DE102009055721A1

DE102009055721A1 - Bremssystem mit Speichereinrichtung mit Mehrfachfunktion

Info

Publication number: DE102009055721A1
Application number: DE102009055721A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Christian KÖGLSPERGER; Valentin Unterfrauner
Original assignee: Ipgate AG
Current assignee: Ipgate AG
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2011-06-01
Also published as: WO2011063955A2; WO2011063955A3; CN102639370A; CN102639370B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug, - einen Hauptbremszylinder (4, 5) aufweisend, der von einem elektrischen Antrieb angetrieben ist, wobei ein Kolbenstößel (25) mit einem Kolben (3) des Hauptbremszylinders (4, 5) in Wirkverbindung ist, - Radbremsenventile (7) zum wahlweisen Öffnen und Verschließen der die Radbremsen (RB) mit dem Hauptbremszylinder (4, 5) verbindenden Druckleitungen (DL) aufweisend, - eine Betätigungseinrichtung (1) aufweisend, insbesondere in Form eines Bremspedals, welche auf einen Wegsimulator (W) wirkt, - wobei im Störungsfall, insbesondere bei Ausfall des Antriebs (2), die Betätigungseinrichtung (1) mechanisch, insbesondere mit dem Pedalstößel (1a), auf den Kolbenstößel (25) zum Druckaufbau in mindestens einer Radbremse wirkt, und im Normalbetrieb ein Leerweg (a) zwischen dem Kolbenstößel (25) und der Betätigungseinrichtung, insbesondere zwischen dem Kolbenstößel (25) und dem Pedalstößel (1a) besteht, - eine Steuereinrichtung mit Brake-by-Wire-Funktion aufweisend, die den Antrieb (2) sowie die Radbremsventile (7) zum wahlweise gleichzeitigen oder nacheinander erfolgenden Druckaufbau und Druckabbau in den Radbremsen (RB) ansteuert, - wobei mindestens einer Radbremse (RB) oder mindestens einem Bremskreis ein Fluidspeicher (20, 20') zugeordnet ist, dessen Speicherkammer über ein schaltbares Speicherventil (8) mit einer Druckleitung (BL') wahlweise verbindbar ist, wobei die Druckleitung (BL') einen Arbeitsraum ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bremssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bekannt sind konventionelle Bremskraftverstärker (BKV) als sog. Folgeverstärker, bei denen der Pedalweg proportional zum Kolbenweg des Hauptbremszylinders ist. Daneben gibt es zunehmend Systeme für Brake-by-wire-Betrieb mit Wegsimulator, bei denen die o. g. Zuordnung nicht mehr gilt. Ein solches System ist als „Elektrohydraulische Bremse (EHB)" im Bremsenhandbuch 2. Auflage, Vieweg Verlag, S. 251 und 252, beschrieben, und ist noch nicht in allen seinen Funktionen optimiert.
Für verschiedene Funktionen der Bremsanlage benötigen Wegsimulationssysteme einen Leerweg zwischen Pedalstößel und BKV-Stößel bzw. HZ-Kolben, um z. B. bei ABS-Druckmodulation keine oder geringe Pedalrückwirkung zu erzeugen oder bei rekuperativer Bremsung, bei der trotz Generatorbremswirkung dieselbe Zuordnung von Pedalweg und Kraft zur Bremswirkung (Fahrzeugverzögerung) besteht. Bei einigen Systemen wirkt dieser Leerweg bei Ausfall des Bremskraftverstärkers bzw. dessen Antrieb als erhebliche Pedalwegverlagerung, was der Fahrer als Ausfall der Bremse wahrnimmt. Dies ist in der WO2004/005095 A1 beschrieben. Hauptaufgabe ist hier im Brake-by-wire-Betrieb, das Pedal von dem Bremskraftverstärker zu entkoppeln. Hier wird ein zusätzliches Mittel vorgeschlagen, welches bei Ausfall des Bremskraftverstärkers den Leerweg reduziert. Dieses Mittel wirkt nicht, wenn der BKV-Ausfall bereits bei der Teilbremsung auftritt, da hier das Mittel nicht in den kleineren Leerwegspalt eingebracht werden kann. Extrem kritisch ist der Fall bei voller Aussteuerung des Wegsimulators und gleichzeitigem BKV-Ausfall, da hier der Leerweg noch größer ist. Hier kann der Normalfahrer durch zu große Pedalwege oder zu geringen Bremsdruck keine ausreichende Bremswirkung erzeugen, da die ergonomische Grenze ca. 60 Pedalhub beträgt.
In der DE 10 2005 018 649.1 ist ein fortschrittlicheres Wegsimulatorsystem beschrieben, welches keine Mittel zur Leerwegreduzierung aufweist, so dass dabei die ABS-Funktion auf das Pedal zurückwirkt. In der DE 10 2005 059 609.6 ist ein System mit elektromagnetischer Entkopplung beschrieben, das nur wirksam bei der ABS-Funktion oder Rekuperation ist. Hierzu muss ein Vergleich des Wegsimulatorweges mit der Kolbenstellung durchgeführt werden. Bei kleinem Abstand wird die Kopplung von Pedalstößel zur Kolbenbetätigung mit einem Leerweg freigeschaltet. Fällt während einer normalen Bremsung der Bremskraftverstärker BKV aus, so wirkt sich diese Freischaltung nicht negativ aus. Im Extremfall, also bei Ausfall des Bremskraftverstärkers auf Eis, sind ohnehin nur kleine Blockiereindrücke, d. h. Pedalwege, erforderlich, so dass sich in diesem Fall ein zusätzlicher Leerweg nicht nachteilig auswirkt. Dieses System weist nur eine Raststellung auf.
