DE102012222058B4

DE102012222058B4 - Hydraulisches Bremssystem für Zweiräder

Info

Publication number: DE102012222058B4
Application number: DE102012222058.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schlender; Armin Verhagen; Christian Motschenbacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103847718A; TWM492871U; CN103847718B; DE102012222058A1

Abstract

Vorrichtung zum Steuern eines Bremssystems eines Zweirades (1), umfassend:- mindestens einen Sensor (20, 22, 30, 40) zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt;- mindestens eine Einheit (200, 300, 400) zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads; und- eine Steuerung (50), die der mindestens einen Einheit (200, 300, 400) zum hydraulischen Lösen der Bremse (130, 470) des Zweirads (1) den Befehl gibt, die Bremse (130, 470) des Zweirads zu lösen, wenn der mindestens eine Sensor (20, 22, 30, 40) ermittelt, dass sich das Hinterrad (10) des Zweirades (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einheit (200) zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads (1) einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder (140) und einen elektrischen Antrieb (170) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Bremssystems, insbesondere zum Regeln eines Bremssystems von Zweirädern, wie z.B. Fahrrädern.
Stand der Technik
Einfache Fahrräder erfreuen sich stetig steigender Beliebtheit. Durch die gesteigerten Anforderungen an diese Zweiräder werden diese immer weiter verbessert. Mittlerweile gibt es neben den mechanischen Zweirädern, die rein durch Muskelkraft betrieben werden, immer mehr Varianten, die zumindest teilweise mit elektrischen Antrieben kombiniert werden. Beispiele hierfür sind E-Bikes. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei kleinen motorisierten Zweirädern eingesetzt werden.
Durch allerlei Verbesserungen ist eine zunehmende Durchschnittsgeschwindigkeit dieser Zweiräder möglich. Dadurch werden jedoch auch immer höhere Anforderungen an die Bremssysteme gestellt.
Im Stand der Technik sind daher Bremssysteme bekannt, die mit Scheiben-, Trommel-, und Felgenbremsen arbeiten, die mit Seilzug oder hydraulisch betätigt werden. Im Falle einer Rücktrittbremse wird die Betätigung über die Antriebskette realisiert.
Wenn bei einem Fahrrad der Bremshebel am Lenker betätigt wird, wird der Bremsvorgang eingeleitet. Wenn an dem Bremshebel gezogen wird, werden in den meisten Fällen ein oder mehrere Bremsklötze an die Felge oder die Nabe des Rades gepresst. Im Beispiel der häufig verwendeten Felgenbremse werden unter anderem Seilzugbremsen und hydraulische Bremsen verwendet.
Jedoch haben diese Bremssysteme für Zweiräder nur einen steuernden und keinen regelnden Charakter. Einfache Systeme zur Bremskraftbegrenzung sind beispielsweise Kraftbegrenzung im Seilzug oder eine indirekte Kraftbegrenzung über die Einstellung des Betätigungswegs am Bremshebel.
Damit die Bremssysteme während des Bremsvorgangs nicht blockieren, wurden einfache mechanische Blockierverhinderer entwickelt. Jedoch konnten sich keine dieser Systeme bisher durchgesetzt.
Die modernen Felgen- und Scheibenbremsen weisen heutzutage eine immer bessere und vor allem schnellere Bremsleistung auf. Das bedeutet, dass die heutigen Bremssysteme immer höhere Bremsverzögerungen erreichen.
Ein Problem der verbesserten Bremsleistung ist jedoch, dass es immer häufiger zu Stürzen des Fahrers über den Lenker und somit zu schweren Verletzungen kommt.
Zusätzlich dazu werden durch den elektrischen Antrieb bei Zwei- bzw. Fahrrädern immer höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten erreicht. Dadurch steigt natürlich das Unfallrisiko bei diesen sogenannten E-Bikes.
Ein weiterer Vorteil bei diesen Zweirädern mit elektrischem Antrieb ist, dass nun für Regelungssysteme eine elektrische Energiequelle zur Verfügung steht.
Aus DE 10 2008 019 469 A1 , DE 10 2010 038 525 A1 , DE 195 08 915 A , DE 101 58 382 A1 und EP 1 873 029 A1 sind bereits Vorrichtungen zum Steuern eines Bremssystems eines Zweirades bekannt, welche ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt, und eine Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse so steuern, dass diese die Bremse löst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhindert primär den Überschlag des Fahrers über den Vorderlenker. Als weitere Funktion wird mit diesem System ebenfalls das Blockieren der Räder verhindert. Durch dieses System wird der Fahrer bei der Bremsung aktiv und optimal unterstützt und die Bremsleistung verbessert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 eine Vorrichtung zum Regeln eines Bremssystems eines Zweirades vor. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Sensor zum Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt.
Beim oben genannten Beispiel einer Felgenbremse bei einem Zweirad werden bei Betätigung des Bremshebels am Lenker die beiden Bremsarme der Bremse geschlossen. Durch die entstehende Reibung wird das Fahrrad verzögert. Ist die Verzögerung am Vorderrad zu groß, hebt das Hinterrad von der Fahrbahn ab und das gesamte Zweirad droht sich über den Vorderlenker zu überschlagen.
