DE19805091C2

DE19805091C2 - Verfahren zum Ermitteln der Verzögerung eines Kraftfahrzeuges und Bremsanlage, die dieses Verfahren verwendet

Info

Publication number: DE19805091C2
Application number: DE19805091A
Authority: DE
Inventors: Armin Arnold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Chassis Brakes International Technologies Pty Ltd
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: ITMI990213A1; FR2774640B1; FR2774640A1; DE19805091A1; IT1307667B1; US6254203B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 2 und 7.

Die bei Kraftfahrzeugen heutzutage zunehmenden Anforderungen an ein modernes Bremssystem - z. B. Antiblockiereinrichtungen, Fahrstabilitätsregelungen, Antriebsschlupfsteuerungen oder Traktionskontrollen - machen radselektive Bremseingriffe er forderlich. Dies wird durch Bremssysteme realisiert, die an jedem Rad einen an dem Bremssattel des Rades montierten elek tromechanischen Radbremsaktor aufweisen (DE 196 15 186 C1).

Ein entscheidendes Kriterium für die Wirksamkeit derartiger Zusatzfunktionen ist dabei eine möglichst exakte Bestimmung der aktuellen Gesamtverzögerung des Kraftfahrzeuges. Solange die Raddrehzahlen proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit sind, die Räder also keine Blockierneigung zeigen und der Radschlupf somit vernachlässigbar ist, wird die Gesamtverzö gerung im wesentlichen von der Verzögerung durch die Fahr zeugbremse - im folgenden als Bremsverzögerung bezeichnet - bestimmt. Diese Bremsverzögerung ist eine Funktion der An preßkräfte der Bremsbeläge an die Bremsscheibe, im Falle ei ner hydraulischen Übersetzung können hier insbesondere auch die den Anpreßkräften direkt proportionalen Drücke in den Radbremszylindern (Bremsdrücke) als Funktionsvariablen ver wendet werden. Die Kenntnis des genauen Zusammenhangs zwi schen Bremsverzögerung und Anpreßkraft ist für moderne Brem sanlagen von erheblicher Bedeutung.

Aus der Druckschrift EP 0 626 297 A1 ist eine Berechnungsfor mel für einen Bremswert, für den unter anderem auch die Fahr zeugverzögerung eingesetzt werden kann, bekannt. Dabei wird die Fahrzeugverzögerung als Produkt aus dem Bremswert, der Zuspannenergie, einem die Bremscharakteristik inklusive et waiger Übersetzungsverhältnisse kennzeichnenden Koeffizien ten, einem das Gewicht des gebremsten Gegenstands kennzeich nenden Koeffizienten und einem bremsrelevante Abmessungen des gebremsten Gegenstands kennzeichnenden Koeffizienten berech net.

Desweiteren ist es aus der WO 97/03869 bekannt, den Fahrer wunsch bei einer elektromotorischen Radbremse abhängig von Parametern, wie Achslasten, Bremsbelagsverschleiß, Bremsen temperatur und Reifendruck zu Brems-Sollwerten zuzuordnen.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug zu entwickeln, bei der die Bremsverzögerung bestimmt wird. Der Proportionalitätsfaktor zwischen diesen Größen soll an die Fahrzeugmasse und die Bremsentemperatur angepaßt werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Bremsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin werden mit der Erfindung gemäß der Patentansprüche 2 und 7 Verfahren geschaffen, die zum Bestimmen der Bremsverzögerung bzw. der Gesamtverzögerung eines Kraftfahrzeugs geeignet sind. Vor teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen niedergelegt.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß Sensoren zur Erfassung der Anpreßkräfte, insbesondere Bremsdrucksensoren relativ genaue und rauscharme Ergebnisse liefern, so daß die Sensorsignale nicht zwangsläufig gemittelt oder gefiltert werden müssen. Somit ist auch eine kurzfristige Verfügbarkeit aktueller Bremsverzögerungswerte gewährleistet. Dabei ist auch eine radselektive Zuordnung dieser Werte möglich. Während sich der Einfluß von Zuladung bereits vor Beginn eines Bremsprozesses zeigt, wirkt sich das Bremsfading erst im Verlauf der Brem sung aus. Dadurch ist eine Unterscheidung der beiden Effekte möglich. Da nun der jeweils aktuelle Zusammenhang zwischen Anpreßkraft und Bremsverzögerung bekannt ist, kann zwischen Bremspedalkraft und Bremsverzögerung eine feste Kennlinie be stimmt werden. Dabei wird einer gegebenen Bremspedalstellung eine angepaßte Anpreßkraft zugeordnet. Außerdem kann die aus den Anpreßkräften berechnete Bremsverzögerung bei Blockier neigung der Räder, also bei erhöhtem Radschlupf, vorteilhaft zur Bestimmung der real wirkenden Fahrzeugverzögerung verwen det werden, ohne dazu den Reibbeiwert explizit bestimmen zu müssen.

