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Die Erfindung betrifft ein Bremsgerät mit einer Simulatoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlage, insbesondere eine fremdbetätigbare elektronisch steuerbare Brake-by-Wire Kraftfahrzeugbremsanlage.
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In modernen Fahrzeugen werden zunehmend elektronisch gesteuerte Bremssysteme insbesondere sogenannte Brake-by-Wire Bremssysteme eingesetzt. Solche Bremssysteme weisen gegenüber den konventionellen Bremssystemen mehrere Vorteile. So kann der Bremsbetrieb bei Bedarf gänzlich fahrerunabhängig erfolgen und flexibel an die jeweilige Fahrsituation angepasst werden. Der erforderliche Bauraum ist gegenüber einem konventionellen Bremssystem reduziert, zudem kann es flexibler in dem Fahrzeug platziert werden. Moderne Brake-by-Wire Kraftfahrzeugbremsanlagen werden in ihrem regulären Bremsmodus durch sensorbasierte Erfassung eines Bremswunsches vom Fahrer indirekt sowie elektronisch gesteuert gänzlich unabhängig vom Fahrer betätigt. Um einen erforderlichen Systemdruck in einem solchen regulären Bremsmodus zu liefern, wird ein fahrerunabhängig steuerbarer Druckgenerator verwendet, welcher meistens von einem Elektromotor angetrieben wird.
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Bei herkömmlichen Bremssystemen übt der Druck aus dem Hydraulikkreislauf beim Betätigen des Bremspedals eine Reaktionskraft zurück in das Fahrerpedal aus. Diese Kraft variiert je nach Bremsszenario, Fahrzeugbeladung und Straßenzustand. Bei Brake-by-Wire-Systemen ist jedoch eine solche Rückkopplung vom Radbremszylinder zum Bremspedal im regulären fremdbetätigten Betriebsmodus durch Abtrennung einer direkten hydraulischen Verbindung unterbunden. Es besteht daher die Notwendigkeit, dem Fahrer trotz fehlender direkter Rückkopplung ein vertrautes sowie komfortables Pedalgefühl zu vermitteln.
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Zu diesem Zweck ist es bekannt, die Rückkopplung mithilfe einer gesonderten Simulatoreinheit zu simulieren. Hierbei erzeugt die Simulatoreinheit eine der Betätigungskraft entgegenwirkende Gegenkraft mit einem definierten wegbeziehungsweise hubabhängigen Verlauf, welche auch als Kennlinie der Simulatoreinheit bezeichnet wird. Es wird angestrebt, dass die Kennlinie der Simulatoreinheit einer realen Rückkopplung, wie diese beispielsweise in einer konventionellen fahrerbetätigten Bremsanlage vorliegt, möglichst ähnlich ist.
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Eine reale Rückkopplung bei jeder Applikation zeichnet sich meist durch einen ihr eigenen charakteristischen applikationsspezifischen Verlauf der Gegenkraft. Um einen solchen Verlauf zu realisieren ist ein komplexer Aufbau erforderlich, welcher verschiedene lineare sowie nichtlineare elastischen Elemente kombiniert und durch einen Simulatorkolben betätigt wird, welcher über eine hydraulische Verbindung unmittelbar an die Druckkammer der Hauptzylindereinheit aufgeschlossen ist.
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Für eine gattungsgemäßes Simulatoreinheit wird hier beispielsweise auf
DE 10 2016 221 403 A1 verwiesen, in welcher ein hydraulisch betätigter Simulatorkolben auf eine Reihenschaltung von Einzelkomponenten bestehend aus einer Stahlfeder, einem druckstabilen Druckstück und einem Elastomerelement einwirkt.
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Die hohe Anzahl von Einzelkomponenten führt zu einem verbesserungswürdigen Aufwand bei Herstellung, Logistik, Montage, Funktionskontrolle und Kosten. Zudem beansprucht eine derartige Simulatoreinheit einen vergleichbar großen Bauraum. Als Konsequenz muss das Bremsgerätgehäuse ausreichend groß dimensioniert werden, um Überschneidungen mit anderen Funktionseinheiten Innerhalb des Bremsgerät zu vermeiden, was zu einem erhöhten Gewicht und Kostenaufwand führt.
