Bremssystem eines zweiachsigen zweispurigen Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Bremssystem eines nicht spurgebundenen zweiachsigen zweispurigen Kraftfahrzeugs. Bekanntlich kann ein solches bewegtes Kraftfahrzeug vom Fahrer des Fahrzeugs durch Betätigen eines Bremspedals oder dergleichen, mit welchem der Fahrer also einen negativen Vortriebs-Wunsch vorgibt, mittels der sog. Betriebsbremse bis zum Stillstand abgebremst werden. Dabei wirkt diese Betriebsbremse auf sämtliche vier Räder eines zweiachsigen zweispurigen Kraftfahrzeugs, um möglichst hohe Verzögerungswerte erzielen zu können.
Zukünftige Kraftfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen kleinerer Bauart, werden vermehrt elektromotorisch angetrieben werden, d.h. der positive Vortrieb des Fahrzeugs kann von einem Elektromotor erzeugt werden. Die derzeit noch aufwändige Technologie der elektrischen Energiespeicherung macht es erforderlich, insbesondere bei solchen Kraftfahrzeugen extremen Leichtbau zu betreiben. In diesem Sinne sollte jedes System des Fahrzeugs so leicht als möglich gestaltet sein. Bei den grundsätzlich bekannten Fahrzeug-Bremssystemen sind jedoch weitere Kriterien zu berücksichtigen, so insbesondere hohe Sicherheitsanforderungen, da es auch bei einem Teil-Ausfall eines Systems möglich sein muss, das Fahrzeug sicher abbremsen und zum Stillstand bringen zu können. In diesem Sinne sind bekanntlich zwei voneinander unabhängige Bremskreise gesetzlich vorgeschrieben.
Vorliegend soll nun aufgezeigt werden, wie das Bremssystem eines insbesondere elektrifizierten Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung der genannten Anforderungen hinsichtlich Leichtbau verbessert werden kann (= Aufgabe der Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Bremssystem eines nicht spurgebundenen zweiachsigen zweispurigen Kraftfahrzeugs mit einer ersten einer der beiden Achsen zugeordneten hydraulischen Betriebsbremse, über die an den Rädern dieser Achse vorgesehene Reibungsbremsen vom Fahrer des Kraftfahrzeugs durch Betätigen eines Bremspedals oder dgl. (im Sinne einer Vorgabe eines negativen Vortriebs) ohne Zwischenschaltung eines Bremskraftverstärkers hydraulisch betätigbar sind, sowie mit einer zweiten der anderen Achse zugeordneten elektromotorischen Betriebsbremse, mit der vom Fahrer mit Betätigen des gleichen Bremspedals unter Zwischenschaltung eines Anti-Blockier-Systems die Räder dieser anderen Achse durch zumindest einen Elektromotor, der solchermaßen angesteuert wird, dass kein kritischer Bremsschlupf an den Rädern dieser Achse auftritt, abgebremst werden. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß besitzt das Fahrzeug ein hydraulisches Betriebsbremssystem und ein elektromotorisches Betriebsbremssystem, wobei jeweils eines dieser Systeme einer der beiden Fahrzeug-Achsen zugeordnet ist. Die (gesetzlichen) Sicherheitsvorschriften sind aufgrund der beiden grundsätzlich voneinander unabhängigen Bremssysteme, die jedoch beide parallel zueinander betätigt werden, und zwar durch Vorgabe eines negativen Vortriebs-Wunsches durch den Fahrer mit seinem Bremspedal oder dgl., erfüllt. Um das hydraulische Bremssystem, bei dem in bekannter Weise ein vom Fahrer mittels seines Bremspedals verlagerter sog. Verdrängerkolben ein Hydraulikmedium verdrängt, welches hierdurch einen an der Reibungsbremse des jeweiligen Rades vorgesehenen Bremskolben solchermaßen verlagert, dass hierdurch Reibbeläge dieser Reibungsbremse gegen eine mit dem jeweiligen Fahrzeug-Rad rotierenden Bremsscheibe oder Bremstrommel gepresst werden, möglichst leicht (= gewichtsreduziert) zu gestalten, wird erfindungsgemäß auf einen bislang an hydraulischen Bremssystemen üblichen Bremskraftverstärker verzichtet. Es wurde nämlich erkannt, dass der Fahrer ein solches hydraulisches Bremssystem ohne einen Bremskraftverstärker ebenso komfortabel und einfach und mit relativ geringem Kraftaufwand wie die heute üblichen hydraulischen Bremssysteme mit Bremskraftverstärker betätigen kann, da im Unterschied zu den heute üblichen hydraulischen Bremssystemen nur eine der beiden Achsen des Kraftfahrzeugs auf diesem hydraulischen Wege abgebremst werden muss.
