DE3241688C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bremskraftverstärker für Kraftfahrzeuge gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

In der DE-OS 30 31 643 ist ein Bremskraftver­ stärker dargestellt und beschrieben, bei dem zur Unterstützung der vom Fahrer aufgebrachten Pedalkraft ein Elektromotor ein­ gesetzt ist. Dieser Elektromotor treibt über ein Schneckenge­ triebe eine als Abtriebselement anzusehende Hülse an, die als erstes Element eines Schraubenschubgetriebes mit einer axial in dieser Hülse verschiebbaren Spindel zusammenwirkt. Wird das Bremspedal betätigt, wird bei diesem Bremskraftverstärker eine Kupplung betätigt, die die Drehbewegung der Spindel hemmt, so daß diese sich bei drehender Hülse in Achsrichtung verschiebt und als Stellglied auf einen Hauptbremszylinder der Bremsan­ lage einwirkt.

An einen solchen elektromotorischen Bremskraftverstärker wer­ den die gleichen Anforderungen gestellt wie an die serien­ mäßigen Vakuumverstärker. Die Abhängigkeit des Bremsdruckes von der Pedalkraft sollte also möglichst der Kennlinie be­ kannter Systeme entsprechen, bei denen innerhalb einer Zeit­ spanne von etwa 100 Millisekunden ab Betätigung des Bremspedals ein Bremsdruck in der Größenordnung von 80 bar erreicht wird. Außerdem wird ein Aussteuerdruck von mehr als 100 bar gefor­ dert. Unter Aussteuerdruck versteht man dabei den maximalen Druckwert, bis zu dem der Elektromotor als Servoantrieb die Pedal­ kraft verstärkt. Bei einem elektromotorischen Bremskraftver­ stärker ist dieser Aussteuerdruck also erreicht, wenn der Mo­ tor blockiert und sein maximales Drehmoment aufbringt.

Bei der Erprobung eines Bremskraftverstärkers nach der zuvor genannte Patentanmeldung hat sich gezeigt, daß diese Forde­ rungen so ohne weiteres nicht erfüllt werden können. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß ein elektromotorischer Brems­ kraftverstärker keine größeren Abmessungen haben sollte als die serienmäßigen Vakuumbremskraftver­ stärker. Dies bedeutet, daß die Größe des Elektro­ motors und daher auch seine Leistung beschränkt ist. Legt man nun die Nenndrehzahl und die Getriebeunter­ setzung sowie die Steigung des Gewindeganges in der Spindel so aus, daß der erforderliche Aussteuerdruck erreicht wird, hat sich gezeigt, daß die Ansprech­ zeit zu groß ist. Diesen Nachteil könnte man dadurch beheben, daß man das Untersetzungsverhältnis des Schneckengetriebes verändert und/oder beispielswei­ se eine mehrgängige Spindel mit einer größeren Stei­ gung verwendet. Dann wird jedoch bei Verwendung eines Motors einer bestimmten Größe und Leistung der Aussteuerdruck nicht mehr mit ausreichender Sicher­ heit erreicht. Dabei ist nämlich zu berücksichtigen, daß sich der Motor bei einer längeren Betätigungs­ zeit der Bremsanlage beispielsweise bei einer Tal­ fahrt im Gebirge sehr stark erwärmt und dann sein Drehmoment stark abfällt.

Bei einem anderen, aus der nachveröffentlichten DE-OS 32 31 353 bekannten elektromechanischen Bremskraftverstärker mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 werden eine lange Lebensdauer und eine geringe Geräuschentwick­ lung bei gleichzeitig erheblich verringerter An­ sprechverzögerung dadurch erreicht, daß sein elek­ tromotorischer Antrieb mindestens zwei Einschaltzu­ stände aufweist, und zwar einen für den Dauerbetrieb ausgelegten Bereitschafts- oder Leerlaufzustand und einen durch Bremspedalbetätigung ausgelösten Betriebs-Schaltzustand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bremskraftverstärker der eingangs erwähnten Art der­ art weiterzubilden, daß er hinsichtlich seiner we­ sentlichen Eigenschaften den bekannten Vakuumbrems­ kraftverstärkern bestmöglich entspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß bei der Einleitung eines Bremsvorganges zunächst nur das unvermeidliche Spiel der Bremsanlage möglichst rasch überwunden werden muß und daß während dieses Teils des Bremsvorganges ein hohes Verstellmoment des Elektromotors nicht unbedingt nö­ tig ist.

Den Grundgedanken der Erfindung könnte man in der Weise realisieren, daß man das Untersetzungsverhält­ nis des Getriebes zwischen dem Elektromotor und dem Antriebselement während des Bremsvorganges umschal­ tet. Eine solche Lösung ist jedoch sehr aufwendig.

