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Die Erfindung betrifft einen Bremskraftverstärker mit einem Elektromotor für einen Hauptbremszylinder, der mittels eines Übertragungsmittels mit einem Druckkolben des Hauptbremszylinders gekoppelt ist, und einen mittels eines Bremspedals auf den Druckkolben übertragenen Bremsdruck verstärkt.
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Stand der Technik
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Allgemein weisen fremdkraftunterstützte Bremsanlagen ein Reibmedium z. B. eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel und einen Radaktuator wie beispielsweise einen Bremssattel mit einem Radbremszylinder auf. Der Radaktuator ist dabei mit einem Hauptbremszylinder mittels zugehörigen Bremsleitungen verbunden. Der Hauptbremszylinder ist ferner mit einem Bremspedal gekoppelt. Der Bremskraftverstärker ist zwischen dem Bremspedal und dem Hauptbremszylinder angeordnet und benutzt Fremdenergie, beispielsweise in Form von Druckluft, Unterdruck oder elektrischer Energie, um eine vom Fahrer aufgebrachte Pedalkraft auf das Bremspedal zu verstärken. Übliche Verstärkungsfaktoren liegen bei einem PKW im Bereich von fünf bis zehn.
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In herkömmlichen Dieselmotorfahrzeugen sowie bei Fahrzeugen mit Ottomotoren, die mittels Benzindirekteinspritzung oder ohne Drosselklappe die Gemischaufbereitung vollziehen, ist zusätzlich zu einem unterdruckbetriebenen pneumatischen Bremskraftverstärker eine Unterdruckpumpe erforderlich. Des Weiteren ist der benötigte Bauraum für einen pneumatischen Bremskraftverstärker abhängig von der notwendigen Bremskraftverstärkung. Der Durchmesser des pneumatischen Bremskraftverstärkers kann dabei bis zu 30 cm umfassen.
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In der
DE 10 2007 016 136 A1 ist ein elektromechanischer Bremskraftverstärker für ein Fahrzeugbremssystem gezeigt, der einen Elektromotor zur Bremskraftverstärkung und einen daran gekoppelten Hauptbremszylinder aufweist. Der Elektromotor ist mit einer Spindelschraube verbunden. Die Spindelschraube ist über einen Stempel und einen Mitnehmer an den Hauptbremszylinder gekoppelt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors treibt dieser die Spindelschraube an und verschiebt den Stempel gegen den Hauptbremszylinder, um den über das Bremspedal eingebrachten Bremsdruck zu verstärken.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kompakten und verbesserten Bremskraftverstärker zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Bremskraftverstärker gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Bremskraftverstärker besonders kompakt ausbildbar ist, indem ein Übertragungsmittel, das einen Elektromotor mit einem Hauptbremszylinder koppelt, ein Kurvenscheibengetriebe aufweist, das mit einem Druckkolben eines Hauptbremszylinders in Wirkverbindung steht und dass das Kurvenscheibengetriebe eine Verschiebung des Druckkolbens in den Hauptbremszylinder bewirkt.
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Dies hat den Vorteil, dass der Bremskraftverstärker ohne Unterdruck betrieben werden kann und gleichzeitig die Übersetzung und/oder die Umlenkung durch das Übertragungsmittel mittels des Kurvenscheibengetriebes bauraumoptimiert an dem Hauptbremszylinder angeordnet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Kurvenscheibengetriebe wenigstens eine Kurvenscheibe auf, deren Umfangsseite eine Abrolleinrichtung zugeordnet ist. Die Abrolleinrichtung ist mit dem Druckkolben gekoppelt und ausgelegt, entlang der Umfangsseite der Kurvenscheibe abzurollen. Dies hat den Vorteil, dass ein gewünschter Verlauf der Bremskraftverstärkung flexibel über die Gestaltung der Umfangsseite der Kurvenscheibe anpassbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Druckkolben mit der Abrolleinrichtung über einen Fortsatz des Druckkolbens direkt verbunden. Auf diese Weise kann der Bremskraftverstärker besonders robust ausgebildet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine erste Kurvenscheibe mit einem ersten Stirnrad und eine zweite Kurvenscheibe mit einem zweiten Stirnrad verbunden, wobei die beiden Stirnräder mit wenigstens einem dritten Stirnrad gekoppelt sind und die an den Stirnrädern befestigten