Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Verstärker, insbesondere für Kraftfahrzeugbremsanlagen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 40 21 700 AI ist bereits ein hydraulischer Kraftverstärker bekannt geworden, der in seiner Bauform als sogenannter Rohrverstärker einen Übersetzerkolben im Verstärkergehäuse aufweist, der über einen als Sitzventil wirksamen Ventilkörper den Druck einer Energieversorgung in einen den Übersetzerkolben aufnehmenden Druckraum einleitet, sofern der Betätigungskolben unter Krafteinwirkung steht. In der Pedallösestellung ist der Druckraum drucklos mit einem atmosphärischen Behälteranschluß verbunden. Bei diesem mit einem Kugelventil versehenen Verstärker kommt es infolge des Axialspiels der Kugel zu Geräuschen oder gar zu Rückwirkungen auf das Pedal infolge einer Druckpulsation der Energieversorgung.

Weiterhin ist aus der DE 40 15 883 AI bereits ein hydraulischer Kraftverstärker bekannt geworden, der gleichfalls als Rohrverstärker ausgebildet ist und die Druckmittelsteuerung in Richtung der zu beaufschlagenden Fläche am Übersetzerkolben mittels eines Schieberventils vollzieht. Bei diesem Kraftverstärker wird der Druck der Energieversorgung nicht direkt zum Schieberventil geleitet, sondern mittels Druckminder- und Druckbegrenzerventil voreingestellt. Die Verwendung eines Schieberventils erfordert die Einhaltung enger Passungsspiele, wodurch sich die Herstellung des Kraftverstärkers verteuert.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen hydraulischen Verstärker der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß sich mit einfachen, funktionssicheren Mitteln ein kostengünstiger, universell verwendbarer und komfortabel bedienbarer Kraftverstärker herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für den Kraftverstärker der gattungsbildenden Art gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen nachfolgend anhand der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Kraftverstärkers im Längsschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt wesentlicher Merkmale des Kraftverstärkers nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau des hydraulischen Verstärkers, bestehend aus einem Verstärkergehäuse 1, mit der Adaptation eines Hauptzylinders la, eines Befestigungsflansches lb, eines Behälteranschlusses lc, mit einem Anschluß für eine Energieversorgung ld und die Adaption eines Stufenventils le. Ferner zeigt die Abbildung ein schräg zur Längsachse in das Ventilgehäuse 1 eingeführtes Druckminderventil 2, an das die Energieversorgung ld (Pumpe-Speichereinheit) angeschlossen ist. Eine als Patronen-Einsatzteil in das Verstärkergehäuse 1 in Längsrichtung eingeführte Betätigungseinheit 4 besteht aus einem hohlen Betätigungskolben 4a, der einen Regelkolben 4b sowie einen am Betätigungskolben 4a befestigten Ventilsitz 4c aufweist. Weiterhin ist ein Übersetzerkolben 4d zwischen der hinteren

Gehäuseaufnahme 4e der Betätigungseinheit 4 und der Druckstange 5 dem Betätigungskolben 4a übergestülpt. Alle vorgenannten Teile der Betätigungseinheit 4 sind zueinander koaxial ausgerichtet und gewissermaßen miteinander verschachtelt.

Die Druckstange 5 weist eine Rückstellfeder 5a und ein Federlager 5b auf, das im Bereich des Hauptzylinderflansches gehalten ist. Auch diese Teile befinden sich in einer koaxialen Anordnung gegenüber der Betätigungseinheit 4, womit baulich die Merkmale eines sogenannten Rohrverstärkers erfüllt sind.

