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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Fahrzeugbremssysteme und insbesondere einen auch
als Ausgleichseinheit bekannten Pedalsimulator nach dem Oberbegriff von
Anspruch 1 zur Verwendung in modernen Bremssystemen, bei denen eine
Betätigung
eines Bremspedals nicht unmittelbar hydraulische Bremsen betätigt, sondern
vielmehr dazu dient, ein Bremsanforderungssignal zu erzeugen, das
als Eingabe in ein elektronisch gesteuertes Fahrzeugbremssystem verwendet
wird. Derartige moderne Bremssysteme werden manchmal als Brake-by-wire-Bremssysteme oder
als elektrohydraulische Bremssysteme bezeichnet. Bei derartigen
Systemen ist es bekannt, während normaler
Bremsbetätigungen
einen Sensor zur Messung der Verschiebung des Bremspedals zu verwenden,
wobei der Sensor ein Signal erzeugt, das für die Strecke charakteristisch
ist, um die das Bremspedal durch den Fahrer des Fahrzeugs bewegt
wird. Dieses Verschiebungssignal wird einer elek-tronischen Steuereinheit
als Fahrerbremsanforderungssignal zugeführt. Es ist ebenfalls bekannt,
während
normaler Bremsbetätigungen
als weitere Angabe für
die Bremsanforderung des Fahrers die Kraft zu messen, mit der der
Fahrer das Bremspedal niederdrückt.
Diese Kraft kann durch Kraftsensoren unmittelbar gemessen werden.
Das Bremspedal ist jedoch typischerweise zur Betätigung eines Kolbens, wie z.
B. in einem Hauptzylinder eines hydraulischen Bremssystems vorgesehen.
Eine Messung des durch die Bewegung des Kolbens in einem Fluidsystem
erzeugten Drucks kann mit der durch den Fahrer auf das den Kolben
betätigende
Bremspedal ausgeübten Kraft
korreliert werden. Somit kann ein Drucksensor bereitgestellt werden,
um den in einem durch ein Bremspedal betätigten Hauptzylinder erzeugten Druck
zu erfassen, wobei das von dem Drucksensor erzeugte Signal der elektronischen
Steuereinheit als weitere Angabe für die Bremsanforderung des
Fahrers zugeführt
wird.
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In
derartigen modernen Bremssystemen ist der Hauptzylinder normalerweise
während
des Bremsvorgangs von den Fahrzeugbremsen getrennt. Statt dessen
steuert die elektronische Steuereinheit in Reaktion auf die Bremsanforderungssignale
den Betrieb verschiedener Pumpen und Ventile, um den Fahrzeugbremsen
zur Erzielung der gewünschten Bremswirkung
unter Druck stehendes Fluid zuzuführen. Typischerweise würden die
Ventile im Fall einer Fehlfunktion umgestellt werden, um eine Strömung von
unter Druck stehendem Fluid vom Hauptzylinder zu den Fahrzeugbremsen
zu ermöglichen.
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Es
ist wünschenswert,
ein Bremssystem mit einem ”Pedalgefühl” bereitzustellen,
das demjenigen ähnelt,
an das Fahrer bei konventionellen hydraulischen Fahrzeugbremssystemen
gewöhnt
sind. Das heißt,
wenn der Fahrer mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Kraft auf
das Bremspedal tritt, erwartet der Fahrer, zu spüren, dass das Bremspedal mit
einem charakteristischen Widerstand und einer charakteristischen
Bewegung reagiert, an die sich der Fahrer bei der Betätigung konventioneller
hydraulischer Fahrzeugbremssysteme gewöhnt hat. Wenn das Bremspedal
eines modernen Fahrzeugbremssystems zur Betätigung eines Hauptzylinders vorgesehen
ist, muss ein Kanal vorgesehen werden, durch den das Fluid im Hauptzylinder
den Hauptzylinder verlassen kann, damit sich das Bremspedal (wie erwartet)
bewegt, wenn der Fahrer auf das Bremspedal tritt.
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Typischerweise
wird das Fluid in dem Hauptzylinder in einen Pedalsimulator abgeleitet,
d. h. einen Speicher, der unter Druck stehendes Fluid von dem Pedalsimulator
aufnimmt, um zu ermöglichen, dass
sich das Pedal wie erwartet bewegt, wenn der Fahrer auf das Bremspedal
tritt. Es wird die Pedalbewegung eines konventionellen hydraulischen
Bremssystems simuliert. Typischerweise ist der Pedalsimulator als
hydraulischer Zylinder mit einem darin bewegbaren und gegen eine
metallische Schraubendruckfeder wirkenden Kolben ausgebildet. Das
unter Druck stehende Fluid aus dem Hauptzylinder tritt in den Pedalsimulator
ein und drückt
den Kolben gegen die Feder, die eine der Federcharakteristik der
Feder entsprechende Gegenkraft ausübt. Eine konventionelle Schraubenfeder
weist eine relativ lineare Druckfedercharakteristik in Abhängigkeit
der auf die Feder ausgeübten
Kraft auf. In einem Bremssystem, in dem eine derartige konventionelle
Schraubenfeder verwendet wird, führt
diese lineare Charakteristik zu einer relativ linearen Reaktionscharakteristik
der Pedalbewegung in Abhängigkeit
einer auf ein Bremspedal ausgeübten
Kraft.
