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Die Erfindung bezieht sich auf einen pneumatischen Pedalsimulator mit einem Zylinder und einen in dem Zylinder gleitbewegbar angeordneten Kolben, der mit einem Betätigungsorgan wie beispielsweise einem Bremspedal einer Fahrzeugbremsanlage koppelbar ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine mit einem solchen pneumatischen Pedalsimulator ausgestattete Fahrzeugbremsanlage.
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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.
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Herkömmliche Pedalsimulatoren arbeiten in der Regel mit einem hydraulischen, im Wesentlichen inkompressiblen Medium. Pneumatischer Pedalsimulatoren verwenden als Arbeitsmedium hingegen kompressibles Gas, beispielsweise Luft.
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Ein pneumatischer Pedalsimulator ist aus beispielsweise aus der
DE 10 2006 030 846 A1 bekannt. Die zugehörige Fahrzeugbremsanlage ist dabei als Brake-by-wire System ausgebildet, so dass eine mechanische Rückfallebene, die es dem Fahrer ermöglichen würde, die von diesem physisch aufgebrachte Betätigungskraft mechanisch an die Radbremsen zu übertragen, nicht zur Verfügung steht. Der Pedalsimulator ist als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet. Zwischen dem Kolben und dem Zylinder befindet sich eine Dichtung, die in Abhängigkeit des Drucks in der Kompressionskammer oder aber in Abhängigkeit einer Relativstellung zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein Entweichen von Luft aus der Kompressionskammer an die Außenumgebung ermöglicht, bei einem höheren Druck bzw. nach einem bestimmten Verschiebeweg hingegen absperrt. Ferner weist der Zylinder eine zweite Öffnung auf, die vom Kolben unbeeinträchtigt stets eine Verbindung zur Außenumgebung ermöglicht. Diese zweite Öffnung ist als Drosselöffnung ausgeführt. Durch Abstimmung der Öffnungsquerschnitte kann eine von der Geschwindigkeit der Bremspedalbetätigung abhängige Kraft-Weg-Kennlinie eingestellt werden. In der
DE 10 2006 030 846 A1 wird weiterhin vorgeschlagen; die zweite Öffnung mit einem kontinuierlich verstellbaren Verschlusselement wie zum Beispiel einer Blende oder dergleichen zu versehen, um einen variablen Öffnungsquerschnitt zur Außenumgebung zu ermöglichen. Insbesondere kann die Öffnungsweite des Verschlusselements in Abhängigkeit der Signale eines Kraftsensors und/oder eines Linearmessensors, der die Stellung des Kolbens erfasst, gesteuert werden. Dies dient dazu, eine geregelte Drosselwirkung zur Kennlinienvariation zu ermöglichen.
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Ein weiterer pneumatischer Pedalsimulator wird in der
DE 197 57 996 A1 offenbart. Die Fahrzeugbremsanlage ist wiederum ein Brake-by-wire System, während der Pedalsimulator als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Zur Bereitstellung einer nicht-linearen, progressiven Reaktionskraft durch den Pedalsimulator ist am Zylinder eine Drosselöffnung vorgesehen, die in einer ersten Stellung des Kolbens eine Verbindung der Kompressionskammer mit der Außenumgebung bereitstellt, welche nach einem bestimmten Verschiebeweg des Kolbens jedoch unterbrochen wird, so dass bei einem weitergehenden Verschieben des Kolbens das in der Kompressionskammer verbleibende Volumen immer komprimiert wird. Hierdurch wird ein zunächst weiches Ansprechen des Bremspedals ermöglicht, da Luft aus der Kompressionskammer über die Drosselöffnung entweichen kann. Mit zunehmendem Verschiebeweg des Kolbens und dementsprechend zunehmender Bremspedalbetätigung steigt die Reaktionskraft progressiv an, da ein Entweichen von Luft über die Drosselöffnungen nicht mehr möglich ist. Der Kolben kann dabei über die Drosselöffnung hinaus bewegt werden, wodurch an die Kolbenrückseite Atmosphärendruck gelangen kann. Bei einer Zurückbewegung wird das Volumen an der Kolbenrückseite eingeschlossen und bildet ein Druckpolster, das mit der Rückstellkraft einer Rückstellfeder eine Gleichgewichtslage bildet, welche der Ausgangsstellung des Kolbens bei unbetätigtem Bremspedal entspricht.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen pneumatischen Pedalsimulator zu schaffen, der es in einer Notsituation gestattet, eine vom Fahrer aufgebrachte Betätigungskraft mechanisch vom Bremspedal an die Radbremsen zu übertragen und überdies kompakt baut.