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Es stellt sich somit die Aufgabe der Erfindung, ein Bremsgerät mit einer Simulatoreinheit vorzuschlagen, welche möglichst kompakt aufgebaut ist und zudem kostengünstig und effizient herstellbar und montierbar wäre.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bremsgerät mit der Merkmalskombination nach Anspruch 1 gelöst. Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung an.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Simulatoreinheit wenigstens ein elastisches Verbundelement aufweist, wobei das Verbundelement wenigstens eine erste und eine zweite miteinander verbundenen elastischen Komponenten mit jeweils unterschiedlichen Kennlinien umfasst.
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Durch die Integration von zwei elastischen Komponenten zu einem einzigen Verbundelement wird die Komponentenanzahl mit Vorteil insbesondere für Logistik und Montage reduziert. Ebenso kann die Baulänge der Simulatoreinheit ebenfalls verringert werden, wodurch insbesondere das Bremsgerätgehäuse kleiner und leichter gestaltet werden kann.
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Darüber hinaus wird Kalibrierung der Simulatoreinheit vereinfacht, denn eine Bestimmung der exakten Kennlinie kann durch eine einzige Messung lediglich einer einzigen Komponente erfolgen und nicht etwa mehrere Komponenten separat gemessen und rechnerisch zusammengelegt oder mehrere Einzelkomponenten aufwendig in eine Prüfvorrichtung installiert werden müssten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die erste und die zweite Komponenten des Verbundelements wirkmäßig in einer Parallelschaltung geschaltet sein, wodurch insbesondere eine verkürzte Baulänge und ein kompaktes Außenmaß des Verbundelements begünstigt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die erste und die zweite Komponente unlösbar miteinander verbunden werden, wodurch insbesondere die Handhabbarkeit bei Logistik und Montage sowie Dauerhaltbarkeit und Betriebsfestigkeit verbessert werden.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht weiter vor, dass die erste Komponente ein Elastomerelement und die zweite Komponente eine Metallfeder, insbesondere eine Stahlfeder ist.
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Dadurch können mehrere unterschiedliche Funktionen effektiv zusammengeführt werden, so beispielsweise kann durch den Elastomeranteil ein besonderes komfortables und realitätsgetreues Gefühl am Bremspedal erreicht und durch den Metallfederanteil eine zuverlässige und schnelle Rückversetzung der Simulatoreinheit in den unbetätigten Ausgangszustand sichergestellt werden. Für einen besonderes einfachen und robusten sowie kompakten Aufbau der Simulatoreinheit sieht die bevorzugte Ausführungsform ferner vor, dass das Verbundelement bei Betätigung der Simulatoreinheit durch einen axial verschiebbaren Simulatorkolben mechanisch auf Druck belastet wird.
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Um die Baulänge der Simulatoreinheit weiter zu verringern, kann bevorzugt der Simulatorkolben das Verbundelement oder alternativ das Verbundelement den Simulatorkolben abschnittsweise radial umschließend aufgebaut sein.
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Ein geeigneter Simulatorkolben kann hierfür besonderes kostengünstig und effizient aus Stahlblech im Tiefziehverfahren hergestellt werden.
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Für eine besonderes einfache Auslegung kann die Simulatoreinheit dergestalt aufgebaut sein, dass das Verbundelement bei Betätigung der Simulatoreinheit zwischen dem Simulatorkolben und einem festen Widerlager axial komprimiert wird.
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Eine effiziente, platzsparende und kostengünstig realisierbare Gestaltung des Verbundelements kann erreicht werden, indem die Metallfeder von einem Elastomerwerkstoff abschnittsweise oder vollständig umhüllt wird. Dies kann beispielsweise in einem vergleichsweise einfach aufgebauten Spritzgusswerkzeug im Spritzgussverfahren erfolgen, wobei die Metallfeder bevorzugt als eine Schraubenfeder ausgebildet sein kann.
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Für eine gute Reproduzierbarkeit und einfache Realisierung von Varianten mit unterschiedlichen Kennlinien kann bevorzugt das Elastomerwerkstoff das Federdraht der Metallfeder je nach Ausführung abschnittsweise oder vollständig schlauchartig einer Hülle mit einer im Wesentlichen konstanten Schichtstärke umschließen, sodass die elastomere Hülle den Windungen der Metallfeder folgt.