Sehr einfach ist hingegen eine Ausführungsform gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2, bei der zu Beginn des Bremsvorganges die Drehzahl des Elektromotors gegenüber seiner Nenndrehzahl erhöht wird. Dies könnte beispielsweise dadurch errreicht werden, daß man den Elektromotor in der ersten Phase des Bremsvorganges kurzzeitig mit Überspannung betreibt, da eine kurzzeitige Überlastung dem Motor nicht schadet.

Noch wesentlich einfacher und auch betriebssicherer ist aber eine Lösung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3, bei der man einen Permanentmagnetmotor mit mehreren Bürsten verwendet und die Drehzahländerung durch Umschaltung der Bürstenpaare er­ zielt. Derartige Elektromotoren mit drei Bürsten werden in großen Stückzahlen als Wischermotoren eingesetzt und stehen daher preisgünstig zur Verfügung. Mit einem solchen Elektro­ motor sind ausreichende Drehzahlunterschiede im Verhältnis 1 zu 1,5 zu realisieren. Damit kann eine ausreichend hohe Ver­ stellgeschwindigkeit des Stellgliedes sichergestellt werden, die möglichst größer sein sollte, als die über das Pedal auf das Stellglied übertragbare Verstellgeschwindigkeit, damit selbst bei einer Panikbremsung, das heißt bei einem schnellst­ möglichen Durchdruck des Bremspedals eine sprunghafte Erhöhung des Bremsdruckes durch eine verzögerte Einwirkung des Servoan­ triebes verhindert wird. Bei der höheren Drehzahl liegt das maximale Moment zwar nur bei etwa 60% des Maximalmomentes, das vom Motor bei der geringeren Drehzahl aufgebracht werden kann, doch dieses geringere Drehmoment reicht für den vorliegenden Anwendungsfall völlig aus, da ja kurz nach der Einleitung des Bremsvorganges noch in der Druck­ aufbauphase auf geringere Drehzahl und damit auf höhere Dreh­ moment umgeschaltet wird.

Der Umschaltpunkt kann von verschiedenen Kriterien abhängig sein. Beispielsweise kann man die Drehzahl wieder auf die Nenndrehzahl reduzieren, sobald ein bestimmter Bremsdruck von vorzugsweise 8 bis 10 bar aufgebaut ist. Als Umschaltkriterium könnte man aber auch die Stromaufnahme des Motors heranziehen oder den Verstellweg des Stellgliedes. Schließlich wäre auch eine zeitabhängige Umschaltung möglich, da der Umschaltpunkt nicht innerhalb enger Toleranzen liegen muß. Im Grenzfall könn­ te man daran denken, daß man die niedrigere Drehzahl erst dann einschaltet, wenn der Motor in der höheren Drehzahlstufe blockiert ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schritt durch einen elektromotorischen Bremskraftverstärker und

Fig. 2 ein Schaltbild zur Ansteuerung dieses Elektromotors.

Ein nur in Fig. 2 als Schaltsymbol dargestellter Elektromotor 10 treibt eine Schneckenwelle 11 an, die mit einem Schneckenrad 12 kämmt, dessen Drehbewegung über einen Freilauf 13 auf eine Hülse 14 übertragen wird. Diese Hülse 14 kann als Abtriebsele­ ment des gesamten Servoantriebs angesehen werden. Außerdem ist diese Hülse ein erstes Element eines Schraubschubgetriebes, dessen zweites Element eine Spindel 15 ist, die in der Hülse 14 axial verschiebbar ist. Die Spindel 15 hat ein Außengewinde mit einer bestimmten Steigung, wobei in den Gewindegängen Ku­ geln 16 laufen, die an der Hülse 14 abgestützt sind.

Zum Bremskraftverstärker gehört weiter eine insgesamt mit 20 be­ zeichnete Kupplung, deren erste Hälfte 21 verschiebbar, aber unverdrehbar in einem Gehäuse 17 angeordnet ist. Die zweite Hälfte 22 der Kupplung 20 sitzt drehfest am Ende der Spindel 15. Die beiden Kupplungshälften, die mehrere Reibscheiben enthal­ ten können, werden durch die auf das nur in Fig. 2 dargestellte Bremspedal 23 ausgeübte Pedalkraft gegeneinander gepreßt. Die Pedalkraft wird von dem Pedal 23 über die Stange 24 auf die Kupplung übertragen. Da die eine Kupplungshälfte unverdrehbar ist, wird also die Drehbewegung der Spindel 15 gebremst bzw. gehemmt, wenn die Kupplungshälften fest aneinanderliegen.

Damit kann die Funktionsweise dieses Bremskraftverstärkers be­ reits erläutert werden.

