DE19936433A1 - Elektrischer Bremskraftverstärker - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Bremskraftverstärker für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, der ein elektromagnetisches Element (13) aufweist, das in Abhängigkeit von einem Spannungssignal, das der von einer Pedalmechanik (1) übertragenen Bremskraft des Fahrers entspricht, eine mechanische Impulskraft bewirkt, die die Fahrerbremskraft verstärkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Bremskraftverstärker für Bremsanlagen von Kraftfahrzeu­ gen, und insbesondere einen Bremskraftverstärker, der ein frei regelbares Kraft-Verstärkersystem ohne zusätzliche mechanische Bauteile realisiert.

Nahezu in allen modernen Personenkraftwagen (PKWs) sind Bremskraftverstärker zur Unterstützung des Fahrerbrems­ wunsches vorgesehen, da bei den erreichbaren hohen Ge­ schwindigkeiten die Muskelkraft des Fahrerfusses nicht mehr ausreicht, den PKW schnell und sicher abzubremsen. Schwerere Kraftfahrzeuge wie Lastkraftwagen (LKWs) benö­ tigen auf jeden Fall eine Hilfsbremskraftanlage, die den Fahrer bei der Bremsung unterstützt.

In der Praxis werden vor allem Unterdruckbremskraftver­ stärker und hydraulische Bremskraftverstärker verwendet.

Unterdruckbremskraftverstärker werden vor allem in PKWs mit Ottomotoren verwendet, bei denen ein ausreichender Unterdruck zur Verfügung steht. Bei Dieselmotoren finden ebenfalls Unterdruckverstärker Anwendung, jedoch ist hier eine Unterdruckpumpe notwendig, da bauartbedingt der Mo­ tor keinen ausreichenden Unterdruck erzeugen kann.

Hydraulische Verstärker bedeuten einen größeren Kosten­ aufwand als Unterdruckbremskraftverstärker und werden nur dort eingesetzt, wo Unterdruckbremsverstärker wegen ihrer Baugröße nicht eingesetzt werden können.

Beide Systeme zur Bremskraftverstärkung haben den Nach­ teil, daß die Bauweise des Verstärkers sehr komplex ist. Bei Unterdrucksystemen wird eine Niederdruck- und eine Hochdruckkammer benötigt, die mit Ventilen kommunizieren. Bei hydraulischen Bremskraftsystemen werden zusätzlich Hydropumpen und Vorratsspeicher für das verwendete Öl be­ nötigt. Diese komplexen Aufbauten mit zusätzlichen Ein­ richtungen bedeuten einen großen Platzbedarf. Weiterhin weisen die beiden Bremskraftverstärkersysteme einige ver­ schleißende Komponenten auf. Die bei Dieselmotoren zu­ sätzlich benötigte Pumpe bei Unterdrucksystemen oder die bei hydraulischen Systemen benötigte Hydropumpe stellt eine weitere Energie verbrauchende Komponente dar.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrischer Bremskraftverstärker für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen zu realisieren, der ohne zusätzliche mechanische Bauteile auskommt und eine kompaktere Bauweise besitzt.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen An­ spruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vor­ teilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß kann eine verwendete Bremsanlage eine Pe­ dalmechanik zur Erfassung des Fahrerbremswunsches aufwei­ sen. Weiterhin können ein Kraftspannungswandler, der die von der Pedalmechanik übertragene Bremskraft des Fahrers in ein Spannungssignal umwandelt, und ein Betätigungsele­ ment zur Ansteuerung der Bremsanlage vorgesehen sein.

Der Bremskraftverstärker kann weiterhin ein elektromagne­ tisches Element aufweisen, das mit dem Betätigungselement in einer Wirkverbindung steht und das durch das Span­ nungssignal des Wandlers angesteuert werden kann. Das elektromagnetische Element kann weiterhin in Abhängigkeit von dem Spannungssignal eine mechanische Impulskraft be­ wirken und diese zur Verstärkung der Fahrerbremskraft auf das Betätigungselement übertragen.

