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Die vorliegende Erfindung betrifft die pneumatischen
Servomotoren des Typs, der dazu verwendet wird, bei Kraftfahrzeugen eine
Bremsunterstützung bereitzustellen.
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Solche Servomotoren sind gut bekannt und werden häufig in der
Kraftfahrzeugtechnik verwendet. Sie enthalten ein Gehäuse, das
so an der den Motorraum vom Innenraum trennenden Spritzwand
befestigt ist, daß sie durch ein Bremspedal betätigt werden
können, das im Innenraum angeordnet ist und daß sie den
Primärkolben eines Hauptzylinders betätigen können, der im Motorraum
angeordnet ist und mittels eines Hydraulikkreises mit den Bremsen
des Fahrzeugs verbunden ist.
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Um die Funktionsweise dieser Servomotoren und auch das Gefühl
zu optimieren, das vom Fahrer aufgenommen wird, wenn er auf das
Bremspedal drückt, wurde seit langem versucht, die sogenannte
Angriffskraft zu vermindern, also die Kraft, die zum Betätigen
des Servomotors notwendig ist.
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Es wurde aber festgestellt, daß es eine untere physikalische
Grenze gibt, unter die die Angriffskraft nicht absinken kann.
Nachdem ein Servomotor betätigt ist, erzeugt er nämlich wieder
eine Kraft, die Rückstellkraft genannt wird, wenn er seine
Ruhestellung wieder einnimmt. Es ist leicht zu sehen, daß die
Angriffskraft nicht kleiner als die Rückstellkraft sein kann.
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Aus dem Dokument WO 94/04403 ist beispielsweise ein Servomotor
bekannt, der dem Obergriff des Hauptanspruchs entspricht und
bei welchem die Angriffskraft vermindert ist, indem Mittel
vorgesehen sind, um auf die hintere Fläche des Verschlußelementes,
das das Dreiwegeventil eines Servomotors bildet, den Druck
einwirken zu lassen, der in der hinteren Kammer des Servomotors
herrscht.
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Dieser bekannte Servomotor enthält ein Gehäuse, das eine
Symmetrieachse aufweist und in dichter Weise von einer beweglichen
Wandstruktur in eine permanent mit einer Unterdruckquelle
verbundene vordere Kammer und eine hintere Kammer unterteilt ist,
die selektiv mit der vorderen Kammer oder einer Hochdruckquelle
durch ein Dreiwegeventil verbunden ist, das von einer
Steuerstange betätigt wird, die sich mittels der vorderen Seite eines
Tauchkolbens an der hinteren Seite einer fest mit einer
Reaktionsscheibe verbundenen Schubstange abstützen kann, wobei der
Tauchkolben in einer Bohrung der beweglichen Wand gleitet,
wobei das Dreiwegeventil ein Ventilelement enthält, das in einem
rohrförmigen hinteren Abschnitt der beweglichen Wand angeordnet
ist und mittels einer ringförmigen Vorderfläche mit einem am
Tauchkolben gebildeten ersten ringförmigen Ventilsitz und mit
einem an der beweglichen Wand gebildeten zweiten ringförmigen
Ventilsitz zusammenwirkt, wobei der erste Ventilsitz
konzentrisch mit dem zweiten Ventilsitz ist und einen kleineren
Durchmesser hat, wobei die ringförmige Vorderfläche des
Ventilelementes in dem rohrförmigen hinteren Abschnitt der
beweglichen Wand bewegbar ist und in diesem mittels seines Außenrandes
und seines Innenrandes abdichtet, wobei die ringförmige
Vorderfläche des Ventilelementes wenigstens eine Öffnung enthält, die
eine hinter der ringförmigen Vorderfläche des Ventilelementes
angeordnete Kammer mit einem zwischen dem ersten Ventilsitz und
dem zweiten Ventilsitz angeordneten Raum verbindet.
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Eine solche Gestaltung ermöglicht es, die Unterschiede der
Drücke auf die das Dreiwegeventil bildenden verschiedenen
Elemente umzuverteilen und auf diese Weise die Belastungen der
verschiedenen Rückstellfedern, die für den Betrieb des
Dreiwegeventils verwendet werden, in der Ruhestellung und der
Arbeitsstellung zu vermindern. Daraus ergibt sich, daß die zum
Zusammendrücken dieser Federn in einer ersten Phase notwendige
Angriffskraft vermindert werden kann.
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Dieser bekannte Servomotor weist jedoch im Hinblick auf die
gegenwärtigen Anforderungen der Kraftfahrzeugkonstrukteure immer
noch eine recht große Angriffskraft auf, die vermindert werden
soll.
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Die vorliegende Erfindung hat somit zur Aufgabe, einen
Servomotor zu schaffen, dessen Angriffskraft soweit wie möglich
vermindert ist; sie schlägt zu diesem Zweck vor, auch die
Rückstellkraft zu vermindern.
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Zu diesem Zweck ist gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgesehen, daß die Resultierende der Kräfte, die von den auf den
Tauchkolben ausgeübten niedrigen und hohen Drücken erzeugt
werden, permanent gleich Null oder vernachlässigbar ist.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung
eines beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gegebenen Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen
zeigt:
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- die einzige Figur in einer längsgeschnittenen Seitenansicht
den hinteren Mittelabschnitt eines gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführten pneumatischen Bremsunterstützungs-
Servomotors.
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In der Figur ist der hintere Mittelabschnitt eines
pneumatischen Bremsunterstützungs-Servomotors dargestellt, der dafür
vorgesehen ist, in herkömmlicher Weise zwischen dem Bremspedal
eines Fahrzeugs und dem Hauptzylinder angeordnet zu werden, der
den hydraulischen Bremskreis dieses Fahrzeugs steuert. Es ist
Konvention, mit "vorne" bezüglich des Servomotors den zum
Hauptzylinder gerichteten Teil und mit "hinten" bezüglich des
Servomotors den zum Bremspedal gerichteten Teil zu bezeichnen.
In der Figur befindet sich der vordere Abschnitt auf der linken
Seite und der hintere Abschnitt auf der rechten Seite.
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Der dargestellte Servomotor enthält ein schalenförmiges
Außengehäuse 10, das um eine Achse X-X' rotationssymmetrisch ist.
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Von diesem Gehäuse 10 ist in der Figur nur der hintere
Mittelabschnitt dargestellt.
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Im Inneren des Gehäuses 10 grenzt eine bewegliche Wandstruktur
12 eine vordere Kammer 14 und eine hintere Kammer 16 ab. Der
beweglichen Wand 12 ist eine nachgiebige Abrollmembran aus
einem Elastomer zugeordnet, deren Innenumfangsrand in dichter
Weise mittels eines Wulstes 18 in einem hohlen
Unterstützungskolben 20 aufgenommen ist, der entlang der Achse X-X' des
Servomotors angeordnet ist, und deren (nicht dargestellter)
Außenumfangsrand in dichter Weise am Außengehäuse 10 befestigt ist.
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Der hohle Kolben 20 ist nach hinten in der Form eines
rohrförmigen Abschnitts 22 verlängert, der in dichter Weise die
hintere Wand des Gehäuses 10 durchquert. Eine zwischen dem Kolben 20
und der (nicht dargestellten) vorderen Wand des Gehäuses 10
angeordnete Druckfeder 24 hält den Kolben 20 normalerweise in der
in der Figur dargestellten hinteren Ruhestellung, in der die
hintere Kammer 16 ihr minimales Volumen und die vordere Kammer
14 ihre maximales Volumen hat.
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Im vor dem hinteren rohrförmigen Abschnitt 22 angeordneten
Mittelabschnitt der beweglichen Wand weist der Kolben 20 eine
Bohrung 36 auf, in der verschiebbar ein Tauchkolben 28 aufgenommen
ist. In einer Blindbohrung des Tauchkolbens 28 ist das vordere
Ende einer Steuerstange 30 des Servomotors, die ebenfalls
entlang der Achse X-X' angeordnet ist, nach Art eines Kugelgelenks
angebracht.
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Das (nicht dargestellte) hintere Ende der Steuerstange 30, das
aus dem rohrförmigen Abschnitt 22 nach außen hervorsteht, wird
direkt von dem (nicht dargestellten) Bremspedal des Fahrzeugs
gesteuert und von einer Rückstellfeder 31 in seine Ruhestellung
zurückgestellt.
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Der ringförmige Raum 32 um die Steuerstange 30 herum kann mit
der hinteren Kammer 16 über einen radialen Durchgang 34, der in
dem Mittelabschnitt des Kolbens 20 ausgebildet ist, in
Verbindung
stehen, wenn von dem Tauchkolben 28 gesteuerte
Unterstützungsmittel betätigt sind.
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In beispielsweise aus dem oben genannten Dokument bekannter
Weise enthalten diese Unterstützungsmittel ein Dreiwegeventil,
das ein ringförmiges Ventilelement 36 und zwei konzentrische
ringförmige Ventilelemente 20a und 28a enthält, die am hinteren
Abschnitt des Mittelabschnitts des Kolbens 20 und am hinteren
Abschnitt des Tauchkolbens 28 angeordnet sind, wobei der Sitz
28a einen kleineren Durchmesser als der Sitz 20a hat, wobei
zwischen diesen beiden Sitzen ein Raum 35 ausgebildet ist, der
mit dem radialen Durchgang 34 in Verbindung steht.
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Das Ventilelement 36 hat eine allgemein rohrförmige Gestalt und
weist einen in dichter Weise am rohrförmigen Abschnitt 22
befestigten hinteren Abschnitt 38 und eine ringförmige Vorderfläche
40 auf, die entlang der Achse X-X' beweglich ist, wobei diese
Vorderfläche von einer Feder 42 nach vorne beaufschlagt wird.
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Die ringförmige Vorderfläche 40 ist mit dem hinteren Abschnitt
38 mittels ihres Innenumfangsrandes befestigt, und sie gleitet
in dichter Weise im Inneren des rohrförmigen Abschnitts 22
mittels ihres Außenumfangsrandes, so daß sie mit dem hinteren
Abschnitt 38 eine Kammer 44 bildet.
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Die ringförmige Vorderfläche weist Öffnungen 46 auf, die diese
Kammer 44 mit dem Raum 35 verbinden, der zwischen den
Ventilsitzen 20a und 28a angeordnet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Tauchkolben 28 in
dichter Weise in der Bohrung 26 verschiebbar mittels einer
Dichtung 50 angebracht, die in einer Umfangsnut des
Tauchkolbens angeordnet und mit der Wand der Bohrung 26 zusammenwirkt,
wie dies dargestellt wurde; alternativ könnte sie in einer Nut
der Bohrung 26 aufgenommen sein und mit der Außenfläche des
Tauchkolbens zusammenwirken.
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Die Dichtung 50 grenzt somit vor dem Tauchkolben 28 in der
Bohrung 26 ein Volumen 52 ab, das aufgrund eines im wesentlichen
axialen Durchbruchs 54 permanent mit dem ringförmigen Raum 32
in Verbindung steht.
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Wenn sich die Bauteile des Servomotors in der Ruhestellung
befinden, werden die Steuerstange 30 sowie der Tauchkolben 28
nach hinten beaufschlagt, wobei dieser mittels des Sitzes 28a
an der Fläche 40 anliegt und diese in einem kleinen Abstand vom
Sitz 20a hält, so daß das Dreiwegeventil normalerweise eine
Verbindung zwischen den beiden Kammern 14 und 16 des
Servomotors mittels des radialen Durchgangs 34 und eines im
wesentlichen axialen Durchgangs 48 ausbildet, der in dem
Mittelabschnitt des Kolbens 20 gebildet ist.
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In diesem Zustand ist der in der Kammer 44 herrschende Druck
gleich dem in der vorderen Kammer 16 des Servomotors
herrschenden niedrigen Druck, und die Vorderfläche 40 des Ventilelements
36 wird von dem im ringförmigen Raum 32 herrschenden hohen
Druck gegen den Ventilsitz 28a gedrückt. Die Feder 42, die
dafür vorgesehen ist, die Vorderfläche 40 nach vorne zu
beaufschlagen, kann somit nur eine sehr geringe Kraft ausüben.
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Andererseits steht das Volumen 52 aufgrund des Durchbruchs 54
mit dem ringförmigen Raum 32 in Verbindung, in welchem der
Druck der Hochdruckquelle herrscht. Der Tauchkolben 28 ist
somit zum einen der Kraft ausgesetzt, die von der Vorderfläche 40
des Ventilelements auf den Ventilsitz 28a ausgeübt wird, und
zum anderen der Kraft, die von dem im Volumen 52 herrschenden
und auf den Querschnitt des in der Bohrung 26 gleitenden
Tauchkolbens ausgeübten Druck erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, diese Kräfte perfekt
zu beherrschen, und sie ermöglicht insbesondere auf sehr
einfache Weise, deren Resultierende auf Null zu bringen, indem
vorgesehen wird, daß der Durchmesser der Bohrung 26 gleich dem
Durchmesser des Sitzes 28a ist. Der hohe Druck wirkt nämlich
auf den Tauchkolben 28 auf dessen Vorderfläche im Volumen 52
ein, also auf die Oberfläche des Verschiebequerschnitts S in
der Bohrung 26, und auf dessen hintere Fläche auf die
Oberfläche, die von dem Ventilsitz 28 abgegrenzt ist. Da diese beiden
Oberflächen gleich oder unter Berücksichtigung von
Herstellungstoleranzen annähernd gleich sind, ist auf diese Weise die
Resultierende der Kräfte, die von dem auf den Tauchkolben
einwirkenden niedrigen Druck und hohen Druck erzeugt werden, gleich
Null oder vernachlässigbar.
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Wenn der Fahrer des Fahrzeugs das Bremspedal betätigt, ergibt
sich daraus eine Bewegung der Steuerstange 30 des Tauchkolbens
28 und des Ventilelements 36 nach vorne, was in einer ersten
Phase die Kammern 14 und 16 voneinander isoliert, indem der
Ventildurchgang 28a bis 40 geschlossen wird, und in einer
zweiten Phase den Ventildurchgang 28a bis 40 öffnet und die
Verbindung zwischen der hinteren Kammer und dem ringförmigen Raum 32
über den Raum 35 und den Durchgang 34 ermöglicht.
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In dieser Betriebsphase erhöht sich der Druck in der hinteren
Kammer 16 des Servomotors sowie in der Kammer 44, bis maximal
der Wert des im ringförmigen Raum 32 herrschenden hohen Drucks
erreicht wird, wobei sich der Servomotor dann in der
sogenannten Sättigungsphase befindet.
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Der sich in der hinteren Kammer 16 des Servomotors erhöhende
Druck erzeugt eine Druckdifferenz an der beweglichen Wand, was
eine Unterstützungskraft erzeugt, welche diese nach vorne zu
verstellen sucht, wobei diese Kraft zu einer Schubstange 56
mittels einer ringförmigen Vorderfläche des Kolbens 20
übertragen wird, die auf eine Reaktionsscheibe 58 einwirkt, an deren
Mittelabschnitt die Vorderfläche des Tauchkolbens 28 anliegt.
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Während dieser Betriebsphase ändert sich der Druck am Umfang
des Tauchkolbens 28 zwischen dem permanent in der vorderen
Kammer 14 des Servomotors vorliegenden niedrigen Druck und dem in
dem ringförmigen Raum 32 vorliegenden hohen Druck. Wie bei der
vorhergehenden Situation wirkt aber der hohe Druck auf den
Tauchkolben 28 mittels dessen Vorderfläche ein, die von dem
Verschiebequerschnitt S in der Bohrung 26 abgegrenzt ist, und
auf dessen hintere Fläche mittels der Oberfläche, die von dem
Sitz 28a abgegrenzt ist. Die Resultierende der Kräfte, die von
den auf den Tauchkolben einwirkenden hohen und variablen
Drükken erzeugt werden, ist auch hier gleich Null oder
vernachlässigbar.
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Es ist andererseits zu sehen, daß die Reaktionsscheibe 58
zwischen der Schubstange 56, die in der vorderen Kammer des
Servomotors angeordnet ist, in der der niedrige Druck herrscht, und
dem Tauchkolben 28 angeordnet ist, vom dem gesehen wurde, daß
die Vorderfläche in dem Volumen 52 angeordnet ist, in welchem
der hohe Druck herrscht. Vorteilhafterweise sieht die
vorliegende Erfindung vor, zwischen der vorderen Kammer des
Servomotors und dem Volumen 52 die Abdichtung einfach mittels der
Reaktionsscheibe zu bewirken. Die Reaktionsscheibe 58 kann
beispielsweise kraftschlüssig in einer Aufnahme 60 angebracht
werden, die fest mit der Schubstange 56 verbunden ist.
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Wenn der Fahrer des Fahrzeugs seine Kraft auf das Bremspedal
vermindert, werden die Steuerstange 30 sowie der Tauchkolben 28
mittels der Feder 31 der Stange in ihre hintere Stellung
zurückgestellt. Der Sitz 28a des Tauchkolbens 28 gelangt somit in
Anlage an die Vorderfläche 40 des Ventilelements 36, und er
nimmt diese frei nach hinten mit, so daß der Ventildurchgang
20a bis 40 weit geöffnet wird. In dieser Betriebsphase sinkt
der Druck in der hinteren Kammer 16 des Servomotors abrupt ab,
da die Verbindung mit der vorderen Kammer 14 ausgebildet wurde.
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Der Druck am Umfang des Tauchkolbens 28 sinkt somit bis auf den
Wert des niedrigen Drucks ab, der permanent in der vorderen
Kammer 14 des Servomotors vorliegt. Wie bei den vorangegangenen
Betriebsphasen wirkt der hohe Druck auf den Tauchkolben 28 auf
dessen Vorderfläche ein, die von dem Verschiebequerschnitt S in
der Bohrung 26 abgegrenzt ist, und auf dessen hinterer Fläche
auf die Oberfläche, die von dem Ventilsitz 28a abgegrenzt ist.
Die Resultierende der Kräfte, die von den auf den Tauchkolben
einwirkenden hohen und variablen Drücken erzeugt werden, ist
auch hier gleich Null oder vernachlässigbar.
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Es ist somit zu sehen, daß bei dieser auf eine Betätigungsphase
des Servomotors folgende Phase des Rückkehrens in die
Ruhestellung die Rückstellfeder 31 nicht mehr, wie beim beispielsweise
von dem oben genannten Dokument dargestellten Stand der
Technik, eine variable Kraft überwinden muß, die von dem variablen
Druck erzeugt wird, der den Tauchkolben umgibt. Daraus ergibt
sich, daß diese Feder 31 eine sehr viel geringere Vorspannung
im Ruhezustand haben kann und daß die Rückstellkraft des
Servomotors um einen merklichen Teil vermindert ist. Es ist auf
diese Weise möglich, die Angriffskraft des Servomotors um
denselben Teil zu vermindern, um auf die gegenwärtigen Anforderungen
von Kraftfahrzeugkonstrukteuren zu reagieren.