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Die
DE 43 43 386 A1 offenbart
ein hydraulisches Bremssystem, das einen Hauptzylinder mit einem
Druckfluidreservoir, zwei Druckkammern und einem Zwischenkolben
umfasst. Der Zwischenkolben stützt
sich an einer Bewegungssimulatorfeder ab, wobei die Feder eine hohlzylindrische
Form aufweist und aus einem Elastomermaterial mit mit Gas gefüllten geschlossenen
Zellen besteht, und wobei im Betrieb der Servicebremse Druckfluid
aus der zweiten Druckkammer in das Reservoir abgeleitet werden kann
und der Zwischenkolben gegen die Kraft der Feder bewegt wird, wobei
die Federkraft mit zunehmender Pedalbewegung nichtlinear zunimmt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Pedalsimulator mit den Merkmalen des Anspruchs
1, bei dem Federn eingesetzt werden, um ein Bremspedal mit einer nichtlinearen,
progressiv ansteigenden Reaktionscharakteristik der Pedalbewegung
in Abhängigkeit der
auf das Bremspedal ausgeübten
Kraft, ähnlich wie
bei einem konventionellen hydraulischen Bremssystem bereitzustellen.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der Pedalsimulator in das Gehäuse eines zugehörigen Hauptzylinders
integriert. Die nichtlineare, progressiv ansteigende Reaktionscharakteristik
wird durch einen Federmechanismus bereitgestellt, der erste und
zweite betrieblich in einer Reihenanordnung verbundene Federn umfasst,
wobei die erste Feder eine Federkonstante aufweist, die größer ist
als die Federkonstante der zweiten Feder.
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Verschiedene
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Schnittansicht eines Hauptzylinders mit einem integrierten,
mit einer konischen Feder ausgestatteten Pedalsimulator, der nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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2 zeigt
eine der Darstellung in 1 ähnelnde Ansicht, die nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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3 zeigt
eine der Darstellung in den 1 und 2 ähnelnde
Ansicht, die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines Pedalsimulators mit einer Mehrzahl von
parallel wirkenden Federn, der nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist.
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5A zeigt
eine Tabelle der Pedalkraft in Abhängigkeit der Pedalbewegung
für ein
typisches konventionelles verstärktes
Bremssystem.
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5B zeigt
ein Diagramm der Pedalkraft in Abhängigkeit der Pedalbewegung
für ein
typisches konventionelles verstärktes
Bremssystem.
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6A zeigt eine Tabelle des Pedalsimulatorhubs
in Abhängigkeit
der zur Erzielung der konventionellen Pedalreaktion gemäß der 5A und 5B erforderlichen
Pedalsimulatoreingangskraft.
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6B zeigt ein Diagramm eines idealen Pedalsimulatorhubs
in Abhängigkeit
der zur Erzielung der konventionellen Pedalreaktion gemäß der 5A und 5B erforderlichen
Pedalsimulatoreingangskraft.
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7A zeigt eine Tabelle der Federcharakteristiken
für einen
geeigneten Satz von Federn, der in dem in der 4 dargestellten
Pedalsimulator verwendet werden kann.
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7B zeigt eine Tabelle des vorhergesagten
Pedalsimulatorhubs in Abhängigkeit
der individuellen Federverformung und der Federlast für die Federn
gemäß der in
der 7A dargestellten Tabelle.
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7C zeigt eine Tabelle des vorhergesagten
Pedalsimulatorhubs in Abhängigkeit
der individuellen und der gesamten Federlasten für die Federn gemäß der in
der 7A dargestellten Tabelle.
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7D zeigt ein Diagramm, in dem der vorhergesagte
Pedalsimulatorhub in Abhängigkeit
der gesamten Pedaleingangskraft und der ideale Pedalsimulatorhub
in Abhängigkeit
der zur Erzielung der konventionellen Pedalreaktion gemäß der 5A und 5B erforderlichen
Pedalsimulatoreingangskraft dargestellt sind.
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8 zeigt
eine der 4 ähnelnden Ansicht mit einer
Mehrzahl von in einer Reihenschaltung wirkenden Federn gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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9 zeigt
ein Diagramm der idealen Pedalkraft in Abhängigkeit der Pedalbewegungsreaktionscharakteristik
im Vergleich zu einer vorhergesagten Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegungsreaktionscharakteristik für die in der 8 dargestellten
Federn.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zunächst ist
festzustellen, dass die in dieser Anmeldung verwendeten Werte der
verschiedenen Maßeinheiten
nur der Veranschaulichung dienen und nicht dazu vorgesehen sind,
den Schutzbereich der Erfindung zu beschränken.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
eines Hauptzylinders 10 mit einem integrierten Pedalsimulator 12 gezeigt,
der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der Hauptzylinder 10 ist
in ein Bremssystem (nicht gezeigt) eingebaut, bei dem die Radbremsen
elektronisch gesteuert, aber durch hydraulische Fluideinrichtungen
betätigt
werden. Der Hauptzylinder 10 kann dazu dienen, die Bremsen
an allen vier Rädern,
den Vorderrädern,
den Hinterrädern
oder an einer beliebigen Kombination einzelner Räder zu betätigen. Es versteht sich, dass
auch ein Doppelkreislauf-(Tandem-)Hauptzylinder
oder ein anderer Typ eines Hauptzylinders verwendet werden kann.
