DE102020209969A1 - Two-wheeled vehicle with improved ABS and method therefor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zweiradfahrzeug insbesondere Fahrrad mit Elektroantrieb, umfassend eine Federgabel (6) an einem Vorderrad (4), ein Antiblockiersystem und eine Einrichtung zur Bestimmung einer Gabelbiegung der Federgabel (6), wobei das Antiblockiersystem eingerichtet ist, eine Bremsregelung unter Berücksichtigung der Gabelbiegung der Federgabel (6) auszuführen.The present invention relates to a two-wheeled vehicle, in particular a bicycle with an electric drive, comprising a suspension fork (6) on a front wheel (4), an anti-lock braking system and a device for determining a fork deflection of the spring fork (6), the anti-lock braking system being set up to regulate the brakes taking into account the perform fork bending of the suspension fork (6).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zweiradfahrzeug, insbesondere ein mit Muskelkraft und/oder Motorkraft betriebenes Zweirad sowie ein Verfahren zum Ausführen eines Bremsvorgangs eines Zweiradfahrzeugs mit einem Antiblockiersystem (ABS).The present invention relates to a two-wheeled vehicle, in particular a two-wheeled vehicle operated with muscle power and/or motor power, and a method for carrying out a braking operation of a two-wheeled vehicle with an anti-lock braking system (ABS).
Die Erfindung betrifft hierbei insbesondere Zweiradfahrzeuge auf Fahrradbasis, insbesondere sogenannte Pedelecs oder E-Bikes, bei denen neben einem muskelkraftbasierten Antrieb auch ein Elektroantrieb unterstützend und/oder ausschließlich wirken kann.The invention relates in particular to two-wheeled vehicles based on bicycles, in particular so-called pedelecs or e-bikes, in which, in addition to a drive based on muscle power, an electric drive can also have a supporting and/or exclusive effect.
Bei derartigen fahrradbasierten Zweiradfahrzeugen werden in jüngster Zeit verstärkt auch Antiblockiersysteme verwendet. Derartige Antiblockiersysteme nutzen in ihren Algorithmen üblicherweise einen Schlupf sowie eine Radverzögerung, insbesondere am Vorderrad des Zweiradfahrzeugs. Bei einem Bremsvorgang am Vorderrad tritt jedoch auch eine Gabelbiegung auf. Diese wird in bisherigen Antiblockiersystemen nicht berücksichtigt. Weiterhin ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das erfindungsgemäße Zweiradfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass während eines Bremsvorgangs ein Eingriff mittels eines Antiblockiersystems signifikant verbessert werden kann. Dadurch wird ein sichereres Bremsen bei Zweiradfahrzeugen erreicht. Das Zweiradfahrzeug weist dabei eine Federgabel am Vorderrad auf, was sich auf die für eine Antiblockierregelung wichtigen Größen wie Raddrehzahl und Radgeschwindigkeit auswirkt, was wiederum Auswirkungen auf den Schlupf des Vorderrades hat. Erfindungsgemäß kann verhindert werden, dass ein Raddrehzahlsensor falsche Werte liefert, da bei einem Bremsvorgang üblicherweise eine Gabelbiegung bzw. Längsverschiebung der Federgabel auftritt. Dadurch besteht im Stand der Technik die Gefahr, dass in die Schlupfberechnung des Antiblockiersystems falsche Schlupfwerte, d.h. je nach Biegerichtung zu hohe oder zu niedrige Schlupfwerte, eingehen. Hierbei weist das erfindungsgemäße Zweiradfahrzeug neben der Federgabel am Vorderrad und dem Antiblockiersystem eine Einrichtung zur Bestimmung einer Gabelbiegung der Federgabel auf. Ferner ist das Antiblockiersystem eingerichtet, Bremssignale an ein Bremssystem des Zweirads unter Berücksichtigung der Gabelbiegung auszugeben. Somit kann eine Genauigkeit des Antiblockiersystems verbessert werden und ein besseres Bremsverhalten des Zweirads sichergestellt werden. Insbesondere kann vermieden werden, dass ein Raddrehzahlsensor bei einem Bremsvorgang falsche Werte an das Antiblockiersystem liefert und die Bremsung des Zweirads nicht optimal ohne Blockieren des Vorderrads ausgeführt werden kann.The two-wheeled vehicle according to the invention with the features of
Es sei angemerkt, dass unter einem Zweirad insbesondere ein Fahrrad mit Elektroantrieb verstanden wird, beispielsweise ein Pedelec, bei dem der Elektroantrieb nur zugeschaltet wird, wenn ein Fahrer in die Pedale tritt, oder einem elektrischen Fahrrad, welche auch ohne Pedalieren einen Betrieb des Elektroantriebs erlaubt.It should be noted that a two-wheeler is understood to mean, in particular, a bicycle with an electric drive, for example a pedelec, in which the electric drive is only switched on when a driver pedals, or an electric bicycle, which also allows the electric drive to be operated without pedaling .