Um zu erkennen, ob das Zweirad von der Fahrbahn abhebt und somit ein Überschlag droht, kann der Sensor ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirades von der Fahrbahn abhebt, und verschiedene Informationen verwenden. Im Einzelnen kann sowohl die Beschleunigung des Rades, die Raddrehzahl, die Raddrehrate als auch jegliche Kombination aus diesen Messwerten verwendet werden.
Eine hydraulische Bremse bezeichnet eine Bremse, deren Kraftübertragung hydraulisch, das heißt über eine Flüssigkeit in einer Leitung, erfolgt. Hydraulikbremsen überzeugen mit deutlich besseren Eigenschaften als die herkömmlichen mechanischen Bremsen. So sind sie deutlich besser dosierbar und haben eine höhere Bremskraft.
Dabei ist der Bremshebel über hydraulische Leitung mit zwei Bremsarmen verbunden, welche auf beiden Seiten der Felge des Rades angeordnet sind. Beim Bremsen werden gegenüberliegende Beläge aus Sintermaterial auf die beiden Felgenflanken gepresst, so dass durch Reibung eine Bremswirkung entsteht. Felgenbremsen sind sowohl für einfache Alltagsräder als für den Leistungssportbereich geeignet. Bei den Felgenbremsen unterscheidet man zwischen Systemen mit nur einem Befestigungspunkt über dem Reifen und zweiteiligen Systemen mit zwei Befestigungspunkten beiderseits der Felge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich über das Messen der Raddrehzahlen ein Blockieren des Vorder- oder des Hinterrades erkennen und verhindern. Dadurch bleibt insbesondere das Vorderrad immer lenkbar.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads. Dabei kann die Einheit zum hydraulischen Lösen direkt in die Hydraulikleitung eingreifen, das bedeutet das durch die Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirades der Druck in der Hydraulikleitung vermindert, wodurch sich die Bremsarme lösen und die Bremskraft der Bremse dadurch verringert wird. Wenn die Einheit zum Lösen der Bremse nicht mehr benötigt wird und daher nicht mehr arbeitet, wird Druck in der Hydraulikleitung wieder erhöht, wodurch die Bremse ihre ursprüngliche Bremskraft wieder erhält.
Die Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirades kann als ein rein hydraulisches System zum Verhindern der Radblockierung oder auch zum Ermitteln des Abhebens des Hinterrads und damit zur Vermeidung eines Überschlags des Fahrers über den Lenker realisiert werden. Außerdem sind elektrohydraulische Systeme denkbar, die ein hydraulisches System mit einem elektrischen Antrieb verbinden.
Zusätzlich dazu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuerung, die der Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads den Befehl gibt, die Bremse des Zweirads zu lösen, wenn der Sensor ermittelt, dass sich das Hinterrad des Zweirades von der Fahrbahn abhebt.
Erkennt die Steuerung einen möglichen Überschlag oder ein Abheben des Hinterrades von der Fahrbahn, wird beispielsweise die Aktuatorik des Vorderradbremskreislaufes angesteuert. Die Bremsarme werden geöffnet und das Vorderrad kann sich wieder schneller drehen, so dass der Überschlag vermieden wird.
Nachdem sich dann das Hinterrad wieder auf der Fahrbahn befindet, schaltet die Steuerung die Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads ab und das Bremssystem arbeitet ohne regelnden Eingriff weiter.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für jede Art von Trommel-, Scheiben- und Felgenbremse geeignet.
Vorteile der Erfindung
Der Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung ergibt sich daraus, dass dieses System eine aktive Regelung und Eingriff in das Fahrradbremssystem mit allen Vorteilen einer Regelung ermöglicht. Zunächst wird der Bremsweg aufgrund optimaler Bremskraftverteilung und Unterstützung verkürzt und gleichzeitig ein Überschlag des Fahrers über den Vorderlenker verhindert.
Außerdem verhindert die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Blockieren des Rades durch diese ABS-(Antiblockiersystem)-Funktionalität. Dies führt weiter zu einem Verhindern, dass die Räder wegrutschen und dadurch zu einem Vermeiden von Stürzen und ein Verbessern der Fahreigenschaften des Zweirades.
Darüber hinaus wird der Fahrer durch dieses System bei dem Bremsen aktiv und optimal unterstützt und die Bremsleistung verbessert.
Vorzugsweise ist mindestens einer der Sensoren, zum Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt, ein Beschleunigungssensor. Der Beschleunigungssensor misst die Lage des Fahrrades und gibt diese Messwerte an die Steuerung weiter. Dabei kann über den Vektor des Beschleunigungssensors der Überschlag bzw. das Abheben des Hinterrades von der Fahrbahn erkannt werden. Der Beschleunigungssensor hat die Möglichkeit, die Schwerpunktlage durch Gewichtsverlagerung des Fahrers zu erfassen und in der Regelung zu berücksichtigen.