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Der
Hauptzylinder 10 umfasst ein Gehäuse 14 und zwei Kolben:
einen Druckkolben 16 und einen schwimmenden Kolben 18,
die verschiebbar in einer in dem Gehäuse 14 ausgebildeten
Bohrung 19 angeordnet sind. Der Druckkolben 16 ist
betrieblich mit einem Bremspedal (nicht gezeigt), ähnlich dem
konventioneller Hauptzylinderbremsanordnungen verbunden. Eine Hydraulikkammer 20 ist
durch die Bohrung 19, den Druckkolben 16 und den
schwimmenden Kolben 18 festgelegt. Zur Bereitstellung einer Verbindung
zwischen der Hydraulikkammer 20 und einem hydraulischen
Fahrzeugbremssystem (nicht gezeigt) ist in dem Gehäuse 14 ein
Auslassanschluss 22 ausgebildet. Unter normalen Betriebsbedingungen
betätigt
das hydraulisch betätigte,
elektronisch gesteuerte Bremssystem eine Radbremse/Radbremsen (nicht
gezeigt) in Reaktion auf ein elektrisches Bremsanforderungssignal.
Der Hauptzylinder 10 ist durch ein oder mehrere nicht gezeigte(s)
Absperrventil(e) von den Radbremsen getrennt. Eine derartige Bremsenanordnung
kann allgemein als Brake-by-wire-System bezeichnet werden.
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Der
Hauptzylinder 10 umfasst eine erste Ausgleichsöffnung 24a,
die über
eine Leitung 25 und einen Reservoiranschluss 26 mit
einem Reservoir (nicht gezeigt) in Fluidverbindung steht. Eine Lippendichtung 28 ist
in Umfangsrichtung um die zylindrische Wand des Druckkolbens 16 angebracht,
wirkt mit der Wand der Bohrung 19 zusammen und dichtet dadurch
die Kammer 20 ab. Eine Lippendichtung 29 ist bezüglich des
Gehäuses 14 festgelegt,
wirkt mit der äußeren Wand
des Druckkolbens 16 zusammen und sorgt für eine Abdichtung
zwischen dem Druckkolben 16 und dem Ende des Hauptzylinders 10.
Die Leitung 25 weist eine Verlängerung 25a auf, die
mit der Bohrung 19 zwischen der Lippendichtung 29 und der
Lippendichtung 28 in Fluidverbindung steht. Eine zweite
Ausgleichsöffnung 24b ist
in dem Gehäuse 14 benachbart
zu der Wand des schwimmenden Kolbens 18 ausgebildet. Die
zweite Ausgleichsöffnung 24b steht
in Fluidverbindung mit der Leitung 25. Der Hauptzylinder 10 um fasst
ferner eine gefesselte Federanordnung 30, die zwischen
dem Druckkolben 16 und dem schwimmenden Kolben 18 angeordnet
ist. Die gefesselte Federanordnung 30 umfasst einen Stift 36,
der an der der Kammer 20 zugewandten Seite des Druckkolbens 16 befestigt
ist. Der Stift 36 weist einen vergrößerten Kopf auf, der eine zylindrisch
geformte Hülse 34 verschiebbar
auf dem Stift 36 hält.
Eine um den Stift 36 angeordnete Feder 32 wirkt
zwischen dem Kolben 16 und einem Flansch auf der Hülse 34,
um die Hülse 34 von
dem Kolben 16 wegzudrängen
und in Kontakt mit dem vergrößerten Kopf
des Stifts 36 zu bringen.
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Eine
Lippendichtung 39 ist zylindrisch um die zylindrische Wand
des schwimmenden Kolbens 18 angebracht, um die Kammer 20 abzudichten.
Ein im Inneren des Gehäuses 14 um
das rechte Ende (gemäß der Ansicht
in 1) des schwimmenden Kolbens 18 angeordneter
O-Ring 54 sorgt für
eine Abdichtung zwischen dem schwimmenden Kolben 18 und
dem Gehäuse 14,
um zu verhindern, dass Fluid von der zweiten Ausgleichsöffnung 24b in
den Pedalsimulator 12 eindringt. Der O-Ring 54 stellt
eine statische Dichtung dar, d. h. er bleibt relativ zu dem Gehäuse 14 stationär, wenn
sich der schwimmende Kolben 18 relativ zu dem Gehäuse 14 bewegt.
Im Gegensatz dazu ist die Lippendichtung 39 als dynamische
Dichtung bekannt, da sich die Lippendichtung 39 mit dem
schwimmenden Kolben 18 relativ zu dem Gehäuse 14 bewegt.