Hierdurch wird ein Bremskraftverstärker ermöglicht, der ohne mechanische Bauteile auskommt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bremskraftverstärkers liegt darin, daß die Anzahl der verschleißenden Teile gegenüber her­ kömmlichen Bremskraftverstärkern minimiert wird. Ebenso sind keine sekundären Energiequellen wie Pumpen zur Er­ zeugung eines Über-/Unterdrucks notwendig.

Das elektromagnetische Element kann beispielsweise eine Spule mit einem magnetischen oder magnetisierbaren Kern sein. Die durch die Spule bewirkte kinetische Energie kann durch den Kern auf das Betätigungselement übertragen werden, wenn die Spule festsitzend angeordnet ist. Ebenso kann jedoch der magnetische Kern fest angeordnet sein, und die Spule die Impulskraft auf das Betätigungselement der Bremsanlage übertragen.

Weiterhin kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit der Bremskraft des Fahrers die Fre­ quenz und die Amplitude des Spannungssignals steuert. Vorteilhafterweise kann das Spannungssignal eine Wech­ selspannungskomponente aufweisen. Diese Wechselspannungs­ komponente kann weiterhin um den Nullpunkt verschoben sein, so daß der Impuls überwiegend in Richtung der Bremskraft des Fahrers wirkt. Die in einer Spule durch eine Spannung induzierte magnetische Kraft ist direkt proportional zu dem durch die Spule fließenden Strom. Ist die an die Spule angelegte Spannung in positiver Richtung gegenüber dem Nullpunkt verschoben, so bewirkt dies eine größere Impulskomponente des Eisenkerns bzw. der Spule in Richtung der Bremskraft des Fahrers. Die Spannung und die Spulengeometrie kann jedoch auch so ausgelegt sein, daß eine in Negativrichtung verschobene Wechselspannung einen größeren Impuls in Richtung der Bremskraft des Fahrers ergibt als entgegen der Richtung der Bremskraft.

Die bei einer Wechselspannung induzierte Beschleunigung des beweglichen Teils des elektromagnetischen Elementes (Kern oder Spule) ergibt eine kinetische Energie. Diese kinetische Energie kann in Form eines Kraftimpulses di­ rekt auf das Betätigungselement einer Bremsanlage über­ tragen werden und die Bremskraft des Fahrers verstärken. Vorteilhafterweise wirkt die mechanische Impulskraft axial zum Betätigungselement und verstärkt somit direkt die Bremskraft des Fahrers.

Weiterhin kann ein Kraftspannungswandler vorgesehen sein, der die Fahrerbremskraft in ein Spannungssignal umwan­ delt. Die an der Spule anliegende Wechselspannung kann nun mit der durch den Kraft-Spannungswandler erzeugten Spannung gesteuert werden. Eine starke Krafteinwirkung auf das Bremspedal kann beispielsweise eine Amplitudener­ höhung des Wechselspannungsignals bewirken, so daß die erhöhte Impulskraft eine größere Verstärkung der Brems­ kraft bedeutet.

Der Kraftspannungswandler kann ein Piezo-, ein Drucksen­ sor, ein Dehnungsmeßstreifen und/oder ein wegsensierender Kraftverbraucher sein. Weiterhin können mehrere elektro­ magnetische Spulen vorgesehen sein. Die an den Spulen an­ liegenden Wechselspannungen können so angelegt sein, daß sich die durch die beweglichen Teile induzierten Impuls­ kräfte in Richtung der Bremskraft des Fahrers positiv ad­ dieren. Dies kann den Impuls in Richtung der Fah­ rerbremskraft erhöhen. Weiterhin können die verschiedenen Wechselspannungen so geschaltet sein, daß sich die Signalanteile, die einen Impuls in Gegenrichtung zur Bremskraft des Fahrers bewirken, nahezu aufheben.

Weitere Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge mit einem er­ findungsgemäßen Bremskraftverstärker,

Fig. 2 ein Beispiel für die Wechselspannung, die an der Spule des Bremskraftverstärkers anliegt, und

Fig. 3 den Regelkreis für die Impulsverstärkung.