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Diese Aufgabe wird durch einen pneumatischen Pedalsimulator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Pedalsimulator umfasst einen Zylinder und einen in dem Zylinder gleitbewegbar angeordneten Kolben, der mit einem Betätigungsorgan koppelbar ist. Er zeichnet sich dadurch aus, dass der Zylinder einen nach außen abgedichteten Innenraum aufweist und der Kolben den Innenraum in eine Kompressionskammer und eine Unterdruckkammer unterteilt, dass ein Überströmkanal zur Verbindung der Kompressionskammer mit der Unterdruckkammer vorgesehen ist, und in dem Überströmkanal eine Schaltventileinrichtung angeordnet ist, wobei in einer ersten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung der Überströmkanal abgesperrt ist, um ein Durchströmen von der Kompressionskammer in Richtung der Unterdruckkammer zu unterbinden, und in einer zweiten Schaltstellung die Kompressionskammer mit der Unterdruckkammer über den Überströmkanal verbunden ist.
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Dies ermöglicht die Kombination eines pneumatischen Pedalsimulators mit einer Fahrzeugbremsanlage mit mechanischer Rückfallebene. Im normalen Fahrbetrieb wird durch Schließen der Schaltventileinrichtung der Pedalsimulator aktiviert. Bei einer Bremspedalbetätigung wird das Gasvolumen in der Kompressionskammer komprimiert und wirkt damit einem Niederdrücken des Bremspedals in gewohnter Weise entgegen. Gleichzeitig wird in der Unterdruckkammer durch die Kolbenbewegung einen Unterdruck erzeugt, der ebenfalls dem Niederdrücken des Bremspedals entgegenwirkt. Im Vergleich zu herkömmlichen pneumatischen Pedalsimulatoren kann die wirksame Kolbenfläche vermindert werden, da die auf den Kolben einwirkende Druckdifferenz größer ist. Hierdurch wird eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
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Kommt es zu einer Störung, wird bei geöffneter Schaltventileinrichtung der Pedalsimulator überbrückt. Das Volumen in der Kompressionskammer kann dabei ungehindert zur Unterdruckkammer abströmen, so dass die auf den Kolben einwirkende Druckdifferenz minimal wird, wodurch bei deaktiviertem Pedalsimulator der Betätigungskraft des Fahrers am Bremspedal kein merklicher Widerstand entgegenwirkt. Hierdurch kann die Betätigungskraft des Fahrers zur mechanischen Erzeugung einer Bremskraft weitestgehend verlustfrei ausgenutzt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.
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Vorzugsweise ist die Schaltventileinrichtung im stromlosen Zustand offen, wodurch die Kompressionskammer mit der Unterdruckkammer in Verbindung steht. Bei einer Störung steht dem Fahrer hierdurch automatisch die mechanische Rückfallebene zur Bremsbetätigung zur Verfügung.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Kolben durch eine Rückstellfedereinrichtung in eine Ausgangsstellung gedrückt. Ferner ist der Kolben mittels eines Betätigungsorgans gegenüber dieser Ausgangsstellung durch Verminderung des Volumens der Kompressionskammer und gleichzeitige Vergrößerung des Volumens der Unterdruckkammer entgegen einer Rückstellkraft der Rückstellfedereinrichtung verlagerbar. Durch das Vorsehen einer solchen Rückstellfedereinrichtung wird gewährleistet, dass der Kolben und damit das Bremspedal bei Beendigung einer Bremspedalbetätigung schnell und zuverlässig in die Ausgangsstellung zurückkehren. Zudem lässt sich über eine Rückstellfedereinrichtung bei kleinen Pedalwegen das Pedalgefühl besser einstellen.
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Um bei kleinen Pedalwegen den Effekt eines anfänglich geringen Pedalkraftanstiegs zu erzielen, kann ein Sekundärkanal vorgesehen werden, der den Innenraum, welcher den Kolben aufnimmt, mit dem Überströmkanal verbindet. Dabei zweigt der Sekundärkanal in Bezug auf einen Kolbenweg des Pedalsimulators zwischen den Anschlüssen des Überströmkanals von dem Innenraum des Zylinders ab und mündet in einen Zweig des Überströmkanals zwischen der Schaltventileinrichtung und der Unterdruckkammer. Bei einer Bewegung des Kolbens aus seiner Ausgangsstellung wird Gas aus der Kompressionskammer über diesen Sekundärkanal in die Unterdruckkammer geleitet, so dass an Kolbenvorder- und -rückseite in etwa ein Druckgleichgewicht besteht und ein Pedalgefühl im wesentlichen durch andere Rückstelleinrichtungen eingestellt werden kann. Wird der Kolben über die Abzweigung des Sekundärkanal hinaus verschoben, wird das Gasvolumen in der Kompressionskammer komprimiert, während in der Unterdruckkammer einen Unterdruck aufgebaut wird, so dass die der Bremspedalbetätigung entgegenwirkende Kraft ansteigt.