Wird das erste Element des Schraubenschubgetriebes, nämlich die Hülse 14 gedreht und sind die beiden Kupplungshälften 21 und 22 außer Eingriff, kann sich die Spindel 15 mit der Hülse 14 aufgrund der Reibung mitdrehen. Eine axiale Verstellung der Spindel 15 ist dann nicht gegeben. Wird nun aber durch Ein­ wirkung auf das Bremspedal 23 die Kupplung 20 betätigt und da­ mit die Drehbewegung der Spindel 15 gehemmt, schraubt diese sich innerhalb der Hülse 14 in Richtung des Pfeiles A, so daß die Betriebsbremsanlage betätigt wird. Die Spindel 15 ist da­ bei als Stellglied für die Bremsanlage anzusehen die über ei­ ne Stange 25 auf den Hauptbremszylinder der Bremsanlage ein­ wirkt. Das vom Elektromotor 10 aufgebrachte unterstützende Bremsmoment ist dabei umso größer, je größer die vom Fahrer über die Stange 24 aufgebrachte Pedalkraft ist. Läßt diese Pedalkraft nach, wird die Spindel 15 durch eine Druckfeder 26 in die dargestellte Ausgangslage zurückgestellt. Weitere Ein­ zelheiten derartiger Bremkraftverstärker sind in der eingangs erwähnten Patentanmeldung, auf die hier ausdrücklich Bezug ge­ nommen wird, eingehend beschrieben, so daß sich weitere Hin­ weise hier erübrigen.

Fig. 2 zeigt, daß als Elektromotor ein sogenannter 3-Bürsten­ motor verwendet wird, wie er von Scheibenwischerantrieben her bekannt ist. Ein solcher Permanentmagnetmotor läuft mit einer niedrigern Drehzahl, wenn die Bürsten 30 und 31 an die Span­ nungsquelle angeschlossen sind. Sind dagegen die Bürsten 32 und 33 an die Spannungsquelle angeschlossen, läuft dieser Elektromotor 10 mit einer erhöhten Drehzahl, wobei allerdings zugleich das maximale Drehmoment abfällt. Aus der Schaltung nach Fig. 2 erkennt man, daß bei Betätigung des Bremspedales 23 ein Schalter 40 geschlossen wird und damit vom positiven Pol 41 einer nicht näher dargestellten Spannungsquelle ein Um­ schaltkontakt 42 eines Relais 43 angesteuert wird. Der Um­ schaltkontakt 43 arbeitet mit zwei Festkontakten 44 und 45 zusammen, die mit den Bürsten 31 und 32 verbunden sind. Die dritte Motorbürste 30 liegt am Masse­ potential 46. Das Relais 43 wird über ein Zeitglied 47 erregt, das durch die positive Schaltflanke bei Betätigung des Brems­ pedalschalters 40 getriggert wird. Der Umschaltkontakt 42 des Relais 43 liegt dann auf dem Festkontakt 45 auf, so daß der Elektromotor über das Bürstenpaar 30, 32 angesteuert wird und mit erhöhter Drehzahl läuft. Die Eigenzeit des Zeitgliedes 47 läuft nach einigen Millisekunden ab, so daß das Relais 43 ent­ regt wird und damit der Umschaltkontakt wieder auf dem Festkon­ takt 44 aufliegt, über den das andere Bürstenpaar 31, 30 ange­ steuert wird und der Motor dann mit seiner geringeren Drehzahl, aber dem höheren Moment läuft.

Insgesamt ist daher festzustellen, daß bei Einleitung eines Bremsvorganges die als Abtriebswelle anzusehende Hülse 14 zu­ nächst mit einer gegenüber der Nenndrehzahl erhöhten Drehzahl angetrieben wird und die Drehzahl dieser Hülse 14 während des Bremsvorganges noch in der Druckaufbauphase auf die Nenndreh­ zahl reduziert wird. Dies hat zur Folge, daß die Vorschubge­ schwindigkeit der Spindel 15 zunächst verhältnismäßig hoch ist, später aber reduziert wird, wenn das Spiel in der Bremsanlage überwunden ist. Mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brems­ kraftverstärker kann man eine ausreichend kleine Ansprechzeit, aber dennoch einen hohen Aussteuerdruck erreichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die Drehzahl des Abtriebselementes wieder reduziert, wenn eine bestimmte Zeit­ spanne nach Einleitung des Bremsvorganges vorübergegangen ist. Das Relais 43 könnte aber auch bremsdruckabhängig derart ge­ steuert werden, daß es unterhalb eines Bremsdruckes von etwa 10 bar eine erste Schaltstellung, oberhalb dieses Schwellwer­ tes aber seine zweite Schaltstellung einnimmt. Bei einer sol­ chen Ausführung, wird also die Drehzahl reduziert, sobald ein bestimmter Bremsdruck überschritten ist. Außerdem wäre auch eine Ausführung denkbar, bei der die Drehzahl reduziert wird, sobald das Stellglied, das heißt also die Spindel 15 oder das Bremspedal 23 einen bestimmten Verstellweg durchlaufen haben.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Drehzahl um eine bestimmte Stufe erhöht bzw. erniedrigt. Denkbar wären aber auch Ausführungen mit einer kontinuierlichen Drehzahl des Elektromotors in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Pedalkraft kontinuierlich steuert, denn bei einer kleinen zeit­ lichen Änderung dieser Pedalkraft ist eine sehr hohe Motordreh­ zahl nicht mehr erforderlich.