Kurvenscheiben die Abrolleinrichtung betätigen. Auf diese Weise kann der Druckkolben des Hauptbremszylinders ohne eine Umlenkung direkt betätigt werden, so dass der Hauptbremszylinder zusammen mit dem Bremskraftverstärker in besonders kompakter Bauart zueinander ausgerichtet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Druckkolben mit der Abrolleinrichtung mittels eines Kipphebels verbunden, wobei der Kipphebel eine Aufnahme für eine Kippachse aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Abtastung der Umfangsseite der Kurvenscheibe durch die Abrolleinrichtung parallel zur Verschieberichtung des Druckkolbens des Hauptbremszylinders erfolgen und somit der verfügbare Bauraum gezielt ausgenutzt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Umfangskontur der Kurvenscheibe spiralförmig oder elliptisch ausgebildet. Diese Umfangskonturen eignen sich besonders für eine gleichmäßige Verstärkung des Bremsdruckes.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Kurvenscheibe eine Sperreinrichtung auf, die ein Sperrelement und ein Federelement aufweist, wobei die Sperreinrichtung das Bremspedal in eine Ausgangsstellung zieht, indem das Sperrelement die Abrolleinrichtung auf der Kurvenscheibe mitnimmt. Dies hat den Vorteil, dass bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb das Bremspedal in eine Ausgangsstellung gebracht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Bremskraftverstärker eine Rückstelleinrichtung, insbesondere eine Spiralfeder, auf, die mit der Kurvenscheibe und einem Gehäuse gekoppelt ist. Beim Verstärken des Bremsdruckes verspannt sich die Rückstelleinrichtung gegenüber dem Gehäuse und dreht mittels der Verspannung die Kurvenscheibe in eine Ausgangsposition. Dies hat den Vorteil, dass der Elektromotor zum Betrieb des Bremskraftverstärkers nur in eine Richtung bestromt werden kann und somit kostengünstiger ausgebildet sein kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Kurvenscheibengetriebe mittels eines weiteren Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes oder eines Stirnradgetriebes, mit dem Elektromotor gekoppelt. Auf diese Weise kann der Elektromotor kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden als bei einem Bremskraftverstärker ohne Getriebe.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Bremskraftverstärker mit einem Steuergerät verbunden, das die Bestromung des Elektromotors des Bremskraftverstärkers anhand des über das Bremspedal aufgebrachten Bremsdrucks steuert. Auf diese Weise können der gewünschte Bremsdruck sowie die gewünschten Bremseigenschaften des Fahrzeugs entsprechend variabel angepasst werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Seitenansicht eines Bremskraftverstärkers gemäß einer dritten Ausführungsform, und
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4 eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers gemäß einer vierten Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Bremskraftverstärker 100 weist dabei einen Elektromotor 16 und ein nicht dargestelltes Planetengetriebe auf. Der Elektromotor 16 ist dabei in einem Fahrzeug mittels Befestigungselementen 24 befestigt und wird mittels eines Anschlusses 17 mit dem Bordstromnetz und einem Steuergerät 50 verbunden. Die Kurvenscheibe 15 ist auf einer Abtriebswelle 32 des Getriebes angeordnet. Die Kurvenscheibe 15 weist eine Umfangsseite 18 auf, deren Umfangskontur entsprechend einem Drehmomentverlauf des Elektromotors 16 angepasst und spiralförmig ausgebildet ist. Der Umfangsseite 18 der Kurvenscheibe 15 ist eine Abrolleinrichtung 19 zugeordnet. Die Abrolleinrichtung 19 wird mittels eines Lagerbolzens 20 an einem ersten Ende eines Kipphebels 14 befestigt. Der Kipphebel 14 umfasst dabei in mittiger Lage eine Aufnahme 21, die einer Kippachse 22 zugeordnet ist. Am zur Abrolleinrichtung 19 gegenüber liegenden zweiten Ende des Kipphebels 14 ist der Kipphebel 14 mit einem Druckkolben 11 eines Hauptbremszylinders 10 verbunden. Der Hauptbremszylinder 10 umfasst des Weiteren eine Kolbenstange 12 und mehrere Leitungsanschlüsse 23. Die Kolbenstange 12 ist über einen Verbindungskopf 13 mit dem Bremspedal verbunden. Ferner sind die Kolbenstange 12 und der Druckkolben 11 mit einem im Gehäuse des Hauptbremszylinders angeordneten Kolben verbunden.
