DE102016010170A1 - Method for increasing the braking effect in a preferably equipped with an ABS vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur weiteren Erhöhung der Bremswirkung eines mit einem Anti-Blockier-System (ABS) ausgestatteten Fahrzeugs (1), wobei das Fahrzeug (1) über ein oder mehrere Räder (VR, VL, HR, HL) auf der Fahrbahn (2) aufliegt und wobei das ABS-Bremssystem eine Steuereinheit aufweist, welche die auf die Räder (VR, VL, HR, HL) des Fahrzeugs (1) wirkenden Bremskraft regelt, um beim Einsetzen geringerer Bremswirkung deren Blockieren zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn während eines vom ABS geregelten Bremsvorganges sich ein Rad (VR, VL, HR, HL) in einem Zustand höherer Bremswirkung befindet, eine bewegliche Masse (3) gegen das betreffende Rad (VR, VL, HR, HL) entgegen der Fahrbahn (2) nach oben beschleunigt wird und innerhalb des daran sich anschließenden Zustands niedrigerer Bremswirkung, die Masse (3) gegen das betreffende Rad (VR, VL, HR, HL) wieder nach unten in Richtung Fahrbahn (2) bewegt wird, worauf sich dieser Vorgang zyklisch wiederholt.Method for further increasing the braking effect of a vehicle (1) equipped with an anti-lock braking system (ABS), wherein the vehicle (1) rests on the roadway (2) via one or more wheels (VR, VL, HR, HL) and wherein the ABS braking system comprises a control unit which controls the braking force acting on the wheels (VR, VL, HR, HL) of the vehicle (1) to prevent their blocking when braking is applied, characterized in that during a brake controlled by the ABS, a wheel (VR, VL, HR, HL) is in a state of higher braking action, a moving mass (3) against the relevant wheel (VR, VL, HR, HL) against the road (2) is accelerated upward and within the subsequent state of lower braking effect, the mass (3) against the wheel in question (VR, VL, HR, HL) is moved back down towards the lane (2), whereupon this process repeats cyclically ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.The invention relates to a method according to the preamble of
Bei einem Bremsvorgang hängt die Verzögerung des KFZ davon ab, welche Bremskraft die von der Bremsvorrichtung abgebremsten Räder tatsächlich auf die Fahrbahn übertragen werden können. Diese Bremskraft FB berechnet sich nach dem 2. Newtonschen Gesetz aus der Fahrzeugmasse m, der Erdbeschleunigung g und dem Reibungskoeffizienten μ zwischen Fahrbahn und Reifen:
Diese Beziehung gilt nur für horizontale Fahrbahnen, während bei geneigten Fahrbahnen noch der Winkel zwischen Fahrbahn und der Horizontalen zu berücksichtigen wäre.This relationship applies only to horizontal lanes, whereas on inclined lanes the angle between the lane and the horizontal should be taken into account.
Daraus lässt sich mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes (EPot = potentielle Energie, EKin = kinetische Energie, v = Fahrzeuggeschwindigkeit bei Einsetzen des Bremsvorganges) der Bremsweg s berechnen:
Es wird ersichtlich, dass die Fahrzeugmasse keinen Einfluss auf den Bremsweg hat. Bekannte Ansätze die Bremskraft zu vergrößern basieren zum einen auf einer Vergrößerung des Reibungskoeffizienten zwischen Reifen und Fahrbahn durch verbesserte Reifenkonstruktionen. Technische Lösungen, die auf einer, das KFZ unabhängig davon zusätzlich abbremsender Reibungswirkung beruhen, sind beispielsweise sogenannte Bremsschuhe, die unter anderem in der
Darüber hinaus sind Kraftfahrzeuge (KFZ) mit einem Antiblockiersystem (ABS) zur Regelung des von einem Bremskolben ausgeübten Drucks auf die Bremsbacken einer Trommel- oder Scheibenbremse allgemein bekannt. Diese Systeme regeln den Bremsdruck so, dass es zu keiner Blockade eines Rades des KFZs kommt, was mit einem Übergang von der Haft- in die wesentlich schwächere Gleitreibung verbunden wäre. Einzelheiten zur Bremsdruckregelung in Abhängigkeit des sogenannten Schlupfs eines Rades finden sich in der Literatur
Sämtliche der vorgenannten Bremssysteme konzentrieren sich in irgendeiner Form auf die Verbesserung oder Beibehaltung der Reibungskräfte zwischen KFZ und Fahrbahn. Unberücksichtigt blieb aber beim Bremsvorgang eine mögliche Vergrößerung der vom KFZ auf seine Räder wirkenden Gewichtskraft. Damit könnte nämlich bei gegebener Masse des Fahrzeugs, dessen Gewicht über die Wirkung der Erdbeschleunigung hinaus vergrößert werden.All of the aforementioned braking systems are somehow focused on improving or maintaining the frictional forces between the vehicle and the road. However, this did not take into account a possible increase in the weight force acting on the wheels by the vehicle during the braking process. Thus, given a mass of the vehicle, its weight could be increased beyond the effect of gravitational acceleration.
Eine weitere Möglichkeit einer Erhöhung der Bremskraft besteht deshalb darin, die Gewichtskraft unabhängig von der Fahrzeugmasse zu vergrößern. Dies kann zum Beispiel durch einen im KFZ angebrachten Raketenantrieb geschehen, der bei einem Bremsvorgang gezündet wird und das KFZ gegen die Fahrbahn drückt (
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Bremswirkung ist in der
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 beziehungsweise 2 sowie des Patentanspruchs 10 gelöst.This object is solved by the characterizing features of
Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem im KFZ vorhandenen ABS wird es ermöglicht, den Kraftstoß in dem Zeitraum wirken zu lassen, in dem das ABS aufgrund des noch geringen Schlupfes des betreffenden Rades den Bremsdruck und damit die Bremswirkung hoch hält. Steigt der Schlupf des betreffenden Rades bei fortgesetzt hohem Bremsdruck an, wird dieser vom ABS zur Verhinderung einer Blockade und damit auch die Bremswirkung des betreffenden Rades verringert. In dieser Zeitspanne verminderten Bremsdruckes findet dann die Gegenbewegung statt.By combining the device according to the invention with an existing ABS in the vehicle, it is possible to act on the impact in the period in which the ABS holds the brake pressure and thus the braking effect due to the still low slip of the wheel in question. Increases the slip of the wheel in question with continued high brake pressure, this is reduced by the ABS to prevent a blockage and thus the braking effect of the wheel in question. In this period of reduced brake pressure then takes place the counter-movement.
Aufgrund der Tatsache, dass der Kraftstoß in einer Zeitspanne hoher Bremswirkung und die Gegenbewegung in einer Zeitspanne relativ niedrigerer Bremswirkung stattfinden, hebt sich der Effekt von Kraftstoß und Gegenbewegung nicht auf, so dass insgesamt betrachtet eine Erhöhung der Bremswirkung eintritt.Due to the fact that the force surge takes place in a period of high braking effect and the counter-movement in a period of relatively lower braking effect, the effect of force shock and counter-movement does not cancel, so that an overall increase in the braking effect occurs.
Durch die Anknüpfung der Zeitspannen relativ hoher Bremswirkung bzw. niederer Bremswirkung an den vom ABS ermittelten Schlupf des betreffenden Rades ergibt sich für den Kraftstoß die bestmöglichste Erhöhung der Bremswirkung und für die Gegenbewegung die geringste mögliche negative Beeinflussung der Bremswirkung.By connecting the periods of relatively high braking or low braking effect on the determined by the ABS slip of the wheel in question results for the power surge the best possible increase in the braking effect and the counter-movement the least possible negative effect on the braking effect.
Berücksichtigt man gemäß Anspruch 3 zur Festlegung der Zustände von hoher und niedriger Bremswirkung der vom ABS ermittelte sogenannte Schlupf als Bezugsgröße, so ergibt sich eine besonders große Zunahme der Bremswirkung bei der Erhöhung der wirksamen Masse aufgrund noch guter Haftreibung und eine relativ geringe Abnahme der Bremswirkung bei der nachfolgenden Erniedrigung der wirksamen Masse, da dabei bereits ohnehin nur noch relativ schwache Haftreibung vorliegt.Taking into account according to
Durch die Ausführung nach Anspruch 4 wird keine separate Masse benötigt und das Fahrzeuggewicht nicht unnötig erhöht. Außerdem ist es bei Verwendung der kompletten Karosserie möglich eine besonders hohe Masse zu beschleunigen und dementsprechend eine maximale Gegenkraft auf die Fahrbahn zu erzeugen.The embodiment according to claim 4 no separate mass is needed and the vehicle weight is not increased unnecessarily. In addition, it is possible when using the complete body to accelerate a particularly high mass and accordingly to produce a maximum drag on the road.