Somit kann durch die vorliegende Erfindung der bisher im Stand der Technik vorhandene deutliche Unterschied beim Bremsverhalten von Zweirädern mit oder ohne Federgabel ausgeglichen werden.The present invention can thus compensate for the clear difference in the braking behavior of two-wheelers with or without a suspension fork that previously existed in the prior art.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.
Vorzugsweise umfasst die Federgabel einen Raddrehzahlsensor zur Erfassung der Raddrehzahl des Vorderrads und/oder einen Beschleunigungssensor zur Erfassung einer Längsbeschleunigung der Federgabel und/oder ein Gierratensensor. Durch die Anordnung des Raddrehzahlsensors und/oder des Beschleunigungssensors und/oder des Gierratensensors an der Federgabel sind eine sichere Erfassung der entsprechenden Werte für die Raddrehzahl, die Beschleunigung und/oder die Gierrate möglich. Der Beschleunigungssensor ist vorzugsweise am freien Ende der Federgabel, nahe der Nabe des Vorderrads, angeordnet. Dadurch kann eine höchste Messgenauigkeit für die Längsbeschleunigung der Federgabel bestimmt werden. Das Antiblockiersystem ist eingerichtet, die Bremsregelung unter Berücksichtigung der Raddrehzahl und/oder der Längsbeschleunigung der Federgabel auszuführen.The suspension fork preferably includes a wheel speed sensor for detecting the wheel speed of the front wheel and/or an acceleration sensor for detecting a longitudinal acceleration of the suspension fork and/or a yaw rate sensor. By arranging the wheel speed sensor and/or the acceleration sensor and/or the yaw rate sensor on the suspension fork, it is possible to reliably record the corresponding values for the wheel speed, the acceleration and/or the yaw rate. The acceleration sensor is preferably arranged at the free end of the suspension fork, near the hub of the front wheel. This allows the highest measurement accuracy for the longitudinal acceleration of the suspension fork to be determined. The anti-lock braking system is set up to carry out the braking control taking into account the wheel speed and/or the longitudinal acceleration of the suspension fork.
Weiter bevorzugt ist das Antiblockiersystem eingerichtet, eine Bremsregelung unter Berücksichtigung einer Masse der Federgabel und/oder einer Masse des Zweiradfahrzeugs und/oder einer Elastizität der Federgabel auszuführen. Durch die Hinzunahme von Werten für die Masse der Federgabel und/oder des Zweiradfahrzeugs und/oder der Elastizität der Federgabel kann die Genauigkeit der Bremsung mittels des Antiblockiersystems weiter verbessert werden.More preferably, the anti-lock braking system is set up to carry out a brake control taking into account a mass of the suspension fork and/or a mass of the two-wheeled vehicle and/or an elasticity of the suspension fork. By adding values for the mass of the suspension fork and/or the two-wheeled vehicle and/or the elasticity of the suspension fork, the accuracy of braking by means of the anti-lock braking system can be further improved.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Antiblockiersystem eingerichtet, eine Bremsregelung des Vorderrads mittels eines Zustandsreglers auszuführen. Der Zustandsregler ist derart eingerichtet, dass als Regelgröße bevorzugt die Längsbeschleunigung der Federgabel zurückgeführt wird und zusätzlich der aktuelle Schlupf im Zustandsregler berücksichtigt wird.According to a further preferred embodiment of the invention, the anti-lock braking system is set up to carry out braking control of the front wheel by means of a status controller. the The state controller is set up in such a way that the longitudinal acceleration of the suspension fork is preferably fed back as the controlled variable and the current slip in the state controller is also taken into account.