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Um den über ein Bremspedal erzeugten Bremsdruck im Hauptbremszylinder 10 zu verstärken, wird durch ein Steuergerät 50 der Elektromotor 16 bestromt. Der Elektromotor 16 treibt dabei als Übertragungsmittel ein Kurvenscheibengetriebe mit der Kurvenscheibe 15 an, auf deren Umfangsseite 18 bei einer Rotation der Kurvenscheibe 15 die Abrolleinrichtung 19 entlang der Umfangsseite 18 abrollt. Um ein sauberes Abrollen der Abrolleinrichtung 19 zu gewährleisten, ist die Abrolleinrichtung 19 mittels eines Wälzlagers auf dem Lagerbolzen 20 angeordnet. Die Abrolleinrichtung 19 tastet die Umfangskonturen der Kurvenscheibe 15 ab. Wird die Kurvenscheibe 15 durch den Elektromotor 16 gegen den Uhrzeigersinn verdreht, so wird der Kipphebel 14 nach außen gedrückt. Das zweite Ende des Kipphebels 14 drückt dabei den Druckkolben 11 in den Hauptbremszylinder 10. Das zweite Ende des Kipphebels 14 ist nicht mit dem Druckkolben 11 verbunden, sondern liegt an der axialen Endfläche des Druckkolbens 11 auf, um keine Kräfte quer zur Verschieberichtung des Druckkolbens 11 in den Druckkolben 11 einzubringen. Kräfte quer zur Verschieberichtung des Druckkolbens 11 würden aufgrund des engen Toleranzbereiches in der Fertigung des Druckkolbens und des Gehäuses des Hauptbremszylinders 10 zu einem Verkanten des Druckkolbens 11 im Hauptbremszylinder 10 führen.
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Die Kolbenstange 12 ist dabei so ausgelegt, dass die über den Kolbenstangenkopf 13 eingebrachte Kraft aus dem Bremspedal auf den Druckkolben 11 übertragen wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Bremsen mittels des am Hauptbremszylinder angeschlossenen Bremskreises auch ohne die elektrische Unterstützung betätigbar sind.
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2 zeigt eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Folgenden werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen benannt. Der Bremskraftverstärker 200 weist dabei einen in 1 gezeigten Elektromotor 16 auf. Der Elektromotor 16 ist dabei mit einem Getriebe 47 als Übertragungsmittel verbunden, wobei zwei gegenüberliegende Kurvenscheiben 15, 49 mit jeweils einem Stirnrad 25, 48 verbunden sind. Das erste Stirnrad 25 mit der ersten Kurvenscheibe 15 des Kurvenscheibengetriebes ist dabei so angeordnet, dass das zweite Stirnrad 48 mit der zweiten Kurvenscheibe 49 gegenüberliegt, wobei die Kurvenscheiben 15, 49 zueinander einen Abstand aufweisen. Beiden Stirnräder 25, 48 ist wenigstens ein drittes Stirnrad 26, das auf der Antriebsachse 27 angeordnet ist, zugeordnet. Jeweils eine Umfangsseite 18 den Kurvenscheiben 15, 49 wird durch eine Abrolleinrichtung 19 abgetastet. Die Abrolleinrichtung 19 ist dabei direkt mit dem Druckkolben 11 verbunden. An einer nach außen gerichteten Stirnfläche des zweiten Stirnrades 48 ist eine Spiralfeder 44 angeordnet, die innenseitig mit dem Stirnrad 48 und am äußeren Ende mit dem nicht dargestellten Gehäuse verbunden ist.
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Um die Kurvenscheiben 15 zu verdrehen, treibt der Elektromotor 16 die Antriebsachse 27 mit den dritten Stirnrädern 27 an. Ein Verdrehen der beiden Stirnräder 15, 49 resultiert in einer Drehung der Kurvenscheiben 15. Die Verdrehung der beiden Kurvenscheiben 15 ist gekoppelt an die notwendige Verschiebung des Druckkolbens 11. Als Übertragungsmittel ist dabei das Kurvenscheibengetriebe mit einem Stirnradgetriebe gekoppelt. Die Kraftaufteilung kann hierbei über die Verzahnungsstufen des Stirnradgetriebes und des Kurvenscheibengetriebes eingestellt werden. Der Bremskraftverstärker 200 ist dabei ausgelegt, keine Kräfte quer zur Verschieberichtung des Druckkolbens 11 in den Druckkolben 11 einzubringen. Hierzu ist die Antriebswelle 27 orthogonal zur Abrollrichtung 19 und zur Verschieberichtung des Druckkolbens 11 des Bremskraftverstärkers angeordnet. Die Spiralfeder 44 dient als Rückstelleinrichtung, um nach einem Verdrehen der Kurvenscheiben 15, 49 diese wieder in die Ausgangsposition zu stellen. Hierfür ist die Spiralfeder 44 vorgespannt zwischen einem nicht dargestellten Gehäuse und dem ersten Stirnrad 25 eingebaut. Durch ein Verdrehen des ersten Stirnrads 25 wird die Spiralfeder 44 weiter verspannt. Wird das Bremssystem durch den Fahrer entspannt, so kann entweder das in 1 gezeigte Steuergerät 50 die Kurvenscheiben 15, 49 in die Ausgangsposition fahren oder die Kurvenscheiben 15, 49 werden durch den im Bremssystem verbliebenen hydraulischen Druck zurückgedrückt. Da der im Bremssystem verbleibende hydraulische Druck nicht ein komplettes Zurückdrücken der Kurvenscheiben 15, 49 gewährleistet, dreht die verspannte Spiralfeder 44 die Kurvenscheiben 15, 49 in die Ausgangsposition. Es genügt in der Ausführungsform, eine Spiralfeder 44 an einem der beiden Stirnräder 25, 48 anzuordnen. Es können jedoch auch mehrere Spiralfedern 44 eingesetzt werden. Die Rückstelleinrichtung kann aber an dem Elektromotor 16 angeordnet sein. Die Verwendung einer Rückstelleinrichtung hat den Vorteil, dass der Elektromotor 16 nur für eine Bestromung in eine Drehrichtung ausgelegt sein muss.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bremskraftverstärkers 300 gemäß einer dritten Ausführungsform. Dabei weist der Bremskraftverstärker 300 eine Kurvenscheibe 29 des Kurvenscheibengetriebes mit einer elliptischen Umfangsseite 30 auf. Der Umfangsseite 30 ist die Abrolleinrichtung 19 zugeordnet, wobei die Abrolleinrichtung 19 über einen Fortsatz 28 mit der Hülse 11 direkt verbunden ist. Die Kurvenscheibe 29 wird durch den symbolisch dargestellten Antrieb 31 mit einem Schneckengetriebe verdreht, wobei durch die symmetrische Ausgestaltung der Kurvenscheibe 29 ein maximaler Verdrehbereich von 180° zur Verfügung steht. Dies hat zur Folge, dass innerhalb dieser 180° die maximale Verschiebestrecke zum Aufbau des Druckes im Hauptbremszylinder 10 zur Verfügung gestellt werden muss. Statt dem Schneckengetriebe kann der Elektromotor 16 auch direkt mit der Kurvenscheibe oder mittels eines ein- oder mehrstufigen Getriebes wie etwa einem Schraubrad-, Stirnrad-, oder Planeten- oder Gleitkeilgetriebe verbunden sein. Ebenso wie in 2 gezeigt, wird die Kraftaufteilung bzw. die Übersetzung mittels des Schneckengetriebes und der Kurvenscheibe 29 eingestellt. Die Kurvenscheibe 29 kann ebenso als doppelter Kurvenscheibensatz mit zwei Kurvenscheiben 15, 29, wie in 2 gezeigt, mit dem Antrieb 31 gekoppelt sein.
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4 zeigt eine schematische 3D-Darstellung eines Bremskraftverstärkers 400 gemäß einer vierten Ausführungsform. Der Bremskraftverstärker 400 ist dabei mittels einer Triangel 39 mit dem Bremspedal 33 und dem Hauptbremszylinder 34 gekoppelt. Der Aufbau des Antriebs der Kurvenscheibe 15 des Kurvenscheibengetriebes entspricht dem in 1 gezeigten Aufbau. Die Triangel 39 ist am ersten Aufhängepunkt 37 mit dem Bremspedal 33 und dem Fahrzeug verbunden. Am zweiten Aufhängepunkt ist die Triangel 39 mit dem Druckkolben 43 des Hauptbremszylinders 34 verbunden. Am dritten Aufhängepunkt 36 ist die Abrolleinrichtung 19 angeordnet. Der Abrolleinrichtung 19 ist eine Sperreinrichtung 46 an der Kurvenscheibe 15 zugeordnet. Die Sperreinrichtung 46 umfasst ein Sperrelement 38 und ein Federelement 41. Die Sperreinrichtung 46 ist in einem Drehpunkt 42 drehbar gelagert. Ferner ist an der Triangel 39 eine Mitnahmeklinke 40 angeordnet. Die Verstärkung des Bremsdrucks erfolgt dabei, wenn die Kurvenscheibe 15 gegen den Uhrzeigersinn verdreht wird. Dabei drückt die Kurvenscheibe 15 die Abrolleinrichtung 19 im Uhrzeigersinn um den ersten Aufhängepunkt 37. Ferner wird der Druckkolben 43 in den Hauptbremszylinder 34 verschoben und verstärkt dadurch den Druck im Bremssystem.
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Die gezeigte Anordnung wird in Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugen mit Hybridantrieb benötigt, um das Bremspedal 33 nach der Betätigung des Hauptbremszylinders 34 wieder in eine Ausgangsposition zu befördern. Wird das Bremspedal 33 durch den Fahrzeugführer betätigt, drückt das Bremspedal die Kolbenstange 12 in den Hauptbremszylinder 34. Ferner wird mittels eines nicht dargestellten Sensors die Verschiebung des Bremspedals 33 aufgezeichnet. Das Steuergerät 50 steuert den Elektromotor 16 so nach, dass die Kurvenscheibe 15 entsprechend der Verschiebung des Bremspedals 33 nachgeführt wird, sodass über den Druckkolben 43 der Bremsdruck erhöht wird. Um den maximalen Verschiebeweg des Druckkolbens 11 zu erreichen, wird die Kurvenscheibe 15 um etwa 300° Grad verdreht. Es sind jedoch auch andere Winkel denkbar.
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Um das Bremspedal 33 aus einer niedergedrückten Position zurückzuholen, ist die Klinkeneinrichtung 40 ausgelegt, das Bremspedal 33 zu umgreifen. Die Abrolleinrichtung 19 und die Sperreinrichtung 46 dienen dazu, das Bremspedal 33 in die Ausgangsposition zu ziehen. Um in die dargestellte Ausgangsposition zu gelangen, kann die Kurvenscheibe 15 durch den Elektromotor 16 weiter aus einer eingestellten Position gegen den Uhrzeigersinn verdreht werden, sodass die Abrolleinrichtung 19 über die nach außen gerichtete Umfangsseite 18 nahe der Ausgangsposition abrollt. Die Außenkontur des Sperrelements 38 ist so ausgestaltet, dass die Abrolleinrichtung 19 auf der Umfangsseite 18 der Kurvenscheibe 15 abrollen kann und zurückgeführt wird. Nach dem Überrollen der Sperreinrichtung 46 dreht der Elektromotor 21 die Kurvenscheibe 15 im Uhrzeigersinn, wobei die Abrolleinrichtung 19 zwischen das Sperrelement 38 und der Umfangsseite 18 in die Ausgangsposition gefahren wird. Dabei umklammert die Sperreinrichtung 46 die Abrolleinrichtung 19 so, dass die Triangel 39 nach rechts gezogen wird. Dabei zieht die Mitnahmeklinke 40 das Bremspedal 33 ebenso in die Ausgangsposition zurück.
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Um das Bremspedal 33 zurück zu holen, ist es alternativ denkbar, den Elektromotor 16 nach Beendigung des Bremsvorgangs im Uhrzeigersinn in Richtung der Ausgangsposition zu fahren, bis die Sperreinrichtung die Abrolleinrichtung 19 umgreift. Danach wird die Kurvenscheibe 15 gegen den Uhrzeigersinn verdreht, um das Bremspedal 33 mittels der Triangel 39 und der Abrolleinrichtung 19 zurück in eine Ausgangsposition zu ziehen.
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Statt der dargestellten Sperreinrichtung 46 ist ebenso denkbar, die Sperreinrichtung 16 in die Geometrie der Kurvenscheibe 15 zu integrieren, sodass ein Zurückholen des Bremspedals 33 ermöglicht wird. Hierzu ist die Umfangsseite 18 so ausgestaltet, dass in dem Bereich der Sperreinrichtung 46 die Abrolleinrichtung 19 durch die Umfangsseite 18 dadurch an der Kurvenscheibe festgelegt wird, indem die Fläche der Abrolleinrichtung 19 und der Umfangsseite 18 der Kurvenscheibe 15 gegeneinander blockieren und ein Abrollen der Abrolleinrichtung 19 verhindern, um ein Zurückziehen des Bremspedals 33 zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016136 A1 [0004]
