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Tandem-Hauptzylinder mit integriertem
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hydraulischem Bremskraftverstärker Die Erfindung betrifft einen Tandem-Hauptzylinder
mit integriertem hydraulischem Bremskraftverstärker für eine Zweikreis-Bremsanlage
mit statisch beaufschlagbaren Bremskreisen und mit den weiteren, im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.
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Tandem-Hauptzylinder dieser Art bzw. mit solchen Tandem-Hauptzylindern
ausgerüstete hilfskraftunterstützte Bremsanlagen für Straßenfahrzeuge müssen nach
den einschlägigen gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen so gestaltet sein, daß bei
Ausfall eines der beiden Bremskreise der andere Bremskreis voll funktionsfähig bleibt
und mit diesem bei einer Pedalkraft von 500 N eine Mindestabbremsung des Fahrzeuges
von 0,3 gewährleistet ist. Für eine mit hydraulischer Hilfskraftunterstützung arbeitende
Bremsanlage bedeutet dies weiter, daß auch bei einem Ausfall der Hilfsdruckquelle
allein mit der Pedalkraft eine den gesetzlichen Mindestanforderungen genügende Abbremsung
des Fahrzeuges erreicht werden muß.
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Ebenfalls as Sicherheitsgründen sollte darüber hinaus - bei intakter
Bremsanlage - der Pedalweg möglichst kurz und möglichst genau proportional zu dem
bei einer Bremsung aus dem Tandem-Hauptzylinder verdrängten Bremsflüssigkeitsvolumen
sein, damit eventuelle Bremsflüssigkeitsverluste durch ein Nachgeben des Pedals
direkt fühlbar sind. Eine am Bremspedal deutlich spürbare Reaktion auf den in der
Bremsanlage herrschenden Bremsflüssigkeitsdruck ist insbesondere dann erwünscht,
wenn ein Fahrzeug mit einem. Antiblockiersystem ausgerüstet ist, das mit Rückförderung
oder Nachspeisung von Bremsflüssigkeit in die Ausgangsdruckräume des Tandem-Hauptzylinders
arbeitet, damit der Fahrer, z.B.
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durch pulsierende oder kontinuierliche Reaktionsbewegungen des Bremspedals
eine sinnfällige Rückmeldung erhält, wenn das Antiblockiersystem in Funktion getreten
ist.
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Bei einem betriebs internen technischen Entwicklungsstand der Anmelderin
entsprechenden Tandem-Hauptzylinder der eingangs genannten Art ist ein als Schwimmkolben
üblicher Bauart ausgebildeter Sekundärkolben ausgebildet, der über eine Rückstellfeder
am Primärkolben abgestützt ist. Der Primärkolben ist zweiteilig ausgebildet. Er
umfaßt einen äußeren, in der den Primär-Ausgangsdruckraum des Tandem-Hauptzylinders
radial begrenzenden Gehäusebohrung druckdicht verschiebbar geführten Ringkolben
und einen in einer zentralen Bohrung des Ringkolbens verschiebbar geführten Tauchkolben,
deren wirksame Gesamtfläche gleich der Querschnittsfläche dieser Gehäusebohrung
ist. Der Ringkolben begrenzt zusammen mit einer gehäusefesten Trennwand einen ringförmigen
Arbeitsdruckraum, in dem der Steuerausgangsdruck
eines Proportionalregelventils
einkoppelbar ist.
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Diesem Proportionalregelventil ist einerseits der Ausgangsdruck eines
auf hohem Druck von z.B. mindestens 200 bar gehaltenen Druckspeichers zugeleitet
und andererseits als Referenzdruck ein in einem Vordruckraum des Tandem-Hauptzylinders
durch Pedalkraftbetätigung eines weiteren Tauchkolbens, dessen Querschnitt dem wirksamen
Querschnitt des Tauchkolbens des Primärkolbens entspricht, erzeugbarer Vordruck
zugeleitet. Das Proportionairegelventil ist so ausgebildet, daß sein in den Ringraum
eingekoppelter Ausgangsdruck diesem Vor-bzw. Referenzdruck proportional ist und
betragsmäßig zwischen diesem und dem Ausgangsdruck des Druckspeichers liegt. Der
Tauchkolben des Primärkolbens tritt durch eine Bohrung der den ringförmigen Arbeitsdruckraum
gegen den Vordruckraum absetzenden Zwischenwand des Zylindergehäuses hindurch und
ist in dieser»Bohrung mittels einer Dichtmanschette gegen das Zylindergehäuse abgedichtet.
Bei einer Betätigung des Bremspedales ist der Tauchkolben des Primärkolbens ebenfalls
mit dem Vordruck beaufschlagt. Der Ringkolben und der Tauchkolben sind so dimensioniert,
daß die bei einer Betätigung der Bremse auf den Ringkolben wirkende Kraft größer';,ist
als die auf den Tauchkolben durch Druckbeaufschlagung im Vordruckraum ausgeübte
Kraft; bei normaler Funktion der Bremsanlage wird der Tauchkolben bei einer Druckaufbaubewegung
des Ringkolbens durch Anschlagwirkung von diesem mitgenommen. Die Reaktion des Primärkolbens
auf den im Primär-Ausgangsdruckraum des Tandem-Hauptzylinders herrschenden Druck
wird durch die im Vordruckraum zwischen dem Tauchkolben des Primärkolbens und dem
pedalbetätigten Tauchkolben
bestehende hydraulische Kopplung auf
das Bremspedal übertragen, dessen Reaktionsbewegungen somit zu einem jeweils aus
dem Tandem-Hauptzylinder verdrängten bzw.
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in diesem eingespeisten Bremsflüssigkeitsvolumen proportional sind.
