DE102010024739A1

DE102010024739A1 - Pneumatischer Pedalsimulator und Fahrzeugbremsanlage mit einem solchen

Info

Publication number: DE102010024739A1
Application number: DE102010024739A
Authority: DE
Inventors: Bastian Dr. Ing. Witte; Eckhard Babbel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2009-10-31
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-05-05
Also published as: DE102010024734A1

Abstract

Ein pneumatischer Pedalsimulator umfasst ein Gehäuse (15) mit einer Kompressionskammer (16), eine Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer (16) und eine Schaltventileinrichtung (28'), über die die Kompressionskammer (16) mit der Außenumgebung koppelbar und gegen diese absperrbar ist. In einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung (28') ist ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden, in einer zweiten Schaltstellung ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer (16) zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich. Die Schaltventileinrichtung kann in der ersten Schaltstellung als Rückschlagventil wirken. Alternativ oder ergänzend kann die die Schaltventileinrichtung (28') derart angesteuert sein, dass ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung in Abhängigkeit der Veränderung des Volumens der Kompressionskammer (16) derart erfolgt, dass bei einer Volumenabnahme bei einem größeren Volumen der Kompressionskammer (16) von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird als bei einer Volumenzunahme von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschaltet wird. Hierdurch wird ein möglichst gleichbleibendes Pedalgefühl erzielt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen pneumatischen Pedalsimulator, umfassend ein Gehäuse mit einer Kompressionskammer und eine Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine mit einem solchen Pedalsimulator ausgestattete Fahrzeugbremsanlage.
Pedalsimulatoren werden überall dort benötigt, wo die Bremskraft einer Fahrzeugbremsanlage nicht mehr unmittelbar durch die vom Fahrer an einem Bremspedal aufgebrachte Betätigungskraft, sondern durch andere Energiequellen wie beispielsweise einen Elektromotor, einen Kompressor oder dergleichen erzeugt wird. Über den Pedalsimulator wird dem Fahrer beim Betätigen des Bremspedals eine haptische Rückmeldung in Form eines vorgegebenen Kraft-Weg-Verhaltens vermittelt, welche mit dem tatsächlichen Bremsverhalten der Fahrzeugbremsanlage korrespondiert, um dem Fahrer die Dosierung der Bremskraft zu erleichtern. Insbesondere kann mit dem vorgegebenen Kraft-Weg-Verhalten ein von herkömmlichen hydraulischen Fahrzeugbremsanlagen gewohntes Bremsgefühl simuliert werden. Es ist jedoch auch möglich, Kraft-Weg-Kennlinien zu realisieren, die von dem bisher gewohnten Bremsgefühl abweichen.
Herkömmliche Pedalsimulatoren arbeiten in der Regel mit einem hydraulischen und damit inkompressiblen Arbeitsmedium. Pneumatische Pedalsimulatoren verwenden als Arbeitsmedium hingegen ein kompressibles Gas wie beispielsweise Luft.
Pneumatische Pedalsimulatoren sind beispielsweise aus der DE 10 2006 030 846 A1 und der DE 197 57 996 A1 bekannt.
Aus der Verwendung eines gasförmigen Arbeitsmediums resultieren spezifische Probleme, welche das Rückstellverhalten des Pedalsimulators beeinträchtigen können. Wird ein pneumatischer Kolben mit einer Kraft beaufschlagt, so ändern sich in der zugehörigen Kompressionskammer nicht nur der Druck, sondern auch die Temperatur des Arbeitsmediums.
Bei für den Betrieb an Kraftfahrzeugen geeigneten pneumatischen Pedalsimulatoren wird Luft mit einem Druck von 1 bar und 20°C Umgebungstemperatur auf etwa 3 bar komprimiert. Hierbei steigt die Temperatur auf etwa 60°C an, wenn man eine schnelle Bremspedalbetätigung und damit eine adiabatische Zustandsänderung des Arbeitsgases zugrundelegt.
Zwischen der komprimierten Luft mit etwa 60°C und der Umgebung mit 20°C besteht ein Temperaturgefälle, das dazu neigt, sich mit der Zeit auszugleichen, wodurch die komprimierte Luft abkühlt, d. h. dem System Wärme entzogen wird. Bei unendlich langer Wartezeit würde die Luft in der Kompressionskammer auf Umgebungstemperatur abkühlen und gleichzeitig der Druck abfallen. Der so erreichbare Zustand des Arbeitsgases würde einer isothermen Kompression aus der Ausgangssituation entsprechen.
Bei einer anschließenden Expansion der Kompressionskammer auf den Umgebungsdruck würde somit der Kolben nicht mehr in die Ausgangsstellung zurückkehren oder, sofern eine solche Rückkehr erzwungen wird, Druck und Temperatur in der Kompressionskammer unter den Umgebungsdruck abfallen.
In 8 ist ein solcher Vorgang in einem pV-Diagramm veranschaulicht, wobei im Ausgangszustand S1 das Volumen mit V1 und der Druck mit p1 angenommen werden. Bei einer adiabatischen Kompression wird der Zustand S2 mit vermindertem Volumen V2 und erhöhtem Druck p2 erreicht. Wird die Bremspedalbetätigung für einen längeren Zeitraum aufrechterhalten, geht dem System Wärme verloren, so dass bei unvermindertem Volumen V2 der Druck auf p2- abfällt. Bei einer anschließenden adiabatischen Expansion wird der Ausgangsdruck p1 bereits bei einem Volumen V3 erreicht, das kleiner als das Ausgangsvolumen V1 ist (Zustand S3). Liegt an der Kolbenrückseite Umgebungsdruck an und sind keine weiteren Rückstellmaßnahmen ergriffen, würde der Kolben bereits bei einem verminderten Volumen V3 stehen bleiben und damit nicht in die Ausgangssituation zurückkehren. Wird gleichwohl eine Expansion auf das Ausgangsvolumen V1 erzwungen, so fällt der Druck mit p1- unter den Ausgangsdruck p1 ab. Gleichzeitig fällt die Temperatur unter die Ausgangstemperatur. Mit einem Temperaturausgleich steigt der Druck wieder auf das Ausgangsniveau an. Jedoch geht ein solcher Ausgleich recht langsam vonstatten.
Ein realer Komprimierungs- und Expansionsvorgang wird zwar in der Regel nicht streng adiabat ablaufen. Jedoch beschreibt der vorstehend erläuterte Prozess die bei einem Pedalsimulator auftretenden Zustandsänderungen recht gut, wenngleich eine reale Zustandsänderung in der Regel polytrop, d. h. zwischen einer Adiabaten und einer Isothermen verlaufen wird.
Beispielsweise treten bereits während der Kompressionsphase Wärmeverluste auf, so dass eine Adiabate nur annäherungsweise erreicht wird.