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Die Funktion des Sekundärkanals kann alternativ auch durch eine gezielte Ansteuerung der Schaltventileinrichtung erzeugt werden, indem letzterer zu Beginn einer Bewegung des Kolbens aus dessen Ausgangsstellung heraus die Schaltventileinrichtung offen gehalten wird, so dass Gas aus der Kompressionskammer in die Unterdruckkammer strömen kann. Auch hierdurch lässt sich für einen definierten Kolbenweg die Gasfederwirkung der Kompressionskammer sowie der Widerstand der Unterdruckkammer ausschalten. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist hierzu ein Sensor vorgesehen, der die Stellung des Kolbens in dem Zylinder mittelbar oder unmittelbar erfasst. Die Schaltventileinrichtung ist dabei in Abhängigkeit der erfassten Stellung des Kolbens derart angesteuert, dass diese in einem aktiven Betriebsmodus des Pedalsimulators von der Ausgangsstellung des Kolbens bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert des Kolbenwegs offen, darüber jedoch geschlossen ist. Durch die Vermeidung eines Sekundärkanals lässt sich eine gute Dichtung des Kolbens gegen die Innenwand des zugehörigen Zylinders erzielen. Der Sensor kann beispielsweise ein Kolbenwegsensor zur unmittelbaren Erfassung der Kolbenstellung oder ein Pedalwinkelsensor zur mittelbaren Erfassung der Kolbenstellung sein.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schwellenwert für das Öffnen und Schließen der Schaltventileinrichtung von der Bewegungsrichtung des Kolbens abhängig, und zwar derart, dass bei zunehmendem Kolbenweg die Schaltventileinrichtung bei einem größeren Schwellenwert schließt als diese bei abnehmendem Kolbenweg öffnet. Durch eine solche Hysterese lassen sich Pendelschaltungen der Schaltventileinrichtung bei Kolbenwegen in der Größenordnung des Schwellenwerts reduzieren.
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In einer einfachen Ausführungsvariante ist die Schaltventileinrichtung ein 2/2-Wegeventil. Das Ventil kann beispielsweise als elektrisches Magnetventil ausgeführt sein. Ein solches lässt sich platzsparend einbauen und ermöglicht ein hinreichend schnelles Öffnen und Schließen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist die Schaltventileinrichtung 2/3-Wegeventil, welches in der zweiten Schaltstellung die Kompressionskammer und die Unterdruckkammer untereinander sowie mit der Außenumgebung verbindet. Damit kann beispielsweise in einem ungebremsten Zustand der Luftdruck im gesamten Pedalsimulator an den Umgebungsdruck und die geometrische Höhenlage des Fahrzeugs angepasst werden. Die Schaltventileinrichtung kann insbesondere so betrieben werden, dass diese lediglich während einer Bremsbetätigung geschlossen wird, so dass über diese ein Gasaustausch mit der Außenumgebung möglich ist. Eine Alterung des Kompressionsmediums wird hierdurch vermieden. Bei einem Ausfall der Stromversorgung, der bei einer Fahrzeugbremsanlage mit elektromechanischem Bremskrafterzeuger zu einem Ausfall desselben führen würde, steht automatisch die mechanische Rückfallebene zur Verfügung.
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Der vorstehend erläuterte Pedalsimulator kommt, wie bereits angedeutet, vorzugsweise bei Fahrzeugbremsanlagen zum Einsatz, welche ferner ein Bremspedal, Radbremsen und eine Kraftübertragungseinrichtung zur mechanischen Kopplung des Bremspedals mit den Radbremsen umfassen. Der pneumatische Pedalsimulator ist dabei mit dem Bremspedal gekoppelt. Die die Fahrzeugbremsanlage weist einen ersten Betriebsmodus mit aktiviertem Pedalsimulator auf, in dem das Bremspedal mit dem Pedalsimulator zusammenwirkt und von der Kraftübertragungseinrichtung entkoppelt ist, sowie einen zweiten Betriebsmodus, in dem das Bremspedal mit der Kraftübertragungseinrichtung mechanisch gekoppelt und der pneumatische Pedalsimulator deaktiviert ist, wobei für den ersten Betriebsmodus die Schaltventileinrichtung zumindest temporär die erste Schaltstellung einnimmt, für den zweiten Betriebsmodus hingegen die zweite Schaltstellung einnimmt.
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Vorzugsweise verbindet die Schaltventileinrichtung in der zweiten Schaltstellung die Kompressionskammer und die Unterdruckkammer untereinander sowie mit der Außenumgebung. Der erste Betriebsmodus kann dabei derart konfiguriert sein, dass bei in Ausgangsstellung befindlichem Kolben die Schaltventileinrichtung zumindest zeitweilig in die zweite Schaltstellung schaltet. Dies ermöglicht die vorstehend bereits erwähnte Anpassung des Drucks im Pedalsimulator an den Umgebungsluftdruck und damit an die topologische Höhenlage automatisch und fortlaufend während des Betriebs der Fahrzeugbremsanlage zwischen aufeinanderfolgenden Bremsbetätigungen. Insbesondere kann hierdurch auch ein temperaturbedingter Druckanstieg im Pedalsimulator kompensiert werden.