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Für eine einfache konstruktive Einstellung einer gewünschten Kennlinie des Elastomerelements können Windungen der elastomeren Hülle in axiale Richtung durch eine Wandung aus dem Elastomerwerkstoff einteilig verbunden werden. So kann beispielsweise durch eine einfache Veränderung der Wandungsstärke die Kennlinie der Simulatoreinheit präzise beeinflusst werden.
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Gemäß der Erfindung kann die Gesamtkennlinie der Simulatoreinheit im Wesentlichen vom wegabhängigen Kompressionswiderstand des Verbundelements allein vorgebeben, so dass auf ein gesondertes Druckstück verzichtet werden kann und die Auslegung vereinfacht wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Nachstehend zeigten:
- 1 ein beispielhaftes Bremsgerät in Außenansicht (a) und als einen stark vereinfachten Innenaufbau (b).
- 2 eine Ausführungsform der Simulatoreinheit in einem unbetätigten Ausgangszustand in Axialschnitt.
- 3 Prinzipdarstellung des Verbundelements.
- 4 Kennlinien der Simulatoreinheit und der einzelnen elastischen Komponenten.
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Fig. 1
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1 zeigt beispielhaft ein gattungsgemäßes Brake-by-Wire Bremsgerät 100 mit einer bekannten Simulatoreinheit 1.
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Zum Initiieren einer Bremsung betätigt der Fahrer über ein hier nicht dargestelltes Bremspedal ein daran gekoppeltes Betätigungsglied 2. In einem regulären Bremsmodus wird diese Betätigung über eine hier nicht gezeigte Sensorvorrichtung erfasst und in der elektronischen Steuereinheit 104 verarbeitet. Daraufhin aktiviert die Steuereinheit 104 eine elektromotorische Antriebseinheit 102, welche über eine gesonderte, hier ebenfalls nicht dargestellte Druckerzeugungsvorrichtung den erforderlichen Bremsdruck erzeugt. Ein Druckmittelbehälter 103 speist das Bremsgerät 100 mit dem erforderlichen Druckmittel, beispielsweise einer Bremsflüssigkeit.
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Die Betätigungskraft B des Fahrers wird auf einen Hauptzylinderkolben 21 übertragen, welcher in einer in dem Bremsgerätgehäuse 101 angeordneten Hauptzylindereinheit 20 eine mit dem hydraulischen Druckmittel gefüllte Druckkammer 22 begrenzt. In dem vorstehend beschriebenen regulären Bremsmodus ist die Druckkammer 22 über eine Verbindung 23 auf eine in dem Bremsgerätgehäuse 101 des Bremsgeräts 100 angeordnete Simulatoreinheit 1 hydraulisch aufgeschaltet.
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Außerhalb eines regulären Bremsbetriebs, in einer sogenannten Rückfallebene, wird die hydraulische Verbindung 23 durch ein Sperrventil 24 abgesperrt und die Druckkammer 22 stattdessen über hier nicht gezeigte weitere Leitungen auf die ebenfalls nicht dargestellten Radbremsen direkt aufgeschaltet.
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Die bekannte Simulatoreinheit 1 weist eine in dem Bremsgerätgehäuse 101 erzeugte Kolbenbohrung 3 auf. Darin befinden sich in einer Reihenschaltung angeordnet ein Simulatorkolben 4, eine Metallfeder 15, ein druckstabiles Druckstück 14 und ein Elastomerelement 7. Das Druckstück 14 wird dabei meist ebenso wie der Simulatorkolben 4 als ein Metalldrehteil mit einem präzisen definierten Profil erzeigt.
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Bei Betätigung der Hauptzylindereinheit 10 wird das hydraulische Druckmittel aus der Druckkammer 11 in die Simulatoreinheit 1 verdrängt und beaufschlagt dabei den Simulatorkolben 4. Der Simulatorkolben 4 wird dadurch axial in Richtung Elastomerelement 7 verschoben und übt dabei eine Betätigungskraft B auf die Metallfeder 15 aus, welche dabei axial komprimiert wird.
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Nach dem Durchlaufen eines definierten Leerhubes legt sich der Simulatorkolben 4 am Druckstück 14 an. Ab dieser Hubposition wird nur noch das Elastomerelement 7 komprimiert, bis der größtmögliche Maxmalhub Smax erreicht ist.