In der DE 10 06059840.7 ist ein System mit adaptiver mehrstufiger Leerwegfreischaltung beschrieben, welches nur den Leerweg nutzt und bei vorwiegend rekuperativer Bremsung und ABS-Funktion im niedrigen Reibwertbereich einschaltet, z. B. Eis. Die Auswirkung des Extremfalles ist wie o. g. Außerdem ist der Betätigungsmagnet nicht mehr beweglich, sondern gehäusefest angeordnet.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, stufenlose, regelbare und fehlersichere Entkopplung zwischen Pedalstößel und Kolben des Hauptbremszylinders oder HZ-Kolbenbetätigung zur Realisierung der Brake-by-wire-Funktionen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird vorteilhaft mit einem Bremssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft ist z. B eine rekuperative Bremsung mit unveränderter Pedalcharakteristik und Reduzierung der Pedalrückwirkung bei Druckmodulation von ABS möglich.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Bremssysteme sind relativ aufwändig, insbesondere in der Montage, und erfordern bei hohem Fertigungsvolumen hohe Investitionen. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass ein Wegsimulator-Bremssystem, welches bei BKV-Ausfall auf einen Tandemhauptzylinder THZ wirkt, immer noch zusätzlich eine Arretierung des WS-Gehäuses benötigt. Hierfür sind elektromechanische und hydraulische Lösungen bekannt. Hier besteht die Aufgabe darin, diese Arretierung in die Gesamtkonstruktion zu integrieren mit minimalen Fertigungs- und Investitionskosten.
Die Lösung sieht vor, bei einem Multiplex-Bremssystem mit Wegsimulator, bei dem gleichzeitig oder nacheinander die Einstellung eines Drucks in den einzelnen Radbremsen erfolgt, im Primärbremskreis zwischen HZ und Schaltventilen mindestens einen Fluidspeicher mit einem vorgeschalteten Magnetventil vorzusehen. Tritt nun der Fall ein, insbesondere bei kleinen Reibbeiwerten, dass bei der Druckmodulation für ABS der Pedalstößel auf den HZ-Kolben oder ein Verbindungsglied trifft oder zu treffen droht, so wird aus dem Bremskreis oder den Bremskreisen Druckmittel in den Speicher eingeführt, damit sich der Kolbenweg verlängert, und ein Zusammentreffen mit dem Pedalstößel und damit die Pedalrückwirkung bei ABS verhindert wird. Wahlweise, insbesondere im ersten Regelzyklus, kann eine kleine Pedalrückwirkung wirken. Für die gute ABS-Druckmodulation sind große Druckgradienten erforderlich, insbesondere beim Multiplex-System. Hierfür wird vorgeschlagen, ein Schaltventil mit großem Querschnitt vor dem Fluidspeicher einzusetzen und bei niedrigem Druckniveau den weiteren Druckabbau durch schnelle Rückbewegung des Kolbens zu erzielen. Hierbei entsteht eine kleine Pedalrückwirkung.
Anschließend wird bei geschlossenen Radbremsventilen durch entsprechende Kolbenbewegung weiteres Druckmittel in die Speicherkammer (SPK) bzw. den Fluidspeicher gefördert, um den notwendigen Abstand von Kolben zu Pedalstößel zu gewährleisten.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, unmittelbar nach dem Druckabbau in den Fluidspeicher anschließend durch Schließen aller Radbremsventile durch den Kolben des HZ den Fluidspeicher weiter zu füllen. Auch hier wird der Abstand von Kolben zu Pedalstößel entsprechend vergrößert und kann variabel gesteuert werden.
Wenn der Abstand von Kolbenstößel zum Pedalstößel zu groß wird, folgt durch entsprechende Kolbensteuerung ein Entleeren des Fluidspeichers in die Bremskreise, damit bei Ausfall des Bremskraftverstärkers bzw. des Antriebs des Hauptbremszylinders nur ein kleiner Leerweg entsteht. Damit ist vorteilhaft eine voll adaptive und stufenlose Leerwegeinstellung zum Pedalstößel möglich.
Bei rekuperativer Bremsung wird abhängig von der Generatorbremswirkung ein bestimmter Druck eingeregelt, indem Druckmittel in den Fluidspeicher eingeführt wird, damit keine Berührung von HZ-Kolben oder Verbindungsglied zum Pedalstößel stattfindet. Die Realisierung der Funktionen durch den Fluidspeicher SPK und dem zugehörigen Magnetventil sind ähnlich zu bekannten Ventilblöcken für bekannte ABS-Systeme und erfolgt durch geringe Modifikation von Standardkomponenten wie Magnetventil und Speicherkammer. Damit entstehen nur kleine Investitionskosten und die Montage erfolgt auf bestehenden Einrichtungen der ABS/ESP-Linie.
Ähnlich erfolgt die Arretierung des Wegsimulatorgehäuses über einen kleinen Kolben mit Zylinder mit Hydraulikleitung zum Ventilblock mit Anschluss an einem Standard-Magnetventil. Bei Bremsbeginn wird das Magnetventil eingeschaltet, so dass die Hydraulikleitung zum Ventilblock/Vorratsbehälter unterbrochen ist und der auf das Wegsimulatorgehäuse wirkende Kolben eine weitere Bewegung des Wegsimulatorgehäuses bei Betätigung des Pedalstößels verhindert. Bei Ausfall des Bremskraftverstärkers BKV oder dessen Antrieb wird die Arretierung abgeschaltet bzw. das Magnetventil nicht bestromt, so dass die Hydraulikleitung zum Vorratsbehälter freigegeben ist, und der Kolben der Arretierungseinrichtung aufgrund der auf ihn vom Wegsimulatorgehäuse wirkenden Kraft zurückweichen kann. Hinsichtlich Kosten gilt dasselbe wie für die o. g. Leerwegschaltung. Alle Komponenten, wie z. B. THZ, Motor mit Antrieb, WS mit Gehäuse, WS-Arretierung, Ventilblock ECU und Sensoren, sind vorteilhaft in einer integrierten Baueinheit zusammengefasst.