Bei einem Pedalsimulator hat dies zur Folge, dass bei einer länger anhaltenden Bremsbetätigung, wie sie beispielsweise bei einer Bergabfahrt oder einer Vollbremsung auftreten kann, die gefühlte Pedalkraft während der Bremsbetätigung abnimmt und nach Beendigung der Bremsbetätigung bei einer erneuten Bremsbetätigung ohne größeren Zeitabstand aufgrund der oben geschilderten Problematik ein ungewohntes Pedalgefühl erhalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen pneumatischen Pedalsimulator zu schaffen, der elf möglichst gleichbleibendes Pedalgefühl ermöglich.
Diese Aufgabe wird durch einen pneumatischen Pedalsimulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ein entsprechender Pedalsimulator umfasst ein Gehäuse mit einer Kompressionskammer, eine Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer und eine Schaltventileinrichtung, über die die Kompressionskammer mit der Außenumgebung koppelbar und gegen diese absperrbar ist. In einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung ist ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden, in Gegenrichtung jedoch möglich, in einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung ist hingegen ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich.
Kommt es aufgrund einer längeren Bremspedalbetätigung während der Expansionsphase zu einem Unterschreiten des Ausgangsdrucks, bevor die Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens in ihrer Ausgangsstellung zurückgekehrt ist, kann von der Außenumgebung Luft in die Kompressionskammer nachströmen. Der Druckausgleich geht automatisch vonstatten Durch Integration einer Rückschlagventilfunktion in die erste Schaltstellung wird eine schnelle Rückkehr des Pedalsimulators in die Ausgangsstellung durch Druckangleichung während der Expansionsphase erzielt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird ferner durch einen pneumatischen Pedalsimulator gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Ein entsprechender Pedalsimulator umfasst ein Gehäuse mit einer Kompressionskammer, eine Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer und eine Schaltventileinrichtung, über die die Kompressionskammer mit der Außenumgebung koppelbar und gegen diese absperrbar ist. In einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung ist ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden, in einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung ist hingegen ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich. Die Schaltventileinrichtung ist dabei derart angesteuert, dass ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung in Abhängigkeit der Veränderung des Volumens der Kompressionskammer derart erfolgt, dass bei einer Volumenabnahme bei einem größeren Volumen der Kompressionskammer von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird als bei einer Volumenzunahme von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
Anders ausgedrückt erfolgt ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung derart, dass bei einer Kompression der Kompressionskammer in Bezug auf einen Betätigungsweg der Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer aus der Ausgangsstellung früher von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird als bei einer Expansion von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
Kommt es aufgrund einer längeren Bremspedalbetätigung während der Expansionsphase zu einem Unterschreiten des Ausgangsdrucks, bevor die Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens in ihrer Ausgangsstellung zurückgekehrt ist, kann auch hier von der Außenumgebung Luft in die Kompressionskammer nachströmen. Hierdurch wird eine zuverlässige Rückstellung erzielt, so dass der Fahrer bei einer erneuten Bremspedalbetätigung nicht durch eine veränderte Pedalstellung und/oder -charakteristik überrascht wird.
Durch die nachströmende Luft wird zudem eine schnellere Angleichung der Temperatur an die Umgebungstemperatur bzw. die Ausgangstemperatur in der Kompressionskammer erzielt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn nach Beendigung eines längeren Bremsvorgangs in schneller Folge erneut gebremst werden soll.
Darüber hinaus kann durch ein Nachströmen von Luft in die Kompressionskammer während der Expansionsphase eine etwaige Leckage kompensiert werden.
In der Regel wird man den Pedalsimulator im ungebremsten Zustand in der zweiten Schaltstellung belassen, um eine Angleichung der Druckverhältnisse in der Kompressionskammer an die Umgebung zu ermöglichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
Zur Ermittlung der Schaltschwellen für die Schaltventileinrichtung kann die Volumenänderung der Kompressionskammer durch Auswertung eines Bremspedalstellungssensors oder eines Stellungssensors der Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer erfasst werden. Durch zeitliche Ableitung des jeweiligen Stellungssignals erhält man auf einfache Art und Weise eine Information über eine Volumenzu- oder -abnahme, da die genannten Stellungssensoren Zustände erfassen, welche unmittelbar mit dem Volumen der Kompressionskammer korrelieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltventileinrichtung nach Patentanspruch 2 derart ausgestaltet, dass in der ersten Schaltstellung ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden in Gegenrichtung jedoch möglich ist. Der Druckausgleich geht wie bei der Variante nach Patentanspruch 1 so automatisch vonstatten und ist unabhängig von der Ansteuerung der Schaltventileinrichtung bzw. entsprechenden Steuersignalen, welche in Abhängigkeit einer Bremspedalstellung und/oder Stellung der Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer gewonnen werden. Durch Integration einer Rückschlagventilfunktion in die erste Schaltstellung wird eine schnelle Rückkehr des Pedalsimulators in die Ausgangsstellung durch Druckangleichung während der Expansionsphase erzielt.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltventileinrichtung stromlos offen. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Ausfall der Stromversorgung der Pedalsimulator deaktiviert wird, so dass durch diesen bei einer Bremspedalbetätigung keine merkliche Gegenkraft erzeugt wird. Dadurch steht für eine mechanische Rückfallebene die volle Betätigungskraft des Fahrers zur Verfügung.
Der Pedalsimulator kann jedoch auch in einer Brake-by-wire Fahrzeugbremsanlage zum Einsatz kommen, welche ohne mechanische Rückfallebene ausgestattet ist. In diesem Fall werden ausreichende Redundanzen sowol für die Signalerfassung als auch für die Stromversorgung vorgehalten.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltventileinrichtung ein 2/2-Wege-Ventil. Dieses lässt sich schnell und einfach an dem Gehäuse montieren.
Die Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer kann weiterhin eine zweite Kammer begrenzen, welche über eine Drosseleinrichtung mit der Außenumgebung in Verbindung steht. Hierdurch lässt sich gezielt eine geeignete Dämpfung erzeugen und verhindern, dass der Fahrer beispielsweise bei einem schnellen Pedalantritt die von ihm gewünschte Pedalposition übertritt und infolgedessen der Fahrerfuß anschließend von der ansteigenden Simulatorkraft wieder zurückgedrängt wird. Da aus der Stellung des Bremspedals und/oder der Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer die gewünschte Fahrzeugverzögerung errechnet wird, würde ein Fahrzeug in einem solchen Fall zunächst viel zu stark bremsen. Grundsätzlich ist es denkbar, eine entsprechende Dämpfung durch Systemreibung zu erzeugen. Eine solche verschlechtert jedoch das Pedalgefühl. Gewünscht ist vielmehr eine geringe Reibung sowie eine Lehr'sche Dämpfung, das heißt eine Dämpfungskraft proportional zur Geschwindigkeit, welche sich über eine Drosseleinrichtung an einer zweite Kammer besonders einfach und effizient darstellen lässt. Es hat sich gezeigt, dass durch eine solche Dämpfung eine signifikante Verbesserung des Pedalgefühls erzielt werden kann.