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Ein als eine Dichtmanschette ausgebildetes Dichtelement 5 dient zum Abdichten des Simulatorkolbens 4 in der Kolbenbohrung 3, um ein Überströmen des Simulatorkolbens 4 mit dem Druckmittel durch den radialen Randspalt zu verhindern.
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Ein Gesamtwiderstand der Simulatoreinheit 1 gegen die Betätigungskraft B ergibt sich aus den anteiligen Widerständen der Metallfeder 15 und des Elastomerelements 7 und verändert sich charakteristisch entlang des Hubes S. Der Gesamtwiderstand hängt im Wesentlichen von den Kennlinien der beiden vorgenannten Einzelkomponenten und von der Ausgestaltung des Druckstücks 14 ab, insbesondere der geometrischen Form und Größe seiner elastomerseitigen Anpressfläche und der Anpressfläche.
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Der hubanhängige Gesamtwiderstand der Simulatoreinheit 1 wird von dem Fahrer als eine entgegen der Betätigungskraft B wirkende Gegenkraft G empfunden. Der Verlauf des Gesamtwiderstandes der Simulatoreinheit 1 entlang des Hubs S des Simulatorkolbens 4 oder des Betätigungsglieds 2 wird als Gesamtkennlinie oder einfach Kennlinie der Simulatoreinheit 1 bezeichnet.
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Fig.2
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2 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäß verbesserte Ausführungsform der Simulatoreinheit 1.
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anstatt einer vorstehend beschriebenen Kombination von in Reihe hintereinander als Einzelkomponenten ausgebildeten Metallfeder 15, Druckstück 14 und Elastomerelements 7 verfügt die verbesserte Simulatoreinheit 1 über ein einzelnes elastisches Verbundelement 6.
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Das Verbundelement 6 ist in der Simulatoreinheit 1 zwischen dem Simulatorkolben 4 und einem gehäusefest installierten Verschlussdeckel 17 eingespannt, welcher als Widerlager für das Verbundelement 6 dient.
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Bei Betätigung wird über die hydraulische Verbindung 23 Druckmittel in die Simulatoreinheit 1 gepresst, woraufhin der Simulatorkolben 4 sich entlang der Mittelachse M in Betätigungsrichtung B verschiebt und dabei auf das Verbundelement 6 mechanischen Druck ausübt und diesen komprimiert.
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In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist das Verbundelement 6 aus zwei unlösbar fest miteinander verbundenen Komponenten aufgebaut.
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Im Wesentlichen ist das Verbundelement 6 als eine Schraubenfeder 15 aus einem Metallfederdraht 16, insbesondere Stahldraht, aufgebaut, welcher mit einem Elastomerwerkstoff umhüllt ist, beispielsweise umspritzt. In der gezeigten Ausführungsform bildet das Elastomerwerkstoff um das Federdraht 16 eine schlauchförmige Hülle 8 mit einem im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit eine konstanten Schichtstärke. Diese schlauchförmige Hülle 8 windet sich entsprechend entlang der Federwindungen der Metallfeder 15.
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Zusätzlich zu ihrer Funktion bei Erzeugung einer durch einen Fahrer bei Betätigung verspürbaren Gegenkraft G fungiert die Metallfeder 15 als eine Rückstellfeder, welche den Simulator Kolben 4 nach einem Betätigungsvorgang in seine unbetätigte Ausgangslage zurückversetzt.
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Abweichende Formen der Metallfeder 15 bleiben innerhalb der Findung zulässig.
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Die einzelnen Windungen der Hülle 8 sind in axiale Richtung durch eine Wandung 9 einteilig miteinander verbunden. Die Querschnittstärke der Wandung 9 ist in der gezeigten Ausführung deutlich geringer als der Durchmesser der Hülle 8 ausgelegt und ist vergleichbar mit deren Schichtstärke. Isoliert betrachtet windet sich die Wandung 9 spiralförmig zwischen den Windungen der Metallfeder 15 beziehungsweise Hülle 8.