Der zur Leerwegeinstellung genutzte Fluidspeicher SPK kann jedoch auch für die aus der WO2009/083216 bekannten Funktionen genutzt werden. Bei dem aus der WO2009/083217 bekannten Bremssystem wird in der Speicherkammer ein bestimmtes Volumen mit ca. 5 bar gespeichert, welches dem Bremskreis bei einem bestimmten Weg des HZ-Kolbens oder Druck eingespeist oder zurückgeführt wird. Der Vorteil liegt insbesondere bei einem Bremssystem mit Wegsimulator darin, dass ein Hauptzylinder mit kleinerem Durchmesser verwendet werden kann, wodurch die erforderlichen Spindelkräfte und das erforderliche Motormoment kleiner werden. Weiterhin kann diese Speicherkammer bei dem Bremssystem gemäß WO2009/083216 für eine Einstellung des Bremslüftspiels genutzt werden, um die Restreibung des Bremsbelages, was ca. 300 W ausmacht, zu beseitigen. Hierzu wird ebenso bei einem Wegsimulatorsystem nach WO2006/111392 der HZ-Kolben ausgesteuert und ein kleines Volumen in der Speicherkammer abgespeichert. Bei anschließendem Zurückfahren der Kolben entsteht ein Unterdruck, der über den Druckgeber gemessen wird. Wenn Unterdruck erreicht ist, steht die anschließende Kolbenbewegung in Relation zur Bewegung des Bremskolbens. Vorzugsweise werden die einzelnen Bremskolben hintereinander auf Lüftspiel eingestellt. Für all die vorbeschriebenen Funktionen kann der für die Einstellung des Leerweges genutzte Fluidspeicher SPK vorteilhaft ebenfalls verwendet werden.
Beim erfindungsgemäßen Bremssystem kann der Fluidspeicher mit seinem zugeordneten 2/2-Wege-Magnetventil somit für folgende Zusatzfunktionen verwendet werden. Diese sind nachfolgend aufgeführt:

a) Nachförderung von Volumen aus dem Fluidspeicher SPK in den Bremskreis bei Fahrzeugen mit großer Volumenaufnahme entsprechend DE 10 2007062839.2 mit dem Vorteil der Verwendung eines kleinen HZ-Kolben-Durchmessers mit kleinen Betätigungskräften. Hierzu wird bereits die SPK vor der Bremsung mit einem kleinen Volumen vorgefüllt und wird dann für die Leerwegfunktion weiter gefüllt.
b) Für die Bremslüftspielsteuerung wird entsprechend der WO2009/083216 ein kleines Volumen im Fluidspeicher gespeichert, bei dem sich zunächst das 2/2-Wege-Magnetventil des Fluidspeichers öffnet und später schließt. Bei der anschließenden Rückstellung des Hauptzylinder-Kolbens kann dann über Unterdruck in den Kolbenkammern nacheinander das Lüftspiel der Bremskolben eingestellt werden, da auch hier der Unterdruck zur Verstellung des Bremskolbens wirkt. Hierzu sind zusätzlich je ein Absperrventil zwischen Vorratsbehälter und Hauptzylinder bzw. Tandem-Hauptzylinder THZ notwendig, damit nicht über die Kolbendichtung Bremsflüssigkeit angesaugt wird.
c) Es kann eine Vorfüllung des Fluidspeichers bei Bremsbetätigung erfolgen. Da die Lüftspieleinstellung ein kleines Zusatzvolumen an Fluid erfordert, kann sich dies unter Umständen negativ bei der anschließenden Bremsbetätigung im Pedalweg bemerkbar machen. Um dies zu vermeiden, kann nach der Lüftspieleinstellung ein entsprechendes kleines Volumen in der Speicherkammer durch entsprechende Kolben- und Schaltventil-Steuerung abgespeichert werden. Dieses wird nach Bremsbeginn bei einer entsprechenden Kolbenstellung nach Schließen des Schnüffellochs in den Hauptzylinder-Kreis eingespeist.
d) Bei rekuperativer Bremsung wird die Speicherkammer ebenfalls genutzt. Damit im Vergleich zur normalen Bremsung dieselbe Pedalcharakteristik gegeben ist, erfolgt ein vom Generatorbremsmoment abhängiger Bremsdruck, der vom Bremsenmanagement entsprechend der vom Fahrer vorgegebenen Bremswirkung bestimmt wird. Hierbei erfolgt eine Drucksteuerung im Bremskreis unter Einschaltung der Speicherkammer, damit keine Berührung von Pedalstößel zum HZ-Kolben oder Verbindungsmittel stattfindet – vorzugsweise mit einem kleinen Leerweg.

Die Speicherkammer hat für die vorgenannten Funktionen somit eine Mehrfachfunktion. Es genügt grundsätzlich ein Fluidspeicher im Primärkreis des Druckstangenkolbens. Es ist jedoch auch möglich, im Sekundärkreis des Schwimmkolbens einen Fluidspeicher mit zugehörigem Speicherventil anzuordnen.
Der eingesetzte Fluidspeicher weist vorteilhaft ein Kolben-Zylinder-System auf, wobei insbesondere ein Fluidspeicherantrieb oder mindestens eine Feder auf den Kolben zu dessen Verstellung wirkt, wobei die Feder den Kolben des Fluidspeichers druckbeaufschlagt, insbesondere vorspannt. So kann in einer möglichen Ausführungsform das in der Bremsleitung befindliche Fluid erst bei einem Druck, der größer als ein voreingestellter oder einstellbarer Druck ist, den Kolben verstellen und somit in die Speicherkammer des Fluidspeichers strömen. Bei Druck Null im Bremskreis kann der Fluidspeicher auch über das Speicherventil voll entleert werden.
Der Fluidspeicher kann mittels Verstellen des Kolbens des Kolben-Zylinder-Systems für die verschiedenen vorgenannten Funktionen im Zusammenwirken mit dem Drucksensor sowie den Ventilen und dem Kolbenantrieb mit Fluid vollständig oder teilweise befüllt oder entleert werden.
