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Die
Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für Fahrzeuge, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bekannte
Bremseinrichtungen haben Hydraulikleitungen für Bremsflüssigkeit, die beim Betätigen des
Bremspedales unter Druck gesetzt wird. Für die Bremsleitungen sind Ventile
sowie ein Bremskraftverstärker
erforderlich. Ist das Fahrzeug ein elektro- oder dieselbetriebenes
Fahrzeug, ist auch noch eine Unterdruckpumpe erforderlich. Eine
solche Bremseinrichtung ist konstruktiv aufwendig ausgebildet, teuer
in der Herstellung und in der Montage. Aufgrund der Vielzahl von
Einzelkomponenten ergibt sich ein erhöhtes Ausfallrisiko.
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Aus
der
DE 195 48 799
A1 ist eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Drehmomentübertragungssystems
bekannt, bei der eine Steuereinheit Systemgrößen und Meßsignale von Sensoren erfaßt und verarbeitet.
In Abhängigkeit
von einem Signal wird die Ansteuerung eines Aktors durchgeführt. Zumindest
ein Sensor, der ein Piezosensor sein kann, ist direkt oder indirekt
mit dem Betätigungsmittel
verbunden. Zumindest ein Signal zur Ansteuerung kann ein Betriebs-,
Brems- und Handbremssignal sein.
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Aus
der
DE 44 45 606 A1 ist
eine Betätigungsvorrichtung
mit einem mechanischen Verstellelement bekannt, mit dem ein Piezoelement
zusammenwirkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Bremseinrichtung
so auszubilden, daß sie
nur aus einer geringen Zahl von Einzelteilen besteht und dadurch
kostengünstig
hergestellt und in die Fahrzeuge eingebaut werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Bremseinrichtung
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
entfallen Bremsleitungen mit Hydraulikmedium. Für das Piezoelement sowie den
Piezotransformator sind lediglich elektrische Leitungen erforderlich,
die einfach und kostengünstig
im Fahrzeug verlegt werden können.
Wird das Bremspedal gedrückt,
wird das Piezoelement unter Druck gesetzt, wodurch es eine Spannung
abgibt. Sie wird dem Piezotranslator des Radbremszylinders zugeführt. Aufgrund
der zugeführten
Ansteuerspannung dehnt sich der Piezotranslator entsprechend der
angelegten Höhe
der Ansteuerspannung aus, wodurch die Bremsbacken an die Bremsscheibe
des jeweiligen Rades des Fahrzeuges angelegt werden. Die erfindungsgemäße Bremseinrichtung
bildet ein "Break-by-wire"-System, das gänzlich ohne Bremsflüssigkeit
und entsprechende Bremsflüssigkeitsleitungen
auskommt. Dadurch ist eine entsprechende Hydraulik nicht erforderlich.
Ebenso kann ein Bremskraftverstärker
entfallen. Die piezoelektrischen Einrichtungen unterliegen nahezu
keinem Verschleiß,
so daß das
Ausfallrisiko der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
sehr niedrig ist.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Der
Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen
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1 in
schematischer und perspektivischer Darstellung eine in ein Kraftfahrzeug
eingebaute erfindungsgemäße Bremseinrichtung,
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2 eine
Betätigungseinrichtung
der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
im Axialschnitt,
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Betätigungseinrichtung
der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung.
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Das
in 1 dargestellte Kraftfahrzeug hat eine Bremsanlage,
die in 1 schematisch dargestellt ist. Die Bremsanlage
wird durch ein Bremspedal 1 aktiviert, das auf eine piezoelektrische
Betätigungseinrichtung 2 einwirkt.
Sie ist über
Leitungen 3, 4 mit einer Regelelektronik 5 verbunden,
an die Drehzahlfühler 6 eines
ABS-Systems der Bremsanlage angeschlossen sind. Zur Stromversorgung
der Regelelektronik 5 ist die Fahrzeugbatterie 7 vorgesehen,
an welche die Regelelektronik angeschlossen ist. Außerdem sind
an die Regelelektronik 5 über elektrische Leitungen 8 Radbremszylinder 9 angeschlossen.
Sie sind in bekannter Weise ausgebildet und haben (nicht dargestellte)
Bremsbacken, die mit Bremsscheiben 10 in bekannter Weise
beim Bremsvorgang zusammenwirken.