Besonders bevorzugt umfasst der Zustandsregler einen Integralregler. Hierdurch kann eine einfache und sichere Regelung des Bremseingriffs ermöglicht werden.The state controller particularly preferably comprises an integral controller. As a result, simple and safe regulation of the braking intervention can be made possible.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Antiblockiersystem eingerichtet, eine Bremsregelung des Vorderrads mittels eines Kaskadenreglers auszuführen. Beim Kaskadenregler werden mehrere Regler in kaskadenartiger Weise ineinander geschachtelt. Dadurch kann eine Untergliederung der Regelstrecke ermöglicht werden, wobei sich eine Regelgenauigkeit verbessert.According to a further preferred embodiment of the invention, the anti-lock braking system is set up to carry out braking control of the front wheel by means of a cascade controller. With the cascade controller, several controllers are nested in one another in a cascade-like manner. As a result, a subdivision of the controlled system can be made possible, with control accuracy being improved.
Der Kaskadenregler umfasst vorzugsweise zwei Teilregelsysteme, nämlich einen Schlupfregler für eine Radschlupfdynamik und einen Gabelregler für eine Federgabeldynamik. Der Gabelregler ist vorzugsweise eine Reihenschaltung eines inneren Schlupfregelkreises und der Gabeldynamik. Beim Schlupfregler wirkt nur die Raddynamik, jedoch keine Gabelbiegung oder andersartige Gabeldynamik. Der Schlupfregler bildet dabei vorzugsweise den geschlossenen inneren Regelkreis des Kaskadenreglers.The cascade controller preferably includes two partial control systems, namely a slip controller for wheel slip dynamics and a fork controller for suspension fork dynamics. The fork controller is preferably a series connection of an inner slip control loop and the fork dynamics. With the slip controller, only the wheel dynamics have an effect, but no fork bending or other types of fork dynamics. The slip controller preferably forms the closed inner control circuit of the cascade controller.
Der Gabelregler ist vorzugsweise ein einfacher Proportionalregler. Ein Ausgang dieses Proportionalreglers wird auf die Sollgröße des Schlupfregelkreises aufgeschaltet. In Abhängigkeit einer aktuellen Längsbeschleunigung der Federgabel kann somit Einfluss auf die Führungsgröße des inneren Regelkreises genommen werden, so dass die Federgabel in eine feste Position gebracht werden kann.The hybrid controller is preferably a simple proportional controller. An output of this proportional controller is switched to the setpoint of the slip control circuit. Depending on a current longitudinal acceleration of the suspension fork, the reference variable of the inner control loop can thus be influenced, so that the suspension fork can be brought into a fixed position.
Weiter bevorzugt ist der Gabelregler eingerichtet, eine Regelung nur bis zu einem Maximum einer Kraftschluss-Schlupf-Kurve des Vorderrads auszuführen. Die Kraftschluss-Schlupf-Kurve ist eine Kurve in einem Diagramm, bei dem ein Kraftschlussbeiwert über dem Schlupf aufgetragen ist. Vorzugsweise ist der äußere Regelkreis des Kaskadenreglers dabei schaltend ausgelegt und wird nur unterhalb der Stabilitätsgrenze, welche unterhalb des Maximums der Kraftschluss-Schlupf-Kurve des Vorderrads liegt, aktiviert.More preferably, the fork controller is set up to carry out a control only up to a maximum of an adhesion-slip curve of the front wheel. The adhesion-slip curve is a curve in a diagram in which an adhesion coefficient is plotted against slip. Preferably, the outer control circuit of the cascade controller is designed to be switched and is only activated below the stability limit, which is below the maximum of the adhesion-slip curve of the front wheel.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausführen einer Bremsregelung eines Zweiradfahrzeugs bei einer Antiblockierbremsung, wobei bei dem Antiblockierbremsvorgang eine Gabelbiegung einer Federgabel des Zweiradfahrzeugs am Vorderrad berücksichtigt wird. Dadurch werden voranstehend erläuterten Vorteile erhalten.Furthermore, the present invention relates to a method for carrying out a brake control of a two-wheeled vehicle during anti-lock braking, wherein a fork bending of a suspension fork of the two-wheeled vehicle at the front wheel is taken into account in the anti-lock braking process. As a result, the advantages explained above are obtained.
Vorzugsweise berücksichtigt das erfindungsgemäße Verfahren eine Längsbeschleunigung der Federgabel und/oder eine Masse der Federgabel und/oder eine Elastizität der Federgabel.The method according to the invention preferably takes into account a longitudinal acceleration of the suspension fork and/or a mass of the suspension fork and/or an elasticity of the suspension fork.