Bildet man die Erfindung nach Anspruch 5 a) aus, so kann die Regelung der Bewegung des KFZ besonders effizient erfolgen. Dadurch ergeben sich zum einen die maximale Wirkung auf den Bremsvorgang und zum anderen eine minimale Bewegung des KFZ und ein damit verbundener Komfort für die Insassen sowie weniger Verschleiß an den mechanischen Bauteilen. Da sich das Fahrzeug nach Durchführung eines Zyklus gegenüber dem vorhergehenden Zyklus verlangsamt hat, verändern sich auch der zeitliche Verlauf des Schlupfes und damit auch die Dauer des Zustands niedriger und hoher Bremswirkung. Es ist deshalb von Vorteil, die Zeitintervalle, wie in Anspruch 5 b) beschrieben, für jeden Zyklus neu anzupassen.Forming the invention according to claim 5 a), the regulation of the movement of the motor vehicle can be carried out particularly efficiently. This results on the one hand, the maximum effect on the braking process and on the other a minimal movement of the car and associated comfort for the occupants and less wear on the mechanical components. Since the vehicle has slowed down after the execution of a cycle compared to the previous cycle, the time course of the slip and thus also the duration of the state of low and high braking effect change. It is therefore advantageous to re-adjust the time intervals as described in claim 5 (b) for each cycle.
Die Impulssteuereinheit nach Anspruch 6 bietet den Vorteil, dass mit Hilfe der vom ABS gestellten Größen ausgewertet und die Aktoren zur Bewegung des KFZ zentral gesteuert werden können.The pulse control unit according to
Die Ausführung der Bewegung nach Anspruch 7 a) ergibt den Vorteil, dass das KFZ den ohnehin zur Dämpfung des KFZ benötigten Stoßdämpfer gleichzeitig als Zylinder benutzt und dadurch mit geringem technischem Aufwand eine bewegliche Masse nach oben beschleunigen, beziehungsweise die Masse wieder zurück in ihre Ausgangsposition bewegen kann. Die Ausführung nach Anspruch 7 b) bietet den weiteren Vorteil eines wartungsfreien und besonders schnellen Systems, welches insbesondere bei rein elektrischen KFZ eingesetzt werden kann.The execution of the movement according to claim 7 a) gives the advantage that the car simultaneously uses the required for damping the vehicle shock absorber as a cylinder and thereby accelerate a small amount of technical effort a moving mass up, or move the mass back to its original position can. The embodiment according to claim 7 b) offers the further advantage of a maintenance-free and particularly fast system, which can be used in particular in purely electric vehicles.
Die Ausführungen nach Anspruch 8 sind Methoden die Kraft auf die Fahrbahn zu Erhöhen ohne, dass sich die Karosserie wesentlich bewegt, so dass ein erhöhter Komfort für die Insassen gewährt werden kann. Außerdem bieten diese Ausführungen den Vorteil einer besonders schnell wiederholbaren Ausführung die Kraft auf die Fahrbahn zu erhöhen.The embodiments according to claim 8 are methods of increasing the force on the road surface without substantially moving the body, so that increased comfort for the occupants can be granted. In addition, these designs offer the advantage of a particularly fast repeatable design to increase the power on the road.
Anspruch 9 stellt eine besonders einfache Ausführungsform der Bewegung dar, da der Vorgang einen einfachen Regelungsvorgang benötigt. Außerdem ergibt sich hierbei der Vorteil, dass die Bewegung immer bis zum Erreichen der jeweiligen Endposition erfolgt und somit der mögliche Verfahrweg maximal ausgenutzt werden kann. Claim 9 represents a particularly simple embodiment of the movement, since the process requires a simple control process. In addition, this results in the advantage that the movement always takes place until reaching the respective end position and thus the maximum possible travel can be utilized.
Im Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.In the following, three embodiments of the invention will be described in more detail.
Dabei zeigt:Showing:
Bei der Berechnung der Bremskraft kann demnach die zusätzliche konstante nach oben gerichtete Fahrzeugbeschleunigung mit der Erdbeschleunigung g summiert werden. Umso schneller das KFZ
Der Bremsweg würde dadurch trotz gleichbleibendem Reibungskoeffizienten und gleichbleibender Ausgangsgeschwindigkeit folgendermaßen verkürzt werden.The braking distance would be shortened as follows, despite the constant coefficient of friction and constant output speed.
Hierbei wurde von einem Idealfall mit konstanter Kraft und Beschleunigung ausgegangen. In der Praxis muss jedoch vielmehr von einem Kraftstoß ausgegangen werden und die Dämpfung insbesondere der Reifen und die Reibung und Trägheit des Systems mit einbezogen werden. Die Dämpfung und damit verbundene mögliche Verzögerung des Kraftstoßes kann entsprechend bei dem Kurvenverlauf oder dem Startsignal für die Bewegung mit einbezogen werden.This was assumed to be an ideal case with constant force and acceleration. In practice, however, it must rather be assumed that a force surge and the damping of the tires and the friction and inertia of the system are included in particular. The damping and possible possible deceleration of the power surge can be included accordingly in the curve or the start signal for the movement.
Diese Berechnungen gelten nur für den Fall, bei welchem das KFZ
Dieser Bewegungsvorgang soll dann für jeden Zyklus des ABS-Bremsvorganges wiederholt werden. Dadurch kann mit der wiederholbaren nach oben gerichteten Beschleunigung des KFZ
Die benötigte Gesamtzeit tGesamt des KFZ um in seine Ausgangsposition zu gelangen, berechnet sich aus der Steigzeit tS, die das KFZ
Die Fallzeit tF berechnet sich aus der Gesamthöhe h, welche sich aus der Beschleunigungsstrecke Δs und der Steighöhe hS zusammensetzt.
Bei dieser Beispielrechnung ist die benötigte Zeit für die nach oben gerichtete Beschleunigung in etwa gleich groß wie die benötigte Zeit für die Bewegung zurück in Ausgangsposition. Die benötigte Zeit für diese Bewegungen hängt jedoch stark von den hinterlegten Parametern und den dafür verwendeten Aktoren
Eine zweite Ausführungsform, nach gleichem Schema wie in
Hierbei ist zu beachten, dass die Kraft aus einem sehr kurz andauernden Kraftstoß resultiert. Dieser kann durch entsprechende Dämpfung zeitlich ausgeweitet werden, was jedoch auch eine Verringerung der mittleren Kraft zur Auswirkung hat. Es ist hierbei keine konstante Kraft durch eine konstante Beschleunigung wie beim ersten Ausführungsbeispiel möglich. Die Berechnung der Kraft eines Kraftstoßes kann entweder durch klassische Berechnung eines Kraftstoßes oder mithilfe des Energieerhaltungssatzes berechnet werden. Auch hier soll der Kraftstoß und die zeitliche Ausdehnung dem maximalen Effekt für das jeweilige KFZ angepasst werden. Die Schlagenergie beziehungsweise „Schlagkraft” kleinerer Schlaghämmer für den Handbereich beträgt 20–50 J, was auch der Größenordnung für ein Schlagwerk für ein Rad VR, VL, HR, HL entsprechen kann.It should be noted that the force results from a very brief power surge. This can be extended temporally by appropriate damping, which, however, also has a reduction of the average force to the effect. In this case, no constant force is possible by a constant acceleration as in the first embodiment. The calculation of the force of an impact can be calculated either by classical calculation of a force impulse or by the energy conservation law. Again, the power surge and the temporal extent of the maximum effect for the respective car to be adjusted. The impact energy or "power" of small impact hammers for the hand area is 20-50 J, which can also correspond to the order of magnitude for a hammer mechanism for a wheel VR, VL, HR, HL.
Eine weitere Möglichkeit für die zweite Ausführungsform ist es, eine rotierende Masse über einen Exzenter derart auszulenken, dass eine senkrecht zur Fahrbahn wirkende Schwungkraft entsteht. Die rotierende bewegliche Masse kann sich dabei um eine beliebige Achse bewegen, für den maximalen Effekt jedoch bestmöglich in einer Ebene parallel zur Fahrbahn. Die bewegliche Masse soll dazu an dem höchsten Punkt beginnen auszulenken, beim nach unten Bewegen an dem auf der Rotationsachse liegenden Punkt maximal ausgelenkt sein und an dem untersten Punkt wieder zurückbewegt sein, so dass diese beim nach oben bewegen keine Unwucht erzeugt. A further possibility for the second embodiment is to deflect a rotating mass via an eccentric in such a way that a momentum force acting perpendicular to the roadway arises. The rotating moving mass can move around any axis, but for the maximum effect in the best possible way in a plane parallel to the road. The moving mass is to start to deflect at the highest point, to be deflected at the point lying on the axis of rotation to the maximum point down and be moved back to the lowest point so that they do not generate an imbalance when moving up.
Vorzugsweise sollte diese Achse über ein Getriebe mit entsprechender Übersetzung mit der Motorachse oder der Radachse verbunden sein. Außerdem sollte die Drehzahl in einem gewissen Bereich regelbar sein, so dass die Frequenz der Rotation derer vom ABS überlagert bzw. synchronisiert werden kann.Preferably, this axis should be connected via a transmission with appropriate translation with the motor axis or the wheel axle. In addition, the speed should be adjustable within a certain range, so that the frequency of the rotation of which can be superimposed or synchronized by the ABS.
Desto größer die Differenz von Fahrzeug- und Radgeschwindigkeit desto größer ist auch der Schlupf. Die maximale Bremskraft kann bei dem Schlupf erreicht werden, bei welchem die Haft- in Gleitreibung übergeht. Die Schlupfgröße hängt dabei vom Reibungskoeffizienten ab. Der Bereich dieses Überganges ist durch die Schlupfschaltschwelle λ1 kenntlich gemacht. Der Bremsdruck wird beim Bremsvorgang konstant erhöht bis die Radgeschwindigkeit eine vom ABS berechnete Referenzgeschwindigkeit vRef unterschreitet, dann konstant gehalten und beim Überschreiten der Schlupfschaltschwelle gelöst. Die zunehmende Verschlechterung der Bremswirkung ist hierbei auch der Radumfangsbeschleunigung zu entnehmen. Nach einer vom ABS voreingestellten Druckdifferenz wird der Druck eine kurze Zeit gehalten und stufenweise erhöht bis der Schlupf bzw. die Radumfangsgeschwindigkeit wieder eine voreingestellte Mindestgrenze erreicht. Unterschreitet die Radumfangsgeschwindigkeit wieder die Referenzgeschwindigkeit durch eine Schlupferhöhung, so wird der Druck wieder gelöst. Dieser Vorgang wird zyklisch während des gesamten Bremsvorganges mit der derzeitigen Technik im Bereich von 5–15 Takten/Sekunde wiederholt und damit die Reibung in einem bestmöglichen Bereich gehalten.The greater the difference between vehicle and wheel speed the greater the slip. The maximum braking force can be achieved in the slip at which the adhesive passes into sliding friction. The slip size depends on the friction coefficient. The range of this transition is indicated by the slip threshold λ 1 . The brake pressure is constantly increased during the braking process until the wheel speed falls below a reference speed V Ref calculated by the ABS, then kept constant and released when the slip threshold is exceeded. The increasing deterioration of the braking effect can also be taken from the wheel circumference acceleration. After a pressure difference preset by the ABS, the pressure is held for a short time and gradually increased until the slip or the wheel peripheral speed again reaches a preset minimum limit. If the wheel circumference speed falls below the reference speed again by increasing the slip, the pressure is released again. This process is repeated cyclically during the entire braking process with the current technique in the range of 5-15 cycles / second and thus kept the friction in the best possible range.
Setzt man im Bereich des zunehmenden Schlupfes bzw. abnehmender Radumfangsbeschleunigung (Ende Phase a oder Phase b, beziehungsweise Bereich von –a) die nach oben gerichtete Beschleunigung des KFZ
In dem darauffolgenden Bereich zunehmend geringeren Schlupfes beziehungsweise wieder Abnahme der Radumfangsbeschleunigung (Phase g) soll dann das KFZ
Beispielhaft wurde in dem Diagramm in
Die Zeitdauer für die nach unten Bewegung ist im Vorhinein nicht bekannt, kann aber durch Referenz- bzw. Erfahrungswerte und einem Vergleich des bereits vergangenen Kurvenverlaufes abgeschätzt werden. Sollte der Aufprall des KFZ zurück auf die Fahrbahn
Der Kompressor bzw. die Pumpe
Geht man von einem KFZ
Die Kolbenfläche entspricht damit etwa der Kolbenfläche eines Stoßdämpfers wie er derzeit in einem KFZ
Um diese Endgeschwindigkeit erreichen zu können benötigt die Pumpe einen entsprechenden Volumenstrom QP der sich aus der Kolbenfläche und der Kolbengeschwindigkeit berechnet.
Der Beschleunigungswert des Hydrauliksystems wurde bei dieser Berechnung außer Acht gelassen und nur über die Kolben-Endgeschwindigkeit angenommen. Das heißt, es wird aufgrund von Erfahrungswerten davon ausgegangen, dass der Hydraulikzylinder diese Beschleunigung gewährleisten kann. Der berechnete Volumenstrom entspricht einer „kleineren” Hydraulikpumpe, wie sie in einem KFZ
Die zweite in
Ein drittes Ausführungsbeispiel nach dem Schema von
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