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Ferner kann ein pneumatischer Pedalsimulator der vorstehend erläuterten Art ein Sollwertgeber einer Brake-by-wire Fahrzeugbremsanlage sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Ansicht einer Fahrzeugbremsanlage mit einem pneumatischen Pedalsimulator nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei der Pedalsimulator in seiner Ausgangsstellung dargestellt ist,
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2 einen pneumatischen Pedalsimulator nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen pneumatischen Pedalsimulator nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 eine schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugbremsanlage mit pneumatischem Pedalsimulator,
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5 eine schematische Ansicht einer dritten Fahrzeugbremsanlage mit pneumatischem Pedalsimulator, und in
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6 eine schematische Ansicht einer weiteren Fahrzeugbremsanlage nach einem vierten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Pedalsimulator als Sollwertgeber für ein Brake-by-wire System dient.
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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.
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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.
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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.
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Bei der dargestellten Fahrzeugbremsanlage dient das Bremspedal 3 im Normalbetrieb lediglich als Signalgeber. Die vom Fahrer erzeugte Betätigungskraft F wird dazu genutzt, um 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 Falle eines intakten Bremskrafterzeugers 2 nicht gegeben. Anstelle des dargestellten elektromechanischen Bremskrafterzeugers 2 können auch andere elektromechanische Bremskrafterzeuger oder aber auch hydraulische oder pneumatische Bremskrafterzeuger verwendet werden.
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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 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.
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Der Pedalsimulator 11 des Ausführungsbeispiels kann prinzipiell 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 Spalt s 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.
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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.
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1 zeigt den Pedalsimulator 11 in seiner Ausgangsstellung, bei der die Betätigungskraft F am Bremspedal 3 null ist. Der Pedalsimulator 11 umfasst einen Zylinder 15 mit einem zur Außenumgebung abgedichteten Innenraum, in dem ein Kolben 16 gleitbewegbar geführt ist. Der Kolben 16 dichtet dabei gegen eine radiale Innenwand des Innenraums ab und unterteilt diesen in eine Kompressionskammer 17 sowie eine Unterdruckkammer 18. An einer Kolbenvorderseite liegt damit der Gasdruck der Kompressionskammer 16 an, während eine Kolbenrückseite durch den Gasdruck der Unterdruckkammer 18 beaufschlagt ist. Der Kolben 16 ist über eine Kopplungseinrichtung 19 mit dem Bremspedal 3 verbunden, wodurch ermöglicht wird, bei einer Bremspedalbetätigung das Raumvolumen der Kompressionskammer 17 zu verringern und damit deren Inhalt zu verdichten. Parallel hierzu kann in der Unterdruckkammer 18 durch Expansion des Raumvolumens derselben ein Unterdruck aufgebaut werden. Die Kopplung kann beispielsweise mittels eines Gestänges erfolgen. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels ist es jedoch auch möglich, die Bremspedalbetätigung hydraulisch auf den Kolben 16 zu übertragen, beispielsweise bei Fahrzeugbremsanlagen, bei denen das Bremspedal 3 mechanisch auf einen Hauptbremszylinder 4 durchgeschaltet ist.
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Unter einem Kolben 16 wird vorliegend auch eine Membran verstanden, welche bei einer Verminderung des Raumvolumens der Kompressionskammer 17 gleichzeitig eine Vergrößerung des Raumvolumens der Unterdruckkammer 18 ermöglicht. Eine solche Membran kann beispielsweise aus elastischem Kunststoff, Gummi oder Kautschuk hergestellt und geeignet verstärkt sein, um einen Anschluss der Kopplungseinrichtung 19 zu gestatten.
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Erfindungsgemäß ist zur Verbindung der Kompressionskammer 17 mit der Unterdruckkammer 18 ein Überströmkanal 20 vorgesehen. Die Mündungen des Überströmkanals 20 in den Innenraum des Zylinders sind dabei so angeordnet; dass in jeder möglichen Betriebsstellung des Kolbens 16 stets eine Mündung mit der Kompressionskammer 17 und eine Mündung mit der Unterdruckkammer 18 kommuniziert.
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In dem Überströmkanal 20 ist eine Schaltventileinrichtung 21 angeordnet, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Form eines 2/2-Wegeventils dargestellt ist. Jedoch sind auch andere Ventilkonfigurationen möglich. Die Schaltventileinrichtung 21 ist dabei derart ausgebildet, dass in einer ersten Schaltstellung derselben der Überströmkanal 20 abgesperrt ist. Hierdurch wird ein Durchströmen von Gas aus der Kompressionskammer 17 in Richtung der Unterdruckkammer 18 unterbunden. In einer zweiten Schaltstellung der Schaltventileinrichtung 21, die in 1 dargestellt ist, ist die Kompressionskammer 17 hingegen mit der Unterdruckkammer 18 über den Überströmkanal 20 verbunden, so dass ein schneller Druckausgleich zwischen Kompressionskammer 17 und Unterdruckkammer 18 bzw. Kolbenvorderseite und Kolbenrückseite erfolgen kann.