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Das
Kraftfahrzeug hat eine Handbremse 11, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel
einen Handbremshebel hat, der, wie anhand von 3 beschrieben
werden wird, mit einer Betätigungseinrichtung 12 zusammenwirkt,
die einen Piezotranslator aufweist.
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Die
Betätigungseinrichtung 2 wird
durch einen Piezoblock gebildet, der im dargestellten Ausführungsbeispiel
aus vier, vorzugsweise aneinander liegenden Einzelstapeln besteht.
Der Piezoblock kann aber auch aus einem Piezoelement mit vier Segmenten
gebildet sein. Beim Drücken
des Bremspedales 1 wird, vorzugsweise über eine Hebelübersetzung, eine
Druckkraft auf den Piezoblock aufgebracht, wodurch eine Spannung
erzeugt wird, die über
die elektrischen Leitungen 3, 4 der Regelelektronik 5 zugeführt wird.
Sie verstärkt
die Spannungssignale und leitet sie über die elektrischen Leitungen 8 in
die jeweiligen Radbremszylinder 9 zu. Anhand der 2 wird
einer dieser Radbremszylinder 9 näher erläutert.
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Der
Radbremszylinder 9 hat ein Gehäuse 13, in dem mindestens
ein Piezostapel 14 untergebracht ist. Er besteht aus scheibenförmigen,
aufeinanderliegenden Piezoelementen, die auf einem Kolben 15 aufliegen.
Er ist in einer Öffnung 16 des
Gehäuses 13 untergebracht
und hat am Umfang eine Ringnut 17, die einen Dichtring 18 aufnimmt.
Mit ihm liegt der Kolben 15 dichtend an der Innenwandung
der Gehäuseöffnung 16 an.
Der Kolben 15 stützt
sich auf einer Druckfeder 19 ab, die ihrerseits an einem
Boden 20 der Öffnung 16 abgestützt ist.
Der Boden 20 ist vorteilhaft einstückig mit dem Gehäuse 13 ausgebildet, kann
aber auch ein gesonderter Teil sein, der in geeigneter Weise am
Gehäuse 16 befestigt
wird. Unter der Kraft der vorgespannten Druckfeder 19 liegt
der Piezostapel 14 an einem gehäuseseitigen Anschlag 21 an.
Er wird vorteilhaft durch einen Sicherungsring gebildet, der in
eine Ringnut 22 der Wandung der Öffnung 16 nahe dem
vom Boden 20 abgewandten Ende des Gehäuses 13 eingesetzt
ist. Aus der Gehäuseöffnung 16 ragt
ein Stecker 23, an den die von der Regelelektronik 5 kommende
elektrische Leitung 8 angeschlossen wird.
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Der
Kolben 15 weist auf seiner vom Piezostapel 14 abgewandten
Seite einen mittig liegenden Ansatz 24 auf, der in die
Schraubendruckfeder 19 ragt. Die Druckfeder 19 kann
beispielsweise auch durch Tellerfedern gebildet sein. Zwischen dem
Kolben 15 und dem Boden 20 ist ein Druckraum 25 gebildet,
der durch den Dichtring 18 nach außen abgedichtet ist.
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In
der Wandung des Gehäuses 13 ist
ein Überströmventil 26 angeordnet,
durch das eine von einem Hydraulikmedium-Speicher 28 führende Leitung 27 gegen
den Druckraum 25 abgesperrt ist. In den Druckraum 25 mündet außerdem mindestens eine
Bohrung 29, die den Druckraum 25 mit einem Druckraum 30 verbindet,
der in der Wandung des Gehäuses 13 vorgesehen
ist. Der Druckraum 30 wird durch einen Bremskolben 31 begrenzt,
der in einer nach außen
offenen Bohrung 32 in der Gehäusewandung verschiebbar gelagert
ist. Der Bremskolben 31 steht über das Gehäuse vor und ist abgedichtet
in der Bohrung 32 geführt.
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Die
beschriebene hydraulische Übersetzung kann
natürlich
auch durch eine geeignete hydraulisch/mechanische oder eine rein
mechanische Übersetzung
mit einer Verschleißkompensation
(Nachstellung) ersetzt werden.
