deren Bewegung von einem oder mehreren Sensorelementen 74 erfasst wird.
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In einer alternativen Ausführungsform kann ein Magnet direkt am Kolben 28 befestigt sein.
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Der Kolben 28 kann drehfest im Gehäuse 26 gelagert sein. Beispielsweise haben der Kolben 28 und das Gehäuse 26 einen unrunden Querschnitt.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Magnet in einer alternativ en Ausführungsform direkt am Kolben 28 befestigt ist. In diesem Fall kann die Distanz zwischen dem Magneten und den Sensorelementen besonders kurz sein, wodurch eine besonders zuverlässige Erfassung eines Verschiebeweges möglich ist.
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Die Dämpfungseinheit 14 ist pneumatisch in sich geschlossen.
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Zwischen dem Druckraum 30 und dem Unterdruckraum 32 ist jedoch eine Strömungsverbindung vorhanden.
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Die Strömungsverbindung ist durch eine Drossel 76 realisiert, die im Kolben 28 integriert ist.
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Die Drossel 76 ist derart ausgebildet, dass sie einen Luftstrom vom Druckraum 30 in den Unterdruckraum 32 beim Betätigen des Bremspedals 12 stärker drosselt als einen Luftstrom vom Unterdruckraum 32 in den Druckraum 30 beim Rückstellen des Bremspedals 12.
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In 3 ist eine Pedalcharakteristik des Bremspedalmoduls 10 dargestellt.
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In dem in 3 dargestellten Diagramm ist eine Betätigungskraft (in Newton), die ein Fahrer auf das Bremspedal 12 aufbringt, über einen Pedalhub (in Millimeter) dargestellt.
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Aus 3 geht hervor, dass zu Beginn eines Bremsvorgangs nur eine geringe Kraft von einem Fahrer aufgebracht werden muss, um das Bremspedal 12 aus seiner Ausgangsstellung zu bewegen.
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Mit zunehmendem Hub wird die erforderliche Kraft jedoch größer.
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Die Pedalcharakteristik lässt sich in drei Abschnitte A1, A2, A3 unterteilen.
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Im ersten Abschnitt A1 wird die Pedalcharakteristik fast ausschließlich das erste elastische Element 42 mit der geringeren Federstärke beeinflusst.
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Der erste Abschnitt A1 bildet eine Kolbenbewegung von der Ausgangsstellung des Kolbens 28 bis zu der Kolbenstellung ab, in welcher der Kolben 28 am Stützelement 48 anliegt und das erste elastische Element 42 überbrückt ist.
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Da sich das erste elastische Element 42 aufgrund seiner geringen Federstärke im ersten Abschnitt A1 relativ leicht komprimieren lässt, steigt die erforderliche Betätigungskraft im ersten Abschnitt kaum an.
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Der erste Abschnitt A1 entspricht beispielsweise einem Hub von ca. 25 mm.
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Im zweiten Abschnitt A2 wird die Pedalcharakteristik durch das elastische Element 43 bestimmt.
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Die erforderliche Betätigungskraft zum Bewegen des Bremspedals 12 bzw. zum Verschieben des Kolbens 28 steigt folglich im zweiten Abschnitt an.
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Der zweite Abschnitt A2 stellt eine Kolbenbewegung ab einer Position dar, in dem das erste elastische Element 42 überbrückt ist, bis zu einer Position, in welcher der Kolben 28 das weitere elastische Element 44 am Boden 46 des Gehäuses 26 berührt.
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Der zweite Abschnitt A2 entspricht beispielsweise einem Hub von ca. 25 mm bis 60 mm.
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Im dritten Abschnitt A3 wirken das zweite elastische Element 43 und das weitere am Boden 46 des Gehäuses 26 angeordnete elastische Element 44 parallel.
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Dadurch steigt eine erforderliche Betätigungskraft im dritten Abschnitt A3 exponentiell an.
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In dem Diagramm in 3 sind mehrere Kurven eingezeichnet, welche jeweils einen Kraftverlauf bei unterschiedlichen Betätigungsgeschwindigkeiten darstellen. Die Betätigungsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein Fahrer das Bremspedal 12 durchdrückt.
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Je schneller der Fahrer das Bremspedal bewegt, umso größer ist der gefühlte Widerstand. Dies hängt mit der Dämpfung der Kolbenbewegung durch die Drossel 76 zusammen. Je schneller der Kolben 28 bewegt wird, umso größer ist die Dämpfung des Kolbens durch die Drossel 76.