Die Fig. 1 zeigt eine Pedalmechanik 1 zur Erfassung eines Fahrerbremswunsches. Die Pedalmechanik 1 gibt den Fahrer­ bremswunsch über ein Betätigungselement 2 an einen Kraft- Spannungswandler 5 weiter. Das Betätigungselement 2 ist beispielsweise ein Druckstangenkolben. An diesem Kolben ist über ein Zwischenstück 9 ein oder mehrere elektroma­ gnetische Elemente 13 angebracht. Diese weisen einen frei beweglichen magnetisierbaren oder magnetischen Kern 4 und eine fest angebaute Spule 3 auf. Alternativ hierzu kann jedoch ebenso der magnetische Kern 4 fest an das Zwi­ schenstück 9 angeflanscht sein und der Spulenkörper 3 ge­ genüber dem Zwischenstück 9 beweglich sein.

Der Bremskraftverstärker ist über das Zwischenstück 9 an einen Tandemhauptzylinder 6 einer Bremsanlage angeschlos­ sen. Weiterhin sind die Ausgleichsbehälteranschlüsse 7 für die Bremsflüssigkeit und Radkreise 8 dargestellt. An die Spulen 3 ist eine Spannung angelegt, wie sie bei­ spielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Durch diese Spannung wird der Kern 4 der Spule 3 in Schwingung versetzt, wobei die Geschwindigkeit des Kerns 4 und somit der Impuls von der magnetischen Flußdichte der Spule 3 und dem in der Spule 3 fließenden Strom abhängt. Wie durch die Pfeile im Kern 4 angedeutet, ist die Spannung so ausgelegt, daß der Impuls in Richtung der Bremskraft des Fahrers größer ist als der Impuls in die Gegenrichtung entgegengesetzt zur Fahrerbremskraft. Die an der Spule anliegende Spannung wird durch eine Steuereinrichtung 10 gesteuert, die in Fig. 3 näher dargestellt ist. Diese Steuereinrichtung 10 kann die Amplitude und/oder die Frequenz der Spannung va­ riieren. Erfolgt durch die Pedalmechanik 1 eine Kraft auf den Kraft-Spannungswandler 5, so kann beispielsweise in Abhängigkeit der Stärke der Pedalkraft die Amplitude der Spannung vergrößert werden. Dies erzeugt einen größeren Strom durch die Spule, was zu einem verstärkten Impuls in Bremskraftrichtung führt. Wie in Fig. 1 dargestellt, kön­ nen auch mehrere Spulen 3 gleichzeitig vorgesehen sein, um den Impuls in Bremskraftrichtung zu verstärken. Die bei der Richtungsumkehr des beweglichen Kerns 4 entste­ hende Impulskraft kann direkt zur Kraftverstärkung der Fahrerbremskraft verwendet werden. Wie schon erwähnt, müssen nicht die beweglichen Kerne 4 die Impulskraft be­ wirken, ebenso können bei festem Kern 4 die beweglichen Spulen 3 die Impulskräfte bewirken.

In Fig. 2 ist das an der Spule 3 anliegende nullpunktver­ schobene Spannungssignal dargestellt. Dies ist nur eine beispielhafte Ausführungsform, es kann jedoch jede andere Spannungsform gewählt werden, wie eine harmonische Schwingung oder eine Sägezahnschwingung.

In Fig. 3 ist ein Funktionsschaltbild des Regelkreises 10 zur Steuerung der Spule 3 dargestellt. Die von der Pedal­ mechanik 1 zugeführte Fahrerbremskraft wird im Wandler 5 in eine Spannung umgewandelt, bevor sie von der Steuer­ einrichtung 10 zur Steuerung der Spule 3 weiterverarbei­ tet wird. Die Steuereinrichtung 10 wandelt zur Weiterver­ arbeitung das analoge Spannungssignal in ein digitales Spannungssignal beim Wandler 11 um. Dieses wird an eine Meß- und Regeleinrichtung 12 weitergeleitet. Weiterhin wird ein Sollwert P der Verstärkungsleistung an die Meß- und Regeleinrichtung 12 übertragen. Der Ausgang der Ein­ richtung 12 ist wiederum an einen Digital/Analog-Wandler 14 angeschlossen, bevor das analoge Signal an die Spule 3 weitergegeben wird.