Aus der Fig. 1 geht ferner ein Stufenventil 6 mit einem Ventilgehäuse 6a, einem darin befindlichen Stufenkolben 6b, einem Deckel 6c, einer Schraube 6d und einer Dichtungsplatte 6e zum Anflanschen des Stufenventils 6 am Verstärkergehäuse 1 hervor. Zwei Stufenventile 6 sind in Zwillingsanordnung für eine Zweikreiεbremsanlage am Verstärkergehäuse 1 angeflanscht. Bei diesen Stufenventilen 6 handelt es sich um eine wesentlich vereinfachte und kostengünstigere Version des in der DE 40 32 206 AI beschriebenen Umschaltventils, das um eine wesentliche Funktion erweitert wurde. Diese Funktionserweiterung beinhaltet die Aufteilung des Bremsflüssigkeitsvolumens pro Kreis in ein sogenanntes Anlegevolumen und ein sogenanntes Druckerhöhungsvolumen, das für die gesetzich geforderte Mindestabbremsung bei Verstärkerausfall nötig ist.

Im nachfolgenden wird anhand der Fig. 1 auf die einzelnen baulichen als auch funktionellen Merkmale der Erfindung eingegangen. In der Lösestellung steht der Speicherdruck über einen Anschluß für die Energieversorgung ld auf der Eingangsseite (Flächendifferenz der Flächen 166-165) des Druckminderventils 2 an, das in dieser Funktionsstellung als Druckbegrenzer arbeitet und den Speicherdruck auf der

Ausgangsseite 52 des Druckminderventils 2 auf einen Festwert begrenzt. Der Speicherdruck wird zum geminderten Speicherdruck, welcher durch die schräg verlaufende Gehäusebohrung 53 in den Ringraum 54 der Aufnahme 4e und von dort durch die Kanalbohrungen 55 in den Ringraum 56 der Betätigungskolbenbohrung gelangt. Diese Bohrung ist auf der Verstärkungsseite im Führungsbereich des Betätigungskolbens 4a kleiner als auf der Gegenseite im Bereich der Pedalstange. Der Durchmesser des Betätigungskolbens 4a ist bis zu dessen Ringnut 9 kleiner als am nach außen gedichteten Endabschnitt des Betätigungskolbens 4a. Entlang dieses Ringspaltes gelangt der geminderte Druck vom Ringraum 56 in die Ringnut 9 und von dort in die Bohrungen 10,11 des Betätigungskolbens 4a in den Regelkolbenraum 4f, durch die Kolbenbohrung 12 und an der Ventilkörpereinspannung vorbei in den Druckregelraum 112. Der Ventilkörper 13 hat die Aufgabe, den geminderten Speicherdruck am Ventilsitz 4c abzudichten. Alle übrigen Naßräume im Verstärkergehäuse 1, im Stufenventil 6 und im Hauptzylinder la sind während dieser Abdichtwirkung drucklos und mit einem Ausgleichsbehälter (Behälteranschluß lc) verbunden. Die Endlage des Betätigungskolbens 4a in der Lösestellung ist wie folgt definiert: Durch die ungleich großen Durchmesser am Betätigungskolben 4a besteht eine Flächendifferenz (Ringfläche), die vom geminderten Speicherdruck beaufschlagt ist und die eine Kraftkomponente entgegen der Pedal-Eingangskraftrichtung ergibt. Diese Kraftkomponente ist direkt proportional zum anliegenden hydraulischen Druck. Der hydraulische Druck ist in der Lösestellung des Verstärkers durch den im Druckminderventil 2 definierten Druckbegrenzungswert konstant (statisch), in der Bremsstellung wirkt der hydraulische Druck am Betätigungskolben 4a durch den geregelten hydraulischen Druck steigend (dynamisch). Durch den verjüngten Abschnitt am Betätigungskolben 4a gelangt der geminderte Speicherdruck nicht nur zum Regelkolben 4b, sondern es entsteht eine

hydraulische Rückstellwirkung am Betätigungskolben 4a entgegengesetzt zur Eingangskraftrichtung, die bewirkte, daß dieser über den Bund 15 des im Betätigungskolben 4a axial gesicherten Ventilsitzes 4c über die Stirnflächen des Übersetzerkolbens 4d an der Stirnfläche der Aufnahme 4e zum Anschlag kommt und gehalten wird. Die Aufnahme 4e ist durch einen Sicherungsring im Verstärkergehäuse 1 lagefixiert.

Im nachfolgenden werden wesentliche Funktionsmerkmale der Betätigungseinheit 4 unter Beachtung der Fig. 2 erläutert, die einen vergrößerten Ausschnitt des Verstärkers nach Fig. 1 zeigt. Die Betätigungseinheit 4 hat einen Ventilsitz 4c, einen Ventilkörper 13 mit einem Regelkolben 4b und eine Druckfeder 33, die sich am Betätigungskolben 4a abstützt. Alle Teile sind, wie bereits eingangs erwähnt, koaxial im Betätigungskolben 4a angeordnet. Der Ventilkörper 13 und der Ventilsitz 4c bilden eine Kugel-Dichtsitz- Regelelementenkombination. Für das Öffnen einer solchen hydraulisch druckbeaufschlagten Kombination ist eine Betätigungskraft entsprechend der druckbeaufschlagten Fläche mal dem Einspeisedruck nötig, also einen hohen wegunabhängigen Kraftanstieg bei volumendurchsatzgerechter Auslegung dieser Regelelemente. Außerdem erzeugt eine derartige Sitzventilanordnung entweder Geräusche oder überträgt Druckpulsationen auf das Pedal. Ein solches Verhalten ist bei einem Verstärker in den wenigsten Fällen akzeptabel. In bekannten Serienverstärkern wird deshalb häufig ein wesentlich teureres Schieberventil eingesetzt. Die nunmehr beanspruchte Betätigungseinheit 4 gleicht durch funktionelle Kombination des Ventilkörpers 13 mit einem gestuften Regelkolben 4b alle statischen und dynamischen Einflüsse aus. Dies geschieht dadurch, daß der geminderte Speicherdruck durch eine Zentralbohrung 12 auf beiden Seiten des Regelkolbens 4b ansteht. Die Flächendifferenz der Kolbenflächen 70 und 80 entspricht bis auf einen Korrekturfaktor der druckbeaufschlagten Fläche 90 des

Ventilkörpers 13, so daß die Kräfte in der Summe ausgeglichen sind. Die zum Abheben des Ventilkörpers 13 am Beginn der Betätigung nötige Kraft wird nur durch die Reibung der Dichtelemente am Regelkolben 4b und die Auslegung der Druckfeder 33 bestimmt. Im dynamischen Bereich und damit während der hydraulischen Druckregelung, wird dieses Gleichgewicht nicht durch eine aus dem geregelten Speicherdruck auf der Fläche 90 resultierende Kraft und nicht durch strömungsbedingte Einflüsse gestört, da die Ringfläche 100 des Regelkolbens 4b durch Bohrungen 110 mit dem geregelten hydraulischen Druck im Druckraum 112 verbunden ist. Da die Ringfläche 100 der Fläche 90 entspricht und da der geregelte Druck an der Fläche 90 und an der Ringfläche 100 gleich groß ist, neutralisieren sich die druckbedingten Einflüsse und die strömungsbedingten Einflüsse. Sie werden zu einer konstanten Größe, die sich umgekehrt proportional zum Öffnungsspalt der Betätigungselemente verhält.

Die Fig. 2 zeigt ferner den Übersetzerkolben 4d, der den Betätigungskolben 4a koaxial umgibt. Die Druckstange 5 ist ein separates Bauteil, welches verstärkerseitig im Übersetzerkolben 4d ohne feste Verbindung zentriert geführt ist und mittels Dichtelement 43 den hydraulischen Druck im geregelten Druckraum 112 am Übersetzerkolben 4d gegenüber dem den atmosphärischen Druck ausgesetzten Behälteranschluß lc abdichtet. Hauptzylinderseitig ist die Druckstange 5 mittels Kugeloberfläche im Druckkolben gelagert. Dieser Zustand muß bei intaktem Verstärker erhalten bleiben. Das gilt besonders in der Anlaufphase des Übersetzerkolbens 4d, d.h. wenn der geregelte hydraulische Druck noch nicht den sogenannten Loslaufdruck erreicht hat und dies gilt auch bei einem Bremskreisausfall des vorgeschalteten Hauptzylinders la. Zur Gewährleistung dieser Funktion erfüllt diese Baueinheit folgende Bedingungen: 1. Der abgedichtete Duchmesser an der Druckstange 5 ist

kleiner als der Hauptzylinder-Nenndurchmesser.