Bei einem Ausfall der Hilfsdruckquelle wird allein noch der Tauchkolben mit der
aus der pedalgesteuerten Druckerzeugung im Vordruckraum resultierenden Kraft, die
gleich der Pedalkraft ist, beaufschlagt.
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Da in diesem Falle als Primärkolbenfläche nur noch diejenige des Tauchkolbens
wirksam ist, ist der auf eine bestimmte Pedalkraft bezogene erzeugbare Bremsdruck
im Verhältnis der Summe der Flächen des Ring- und des Tauchkolbens zur Fläche des
Tauchkolbens, für sich allein gesehen, übersetzt, so daß entsprechend der einleitend
erläuterten Forderung auch bei einem Ausfall der Hilfsdruckquelle noch eine den
gesetzlichen Anforderungen entsprechende Mindestabbremsung des Fahrzeuges möglich
ist.
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Nachteilig bei dem insoweit erläuterten Tandem-Hauptzylinder ist jedoch,
daß die Reaktion des Bremspedals auf mit Druckänderungen im Tandem-Hauptzylinder
verknüpfte Kolbenbewegungen relativ träge und daher die am Bremspedal fühlbare Rückmeldung
über den Funktionszustand der Bremsanlage wenig signifikant ist. Dies rührt zum
einen daher, daß diese hydraulische Kopplung wegen einer nicht vermeidbaren Volumenaufnahme
des an den Vordruckraum angeschlossenen Proportionalregelventils gleichsam "weich"
ist und zum anderen daher, daß sowohl der Tauchkolben des Primärkolbens als auch
der pedalbetätigbare Tauchkolben mittels mindestens je einer Dichtmanschette gegen
das Zylindergehäuse abgedichtet
sein müßten, woraus erhebliche Reibungskräfte
auf die genannten Kolben wirken und deren Reaktionsbewegungen bremsen. Es kommt
hinzu, daß das Proportionalregelventil als eine seitlich vom Tandem-Hauptzylinder
angeordnete Baugruppe mit zusätzlichem Raumbedarf und erheblichem konstruktivem
Aufwand behaftet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Tandem-Hauptzylinder der
eingangs genannten Art zu schaffen, der eine wesentlich feinfühligere Kopplung zwischen
dem Primärkolben des Tandem-Hauptzylinders und dem Bremspedal vermittelt und dabei
gleichwohl einfacher aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
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Der erfindungsgemäße Tandem-Hauptzylinder vermittelt in der hiernach
vorgesehenen Gestaltung zumindest die folgenden Vorteile: Mit den im Primär-Ausgangsdruckraum
dieses Tandem-Hauptzylinders herrschenden Druck wird direkt der Steuerkolben des
in den Primärkolben des Tandem-Hauptzylinders integrierten Proportionalregelventils
beaufschlagt, so daß eine am Bremspedal spürbare Reaktionskraft jeweils ein direktes
Maß für den im Primär-Ausgangsdruckraum herrschenden Druck ist. Die Anordnung der
zur Druckbeaufschlagung und -entlastung des Ringkolbens und des Tauchkolbens des
Primärkolbens vorgesehenen Bremsflüssigkeits-Strömungskanäle ist so getroffen, daß
der
Steuerkolben lediglich mittels einer einzigen Dichtmanschette
gegen eine das Zylindergehäuse abschließende Endstirnwand desselben abgedichtet
sein muß, so daß die Reaktionsbewegungen des Steuerkolbens beeinflussende Reibungskräfte
minimiert sind und die Feinfühligkeit der am Bremspedal erzielbaren Rückmeldung
über den im Tandem-Hauptzylinder herrschenden Druck optimiert ist.
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Durch die Anordnung der Funktionselemente des die Bremskraftverstärkung
vermittelnden Proportionalregelventils innerhalb des Primärkolbens wird insgesamt
ein einfache, sowohl fertigungsgünstiger als auch raumsparender Aufbau des Tandem-Hauptzylinders
einschließlich des hydraulischen Bremskraftverstärkers und damit auch ein erheblicher
Montagevorteil erzielt.
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Dies gilt auch für die durch die Merkmale des Anspruchs 2 angegebene
bevorzugte Gestaltung des erfindungsgemäßen Tandem-Hauptzylinders, bei der sich
durch eine zusätzliche Beaufschlagung des Tauchkolbens mit dem auch auf den Ringkolben
wirkenden Steuerdruck erhöhte Werte der Bremskraftverstärker erzielen lassen.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 2 ist eine fertigungstechnisch besonders
einfache Gestaltung einer zwischen dem ringförmigen Arbeitsdruckraum, über den der
Ringkolben mit dem Steuerdruck beaufschlagbar ist, gegen den weiteren Arbeitsdruckraum,
in dem der Tauchkolben mit demselben Steuerdruck beaufschlagt ist, angeordneten
und diese Arbeitsdruckräume gegeneinander absetzende Trennhülse mit einem diese
beiden Arbeitsdruckräume miteinander verbindenden Kanal angegeben.
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Wird andererseits in einem solchen Tandem-Hauptzylinder eine Trennhülse
ohne diesen Verbindungskanal eingesetzt und der durch diese Trennhülse gegen den
ringförmigen Arbeitsdruckraum abgesetzte Funktion des Tandem-Hauptzylinders direkt
mit dem Bremsflüssigkeits-Vorratsbehälter verbunden, so kann ein solcher Tandem-Hauptzylinder
auf einfache Weise, d.h. ohne nennenswerte Änderung hinsichtlich der Dimensionierung
seines Gehäuses und der Zylinderkolben, auf ein niedrigeres, für ein leichteres
und leistungsschwächeres Fahrzeug geeignetes Pedalkraft-übersetzungsverhältnis ausgel.egt
werden.
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Innerhalb des durch die Merkmale des Anspruchs 4 angegebenen Bereiches
möglicher Dimensionierungen des erfindungsgemäßen Tandem-Hauptzylinders ist dieser
für einen Einsatz in den verschiedensten Fahrzeugtypen geeignet.
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Schließlich ist durch die Merkmale des Anspruchs 5 eine spezielle
Einsatzmöglichkeit des erfindungsgemäßen Tandem-Hauptzylinders angegeben, für die
dieser aufgrund seines feinfühligen Reaktionsverhaltens besonders gut geeignet ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung eine hydraulische
Zweikreis-Bremsanlage mit einem im Schnitt längs seiner zentralen Achse dargestellten
erfindungsgemäßen Tandem-Hauptzylinder.
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Die in der Zeichnung, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen
sei, dargestellte, hydraulische Zweikreisbremsanlage 10, innerhalb derer zur Bremsdruckerzeugung
ein erfindungsgemäßer Tandem-Hauptzylinder 11 vorgesehen ist, sei ohne Beschränkung
der Allgemeinheit als Zweikreisbremsanlage mit einem durch die Vorderradbremsen
12 und 13 repräsentierten Vorderachsbremskreis und einem durch die Hinterradbremsen
14 und 16 eines im übrigen nicht dargestellten Kraftfahrzeuges repräsentierten Hinterachsbremskreis
angenommen, wobei die Vorderradbremsen 12 und 13 mit den im Primär-Ausgangsdruckraum
17 des Tandem-Hauptzylinders 11 und die Hinterradbremsen 14 und 16 mit den im Sekundär-Ausgangsdruckraum
18 des Tandem-Hauptzylinders 11 bei einer Betätigung der Bremsanlage 10 sich aufbauenden
Ausgangsdrücken beaufschlagbar sind. Weiter ist vorausgesetzt, daß die Bremsanlage
10 mit einem insgesamt mit 19 bezeichneten Antiblockiersystem ausgerüstet ist, das
beim dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel als sogenanntes 3-Kanal-System
ausgebildet ist, das eine separate Bremsdruckregelung an den Vorderradbremsen 12
und 13 und eine gemeinsame, nach dem sogenannten Select-low-Prinzip erfolgende Bremsdruckregelung
an den Hinterradbremsen 14 und 16 vermittelt. Die den Vorderradbremsen 12 und 13
zugeordneten Bremsdruck-Regelventile 21 und 22 und das die Bremsdruckregelung im
Hinterachsbremskreis 14, 16 vermittelnde Bremsdruck-Regelventil 23 sind in üblicher
Gestaltung als 3/3-Wege-Magnetventile ausgebildet, in deren Grundstellung O - der
Einlaß stellung - Bremsdruck in der bzw. den angeschlossenen Radbremse(n) 12 und
13 bzw. 14 und 16 aufgebaut werden kann. Sie sind durch Ausgangssignale einer elektronischen
Steuereinheit 24, je nach Ablauf
eines Regelvorganges alternativ
oder zu mehreren in eine erregte Stellung t - die Druckhaltestellung -sowie in eine
erregte Stellung II - die Druckabbaustellung - steuerbar, in der Bremsflüssigkeit
aus der bzw.
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den jeweils angeschlossene(n) Radbremse(n) über eine Rücklaufleitung
26 in den Vorratsbehälter 27 zurückströmen kann. Eine zur Kompensation einer durch
eine Druckabbauphase der ABS-Regelung aus einem der Regelung unterworfenen Bremskreis
12, 13 und/oder 14, 16 abgelassenen Bremsflüssigkeitsmenge erforderliche Nachspeisung
von Bremsflüssigkeit in den jeweiligen Bremskreis erfolgt aus einem unter hohem
Mindestdruck von z.B.
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200 bar gehaltenen Druckspeicher 28, der auch als Hilfsdruckquelle
für einen in den Tandem-Hauptzylinder 11 integrierten hydraulischen Bremskraftverstärker
ausgenutzt ist. Die Nachspeisung von Bremsflüssigkeit in den jeweiligen Bremskreis
12, 13 und/oder 14, 16 erfolgt über je ein Umschalt-Magnetventil 29 bzw. 31, deren
Grundstellung 0 die Sperrstellung ist. In der erregten Stellung I dieser Umschalt-Magnetventile
29 bzw. 31 ist der Druckspeicher 28 an den Primär-Ausgangsdruckraum 17 bzw. den
Sekundär-Ausgangsdruckraum 18 des Tandem-Hauptzylinders angeschlossen. Die Umschalt-Magnetventile
29 und 31 sind in einer einfachen Gestaltung des Antiblockiersystems 19 durch diejenigen
Ausgangssignale der elektronischen Steuereinheit 24, durch die die Bremsdruck-Regelventile
21 bis 23 alternativ oder gemeinsam in deren Rücklaufstellungen II gesteuert werden,
in ihre Durchflußstellungen I steuerbar, mit der Folge, daß eine Nachspeisung von
Bremsflüssigkeit in den Primär-Ausgangsdruckraum 17 bzw. den Sekundär-Ausgangsdruckraum
18 des Tandem-Hauptzylinders 11
gleichzeitig mit Druckabbauphasen
der ABS-Regelung ablaufen, denen die Radbremsen 12 und 13 bzw. 14 und 16 im Regelbetrieb
des ABS, einzeln oder zu mehreren, unterworfen sind. Durch die konstruktive Gestaltung
der Bremsdruck-Regelventile 21 bis 23 und diejenige der Umschaltventile 29 und 31
sowie die Dimensionierung der Rücklauf- und Nachspeiseströmungspfade kann im Rahmen
einer solchen Bremsanlage 10 mit einfachen Mitteln erreicht werden, daß die in den
jeweiligen Bremskreis 12, 13 und 14 16 bzw. den jeweils zugeordneten Ausgangsdruckraum
17 bzw. 18 des Tandem-Hauptzylinders 11 nachgespeiste Bremsflüssigkeitsmenge mindestens
derjenigen entspricht, die in einer gleichzeitig ablaufenden Druckabbauphase der
ABS-Regelung in den Vorratsbehälter 27 zurückströmt. Die Bremskreise 12, 13 und
14, 16 können daher - ordnungsgemäße Funktion des Antiblockiersystems und der Nachspeiseeinrichtung
vorausgesetzt - nicht "leergeregelt" werden. Im Rahmen der insoweit hinsichtlich
ihres grundsätzlichen Aufbaues erläuterten Bremsanlage 10 ist der erfindungsgemäße
Tandem-Hauptzylinder, dessen konstruktive und funktionelle Einzelheiten im folgenden
eingehend erläutert werden soilen, sowohl unter dem Gesichtspunkt eines einfachen
Gesamtaufbaues als auch unter dem Sicherheitsaspekt, daß der Fahrer durch die am
Bremspedal 32 spürbare Reaktionskraft der Bremsanlage 10 insgesamt eine möglichst
genaue Rückmeldung über deren Funktionszustand gewinnen sollte, besonders vorteilhaft.
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Der Tandem-Hauptzylinder 11 ist als Stufenzylinder ausgebildet, mit
einer engeren Bohrungsstufe 33, innerhalb derer durch die Endstirnwand 36
des
Zylindergehäuses 34 sowie den als Schwimmkolben ausgebildeten, insgesamt mit 37
bezeichneten Sekundärkolben der Sekundär-Ausgangsdruckraum 18 begrenzt ist, wobei
der Sekundärkolben 37 mit seinen beiden Endflanschen zwischen denen sich ein mit
dem Vorratsbehälter 27 kommunizierender Nachlaufraum erstreckt, innerhalb dieser
engeren Bohrungsstufe 33 verschiebbar geführt ist, und mit einer räumlich weiteren
Bohrungsstufe 38, innerhalb derer der insgesamt mit 39 bezeichnete Primärkolben,
gegen diese weitere Bohrungsstufe 38 abgedichtet, verschiebbar geführt ist und die
eine bewegliche Abgrenzung des Primär-Ausgangsdruckraumes 17 bildet, dessen andere
bewegliche Begrenzung durch den Sekundärkolben 37 gebildet ist.
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Der Sekundärkolben 37 ist in einer üblichen Gestaltung ausgeführt
mit einem Zentralventil 41, das in der dargestellten Grundstellung des Sekundärkolbens
37, in die dieser durch eine Rückstellfeder 42 gedrängt ist, durch Anschlagwirkung
offengehalten ist, wodurch der Sekundär-Ausgangsdruckraum 18 des Tandem-Hauptzylinder
11 mit dem Vorratsbehälter 27 kommunizierend verbunden ist, und, sobald der Sekundärkolben
37 einen kleinen Teil seines Druckaufbauhubes ausgeführt hat, schließt.
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Der Primärkolben 39, der ebenfalls in seiner mit der Ruhestellung
des Bremspedals 32 verknüpften Grundstellung dargestellt ist, umfaßt einen zylindrisch-hülsenförmigen
Ringkolben 43 mit mittels Dichtmanschetten 44 und 46 gegen das Zylindergehäuse 34
abgedichteten Endflanschen
47 bzw. 48, zwischen denen sich ein
durch das Zylindergehäuse 34 und den Hülsenmantel 49 des Ringkolbens 43 begrenzter,
äußerer Ringraum 51 erstreckt, der in jeder möglichen Stellung des Ringkolbens 43
bzw.
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des Primärkolbens 39 mit einer Ringnut 52 und einer in diese mündenden
Bohrung 53 des Zylindergehäuses 34 kommuniziert, die an den Ausgang 54 des Druckspeichers
28 angeschlossen ist. In der durchgehenden, zentralen Bohrung 56 des Ringkolbens
53 sowie in mit dieser fluchtenden Bohrungen 57 und 58 radial nach innen weisender
Endflansche 59 und 61 eines insgesamt hülsenförmigen, gehäusefest angeordneten Trennringes
62 ist als weiteres Funktionsteil des Primärkolbens 39 ein langgestrecktzylindrischer
Tauchkolben 63 in axialer Richtung verschiebbar. Der Tauchkolben 63 ist seinerseits
mit einer zentralen Längsbohrung 64 versehen, die gegen den Primär-Ausgangsdruckraum
17 des Tandem-Hauptzylinders 11 durch eine Endstirnwand 66 abgesetzt ist, an welcher
die Rückstellfeder 67 angreift, die den Primärkolben 39 insgesamt in seine dargestellte
Grundstellung drängt.
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In dieser Kolbenstellung liegt ein radialer Anschlagflansch 68 der
Endstirnwand 66 des Tauchkolbens 63 an der ringförmigen Stirnfläche des primärdruckraumseitigen
Endflansches 47 des Ringkolbens 43 an, der sich seinerseits über einen dünnwandigen,
peripheren Stützring 69, der vom radial äußeren Rand des - in axialer Richtung gesehen
- äußeren Endflansches 48 des Ringkolbens 43 ausgeht, an dem inneren Flansch 59
des Trennringes 62 abstützt.
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Ein zwischen dem äußeren Ringkolbenendflansch 48 und dem inneren Endflansch
47 des Trennringes 62 verbleibender Arbeitsraum, durch dessen Druckbeaufschlagung
eine
hilfskraftunterstützte Verschiebung des Primärkolbens 39 erzielbar ist, ist mit
71 bezeichnet.
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In der zentralen Längsbohrung 64 des Tauchkolbens 63 sowie in einer
mit dieser fluchtenden Bohrung 72 des die pedalseitige Endstirnwand 73 des Zylindergehäuses
bildenden Bodens eines topfförmigen Abschlußteils 74 ist ein im wesentlichen zylindrisch-stabförmiger,
langgestreckter Steuerkolben 76 verschiebbar geführt, an dessen äußerem Endabschnitt
77 der Bremspedalstößel 78 angreift.
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Der Steuerkolben 76 ist mittels einer in der Bohrung 72 des Abschluß
teils 74 sitzenden Dichtmanschette 75 gegen das Zylindergehäuse 34 abgedichtet.
Durch flache Ringnuten 79 und 81 bzw. durch diese gegeneinander abgesetzte flache
Ringflansche 82, 83 und 84 des Steuerkolbens 76 sind innerhalb des Tauchkolbens
ein erster, als Steuerkanal ausgenutzter Ringraum 86 und ein zweiter, als Abström-
und Ausgleichskanal benutzter Ringraum 87 begrenzt.
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Durch den inneren flachen Ringflansch 82 und die Endstirnwand 66 des
Tauchkolbens 53 ist weiter ein Reaktionsraum 88 in axialer Richtung begrenzt, der
über eine zentrale, axiale Bohrung 89 der Endstirnwand 66 mit dem Primär-Ausgangsdruckraum
17 des Tandem-Hauptzylinders 11 kommuniziert. Durch eine Druckwendelf eder 91, die
sich an der den Reaktionsraum 88 einseitig begrenzenden Fläche der Endstirnwand
66 des Tauchkolbens einerseits und an dem Steuerkolben 76 andererseits abstützt,
ist dieser in seine auf den Tauchkolben 63 bezogene Grundstellung gedrängt, in der
sich der Steuerkolben 76 mit dem inneren Querrand eines Längsschlitzes an einem
mit dem Tauchkolben 63 fest verbundenen, radialen Anschlagstift 92 abgestützt, der
den Steuerkolbenschlitz 93 durchquert und bündig mit er
äußeren
Führungsmantelfläche 94 des Tauchkolbens 63 abschließt. Durch Betätigung des Bremspedals
32 ist der Steuerkolben 76 gegen die Rückstellkraft der Druckwendelfeder 91 verschiebbar,
maximal bis zur Anlage eines Anschlagstößels 96 an der Innenseite der Endstirnwand
66. Der maximale Hub, mit dem der Steuerkolben 76 zwischen seinen möglichen Endstellungen
relativ zum Tauchkolben 63 verschoben werden kann, hat einen typischen Wert von
ca. 3 mm. Der Außendurchmesser des Anschlagstößels 96 ist etwas kleiner als der
Innendurchmesser des Reaktionsraumes 88 bzw. des inneren Steuerkolben-Ringflansches
82, der mit einer ersten Steuerkante 97 gegen den Anschlagstößel 96 abgesetzt ist
und mit einer zweiten Steuerkante 98 an die den ersten Ringraum 86 begrenzpnde Ringnut
79 anschließt. Der äußere flache Ringflansch 84 des Steuerkolbens 76 ist durch eine
dritte Steuerkante 99 gegen den durch die Ringnut 81 begrenzten Ausgleichsringraum
87 abgesetzt, der über eine Querbohrung 101 des Steuerkolbens 76 und eine in diese
mündende, zentrale Längsbohrung 102 desselben mit dem Reaktionsraum 88 kommuniziert.
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Der Tauchkolben 63 hat in der aus der Zeichnung ersichtlichen Anordnung
eine erste, als Überströmöffnung ausgenutzte Radialbohrung 103, die in der dargestellten
Grundstellung des Ringkolbens 43, des Tauchkolbens 63 und des Steuerkolbens 76 mit
dem Reaktionsraum 78 einerseits und andererseits über eine innere Längsnut 104 des
Ringkolbens 43 mit dem Arbeitsraum 71 kommuniziert, der über eine zweite Radialbohrung
106 des Tauchkolbens 63 auch kommunizierend mit dem ersten, als Steuerkanal ausgenutzten
Ringraum 86 verbunden ist. Die Anordnung
dieser zweiten Radialbohrung
106 ist so getroffen, daß sie in jeder der möglichen Stellungen des Tauchkolbens
63 und des Steuerkolbens 76 zueinander in den Ringraum 86 mündet, während die erste
Radialbohrung 103 bei einer Verschiebung des Steuerkolbens 76 von dessen erster
Steuerkante 97 überfahren und dadurch abgesperrt werden kann. Eine dritte Radialbohrung
107 des Tauchkolbens 63, die in der Grundstellung des Primärkolbens 39 mit einer
Radialbohrung 108 des Ringkolbenmantels 1.49 kommuniziert, die in den an den Druckspeicher
28 angeschlossenen äußeren Ringraum 51 des Tandem-Hauptzylinders 11 mündet, ist
in der dargestellten Grundstellung des Steuerkolbens 76 gegen den ersten Ringraum
86 abgesperrt, jedoch durch Pedalbetätigung des Steuerkolbens 76 in kommunizierende
Verbindung mit dem Ringraum 86 bringbar, wodurch der Ausgangsdruck des Druckspeichers
28 in den Arbeitsraum 71 des Tandem-Hauptzylinders 11 einkoppelbar ist.
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Eine vierte Radialbohrung 109 des Tauchkolbens 63 ist in der dargestellten
Grundstellung des Steuerkolbens kommunizierend mit dem durch diesen begrenzten Ausgleichsringraum
87 verbunden, jedoch durch Verschiebung des Steuerkolbens in Richtung auf die Endstirnwand
66 des Tauchkolbens gegen den Ausgleichsringraum 87 absperrbar. Diese vierte Radialbohrung
109 ist an dem den gehäusefesten Trennring 62 durchsetzenden Teil des Tauchkolbens
63 so angeordnet, daß sie in jeder möglichen Stellung des Tauchkolbens 63 in den
sich zwischen den Endflanschen 59 und 61 des Trennringes erstreckenden, durch diesen
und den Tauchkolben begrenzten Ringraum 111 mündet, der über einen Ausgleichs- und
Nachlaufströmungspfad 112 mit dem Vorratsbehälter 27 verbunden ist.
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Beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel ist der durch den
Ringkolben 43 und den Trennring 62 in axialer Richtung begrenzte Arbeitsraum 71
über einen den Trennring 62 in Längsrichtung durchsetzenden überströmkanal 113 mit
einem durch das topfförmige Abschlußteil 74 des Zylindergehäuses begrenzten weiteren
Arbeitsraum 114 kommunizierend verbunden, so daß, wenn der Ringkolben 43 auf seiner
den Arbeitsraum 71 begrenzenden Ringfläche 116 druckbeaufschlagt ist, auch der Tauchkolben
auf seiner innerhalb des weiteren Arbeitsraumes 114 angeordneten, als Arbeitsfläche
wirksamen Ringfläche 117 stets mit demselben Druck beaufschlagt ist, wie der Ringkolben
43.
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Der insoweit erläuterte Tandem-Hauptzylinder 11 hat die folgenden
funktionellen Eigenschaften: In den dargestellten Grundstellungen seiner Kolben
37 und 39 sowie des Steuerkolbens 76 sind die Ausgangsdruckräume 17 und 18 sowie
die Arbeitsräume 71 und 114 mit dem Vorratsbehälter 27 kommunizierend verbunden
und daher drucklos. Bei einer Betätigung des Bremspedals 32 und der daraus resultierenden
Verschiebung des Steuerkolbens 76 innerhalb des Tauchkolbens 63 überfährt zuerst
die dritte Steuerkante 99 des äußeren Ringflansches 84 des Steuerkolbens 76 die
Radialbohrung 109, wodurch letztendlich der Primär-Ausgangsdruckraum 17 des Tandem-Hauptzylinders
gegen den Vorratsbehälter 27 abgesperrt wird und der Druckaufbau im Primär-Ausgangsdruckraum
17 einsetzen kann Im weiteren Verlauf des Anfangshubes des Steuerkolbens 76 wird
als nächste die erste Radialbohrung 103 des Tauchkolbens 63 von der Steuerkante
97 des Steuerkolbens 76 überfahren und
verschlossen und dadurch
der Primär-Ausgangsdruckraum 17 gegen die Arbeitsräume 71 und 114 abgesperrt. Durch
weitere Verschiebung des Steuerkolbens 76 in Richtung auf die Endstirnwand 66 des
Tauchkolbens 63 wird, sobald die zweite Steuerkante 98 des inneren Ringflansches
62 in den Querschnittsbereich der dritten Radialbohrung des Tauchkolbens 63 gelangt,
unter hohem Druck stehende Bremsflüssigkeit aus dem Druckspeicher 28 in den durch
den Ringkolben 43 einseitig begrenzten Arbeitsraum 71 und über den überströmkanal
113 auch in den weiteren Arbeitsraum 114 eingespeist.
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In diesem Funktionszustand des Tandem-Hauptzylinders 11 ist die Gesamtkraft
KG, mit der der Primärkolben 39 im Sinne eines Bremsdruckaufbaues im Primär-Ausgangsdruckraum
17 beaufschlagt ist, durch die Beziehung KG =Kp + (F1 - F3) # Ps (1) gegeben, wobei
mit Kp die Pedalkraft, mit F1 die Querschnittsfläche der größeren Bohrungsstufe
38 des Tandem-Hauptzylinders 11, mit F3 die Querschnittsfläche der Ringflansche
82 bis 84 des Steuerkolbens 76 und mit P5 der Ausgangsdruck des Druckspeichers bezeichnet
sind.
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Der sich im Primär-Ausgangsdruckraum 17 aufbauende Bremsdruck PVA
genügt dann - unter Vernachlässigung von Reibungsverlusten und des Einflusses der
im Tandem-Hauptzylinder vorgesehenen Rückstellelemente und 91 - der Beziehung Kp
+ (F1 - F3)#Ps (2) PVA = F1
Dieser Ausgangsdruck PVA, der im Reaktionsraum
88 auch auf die wirksame Fläche F3 des Steuerkolbens wirkt, führt zu einer der Pedalkraft
Kp entgegengesetzt gerichteten Reaktionskraft Kr gemäß der Beziehung Kr PVA . F3
(3) Sobald die Reaktionskraft Kr die Pedalkraft Kp überwiegt, wird der Steuerkolben
76 innerhalb des Tauchkolbens 63 zurückgedrängt, worauf die kommunizierende Verbindung
des Druckspeichers 28 mit den Arbeitsräumen 71 und 114 des Tandem-Hauptzylinders
11 wieder unterbrochen wird. Für den sich einspielenden Gleichgewichtsfall, der
dadurch zustande kommt, daß durch die Reaktionsbewegungen des Steuerkolbens die
kommunizierende Verbindung zwischen dem Primär-Ausgangsdruck 17 und den Arbeitsräumen
71 und 114 in fortlaufenden Regelspiele ständig unterbrochen und wieder hergestellt
wird, gilt dann PVA =P (4) g wobei mit Pg der Gleichgewichtsdruck bezeichnet ist,
mit dem der Ringkolben 43 und der Tauchkolben'63 beaufschlagt sind.