Für die vorgeschriebenen Funktionen ist es für die Kolbenbewegung vorteilhaft, einen Schalter, der bei entsprechendem Kolbenweg schaltet, oder aber einen Wegsensor zur Ermittlung der Kolbenstellung des Fluidspeichers einzusetzen. Auch kann ein Drucksensor zur Ermittlung des Drucks im Fluidspeicher vorgesehen werden.
Die Größe des Volumens der Speicherkammer des Fluidspeichers kann vorteilhaft dem für einen μ-Sprung benötigten Fluidvolumen angepasst sein.
Der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bremssystem verwendete Begriff Bremskraftverstärker wird dahingehend verstanden, dass die Steuereinrichtung des Bremssystems mittels des Antriebs des Hauptbremszylinders im Zusammenwirken mit den Radbremsventilen eine geforderte bzw. benötigte Druckänderung im Bremskreis bzw. den Radbremsen erzeugt. Eine Verstärkung der auf das Bremspedal wirkenden Fußkraft erfolgt nicht, da bis auf Ausnahmen im Normalfall ein Leerweg zwischen Betätigungseinrichtung und Kolbenstößel eingestellt/eingeregelt wird.
Die Steuereinrichtung des Bremssystems kann selbstverständlich bei allen möglichen Ausführungsformen neben der ABS-, ESP- und Rekuperationsfunktion auch die übrigen Bremsassistenzfunktionen mitsteuern.
Nachfolgend werden einige mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bremssystems anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: Aufbau des erfindungsgemäßen Bremssystems;
2: Aufbau mit erweiterten Funktionen;
3: zeitlicher Verlauf der verschiedenen Funktionen für die Steuerung des Fluidspeichers SPK;
3a: alternativer Verlauf der verschiedenen Funktionen für die Steuerung des Fluidspeichers SPK;
4: zeitlicher Verlauf zur adaptiven Leerwegsteuerung.
Die 1 zeigt den Grundaufbau des hochdynamischen Motorantriebs 2, welcher den Kolben 3 zur Druckänderung in den Radbremsen RB verfährt, wobei jeder Radbremse RB jeweils ein Radbremsenventil 7 zugeordnet ist, so dass der Bremsdruck in den Radbremsen sequentiell, d. h. im Multiplexbetrieb, eingestellt werden kann. Der Antrieb 2 verstellt den Kolben 3 zudem für ABS/ESP-Funktion. An den E-Motor 2 mit vorzugweise Spindelantrieb 2a ist der Druckstangenkolben 3 vorzugsweise fest gekoppelt, welcher im Tandemhauptzylinder 5 in bekannter Weise hydraulisch auf den Schwimmkolben 4 wirkt. In den Bremsleitungen BL sind 2/2-Wege-Radbremsventile 7 angeordnet, welche zusammen mit dem Bremskraftverstärker den in WO2006/111393 beschriebenen Multiplex-Betrieb ermöglichen. Das Bremspedal 1 wirkt über den Pedalstößel 1a auf eine Wegsimulatorfeder 16, welche im WS-Gehäuse 15 gelagert ist. Dieses ist vorzugsweise in Achsmitte im Gehäuseflansch 33 gelagert.
Der elektromotorische Antrieb kann selbstverständlich auch durch einen Piezoelementeantrieb ersetzt werden.
Dieser Pedalstößel 1a wirkt bei Ausfall des Antriebs bzw. Bremskraftverstärkers BKV direkt auf den Kolbenstößel 25 zur Betätigung der HZ-Kolben 3, 4. Zwischen Spindel 2a und Kolbenstößel 25 ist eine Kupplung 26, welche bei intaktem Motor die Spindel 2a mit dem Kolben 3 verbindet, um einen schnellen Druckaufbau bei niedrigem Druck zu ermöglichen. Die Wegsimulatorfeder 16 ist in dem Wegsimulatorgehäuse 15 gelagert. Die Spindelrückstellung erfolgt über die Feder 31. Im Pedalstößelkolben 1a kann ein Dämpfungselement 32 angeordnet werden, damit ein Stoß bei Auftreffen auf den Stößel 25 reduziert wird. Durch entsprechende Geschwindigkeitsregelung des Kolbens 3 bei Annäherung an den Pedalstößel 1a kann dies auch reduziert werden, da beide Positionen über den Pedalwegsensor 11 und den Drehwinkelsensor 14 des Motors 2 bekannt sind.
Der Pedalweg wird vom Sensor 11 und die Motordrehung über den Sensor 14 erfasst. Der Sensor 14 kann als Winkelsensor, der auch den Kolbenweg erfasst, ausgebildet sein. Der Motorantrieb 2 wirkt in bekannter Weise über die Spindel 2a auf den Kolben 3. Anstelle der Spindel sind auch andere Antriebe denkbar, wie sie beispielhaft in WO2006/111392 beschrieben sind.
Der Pedalwegsensor 11 wird zur BKV-Verstärkung bzw. zum Druckaufbau und Druckabbau verwendet und ist vorzugsweise redundant. Die Funktionen Bremskraftverstärkung und Druckmodulation sind ebenfalls ausführlich in den WO2006/111393 und WO2006/111392 beschrieben.
Neu bei dem erfindungsgemäßen Bremssystem ist, dass der Fluidspeicher 20, den Kolben 9 und die Rückstellfeder 10 aufweisend, über das vorgeschaltete Magnetventil 8 mit der den Hauptzylinder 5 und die Radbremsventile 7 verbindenden Druckleitung BL verbindbar ist. Mittels des Kolbenwegschalters oder Sensors 24 und dem zentralen Drucksensor 12 erledigt der Fluidspeicher 20 verschiedene Funktionen. Nicht gezeichnet ist ein zweiter optionaler Fluidspeicher, der in 2 mit 20' bezeichnet ist, so dass eine Entleerung beider Bremskreise in die Fluidspeicher 20, 20' möglich ist.