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Die Schaltventileinrichtung 21 ist im stromlosen Zustand offen und wird durch Bestromen geschlossen. Eine Absperrung der Kammern 17 und 18 gegeneinander ist somit lediglich im bestromten Zustand der Schaltventileinrichtung 21 gegeben. Im stromlosen Zustand kommunizieren diese Kammern miteinander. Dies hat bei einem Pedalsimulator 11 den Vorteil, dass bei einer Störung der Fahrzeugelektrik der Pedalsimulator 11 automatisch deaktiviert wird, das heißt einer Betätigung des Bremspedals 3 keinen großen Widerstand entgegensetzt. Unter Umständen kann jedoch auch in einer solchen Situation ein gewisser Restwiderstand gewünscht sein, um zu vermeiden, dass der Fahrer bei einer Betätigung der Bremse das Gefühl hat, ins Leere zu treten, bevor die mechanische Rückfallebene nach Überwindung des Spalts s durchgreift.
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Der Pedalsimulator 11 umfasst weiterhin eine Rückstellfedereinrichtung 22, über die der Kolben 16 in eine Ausgangsstellung gedrückt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rückstellfedereinrichtung 22 platzsparend in der Kompressionskammer 17 angeordnet und beispielhaft als Zylinderfeder dargestellt, die sich mit einem Ende an dem Zylinder 15 und mit dem gegenüberliegenden Ende an der Kolbenvorderseite abstützt. Alternativ oder ergänzend können entsprechende Federelemente auch an anderer Stelle, beispielsweise zwischen dem Bremspedal 3 und einer Außenseite des Zylinders 15 und/oder einem sonstigen ortsfesten Punkt am Fahrzeugaufbau vorgesehen sein.
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Wird der Kolben 16 bei geschlossener Schaltventileinrichtung 21 infolge einer Bremspedalbetätigung aus seiner Ausgangsstellung bewegt, so erfolgt diese Bewegung gegen den ansteigenden Druck in der Kompressionskammer 17, den abfallenden Druck in der Unterdruckkammer 18 sowie gegen die Rückstellkraft der Rückstellfedereinrichtung 22. Für den Fahrer ist die Summe dieser Gegenkräfte am Bremspedal 3 spürbar. Durch Abstimmung dieser Gegenkräfte untereinander lässt sich ein gewünschter Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie des Pedalsimulators 11 flexibel einstellen.
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Bei dem in 1 dargestellten, ersten Ausführungsbeispiel ist weiterhin ein Sekundärkanal 23 vorgesehen, der den Innenraum des Zylinders 15 mit dem Überströmkanal 20 verbindet. Der Sekundärkanal 23 zweigt dabei in Bezug auf einen Weg des Kolbens 16 innerhalb des Innenraums zwischen den Anschlüssen des Überströmkanals 20 von dem Innenraum ab und mündet in einen Zweig des Überströmkanals 20 zwischen der Schaltventileinrichtung 21 und der Unterdruckkammer 18. Hierdurch steigt der Widerstand des Pedalsimulators 11 im Bereich kleiner Kolbenwege lediglich durch die von der Rückstellfedereinrichtung 22 verursachte Gegenkraft an, da in der Kompressionskammer 17 befindliches Gas über den Sekundärkanal 23 und den Überströmkanal 20 in die Unterdruckkammer 18 verdrängt wird. Deckt der Kolben 16 bei weiter zunehmendem Kolbenweg die Abzweigung des Sekundärkanals 23 ab, baut sich in der Kompressionskammer 17 ein Überdruck auf. Gleichzeitig kann in die Unterdruckkammer 18 kein Gas nachströmen, so dass sich dort ein Unterdruck aufbaut. Der Überdruck in der Kompressionskammer 17, der Unterdruck in der Unterdruckkammer 18 sowie die Kraft der Rückstellfedereinrichtung 22 führen zu einer ansteigenden Gegenkraft am Kolben 16, welche über die Kopplungseinrichtung 19 am Bremspedal 3 anliegt.