Bei einer praktischen Ausführung eines solchen elektromoto­ rischen Bremskraftverstärkers konnten Ansprechzeiten kleiner 100 Millisekunden und Aussteuer­ drücke größer 150 bar realisiert werden, wobei die Hysterese der Kennlinie, die die Abhängigkeit des Bremsdruckes von der Pedalkraft zeigt, sehr gering ist. Durch den sehr hohen Aus­ steuerdruck von 150 bar, der wesentlich über dem bekannter Vakuumverstärker liegt, wird außerdem die Gefahr einer unzu­ lässig hohen Motorerwärmung bei längerer Bremsbetätigungszeit vermieden, so daß auch hinsichtlich der Betriebssicherheit dieser elektromotorisch angetriebene Bremskraftverstärker ge­ genüber den serienmäßigen Vakuumverstärkern keine Nachteile aufweist.

Abschließend wird noch darauf hingewiesen, daß es natürlich nicht unbedingt notwendig ist, daß der Elektromotor 10 erst bei Betätigung des Bremspedales eingeschaltet wird. In früheren Anmeldungen wurde schon darauf hingewiesen, daß es vorteilhaft sein kann, wenn man den Elektromotor 10 dauernd an die Spannungsquelle anschließt oder bereits einschaltet, wenn das Gaspedal in der Nullstellung steht.

Claims (9)

1. Bremskraftverstärker für Kraftfahrzeuge zur Unter­ stützung der vom Fahrer aufgebrachten, auf ein Stellglied der Bremsanlage einwirkenden Pedalkraft mit einem von einem Elektromotor angetriebenen Ab­ triebselement, dessen Drehbewegung über ein Getriebe und eine Kupplung mit einem von der Pedalkraft ab­ hängigen Moment in eine Verstellbewegung des Stell­ gliedes umgesetzt wird, wobei bei einer bestimmten Nenndrehzahl des Abtriebselementes und einer be­ stimmten Getriebeuntersetzung die Leistung des Elektromotors ausreicht, den erforderlichen Aus­ steuerdruck in der Bremsanlage aufzubauen, und wobei das Antriebselement mit von der Nenndrehzahl ab­ weichender Drehzahl antreibbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Einleitung eines Bremsvorganges das Abtriebselement (14) zunächst mit einer gegenüber der Nenndrehzahl erhöhten Drehzahl angetrieben wird und die Drehzahl des Abtriebs­ elementes (14) während des Bremsvorganges auf die Nenndrehzahl reduziert wird.

2. Bremskraftverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehzahl des Elektromotors (10) zu Beginn des Bremsvorganges gegenüber seiner Nenndrehzahl erhöht wird.

3. Bremskraftverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Elektromotor ein Permanentmagnetmotor (10) mit mehreren Bürsten (30, 31, 32) verwendet wird und zu Beginn des Bremsvorganges ein Bürstenpaar (32, 30) für die erhöhte Drehzahl und später ein Bürstenpaar (31, 30) für die Nenndrehzahl an­ gesteuert wird.

4. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Abtriebs­ elementes (14) zu Beginn des Bremsvorganges so groß ist, daß bei der gegebenen Getriebeuntersetzung die allein von diesem Abtriebselement (14) erzielbare Verstellgeschwindigkeit des Stellgliedes (15) größer ist als die über das Bremspedal (23) übertragbare Verstellgeschwindigkeit.

5. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Drehzahl des Abtriebselementes (14) in Abhängigkeit von der vom Fahrer aufgebrachten Bremskraft reduziert wird.

6. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Drehzahl des Abtriebselementes (14) bei Überschreiten eines bestimmten Wer­ tes des Bremsdruckes, vorzugsweise bei Überschreiten eines Bremsdruckes von 10 bar, reduziert wird.

7. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Drehzahl des Abtriebselementes (14) bei Überschreiten eines bestimmten Wer­ tes des Verstellweges des Stellgliedes (15) oder des Brems­ pedales (23) reduziert wird.

8. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Drehzahl des Abtriebselementes (14) bei Überschreiten einer bestimmten Zeit­ spanne nach Einleitung des Bremsvorganges reduziert wird.

9. Bremskraftverstärker nach wenigstens einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Drehzahl des Abtriebselementes (14) bei Überschreiten eines bestimmten Wer­ tes der Stromaufnahme des Elektromotors (10) reduziert wird.