2. Die Federkraft der Hilfsfeder 5a ist größer als das Kraftprodukt aus Druckstangenfläche und Loslaufdruck.

3. Der Reibungswiderstand der Dichtung 47 am Übersetzerkolben 4d ist kleiner als das Produkt aus Druckstangenringflache 80 und Loslaufdruck. Der Loslaufdruck ist der Druck, der aufgebaut werden muß, um alle Reibungs- und Federkräfte in der Übersetzerkolben- /Druckstangenfunktionseinheit zu überwinden.

Bei ausgefallener hydraulischer Verstärkung fehlt der geregelte Speicherdruck der Energieversorgung ld oder der geminderte Speicherdruck oder der geregelte Druck werden durch Leckage wirkungslos. Der Betätigungskolben 4a schiebt nach Überwindung des Ventilschließweges (Axialluftspalte zwischen Bund 15 des Ventilsitzes 4c und Boden der Druckstange 5) die Druckstange 5 gegen die Hilfsfeder 5a aus ihrem Lager im Übersetzerkolben 4d heraus. Der Übersetzerkolben 4d verbleibt auf seiner momentanen Position, die Abdichtung zwischen dem geregelten Druckraum 112 und dem Behälteranschluß lc zur atmosphärischen Hydraulikversorgung wird aufgehoben. Die Druckstange 5 gleitet auf ihren Zentrierrippen 110 in der Gehäusebohrung. Bei diesem Notbetrieb entfällt der Reibungswiderstand der Dichtung 47, die Federkraft der hydraulischen Federwirkung und der Panschverlust, der bei der Betätigung durch das Umpumpen der Bremsflüssigkeit über den Ausgleichsbehälter am Behälteranschluß lc in dem Druckraum 112 entsteht. Bei Verstärkerausfall gelangt der Bund 15 des Ventilsitzes 4c an den Boden der Druckstange 5. Damit ist eine mechanische Verbindung zwischen dem Hauptzylinder la und dem Bremspedal hergestellt. Durch die Aufhebung der Abdichtung zwischen dem Kolben der Druckstange 5 und dem Übersetzerkolben 4d, ist der Druckraum 112 an den zum Ausgleichsbehälter führenden Druckstangenraum angeschlossen. Eventuell durch Fußkraft vom Ausgleichsbehälter in den Druckraum 112 gepumptes

Bremsflüssigkeitsvolumen kann sich direkt über die Lücken in den Führungsrippen 110 und damit am Bund 15 vorbei in Richtung des Druckstangenraums ausgleichen. Die Rückstellkraft der Druckfeder 5a ist hierbei für diesen Notfall auf ein Minimum ausgelegt. Bei der Verwendung eines Stufenventils 6 fehlt diesem ebenso im Ventilgehäuse 6a der geregelte Speicherdruck, worauf der aus dem Hauptzylinder la anstehende Bremsdruck den Stufenkolben 6b ab einem bestimmten Druckniveau verschiebt und es erfolgt damit die hydraulische Übersetzung des Hauptzylinderdrucks gemäß vorgegebenem Parameter.