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Der
Pedalsimulator 12 umfasst eine kegelförmig gewundene helixförmige Druckfeder 40.
Die Enden der kegelförmigen
Feder 40 werden von ersten und zweiten Halteplatten 42 und 44 gehalten.
Die erste Federhalteplatte 42 wird von dem Ende der Feder 40 mit
dem kleinen Durchmesser in Richtung des schwimmenden Kolbens 18 gedrängt. Ein
an der ersten Federhalteplatte 42 ausgebildeter Vorsprung 42a wird
somit in eine entsprechende in dem schwimmenden Kolben 18 ausgebildete
Ausnehmung 18a gedrängt.
Diese Anordnung führt
das kleine Ende der Feder 40 radial und überträgt Kräfte zwischen
dem schwimmenden Kolben 18 und der Feder 40. Die zweite
Halteplatte 44 steht in Kontakt mit dem Ende der kegelförmigen Feder 40 mit
dem großen
Durchmesser und ist bezüglich
des Gehäuses 14 durch
einen Einstellmechanismus 46 bewegbar. Der Einstellmechanismus 46 kann
jede geeignete Anordnung sein, die die Länge der kegelförmigen Feder 40 einstellt,
wenn sich der Hauptzylinder 10, wie in 1 gezeigt,
in einem unbetätigten
Zustand befindet. Somit erlaubt der durch die zweite Halteplatte 44 wirkende
Einstellmechanismus die Einstellung der Vorlast der Feder 40.
Es ist festzustellen, dass die zweite Halteplatte 44 und
der benachbarte Mechanismus 46, falls gewünscht, durch
eine feste Halteanordnung ersetzt werden können. Ein einstellbarer Kolbenanschlag 48 erstreckt
sich zur Einstellung des maximalen Hubs des schwimmenden Kolbens 18 vom
rechten Ende des Hauptzylinders 10 nach innen. Der Kolbenanschlag 48 kann
in ähnlicher
Weise, falls gewünscht,
durch eine nicht einstellbare Anordnung ersetzt werden.
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Wenn
der Hauptzylinder 10 betätigt wird, bewegt die Kraft
des Bremspedals den Druckkolben 16 in der 1 nach
rechts (Betätigungshub),
so dass sich die Lippendichtung 28 über die erste Ausgleichsöffnung 24a hinaus
bewegt. Durch die Bereitstellung der zylindrischen Druckfeder 32 beginnen
sich der Druckkolben 16 und der schwimmende Kolben 18 durch
eine definierte Vorlast immer gemeinsam zu bewegen und legen im
allgemeinen dieselbe Strecke zurück,
bis die Lippendichtung des Druckkolbens 16 die erste Ausgleichsöffnung 24a passiert
hat. Es ist festzustellen, dass die zylindrische Druckfeder 32 der gefesselten
Federanordnung 30 leicht zusammengedrückt werden kann, bis sich die
Lippendichtung 28 über
die erste Ausgleichsöffnung 24a hinaus
bewegt hat. Danach verhindert zwischen dem Druckkolben 16 und
dem schwimmenden Kolben 18 eingeschlossenes Fluid ein weiteres
Zusammendrücken
der Feder 32. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Gehäuse 14 und
die Lippendichtung 28 zusammenwirken, um zu verhindern,
dass Fluid von der Hydraulikkammer 20 zum Reservoiranschluss 26 fließt, wenn der
Druck in der Kammer 20, wie nachfolgend beschrieben, ansteigt.
Während
einer normalen Betätigung
des Hauptzylinders 10 wird das Absperrventil des Bremssystems
(nicht gezeigt) so gesteuert, dass es die Strömung des Fluids durch den Auslassanschluss 22 blockiert.
Das in der Hydraulikkammer 20 ”eingeschlossene” Fluid
und die Bewegung des Druckkolbens 16 verursachen eine Bewegung
des schwimmenden Kolbens 18 in der 1 nach rechts, wodurch
die kegelförmige
Feder 40 zusammengedrückt
wird. Das Zusammendrücken
der kegelförmigen
Feder 40 erzeugt eine Federreaktionskraft, die durch die
erste Halteplatte 42, den schwimmenden Kolben 18,
das Fluidvolumen in der Hydraulikkammer 20 (wo infolgedessen
der Druck ansteigt) und den Druckkolben 16 zurückübertragen
wird. Diese Reaktionskraft wird vom Fahrer am Bremspedal verspürt. Die
kegelförmige
Feder 40 erzeugt eine nichtlineare, progressive Federkraft,
deren Ursache nachfolgend erläutert
wird. Es ist festzustellen, dass es die Verlängerung 25a der Leitung 25 beim
Betätigungshub
des Druckkolbens 16 ermöglicht,
dass Fluid in den ringförmigen
Raum zwischen der Wand der Bohrung 19 und der äußeren Wand
des Druckkolbens 16 fließt.
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Beim
Rückhub
des Druckkolbens 16 (in der 1 nach links)
ist es, wenn sich die Lippendichtung 28 auf die linke Seite
der ersten Ausgleichsöffnung 24a bewegt,
möglich,
dass Fluid aus dem Reservoiranschluss 26 fließt, wenn
zusätzliches
Fluid benötigt
wird. Die zweite Ausgleichsöffnung 24b hilft, zu
verhindern, dass Luft in die Hydraulikkammer 20 eindringt,
indem der ringförmige
Raum um den schwimmenden Kolben 18 zwischen der Lippendichtung 39 und
dem O-Ring 54 mit Fluid aus dem Reservoir gefüllt wird
und Druck und Luft, die in den ringförmigen Raum eingedrungen sein
können,
abgelassen werden. Es ist zu beachten, dass das Fluid in dem ringförmigen Raum
zwischen der Wand der Bohrung 19 und der äußeren Wand
des Druckkolbens 16 beim Rückhub des Druckkolbens 16 über die
Verlängerung 25a,
die Leitung 25 und den Reservoiranschluss 26 in
das Reservoir fließt.
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Im
Fall eines Versagens des Bremssystems öffnet das Absperrventil die
Fluidverbindung zwischen dem Auslassanschluss 22 und den
Radbremsen, so dass das unter Druck stehendes Bremsfluid in der
Kammer 20 ähnlich
wie bei einem konventionellen Einkreislauf-Hauptzylinder zur Betätigung der hydraulischen
Bremsen aus dem Auslassanschluss 22 geleitet werden kann.
Es ist zu beachten, dass bei dem Hauptzylinder 10 ein relativ
kleines Reservoir verwendet werden kann, da die Änderungen des Fluidvolumens
in dem hydraulischen Bremssystem außerhalb des Hauptzylinders
zum Ausgleich von Bremsbelagverschleiß mittels einer normalen (durch eine
Pumpe betätigten)
elektronisch gesteuerten Quelle unter Druck stehenden Bremsfluids
(nicht gezeigt) realisiert werden, welche selbst dann in Fluidverbindung
mit den Radbremsen steht, wenn das Absperrventil am Auslassanschluss 22 geschlossen
ist. Das Bremsfluid in dem Reservoir und dem Hauptzylinder wird
im allgemeinen nur im Fall eines Versagens der Bremse verwendet.
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Im
Fall eines Versagens, bei dem, beispielsweise durch ein Versagen
der Lippendichtungen 28 oder 39, ein Fluidleck
in der Hydraulikkammer 20 auftritt, bewegt sich der Druckkolben 16 in
Richtung des schwimmenden Kolbens 18, bis das Ende der
Hülse 34 das
Ende des Druckkolbens 16 unmittelbar berührt. Der
Druckkolben 16 verschiebt dann unmittelbar den schwimmenden
Kolben 18, wodurch die kegelförmige Feder 40 zusammengedrückt wird.
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Idealerweise
weist ein Fahrzeug mit elektronisch gesteuerten und betätigten,
aber durch eine Hydraulikfluideinrichtung betriebenen Bremsen ein ”Pedalgefühl” auf, das
dem eines konventionellen verstärkten
Bremssystems ähnelt.
Repräsentative Werte
der Pedalkraft und der Pedalbewegung für ein typisches konventionelles
verstärktes
Bremssystem sind in der in der 5A gezeigten
Tabelle angegeben. In dem in der 5B gezeigten
Diagramm sind die Werte der in der 5A dargestellten
Tabelle aufgetragen, um ein graphische Darstellung der Kurve der
Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegung des konventionellen verstärkten Bremssystems zu erhalten.
Es ist zu beachten, dass die Kurve der Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegung nichtlinear verläuft und eine progressiv ansteigende
Steigung aufweist. Ebenso sollte beachtet werden, dass die tatsächliche
Kurve relativ gleichmäßig und
kontinuierlich (d. h. eine gleichmäßig ansteigende Kurve) sein
soll, obwohl die von einem Computer erzeugte, in dem Diagramm in 56 gezeigt Kurve der Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegung aus geraden Liniensegmenten zwischen Datenpunkten
zusammengesetzt ist. Die Form der kegelförmigen Feder 40 erzeugt
zur Bereitstellung einer nichtlinearen Kurve der Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegung ähnlich
der in der 5B dargestellten Kurve der Pedalkraft
in Abhängigkeit
der Pedalbewegung des konventionellen verstärkten Bremssystems eine nichtlineare,
progressive Federkonstante. Die Größe, die Form und das Material
der kegelförmigen
Feder 40 können
in geeigneter Weise verändert
werden, um die gewünschte
Kurve der Pedalkraft in Abhängigkeit
der Pedalbewegung zu erhalten. Insbesondere kann die Form der kegelförmigen Feder 40 zur
Bereitstellung eines nicht gleichmäßigen Helixwinkels angepasst
werden, um eine variierende Federcharakteristik zu erhalten, wenn
die Windungen der kegelförmigen
Feder 40 nacheinander unter Druck zusammengedrückt werden.
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Vorzugsweise
ist der Pedalsimulator 12 in dem Hauptzylinder 10 aufgenommen,
er kann aber, falls gewünscht,
als separates Bauteil ausgebildet sein. Die Integration des Pedalsimulators 12 und
des Hauptzylinders 10 verringert das Gesamtvolumen der
Komponenten und vermindert die mit separaten Komponenten verbundene
Reibung. In ähnlicher Weise
können
das Absperrventil/die Absperrventile für den Auslassanschluss und/oder
den Trennkolben, das/die den Hauptzylinder 10 von dem hydraulischen Bremskreis
trennt/trennen, in den Hauptzylinder 10 integriert werden,
um die Baugruppengröße und die Funktionalität des Pedalsimulators
zu verbessern.
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2 zeigt
eine Darstellung eines allgemein mit 50 bezeichneten Hauptzylinders,
der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der in der 2 gezeigte
Hauptzylinder 50 ähnelt
hinsichtlich seiner Funktion und seines Aufbaus dem in der 1 dargestellten
Hauptzylinder 10. Ein Unterschied besteht in einer in Umfangsrichtung
mit dem schwimmenden Kolben 18 zusammenwirkenden Lippendichtung 52 anstelle
des O-Rings 54 bei dem in der 1 gezeigten
Hauptzylinder 10. Der Hauptzylinder 50 weist eine
in der Verlängerung 25a der
Leitung 25 angeordnete Öffnung 56 auf.
Die Öffnung 56 besitzt einen
kleineren Durchmesser als die Leitung 25a, um für eine Dämpfung der
Fluidströmung
während
des Rückhubs
des Druckkolbens 16, des schwimmenden Kolbens 18 und
des Bremspedals zu sorgen, wenn Fluid aus dem ringförmigen Raum
zwischen der Wand der Bohrung 19 und der äußeren Wand
des Druckkolbens 16 über
die Verlängerung 25a,
die Leitung 25 und den Re servoiranschluss 26 in
das Reservoir fließt.
Aus einer derartigen Dämpfung
der Fluidströmung
resultiert eine weichere Pedalgefühlcharakteristik.
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3 zeigt
eine Darstellung eines Hauptzylinders 60 mit der kegelförmigen Feder 40,
der nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Der Hauptzylinder 60 ähnelt hinsichtlich
seiner Funktion und seines Aufbaus den Hauptzylindern 10 und 50. Es
ist zu beachten, dass kein Einstellmechanismus 46 oder
Federhalteplatten 42 oder 44 verwendet werden.
Stattdessen stützt
sich die kegelförmige
Feder 40 an einer Endplatte 62 ab, die an einem
sich mit dem Gehäuse 40 des
Hauptzylinders 60 in Eingriff befindenden Sicherungsring 64 anliegt.
Das Ende der kegelförmigen
Feder 40 mit dem kleineren Durchmesser stützt sich
an einem verlängerten
schwimmenden Kolben 66 ab. Ein an dem schwimmenden Kolben 66 ausgebildeter
Kolbenanschlag 66a wirkt mit der Endplatte 62 zusammen,
um die Bewegung des schwimmenden Kolbens 60 zu begrenzen
und erfüllt
somit die Funktion des in der 1 gezeigten Kolbenanschlags 48.
Der schwimmende Kolben 66 weist eine an seinem linken Ende
(in der Ansicht gemäß 3)
ausgebildete zweite Verlängerung 66b auf.
Die Verlängerung 66b ist
dazu eingerichtet, im Fall eines Versagens mit dem Druckkolben des Hauptzylinders 60 zusammenzuwirken,
um ein Einschließen
von Hydraulikfluid zwischen dem Druckkolben des Hauptzylinders 60 und
dem schwimmenden Kolben 66 zu verhindern und ähnelt somit
hinsichtlich seiner Funktion der Hülse 34 des Hauptzylinders 10.
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4 zeigt
eine Darstellung eines Pedalsimulators 70 mit einem Gehäuse 71,
der nicht Gegenstand der vorliegender Erfindung ist. Der Pedalsimulator 70 und
das Gehäuse 71 können in
einen Hauptzylinder integriert werden oder können als separate Komponente
ausgebildet sein, wobei der schwimmende Kolben 78 in hydraulischer
Verbindung mit dem Hauptzylinder steht. Der Pedalsimulator 70 ähnelt hinsichtlich
seiner Funktion dem in den 1 bis 3 gezeigten
Pedalsimulator 12, umfasst jedoch eine Federanordnung 72,
die für
den nichtlinearen progressiven Federkraftkoeffizienten sorgt. Die
Federanordnung 72 umfasst drei Federn 72a, 72b und 72c,
von denen jede eine andere Federkonstante und eine andere Federlänge aufweist.
Obwohl der in der 4 dargestellte Pedalsimulator 70 drei
Federn umfasst, versteht es sich, dass eine beliebige Anzahl mehrerer
Federn verwendet werden kann. Wie in 4 gezeigt
ist, stehen die rechten Enden der Federn 72a, 72b und 72c in
Kontakt mit einer ringförmigen,
bezüglich
des Gehäuses 71 festgelegten
Halteeinrichtung 74 und werden von ihr gehalten.