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Die vorstehend erläuterte Fahrzeugbremsanlage weist somit einen ersten Betriebsmodus mit aktiviertem Pedalsimulator 11 auf, in dem das Bremspedal 3 mit dem Pedalsimulator 11 zusammenwirkt und von der Kraftübertragungseinrichtung entkoppelt ist, sowie einen zweiten Betriebsmodus, in dem das Bremspedal 3 mit der Kraftübertragungseinrichtung mechanisch gekoppelt und der pneumatische Pedalsimulator 11 deaktiviert ist. Im ersten Betriebsmodus nimmt die Schaltventileinrichtung 21 zumindest temporär die erste Schaltstellung ein, das heißt die Verbindung zwischen der Kompressionskammer 17 und der Unterdruckkammer 18 ist unterbrochen. Bei einer Bremspedalbetätigung, welche beispielsweise durch einen Pedalstellungssensor 7 und/oder einen Kolbenstellungssensor 24 erfasst werden kann, wird automatisch durch Bestromen der Schaltventileinrichtung 21 die erste Schaltstellung eingestellt. In einer Modifikation des Ausführungsbeispiels kann dabei zur Variation der Kennlinie des Pedalsimulators 11 die Schaltventileinrichtung 21 gegebenenfalls kurzfristig geöffnet werden, um einen gegebenenfalls zu starken Druckanstieg in der Kompressionskammer 17 abzumildern. Befindet sich das Bremspedal 3 in seiner Ausgangsstellung, kann die Schaltventileinrichtung 21 in die zweite Schaltstellung geschaltet werden, wie dies in 1 dargestellt ist, um einen Druckausgleich zwischen den Kammern 17 und 18 zu ermöglichen und so stets gleiche Druckverhältnisse in der Ausgangsstellung zu gewährleisten. Der Kolben 16 kehrt hierdurch unabhängig von Zustandsänderungen des Arbeitsgases stets in eine definierte Ausgangsstellung zurück.
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Vorzugsweise kann bereits kurz vor einer vollständigen Rückkehr des Kolbens 16 bzw. des Bremspedals 3 in die Ausgangsstellung die zweite Schaltstellung eingestellt werden, da bei einer polytropen Zustandsänderung, d. h. einer Zustandsänderung zwischen einer adiabaten und isothermen Zustandsänderung der Ausgangsdruck in den Kammern 17 und 18 bereits vor Rückkehr des Kolbens 16 in die Ausgangsstellung erreicht werden würde. Durch ein Öffnen des Überstömkanals 20 bereits vor Erreichen der Ausgangsstellung wird das Rückstellverhalten beschleunigt. Bevorzugt wird ein Öffnen dann vorgenommen, sobald der Druck in der Unterdruckkammer 18 größer als in der Kompressionskammer 17 wird.
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Eine entsprechende Funktionalität lässt sich jedoch auch durch die Integration eines Rückschlagventils in die Schalteinrichtung 21 realisieren, indem in der ersten Schaltstellung lediglich ein Durchströmen von der Kompressionskammer 17 in Richtung der Unterdruckkammer 18, jedoch nicht in Gegenrichtung gehindert wird. In diesem Fall erfolgt ein etwaig nötiger Druckausgleich automatisch, ohne dass hierzu eine Schaltung in die zweite Schaltstellung erforderlich wäre.
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Bei einer Betriebsstörung fällt die Schaltventileinrichtung 21 in die zweite Schaltstellung, so dass bei einer Bremspedalbetätigung der zweite Betriebsmodus als Notfallmodus zur Verfügung steht.
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Gemäß einer weiteren Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels kann an dem Zylinder ein ansteuerbares Ventil 25 angeordnet sein, über das die Kompressionskammer 17, die Unterdruckkammer 18 und der Überströmkanal 20 je nach Schaltstellung des Ventils 25 mit der Außenumgebung verbindbar oder dieser gegenüber absperrbar sind. Das Ventil 25 ist so angesteuert, dass dieses im stromlosen Zustand die Verbindung zur Außenumgebung absperrt. Vorzugsweise wird das Ventil 25 so lange offen gehalten, solange keine Bremsabsicht erkennbar ist. Durch diese Ankopplung des Luftvolumens in der Kompressionskammer 17 an die Umgebungsluft wird eine Alterung des Kompressionsmediums vermieden. Für eine Bremsbetätigung wird das Ventil 25 geschlossen. 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.
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Der Einsatz eines solchen 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.
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2 zeigt eine Abwandlung des vorstehend erläuterten Pedalsimulators 11, die sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich darin unterscheidet, dass die Funktion des Sekundärkanals 23 durch eine besondere Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 21 erzielt wird so dass der Sekundärkanal 23 entfällt.
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Wie bereits oben erläutert, ist am Bremspedal 3 in der Regel ein Stellungssensor 7 vorhanden, mit dem die Stellung des Bremspedals 3 erfasst wird. Aufgrund der Kopplung des Bremspedals 3 mit dem Kolben 16 kann aus der Stellung des Bremspedals 3 auf die Stellung des Kolbens 16 im Zylinder 15 geschlossen werden. Alternativ oder ergänzend kann am Pedalsimulator 11 ein Stellungssensor 24 vorgesehen werden, mit dem die Stellung des Kolbens 16 unmittelbar erfasst wird.