Die Feder 10 spannt den Kolben 9 auf einen Wert zwischen 2 bis 4 bar, insbesondere 3 bar, vor. Erfolgt nun der beschriebene größere Druckabbau in den Fluidspeicher 20, 20' für den erforderlichen Leerweg a, so öffnet das Speicherventil 8 und gleichzeitig ein oder mehrere Radbremsventile 7, und das Volumen strömt in die Speicherkammer des Fluidspeichers 20, 20'. Im Detail wird der zeitliche Vorgang anhand der 3 bis 4 erläutert. Die Entleerung kann definiert – wie später erläutert – über das Speicherventil 8 erfolgen. Für die Druckmodulation und auch Fluidspeicher-Steuerung ist ein zentraler Druckgeber 12 eingebaut.
Am Wegsimulatorgehäuse 15 liegt der Stößel 27a des Kolbens 27 mit Unterstützung einer Rückstellfeder 29 an. Der Kolben 27 ist im Zylinder 28 geführt und über eine Zuleitung 30 mit einem 2/2 Magnetventil 13 verbunden. Dieses wird zu Beginn der Bremsung eingeschaltet und arretiert somit das Wegsimulatorgehäuse. Bei Ausfall des Motors 2 wird dieses abgeschaltet, und das Gehäuse bewegt sich mit dem Pedalstößel 1a, der auf die Kolben 3 zur Druckerzeugung wirkt. Die Ausgangsleitung des Magnetventils 13 ist mit dem Vorratsbehälter 6 über den Hauptzylinder 5 verbunden. Der Zylinder 28 ist klein und einfach und macht zusammen mit dem Wegsimulatorgehäuse mit Feder und Pedalstößel mit Lagerung den Aufbau einfach, kostengünstig, leicht und günstig für die Montage. Im Ventilblock sind die restlichen Komponenten untergebracht. Das erfindungsgemäße Bremssystem weist vorteilhaft lediglich sechs Magnetventils 7, 8, 13 und einen Fluidspeicher 20 auf. Im Vergleich dazu benötigt ein herkömmliches ESP-System zwölf Magnetventile, zwei Fluidspeicher sowie eine Pumpe.
Das System hat in der Ausgangsstellung bereits einen kleinen Leerweg a₀ zwischen Pedalstößel 1a und Kolbenstößel 25 bzw. Spindel 2a. Dies ist auch in den zeitlichen Abläufen der 3, 3a und 4 dargestellt. Dieser kleine Leerweg a₀ ist günstig für eine kleine Anfangskraft in der Pedalcharakteristik. Außerdem trifft bei schneller Pedalbetätigung der Pedalstößel nicht unmittelbar auf die Spindel.
Die 2 zeigt den Aufbau mit zwei Fluidspeichern 20, 20' und zusätzlichem Ventil 8' für die Zusatzfunktionen.
Für die Funktion der Nachförderung, wie sie in DE 10 2007062839.2 beschrieben ist, sind vorzugsweise zwei Fluidspeicher 20, 20' günstig. Entsprechend dem Nachfördervolumen von z. B. 2 cm³ ist der Fluidspeicher 20, 20' vor der Bremsung bereits vorgefüllt. Der Kolben 9 ist deshalb in einer Zwischenstellung. Für die Leerwegsteuerung ist eine weitere Volumenaufnahme von ca. 3–4 cm³ notwendig. Dementsprechend ist der Fluidspeicher 20, 20' von seinem Volumen her dimensioniert bzw. bemessen. Die Rückstellfeder 10 ist bei dieser Funktion auf einen Druck von 6 bis 8 bar ausgelegt. Zur schnellen Füllung und Entleerung sind hier Magnetventile 8, 8' mit großem Ventilquerschnitt eingesetzt. Vorzugsweise ist ein Positionsschalter oder Sensor 24 eingesetzt.
Für die Funktion der Bremslüftsteuerung sind noch gegebenenfalls zusätzliche Absperrventile 18 und 19 notwendig.
In den Zuleitungen ZL, die den Vorratsbehälter 6 mit dem Tandemhauptzylinder 5 verbinden, ist jeweils ein Absperrventil 18, 19 angeordnet. Die Absperrung erfolgt, wenn der Kolben 3 für die Bremslüftspielsteuerung ein Vakuum bzw. einen niedrigen Druck erzeugt und somit ein Nachschnüffeln aus dem Vorratsbehälter nicht möglich ist. Alternativ kann dies durch entsprechende Kolbendichtungen und dem Tandemhauptzylinder THZ vermieden werden, so dass die Absperrventile nicht notwendig sind.
Anstelle des Kolbenstößels 25 kann die Kraftübertragung auch auf den Schaft der Spindel 2a erfolgen.
Die 3, 3a und 4 zeigen den zeitlichen Verlauf von Fahrzeuggeschwindigkeit v_F und Radgeschwindigkeit v_R, Raddruck p_R, Kolben s_K und Pedalweg s_P mit den verschiedenen Phasen der Bremsdruckregelung und Leerwegsteuerung. Bei (0) ist Bremsbeginn und bei (1) beginnt der erste Regelzyklus mit Druckabbau in dem Fluidspeicher mit entsprechender Bewegung des Kolbens s_K. Beim Druckabbau p_ab in den Fluidspeicher 20 wird die Kolbenbewegung des Kolbens 3 Null, der Pedalweg s_P kommt verzögert und trifft später auf den ruhenden Kolben 3. Zum Zeitpunkt (3), wenn geringes Druckniveau erreicht ist und der Druckabbaugradient durch die Fluidspeicher-Füllung entsprechend klein wird, erfolgt der weitere Druckabbau über die Kolbenbewegung s_K des Kolbens 3, 4 bis zum Zeitpunkt (4). In dieser Phase erfolgt eine kleine Pedalrückwirkung, die Fluidspeicher-Füllung wird unterbrochen. Anschließend erfolgt eine schnelle Kolbenbewegung des Kolbens 3, 4 und ein entsprechendes Volumen wird in den Fluidspeicher 20 bei geschlossenen Radbremsventilen 7 gefördert. Der Kolbenhub wird so gewählt, dass er deutlich über der Arretierposition des Pedalkolbens PA ist, mit Abstand a. Hierbei können variable – auch im Zeitverlauf – Kolbengeschwindigkeiten verwendet werden.