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Wird
vom Fahrer des Kraftfahrzeuges das Bremspedal 1 betätigt, wird
vorteilhaft über
eine Hebelübersetzung
ein Druck auf den Piezoblock der Betätigungseinrichtung 2 aufgebracht.
Durch diese Druckkraft wird im Piezoblock eine Spannung erzeugt,
die über
die elektrischen Leitungen 3, 4 der Regelelektronik 5 zugeführt wird.
In ihr wird beim normalen Bremsvorgang die Spannung verstärkt und geregelt
und als Ansteuerspannung über
die elektrischen Leitungen 8 den Radbremszylindern 9 zugeführt. Bei einer
Notbremsung bzw. beim Aufbringen einer höheren Pedalkraft kann zum Beispiel
beim Ausfall der Elektronik die notwendige Ansteuerspannung auch
ohne Verstärkerelektronik
aufgebracht werden. Über
die Regelelektronik 5 können
die Radbremszylinder 9 unabhängig voneinander geregelt werden.
Die über
die Stecker 23 angelegte, von der Regelelektronik 5 zugeführte Steuerspannung
führt dazu,
daß sich
der aus einzelnen Piezoelementen bestehende Piezostapel 14 ausdehnt.
Der Radbremszylinder 9 bildet einen piezoelektrischen Translator,
bei dem der inverse Piezoeffekt ausgenutzt wird. Er besteht darin,
daß die
geometrische Deformation des Piezoelementes proportional zum Betrag und
Vorzeichen einer angelegten Spannung ist, wobei der Piezoeffekt
linear vom angelegten elektrischen Feld abhängig ist. Aufgrund der über den
Stecker 23 zugeführten
Steuerspannung dehnt sich der Piezostapel 14 aus und setzt
dementsprechend das im Druckraum 25 befindliche Hydraulikmedium
unter Druck. Aufgrund dieser hydraulischen Übersetzung wird der Bremskolben 21 des
Radbremszylinders 9 entsprechend belastet.
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Die
Regelelektronik 5 ist so ausgelegt, daß für jedes Rad des Kraftfahrzeuges
eine Regelung der Ansteuerspannung durchgeführt wird. Dadurch ist es möglich, durch
einfachste Maßnahmen
eine Antischlupfregelung, ein ABS-System oder eine Fahrdynamikregelung
zu verwirklichen. Darüber
hinaus lassen sich für
zukünftige
Fahrzeugkonzepte mit Abstandssensoren und Funksignalen sehr leicht
automatische Sicherheitsabstandsregelungen auf Autobahnen und automatisches
Abbremsen in Notsituationen realisieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
die Betätigungseinrichtung 2 mit
dem Piezoblock und die Radbremszylinder mit den Piezotranslatoren
Bestandteil eines ABS-Systems. Mit den Drehzahlfühlern 6, die jedem
Kraft fahrzeugrad zugeordnet sind, wird die jeweilige Drehgeschwindigkeit der
Bremsscheiben 10 und damit der Räder des Kraftfahrzeuges gemessen.
Wird von den Drehzahlfühlern 6 eine
zu starke Drehzahlverzögerung
gemeldet, wird der Bremsdruck des entsprechenden Rades zunächst nicht
weiter gesteigert, sondern auf dem bis dahin erreichten Wert gehalten.
Verzögert
sich die Drehbewegung dennoch weiter, wird der Druck im Radbremszylinderraum 25 gesenkt
und das Rad dadurch weniger stark abgebremst. Der Druckabbau des
Hydraulikmediums im Druckraum 25 kommt dadurch zustande,
daß der
Piezostapel 14 seine Hubfrequenz, geregelt durch die Regelelektronik 5,
verringert. Sollte dies nicht ausreichen, kann die Beaufschlagung
des Piezostapels 14 mit der Ansteuerspannung abgeschaltet
werden. Die Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Rades nimmt wieder
zu. Da die Drehzahlfühler 6 weiterhin
die Drehgeschwindigkeit der Räder überwachen
und entsprechende Signale an die Regelelektronik 5 senden,
wird bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes der Drehgeschwindigkeit
des Rades der Bremsdruck wieder erhöht, indem der Piezostapel 14 des
jeweiligen Radbremszylinders 9 mit Steuerspannung beaufschlagt wird.