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Ist die Kolbenstellung bekannt, kann die Schaltventileinrichtung 21 in Abhängigkeit der erfassten Stellung des Kolbens 16 derart angesteuert wird, dass diese in einem aktiven Betriebsmodus des Pedalsimulators 11 von der Ausgangsstellung des Kolbens 16 bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert l des Kolbenwegs offen, darüber jedoch geschlossen ist.
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Wird von den Stellungssensor 24 die Information erhalten, dass der aktuelle Kolbenweg kleiner ist als der Schwellenwert l, so wird die Schaltventileinrichtung 21 nicht bestromt. Infolgedessen kann das in der Kompressionskammer 17 befindliche Gas nicht komprimiert werden, da dieses über den Überströmkanal 20 in die Unterdruckkammer 18 verdrängt wird. Hierdurch lässt sich der Effekt eines geringen Pedalkraftanstiegs bei geringen Pedalwegen erreichen. Durch Variation des Schwellenwerts l lässt sich die Kraft-Weg-Kennlinie des Pedalsimulators 11 zudem einfach modifizieren. Überschreitet der Kolbenweg den Schwellenwert l, schaltet die Schaltventileinrichtung 21 in die gesperrte Stellung um. Hierdurch bilden sich in der Kompressionskammer 17 ein Überdruck und in der Unterdruckkammer 18 ein Unterdruck aus. Um Pendelschaltungen der Schaltventileinrichtung 21 bei Kolbenwegen um den Schwellenwert l zu vermeiden, kann dem Schwellenwert eine Hysterese überlagert werden, wie dies bei Bezugszeichen 26 angedeutet ist. Praktisch bedeutet dies, dass die Schaltventileinrichtung 21 bei einem Kolbenweg größer l + Δl schließt und erst bei einem Unterschreiten eines Kolbenwegs l – Δl wieder öffnet. Der Schwellenwert l für das Öffnen und Schließen der Schaltventileinrichtung 21 ist somit letztlich von der Bewegungsrichtung des Kolbens 16 abhängig, derart, dass bei zunehmendem Kolbenweg die Schaltventileinrichtung 21 bei einem größeren Schwellenwert l schließt als diese bei abnehmendem Kolbenweg öffnet.
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3 zeigt eine weitere Abwandlung der vorstehend erläuterten Pedalsimulatoren 11, die sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel lediglich darin unterscheidet, dass die Funktion die Schaltventileinrichtung 21 durch ein 2/3-Wegeventil 27 bereitgestellt wird, das zusätzlich eine Verbindung zur Außenumgebung ermöglicht. In der zweiten Schaltstellung sind die Kompressionskammer 17 und die Unterdruckkammer 18 untereinander sowie mit der Außenumgebung verbunden. Die erste Schaltstellung entspricht den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen, das heißt dass der Überströmkanal 20 abgesperrt ist und auch sonst keine Kommunikation mit der Außenumgebung erfolgt.
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Von dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel 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 kann durch Redundanzen einem Systemausfall vorgebeugt werden.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Fahrzeugbremsanlage 1', das sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel vor allem durch die Ausgestaltung und Anordnung des Pedalsimulators 11 unterscheidet. Für alle weiteren Komponenten wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen.
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Der Pedalsimulators 11 ist entsprechend 2 ausgebildet. An den Kolben 16 ist eine Kopplungseinrichtung 19 in Form einer Verbindungsstange 27 über ein Gelenk 28 angekoppelt, um die Kolbendichtung zu entlasten. Die Verbindungsstange 27 ist über ein weiteres Gelenk 29 mit einem oberen Endabschnitt des Bremspedals 3 verbunden. Neben der Stellungserfassung am Bremspedal 3 kann auch die Stellung des Kolbens 16 mittels eines Sensors 24 erfasst und zur Ansteuerung des Bremskrafterzeugers 2 und/oder pneumatischen Pedalsimulators 11 herangezogen werden. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anbindung an das Bremspedal 3 oberhalb eines Schwenklagers 30 desselben. Beispielsweise kann der Pedalsimulator 11 in einen nicht näher dargestellten Lagerbock des Bremspedals 3 integriert sein.
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Weiterhin ist es möglich, wie in 5 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Fahrzeugbremsanlage gezeigt, den Pedalsimulator 11 im Bereich der Koppelstange 12 einzugliedern. In diesem Fall ist die Koppelstange 12 an den Kolben 16 bzw. eine entsprechende Membran angeschlossen und erstreckt sich durch das Gehäuse 15 hindurch zu dem Bremskrafterzeuger 2.