Weiterhin wird bevorzugt, dass mindestens einer der Sensoren, zum Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt, ein Drehzahlsensor ist. Im Allgemeinen sollte an jedem der beiden Räder ein Drehzahlsensor angebracht werden. Dabei bekommt die Steuerung jeweils die Messwerte der Raddrehzahlen von Vorder- und Hinterrad übermittelt. Der Überschlag kann dann durch eine extreme Drehzahldifferenz von Vorderzu Hinterrad erkannt werden.
Da Raddrehzahlsensoren Radrehzahlen messen, kann über Raddrehzahlsensoren auch gemessen werden, ob ein Rad blockiert, d.h. stillsteht. Dadurch kann bei drohendem Radstillstand die Aktuatorik des entsprechenden Rades angesteuert werden. Infolgedessen werden die jeweiligen Bremsarme gelöst. Das bedeutet durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch verhindert werden, dass die Räder des Zweirades blockieren.
Weiterhin wird bevorzugt, dass mindestens einer der Sensoren, zum Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt, ein Drehratensensor ist. Der Überschlag bzw. das Abheben des Hinterrads kann auch mit einem Drehratensensor erkannt werden. Drehratensensoren messen die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers.
Durch die Kombination der unterschiedlichen Sensorinformationen (Beschleunigung, Raddrehzahl und Drehratensensor) kann der Überschlag besser erkannt werden.
Erfindungsgemäß ist mindestens eine Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder und ein elektrischer Antrieb. Dazu wird in die Hydraulikleitung ein Hydraulikzylinder eingebracht. Mit Betätigung des Bremshebels wird in der oberen Kammer des Zylinders Druck aufgebaut, so dass sich der Stempel des Hydraulikzylinders nach unten bewegt und gleichzeitig die Bremse aktiviert wird und das Zweirad bremst. An dem Stempel des Hydraulikzylinders ist eine Zahnstange befestigt.
Mit einem elektrischen Antrieb, beispielsweise in Form eines Elektromotors, an dem ein Zahnrad befestigt ist, welches in der Zahnstange läuft, kann dann ebenfalls in den Bremsenkreislauf eingegriffen werden.
Im Folgenden wird als Bezugssystem für die Drehrichtung des elektrischen Antriebs bzw. Elektromotors die Längsrichtung der Antriebswelle, mit Blick auf den Austritt der Welle aus dem Elektromotorgehäuse aus, verwendet.
Dreht sich der Elektromotor im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts, bewegt sich die Zahnstange nach oben. Dadurch wird der Flüssigkeitsdruck in der Bremse abgebaut und die Bremse löst.
Dreht sich der Elektromotor jedoch gegen den Uhrzeigersinn bzw. nach rechts, bewegt sich die Zahnstange nach unten. Dadurch wird der Flüssigkeitsdruck in der Bremse erhöht und die Bremswirkung der Bremse nimmt zu. Auf diese Weise kann man regelnd in das System eingreifen.
Weiterhin wird bevorzugt, dass mindestens eine Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads ein weiterer Hydraulikkreislauf und ein Vorratsbehälter vorhanden ist, auf den umgeschaltet wird, wenn einer der Sensoren zum Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt, misst, dass das Hinterrad des Zweirades abgehoben hat.
Bei einem „normalen“ Bremsvorgang, ohne dass in die Bremse regelnd eingegriffen wird, wird mit Betätigung des Bremshebels über eine mechanische Verbindung der Hauptbremszylinder bewegt und Druck aufgebaut.
Die Bremsflüssigkeit in diesem Hauptbremszylinder wird in eine hydraulische Leitung gedrückt, fließt in die Radbremszylinder direkt an der Bremse. Nun werden die Bremsklötze gegen die Felge gedrückt, wodurch die Bremsung aktiv wird.
Wird nun der Bremshebel wieder losgelassen, zieht eine Feder im Hauptbremszylinder den Kolben des Hauptbremszylinders in die Ausgangsstellung zurück. Diese Bewegung kann zusätzlich durch eine weitere Feder im Radbremszylinder unterstützt werden. Während sich der Kolben im Hauptbremszylinder in seine Ausgangsstellung bewegt, entsteht im Hauptbremszylinder ein Unterdruck der gleichzeitig dafür sorgt, dass die Bremsflüssigkeit in der Hydraulikleitung wieder zurück in den Hauptbremszylinders läuft.
Wird nun mit dem Bremshebel so stark gebremst, dass das Rad blockiert oder das Hinterrad von der Fahrbahn abhebt, was bedeutet, dass das Fahrrad droht, sich nach vorne zu überschlagen, kann der Bremsdruck in der Bremse des entsprechenden Rades vermindert werden und dadurch das Blockieren des Rades beendet werden. Dazu wird in die Hydraulikleitung zwischen dem Hauptbremszylinder und den Radbremszylindern ein Ventil angebracht. Ein Beispiel für ein solches Ventil ist eine 3/2-Wegeventil mit Federrückstellung.
Ist der Druck im Radbremszylinder nun zu hoch, kann dieser durch Umschalten des Ventils abgebaut werden. Durch Umschalten des Ventils fließt Bremsflüssigkeit in einer weiteren Leitung zurück in einen Vorratsbehälter.