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Unter Berücksichtigung der Beziehung (2) ergibt sich dann Pg # F1
= Kp + F1 # Pg - F3 # Pg
oder KR =F3 . P (5) g bzw. unter Berücksichtigung
der Beziehung (1), wenn in dieser der Gleichgewichtsdruck Pg eingesetzt wird, die
Beziehung KG (Pg) = Kg = F3Pg + (F1 - F3)Pg (1a) und hieraus, unter Berücksichtigung
der Beziehung (5), die Beziehung Kg/Kp = F1/F3 (6) für die durch die Hilfskraftunterstützung
erzielte über setzung der am Bremspedal 32 aufgebrachten Bremsenbetätigungskraft.
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Bei einer Zurücknahme der Pedalkraft wird der Steuerkolben 76 - in
der Darstellung der Zeichnung nach rechts -zurückgeschoben, wobei zunächst die kommunizierende
Verbindung der Arbeitsräume 71 und 114 mit dem Druckspeicher 28 unterbrochen und
danach die Radialbohrungen 97 und 109 des Tauchkolbens 63 wieder freigegeben werden,
wodurch die Arbeitsräume 71 und 114 sowie der Primär-Ausgangsdruckraum 17 des Tandem-Hauptzylinders
11 über den Ausgleichs- und Nachlaufströmungspfad 112 in kommunizierende Verbindung
mit dem Vorratsbehälter 27 gelangen und sich zu diesem hin entspannen können, während
der Druckabbau im Sekundärbremskreis über das Zentralventil 41 des Sekundärkolbens
37 erfolgt.
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Die durch die Beziehung (6) bestimmte Bremskraftverstäkung ist durch
die konstruktive Auslegung des Fläcnenverhältnisses F1/F3 der Querschnittsfläche
F1 der größeren Bohrungsstufe 38 zur Querschnittsfläche F3 des Steuerkolbens 76
des Tandem-Hauptzylinders 11 innerhalb weiter Grenzen vorgebbar, wobei Werte dieses
Verhältnisses zwischen 3 und 4 für Personenkraftwagen der mittleren Leistungs- und
Gewichtsklasse und Werte zwischen 5 und 6 für Personenkraftwagen der gehobenen Leistungsklasse
und entsprechend höheren Gewichtes bedarfsgerecht sind.
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Die jeweils erzielte Bremskraft ist dem Pedalweg proportional, und
die vom Fahrer bei einer Bremsung am Bremspedal 32 spürbare, durch die Beziehung
(3) wiedergegebene Reaktionskraft ist den in den Ausgangsdruckräumen 17 und 18 des
Tandem-Hauptzylinders 11 erzeugten Drücken proportional, die bei dem dargestellten
Aufbau des Tandem-Hauptzylinders 11, bei dem die den Primär-und den Sekundär-Ausgangsdruckraum
jeweils einseitig begrenzenden Kolbenflansche des Sekundärkolbens 37 dieselbe Fläche
F4 haben, gleich sind (wenn der Einfluß der am Sekundärkolben 37 angreifenden, innerhalb
des Sekundär-Ausgangsdruckraumes 17 angeordneten Rückstellfeder 42 vernachlässigt
wird). Die über das Bremspedal 32 spürbare Rückmeldung über die Funktion der Bremsanlage
10 ist sehr feinfühlig, da der Steuerkolben 76, an dem das Bremspedal 32 über den
Stößel 78 angreift, direkt dem im Reaktionsraum 88 und damit den im Primär-Ausgangsdruckraum
17 herrschenden Bremsdruck PVA ausgesetzt ist und außerdem der Steuerkolben lediglich
mittels der einzigen Dichtmanschette 75 gegen das
Zylindergehäuse
34 abgedichtet ist und somit Reibungskräfte, die zu einer Dämpfung oder einer Hysterese
der Steuerkolbenreaktion führen könnten, minimiert sind.
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Durch das Funktionszusammenspiel des Ringkolbens 42, des Tauchkolbens
63 und des Steuerkolbens 76 im Sinne der Erzeugung eines pedalkraft- bzw. pedalwegproportionalen
Gleichgewichtsdruckes in den Arbeitsräumen 71 und 114 vermitteln diese Elemente
des Tandem-Hauptzylinders 11 auch die Funktion eines Proportional-Regelventils,
das bei konventionellen hilfskraftunterstützten Bremsanlagen mit statisch betriebenen
Bremskreisen als eine zusätzliche, außerhalb des Zylindergehäuses 34 angeordnete
Baugruppe ausgebildet ist.
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Bei einem Ausfall des Hinterachsbremskreises 14, 16, wobei der Sekundärkolben
37 auf die Endstirnwand 36 des Zylindergehäuses 34 aufläuft, ergibt sich ein um
den Maximalhub des Sekundärkolbens 37 vergrößerter Pedalweg; die Hilfskraftunterstützung
für den funktionsfähig verbliebenen-Vorderachsbremskreis 12, 13 bleibt jedoch in
vollem Umfang erhalten.