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Bei einer Normalbremsung arbeitet der pneumatische Pedalsimulator 11 wie folgt. Bei unbetätigtem Bremspedal 3 wird dieses durch die Rückstellfedereinrichtung 22 in die in 4 bzw. 5 dargestellte Ausgangsstellung gedrückt, die durch einen nicht näher dargestellten mechanischen Anschlag vorgegeben sein kann. Sobald ein Bremswunsch des Fahrers erkannt wird, beispielsweise weil dieser das Gaspedal loslässt oder das Bremspedal 3 betätigt oder dieses eine bestimmte Betätigungsstellung erreicht, wird die Schaltventileinrichtung 21 bestromt und schaltet in die gesperrte Stellung. Durch die Betätigung des Bremspedals 3 wird die Rückstellfedereinrichtung 22 zusammengedrückt und parallel hierzu die Luft innerhalb der Kompressionskammer 17 komprimiert, während auf der Kolbenrückseite in der Unterdruckkammer 18 ein Unterdruck entsteht. Durch die Gaskompression sowie die parallele Expansion ergibt sich ein progressiver Anstieg der Fußkraft über dem Pedalweg. Dieser Kraft-Weg-Verlauf kann, wie bereits oben erläutert, durch den Schließschaltpunkt der Schaltventileinrichtung 21 eingestellt werden. Sollte der Kraftanstieg am Anfang des Pedalwegs zu stark sein, kann überein gezieltes Offenlassen über einen definierten Kolbenweg oder ein temporäres Öffnen der Schaltventileinrichtung 21 der anfängliche Druckanstieg gemindert werden.
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Bei einer etwaigen Störung wird die Schaltventileinrichtung 21 nicht bestromt. Diese bleibt dann offen, so dass keine Kompression in der Kompressionskammer 17 und auch kein Unterdruck in der Unterdruckkammer 18 aufgebaut wird. Als Gegenkraft durch den Pedalsimulator 11 wirkt dann lediglich der Kraftanstieg durch die Rückstellfedereinrichtung 22 auf den Fahrer zurück. Damit steht dessen Fußkraft weitestgehend für die mechanische Rückfallebene zur Abbremsung des Fahrzeugs zur Verfügung, sofern dieses eine solche aufweist.
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Der pneumatische Pedalsimulator 11 ermöglicht über die Rückstellfedereinrichtung 22 und deren Vorspannung die Darstellung der Ansprechkraft und des Kraftverlaufs auf den ersten Millimetern des Pedalwegs des Bremspedals 3. Über die Länge des Gehäuses 15 lässt sich die Progressivität des Kraftanstiegs nach den bekannten Gasgesetzen einstellen. Über die Querschnittsfläche des Kolbens 16 kann das Druckniveau und zudem die Progressivität der Kraft-Weg-Kennlinie mit beeinflusst werden. Die Ansteuerung der Schaltventileinrichtung 21 und/oder ein Sekundärkanal 23 gemäß 1 bestimmen den Leerweg, über den noch kein progressiver Kraftanstieg durch Kompression und Unterdruck erfolgt.
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In den 1, 4 und 5 ist der Pedalsimulator 11 in Verbindung mit einem elektromechanischen Bremskrafterzeuger 2 dargestellt. Letzterer kann jedoch auch pneumatisch oder hydraulisch ausgebildet sein. Auch kann der Bremskrafterzeuger 2 vollständig entfallen, so dass die Koppelstange 12 unmittelbar zu dem Hauptbremszylinder 4 führt. In diesem Fall erfolgt die Druckerzeugung für die Radbremsen 6 erst durch eine im Hydraulikaggregat 5 angeordnete Rückförderpumpe in Verbindung mit einem Hochdruckspeicher oder dergleichen.
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6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Fahrzeugbremsanlage, bei der ein pneumatischer Pedalsimulator 11 der vorstehend erläuterten Art als Sollwertgeber in einer Brake-by-wire Bremsanlage eingesetzt ist. Lediglich beispielhaft ist ein pneumatischer Pedalsimulator 11 gemäß 3 dargestellt. Hierbei besteht keine mechanische oder hydraulische Verbindung vom Bremspedal 3 zu den Radbremsen 6. Aus Redundanzgründen werden der Pedalwinkel und/oder der Pedalweg redundant gemessen und parallel in redundanten Steuergeräten 31 ausgewertet. Die Steuergeräte 31 werden jeweils individuell über eine Batterie 32 elektrisch versorgt. Vorliegend sind zur Erfassung des Pedalwegs des Bremspedals 3 je Steuergerät 31 zwei Sensoren 24 an dem Pedalsimulator 11 angeordnet, um die Position des Kolbens 16 zu erfassen.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- Zylinder
- 16
- Kolben
- 17
- Kompressionskammer
- 18
- Unterdruckkammer
- 19
- Kopplungseinrichtung
- 20
- Überströmkanal
- 21
- Schaltventileinrichtung
- 22
- Rückstellfedereinrichtung
- 23
- Sekundärkanal
- 24
- Stellungssensor
- 25
- Be- und Entlüftungsventil
- 26
- Hysteresemodul
- 27
- Verbindungsstange
- 28
- Gelenk
- 29
- Gelenk
- 30
- Schwenklager
- 31
- Steuergerät
- 32
- Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006030846 A1 [0004, 0004]
- DE 19757996 A1 [0005]