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Innerhalb der Erfindung ist es selbstverständlich zulässig, dass die Metallfeder 15 beispielsweise nicht vollständig, sondern nur abschnittsweise von dem Elastomerwerkstoff umhüllt wird. Ebenso können Schichtstärken der Hülle 8 und Wandung 9 variieren. Es ist ferner vorstellbar und zulässig, auf die Wandung 9 gänzlich zu verzichten sodass die einzelnen Windungen der Hülle 8 in axiale Richtung voneinander separiert sind.
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Die Gesamtheit des Elastomerwerkstoffes im Verbundelement 6 fungiert als ein Elastomerelement 7 mit einer für Elastomerfeder charakteristischen progressiven Kennlinie.
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Simulatorkolben 4 ist napfförmig sowie vergleichsweise dünnwandig mit einer konstanten Wandstärke ausgebildet und umfasst das Verbundelement 6 radial zu etwa der Hälfte seines axialen Längenmaßes wodurch die axiale Baulänge beziehungsweise Bauhöhe der Simulatoreinheit 1 praktischerweise vergleichbar kurz ausfällt. Eine derartige Simulatorkolben 4 kann beispielsweise als einfaches Tiefziehteil aus Stahlblech hergestellt werden.
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Innerhalb der Erfindung sind jedoch abweichend gestalteten Simulatorkolben 4 ebenso zulässig, beispielsweise kann der Simulatorkolben einen zusätzlichen zentralen Vorsprung zur Stabilisierung des Grundelement 6 in radiale Richtung nach innen aufweisen oder dergestalt aufgebaut sein, dass das Verbundelement 6 den Simulatorkolben radial abschnittsweise umschließt.
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Fig.3
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3 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipskizze der Simulatoreinheit 1 Im Unterschied zu der in der 1 bei der bekannten Simulatoreinheit 1 eingesetzten Reihenschaltung sind das Elastomerelement 7 und die Metallfeder 15 wirkmäßig in einer Parallelschaltung geschaltet zwischen dem Simulatorkolben 4 und dem Deckel 17 als Widerlager eingespannt. Gemäß dem Schaltprinzip verteilt sich die Betätigungskraft B als Teilkräfte auf beide Federelemente 7 und 15, wobei der Hub S und somit der Komprimierungweg für beide Komponenten identisch bleibt.
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Fig.4
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4 zeigt lediglich prinzipiell, vereinfacht und nicht maßstäblich Kennlinien von Federelementen innerhalb der Simulatoreinheit 1.
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Eine Kennlinie entspricht der Veränderung einer durch ein Federelement erzeugten Widerstandskraft F über die jeweilige Längenänderung. Weil das Elastomerelement 7 und die Metallfeder 15 in dem Verbundelement 6 parallelgeschaltet sind, bleibt die Längenänderung beziehungsweise der Komprimierungsweg für beide Komponenten identisch und entspricht dem Hub S.
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Die Kennlinien des Elastomerelements 7 und der Metallfeder 15 sind unterschiedlich. Die Metallfeder 15 verfügt über eine lineare Kennlinie 12, wogegen das Elastomerelement 7 eine progressive Kennlinie 11 aufweist. Gemäß dem Schaltprinzip addieren sich die jeweiligen einzelnen Widerstandskräfte der beiden Komponenten 7,15 zu einer gesamten Gegenkraft G, und die einzelnen Kennlinien 11,12 zu einer Gesamtkennlinie 13, welche die Simulatoreinheit 1 charakterisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Simulatoreinheit
- 2
- Betätigungsglied
- 3
- Kolbenbohrung
- 4
- Simulatorkolben
- 5
- Dichtelement
- 6
- Verbundelement
- 7
- Elastomerelement
- 8
- Hülle
- 9
- Wandung
- 10
- Windung
- 11
- Kennlinie
- 12
- Kennlinie
- 13
- Gesamtkennlinie
- 14
- Druckstück
- 15
- Metallfeder
- 16
- Federdraht
- 17
- Verschlussdeckel
- 20
- Hauptzylindereinheit
- 21
- Hauptzylinderkolben
- 22
- Druckkammer
- 23
- Verbindung
- 24
- Sperrventil
- 100
- Bremsgerät
- 101
- Bremsgerätgehäuse
- 102
- Antriebseinheit
- 103
- Druckmittelbehälter
- 104
- Elektronische Steuereinheit
- B
- Betätigungskraft
- G
- Gegenkraft
- M
- Mittelachse
- S
- Hub
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016221403 A1 [0006]