In der Bremsenbetätigungsstellung wirkt die Eingangskraft über die Pedalstange auf den Betätigungskolben 4a. Nach Überwindung der hydraulischen Rückstellkraft und der Reibung der Dichtelemente am Betätigungskolben 4a wird der gesamte Betätigungskolben 4a um einen Leerweg verschoben, so daß die Kugel des Ventilkörpers 13 die in der Druckstange 5 angeordnete Ventilbohrung 7 dicht verschließt. Der Bund 15 des Ventilsitzes 4c hebt dabei um den gleichen Weg von der Stirnfläche des Übersetzerkolbens 4a ab, die Stirnfläche des Ventilsitzes 4c ist noch um den größtnötigen Regelweg von der gegenüberliegenden Anschlagfläche in der Druckstange 5 entfernt. Wird die Eingangskraft um die Federkraft der Druckfeder 33 und um die Reibung der Dichtelemente am Regelkolben 4b erhöht, bewegt sich der Betätigungskolben 4a weiter in Richtung Druckstange 5, während der Ventilkörper 13 mit dem gestuften Kolben sich über die Kugel auf der Ventilbohrung 7 abstützt und dem Weg des Betätigungskolbens 4a nicht folgen kann. Damit wird leerwegfrei die Ventilkörperdichtflache vom Ventilsitz 4c abgehoben und geminderter Speicherdruck kann entlang des Ringspalts zwischen Betätigungskolben und Übersetzerkolben 4d in den angeschlossenen Druckraum 112 einströmen. Hinter dem Übersetzerkolben 4d baut sich ein Druck auf, der diesen in der Bewegungsrichtung des Betätigungskolbens 4a folgen läßt.

Dabei wird die auf Anschlag sitzende Druckstange 5 mit der Ventilbohrung 7 gegen die Hilfsfeder 5a mitverschoben. Der auf der Ventilbohrung 7 abgestützte Ventilkörper 13 folgt ebenfalls und schließt somit wieder den Spalt zwischen der Ventilkörperdichtflache und dem Ventilsitz, womit der Druckaufbau hinter dem Übersetzerkolben 4d beendet ist.

Wird nun die Eingangkraft weiter erhöht, bewegt sich der Betätigungskolben 4a erneut in Richtung der Druckstange 5, ohne daß der Ventilkörper 13 folgen kann. Der oben beschriebene Regelzyklus kann erneut beginnen. Mit jeder Eingangskrafterhöhung erhöht sich folglich der Druck im abgeschlossenen Druckraum 112 (geregelter Druck) und der Übersetzerkolben 4d verstärkt diese Wirkung. Dieser geregelte Druck steht über die Bohrung 155 an der Kolbenfläche 165 des Druckminderventils 2 und über die Bohrung 17 auf dem Innendurchmesser des Stufenkolbens 6b im Stufenventil an.

Im Druckminderventil 2 bewirkt jede Erhöhung des geregelten Drucks über die Kolbenfläche 165 eine kurzzeitige Verschiebung (Öffnung) der Regelelemente 119,120 des Druckminderventils 2 und damit eine Anhebung des geminderten Speicherdrucks gemäß definierter Parameter.

Im Stufenventil 6 wird der Stufenkolben 6b durch den geregelten Druck gegen einen weichen Anschlag im Deckel 6c gedrückt und dort gehalten. Der aus dem Hauptzylinder la über die Bohrung 123,124 anstehende Druck wird unverändert über die Bohrung 125 an die Radzylinder weitergegeben.

Zusammenfassend ist nunmehr ersichtlich, daß es sich bei der Erfindung um einen zwischen Bremspedal und Hauptbremszylinder la in Reihe angeordneten hydraulischen Verstärker (Verstärkergehäuse 1) handelt, der mittels einer Betätigungseinrichtung 4 die vom Bremspedal angesteuerte

Fußkraft proportional nach dem Prinzip einer hydraulischen Übersetzung von Flächen verstärkt.

Zur Optimierung der Funktion wird der Verstärker vorzugsweise mit Bremsflüssigkeit (Monofluid) betrieben, der Behälteranschluß lc ist im Anschlußbereich des Verstärkergehäuses 1 zum Hauptzylinder la vorgesehen und der Übersetzerkolben 4d und die Druckstange 5 sind voneinander getrennte Bauteile.