Weiter bevorzugt verwendet das erfindungsgemäße Verfahren einen Zustandsregler, um eine Gabelbiegung bei dem Antiblockiersystem zu berücksichtigen. Alternativ verwendet das erfindungsgemäße Verfahren einen Kaskadenregler, um die Antiblockierregelung auszuführen.More preferably, the inventive method uses a state controller to account for fork flexing in the antilock braking system. Alternatively, the method according to the invention uses a cascade controller to carry out the antilock control.
Figurenlistecharacter list
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
-
1 eine schematische Ansicht eines Zweiradfahrzeugs als Pedelec oder E-Bike gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 eine schematische, vergrößerte Teilansicht einer Vordergabel des Zweiradfahrzeugs von1 , -
3 eine schematische Darstellung eines vorderen Teils des Zweiradfahrzeugs von1 , -
4 eine schematische Darstellung des Schlupfes über die Zeit mit und ohne Gabelbiegung, -
5 eine schematische Darstellung der Umfangsgeschwindigkeit über die Zeit mit und ohne Gabelbiegung, -
6 eine schematische Darstellung der Radwinkelgeschwindigkeit über die Zeit mit und ohne Gabelbiegung, -
7 einen Zustandsregler, welcher beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und -
8 einen Kaskadenregler, welcher statt des Zustandsreglers beim ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann.
-
1 a schematic view of a two-wheeled vehicle as a pedelec or e-bike according to a first preferred embodiment of the invention, -
2 a schematic, enlarged partial view of a front fork of the two-wheeled vehicle of FIG1 , -
3 a schematic representation of a front part of the two-wheeled vehicle of FIG1 , -
4 a schematic representation of the slip over time with and without fork bending, -
5 a schematic representation of the peripheral speed over time with and without fork bending, -
6 a schematic representation of the wheel angular velocity over time with and without fork bending, -
7 a state controller used in the first embodiment, and -
8th a cascade controller which can be used instead of the state controller in the first embodiment.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Wie aus
Das Zweiradfahrzeug 1 umfasst ein Vorderrad 4 und ein Hinterrad 5. Am Vorderrad 4 ist eine Federgabel 6 angeordnet, welche in den Figuren nur schematisch dargestellt ist.The two-
Ferner umfasst das Zweiradfahrzeug 1 eine Steuereinheit 10, in welche ein Antiblockiersystem integriert ist. Das Antiblockiersystem verhindert ein Blockieren des Vorderrades 4 und oder des Hinterrades 5 bei einem zu starken Bremseingriff eines Nutzers des Zweiradfahrzeugs 1.Furthermore, the two-
Wie weiter aus den
Ferner ist an der Federgabel 6 ein Beschleunigungssensor 9 angeordnet, welcher eine Längsbeschleunigung der Federgabel 6 erfasst.Furthermore, an
Aus den
Somit wird durch die Schwingung der Federgabel zusätzlich Schlupf aufgebaut oder abgebaut. Dies ist im Vergleich zu normalen Gabeln ohne Federfunktion bei Federgabeln noch ausgeprägter vorhanden.As a result, additional slip is built up or reduced by the vibration of the suspension fork. This is even more pronounced in suspension forks compared to normal forks without a spring function.
Erfindungsgemäß kann dies nun durch Verwendung des in
Der Zustandsregler in
Die Berechnung der Rückführgrößen kann mittels einer Rückführmatrix k nach der Methode der linear-quadratischen Regelung ausgeführt werden. Die Verwendung des Integralreglers macht dabei die Zustandsregelung sehr robust gegenüber weiteren Störgrößen, welche praktisch keinerlei Einfluss auf die Antiblockierregelung haben.The feedback variables can be calculated using a feedback matrix k using the method of linear-quadratic control. The use of the integral controller makes the status control very robust in relation to other disturbance variables, which have practically no influence on the anti-lock braking control.
Die
Wie aus den
Erfindungsgemäß kann der Energieverbrauch jedoch reduziert werden, wodurch auch eine kleine Baugröße für den Aktuator des Antiblockiersystems ermöglicht wird.According to the invention, however, the energy consumption can be reduced, which also makes it possible for the actuator of the anti-lock braking system to have a small overall size.