Die Stärke dieses Spannungssignals in der Spule 3 und/oder die Frequenz dieses Signals ergibt beispielswei­ se die Verstärkungsleistung des Bremskraftverstärkers. Mit der im Wandler 5 gemessenen Bremskraft des Fahrers wird somit die an der Spule 3 anliegende Spannung bzw. der Stromfluß durch die Spule 3 gesteuert.

Durch die vorliegende erfindungsgemäße Ausführungsform des Bremskraftverstärkers wird ein elektrisches, frei re­ gelbares Kraft-Verstärkungssystem ohne mechanische Bau­ teile erreicht. Die Anzahl der verschleißenden Teile ist gegenüber herkömmlichen Bremskraftverstärkern verringert. Es werden keine weiteren sekundären Energiequellen wie Pumpen zur Erzeugung eines Unter/Überdrucks benötigt. Weiterhin ist der Platzbedarf geringer als bei herkömmli­ chen Verstärkungssystemen. Beim vorliegenden System ist nur eine Kraftübertragung und keine Pedalwegübertragung notwendig. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bremskraftverstärkers ist seine schnellere Ansprechzeit verglichen mit elektromechanischen Stelltrieben.

Claims (14)

1. Elektrischer Bremskraftverstärker für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, wobei eine Pedalmechanik (1) zur Erfassung des Fahrerbremswunsches, ein Wandler (5) zur Erfassung einer Bremskraft des Fahrers und ein Betätigungselement (2) zur Ansteuerung der Bremsanlage vorgesehen sind, dadurch gekennzeich­ net, daß ein elektromagnetisches Element (13) mit dem Betätigungselement (2) in einer Wirkverbindung steht und durch ein Ausgangssignal des Wandlers (5) angesteuert wird, wobei das elektromagnetische Ele­ ment (13) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal eine mechanische Impulskraft bewirkt und diese zur Verstärkung der Fahrerbremskraft auf das Betäti­ gungselement (2) überträgt.

2. Bremskraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wandler (5) ein Kraft- Spannungswandler ist, der die Bremskraft des Fah­ rers in ein Spannungssignal umwandelt.

3. Bremskraftverstärker nach zumindest einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektromagnetischen Elemente vorgesehen sind.

4. Bremskraftverstärker nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die durch die elektromagne­ tischen Elemente (13) induzierten Impulskräfte in Richtung der Bremskraft des Fahrers positiv addie­ ren.

5. Bremskraftverstärker nach zumindest einem der vor­ stehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das elektromagnetische Element (13) eine Spule (3) mit einem magnetischen Kern (4) ist.

6. Bremskraftverstärker nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Impulskraft durch den Kern (4) auf das Betätigungselement (2) übertragen wird.

7. Bremskraftverstärker nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Impulskraft durch die Spule (3) auf das Betätigungselement übertragen wird.

8. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement (2) ein Druckstangenkolben ist.

9. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Impulskraft axial zum Betätigungsele ment (2) wirkt.

10. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (10) in Abhängigkeit der Brems­ kraft des Fahrers die Frequenz und die Amplitude des Spannungssignals steuert.

11. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal ein Wechselspannungssignal ist.

12. Bremskraftverstärker nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wechselspannungskomponente eine Nullpunktverschiebung derart aufweist, daß der Impuls überwiegend in Richtung der Bremskraft des Fahrers wirkt.

13. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraft-Spannungswandler (5) ein Piezo-, ein Druck­ sensor, ein Dehnungsmeßstreifen und/oder ein wegs ensierender Kraftverbraucher ist.

14. Bremskraftverstärker nach mindestens einem der An­ sprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Signalanteile mehrerer elektromagnetischer Elemente (13), die einen Impuls entgegen der Fahrerbremskraft bewirken, nahezu aufheben.