Erkennt nun der Raddrehzahlsensor, dass sich das Rad wieder dreht, so schaltet das Ventil wieder zurück zur ursprünglichen Hydraulikleitung und der im Hauptbremszylinder und Hydraulikleitung vorhandene Druck wirkt - um den Druckabfall aufgrund des Befüllens des Radbremszylinders vermindert - wieder auf den Radbremszylinder. Der vor dem regelnden Eingriff (auch ABS-(Antiblockiersystem)-Eingriff genannt) vorhandene Druck kann durch etwas mehr Betätigungsweg des Bremshebels wieder erreicht werden. Jedoch kann dieser Regelvorgang nicht unendlich lange fortgeführt werden. Denn irgendwann wird der Hauptbremszylinder leer sein und das Bremssystem kann nicht mehr bremsen.
Deshalb wird weiterhin bevorzugt, dass eine Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse weiter einen Niveauendschalter umfasst, welcher die Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse ausschaltet, wenn das Flüssigkeitsniveau des Hauptbremszylinders einen minimalen Wert erreicht.
Dieser Niveauendschalter wird innerhalb des oder an dem Hauptbremszylinder angebracht und wird ausgelöst, wenn das Flüssigkeitsniveau einen minimalen Wert erreicht. Dies kann dann der Fall sein, wenn der Kolben im Hauptbremszylinder den Niveauendschalter erreicht.
Bei Erreichen dieses Niveauendschalters unterbricht dieser Endschalter die Aktorspannungsversorgung, d.h. die Spannung, die dafür sorgt, dass die Steuerung das Ventil von der einen Hydraulikleitung auf die andere Hydraulikleitung umschaltet. Daher ist dann kein weiterer Regeleingriff mehr möglich und der Fahrer kann das Fahrrad trotzdem auch ohne die Möglichkeit des regelnden Eingriff bzw. der ABS-Funktionalität zum Stillstand bringen.
Wird nun der Bremshebel am Lenker wieder losgelassen, zieht die Feder im Hauptbremszylinder den Zylinder wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Diese Bewegung wird zusätzlich durch den Radbremszylinder, der einen federzurückgestellten Charakter aufweist, unterstützt. Dieser Feder-zurückstellende Radbremszylinder dient der Sicherstellung des Rückstellens der Bremsklötze.
Während sich der Kolben im Hauptbremszylinder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, entsteht in diesem ein Unterdruck der gleichzeitig dafür sorgt, dass ein Rückschlagventil, das in der Hydraulikleitung zwischen dem Hauptbremszylinder und dem Vorratsbehälter angeordnet ist, sich öffnet. Dadurch fließt die Bremsflüssigkeit vom Vorratsbehälter in den Hauptbremszylinder.
Geht daraufhin der Unterdruck im Hauptbremszylinder gegen Null, da dieser wieder mit Bremsflüssigkeit befüllt ist, schließt das Rückschlagventil aufgrund einer integrierten Feder wieder.
Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausführungsform gut arbeitet, sollte das Volumen im Hauptbremszylinder im Verhältnis zum Volumen im Radbremsenzylinder ausreichend groß sein.
Wenn der Kolben des Hauptbremszylinders den Niveauendschalters erreicht, öffnet dieser und unterbricht so die Spannungsversorgung des Ventils, wodurch diese in ihre Ausgangsstellung zurückbewegt werden sollen. Deshalb sollten selbst rückstellende Ventile verwendet werden.
Dadurch wird sichergestellt, dass der Hauptbremszylinder nie leer wird und der Fahrer immer eine Möglichkeit hat, das Zweirad zu bremsen.
Eine Feder im Ventil kann dafür sorgen, dass im Fehlerfall, beispielsweise dem Systemausfall der Elektrik, das Ventil in seine Ausgangsstellung zurückgeschaltet wird und somit sichergestellt wird, dass die normale Bremsenfunktion immer zur Verfügung steht. Dies stellt die Rückfallebene dar.
Wenn als Ventil ein Rückschlagventil und kein elektrisches 2/2 Wegeventil verwendet werden, benötigt dieses System weniger Energie, und dieses System wird aufgrund des einfacheren Ventils auch billiger.
Der Vorteil der beiden Versorgungsquellen ist zum einen, dass es eine Spannungsüberwachung der Spannungsversorgung des Aktors ermöglich. Ein Mikrocontroller in der Steuerung detektiert die leere Batterie und meldet dies dem Fahrer mithilfe einer optischen und/oder akustischen Meldung.
Daher sollte die Kapazität der Spannungsversorgung der Steuerung mit dem Mikrocontroller, wie einem erweiterter Fahrradtacho, für eine lange Lebensdauer ausgelegt (mindestens 1 Jahr) und somit deutlich länger als die des Aktors sein.
Der Fahrer sollte dann per Hinweis (Bedienungsanleitung und/oder Hinweis im Sichtbereicht) darauf aufmerksam gemacht werden, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nur dann zur Verfügung steht, wenn der Fahrradtacho mit integrierter ABS-Logik betriebsbereit am Fahrrad montiert ist. Ein Beispiel hierfür ist eine „ABS ok“-Meldung beim Einstecken des Tachos.