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Aufgrund
der beschriebenen hydraulischen Übersetzung
werden die geringen Hübe,
die der Piezostapel 14 durchführt, ausreichend verstärkt, um eine
optimale Abbremsung zu erhalten. Das Fahrzeug kann ohne die Gefahr
des Blockierens der Räder
einwandfrei abgebremst werden. Da der Piezostapel 14 mit
einer hohen Frequenz arbeitet, kann im Millisekundenbereich im Druckraum 25 der
erforderliche Druck aufgebaut werden. Da sich der Piezostapel 14 je
nach angelegter Freqenz mehrere tausendmal pro Sekunde verlängern und
zusammenziehen kann, kann im ABS-System im Millisekundenbereich der
erforderliche Druck aufgebaut wer den, so daß eine hochgenaue und schnelle
Regelung beim Abbremsen gewährleistet
ist. Aufgrund der hohen Betätigungsfrequenz
läßt sich
eine konstante Haftreibung an den Rädern einstellen, wodurch eine
maximale Bremswirkung erzielt wird.
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Im
dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel ist für jedes
Rad des Kraftfahrzeuges eine eigene Bremsregelung vorgesehen. Die
Räder können dadurch
individuell im Bremsvorgang geregelt und gesteuert werden. Es ist
aber auch möglich, beispielsweise
zwei Räder
gemeinsam beim Abbremsvorgang zu überwachen und zu regeln. Die
beschriebene Bremseinrichtung kann außerdem auch für Anhänger von
Fahrzeugen eingesetzt werden.
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3 zeigt
die Möglichkeit,
auch in Verbindung mit der Handbremse 11 einen Piezotranslator zu
verwenden. Die Handbremse 11 hat einen Handbremshebel 33,
dessen eines Ende mit einem elliptischen Exzenterteil 34 verbunden
ist. Er ist über
einen Teil seines Umfanges mit Rastzähnen 35 versehen, in
die ein in Richtung auf den Exzenterteil 34 belastetes
Rastelement 36 eingreift.
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Der
Handbremse 11 ist ebenfalls eine piezoelektrische Einrichtung 37 zugeordnet.
Sie hat ein Gehäuse 38,
in dem wenigstens ein Piezostapel 39 untergebracht ist,
der aus aufeinanderliegenden scheibenförmigen Piezoelementen besteht.
Der Piezostapel 39 liegt in einer Aufnahme 40,
die den Piezostapel 39 teilweise umgibt und ihrerseits
im Gehäuse 38 untergebracht
ist. Die Aufnahme 40 liegt einem napfförmigen Aufnahmeteil 40' gegenüber, das
an einem Boden 41 des Gehäuses 38 anliegt. Der
Piezostapel 39 liegt unter der Kraft der Druckfeder 44 am Boden
des Aufnahmeteiles 40' an.
Die beiden Aufnahmen 40, 40' liegen an der Innenwandung des
Gehäuses 38 an
und haben Abstand voneinander. Auf der vom Gehäuseboden 41 abgewandten
Seite der Aufnahme 40 befindet sich ein Kolben 42,
der im Gehäuse 38 verschiebbar
gelagert ist. Zwischen der Aufnahme 40. und dem Kolben 42 ist
ein Druckraum 43 gebildet, in dem mindestens eine vorgespannte Druckfeder 44 untergebracht
ist. Sie stützt
sich mit einem Ende an der Aufnahme 40 und mit ihrem anderen
Ende am Kolben 42 ab. Der Kolben 42 weist auf seiner
von der Aufnahme 40 abgewandten Seite einen Steuerteil 45 auf,
der mit dem Exzenterteil 34 zusammenwirkt.
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Die
Aufnahme 40 weist eine dem Kolben 42 zugewandte
Stirnseite 46 auf, die mit Abstand zum Piezostapel 39 angeordnet
ist. Der Abstand zwischen der Stirnseite 46 und dem Piezostapel 39 wird durch
mindestens ein Ausgleichselement 47, vorzugsweise eine
Kugel, überbrückt, das
zentrisch auf dem Piezostapel 39 aufliegt. Der Piezostapel 39 ist über elektrische
Leitungen 48 an die Regelelektronik 5 angeschlossen.
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In
der in 3 dargestellten Lage des Handbremshebels 33 ist
die Handbremse außer
Funktion. Der Steuerteil 45 des Kolbens 42 hat
geringen Abstand vom Exzenterteil 34, kann jedoch auch
unter der Kraft der Druckfeder 44 an ihm anliegen. Um die Handbremse
zu betätigen,
wird der Handbremshebel 33 um die exzentrisch in bezug
auf den Exzenterteil 34 liegende Achse 49 im Uhrzeigersinn
geschwenkt. Dadurch kommt der Exzenterteil 34 mit seinem
Umfang am Steuerteil 45 zur Anlage und drückt dadurch den
Kolben 42 in das kraftfahrzeugseitig fest angeordnete Gehäuse 38.
Die im Druckraum 43 befindliche Druckfeder 44 wird
dadurch belastet und verschiebt die Aufnahme 40 in Richtung
auf das Aufnahmeteil 40'. Über das
Ausgleichselement 47 wird der Piezostapel 39 mit
Druck beaufschlagt. Aufgrund des Piezoeffektes gibt der Piezostapel 39 eine
Spannung ab, die über
die Leitungen 48 der Regelelektronik 5 zugeführt wird.
Solange die vom Exzenterteil 34 ausgeübte Vorspannkraft vorhanden
ist, gibt der Piezostapel 39 eine entsprechende Steuerspannung
ab. Sie gibt diese Spannung an die jeweiligen Piezostapel 14 der
als Piezotranslatoren ausgebildeten Radbremszylinder 9 weiter.
Aufgrund der Steuerspannung dehnen sich die Piezostapel 14 der
Radbremszylinder 9 in der beschriebenen Weise aus, wodurch die
entsprechenden Bremsen betätigt
werden. Eine Überlastung
des Piezostapels 39 wird dadurch zuverlässig verhindert, daß die Aufnahme 40 bei
entsprechend hoher Krafteinwirkung am Aufnahmeteil 40' zur Anlage
kommt, so daß eine
weitere Kraftbeaufschlagung des Piezostapels 39 ausgeschlossen ist.
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Es
ist auch möglich,
die Spannung vom Piezostapel 39 über die elektrischen Leitungen 48 unmittelbar
den Radbremszylindern 9 zuzuführen. Die Piezostapel 14 dehnen
sich in der beschriebenen Weise aus, wodurch die Räder ebenfalls
in der beschriebenen Weise gebremst werden.
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Aus
Sicherheitsgründen
kann die vom Piezoblock 2 erzeugte Spannung durch einen
(nicht dargestellten) elektrischen Schalter und ein geeignetes Speicherelement
(zum Beispiel Batterie/Kondensatoren) zur Erzeugung einer zusätzlichen
Spannung für die
Feststellbremsfunktion erzeugt werden. Es kann hierbei auf die Handbremse 11 vollständig verzichtet werden.
Stattdessen ist beispielsweise am Armaturenbrett des Kraftfahrzeuges
nur ein entsprechender Schalter vorgesehen, der zur Erzielung der
Handbremsfunktion betätigt
wird.
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Am
Armaturenbrett des Fahrzeuges kann eine Warnleuchte 50 vorgesehen
sein, die mit der Regelelektronik 5 verbunden ist. Die
Warnleuchte 50 kann beispielsweise dann aufleuchten, wenn
ein Fehler in der Regelelektronik 5 auftritt oder diese ausfällt. Anstelle
der optischen Anzeige kann auch ein akustisches Signal verwendet
werden, das selbstverständlich
auch mit der optischen Anzeige gekoppelt sein kann.
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Bei
der beschriebenen Bremseinrichtung arbeiten die Bremsen und das
ABS-System piezoelektrisch. Ein Hydraulikmedium zur Übertragung
der vom Bremspedal ausgeübten
Bremskraft auf die Bremsen ist nicht erforderlich. Vielmehr werden
die entsprechenden Piezoelemente bzw. Piezotranslatoren elektrisch
angesteuert. Ein gesondertes ABS-System ist nicht notwendig; auch
ein Bremskraftverstärker
erübrigt
sich. Insbesondere sind keine Bremsleitungen erforderlich, so daß die hiermit
zusammenhängenden
Probleme vermieden werden.