Der Pedalhub folgt hier verzögert zu Kolbenhub s_K bis zum Pedalstößelanschlag PA, d. h. wenn der Pedalstößel 1a auf das arretierte Wegsimulatorgehäuse 15 auftrifft. Bei (5) soll der nächste Druckaufbau p_auf erfolgen. Mit einer kleinen Verzögerung t_V bewegt sich der Kolben 3 zum gestuften Druckaufbau p_auf. Bei (6) beginnt der nächste Regelzyklus über die schnelle Kolbenbewegung ohne Nutzung des Fluidspeichers 20. Die Druckabbauzeiten t_ab oder Gradienten sind infolge der großen Querschnitte des Magnetventils 8, 8' und die schnelle Kolbenbewegung erheblich schneller als bei konventionellen Systemen, wodurch die Regelabweichung der Radgeschwindigkeit klein wird, was das Ziel jeder Regelung ist, um eine hohe Stabilität und kurze Bremswege zu erreichen.
Die 3a zeigt eine Alternative beim Druckabbau p_ab. Hier erfolgt der Druckabbau p_ab1 nach dem Zeitpunkt (1) nur durch Öffnen des Schaltventils 8 in den Fluidspeicher 20 bis zum Zeitpunkt (4a), wie dies auch bei heutigen ABS/ESP-Systemen der Fall ist, mit dem Unterschied, dass der Fluidspeicher 20 im Primärkreis angeordnet ist, und dass im höheren Druckbereich infolge der größeren Querschnitte der Fluidspeicherventils 8 größere Gradienten erzielt werden. Auch hier steht bei (1) der Kolben 3 still, und der Pedalstößel 1a trifft verzögert auf diesen bzw. den Kolbenstößel 25. Hier dauert die Phase größeren Schlupfes entsprechend länger, so dass bei (5) wieder ein Druckaufbau mit entsprechender Kolben- und Pedalstößelbewegung folgt, letzterer trifft nun auf die Arretierung PA. Es erfolgt ein erneuter Druckabbau p_ab2 bei (6) in den Fluidspeicher 20. Erst im nächsten Regelzyklus ist bei (9) der Kolben 3 in genügendem Abstand zur Pedalstößelanschlag PA, so dass ein schneller Druckabbau p_ab3 über den Kolben 3 erfolgen kann.
Die 4 zeigt eine weitere Alternative zur Druckabbausteuerung p_ab und Leerwegsteuerung. Zwischen den Zeitpunkten (1) und (3) erfolgt wieder der Druckabbau p_ab in den Fluidspeicher 20. Bei (3) erfolgt nun eine Druckhaltephase mittels geschlossener Radbremsventile 7, wobei gleichzeitig der Fluidspeicher weiter gefüllt wird und der Kolben deutlich über den Pedalstößelanschlag PA kommt. Danach erfolgt bei Zeitpunkt (3a) ein weiterer Druckabbau p_ab über die Kolbenverstellung bis zum Zeitpunkt (4). Durch diesen Druckabbau p_ab ist die Zeitdauer des größeren Radschlupfes größer, so dass nach dem Zeitpunkt (5) der gestufte Druckaufbau p_auf erfolgt. Auch hier erfolgt keine Pedalrückwirkung. Zuvor hat der Kolben 3 einen Leerweg von a₁. Bei (6) erfolgt der Druckabbau p_ab für den nächsten Regelzyklus über die schnelle Kolbenverstellung bis zum Zeitpunkt (7). Hier schließt das entsprechende Radbremsventil 7 ggf. mit einem kurzen Stop der Kolbenbewegung. Die Kolbenbewegung wird fortgesetzt mit Entleerung des Fluidspeichers 20 bis zum Zeitpunkt (8) mit einem Leerweg a₂. Hier wird die adaptive Leerwegsteuerung gezeigt, die sowohl den Abstand zum Pedalstößelanschlag PA als auch die Pedalrückwirkung beliebig steuern lässt. Wird der Leerwegabstand a zu groß, entsteht der Nachteil, dass beim Ausfall des Antriebs des Hauptzylinders eine große Pedalwegverlängerung entsteht. Wird zwischenzeitlich z. B. während der ABS-Regelung, eine kleine Pedalwirkung gewünscht, so wird der Leerweg a gegen Null gesteuert, so dass beim nächsten Druckabbau der Kolben 3 den Pedalstößel 1a bewegt. Der Sollabstand a_soll richtet sich nach der Kolbenbewegung zum Druckabbau p_ab. Bei Erreichen eines Speicherkammerdrucks p₀ von 8–10 bar erfolgt der weitere Druckabbau über die Kolbenbewegung des Kolbens 3, um einen höheren Druckgradienten im unteren Druckbereich von ca. ca. 0–1 bar zu erzielen. Das entsprechende Volumen, welches vom Solldruck p₀ ab bis auf 0–1 bar Radzylinderdruck vom Kolben 3 gefördert werden muss, entspricht der maximalen Pedalrückwirkung und gilt für alle Fälle, wo die Kolbenstellung s_K vor dem Pedalanschlag PA liegt. Die Pedalrückwirkung kann nur bei einem Leerweg a gleich Null durch eine Kolbenbewegung oder auch Kolbengeschwindigkeit verändert werden. Auch kann abhängig von der Fahrbahn, Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Außentemperatur der Regler oder auch dem Kunden durch entsprechende Programmierung das beschriebene Verfahren zur Drucksteuerung und Pedalrückwirkung entsprechend der 3, 3a und 4 ausgewählt werden. Bei herkömmlichen Systemen ist der Druckabbau auf p_min ≈ 3–4 bar Speicherdruck entsprechend kleinen Druckgradienten begrenzt, was bei insbesondere Eis und Aquaplaning nachteilig ist.