Unabhängig von dem vorangegangenen Punkt kann die Inaktivität des ABS dem Zweiradfahrer durch eine Anzeige signalisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass man bei betriebsbereiten ABS eine LED einschaltet. Ist die Batterie des Aktors leer, erlischt die LED und das ABS ist nicht mehr betriebsbereit.
Die Federn im Radbremszylinder sorgen dafür, dass die Bremsbeläge sicher in die Endstellung zurück gelangen und somit die Bremse löst.
Ein weiterer Vorteil dieses System ist, dass für dieses System keine Pumpe erforderlich ist. Die Bremsflüssigkeit aus dem Radbremszylinder wird per Federn und Vakuum zurück in den Hauptbremszylinder befördert.
Da für dieses System keine Pumpe erforderlich ist, benötigt dieses System nur sehr wenig elektrische Energie. Dieses System benötigt lediglich zum kurzen Ansteuern der Ventile und optional für den Mikrocontroller elektrische Energie.
Alle erwähnten Ausführungsformen sind sowohl für Trommelbremsen als auch für Scheibenbremsen und Felgenbremse geeignet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:

1 eine schematische Darstellung eines Zweirades mit einer Steuerung und den Sensoren zeigt, die Ermitteln, ob das Hinterrad des Zweirads von der Fahrbahn abhebt;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads mit Hilfe eines doppelt-wirkenden Hydraulikzylinders und eines elektrischen Antriebs zeigt;
3 eine schematische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads mit Hilfe einer Zahnradpumpe und eines elektrischen Antriebs zeigt; und
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads mit Hilfe eines weiteren Hydraulikkreislaufs und eines Vorratsbehälters zeigt.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zweirads 1, in diesem Fall ein Fahrrad mit einer Steuerung 50 und den Sensoren zum Ermitteln, ob das Hinterrad 10 des Fahrrades 1 von der Fahrbahn 5 abhebt. Dazu ist in dem Rahmen 12 des Fahrrads 1 eine Sensoreinheit 20 angebracht. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit 20 in der Nähe des Schwerpunkts des Fahrrads angeordnet, in dem vorliegenden Fall unter dem Sattel 25.
Es gibt verschieden Möglichkeiten, den Überschlag eines Fahrrades über den Lenker 18 bzw. das Abheben des Hinterrades 10 von der Fahrbahn 5 zu bestimmen.
Eine Möglichkeit einen Überschlag eines Fahrrads zu erkennen ist die Messung über den Vektor eines Beschleunigungssensors 22. Deshalb umfasst die Sensoreinheit 20 einen Beschleunigungssensor 22, welcher die Lage des Fahrrades 1 in Bezug auf die Fahrbahnoberfläche 5 misst. Der Sensor 22 misst die Beschleunigung, indem er die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt. Beispielsweise kann die Beschleunigung bestimmt werden, indem die Geschwindigkeitszunahme oder -Abnahme, die auf die Testmasse wirkt, ermittelt wird. Außerdem hat der Beschleunigungssensor 22 die Möglichkeit die Schwerpunktslage des Fahrrades 1 durch Gewichtsverlagerung des Fahrers zu erfassen und zu berücksichtigen. Zusätzlich dazu misst der Beschleunigungssensor 22 die Lage des Fahrrades 1 in Bezug auf die Fahrbahnoberfläche 5.
Darüber hinaus weist die Sensoreinheit 20 zusätzlich einen Drehratensensor 30 auf. Drehratensensoren 30 messen die Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers in diesem Fall des Fahrrads und können dadurch einen Überschlag des Fahrrads 1 erkennen. Das bedeutet der Drehratensensor 30 misst eine mögliche Rotation des Fahrrads 1 nach vorne über den Lenker 18, wie es bei einem Überschlag der Fall wäre. Der Drehratensensor 30 kann jedoch auch außerhalb der Sensoreinheit 20 und/oder an einer anderen Stelle des Fahrrads 1 eingebaut sein.
Zusätzlich dazu kann der Überschlag auch über die Drehzahlmesser bzw. Raddrehzahlsensoren 40, 40 gemessen werden. Dazu wird ein Raddrehzahlmesser 40 am Hinterrad 10 und ein Raddrehzahlmesser 40 am Vorderrad 16 befestigt. Der Überschlag des Fahrrades 1 bzw. das Abhebens des Hinterrades 10 kann durch eine extreme Drehzahldifferenz von Vorder- zu Hinterrad erkannt werden.
Die Sensorinformationen des Beschleunigungssensors 22, des Drehratensensors 30 und des Drehzahlmessers 40 werden in der Steuerung 50 erfasst und mit Hilfe einer geeigneten Software wird entschieden, ob sich das Hinterrad 10 von der Fahrbahn 5 abhebt bzw. ein Überschlag droht. Die Steuerung 50 entscheidet dann, ob sie regelnd in das Bremssystem eingreift.