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

Fig. 1: eine Schnittdarstellung eines in einer elektrisch betätigten Bremsanlage verwendeten Radbremsaktors und

Fig. 2: ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Bremsverzögerung eines Kraft fahrzeuges

Der genaue Zusammenhang zwischen Bremsverzögerung und Anpreß kraft kann durch einen Proportionalitätsfaktor beschrieben werden.

Bei Kenntnis dieses Proportionalitätsfaktors ist es folglich möglich, die durch gegebene Anpreßkräfte zu erzielende Brems verzögerung zu bestimmen, was bei diversen Bremsfunktionen - z. B. bei den eingangs bereits erwähnten Antiblockier- und Fahrstabilitätsregelungen oder der Steuerung eines elektri schen Bremssystems - erhebliche Verbesserungen ermöglicht. Der Wert dieses Proportionalitätsfaktors hängt jedoch einer seits von der Fahrzeugmasse und andererseits bei auftretendem Bremsfading von der Bremsentemperatur ab, so daß er während des Fahrzeugbetriebes ständig neu bestimmt werden müßte. Da aber in einem herkömmlichen Fahrzeug weder die Fahrzeugmasse und die Bremsentemperatur noch die Anpreßkräfte bekannt sind, wird der Zusammenhang zwischen Anpreßkraft und Bremsverzöge rung in bekannten Bremssystemen bisher nicht genutzt.

Rechnerisch ergibt sich die Bremsverzögerung aus der Diffe renz zwischen der Gesamtverzögerung und den Verzögerungen durch den Motor (Motorverzögerung), den Wind (Windver zögerung), die Reibung (Reibungsverzögerung) und die Hangnei gung (Neigungsverzögerung). Dabei lassen sich alle Werte ba sierend auf Meßwerten von verschiedenen Sensoren - z. B. Raddrehzahlsensoren, Motordrehzahlsensoren und Längs verzögerungssensoren - unabhängig voneinander berechnen. In bekannten Bremssystemen wird aber die Bremsverzögerung nicht explizit ermittelt. Aus Messungen der Raddrehzahlen wird le diglich die Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. die Gesamtverzöge rung bestimmt. Da die Drehzahlsensorensignale dabei teilweise stark gestört oder verrauscht sind, müssen diese Signale ge mittelt oder gefiltert werden. Um auf veränderte Fahrbahnbeschaffenheiten besser reagieren zu können, werden teilweise Reibbeiwerte zusätzlich grob abgeschätzt. Elektrische Brems systeme bieten im Gegensatz zu hydraulischen Bremssystemen die Möglichkeit einer freien Zuordnung von Bremskräften zu bestimmten Pedalstellungen. Da bisher aber die Einflüsse von veränderlichen Fahrzeugmassen und von Bremsfading bei der Be rechnung der Fahrzeugverzögerung nicht berücksichtigt werden, schwankt diesbezüglich die Reaktion des Kraftfahrzeuges auf Bremsbetätigungen des Fahrers teilweise erheblich.

Ein direkt am Bremssattel montierter Bremsaktor 4 (Fig. 1) wird durch einen kommutatorlosen Elektromotor, 20, der zum Beispiel als Asynchronmaschine, Synchronmaschine oder elek tronisch kommutierter Gleichstrommotor ausgeführt ist, ange trieben. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Steuerelektronik 8 für den Elektromotor 20 direkt in das Ge häuse des Radbremsaktors 4 integriert, sie kann jedoch auch unter Inkaufnahme zusätzlicher Leitungen in einem separaten Gehäuse untergebracht sein.

Den Läufer des Elektromotors 20 bildet eine Spindelmutter 22 eines Spindelgetriebes, das zum Beispiel als ein Planetenrol lengetriebe, Kugelspindeltrieb, Trapezgewindetrieb o. a. aus geführt ist. Solche Spindelgetriebe sind für sich bekannt (zum Beispiel eine einteilige Gewindemutter RGTB der INA Li neartechnik oHG). Mehrere Läufermagnete 23 sind auf der Spin delmutter 22 des Spindelgetriebes angebracht. Die Rotations bewegung des Läufers wird durch das Spindelgetriebe in eine Translationbewegung einer Spindel 24 umgesetzt.

Die Axialkraft der Spindel 24 wird durch eine mechanische Übersetzung 25 in Gestalt eines Hebelmechanismus vervielfacht und auf einen Radbremszylinderkolben 26 übertragen, der die Bremsbeläge 6 an die Bremsscheibe 3 andrückt und somit ein Bremsmoment an der Bremsscheibe erzeugt, das zu einer Verzö gerung des Kraftfahrzeuges führt.

Anhand des Flußdiagramms von Fig. 2 wird nun das erfindungs gemäße Verfahren beschrieben, das es erlaubt die Fahrzeugver zögerung durch ein derartiges Bremssystem aus den in den Rad bremszylindern gemessenen Drücken zu bestimmen. Zunächst wer den in einem Schritt F1 mittels verschiedener Sensoren die Werte von Raddrehzahlen, Motordrehzahl und Längsverzögerung aufgenommen. Längsverzögerung sei dabei das Ausgangssignal des Längsverzögerungssensors, also die Längskraft auf ein be kanntes Masseteilchen. In einem Schritt F2 werden die Sensor signale gefiltert, um etwaige Störungen und Rauschsignale zu beseitigen. Anschließend werden in einem Schritt F3 aus den gefilterten Meßdaten die aktuellen Werte der Gesamtverzöge rung, der Motorverzögerung, der Windverzögerung, der Rei bungsverzögerung und der Neigungsverzögerung bestimmt. Dabei wird die Gesamtverzögerung a_G aus der Radbeschleunigung dn_R, die sich aus der gemittelten Ableitung der Raddrehzahlen er gibt, und dem Radradius r_R berechnet.

a_G = dn_R.r_R (I)

Der durch den Lenkeinschlag bedingte Wegunterschied wird durch eine entsprechende Korrektur der Raddrehzahlen berück sichtigt.

Das drehzahlabhängige Motorschleppmoment M_S - im folgenden kurz als Schleppmoment bezeichnet - wird entweder aus einem Kennfeld entnommen oder explizit berechnet. Mit der Motor drehzahl n_M und der mittleren Raddrehzahl n_R wird das Schleppmoment entsprechend der Getriebeuntersetzung auf das Radmoment M_R umgerechnet.

M_R = n_M/n_R.M_S (II)

Unter Berücksichtigung des Radradius und der Fahrzeugmasse m_F wird hieraus die Motorverzögerung a_M bestimmt.

a_M = M_R/(m_f.r_R) (III)

Da die Fahrzeugmasse nicht bekannt ist, wird sie durch das Leergewicht zuzüglich 50% der maximalen Zuladung abgeschätzt. Entspricht die gemessene Raddrehzahl der Leerlaufdrehzahl - dies ist insbesondere bei getretener Kupplung oder herausge nommener Fahrstufe der Fall -, so wird die Motorverzögerung gleich Null gesetzt, da dann kein Drehmoment abgegeben bzw. aufgenommen wird.

Aus den Raddrehzahlen wird auch die Fahrzeuggeschwindigkeit v_F berechnet. Mit dem Motordrehmoment M_M, der Motorkreisfre quenz om_M, der Höchstgeschwindigkeit v_max, die die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit angibt, und der Fahrzeugmasse wird daraus die Windverzögerung a_W bestimmt.

a_W = ((M_M.om_M)/(v_max ³.m_F))v_F ² (IV)

Für das Motordrehmoment und die Motorkreisfrequenz werden hierbei jeweils die Werte bei Höchstgeschwindigkeit einge setzt.

Die Reibungsverzögerung a_R wird als konstant angesetzt oder als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Fahrzeugmasse und des Haftreibungskoeffizienten berechnet. Häufig wird die Reibungsverzögerung aber aufgrund ihres geringen Einflusses auf die Gesamtverzögerung vernachlässigt.

Ist das Fahrzeug mit einem Längsverzögerungssensor ausgestat tet, der die Längsverzögerung a_L des Fahrzeugs gegenüber ei nem reibungsfrei mitrollendem Bezugssystem bestimmt, so kann die Neigungsverzögerung a_N berechnet werden.

a_N = a_G - a_L (V)

Bei Längsverzögerungssensoren erfolgt die Messung stets pa rallel zur Fahrzeuglängsachse. Ist diese nicht parallel zur Bewegungsrichtung des Fahrzeuges, so wird der gemessene Wert durch einen vom Lenkwinkel, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Eintauchen der Vorderachse abhängigen Faktor korrigiert. Alternativ dazu kann die Neigungsverzögerung auch durch Auf integrieren der Signale eines Nickratensensors errechnet wer den.

Aus den einzelnen Verzögerungswerten wird schließlich der Hauptwert a_BH der Bremsverzögerung errechnet.

a_BH = a_G - (a_M + a_W + a_R + a_N) (VI)

Dabei ergibt sich ein relativ exakter Wert für die Bremsver zögerung.

Parallel dazu wird aus den, in einem Schritt F4 mit Hilfe von Bremsdrucksensoren gemessenen Drücken in den Radbremszylin dern, in einem Schritt F5 der Vergleichswert a_BV der Brems verzögerung als Produkt aus dem Bremsdruck p_B und einem vom Bremsdruck, der Fahrzeugmasse und der Bremsentemperatur t_B abhängigen Proportionalitätsfaktor k berechnet.

a_BV = k(p_B, m_F, t_B).p_B (VII)

Der Proportionalitätsfaktor berechnet sich dabei aus

k = c₁.(1 - c₂.p_B ²) (VIII)

Dabei kann beispielsweise der Parameter c₂ entsprechend den Eigenschaften des Bremsbelages und der Bremsscheibe konstant gesetzt werden und c₁ als Korrekturfaktor verwendet werden, der die momentane Fahrzeugbeladung und den Fadingzustand der Bremsen berücksichtigt. Um einen Initialwert für diesen Pro portionalitätsfaktor festzulegen, geht man von einem beliebi gen Betriebszustand aus - z. B. kalte Bremsanlage bei einer Fahrzeugmasse, die sich zusammensetzt aus Leergewicht und 50% der maximal zulässigen Beladung.

In einem Schritt F6 vergleicht man nun die Ergebnisse beider Berechnungsmethoden. Solange dabei ein vorgegebener Schwell wert - z. B. maximale Abweichung gleich 10% - nicht über schritten wird, ist das sich ergebende Verhältnis ein gutes Maß für den Fehler im aktuellen Proportionalitätsfaktor. Die ser kann dann in einem Schritt F7 dementsprechend korrigiert werden. Somit steht der aktuelle Zusammenhang zwischen An preßkräften und Bremsverzögerung laufend zur Verfügung und kann vorteilhaft für diverse Zusatzfunktionen eines Bremssy stems verwendet werden. Überschreitet das Bremsverzögerungs- Verhältnis hingegen den vorgegebenen Schwellwert, so ist das ein Indiz dafür, daß ein Fehler in der Berechnung des Brems verzögerungs-Hauptwertes aufgetreten ist. Insbesondere ist dies dann der Fall, wenn die Räder anfangen zu blockieren, so daß der Radschlupf sich deutlich erhöht und dadurch die, der Berechnung zugrundeliegende Proportionalität von Raddrehzah len und Fahrzeuggeschwindigkeit nicht mehr gegeben ist.

Bei erhöhtem Radschlupf kann das Radträgheitsmoment M_T nicht mehr vernachlässigt werden, so daß durch die Radbeschleuni gung dn_R ein zusätzliches, rechnerisch ermittelbares Schlupf moment M_Schl erzeugt wird.

M_Schl = M_T.dn_R (IX)

Im Radträgheitsmoment sind dabei die Massenträgheitsmomente aller rotierenden Teile - z. B. Bremsscheibe, Antriebswelle, Getriebewelle - zusammengefaßt.

In einem Schritt F8 setzt man nun das Momentengleichgewicht an einem Rad an. Dabei muß das Schlupfmoment gleich der Summe aller übrigen wirksamen Momente sein. Diese setzen sich ei nerseits aus einem vom Fahrzeug ausgehenden Gesamtmoment M_G und andererseits aus einem Übertragungsmoment M_Ü, das vom Kraftübertrag des Reifens auf die Fahrbahn erzeugt wird und das die momentan wirksame Fahrzeugverzögerung a_Wirk (Wirkverzögerung) charakterisiert, zusammen. Als sinnvolle Näherung für das Gesamtmoment dient nun das aus dem Bremsver zögerungs-Vergleichswert a_BV und dem Reifenradius r_R berechen bare Bremsmoment M_B.

M_G ≈ M_B = a_BV.r_R (X)

Zusätzlich können auch weitere Momente - z. B. das Motor schleppmoment - berücksichtigt werden.

Das Übertragungsmoment M_Ü läßt sich somit aus der Differenz aus Schlupfmoment und Gesamtmoment bzw. Bremsmoment berech nen.

M_Ü = M_Schl - M_G ≈ M_Schl - M_B (XI)

Mit Hilfe des Reifenradius und der Fahrzeugmasse läßt sich daraus schließlich die Wirkverzögerung a_Wirk in guter Näherung bestimmen.

a_Wirk = M_Ü/(r_R.m_F) (XII)

Auf diese Weise ergeben sich deutlich genauere Ergebnisse für die Wirkverzögerung als bei der herkömmlichen Methode der groben Abschätzung des Reibbeiwertes - z. B. aufgrund des Gra dienten, mit dem ein Rad in erhöhten Schlupf einläuft.

Claims

1. Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug mit elektrisch gesteuer ten Radbremsaktoren dadurch gekennzeichnet, daß die Brem sanlage ein elektrisches Steuergerät (8) aufweist, in dem die Verzögerung des Kraftfahrzeuges durch die Fahrzeug bremse, als Produkt aus der Anpreßkraft der Fahrzeugbremse und einem von der Anpreßkraft, der Bremsentemperatur und der Fahrzeugmasse abhängigen Proportionalitätsfaktor be rechnet wird, ohne daß die Bremsentemperatur und die Fahr zeugmasse explizit bestimmt werden.

2. Verfahren zum Ermitteln der Verzögerung eines Kraftfahr zeuges durch die Fahrzeugbremse, dadurch gekennzeichnet,
daß aus mindestens einer der Größen Raddrehzahlen, Mo tordrehzahl, Längsverzögerung oder Motorschleppmoment ein Hauptwert der Bremsverzögerung berechnet wird,
daß aus Messungen der Anpreßkräfte ein Vergleichswert der Bremsverzögerung berechnet wird,
daß aus dem Verhältnis des Hauptwertes und des Ver gleichswertes der Bremsverzögerung ein Proportionali tätsfaktor berechnet wird, und
daß die Bremsverzögerung als Produkt aus der Anpreßkraft der Fahrzeugbremse und dem Proportionalitätsfaktor be rechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Proportionalitätsfaktors korrigiert wird, wenn das Bremsverzögerungs-Verhältnis einen bestimmten Schwell wert nicht überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktors abhängig von Zuladung und Hang neigung auch in Phasen ohne Bremsbetätigung korrigiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Bremsentemperatur abhängiger Anteil des Proportio nalitätsfaktors in den Phasen ohne Bremsbetätigung auf ei nen vorgegebenen Ausgangswert zurückgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsverzögerung in Phasen, in denen das Bremsverzöge rungs-Verhältnis den Schwellwert überschreitet, dazu ver wendet wird, aus dem Momentengleichgewicht am Rad eine wirksame Fahrzeugverzögerung zu bestimmen.

7. Verfahren zum Ermitteln der Gesamtverzögerung eines Kraft fahrzeuges, bei dem die Motorverzögerung, die Windverzöge rung, die Reibungsverzögerung, die Neigungsverzögerung und die Bremsverzögerung ermittelt und addiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsverzögerung nach einem Ver fahren gemäß einem der Ansprüche 2-5 berechnet wird.