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Auch bei einem Ausfall des Vorderachsbremskreises 12, 13, wobei der
Primärkolben 39 des Tandem-Hauptzylinders 11 auf dessen Sekundärkolben 37 auf läuft,
bleibt, bei entsprechend vergrößertem Pedalweg, die Hilfskraftunterstützung für
den funktionsfähig verbliebenen Hinterachsbremskreis 14, 16 erhalten. Da in diesem
Falle die durch die Beziehung (1) angegebene, durch Pedalkraft-und Hilfskraftbeaufschlagung
des Primärkolbens 39 erzeugte Gesamtkraft KG direkt am Sekundärkolben 37 angreift
und dessen wirksame Kolbenfläche F4 kleiner ist
als die Querschnittsfläche
F1 der größeren Bohrungsstufe 38 bzw. die wirksame Kolbenfläche des Primärkolbens
39, ist der Druck im Hinterachsbremskreis 14, 16 im Verhältnis F1/F4 höher als bei
ordnungsgemäßer Funktion des Vorderachsbremskreises 12, 13, mit der Folge, daß die
über den Hinterachsbremskreis 14, 16 allein erzielbare Abbremsung des Fahrzeuges
erhöht ist und ein nach einschlägigen gesetzlichen Bestimmungen zu erreichender
Mindestwert der Abbremsung ohne weiteres erreichbar ist.
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Bei einer Erschöpfung des Druckspeichers 28, die z.B.
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eintreten kann, wenn eine im Rahmen einer insgesamt mit 118 bezeichneten
Speicher-Ladeeinrichtung üblicher Bauart vorgesehene, elektrisch angetriebene Pumpe
119 ausfällt, entfällt die Hilfskraftunterstützung, und der Ringkolben 43 bleibt
bei einer Betätigung der Bremsanlage 10 stehen. Bei einer Bremsung legt sich der
Steuerkolben 76 an die Endstirnwand 66 des Tauchkolbens 63 an, so daß auf diesen
die Pedalkraft Rp wirkt. Die für den Druckaufbau im Primär-Ausgangsdruckraum 17
wirksame Kolbenfläche F2 ist gleich der Summe der Ringfläche 117 des Tauchkolbens
63 und der Querschnittsfläche F 3 des Steuerkolbens 76 und insgesamt gleich der
Querschnittsfläche der zentralen Bohrung 56 des Ringkolbens 43.
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Der im Primär-Ausgangsdruckraum 17 mittels der Pedalkraft Rp aufbaubare
Vorderachsbremsdruck PVA, der über den Sekundärkolben 37 auch in den Sekundär-Ausgangsdruckraum
18 des Tandem-Hauptzylinders 11 eingekoppelt wird, beträgt dann PVA = Kp/F2.
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Da die nunmehr als Primärkolbenfläche wirksame Fläche F2 kleiner ist
als die bei ordnungsgemäßer Funktion der Bremsanlage 10 als Primärkolbenfläche wirksame
Fläche F1 ist die Pedalkraft Kp1, die zur Erzeugung eines bestimmten Wertes PVA1
des Ausgangsdruckes erforderlich ist, verglichen mit einem sich hiernach gemäß der
Beziehung (ß) ergebenden Wertes der Gesamtkraft KG1, im Verhältnis F2/F1 reduziert,
dafür aber der Pedalweg im Verhältnis F1/F2 vergrößert. In typischen Auslegungen
des Tandem-Hauptzylinders 11 mit Werten des Flächenverhältnisses F1/F3 zwischen
4 und 6, des Flächenverhältnisses F1/F2 zwischen 2 und 2,75 sowie des Flächenverhältnisses
F1/F4 zwischen 2 und 3 werden mit der Bremsanlage 10 auch bei einem Ausfall der
Hilfsdruckquelle 23, 118 immer noch Werte der Abbremsung erreicht, die deutlich
über den gesetzlichen Mindestanforderungen liegen.
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In einer abgewandelten Gestaltung des Tandem-Hauptzylinders 11 ist
ein den ringförmigen Arbeitsraum 71, der durch den Ringkolben 43 und den Trennring
62 in axialer Richtung begrenzt ist, mit dem weiteren Arbeitsraum 114, der durch
den Trennring 62 und das Abschlußteil 74 begrenzt ist, verbindender Überströmkanal
113 nicht vorgesehen und dafür dieser weitere Arbeitsraum 114, wie gestrichelt angedeutet,
über miteinander fluchtende Radialbohrungen 121 des Abschlußteils 74 bzw. des Zylindergehäuses
34 sowie einen Ausgleichsströmungspfad 123 an den Vorratsbehälter 27 angeschlossen.
In dieser Gestaltung des Tandem-Hauptzylinders 11 wirkt der vom Ausgangsdruck P5
des Druckspeichers 28 abgeleitete Steuerdruck nur auf die Ringfläche 116 des Ringkolbens
43, d.h. auf eine Fläche der Größe F1 - F2. Der Verstärkungsfaktor, um den dann
- bei intakter Hilfskraftunterstützung
- die auf den Primärkolben
39 wirkende Betätigungskraft KG größer ist als die Pedalkraft Kp ist dann durch
das Verhältnis KG/Kp = F1/F2 gegeben, wobei dieser Wert in typischer Auslegung des
Tandem-Hauptzylinders 11 50 % bis 60 % des Wertes F1/F3 betragen kann.
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Hinsichtlich des Gehäuse- und Kolbenaufbaues weitgehend identische
Tandem-Hauptzylinder 11 können daher durch Verwendung verschiedener Trennringe 62
- mit oder ohne überströmkanal 113 - sowie unterschiedlicher Abschlußstücke 74 -
ohne oder mit der Radialbohrung 121 - auf deutlich verschiedene Verstärkungsfaktoren
der hydraulischen Bremskraftverstärker ausgelegt werden. Es können daher im Rahmen
einer Großserienfertigung verschiedener Fahrzeugtypen unterschiedlicher Gewichts-
und Leistungsklassen, die entsprechend unterschiedliche Werte der Bremskraftverstärkung
erfordern, im wesentlichen dieselben Tandem-Hauptzylinder eingesetzt werden, was
unter Gesichtspunkten der Rationalisierung der Fertigung von erheblichem Vorteil
sein kann.
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