Natürlich sind sowohl die Informationen vom Beschleunigungssensor 22, vom Drehratensensor 30 als auch vom Raddrehzahlsensor 40 einzeln geeignet, um zu ermitteln, ob das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt bzw. ein Überschlag droht. Jedoch ergibt eine Kombination von zwei oder sogar allen drei Sensorinformationen bessere und schnellere Informationen, um zu ermitteln, ob ein Überschlag droht.
Ein drohender Überschlag bzw. das Abheben der Hinterrads 10 kann dadurch verhindert werden, dass die Bremsbacken 65 des Vorderrads 16 geöffnet werden, und sich die Bremse somit löst. Dadurch kann das Vorderrad 16 sich wieder schneller drehen, so dass der Überschlag des Fahrrads 1 über den Lenker 18 vermieden wird.
Für den regelnden Eingriff in das Bremssystem gibt es mehrere Möglichkeiten, die in den folgenden Figuren dargestellt werden sollen. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen gleiche bzw. unveränderte Teile, der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt deshalb eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Fahrrads 1.
Beim Bremsen einer Hydraulikbremse wird im Allgemeinen der Bremshebel 110 an der Griff 115 des Lenkers 18 gezogen. Der Bremshebel ist über den Hydraulikleitung 120 mit der Bremse 130 verbunden. Die beiden Bremsarme 132 und 134 der Bremse 130 werden geschlossenen und die Bremse 130 bremst das Vorderrad 16 ab.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun in die Hydraulikleitung 120 zwischen dem Bremshebel 110 an dem Lenker 18 des Fahrrades 1 und der Bremse 130 ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder 140 eingearbeitet. Mit Betätigen des Bremshebels 110 wird in der oberen Kammer 142 des Hydraulikzylinders 140 Druck aufgebaut. Dadurch senkt sich der Kolben 145 in dem Hydraulikzylinder 140 und in der zweiten Kammer 147 des Hydraulikzylinders wird wiederum ein Druck aufgebaut, welcher dafür sorgt, dass die Bremse 130 aktiviert wird und das Fahrrad 1 abgebremst wird.
Der Kolben 145 des Hydraulikzylinders 140 ist nun mit einer Zahnstange 150 verbunden. Dadurch kann ein Elektromotor 170, welcher mit einem Zahnrad 160 verbunden ist, nun regelnd in das Bremssystem eingreifen.
Erkennt die Steuerung 50 über den Beschleunigungssensor 22, den Raddrehzahlsensor 40 und/oder den Drehratensensor 30, dass ein Überschlag droht, veranlasst die Steuerung 50, den Elektromotor 170 das Zahnrad 160 im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts zu drehen. Daraufhin bewegt das Zahnrad 160 die Zahnstange nach oben. Gleichzeitig bewegt sich auch der Kolben 145 nach oben und infolgedessen löst sich die Bremse 130.
Wenn die Steuerung 50 dem Elektromotor 170 den Befehl gibt, dass er sich entgegen dem Uhrzeigersinn bzw. nach links drehen soll, bewegt das daran befestigte Zahnrad 160 die Zahnstange 140, die mit dem Kolben 145 verbunden ist, nach unten. Dabei wird der Kolben nach unten gedrückt, die Bremse 130 wird geschlossen und die Bremswirkung der Bremse 130 wird wieder erhöht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse des Fahrrads 1. Auch hier ist eine Hydraulikleitung 220 zwischen dem Bremshebel 110 am Lenker 18 und der Bremse 130 angeordnet. In diesem Falle läuft die Hydraulikleitung 220 über eine Zahnradpumpe 230 mit zwei Zahnrädern 233 und 236.
Wird nun der Bremshebel 110 gegen den Griff 115 des Lenkers 18 gedrückt, wird über die Hydraulikleitung 220 Bremsflüssigkeit in die Pumpe 230 gedrückt. Die Zahnräder 233 und 236 drehen sich daraufhin auf Grund der einströmenden Bremsflüssigkeit. Dadurch wird der Druck in der nachfolgenden Hydraulikleitung 225 ebenfalls erhöht und die Bremse 130 aktiviert. Daraufhin wird das Fahrrad abgebremst.
Wenn nun der Bremshebel 110 losgelassen wird, läuft die Bremsflüssigkeit zurück in den Bremshebel und die Bremse wird wieder gelöst.
Über einen Elektromotor 270, welcher mit einem der beiden Zahnräder 233 oder 236 verbunden ist, kann regelnd in den Bremskreislauf eingegriffen werden.
Erkennt nun die Steuerung 50 (d.h. ein Steuergerät) einen drohenden Überschlag bzw. ein Abheben des Hinterrads 10 von der Fahrbahn 5, wird ein Signal an den Elektromotor 270 gegeben.
Erhält nun der Elektromotor 270 einen Befehl der Steuerung 50, dreht er das Zahnrad 236 im Uhrzeigersinn bzw. nach rechts. Daraufhin wird Bremsflüssigkeit von der Bremse in den Hauptbremszylinder am Bremshebel 110 befördert und die Bremse löst sich.
Gibt dagegen die Steuerung 50 das Signal an den Elektromotor 270, dass kein Überschlag mehr droht, dreht der Elektromotor 270 das Zahnrad 236 entgegen dem Uhrzeigersinn bzw. nach links. Dadurch wird Bremsflüssigkeit von dem Bremshebel 110 in die Bremse 130 befördert. Daher steigt der Bremsdruck in der Bremse 130 und die Bremse 130 kann wieder ihren gesamten Bremsdruck entfalten.
4 zeigt die schematische Darstellung einer Einheit zum hydraulischen Lösen der Bremse 470 eines Zweirads 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wenn bei einem Bremssystem gemäß 4 der Hebel 110 gegen den Griff 115 des Lenkers 18 gedrückt wird, wird in der Leitung 420 ein Druck aufgebaut. Die Leitung 420 kann eine mechanische Verbindung sein oder auch eine Hydraulikleitung. Wird der Bremshebel 110 gezogen, wird der Kolben 432 in den Hauptbremszylinder 430 gedrückt. Der Hauptbremszylinder 430 enthält Bremsflüssigkeit, welche in die Leitung 425 gedrückt wird und dann durch das Ventil 440 in den Radbremszylinder 450 gepresst wird.
Nun werden die Bremsklötze 452 und 454 gegen die Felge 456 am Reifen 458 gepresst. Dadurch wird die Bremsung aktiv und das Zweirad oder das Fahrrad 1 wird verzögert. Wird nun der Bremshebel 110 wieder losgelassen, zieht die Feder 434 in dem Hauptbremszylinder den Kolben 432 wieder in die Ausgangsstellung zurück.
Diese Bewegung wird zusätzlich durch eine Feder 460 in dem Radbremszylinder 450 bzw. den Radbremszylindern 450 unterstützt. Diese Feder 460 sorgt dafür, dass der Kolben 462 wieder in seiner Ausgangsposition zurückgedrückt wird.
Während sich der Kolben 432 des Hauptbremszylinders 430 in seine Ausgangsstellung bewegt, entsteht in dem Hauptbremszylinder 430 ein Unterdruck, der dafür sorgt, dass die Bremsflüssigkeit aus der Leitung 425 wieder in den Hauptbremszylinder 430 läuft.
Ob das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt, kann unter anderem durch einen Beschleunigungssensor 22 gemessen werden. Dieser Beschleunigungssensor 22 kann die Beschleunigung um die Quer-, Längs- und Hochachse messen.
Eine weitere Möglichkeit zu messen, ob das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt ist mit einem Drehratensensor 30 möglich. Dieser Drehratensensor 30 misst die Nick-, Roll- und Gierrate.
Außerdem kann das Fahrrad 1 einen Drehzahlsensor 40 sowohl am Vorderrad 16 als auch am Hinterrad 10 aufweisen. Durch einen Vergleich der jeweiligen Drehzahlen, lässt sich beurteilen, ob das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt.
Die Messwerte aus dem Beschleunigungssensor 22, dem Drehratensensor 30 und den Drehzahlsensoren 40 ergeben einzelnen oder auch als in Kombination Aufschluss darüber, ob sich das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt und damit ein Überschlag droht.
Die drei Messwerte von den drei Sensoren 22, 30 und 40 werden über einen Systembus 52 in die Steuerung 50 eingespeist. Die Steuerung 50 ermittelt beispielsweise mit Hilfe eines Mikrokontrollers und einer geeigneten Software, ob das Hinterrad 10 des Fahrrads 1 von der Fahrbahn 5 abhebt und damit in das Bremssystemen eingegriffen werden muss.
Erkennt nun die Steuerung 50, dass der Steuerhebel 110 so stark gedrückt wird, dass das Vorderrad 16 blockiert und das Fahrrad 1 nach vorne zu überschlagend droht, kann der Bremsdruck in der Bremse 470 vermindert werden und dadurch das Blockieren des Vorderrades verhindert werden. Dadurch dreht sich das Vorderrad 16 wieder und ein Überschlag wird vermieden.
Wenn der Druck in dem Radbremszylinder 450 zu hoch ist, kann dieser durch das Umschalten des Ventils 440 abgebaut werden. Wenn das Ventil 440 von der Stellungen a auf die Stellung b wechselt, fließt Bremsflüssigkeit in die Leitung 427 und von dort in den Vorratsbehälter 480. Dadurch fließt die Bremsflüssigkeit aus den Radbremszylindern 450, die Bremse 470 löst sich und der Überschlag wird vermieden.
Wenn die Steuerung 50 erkennt, dass sich das Hinterrad 10 wieder auf die Fahrbahn 5 absenkt, schaltet das Ventil 440 von der Stellung b auf die Stellung a und der Hauptbremszylinder 430 und der in den Hydraulikleitungen 420 und 425 bestehende Druck wirkt.