Anstelle einer Druckfeder, die außen auf die

Betätigungsstange oder innenliegend auf den Übersetzerkolben wirkt, wird zur Rückstellung der Betätigungseinheit in die Lösestellung 4 zusätzlich eine hydraulische Rückstellwirkung am Betätigungskolben 4a genutzt, die sich durch die Flächendifferenz am Betätigungskolben 4a, beaufschlagt vom geminderten Speicherdruck, ergibt und die ca. 60 % der Gesamtrückstellkraft beträgt. Ein weiterer Vorteil im Hinblick auf die Funktionsgüte, ergibt sich durch die Anordnung eines hydraulisch gesteuerten Druckminderventils 2, das den Speicherdruck bedarfsgerecht reduziert. Eine Funktionserweiterung des Verstärkers stellt ein am Verstärkergehäuse 1 adaptiertes und vom geregelten Speicherdruck gesteuertes Stufenventil 6 sicher, wodurch sinnvoll die in ihrer Wirkung druckbeaufschlagte Hauptzylinderfläche bei Verstärkerausfall reduziert wird. Der Verstärker ist somit infolge seiner konstruktiven Auslegung in der Lage, einen Verstärkungsfaktor zwischen 4,8 - 10 zu realisieren.

Ferner ist das Ventilgehäuse 1 durch eine entsprechende Gehäuseanpassung für die Adaption von Hauptzylindern geeignet, die bisher mit Vakuumverstärker kombiniert wurden. Die konstruktive Auslegung der bewegten Innenteile des Verstärkers sind auf geringstmögliche Durchmesser, Reibung, Federkräfte und Anzahl bewegter Teile ausgerichtet, um

möglichst geringe Eingangskraftverluste bei Verstärkerausfall zu erzielen. Gleichfalls erlaubt die gewählte Konstruktion des Verstärkers eine vollautomatische Montage. Eine relativ einfache Veränderung des Verstärkungsfaktors wird durch Austausch des Übersetzerkolbens 4d und Anpassung der Aufnahmebohrung für den Übersetzerkolben 4d erreicht. Wegen der durchgehenden Gehäusebohrung und der kurzen Präzisionsoberflächen, ergibt sich eine besonders herstellfreundliche Gestaltung. Auf teure Präzisionsregelelemente kann durch die gewählte Betätigungseinheit 4-4e verzichtet werden. Durch die gewählte Anordnung der Verstärkerinnenteile ist nicht nur eine Baugrößenreduzierung gewährleistet, sondern auch der zulässige Betriebsdruck kann erhöht werden.

Durch die Anordnung des Behälteranschlusses lc entfernt vom Übersetzerkolben 4d, können Dichtungen im Verschiebeweg des Übersetzerkolbens 4d eingespart werden, womit sich die Reibung reduziert.

Die Druckstange 5 ist ein separates Bauteil, welches vorteilhaft verstärkerseitig im Übersetzerkolben 4d ohne feste Verbindung zentriert geführt iεt und mittels Dichtelement 43 den hydraulischen Druck im geregelten Druckraum 112 gegen den Übersetzerkolben 4d abdichtet.

Bezugszeichenliste

1 Verstärkergehäuse la Hauptzylinder lb Befestigungsflansch lc Behälteranschluß ld Energieversorgung le Stufenventiladapter

2 Druckminderventil

3 Deckel

4 Betätigungseinheit 4a Betätigungskolben 4b Regelkolben

4c Ventilsitz

4d Übersetzerkolben

4e Aufnahme

5 Druckstange

5a Rückstellfeder

5b Federlager

6 Stufenventil 6a Ventilgehäuse 6b Stufenkolben 6c Deckel

6d Schraube

6e Dichtungsplatte

7 Ventilbohrung 9 Ringnut 10,11 Bohrungen

12 Kolbenbohrung

13 Ventilkörper 15 Bund

47 Dichtung

52 Ausgangsseite

53 Gehäusebohrung

54 Ringraum

55 Kanalbohrung

Ringraum 0 Kolbenfläche Fläche Ringfläche Bohrung Führungsrippen Druckraum Bohrung ,124 Bohrung ,120 Regelelement