Zu berücksichtigen ist ferner, dass bei Wegsimulatorsystemen der Kolbenweg s_k größer ist als der Pedalweg s_p, also ein Leerweg a vorgegeben ist. Somit ist bei einer normalen Regelung im hohen Druckbereich ein genügender Leerweg vorhanden, so dass die Ansteuerung des Fluidspeichers nicht notwendig ist, ausgenommen bei einem μ-Sprung, bei dem eine große Druckänderung notwendig ist.
Die Verwendung des Fluidspeichers zum Druckabbau bzw. Druckaufbau bietet sich vorwiegend bei größeren Druckänderungen bei der ABS-Regelung auch insbesondere bei niedrigem Reibbeiwert an, bei der der Abstand von Kolben zum Pedalstößel klein ist. Das Magnetventil soll mit einem großen Querschnitt und mit kurzen Schaltzeiten, insbesondere kurzer Schließzeit, ausgebildet sein. Bei großen Durchflussmengen führt dies jedoch zu starken Druckschwingungen. Es ist hier vorteilhaft, das Magnetventil 8 mit einer Hubregelung über z. B. PWM zu betreiben, damit hier der Schließvorgang über eine entsprechende Querschnittsänderung gesteuert wird.
Der Fluidspeicher ist über die Volumenverdrängung der HZ-Kolben und den Druckgeber sowohl im Ansprechdruck als auch im Aufnahmevolumen oder im gespeicherten Volumen für die Nachförderung in den Bremskreis diagnostizierbar. Dasselbe gilt auch für die Dichtheit und dem Ventilquerschnitt des Schaltventils 8. In diesem Zusammenhang wird auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2007062839 verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Bremspedal
1a: Pedalstößel
2: Motorantrieb
2a: Spindel
3: Druckstangenkolben DK
4: Schwimmkolben
5: Bremszylinder HZ
6: Vorratsbehälter
7: Radbremsventile
8: Magnetventil für Fluidspeicher
9: Kolben
10: Rückstellfeder
11: Pedalwegsensor
12: Drucksensor
13: Magnetventil zur Arretierung von Kolben 27
14: Inkrementalgeber Motor/Drehwinkelsensor
15: Wegsimulatorgehäuse
16: Wegsimulatorfeder
17
18: Absperrventil
19: Absperrventil
20: Fluidspeicher/Speicherkammer
21
22: Bremskreis
23
24: Kolbensensor
25: Kolbenstößel
26: Kupplung
27: Arretierkolben
27a: Stößel des Kolbens 27
28: Zylinder
29: Rückstellfeder
30: hydraulische Leitung
31: Spindelrückstellfeder
32: Dämpfungselement
33: Gehäuseflansch
BL: Bremsleitung
ZL: Zufuhrleitung
RB: Radbremse
vR: Radgeschwindigkeit
vF: Fahrzeuggeschwindigkeit
pR: Raddruck
SP: Pedalweg
sK: Kolbenhub DK
Δsp-red: reduzierter Pedalhub mit SPK
tV: Verzögerungszeit für Druckaufbau
a: Abstand Kolben zu Pedalstößel
tab: Druckabbauzeit
PA: Pedalstößelarretierung
p0: Speicherkammerdruck bei Umschaltung auf Kolbensteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/005095 A1 [0003]
DE 102005018649 [0004]
DE 102005059609 [0004]
DE 1006059840 [0005]
WO 2009/083216 [0015, 0015, 0016]
WO 2009/083217 [0015]
DE 102007062839 [0016, 0041, 0051]
WO 2006/111393 [0031, 0035]
WO 2006/111392 [0034, 0035]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Elektrohydraulische Bremse (EHB)” im Bremsenhandbuch 2. Auflage, Vieweg Verlag, S. 251 und 252 [0002]

Claims

Bremssystem für ein Kraftfahrzeug, – einen Hauptbremszylinder (4, 5) aufweisend, der von einem elektrischem Antrieb angetrieben ist, wobei ein Kolbenstößel (25) und/oder eine Spindel (2a) mit einem Kolben (3) des Hauptbremszylinders (4, 5) in Wirkverbindung ist, – Radbremsenventile (7) zum wahlweisen Öffnen und Verschließen der die Radbremsen (RB) mit dem Hauptbremszylinder (4, 5) verbindenden Druckleitungen (DL) aufweisend, – eine Betätigungseinrichtung (1) aufweisend, insbesondere in Form eines Bremspedals, welche auf einen Wegsimulator (W) wirkt, – wobei im Störungsfall, insbesondere bei Ausfall des Antriebs (2), die Betätigungseinrichtung (1) mechanisch, insbesondere mit dem Pedalstößel (1a), auf den Kolbenstößel (25) zum Druckaufbau in mindestens einer Radbremse wirkt, und im Normalbetrieb ein insbesondere kleiner Leerweg (a₀) zwischen dem Kolbenstößel (25) und der Betätigungseinrichtung, insbesondere zwischen dem Kolbenstößel (25) und dem Pedalstößel (1a), besteht, – eine Steuereinrichtung mit Brake-by-Wire-Funktion aufweisend, die den Antrieb (2) mit Kolben (3) sowie die Radbremsventile (7) insbesondere zum wahlweise gleichzeitigen oder nacheinander erfolgenden Druckaufbau und Druckabbau in den Radbremsen (RB) für die ABS-, ESP-, und Rekuperation-Funktion ansteuert, – wobei mindestens einer Radbremse (RB) oder mindestens einem Bremskreis ein Fluidspeicher (20, 20') zugeordnet ist, dessen Speicherkammer über ein schaltbares Speicherventil (8) mit einer Druckleitung (BL') wahlweise verbindbar ist, wobei die Druckleitung (BL') einen Arbeitsraum (A₁, A₂) des Kolben-Zylinder-Systems (5) und mindestens ein Radbremsenventil (7) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidspeicher (20, 20') zur Einstellung der Größe des Leerweges (a) dient.
Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung bei aktiver ABS-Funktion, ESP-Funktion und/oder Rekuperations-Funktion die Speicherkammer des Fluidspeichers (20, 20') zur Auf- und Abgabe von Fluid aus bzw. in den Bremskreis nutzt, wobei sich der Leerweg (a) bei der Aufnahme von Fluid in die Speicherkammer vergrößert und bei der Abgabe von Fluid in den Bremskreis sich der Leerweg (a) verkleinert.
Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidspeicher (20, 20') insbesondere im Druckkolbenkreis angeordnet ist und das Befüllen und Entleeren des Fluidspeichers (20, 20'), insbesondere auch zur Einstellung eines Bremsbelaglüftspiels in einer Radbremse (RB) sowie zum Nachfüllen des Bremskreises mit Fluid, mittels der Schaltventile (7) und dem Speicherventil (8) sowie mittels entsprechender Ansteuerung des Kolbenantriebs (2) erfolgt.
Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ABS-, ESP- und/oder Rekuperation-Funktion der Druckabbau in einer Radbremse (RB) entweder a) allein mittels des der jeweiligen Radbremse (RB) zugeordnetem und geöffnetem Speicherventils (8) erfolgt und das Fluid aus dem Bremskreis nur in den Fluidspeicher (20, 20') strömt (3a) oder b) durch insbesondere zusätzliche Verstellung des Kolbens (3, 4) des Kolben-Zylinder-Systems (5) im unteren Druckbereich, insbesondere bei einem Druck kleiner 10 bar, bei gleichzeitig geschlossenem Speicherventil (8) erfolgt (3), oder c) durch alleinige Verstellung des Kolbens (3, 4) des Kolben-Zylinder-Systems (5) bei gleichzeitig geschlossenem Speicherventil (8) erfolgt (3, Zeitpunkt (6), oder d) zunächst durch Füllung des Fluidspeichers (20, 20') in der ersten Stufe und anschließend in einer zweiten Stufe durch die Kolbenbewegung des Hauptzylinders (4, 5) ein weiterer Druckabbau erfolgt, wobei zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe eine Unterbrechung des Druckabbaus P_ab erfolgt, während derer der Fluidspeicher (20, 20') weiter gefüllt wird, damit der Leerweg (a) vergrößert wird.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor den Fluiddruck in der Speicherkammer des Fluidspeichers, insbesondere zur Drucksteuerung und Diagnose, oder in einem Bremskreis oder ein Sensor (24) die Kolbenverstellung des Kolbens des Fluidspeichers (20, 20') ermittelt.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung für die Verstellung des Kolbens (3, 4) des Kolben-Zylinder-Systems (5) die Druck-Volumen-Kennlinien der einzelnen Radbremsen (RB) berücksichtigt, und insbesondere diese ermittelt.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mittels des Kolbenantriebs (2) einen variablen Druckgradienten im Bremskreis oder die Kolbengeschwindigkeit zur Pedalrückwirkung einregelt bzw. -steuert.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegsimulatorgehäuse (15) sich an einem Kolben (27) eines Kolbenzylindersystems (27, 28, 29) abstützt, und der Arbeitsraum des Kolbenzylindersystems (27, 28, 29) mittels eines, insbesondere im oder am Ventilblock angeordnetem, Absperrventils (13) zur Arretierung des Wegsimulatorgehäuses (15) absperrbar ist.
Bremssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbremszylinder (4, 5), der Antrieb (2), der insbesondere koaxial zum Hauptbremszylinder (4, 5) angeordnete Wegsimulator (W), das das Wegsimulatorgehäuse (15) arretierende Kolbenzylindersystem (27, 28, 29), zusammen mit allen Schaltventilen, Speicherkammer mit Sensoren und Druckgeber im Ventilblock als eine Baueinheit zusammengefasst sind.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidspeicher (20, 20') bei entsprechender Ansteuerung der Schaltventile (7) und des Speicherventils (8) gefüllt wird und das im Fluidspeicher (20, 20') gespeicherte Fluidvolumen bei Bremsbeginn in den Bremskreis eingespeist wird, wobei insbesondere das Schnüffelloch bzw. die Schnüffellöcher des Hauptzylinders (5) durch den bzw. die Kolben (3, 4) geschlossen ist bzw. sind.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremssystem in einem Fahrzeug mit vollem oder teilweisen elektrischem Antrieb angeordnet ist, wobei die Pedalcharakteristik von Kraft und Weg des Bremspedals bei Wirken eines Generatorbremsmoments (Rekuperation) durch Befüllen des Fluidspeichers (20, 20') und der variablen Verstärkung über den Antrieb (2) bestimmt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei rekuperativer Bremsung oder ähnlicher Brake-by-wire-Funktion zur Erreichung einer optimalen Pedalcharakteristik der vom Bremsmanagement bestimmte Druck durch Füllung des Fluidspeichers (20, 20') und Drucksteuerung im Bremskreis erfolgt, damit ein bestimmter Leerweg (a) entsteht.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegsimulatorgehäuse (15) bei jeder Bremsung durch Schließen des Absperrventils (13) arretiert wird und im Störungsfall das Absperrventil (13) geöffnet bleibt.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Leerweges (a) variabel und adaptiv erfolgt, wobei ein Leerweg a gleich Null eine Rückwirkung des Kolbenstößels (25) auf die Betätigungseinrichtung (1) bewirkt.
Verfahren zum Betrieb eines Bremssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil (8) einen großen Ventilquerschnitt aufweist, wobei mittels einer Hubsteuerung des Ventils (8), insbesondere mittels PWM-Verfahren, die Schließcharakteristik des Ventils (8) derart beinflussbar ist, dass keine zu großen Druckschwingungen im Bremskreis entstehen.