Somit können Schwingungen der Federgabel 6 schnell eliminiert werden und die in
Eine Vorgabe für den äußeren Regelkreis in
Im Schlupfregler 11 wirkt nur die Raddynamik, jedoch keinerlei Gabelbiegung. Der Schlupfregler 11 kann mittels eines Verfahrens der dynamischen Kompensation und durch Vorgabe einer Zeitkonstante des geschlossenen inneren Regelkreises entworfen werden. Dadurch wird sowohl ein Verstärkungsfaktor als auch eine Zeitkonstante des zu implementierenden Schlupfreglers 11 erhalten.Only the wheel dynamics have an effect in the
Der Gabelregler 12 kann ein einfacher Proportionalregler sein, dessen Ausgang auf die Sollgröße ω0 des Schlupfregelkreises mit aufgeschaltet wird. Hierdurch wird in Abhängigkeit der aktuellen Längsbeschleunigung a der Federgabel 6 so Einfluss auf die Führungsgröße des inneren Regelkreises genommen, so dass die Federgabel 6 in eine feste Position gebracht werden kann. Der Gabelregler 12 verwendet dabei eine Übertragungsfunktion 13, welche das Verhalten von Schlupf λ zur Längsbeschleunigung a der Federgabel 6 beschreibt.The
Weiterhin darf die Gabelregelung nicht dauerhaft aktiv sein, da am Maximum der Kraftschluss-Schlupf-Kurve, welche den Kraftschlussbeiwert über dem Schlupf λ darstellt, eine Steuerbarkeit der Federgabel 6 nicht mehr gegeben ist. Falls an diesem Punkt der Schlupf λ verändert wird, führt dies zu keiner Änderung der Kraft am Vorderrad 4 und somit kann in diesem Punkt die Position der Federgabel nicht beeinflusst werden. Für den instabilen Bereich der Schlupfkurve ist zum einen die Steigung sehr flach, was dazu führt, dass keine maßgeblichen Änderungen der Kraft am Rad hervorgerufen werden, zum anderen ist es im instabilen Schlupfbereich wichtig, den Schlupf Ä zu stabilisieren, anstatt die Federgabel 6 zu beruhigen. Aus diesem Grund wird der äußere Regelkreis (Gabelregler 12) schaltbar ausgelegt, und nur unterhalb der Stabilitätsgrenze, welche am Maximum der Kraftstoff-Schlupf-Kurve liegt, aktiviert.Furthermore, the fork control must not be permanently active, since at the maximum of the adhesion-slip curve, which represents the adhesion coefficient over the slip λ, the
Zu den beiden Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass somit durch eine explizite Berücksichtigung einer Gabelbiegung eine Regelung eines Antiblockiersystems deutlich verbessert werden kann. Dabei kann ein Zustandsregler oder ein Kaskadenregler verwendet werden. Insbesondere wird dabei eine Regelgüte der Antiblockierregelung verbessert und ferner auch ein Energieverbrauch für den Regelvorgang reduziert. Dies wirkt sich auch positiv auf eine Baugröße eines Aktuators des Antiblockiersystems aus, welcher deutlich kleiner ausgelegt werden kann. Die verbesserte Regelung unter Berücksichtigung der Gabelbiegung wird insbesondere bei Fahrrädern mit Elektroantrieb verwendet.With regard to the two exemplary embodiments, it should be noted that regulation of an anti-lock braking system can be significantly improved by explicitly taking into account fork bending. A state controller or a cascade controller can be used. In particular, a control quality of the anti-lock braking control is improved and energy consumption for the control process is also reduced. This also has a positive effect on the size of an actuator of the anti-lock braking system, which can be designed to be significantly smaller. The improved control taking into account the fork bending is used in particular in bicycles with an electric drive.
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- DE 3833880 A1 [0003]DE 3833880 A1 [0003]
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DE (1) | DE102020209969A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3833880A1 (en) | 1988-10-05 | 1990-04-12 | Peter Mickenbecker | System for preventing or reducing brake-diving of front-wheel suspension systems (anti-dive system) |
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- 2020-08-06 DE DE102020209969.3A patent/DE102020209969A1/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3833880A1 (en) | 1988-10-05 | 1990-04-12 | Peter Mickenbecker | System for preventing or reducing brake-diving of front-wheel suspension systems (anti-dive system) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified |