DE19747093C2

DE19747093C2 - Elektrisch betätigte Bremsanlage

Info

Publication number: DE19747093C2
Application number: DE19747093A
Authority: DE
Inventors: Dirk Zittlau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Chassis Brakes International Technologies Pty Ltd
Priority date: 1997-10-24
Filing date: 1997-10-24
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2017-10-25
Also published as: GB9823292D0; JPH11217073A; DE19747093A1; FR2770188A1; US6079801A; GB2334767B; JP3529643B2; GB2334767A; FR2770188B1

Description

Neue Anforderungen an die Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen - wie zum Beispiel Antiblockiersysteme, Fahrstabilitätsregelun gen, Traktionskontrollen oder Antriebsschlupfregelungen, so genannte intelligente Tempomaten usw. - haben zusammen mit der Forderung nach einer Reduzierung der Montage- und War tungskosten zu der Entwicklung neuer, rein elektrisch gesteu erter und betätigter Bremssysteme (auch als Brake-by-wire be zeichnet) geführt. Bei einem gattungsbildenden Bremssystem werden die Radgeschwindigkeiten der einzelnen Räder des Kraftfahrzeugs mit Radsensoren gemessen und kontinuierlich wirkende Radbremsaktoren werden einzeln elektrisch derart ge steuert, daß sie eine unabhängige Bremskraft an jedem Rad aufbringen (DE 195 48 392 A1). Ein zentrales Steuergerät wer tet die Sensorsignale aus und führt eine Blockierverhinde rungsregelung der Bremskraft an den einzelnen Rädern durch.

In dieser Beschreibung wird im folgenden auch der Begriff "Bremsdruck" verwendet. Dieser ist äquivalent zu dem Begriff "Bremskraft". Beide Größen stehen in einem festen Verhältnis zueinander, das von den geometrischen Abmessungen der Bremse abhängt.

Bei einem anderen bekannten Bremssystem mit hydraulisch betä tigten Radbremsen und einer Individualregelung für zwei be züglich der Fahrtrichtung links und rechts angeordneten Rä dern wird zur Verringerung des Giermoments bei unterschiedli chen Reibbeiwerten die Bremskraft an dem Rad mit dem höheren Reibbeiwert verzögert aufgebaut, konstant gehalten oder ver ringert (DE 195 42 295 A1). Die Reibbeiwerte werden dabei er faßt, indem die Radwiederbeschleunigung an den Rädern nach einer Radverzögerung ausgewertet wird. Zum Erfassen des aktu ellen Reibbeiwerts eines Rades werden herangezogen die Diffe renz zwischen dem wenigstens im vorangegangenen Zyklus erfaß ten Reibbeiwert und der Differenz zwischen dem Istwert der Radwiederbeschleunigung und einem entsprechenden Sollwert, und die Differenz der Radwiederbeschleunigung und einem ent sprechenden Sollwert in dem aktuellen Zyklus des Antiblo ckierregelsystems. Durch einen Vergleich der erfaßten Reib beiwerte an Rädern auf der rechten und der linken Fahrzeugseite wird auf das Rad mit dem höheren Reibbeiwert geschlos sen.

Ein anderes Antiblockierregelsystem weist Phasen der Regelung auf einen Sollschlupfwert und Phasen einer Bremsdrucksteue rung bei Instabilitäten des Rades auf (DE 40 34 814 A1). Der Sollschlupf wird aus einem festgestellten maximalen Reibbei wert und der gesteuerte Bremsdruck aus dem Schlupfwert beim Auftreten des maximalen Reibbeiwerts ermittelt. Das Antiblo ckierregelsystem ist insbesondere für Lastkraftwagen geeig net. Es werden dabei der Reibbeiwert, der Maximalwert des Reibbeiwerts und außerdem ein Schlupfwert mit sehr aufwendi gen mathematischen Berechnungen und Näherungsverfahren ermit telt.

Bei einem Verfahren zur Ermittlung des Reibbeiwerts werden die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Drehgeschwindigkeit eines Rades und der Radbremsdruck laufend gemessen. Anhand der aus der Drehgeschwindigkeit ermittelten Winkelbeschleunigung des Rades und dem Bremsdruck wird mit einem rekursiven Schätzal gorithmus der Reibbeiwert als Funktion des Radschlupfes er mittelt und zum genaueren Regeln des Antiblockiersystems ver wendet (EP 0 630 786 A1).

Auch bei rein elektrisch betätigten Bremsanlagen sollte ein Blockieren eines gebremsten Rades verhindert werden, das heißt sie müssen mit einem Antiblockiersystem (ABS) versehen sein. Ein solches System hat Gemeinsamkeiten mit herkömmli chen Antiblockiersystemen bei hydraulischen oder teilhydrau lischen Bremsanlagen, es unterscheidet sich von diesen aber insbesondere bezüglich der Aktoren. Bei elektrischen Bremsan lagen werden kontinuierlich arbeitende Stellglieder verwen det, um den Radbremsdruck aufzubringen. Für ein möglichst wirksames aber blockierfreies Bremsen ist aber die genaue Kenntnis des Reibbeiwertes oder Reibungskoeffizienten zwi schen dem Reifen und der Fahrbahn wichtig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch be tätigte Bremsanlage zu schaffen, die sich der Vorteile einer genauen Kenntnis des Reibbeiwertes Rad-Fahrbahn bedient.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bremsanlage nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Weiter bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niederge legt.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die Kenntnis des Reibbeiwertes eine genaue Regelung mit geringer Druckmodulation ergibt, da die maximal erreichbare Verzöge rung und damit ein maximal umsetzbarer Bremsdruck bestimmt werden können. Außerdem kann der Reibbeiwert als Eingangsgrö ße für ein Zweispur-Fahrzeugmodell verwendet werden. Mit die sem Modell können aus den Eingangsgrößen Raddrehzahlen, Lenk winkel und Reibbeiwerte, wesentliche Fahrzeugparameter be rechnet werden, welche für verschiedene Fahrzeugfunktionen benutzt werden können (zum Beispiel Schlupfberechnung für ABS und Schwimmwinkelberechnung für Fahrdynamikregelung).

Bei einer analogen Regelung des Bremsvorgangs in einem Kraft fahrzeug ist die Kenntnis des Reibbeiwerts besonders nütz lich. Erstens kann mit einer Information über den Reibbeiwert die Schlupfberechnung verbessert werden und zweitens kann die Regelungsgüte deutlich verbessert werden, indem der Brems solldruck oder die Bremssollkraft auf einen an die Reibver hältnisse angepaßten Wert gebracht wird. So ist etwa bei ei nem Reibbeiwert von µ = 1 für ein gegebenes Kraftfahrzeug ein Blockierdruck von 100 bar erforderlich, bei einem Reibbeiwert µ = 0,5 beträgt der Blockierdruck hingegen nur etwa 50 bar. Hieraus ist ersichtlich, daß es nicht sinnvoll ist, einen hö heren Bremsdruck aufzubringen, solange sich die Reibverhält nisse zwischen dem Rad und der Fahrbahn nicht ändern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrisch gesteuerte und betätigte Bremsanla ge eines Kraftfahrzeugs, und

Fig. 2 ein Strukturdiagramm eines in der Bremsanlage nach Fig. 1 ablaufenden Verfahrens.

Eine Bremsanlage 1 (Fig. 1) für ein Kraftfahrzeug mit vier Rädern, das hier nicht weiter dargestellt ist, schließt vier Bremsen 2 ein, die je eine Bremsscheibe 3 und eine Betäti gungsvorrichtung in Gestalt eines Radbremsaktors 4 - im fol genden auch als Radbremsaktuator oder nur Aktor bezeichnet - aufweisen. Die Radbremsaktoren 4 sind in je einen zugehörigen Bremssattel 5 integriert, das heißt mit ihm zu einer Einheit zusammengefaßt. Der Bremssattel 5 ist als Schwimmsattel aus gebildet, über Bremsbeläge 6 wird bei Betätigung des Radbrem saktors 4 ein Bremsmoment auf die Bremsscheibe 3 ausgeübt.

Die Radbremsaktoren 4 werden von einer Batterie 8 über Ver sorgungsleitungen 9 mit elektrischer Energie versorgt.

Ein elektronisches Steuergerät 10 wertet Signale von Raddreh zahlsensoren 12 aus, die an jedem Rad vorgesehen sind. Deren Signale gelangen über Signalleitungen 14 zu dem Steuergerät 10. Das Steuergerät 10 ist auch mit einem Bremswertgeber oder Pedalsimulator 15 verbunden, der von dem Fahrer des Kraft fahrzeugs über ein Pedal 16 betätigt wird. Der Pedalkraftsi mulator 15 setzt die Bewegung des Bremspedals 16, das heißt die von dem Fahrer wie gewohnt ausgeübte Kraft und den Pedal weg in elektrische Signale um, die dem Steuergerät 10 über Signalleitungen 20 zugeführt werden. Die Pedalbetätigung wird durch mehrere Sensoren, zum Beispiel einem oder zwei Wegsen soren 18 und einem oder zwei Drucksensoren 19 in elektrische Signale umgewandelt, die über Signalleitungen 20 zu dem Steu ergerät 10 gelangen und dort ausgewertet werden.

Das Steuergerät ermittelt aus den Sensorsignalen Sollwerte für die Bremsbetätigung und übermittelt sie über Leitungen 22 an die einzelnen Radbremsaktoren 4. Zum Berechnen der Soll werte für die Radbremsaktoren bei einem Eingriff von Antiblo ckier- oder Fahrstabilitätsregelungen werden von dem Steuer gerät 10 weitere Sensorsignale ausgewertet, zum Beispiel die Signale der Raddrehzahlsensoren 12 und Signale von Quer beschleunigungs- und Gierwinkelgeschwindigkeitssensoren, die hier, da sie für sich bekannt sind, nicht weiter erläutert werden.

Die Radbremsaktoren 4 können an jedem Rad oder auch nur an Gruppen von Rädern vorgesehen sein. Sie werden elektrisch kontinuierlich betätigt oder gestellt und sie erzeugen für jedes Rad oder für jede Radgruppe einen unabhängigen Brems druck.

In dem elektronischen Steuergerät 10 werden folgenden Berech nungen durchgeführt (Fig. 2):

a) Aus Signalen, die von den Raddrehzahlsensoren 12 geliefert werden, werden der Radschlupf und die Radbeschleunigung für jedes Rad berechnet.
b) Es wird der jeweilige Bremsdruck beim Überschreiten eines ersten Schwellwertes S1 für den Radschlupf oder eines ersten Schwellwerts B1 für die Radbeschleunigung (Schwellenbedingung 1) gespeichert.
c) Es wird eine ABS-Regelung, das heißt eine Bremsdruckrege lung, durch die ein Blockieren der gebremsten Räder verhin dert wird, durchgeführt.
d) Der gespeicherte Bremsdruck wird beim Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes S2 für den Schlupf oder eines zweiten Schwellwerts B2 (Schwellenbedingung 2) für die Radbeschleuni gung nach einem vorgegebenen Zusammenhang erhöht.
e) Durch einen Vergleich des gespeicherten Bremsdruckwertes und einem für das jeweilige Kraftfahrzeug gespeicherten Wer tes des Blockierdruckes bei trockener Straße wird der Reib beiwert berechnet oder geschätzt.
f) Der gespeicherte Bremsdruck wird als Zielwert für die ABS- Regelung verwendet und damit ein besseres Regelverhalten (mit kleiner Druckmodulation) erreicht.

Die Schritte a) bis f) werden als Schleife fortlaufend abge arbeitet.

Die Raddrehzahlsensoren 12 an jedem Rad übermitteln ein Rad drehzahlsignal an das Steuergerät 10. Aus diesen Raddrehzah len wird in bekannter Weise der Radschlupf ermittelt, indem zum Beispiel eine Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit aus dem am schnellsten nicht angetriebenen Rad unter Berücksichtigung von Lenkeinschlägen ermittelt wird und der Schlupf eines Ra des als Verhältnis zwischen gemessener Raddrehzahl und Fahr zeugreferenzgeschwindigkeit berechnet wird. Für jedes Rad wird außerdem ein Soll-Bremsdruck oder eine Soll-Bremskraft als Bremswunsch von dem Fahrer oder von einem elektronischen Bremssystem (zum Beispiel einer Fahrdynamiksteuerung) er zeugt. Mit einem von der vorliegenden Erfindung nicht berühr ten Algorithmus wird das Blockieren eines Rades verhindert, indem dieser Sollwert vermindert wird.

Unabhängig von diesem Algorithmus wird der Reibbeiwert Rei fen-Fahrbahn erfindungsgemäß wie folgt ermittelt:
Bei Überschreiten eines fest vorgegeben Schlupfschwellwerts S1 und/oder eines vorgegeben Radbeschleunigungsschwellwerts B1 wird der aktuelle von den Radbremsaktoren 4 erzeugte Istdruck gespeichert. Dieser gespeicherte Wert wird solange beibehalten bis ein zweiter Schlupfschwellwert S2 und/oder ein Radbeschleunigungsschwellwert B2 für einen definierten Zeitraum unterschritten wird. Danach wird der gespeicherte Wert mit einem definierten Anstiegsverlauf an den vom Fahrer oder anderweitig vorgegebenen Sollwert angenähert. Die Annä herung kann nach einem vorgegebenen exponentiellen Anstiegs verlauf erfolgen, oder aber nach einem von den Parametern Fahrzeuggeschwindigkeit, aktuelles Druckniveau und Dauer der Schwellwertunterschreitung abhängigen Verlauf.

Die Schwellwerte S1 und B1 werden dabei so gewählt, daß eine beginnende Radblockierung sicher erkannt wird, eine gleich zeitig stattfindende ABS-Regelung den Druck aber noch nicht zu stark beeinflußt. Die zweiten Schwellwerte S2 und B2 und die zugehörige Zeitbedingung werden so gewählt, daß das Ende der Bockierneigung sicher erkannt wird.

Der Istdruck p_Ist beim Überschreiten des Schwellwerts zu Be ginn einer Blockierneigung des Rades stellt ein Maß für die maximal auf die Fahrbahn übertragbare Bremskraft dar. Setzt man diesen Wert in Beziehung zu einem für das Fahrzeug typi schen Grenzdruck bei einem Reibbeiwert von µ = 1 erhält man einen Schätzwert µ_S für den aktuellen Reibbeiwert.

Die Berechnung wird für alle geregelten Räder einzeln durch geführt und aus allen Ergebnissen wird dann ein Mittelwert gebildet.

Folgendes muß in Zusammenhang mit der Gleichung (1) berück sichtigt werden:

A) Bremsen-Fading: Bei Erwärmung der Bremse läßt die Brems wirkung bei gleichbleibendem Bremsdruck nach. Der Reibbeiwert würde also zu hoch geschätzt werden. Dies kann z. B. mit Hilfe einer aus den Raddrehzahlen berechneten Fahrzeugverzögerung korrigiert werden.
B) Der Einfluß des Beladungszustand des Fahrzeugs muß be rücksichtigt werden.
C) Der Einfluß einer Kurvenfahrt (Entlastung und Belastung einzelner Räder) wird durch die Mittelwerrtbildung zwischen den Rädern bereits weitgehend eliminiert. Ab einer fahrzeug abhängigen Kurvengeschwindigkeit ist der Reibbeiwert nicht mehr gültig.
D) Der Einfluß des Neigungswinkels der Fahrbahn kann in ei nem weiten Bereich vernachlässigt werden.

Die Qualität der Schätzung hängt also von verschiedenen Para metern ab. Für eine grobe Schätzung (20% Genauigkeit) bis µ = 0.1 reicht die Berücksichtigung des Fadings und der Beladung aus. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, daß eine effektive Bremsensteuerung bei einem elektrischen Bremssystem einfach und sicher durchzuführen ist und daß dazu keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind. Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, den gespeicherten Reibbeiwert zu erneuern, wenn ein dritter Schwellwert S3 oder B3 über schritten wird. S3 und B3 sind dabei relativ hohe Werte in der Nähe der Radblockierung.

Dieser so ermittelte Reibbeiwert wird dazu verwendet, den bei der ABS-Regelung einzuregelnden Sollwert des Bremsdrucks ein zustellen. Dadurch kann eine höhere Regelgüte erreicht wer den, indem der von der Korrektur beeinflußte, von dem Fahrer vorgegebene Bremssollwert zuerst an den Reibbeiwert angepaßt wird. Wird zum Beispiel ein Reibbeiwert von µ = 0.5 ge schätzt, ist ersichtlich, daß die ABS-Regelung, wenn der Blo ckierdruck bei einem Reibbeiwert von µ = 1 100 bar beträgt, zweckmäßigerweise mit einem Solldruck von ca. 0,5 × 100 bar + k% arbeitet. Darin ist k ein Zuschlag von ca. 10 bis 30%, um Ungenauigkeiten der Schätzung auszugleichen.

Aus dem für die Blockierverhinderungsregelung ermittelten Reibbeiwert µ_S werden mit der nachfolgenden dimensionsbehaf teten Gleichung (2) die erreichbare Verzögerung a und der oh ne Blockierneigung erreichbare Bremsdruck ermittelt. Damit wird eines besseres Regelverhalten mit einer kleineren Druck modulation erhalten.

Ein weiterer zu beachtender Punkt ist: Wenn der von der ABS- Regelung angestrebte Sollwert durch die µ-Schätzung beeinflußt wird, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein homogener Reibbeiwert oder ein sich verkleinernder Reibbei wert gut geschätzt werden. Ein sich vergrößernder Reibbeiwert ist allerdings nur langsam festzustellen, und zwar abhängig von der Erhöhungsrate nach Unterschreiten der Schlupfschwel le.

Deshalb ist der Anstieg des gespeicherten Reibbeiwertes nach Unterschreiten der Schwellen S2 und/oder B2 so steil zu wäh len, daß bei einem raschen Wechsel von einem niedrigen Reib beiwert auf einen hohen Reibbeiwert der höhere Wert schnell genug erreicht wird, um ein längeres Unterbremsen infolge ei nes zu langsamen Aufbaus zu vermeiden. Andererseits sollte der Anstieg nicht so steil sein, daß die Regelung dadurch zu unruhig wird durch ständiges Überschreiten der Blockiergren ze.

Claims

1. Bremsanlage mit folgenden Bestandteilen:

- einem Bremswertgeber (15),
- Raddrehzahlsensoren (12) an mindestens einem Teil der Räder des Kraftfahrzeugs,
- elektrisch betätigten, kontinuierlich wirkenden Radbremsaktoren (4), die einzeln gesteuert werden, so daß sie eine unabhängigen Bremskraft an jedem Rad oder jeder Gruppe von Rädern aufbringen,
- einem elektronischen Steuergerät (10),
das aus den elektrischen Signalen des Bremswertgebers (15) Sollbremskräfte für die Radbremsaktoren (4) errechnet,
durch das aus den Signalen der Raddrehzahlsensoren (12) der Radschlupf und die Radbeschleunigung für jedes Rad berechnet werden,
durch das raddrehverhaltensabhängig eine Blockierverhinderungsregelung der Bremskraft an den einzelnen Rädern nach einem vorgegebenen Algorithmus durchgeführt wird, wobei der Reibbeiwert zwischen Reifen und Fahrbahn berücksichtigt wird,
durch das die Radbremsaktoren (4) angesteuert werden

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (10)

- bei Überschreiten eines vorgegebenen ersten Schwellwerts für den Radschlupf- und/oder die Radbeschleunigung der Wert der jeweils aktuellen von den Radbremsaktoren (4) erzeugten Bremskraft in einem Speicher abgespeichert wird;
ein aktueller Reibbeiwert (µ_S) durch Vergleich des gespeicherten Bremskraftwertes mit einem für das Fahrzeug und das betreffende Rad charakteristischen Bremskraftwert bei einem Reibbeiwert µ = 1 geschätzt wird und dieser aktuelle Reibbeiwert der weiteren Blockierverhinderungsregelung zugrundegelegt wird;
bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts für den Radschlupf- und/oder die Radbeschleunigung der im Speicher befindliche Bremskraftwert erhöht wird, höchstens bis zum Erreichen der vorgegebenen Sollbremskraft und dass dieser erhöhte Bremskraftwert als neuer Bremskraftwert im Speicher abgespeichert wird, wobei daraus wiederum ein neuer aktueller Reibbeiwert zur Blockierverhinderungsregelung berechnet wird.

2. Bremsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (10) bei der Reibbeiwertschätzung ein ermitteltes Bremsenfading berücksichtigt wird.

3. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (10) der Istwert der Bremskraft bei einem Überschreiten eines dritten Schwellwerts, der über dem ersten Schwellwert liegt, gespeichert und damit der zuerst ermittelte Istwert überschrieben wird.

4. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (10) aus dem für die Blockierverhinderungsregelung ermittelten Reibbeiwert die erreichbare Verzögerung und die ohne Blockierneigung erreichbare Bremskraft ermittelt werden.

5. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät (10) als Schätzwert für den Reibbeiwert (µ_S) das Verhältnis des gespeicherten Istwerts der Bremskraft zu der Blockierkraft für das Rad bei µ = 1 verwendet wird.