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Wenn
sich der Pedalsimulator 70 und der zugehörige Hauptzylinder,
wie in der 4 gezeigt, in der unbetätigten Stellung
befinden, wird die Feder 72a zwischen der Halteeinrichtung 74 und
einer Platte 76, die mit einem schwimmenden Kolben 78 des Hauptzylinders
zusammenwirkt, leicht zusammengedrückt. Wenn der Hauptzylinder
betätigt
wird, bewegt sich der schwimmende Kolben 78 nach rechts
und drückt
die Feder 72a weiter zusammen. Wenn die Platte 76 eine
Strecke ”d” zurückgelegt
hat, berührt die
Platte 76 das Ende der Feder 72b. Eine weitere Bewegung
der Platte 76 drückt
die Feder 72b sowie die Feder 72a zusammen. Wenn
die Platte 76 eine Strecke ”D” zurückgelegt hat, berührt die
Platte 76 das Ende der Feder 72c. Eine weitere
Bewegung der Platte 76 drückt die Feder 72c sowie
die Federn 72a und 72b zusammen. Diese Kompression
der Federanordnung 72 erzeugt einen kombinierten nichtlinearen
progressiven Federkraftkoeffizienten.
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Aus
der in der 56 dargestellten Kurve der
Pedalbewegung in Abhängigkeit
der Pedalkraft in einem konventionellen Bremssystem kann auf der Grundlage
des Systempedalverhältnisses
(das das Verhältnis
der Pedalbewegung zum Simulatorhub darstellt) eine Kurve eines Simulatorhubs
in Abhängigkeit
einer Pedalsimulatoreingangskraft berechnet werden. 6A zeigt
eine Tabelle eines idealen Pedalsimulatorhubs in Abhängigkeit
der zur Erzielung der konventionellen Pedalreaktion gemäß der 5A und 56 erforderlichen Pedalsimulatoreingangskraft
auf der Grundlage eines Pedalverhältnisses von 2,84:1. Diese
Information ist in der 6B graphisch
dargestellt.
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7A zeigt eine Tabelle der Federcharakteristiken
für einen
geeigneten Satz von Federn, die in dem in der 4 dargestellten
Pedalsimulator verwendet werden können. Wie in den 7A bis 7D gezeigt
ist, entspricht die ”Feder
Nr. 1” der
längsten Feder 72a,
die ”Feder
Nr. 2” entspricht
der Feder 72b und die ”Feder
Nr. 3” entspricht
der kürzesten
Feder 72c.
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7B zeigt eine Tabelle des vorhergesagten
Pedalsimulatorhubs in Abhängigkeit
der individuellen Federverformung und der Federlast für die Federn 72a, 72b und 72c,
während 7C eine Tabelle des vorhergesagten Pedalsimulatorhubs
in Abhängigkeit
der einzelnen sowie der gesamten Federlasten für die Federn 72a, 72b und 72c zeigt.
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7D zeigt ein Diagramm, in dem der vorhergesagte
Pedalsimulatorhub in Abhängigkeit
der gesamten Pedaleingangskraft und der ideale Pedalsimulatorhub
in Abhän gigkeit
der zur Erzielung der konventionellen Pedalreaktion gemäß der 5A und 5B erforderlichen
Pedalsimulatoreingangskraft dargestellt sind.
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7D zeigt eine Auftragung der Federkraft in
Abhängigkeit
des Hubs für
die kombinierten ineinandergeschobenen Federn 72a, 72b und 72c.
Das in der 7D dargestellte Diagramm
zeigt, wie die Kurven der Federkraft in Abhängigkeit der Hublänge der einzelnen
Federn 72a, 72b und 72c addiert werden, um
eine kombinierte Gesamtfederkraftkurve zu erhalten. Die Kurve der
idealen Federkraft in Abhängigkeit
des Hubs ist die Kurve des idealen Pedalsimulatorhubs in Abhängigkeit
der Pedalsimulatoreingangskraft gemäß 6B.
Wie aus einem Vergleich der Kurven der kombinierten Federkraft und
der idealen Federkraft ersichtlich wird, stellt der Pedalsimulator 70 ein
Pedalgefühl
bereit, das dem Pedalgefühl
eines konventionellen verstärkten
Bremssystems sehr ähnlich
ist.
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8 zeigt
eine Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Pedalsimulators 80 mit
einem Gehäuse 82. Der
Pedalsimulator 80 ist als separate Komponente ausgebildet
und nicht in einen Hauptzylinder (nicht gezeigt) integriert. Es
versteht sich jedoch, dass der Pedalsimulator 80, ähnlich wie
bei dem in der 1 dargestellten Hauptzylinder 10 und
dem Pedalsimulator 12, in einen Hauptzylinder integriert
werden kann. Der Pedalsimulator 80 umfasst einen Kolben 84,
der verschiebbar in einer in dem Gehäuse 82 ausgebildeten
Bohrung 86 angeordnet ist. Der Kolben 84 und ein
geschlossenes Ende der Bohrung 86 legen eine Kammer 88 fest.
Die Kammer 88 steht über
einen ersten, in dem Gehäuse 82 ausgebildeten Anschluss 90 in
Fluidverbindung mit einem Auslassanschluss (nicht gezeigt) des Hauptzylinders.
Die Kammer 88 steht über
einen zweiten, in dem Gehäuse 82 ausgebildeten
Anschluss 82 ebenso in Fluidverbindung mit einem Absperrventil
(nicht gezeigt), wobei das Absperrventil den Hauptzylinder (und
den Pedalsimulator 80) selektiv von den hydraulischen Radbremsen
des Fahrzeugs trennt. Es ist zu beachten, dass die Kammer 88 und
die ersten und zweiten Anschlüsse 90 und 92 eine
kontinuierliche Fluidverbindung zwischen dem Auslassanschluss des
Hauptzylinders und dem Absperrventil bereitstellen.
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Der
Pedalsimulator 80 umfasst ferner eine relativ große erste
Schraubenfeder 94, die in einer in dem Gehäuse 82 ausgebildeten
Bohrung 96 angeordnet ist. Die Bohrung 96 weist
einen größeren Durchmesser
auf als die Bohrung 86, wobei ein radialer Anschlag zwischen
der Bohrung 86 und der Bohrung 96 festgelegt ist.
Die erste Feder 94 ist zwischen einer ringförmigen Halteeinrichtung 98 und
einer Endplatte 100 gehalten. Die Endplatte 100 liegt
an einem Schnappring 102 an, der sich in der Nähe des rechten
Endes (gemäß der Ansicht
in 8) der Bohrung 96 mit dem Gehäuse 82 in
Eingriff befindet. Eine zweite Feder 104 ist in einem in
der Halteeinrichtung 98 ausgebildeten zylindrischen Hohlraum 106 aufgenommen.
Die erste Feder 94 weist eine höhere Federkonstante auf als
die zweite Feder 104 (bei der ersten Feder 94 ist
mehr Kraft erforderlich, um die Feder um eine gegebene Strecke zusammenzudrücken als
bei der zweiten Feder 104). Die zweite Feder 104 ist
zwischen der Halteeinrichtung 98 und einem sich in radialer
Richtung erstreckenden Flansch 108 eines ringförmigen Aufsatzes 110 angeordnet.
Der Aufsatz 110 ist durch einen Stab 112 in einem
festgelegten Abstand von dem Kolben 84 positioniert. Die
ersten und zweiten Federn 94 und 104 sind somit
in einer Reihenanordnung angeordnet.
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Wenn
der mit dem Pedalsimulator 80 in Fluidverbindung stehende
Hauptzylinder betätigt
wird, tritt durch den ersten Anschluss 90 Fluid in die
Kammer 88 ein und verursacht eine Bewegung des Kolbens 84,
des Stabs 112, des Aufsatzes 110, der Feder 108 und
der Halteeinrichtung 98 in der 8 nach rechts.
Durch diese Bewegung werden die ersten und zweiten Federn 94 und 104 mit
einer kombinierten Reihenfederkonstante zusammengedrückt. Da
die zweite Feder 104 eine kleinere Federkonstante hat als
die erste Feder 94, verringert sich die Länge der
zweiten Feder 104 mit einer höheren Geschwindigkeit als die
der ersten Feder 94 und die kombinierte Reihenfederkonstante
liegt vorzugsweise sehr nahe an der Federkonstante der zweiten Feder 104.
Selbstverständlich
hängt die
exakte kombinierte Federkonstante von den relativen Größen der Federkonstanten
der ersten und zweiten Federn 94 und 104 ab. Die
Windungen der zweiten Feder 104 erreichen eventuell den
Grund, wenn sich der Kolben 84 weiterbewegt. Eine weitere
Bewegung des Kolbens 84 drückt nur die erste Feder 94 zusammen, wodurch
sich die Federkonstante des Pedalsimulators 80 in die Federkonstante
der ersten Feder 94 ändert.
Mit anderen Worten, wenn die Windungen der zweiten Feder 104 den
Grund erreichen, nähert
sich die Federkonstante des Pedalsimulators der Federkonstante der
ersten Feder 104 an. Dieser Übergang wird im allgemeinen
gleichmäßig erfolgen,
da die auf jede der Federn 94 und 104 wirkende
Last gleich ist.
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9 zeigt
ein Diagramm der Pedalkraft in Abhängigkeit der Pedalbewegungslänge für die Federanordnung
des in der 8 gezeigten Pedalsimulators 80.
Die mit ”Pedalkraft” bezeichnete
Auftragung stellt eine beispielhafte Kurve der Pedalbewegung in
Abhängigkeit
der Pedalkraft für
ein typisches konventionelles verstärktes Bremssystem dar. Die mit ”simulierte
Pedalkraft” bezeichnete
Auftragung stellt eine Kurve der vorhergesagten Pedalbewegung in
Abhängigkeit
der Pedalkraft dar, wie sie durch die Federanordnung des Pedalsimulators 80 erzeugt wird.
Wie aus einem Vergleich der Kurven in 9 ersichtlich
wird, ist zu erwarten, dass der Pedalsimulator 80 ein Pedalgefühl erzeugen
kann, das im wesentlichen dem eines konventionellen verstärkten Bremssystems ähnelt.