Im einfachsten Fall lässt sich eine Drosseleinrichtung durch ein oder mehrere Drosselbohrungen realisieren. Je nach gewünschtem Pedalgefühl kann eine mehr oder weniger große Bohrung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Öffnungsquerschnitt der Drosseleinrichtung steuerbar. Damit können verschiedene Pedalcharakteristiken dargestellt werden, wie beispielsweise eine eher sportliche oder eine eher komfortbetonte Pedalcharakteristik.
In einer weiteren, speziellen Ausführungsvariante ist die zweite Kammer über ein Rückschlagventil mit der Außenumgebung verbunden, welches ein ungehindertes Durchströmen von der zweiten Kammer in Richtung der Außenumgebung ermöglicht, in Gegenrichtung hingegen absperrt. Hierdurch ist es möglich, eine Dämpfung nur dann zu erzeugen, wenn das Bremspedal zur Erzielung einer größeren Abgrenzung niedergetreten wird. Es hat sich gezeigt, dass in einer solchen Situation das Bremspedal bei einem Bremskraftabbau gut dem Fahrerfuß folgt.
Die vorstehend erläuterten Vorteile einer pneumatischen Dämpfung lassen sich auch unabhängig von der Kompensation von Wärmeverlusten und Leckage dazu nutzen, um das Pedalgefühl zu verbessern. Erfindungsgemäß geschieht dies durch einen pneumatischen Pedalsimulator gemäß Patentanspruch 8. Dieser umfasst einen Zylinder mit einer Kompressionskammer, eine Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer, eine zweite Kammer, die durch die Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer begrenzt wird, und eine Drosseleinrichtung, über die die zweite Kammer mit der Außenumgebung in Verbindung steht.
Ein pneumatischer Pedalsimulator der vorstehend erläuterten Art kommt vorzugsweise in einer Fahrzeugbremsanlage zum Einsatz, wo dieser mit einem Bremspedal gekoppelt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Ansicht einer Fahrzeugbremsanlage mit einem pneumatischen Pedalsimulator nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Ansicht einer Fahrzeugbremsanlage mit einem pneumatischen Pedalsimulator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugbremsanlage mit einem pneumatischen Pedalsimulator nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugbremsanlage mit einem pneumatischen Pedalsimulator nach einem vierten Ausführungsbeispiel,
5 einen pneumatischen Pedalsimulator nach einem fünften Ausführungsbeispiel mit Höhenanpassung,
6 Diagramme a und b zur Veranschaulichung der Ventilansteuerung und der zugehörigen Betätigungskraft am Bremspedal in Abhängigkeit des Pedalwegs zur Höhenanpassung,
7 eine schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugbremsanlage, bei der ein pneumatischer Pedalsimulator als Sollwertgeber für ein Brake-by-wire System dient, und in
8 ein pV (Druck-Volumen) Diagramm zur Veranschaulichung der Zustandsänderung des Arbeitsgases im Pedalsimulator während eines längeren Bremsvorgangs.
1 zeigt beispielhaft eine Fahrzeugbremsanlage 1 mit einem elektromechanischen Bremskrafterzeuger 2, der zwischen einem Bremspedal 3 und einem Tandem-Hauptbremszylinder 4 angeordnet ist. An den Hauptbremszylinder 4 ist eine ESP-Hydraulikeinheit 5 bekannter Bauart angeschlossen, um einen Bremsdruck an den Radbremsen 6 eines Kraftfahrzeugs radindividuell einzustellen.
Der Bremskrafterzeuger 2 wird in Abhängigkeit einer Betätigung des Bremspedals 3 angesteuert, um eine Bremskraft bereitzustellen. Hierzu wird die Stellung des Bremspedals 3 mittels eines Stellungssensors 7 erfasst. Vorliegend ist als Stellungssensor 7 ein Drehwinkelgeber vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, die Bremspedalstellung mittels eines linearen Wegsensors zu erfassen. Alternativ oder ergänzend kann die Betätigungskraft F mittels eines Kraftsensors ermittelt und zur Ansteuerung des Bremskrafterzeugers 2 herangezogen werden.
Zur Erzeugung der Bremskraft dient ein elektrischer Antriebsmotor 8. Zwischen dem Antriebsmotor 8 und einem Primärkolben 9 des Hauptbremszylinders 4 ist eine mechanische Getriebeeinrichtung 10 vorgesehen, welche die Rotationsbewegung des Antriebsmotors 8 in eine Translationsbewegung des Primärkolbens 9 übersetzt, um entsprechend der Bremspedalbetätigung einen Bremsdruck für die ESP-Hydraulikeinheit 5 vorzugeben.
Bei der dargestellten Fahrzeugbremsanlage dient das Bremspedal 3 im Normalbetrieb lediglich als Signalgeber. Die vom Fahrer erzeugte Betätigungskraft F wird dazu genutzt, über den Stellungssensor 7 und/oder einen gegebenenfalls vorhandenen Kraftsensor ein Ansteuersignal für den Bremskrafterzeuger 2 bereitzustellen. Eine mechanische Kopplung mit dem hydraulischen System der ESP-Hydraulikeinheit 5 ist dabei im Fall eines intakten Bremskrafterzeugers 2 nicht gegeben.
Um dem Fahrer bei einer Bremspedalbetätigung die Dosierung der Bremskraft zu erleichtern, umfasst die Fahrzeugbremsanlage 1 einen Pedalsimulator 11, der mit dem Bremspedal 3 gekoppelt ist. Der Pedalsimulator 11 erzeugt bei einer Bremspedalbetätigung einen der Betätigung entgegengerichteten Widerstand nach einer vorgegebenen Kraft-Weg-Kennlinie. Die Kraft-Weg-Kennlinie ist derart konfiguriert, dass der Fahrer mit zunehmender Betätigungskraft einen größeren Widerstand spürt. Diese haptische Rückmeldung korreliert stark mit der über den Bremskrafterzeuger 2 erzeugten Bremskraft F und entspricht im Wesentlichen dem von herkömmlichen hydraulischen Fahrzeugbremsanlagen bekannten Bremsgefühl. Jedoch ist es auch möglich, andere als die bisher gewohnten Kraft-Weg-Kennlinien darzustellen.
Der Pedalsimulator 11 kann in einer Brake-by-wire Bremsanlage zum Einsatz kommen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist gleichwohl eine mechanische Rückfallebene vorgesehen, die bei einem Ausfall des Bremskrafterzeugers 2 gestattet, die Betätigungskraft F des Fahrers an dem Hauptbremszylinder 4 zur Wirkung zu bringen und dadurch einen Bremsdruck zu erzeugen. Hierzu ist zwischen dem Bremspedal 3 und dem Bremskrafterzeuger 2 eine Koppelstange 12 angeordnet, die jedoch im normalen Betrieb bei einer Betätigung des in Bremspedals 3 kraftfrei ist. Die Koppelstange 12 ist in einer Linearführung 13 eines auf den Primärkolben 9 des Hauptbremszylinders 4 einwirkenden Druckkörpers 14 des Bremskrafterzeugers 2 aufgenommen, weist jedoch zu dem Bremskrafterzeuger 2 axial einen Spalts auf. Bei einer Bremspedalbetätigung wird der Druckkörper 14 durch den elektrischen Antriebsmotor 8 verlagert, so dass der Spalt s trotz Bewegung der Koppelstange 12 bestehen bleibt. Fällt der Antriebsmotor 8 aus, wird bei einer Bremspedalbetätigung der Spalt s überwunden, so dass die Koppelstange 12 auf den Druckkörper 14 und dieser wiederum auf den Primärkolben 9 des Hauptbremszylinders 4 drückt. Dabei bilden die Koppelstange 12, der Druckkörper 14, der Hauptbremszylinder 4 und die Hydraulikeinheit 5 eine mechanische Kraftübertragungseinrichtung zwischen dem Bremspedal 3 und den Radbremsen 6.
Um über die Lebensdauer eines Kraftfahrzeugs das Bremsgefühl konstant zu halten, kann der Pedalsimulator 11 in der nachfolgend näher erläuterten Art und Weise ausgebildet werden.
Der Pedalsimulator 11 umfasst ein Gehäuse 15, das eine Kompressionskammer 16 ausbildet. Die Kompressionskammer 16 ist durch eine Einrichtung 17 begrenzt, welche es ermöglicht, bei einer Bremspedalsbetätigung das Raumvolumen der Kompressionskammer 16 zu verringern und damit deren Inhalt zu verdichten. Dazu ist die Einrichtung 17 mit dem Bremspedal 3 mittels einer Kopplungseinrichtung 18 mechanisch gekoppelt. Die Kopplung kann beispielsweise mittels eines Gestänges erfolgen. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es jedoch auch möglich, die Bremspedalbetätigung hydraulisch auf die Einrichtung 17 zu übertragen, beispielsweise bei Fahrzeugbremsanlagen, bei denen das Bremspedal 3 mechanisch auf einen Hauptbremszylinder 4 durchgeschaltet ist.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 15 als Zylinder 19 ausgebildet. Die Einrichtung 17 zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer 16 ist ein Kolben 20, der in dem Zylinder 19 gleitbewegbar geführt ist. Der Kolben 20 weist eine Kolbendichtung 21 auf, die in allen Betriebstellungen des Kolbens 20 gegen die Innenwand 22 des Zylinders 19 abdichtet.
An den Kolben 20 ist als Kopplungseinrichtung 18 eine Verbindungsstange 23 über ein Gelenk 24 angekoppelt, um die Kolbendichtung 21 zu entlasten. Die Verbindungsstange 23 ist über ein weiteres Gelenk 25 mit dem Bremspedal 3 verbunden. Zusätzlich zur Stellungserfassung am Bremspedal 3 kann auch die Stellung des Kolbens 20 mittels eines Sensors 26 erfasst und zur Ansteuerung des Bremskrafterzeugers 2 herangezogen werden.
1 zeigt den Pedalsimulator 11 in bereits leicht betätigter Stellung. Bei einer Betätigungskraft F gleich null am Bremspedal 3, d. h. in der Ausgangsstellung, läge der Kolben 20 am in 1 rechten Ende des Zylinders 19 an.
In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels kann die Einrichtung 17 zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer 16 auch eine Membran sein, die aus elastischem Kunststoff, Gummi oder Kautschuk hergestellt ist und eine Seite der Kompressionskammer 16 begrenzt. Anstelle einer Membran ist auch ein Rollbalg möglich. Aufgrund der Flexibilität der Membran kann in einem solchen Fall der Querschnitt der Kompressionskammer 16 verhältnismäßig frei gewählt werden, wodurch sich für das Gehäuse 15 ein großer Gestaltungsspielraum ergibt. In die Membran ist vorzugsweise eine starre Platte integriert, an die Kopplungseinrichtung 18, beispielsweise eine Verbindungsstange anschließt.
An der Kompressionskammer 16 ist weiterhin eine ansteuerbare Schaltventileinrichtung 28 angeordnet, über die die Kompressionskammer 16 je nach Schaltstellung der Schaltventileinrichtung 28 mit der Außenumgebung verbunden oder gegenüber dieser abgesperrt werden kann. Die Schaltventileinrichtung 28 befindet sich an einer Stelle der Kompressionskammer 16, die von dem Kolben 20 nicht erreicht wird. Durch Öffnen und Schließen derselben kann das Luftvolumen in der Kompressionskammer 16 reguliert und damit Einfederverhalten des Pedalsimulators 11 eingestellt werden. Die Schaltventileinrichtung 28 ist vorzugsweise als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet und kann beispielsweise als elektrisches Magnetventil ausgeführt sein.
Die Schaltventileinrichtung 28 ist so konfiguriert, dass diese im stromlosen Zustand offen ist, d. h in beide Richtungen durchströmt werden kann. Insbesondere weist die Schaltventileinrichtung 28 eine erste Schaltstellung auf, in der ein Durchströmen von der Kompressionskammer 16 in Richtung Außenumgebung unterbunden in Gegenrichtung jedoch möglich ist. In dieser Stellung wirkt die Schaltventileinrichtung 28 als zur Kompressionskammer 16 hin offenes Rückschlagventil 27. In einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung 28 ist hingegen ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer 16 zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich.
Vorzugsweise wird die Schaltventileinrichtung 28 so lange offen, das heißt in der zweiten Schaltstellung gehalten, solange keine Bremsabsicht erkennbar ist. Durch diese Ankopplung des Luftvolumens in der Kompressionskammer 16 an die Umgebungsluft wird eine Alterung des Kompressionsmediums vermieden. Zudem wird der Luftdruck innerhalb der Kompressionskammer 16 kontinuierlich an den Umgebungsdruck angeglichen. Bei einer Bremspedalbetätigung wird die Schaltventileinrichtung 28 geschlossen, das heißt in die erste Schaltstellung gebracht. Dies kann beispielsweise bereits dann erfolgen, wenn der Fahrer das Gaspedal loslässt. Denkbar ist auch, ein Schließsignal dann zu erzeugen, wenn der Fahrer das Bremspedal 3 betätigt oder dieses einen bestimmten Betätigungsweg zurückgelegt hat. Über den Schließschaltpunkt kann die Masse der in der Kompressionskammer 16 eingeschlossenen Luft, welche als Gasfeder wirkt, und damit das Einfederverhalten des Pedalsimulators 11 beeinflusst werden. Alternativ oder ergänzend kann zur Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 auch das Signal des Stellungssensors 26 herangezogen werden.
Während des Komprimierens der Luft in der Kompressionskammer 16 kann gegebenenfalls durch Öffnungsimpulse der Schaltventileinrichtung 28 Druck abgebaut werden. Hierdurch ist es möglich, den Druckanstieg in der Kompressionskammer 16 zu beeinflussen und damit bei Bedarf die Kraft-Weg-Kennlinie des Pedalsimulators 11 modifizieren.
Bei fehlender Bestromung, beispielsweise infolge einer Störung, bleibt die Schaltventileinrichtung 28 während einer Bremspedalbetätigung offen, so dass in der Kompressionskammer 16 befindliche Luft ohne merklichen Widerstand ausgeschoben wird. Die Betätigungskraft F des Fahrers steht dann für die mechanische Rückfallebene ohne große Verluste zur Verfügung, da über die Kompressionskammer 16 kein Widerstand aufgebaut wird.
Zur Rückstellung des Kolbens 20 in die Ausgangsstellung ist eine Rückstellfedereinrichtung 29 vorgesehen, welche etwaige Reibungsverluste überwindet. Darüber hinaus dient die Rückstellfedereinrichtung 29 dazu, den Kolben 20 und das Bremspedal 3 in der Ausgangsstellung zu halten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu eine vorgespannte Rückstellfeder zwischen dem Bremspedal 3 und einer Außenseite des Gehäuses 15 wirksam eingegliedert. Es ist jedoch auch möglich, alternativ oder ergänzend eine Rückstellfeder in der Kompressionskammer 16 anzuordnen, welche gegen den Kolben 20 drückt. Darüber hinaus kann eine Rückstellfeder auch zwischen dem Bremspedal 3 und einem demgegenüber stationären Punkt am Fahrzeugaufbau eingekoppelt sein.
Je nach Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 übernimmt die Rückstellfedereinrichtung 29 zusätzlich die Funktion, bei kleinen Pedalwegen einen lediglich geringen Kraftanstieg zu bewirken, um ein gutes Ansprechverhalten zu erzielen. Die vom Pedalsimulator 11 erzeugte Gegenkraft kann anfänglich im Wesentlichen durch die Rückstellfedereinrichtung 29 bereitgestellt werden, indem die Schaltventileinrichtung 28 zu Beginn einer Bewegung des Kolbens 20 in der zweiten, das heißt offenen Schaltstellung gehalten wird, so dass die Gasfederwirkung der Kompressionskammer 16 und damit ein steilerer Kennlinienanstieg erst nach Umschalten in die erste Schaltstellung bei größeren Kolbenwegen eintritt. Wie bereits angedeutet, ist die Schaltventileinrichtung 28 im stromlosen Zustand offen und wird durch ein Bestromen geschlossen. Durch das Schließen der Schaltventileinrichtung 28 wirkt die Kompressionskammer 16 bei einer Bremspedalbetätigung als Gasfeder. Die Schließstellung bzw. erste Schaltstellung ist dabei so ausgestaltet, dass Luft nicht aus der Kompressionskammer 16 zur Außenumgebung abströmen kann, ein Durchströmen in Gegenrichtung jedoch möglich ist. Wie eingangs erläutert, erwärmt sich die während der Kompression komprimierte Luft in der Kompressionskammer 16. Bei längerer Betätigung des Bremspedals 3 kühlt sich die Luft innerhalb der Kompressionskammer 16 jedoch etwas ab, indem sie thermische Energie an die Umgebung abgibt. Beim Loslassen des Bremspedals 3 würde dieses unter Umständen nicht mehr vollständig oder nur zeitverzögert in die ungebremste Stellung zurückkehren. Bei Druckgleichheit zwischen der Kompressionskammer 16 und der Außenumgebung erlaubt das Rückschlagventil 27 der Schaltventileinrichtung 28 jedoch nun einen Luftstrom von der Umgebung in die Kompressionskammer 16 hinein und gleicht diesen Effekt aus. Die Rückstellung des Bremspedals 3 wird hierdurch begünstigt, wodurch das Pedalgefühl nach längeren Bremsvorgängen für den Fahrer unverändert bleibt.
Zur Optimierung des Pedalgefühls gehören nicht nur die Darstellung einer bestimmten Kraft-Weg-Kennlinie des Pedalsimulators 11 und dessen prompte Rückstellung in die Ausgangsstellung, sondern auch eine geeignete Dämpfung. Ohne ausreichende Dämpfung Übertritt der Fahrer bei schnellem Pedalantritt die von ihm gewünschte Pedalposition und sein Fuß wird anschließend von der ansteigenden Gegenkraft des Pedalsimulators 11 wieder zurückgedrängt. Da bei Fahrzeugbremsanlagen der vorstehend erläuterten Art die Fahrzeugverzögerung aus der Stellung des Pedalstellungssensors 7 und/oder Sensors 26 des Pedalsimulators 11 errechnet wird, bremst in einem solchen Fall das Fahrzeug zunächst viel zu stark. Auch eine hohe Reibung verschlechtert erfahrungsgemäß das Pedalgefühl. Gewünscht ist daher eine geringe Reibung sowie eine sogenannte Lehr'sche Dämpfung, also eine Dämpfungskraft, welche proportional zur Betätigungsgeschwindigkeit ist.
Erfindungsgemäß wird hierzu die an der Rückseite des Kolbens 20 befindliche zweite Kammer 30 innerhalb des Gehäuses 15 genutzt, welche der Kompressionskammer 16 gegenüberliegt. Bei einer Kompression der Kompressionskammer 16 wird das Volumen der zweiten Kammer 30 entsprechend vergrößert, bei einer Expansion der Kompressionskammer 16 hingegen entsprechend vermindert.
Die zweite Kammer 30 ist über eine Drosseleinrichtung 31 mit der Außenumgebung verbunden. Im einfachsten Fall besteht die Drosseleinrichtung aus einer Bohrung mit einem definierten Durchmesser. Je nach gewünschtem Pedalgefühl kann eine mehr oder weniger große Bohrung verwendet werden. Ferner ist es möglich, mehrere Bohrungen vorzusehen. Darüber hinaus kann ein Öffnungsquerschnitt der Drosseleinrichtung 31 steuerbar gestaltet sein, wodurch sich verschiedene Pedalcharakteristiken darstellen und gegebenenfalls während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs anpassen lassen.
Weiterhin ist zweite Kammer 30 über ein Rückschlagventil 32 mit der Außenumgebung verbunden, welches ein ungehindertes Durchströmen von der zweiten Kammer 30 in Richtung der Außenumgebung ermöglicht, in Gegenrichtung hingegen absperrt. Hierdurch ist eine pneumatische Dämpfung im Wesentlichen nur dann aktiv, wenn das Bremspedal zur Erzielung einer größeren Abbremsung niedergedrückt wird.
Dies kann beispielsweise durch zwei Öffnungen und das genannte Rückschlagventil 32 erreicht werden. Eine dieser Öffnungen stellt dabei die Drosseleinrichtung 31 dar, welche stets in beide Durchströmrichtungen geöffnet ist. Die zweite Öffnung wird durch das Rückschlagventil 32 nur für die Durchflussrichtung von der zweiten Kammer 30 zur Außenumgebung freigegeben. Damit ist eine Dämpfung selektiv nur bei Bremskraftaufbau möglich. Das Bremspedal 3 folgt bei einem Bremskraftabbau gut dem Fahrerfuß.
Wie in 1 gezeigt, können an beiden Luftzugängen des Gehäuses 15 Schalldämpfer 33 und 34 angeordnet werden, um einer etwaigen Geräuschbildung entgegenzuwirken.
Durch eine gezielte Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 kann ferner eine Höhenanpassung des Pedalsimulators 11 vorgenommen werden, so dass eine gewünschte Kraft-Weg-Kennlinie unabhängig von der topographischen Höhenlage im Wesentlichen gleich bleibt. Aufgrund des mit zunehmender Seehöhe abfallenden Umgebungsdrucks verringert sich die Masse der in der Kompressionskammer befindlichen Luft, so dass ohne Gegenmaßnahmen das Bremspedal 3 mit zunehmender Seehöhe weicher wird. 6a zeigt anhand einer Kennlinie 1 den Kraft-Weg-Verlauf auf Meereshöhe sowie anhand einer Kennlinie 2 den weicheren Kraft-Weg-Verlauf im Hochgebirge. Wird mit zunehmender Seehöhe die Schaltventileinrichtung 28 früher geschlossen, wie dies in 6b durch die Vorverlegung des Schaltpunkts von A nach B dargestellt ist, kann die Kennlinie 2 in Richtung der Kennlinie 1 verlagert werden, wie dies durch Kennlinie 3 in 6a angedeutet ist.
Für eine entsprechende Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 ist es erforderlich, den Umgebungsdruck zu kennen. Bei modernen Kraftfahrzeugen erfordert dies jedoch keinen zusätzlichen Aufwand, da der Umgebungsdruck für die Regelung des Verbrennungsmotors benötigt wird und damit am Fahrzeug zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann der Umgebungsdruck auch mit einem eigenen Drucksensor gemessen werden. Zudem kann aus GPS-Signalen beispielsweise in Verbindung mit einem Navigationssystem eine Höheninformation gewonnen und aus dieser mittels der barometrischen Höhenformel der Umgebungsdruck hinreichend genau bestimmt werden.
Der Einsatz eines solchen pneumatischen Pedalsimulators 11 ist insbesondere bei Fahrzeugen zweckmäßig, welche mit einem Elektroantrieb ausgestattet sind, sei es als Hybridfahrzeug mit einer Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor oder als reines Elektrofahrzeug. Bei einer Bremsung wird über den Elektroantrieb versucht, kinetische Energie in elektrische Energie zu verwandeln, um diese z. B. für einen späteren Beschleunigungsvorgang zu nutzen. Zur optimalen Rekuperation wird daher bei einer Bremsung zunächst der Elektroantrieb genutzt, während möglichst wenig mit den Radbremsen verzögert wird. Da Elektroantriebe nicht beliebige Leistungen rekuperieren können, wird in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit ein Überblenden zwischen elektrischer Abbremsung und Reibungsbremsung über die Radbremsen vorgenommen. Mit der vorstehend erläuterten Konfiguration wird vermieden, dass solche Überblendvorgänge am Bremspedal spürbar sind.
2 zeigt eine Abwandlung des vorstehend erläuterten Pedalsimulators 11, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Art und Weise der Kompensation von Wärmeverlusten und Leckagen unterscheidet. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Pedalsimulator 11' des zweiten Ausführungsbeispiels eine Schaltventileinrichtung 28' auf, die ohne integriertes Rückschlagventil 27 auskommt. Praktisch bedeutet dies, dass in der ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung 28' ein Durchströmen von der Kompressionskammer 16 in Richtung Außenumgebung sowie in Gegenrichtung unterbunden ist. Die zweite Schaltstellung unterscheidet sich hingegen nicht von dem ersten Ausführungsbeispiel.
Wie 8 entnommen werden kann, wird nach längerer Bremsung bei einer Expansion der Kompressionskammer 16 der Ausgangsdruck p1 erreicht, bevor der Kolben 16 in seine Ausgangsstellung zurückgekehrt ist. Das Volumen der Kompressionskammer 16 ist zu diesem Zeitpunkt kleiner (V3) als in der Ausgangsstellung (V1). Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein solches Verhalten durch ein vorzeitiges Öffnen der Kompressionskammer 16 zur Außenumgebung antizipiert. Die erfolgt durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28', so dass ein aufwändigeres Rückschlagventil 27 eingespart werden kann.
Die Schaltventileinrichtung 28 ist dazu derart konfiguriert oder angesteuert, dass ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung in Abhängigkeit der Veränderung des Volumens der Kompressionskammer 16 derart erfolgt, dass bei einer Volumenabnahme bei einem größeren Volumen der Kompressionskammer 16 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird als bei einer Volumenzunahme von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschaltet wird. In Bezug auf 8 bedeutet dies, dass bei einer Kompression bereits im Punkt S1 von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird, bei der anschließenden Expansion hingegen bereits im Punkt S3 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung zurückgeschaltet wird. Bei dieser Betrachtungsweise ist ein etwaiger Leerweg, in dem lediglich die Rückstellfedereinrichtung 29 wirksam ist, aus Gründen der Einfachheit der Erläuterung außer Acht gelassen. Selbstverständlich kann ein solcher Leerweg mit inaktiver Gasfeder auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen und durch einfache Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 realisiert sein. Ein Leerweg kann auch durch eine Öffnung im Gehäuse erzielt werden, die zunächst die Kompressionskammer 16 mit der Außenumgebung verbindet, jedoch nach einem vorgegebenen Kolbenweg durch den Kolben 20 überfahren wird.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, das die vorstehend erläuterte Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 28 auch bei der in 1 dargestellten Konfiguration des Pedalsimulators mit Rückschlagventil 27 in der Schaltventileinrichtung 28 vorgesehen werden kann, wodurch die Möglichkeit unterschiedlicher Entlastungsniveaus geschaffen wird.
Über die Rückstellfedereinrichtung 29, insbesondere die Federkonstante und die Vorspannkraft, sowie die Schaltpunkte der Schaltventileinrichtung 28 lässt sich das Ansprechverhalten des Bremspedals 3 bei geringen Betätigungskräften F einstellen. Über das Volumen der Kompressionskammer 16 wird vor allem die Progressivität des Kraftanstiegs bei größeren Betätigungskräften F vorgegeben, wobei durch Öffnungsimpulse für die Schaltventileinrichtung 28 zusätzliche Modifikationsmöglichkeiten bestehen. Über die Drosseleinrichtung 31 in Verbindung mit dem Rückschlagventil 32 kann die Systemdämpfung variiert werden.
Von den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Insbesondere kann der dargestellte Pedalsimulator 11 nicht nur bei Bremsanlagen mit einer mechanisch-hydraulischen Rückfallebene zum Einsatz kommen, sondern auch bei sogenannten Brake-by-wire Systemen, welche eine solche mechanisch-hydraulische Rückfallebene nicht aufweisen. Dort wird durch Redundanzen einem Systemausfall vorgebeugt.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Fahrzeugbremsanlage 1, die sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel vor allem durch die Anordnung des Pedalsimulators 11 unterscheidet. Für alle weiteren Komponenten wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen.
In 3 erfolgt die Anbindung des Pedalsimulators 11'' an das Bremspedal 3 oberhalb eines Schwenklagers 36 desselben. Beispielsweise kann der Pedalsimulator 11'' in einen nicht näher dargestellten Lagerbock des Bremspedals 3 integriert sein.
Ein weiches Ansprechen wird in 3 durch eine Öffnung 37 im Gehäuse 15 erzielt, die zunächst die Kompressionskammer 16 mit der Außenumgebung verbindet, jedoch nach einem vorgegebenen Kolbenweg durch den Kolben 20 überfahren wird.
Darüber hinaus zeigt 3 beispielhaft die Möglichkeit der Anordnung einer Rückstellfedereinrichtung 29'' im Zylinder 19.
Ferner ist es möglich, wie in 4 anhand eines vierten Ausführungsbeispiels gezeigt, den Pedalsimulator 11'' im Bereich der Koppelstange 12'' des ersten Ausführungsbeispiels einzugliedern. In diesem Fall ist die Koppelstange 12''' an den Kolben 20''' angeschlossen und erstreckt sich durch das Gehäuse 15 hindurch zu dem Bremskrafterzeuger 2.
Der Pedalsimulator 11'' des dritten und vierten Ausführungsbeispiels kann entsprechend dem Pedalsimulator des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels ausgebildet sein.
Wie in den 3 und 4 angedeutet, können Wärmeverlustkompensation und Leckageausgleich auch ohne die vorstehend erläuterte spezielle pneumatische Dämpfungsfunktion mit einem Rückschlagventil 32 in der Luftzuführung der zweiten Kammer 30 vorgesehen werden.
Umgekehrt ist es ebenfalls möglich, lediglich die spezielle pneumatische Dämpfungsfunktion vorzusehen und auf eine Wärmeverlustkompensation und einen Leckageausgleich zu verzichten.
5 zeigt anhand eines fünften Ausführungsbeispiels eine weitere Möglichkeit zur Höhenanpassung des Pedalsimulators 11 des zweiten Ausführungsbeispiels. Wie oben bereits ausgeführt, nimmt der Luftdruck mit zunehmender Seehöhe ab, wodurch es zur der in 6a dargestellten Verschiebung der Kraft-Weg-Kennlinie von ”1” nach ”2” kommt, das heißt das Bremspedal 3 mit zunehmender Seehöhe weicher wird. Wie 5 zeigt, ist die Lage der Öffnungen 37 zum Verschiebeweg des Kolbens 20 veränderbar. Hierzu können an dem Gehäuse 15 in Richtung des Verschiebewegs mehrere Öffnungen 37 vorgesehen sein, die zur Ausgangsstellung des Kolbens 20 unterschiedliche Abstände aufweisen. Ferner ist eine Abdichteinrichtung 44 vorgesehen, mit der in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks, der mit geeigneten Mitteln 45 erfasst wird, die Öffnungen 37 wahlweise geöffnet und geschlossen werden können. Die Abdichteinrichtung 44 kann beispielsweise ein Schieber sein, der längs des Gehäuses 15 bewegt wird. Es ist jedoch auch denkbar, anstelle der Öffnungen 37 individuell ansteuerbare Ventile vorzusehen, was jedoch mit einigem Aufwand verbunden ist. In 5 sind beispielhaft zwei Schaltstellungen A und B für die Öffnungen 37 dargestellt, die mit den in 6 dargestellten Schaltpunkten korrespondieren. Bei einer geringen Seehöhe sind beide Öffnungen A und B von der Abdichteinrichtung 44 unbeeinträchtigt, so dass diese in Abhängigkeit der Verschiebung des Kolbens 20 geschlossen werden. Die Kompression beginnt in diesem Fall erst dann, wenn der Kolben 20 die weiter von der Ausgangsstellung entfernt liegende Öffnung A erreicht hat. Bei größerer Seehöhe wird mit der Abdichteinrichtung 44 die Öffnung A geschlossen, während die Öffnung B offen bleibt. In diesem Fall beginnt die Kompression bereits dann, wenn mit der Verschiebung des Kolbens 20 die näher zur Ausgangsstellung des Kolbens 20 liegende Öffnung B geschlossen wird, so dass in Bezug auf die in 6a dargestellte Kraft-Weg-Kennlinie eine Verschiebung von Kennlinie 2 zu Kennlinie 3 und damit eine Annäherung an die für Meereshöhe geltende Kennlinie 1 erzielt wird.
Durch Ansteuerung derartiger Öffnungen 37 kann gegebenenfalls auch ein Kompensation von Wärmeverlusten und Leckagen erfolgen, indem bei der Kompression die Öffnung B offen und die Öffnung A abgesperrt, bei der anschließenden Expansion hingegen durch Verstellung Abdichteinrichtung 44 die Öffnung A freigegeben wird. Auch auf diese Weise kann in der Expansionsphase ein früheres Öffnen erfolgen, um nach einer längeren Bremspedalbetätigung eine schnelle Pedalrückstellung in die Ausgangslage zu erzielen.
Analog dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Funktion der Öffnungen 37 zur Höhenkompensation jedoch auch über die Schaltventileinrichtung 28' dargestellt werden. Hierzu wird auf die obigen Ausführungen verwiesen. Die Öffnungen 37 können dann vollständig entfallen. Es ist jedoch auch möglich, beide Strukturen miteinander zu kombinieren.
Der in 5 dargestellte Pedalsimulator 11 weist weiterhin einen pneumatischen Dämpfer auf. Während bei den in den 3 und 4 beispielhaft dargestellten Pedalsimulatoren 11'' und 11''' an der Rückseite des Kolbens 20, das heißt an der von der Kompressionskammer 16 abgewandten Seite, der Umgebungsdruck ungedrosselt anliegt, ist bei dem fünften Ausführungsbeispiel eine zweite Kammer 30 vorgesehen. Hierzu ist das Gehäuse 15 mit einem Deckel 39 verschlossen, der eine Durchgangsöffnung 40 für die Kopplungseinrichtung 18 bzw. Verbindungsstange 23 aufweist. Weiterhin ist an dem Deckel 39, gegebenenfalls auch in einem Wandabschnitt des Gehäuses 15, eine Drosseleinrichtung 31 ausgebildet, welche die zweite Kammer 30 mit der Außenumgebung verbindet. Wird das Bremspedal 3 betätigt, so entsteht aufgrund der Kolbenbewegung in der zweiten Kammer 30 ein Unterdruck, der durch nachströmende Luft ausgeglichen wird. Über den Querschnitt der Drosselöffnung 31 sowie die gegebenenfalls unvermeidliche Leckage über die Durchgangsöffnung 40 wird ein Dämpfungseffekt erzielt, so dass auf einen separaten Pedaldämpfer verzichtet werden kann. Bevorzugt wird dabei z. B. über ein Rückschlagventil 32 in Betätigungsrichtung des Bremspedals 3 stark gedrosselt, während in Löserichtung möglichst wenig gedrosselt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Durchgangsöffnung 40 so ausgestaltet, dass gewisse Winkelbewegungen der Verbindungsstange 23 zugelassen werden. Zur Vermeidung von Biegemomenten ist die Verbindungsstange 23 über ein Gelenk 24 an den Kolben 20 angeschlossen. Es jedoch auch denkbar, außerhalb des Gehäuses 15 in der Verbindungsstange 23 ein zusätzliches Gelenk anzuordnen. Die Durchgangsöffnung 40 kann dann als Axialführung ausgebildet und die Verbindungsstange 23 starr an den Kolben 20 angeschlossen werden.
7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Pedalsimulator 11' gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel als Sollwertgeber in einer Brake-by-wire Bremsanlage eingesetzt ist. Hierbei besteht keine mechanische oder hydraulische Verbindung vom Bremspedal 3 zu den Radbremsen 6. Über eine Schaltventileinrichtung 28' können sowohl eine Höhenanpassung und eine Wärmeverlust- und Leckagekompensation realisiert werden. Ferner kann durch eine solche ein Leerweg für die Gasfeder realisiert werden. Auf eine Schaltventileinrichtung kann jedoch auch verzichtet werden. Wird diese durch ein einfaches Rückschlagventil mit der Funktion des Rückschlagventils 27 aus 1 ersetzt, kann wie dort eine selbsttätige Wärmeverlust- und Leckagekompensation erzielt werden. Im Hinblick auf ein weiches Ansprechen ist dann jedoch an dem Gehäuse 15 mindestens eine Öffnung 37 in einem definierten Abstand von der Ausgangsstellung des Kolbens 20 vorgesehen, die im Zuge der Verschiebung des Kolbens 20 überfahren wird. Eine Höhenanpassung kann wie in 6 dargestellt vorgenommen sein. Aus Redundanzgründen werden der Pedalwinkel und/oder der Pedalweg redundant gemessen und parallel in redundanten Steuergeräten 42 ausgewertet. Die Steuergeräte 42 sind jeweils individuell über eine Batterie 43 elektrisch versorgt. Vorliegend sind zur Erfassung des Pedalwegs des Bremspedals 3 je Steuergerät 42 zwei Sensoren 26 an dem Pedalsimulator 11' angeordnet, um die Position des Kolbens 20 zu erfassen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiel und die dargestellten Abwandlungen beschränkt, sondern umfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen.
Bezugszeichenliste
Auflistung ohne etwaige Hochkommata:

1: Fahrzeugbremsanlage
2: Bremskrafterzeuger
3: Bremspedal
4: Hauptbremszylinder
5: Hydraulikaggregat
6: Radbremse
7: Stellungssensor am Bremspedal
8: elektrischer Antriebsmotor
9: Primärkolben
10: Getriebeeinrichtung
11: Pedalsimulator
12: Koppelstange
13: Linearführung
14: Druckkörper
15: Gehäuse
16: Kompressionskammer
17: Einrichtung zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer
18: Kopplungseinrichtung
19: Zylinder
20: Kolben
21: Kolbendichtung
22: Innenwand
23: Verbindungsstange
24: Gelenk
25: Gelenk
26: Sensor
27: Rückschlagventil
28: Schaltventileinrichtung
29: Rückstellfedereinrichtung
30: zweite Kammer
31: Drosseleinrichtung
32: Rückschlagventil
36: Schwenklager
37: Öffnung
39: Deckel
40: Durchgangsöffnung
42: Steuergerät
43: Batterie
44: Abdichteinrichtung
45: Öffnungs- und Schließmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006030846 A1 [0004]
DE 19757996 A1 [0004]

Claims

Pneumatischer Pedalsimulator, umfassend: ein Gehäuse (15) mit einer Kompressionskammer (16), und eine Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer (16), gekennzeichnet durch eine Schaltventileinrichtung (28, 28'), über die die Kompressionskammer (16) mit der Außenumgebung koppelbar und gegen diese absperrbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung (28, 28') ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden ist in Gegenrichtung jedoch möglich ist, und in einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung (28, 28') ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer (16) zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich ist.
Pneumatischer Pedalsimulator nachdem Oberbegriff von Patentanspruch 1, umfassend: ein Gehäuse (15) mit einer Kompressionskammer (16), und eine Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer (16), gekennzeichnet durch eine Schaltventileinrichtung (28, 28'), über die die Kompressionskammer (16) mit der Außenumgebung koppelbar und gegen diese absperrbar ist, wobei in einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung (28, 28') ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden ist, in einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung (28, 28') ein Durchströmen sowohl von der Kompressionskammer (16) zur Außenumgebung als auch in Gegenrichtung möglich ist, und die Schaltventileinrichtung (28, 28') derart angesteuert ist, dass ein Umschalten zwischen der ersten und zweiten Schaltstellung in Abhängigkeit der Veränderung des Volumens der Kompressionskammer (16) derart erfolgt, dass bei einer Volumenabnahme bei einem größeren Volumen der Kompressionskammer (16) von der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung geschaltet wird als bei einer Volumenzunahme von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung geschaltet wird.
Pneumatischer Pedalsimulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltventileinrichtung (28) derart ausgebildet ist, dass in der ersten Schaltstellung ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung Außenumgebung unterbunden in Gegenrichtung jedoch möglich ist.
Pneumatischer Pedalsimulator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenänderung der Kompressionskammer (16) durch Auswertung eines Bremspedalstellungssensors (7) und/oder eines Stellungssensors (26) der Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer (16) erfasst wird.
Pneumatischer Pedalsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventileinrichtung (28, 28') stromlos offen ist.
Pneumatischer Pedalsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltventileinrichtung (28, 28') ein 2/2-Wege-Ventil ist.
Pneumatischer Pedalsimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer (16) weiterhin eine zweite Kammer (30) begrenzt, welche über eine Drosseleinrichtung (31) mit der Außenumgebung in Verbindung steht.
Pneumatischer Pedalsimulator, umfassend: ein Gehäuse (15) mit einer Kompressionskammer (16), und eine Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer, gekennzeichnet durch eine zweite Kammer (30), die durch die Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer begrenzt wird, und eine Drosseleinrichtung (31), über die die zweite Kammer (30) mit der Außenumgebung in Verbindung steht.
Pneumatischer Pedalsimulator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die zweite Kammer bereitgestellte Dämpfung der Bewegung der Einrichtung (17) zur Verminderung des Raumvolumens in Betätigungsrichtung des Pedalsimulators größer ist als in Löserichtung.
Pneumatischer Pedalsimulator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (30) über ein Rückschlagventil (32) mit der Außenumgebung verbunden ist, welches ein Durchströmen von der zweiten Kammer (30) in Richtung der Außenumgebung ermöglicht, in Gegenrichtung hingegen absperrt.
Pneumatischer Pedalsimulator nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungsquerschnitt der Drosseleinrichtung (31) steuerbar ist.
Fahrzeugbremsanlage, umfassend ein Bremspedal (3) und einen pneumatischen Pedalsimulator nach einem der vorgenannten Ansprüche, der mit dem Bremspedal (3) gekoppelt ist.