Dabei wird vorliegend unter dem Begriff des Bremskraftverstärkers jedes System verstanden, welches der Betätigungskraft des Fahrers an seinem Bremspedal oder dgl. bei jeder Betätigung der hydraulischen Betriebsbremse eine zusätzliche Kraft hinzufügt, mit der die Reibbeläge der Reibungsbremse gegen die Bremsscheibe oder Bremstrommel oder dgl. gepresst werden. Insbesondere ist als Bremskraftverstärker der bei Personenkraftwagen übliche Unterdruck-Bremskraftverstärker im mechanischen Ü bertrag ungsweg zwischen dem Bremspedal und dem Verdrängerkolben im Hauptbremszylinder zu verstehen; alternative Ausführungsformen eines Bremskraftverstärkers sollen aber ebenfalls erfasst sein. Wesentlich ist vorliegend somit, dass eine der beiden Achsen des Fahrzeugs mit einer hydraulischen Betriebsbremse ausgerüstet ist, die ohne zusätzliche Krafteinleitung alleine durch den Fahrer betätigt werden kann und womit das Fahrzeugs den Anforderungen entsprechend zum Stillstand gebracht werden kann. Nicht ausgeschlossen werden soll durch den erfindungsgemäßen Verzicht auf einen Bremskraftverstärker ein nur in Ausnahmefällen wie insbesondere in kritischen Fahrsituationen wirkendes System, welches unabhängig von einer Vorgabe oder einer Betätigung des Fahrers vorzugsweise nur an einem der Räder einer Achse eine Bremswirkung erzeugen kann, beispielsweise um das Fahrzeug zu stabilisieren.
Weiterhin erfindungsgemäß wird die andere Achse des Kraftfahrzeugs elektromotorisch abgebremst, was insbesondere dann unter besonders geringem Aufwand realisierbar ist, wenn das Kraftfahrzeug auch elektromotorisch angetrieben werden kann. Dann kann nämlich der gleiche zumindest eine Elektromotor, der das Rad oder die Räder einer Achse antreibt, das Rad oder die Räder dieser Achse vorzugsweise rekuperativ abbremsen. Eine solche an einer der beiden Achsen vorgesehene elektromotorische Betriebsbremse kann in Zusammenwirken mit der an der anderen Achse vorgesehenen hydraulischen Betriebsbremse einen leichteren Personenkraftwagen mit ausreichender Verzögerung bis zum Stillstand abbremsen, da der Elektromotor im Hinblick auf seine (einen positiven Vortrieb erzeugenden) Antriebs-Funktion auch für die Bremsfunktion, die vorzugsweise im Rekuperationsbetrieb des Elektromotors durchgeführt wird, hierfür ein ausreichend hohes Moment erzeugen kann.
Alternativ oder zusätzlich ist ein elektromotorisches Abbremsen einer Achse des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs aber auch dadurch möglich, dass dieser Achse und vorzugsweise jedem Rad dieser mittels einer elektromotorischen Betriebsbremse abbremsbaren Achse ein Elektromotor zugeordnet ist, der eine dieser Achse und vorzugsweise eine dem jeweiligen Rad zugeordnete Reibungsbremse betätigt.
Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal ist, dass eine zumindest dem Fachmann bekannte sog. Anti-Blockier-Funktion in der Ansteuerung des Elektromotors der elektromotorischen Betriebsbremse integriert ist. Bekannt ist es, die über die Räder auf die Fahrbahn wirkenden Fahrzeug-Bremsen solchermaßen anzusteuern, dass kein kritischer Bremsschlupf zwischen den Rädern und der Fahrbahn auftritt. Eine solche Ansteuerung wird nun auch in die Steuerkette zwischen dem Bremspedal und dem die Abbremsung ausführenden Elektromotor integriert, d.h. unter Zugrundelegung eines vom Fahrer mit seinem Bremspedal oder dgl. vorgegebenen negativen Vortriebs-Wunsches wird der besagte Elektromotor der elektromotorischen Betriebsbremse solchermaßen angesteuert, dass kein kritischer Bremsschlupf zwischen dem oder den vom Elektromotor abgebremsten Rad oder Rädern und der Fahrbahn auftritt, insbesondere dass es nicht zu einem Blockieren des Rades oder der Räder kommt. Selbstverständlich empfiehlt es sich, nicht nur für die elektromotorisch abbremsbare Fahrzeug-Achse eine solche Anti-Blockier-Funktion vorzusehen, sonder auch an der anderen mit der hydraulischen Betriebsbremse versehenen Achse eine Anti-Blockier-Funktion vorzusehen, so wie es für hydraulische Fahrzeug-Bremssysteme heute allgemein üblich ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, im mechanischen Übertragungsweg vom Bremspedal oder dgl. zu einem (bereits genannten) Hydraulik-Verdrängerkolben der hydraulischen Betriebsbremse eine mechanische Übersetzungsvorrichtung mit einem über dem Betätigungsweg des Pedals oder dgl. veränderlichem Übersetzungsverhältnis vorzusehen. Bei geeigneter Auslegung dieser mechanischen Übersetzungsvorrichtung, von welcher dem Fachmann die unterschiedlichsten Ausführungsformen (beispielsweise in Form eines Kurvengetriebes) bekannt sind, kann auch ohne Vorsehen eines Bremskraftverstärkers in der hydraulischen
Betriebsbremse und bei gleichzeitig einfach realisierbarer geeigneter Ansteuerung des (zumindest einen) Elektromotors der elektromotorischen Betriebsbremse am Bremspedal ein solches für den Fahrer spürbares Pedalgefühl in Abhängigkeit von seiner Pedalbetätigung dargestellt werden, wie es an den bisherigen hydraulischen Bremssystemen mit Bremskraftverstärker üblich ist. Zur Erzielung einer solchen Wirkung kann es aber auch bereits ausreichend sein, am Bremspdeal eine Übertotpunktfeder vorzusehen, deren Federkraft bei geringem Pedalweg zunächst stark zunimmt, danach im Pedalkraftverlauf, der die Betätigungskraft über dem Pedalweg wiedergibt, ein Plateau erzeugt und mit noch weiterem Pedalweg wieder eine Zunahme der Pedalkraft bewirkt.
Der erfindungsgemäße Verzicht auf einen dem hydraulischen Bremssystem zugeordneten Bremskraftverstärker hat im übrigen den weiteren Vorteil, dass keine zusätzliche Energie zum Betrieb dieses Bremskraftverstärkers benötigt wird. Nochmals in anderen Worten ausgedrückt wird ein erfindungsgemäßes Bremssystem also solchermaßen ausgelegt, dass neben einem ggf. eigenständigen Elektromotor der elektromotorischen Betriebsbremse keine weitere Bremskraftunterstützung benötigt wird. Hinsichtlich des hydraulischen Bremssystems ist dies einfach möglich, da ein geringeres hydraulisches Volumen für die einzige auf hydraulischem Weg abzubremsende Achse benötigt wird, weshalb ein gegenüber bisherigen hydraulischen Bremssystemen kleinerer Hauptbremszylinder ausreichend ist und dieser den gleichen Bremsdruck bei geringerer Betätigungskraft erwirken kann. Diese geringere Bremskraft kann der Fahrer selbst aufbringen, so dass auf einen Bremskraftverstärker verzichtet werden kann. Wird als Elektromotor der elektromotorischen Betriebsbremse ein ohnehin vorhandener elektrischer Antriebsmotor (des Fahrzeugs) verwendet, so ist für das Betriebsbremssystem des Fahrzeugs in der Tat überhaupt keine eigenständige Bremskraftunterstützung erforderlich.
Ferner sei nochmals darauf hingewiesen, dass das elektromotorische Bremssystem bei ausreichend starkem Elektromotor, der als Antriebsaggregat des Fahrzeugs fungiert, keinen weiteren Elektromotor aufweisen muss, da dieser starke Elektromotor selbst auch im Rekuperationsbetrieb eine ausreichend hohe Bremswirkung erzielen kann. Sollte diese Rekuperations-Bremswirkung nicht ausreichen, ist es
möglich, diesen Elektromotor selbst die angetriebene Achse abbremsen zu lassen. Alternativ kann jedoch durchaus ein weiterer Elektromotor vorgesehen sein, der an dieser nicht der hydraulischen Betriebsbremse zugeordneten Achse eine Bremswirkung erzeugt, insbesondere indem dieser Elektromotor eine Reibungsbremse betätigt. Weiterhin alternativ kann auch nur zumindest ein Elektromotor vorgesehen sein, der an der elektromotorisch abzubremsenden Achse zumindest eine Reibungsbremse betätigt. (Letzteres gilt insbesondere für den Fall, dass das Kraftfahrzeug nicht elektromotorisch angetrieben werden kann).
Was die bereits genannte über dem Pedalweg des Bremspedals variable Pedalübersetzung betrifft, so kann eine entsprechende mechanische Konstruktion die heute üblichen Pedalkraft-Pedalweg-Kennlinien nachbilden und dem Fahrer damit das gewohnte Bremspedalgefühl widerspiegeln. Eine einfache mechanische Lösung kann ein Hebelarm sein, der während der Betätigung eine veränderte Pedalübersetzung über dem Pedalweg hervorruft. Diese hat zu Beginn der Betätigung des Bremspedals oder dgl. einen geringen Anstieg der Betätigungskraft über dem Pedalweg zur Folge, während gegen Ende des möglichen Pedalwegs ein hoher Anstieg der Betätigungskraft über dem Betätigungs-Weg vorgesehen ist.
Die beigefügte Prinzipskizze zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist mit der Bezugsziffer 20 ein zweispuriges zweiachsiges Kraftfahrzeug gekennzeichnet, das demzufolge vier Räder 21a und 21 b sowie 22a und 22b besitzt. Die Räder 21a und 21b sind Bestandteil der Vorderachse 21 des Fahrzeugs, während sich die Räder 22a und 22b an der Fahrzeug-Hinterachse 22 befinden. Vorliegend ist jedem Rad 22a, 22b der Hinterachse 22 ein eigener Elektromotor 10 bzw. 11 zugeordnet, mit dem das jeweilige Rad 22a, 22b angetrieben und vorzugsweise rekuperativ abgebremst werden kann. Die beiden Elektromotoren 10, 11 bilden somit eine elektromotorische Betriebsbremse 10- 1 bzw. sind Bestandteil derselben. Auch jedem Vorderrad 21a, 21 b ist eine Bremse zugeordnet, die in Form üblicher Reibungsbremsen 12, 13 ausgebildet sind, welche in üblicher Weise hydraulisch betätigt werden, so dass diese hydraulisch betätigten Reibungsbremsen 12, 13 eine hydraulische Betriebsbremse 12-13 bilden bzw. Bestandteil derselben sind.
Betätigt werden die hydraulische Betriebsbremse 12-13 sowie die elektromotorische Betriebsbremse 10-11 gemeinsam über ein Bremspedal 23, welches vom Fahrer des Kraftfahrzeugs in üblicher Weise betätigt wird. Im fahrzeugfesten Aufhängungspunkt dieses verschwenkbaren Bremspedals 23 ist ein Pedalweg-Sensor 4 vorgesehen, der den Betätigungswinkel und damit den Bremswunsch des Fahrers erfasst. Die Signale dieses Pedalweg-Sensors 4 werden in einer Steuereinheit 5 für das Fahrzeug-Bremssystem verarbeitet, auf welche im weiteren noch eingegangen wird. Zuvor sei jedoch eine zwischen dem Bremspedal 23 sowie einem hydraulischen Bremszylinder 1 (= Hauptbremszylinder 1) vorgesehene mechanische Übersetzungsvorrichtung 2 erwähnt, die bewirkt, dass mit einer bestimmten Betätigung des Bremspedals 23 ein im Hauptbremszylinder 1 vorgesehener Hydraulik-Verdrängerkolben um ein entsprechendes gewisses Maß verlagert wird.
Der ebenfalls einen Bestandteil der hydraulischen Betriebsbremse 12-13 bildende Hauptbremszylinder 1 ist in dem Fachmann bekannter Weise aufgebaut, wobei es sich hier nicht um einen (bei Zweikreis-Bremsanalgen üblichen) Tandem- Bremszylinder handelt, sondern um einen einzigen Bremszylinder für einen einzigen hydraulischen (Brems)-Kreis der hydraulischen Betriebsbremse 12-13. Dieser einzige hydraulische Brems-Kreis ist im Anschluss an den Hauptbremszylinder 1 im wesentlichen wie üblich aufgebaut, d.h. es sind Hydraulikleitungen über einen Ventile sowie eine sog. Rückförderpumpe 9 enthaltenden Hydraulikblock 6 zu den hydraulisch betätigten Reibungsbremsen 12, 13 der Vorder-Achse 21 des Kraftfahrzeugs 20 geführt.
Der soeben genannte Hydraulikblock 6 ist Bestandteil der ebenfalls bereits genannten Steuereinheit 5 für das Fahrzeug-Bremssystem, welche viele weitere dem Fachmann bekannte Elemente enthält. Von diesen sei hier nur ein Drucksensor 7 zur Messung des Hydraulikdrucks in der vom Bremszylinder 1 in den Hydraulikblock 6 führenden Hydraulikleitung erwähnt sowie eine elektronische Steuereinheit 8, die für die Ansteuerung der genannten Ventile im Hydrauiikblock 6 sowie für die Ansteuerung der Elektromotoren 10, 11 zuständig ist, soweit letztere als elektromotorische Betriebsbremse 10-11 wirken. Insbesondere ist in dieser elektronischen Steuereinheit 8 ein Anti-Blockier-System enthalten, welches im Bedarfsfall auf dem Fachmann bekannte Weise die an den jeweiligen Rädern 21a -
22b wirkenden Bremskräfte solchermaßen einstellt bzw. begrenzt, dass kein länger andauerndes Blockieren der Räder bzw. kein kritischer Bremsschlupf zwischen den Rädern 21a - 22b und der Fahrbahn auftritt. Dieses Anti-Blockiersystem kann darüber hinaus wie bekannt und üblich ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) enthalten.
Aus den vorangegangenen Erläuterungen wird ersichtlich, dass das Bremssystem dieses Kraftfahrzeugs 20 wie bei solchen Fahrzeugen üblich zwei sog. Bremskreise enthält, bestehend aus der hier der Vorder-Achse 21 zugeordneten hydraulischen Betriebsbremse 12-13 und der hier der Hinter-Achse zugeordneten elektromotorischen Betriebsbremse 10-11. Was die hydraulische Betriebsbremse 12-13 betrifft, so ist wesentlich, dass sich in der Wirkkette zwischen dem Bremspedal 23 und dem Hauptbremszylinder 1 kein ansonsten bei zweikreisigen hydraulischen Betriebsbremsen üblicher Bremskraftverstärker befindet. Dies wurde vor der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ausführlich erläutert.
Nun sei nochmals auf die zwischen dem Bremspedal 23 und dem Hauptbremszylinder 1 bzw. dessen figürlich nicht dargestellten Verdrängerkolben vorgesehene mechanische Übersetzungsvorrichtung 2 eingegangen. Diese ist hier durch ein einfaches Hebelgetriebe oder Koppelgetriebe gebildet, wobei weiterhin am Bremspedal 23 eine Übertotpunktfeder 3 angreift. Die mechanische Übersetzungsvorrichtung 2 stellt ein über dem Pedalweg, d.h. über dem Verschwenken des Bremspedals 23 veränderliches Übersetzungsverhältnis hinsichtlich der daraus resultierenden Verschiebung des Verdrängerkolbens im Hauptbremszylinder 1 dar, derart, dass sich bei Betätigung des Bremspedals annähernd ein solches für den Fahrer spürbares Pedalgefühl in Abhängigkeit von seiner Pedalbetätigung einstellt, wie es an den bisherigen hydraulischen Bremssystemen mit Bremskraftverstärker üblich ist. In diesem Sinne wirkt vorliegend ergänzend die genannte Übertotpunktfeder 3, die dann zusammen mit dem auf den Verdrängerkolben des Hauptbremszylinders 1 wirkenden Hydraulikdruck im Hydraulikkreis der hydraulischen Betriebsbremse 12-13 einen gewünschten Verlauf der Betätigungskraft des Bremspedals 23 über dessen Betätigungsweg erzeugt. Ein gewünschter Pedalkraft- Verlauf über dem Pedalweg kann alternativ auch alleine durch die mechanische
Übersetzungsvorrichtung 2 oder alleine durch Federelemente oder dgl. erzeugt werden.
Die Vorteile der hier vorgeschlagenen Kombination des Wegfalls einer (als Zahlwort) hydraulisch gebremsten Achse eines zweiachsigen zweispurigen Kraftfahrzeugs (indem vorliegend die Hinter-Achse 22 nur eine elektromotorische Betriebsbremse 10-11 enthält), sowie des Entfalls eines ansonsten bei Kraftfahrzeugen mit hydraulischer Betriebsbremse vorgesehenen Bremskraftverstärkers sowie einer Betätigungs-Kinematik für das Bremspedal 23 mit geeignetem veränderlichem Übersetzungsverhältnis sind zusammenfassend:
Bei gegenüber heutiger Auslegung im wesentlichem gleichem Pedalgefühl bei Betätigung der Betriebsbremse durch eine Betätigung des Bremspedals 23 wird ohne zusätzliche Bremskraftunterstützung in der hydraulischen Betriebsbremse 12- 13 keine zusätzliche Energie zum Verzögern benötigt. Auch das geringere Gewicht eines erfindungsgemäßen Bremssystems fördert die Reichweite des Kraftfahrzeugs und reduziert dessen Emissionen. Der Bauraumgewinn bringt zudem erhebliche Vorteile. Zudem muss ein Ausfall eines (nicht vorhandenen) Bremskraftverstärkers nicht berücksichtigt werden und der Ausfall der elektromotorischen Betriebsbremse 10-11 hat keine Auswirkungen auf die Betätigungskraft des Bremspedals 23 bezogen auf dessen Pedalweg, was einen Sicherheitsgewinn bedeutet, wobei ausdrücklich noch darauf hingewiesen sei, dass die im Ausführungsbeispiel gezeigte Ausführungsform der elektromotorischen Betriebsbremse 10-11 nur beispielhaft ist. Alternativ kann den beiden Rädern 22a, 22b ein gemeinsamer Elektromotor zugeordnet sein, der als Antriebsmotor und als elektromotorische Betriebsbremse fungiert. Alternativ kann bzw. können ein oder mehrere Elektromotoren auch Reibungsbremsen an der mit der elektromotorischen Betriebsbremse ausgerüsteten Fahrzeug-Achse bzw. an deren Rädern betätigen.