Dieser Druck ist nun um den Druckabfall aufgrund des Befüllens des Radbremszylinders 450 vermindert. Der vor diesem Antiblockiersystem- (ABS)-Eingriff vorhandene Druck kann nun durch etwas mehr Betätigungsweg des Bremshebels 110 wieder erreicht werden. Jedoch kann dieser Regelvorgang nicht unendlich lange fortgesetzt werden. Irgendwann wird der Hauptbremszylinder 430 leer sein, das heißt es wird sich keine Bremsflüssigkeit mehr in dem Hauptbremszylinder 430 befinden und dass Bremssystem kann nicht mehr bremsen. Um dies zu vermeiden, gibt es den Niveauendschalter 490.
Dieser Niveauendschalter 490 befindet sich im Inneren des Hauptbremszylinders 430 bzw. außen am Hauptbremszylinder 430 und misst das Flüssigkeitsniveau der Bremsflüssigkeit in dem Hauptbremszylinder 430 bzw. den Ort des Kolbens 432 innerhalb des Hauptbremszylinders 430. Wenn der Kolben 432 sehr tief in den Hauptbremszylinder eingedrückt ist, wird durch den Kolben 432 der Niveauendschalter 490 erreicht. Der Niveauendschalter 490 unterbricht daraufhin die Spannungsversorgung 492, so dass kein weiterer Regeleingriff möglich ist und der Fahrer das Fahrrad 1 ohne die ABS- Funktionalität dennoch zum Stillstand bringen kann.
Wird nun der Hebel 110 wieder losgelassen, zieht die Feder 434 in dem Hauptbremszylinder 430 den Kolben 432 wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Diese Bewegung wird zusätzlich durch die Feder 460 im Radbremszylinder 450 unterstützt. Dieser wieder Feder-zurückgestellte Radbremszylinder 450 dient auch der Sicherstellung des Rückstellens der Bremsklötze 452 und 454.
Während sich der Kolben 432 im Hauptbremszylinder 430 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, entsteht in dem Hauptbremszylinder 430 ein Unterdruck, der gleichzeitig dafür sorgt, dass sich das Rückschlagventil 485 öffnen kann und so Bremsflüssigkeit in der Hydraulikleitung 487 aus dem Vorratsbehälter 480 in den Hauptbremszylinder 430 fließen kann.
Geht nun der Unterdruck in den Hauptbremszylinder 430 gegen null, was bedeutet der Hauptbremszylinder 430 ist wieder mit Bremsflüssigkeit befüllt, schließt das Rückschlagventil 485 aufgrund der integrierten Feder 488 wieder.
Wie in 4 zu sehen ist, sollte das Volumen in dem Hauptbremszylinder 430 im Verhältnis zu den Radbremsenzylindern 450 ausreichend groß sein, damit eine hohe Verfügbarkeit des ABS-Systems vorliegt.
Erreicht der Kolben 432 den Niveauendschalter 490 im Hauptbremszylinder 430, öffnet dieser und unterbricht so die Spannungsversorgung 492 des Ventils 440, wodurch dieses sich in seine Ausgangsstellung, das bedeutet in Stellung a zurück-bewegen kann. Dazu sollten selbstrückstellende Ventile verwendet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Hauptbremszylinder 430 nie leer wird und der Fahrer dadurch immer die Möglichkeit hat, das Fahrrad 1 zu bremsen.
Wenn die Elektrik in dem Bremssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausfällt, sollte in dem Ventil 440 eine Feder vorhanden sein, die dafür sorgt, dass das Ventil 440 in seine Ausgangsstellung, das bedeutet Stellung a zurückgestellt wird, so dass das Fahrrad 1 abgebremst werden kann.
Wenn als Rückschlagventil 485 kein elektrisches 2/2-Wegeventil verwendet wird, benötigt das System weniger Energie und dieses System wird aufgrund des einfacheren Ventils auch günstiger.
Zusätzlich weist die Steuerung 50 eine eigene Stromversorgung 54 auf. Dies hat den Vorteil, dass eine Spannungsüberwachung der Spannungsversorgung des Ventils 440 möglich ist. Wenn die Steuerung 50 feststellt, dass die Batterie 492 leer ist, kann dies dem Fahrer mithilfe einer optischen und/oder akustischen Meldung mitgeteilt. Das bedeutet die Steuerung 50 melden dem Fahrer, das keine ABS-Funktion mehr betriebsbereit ist. Die Steuerung 50 kann dazu in einen erweiterten Fahrradtacho eingebunden sein.
Dazu sollte die Kapazität der Spannungsversorgung 54 der Steuerung 50 für eine längere Lebensdauer ausgelegt (>1 Jahr) und somit deutlich länger als die Spannungsversorgung 492 des Ventils 440 sein.
Der Fahrer sollte dann per Hinweis (Bedienungsanleitung und/oder Hinweis im Sichtbereich) darauf aufmerksam gemacht werden, dass das ABS nur dann zur Verfügung steht, wenn der Fahrradtacho mit integrierter ABS-Logik betriebsbereit am Fahrradmontiert ist. Dies kann beispielsweise durch eine „ABS ok“-Meldung beim Einstecken des Tachos erfolgen.
Unabhängig von dem vorangegangenen Punkt kann die Inaktivität des ABS, dem Zweiradfahrer, durch eine Anzeige signalisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass man bei betriebsbereiten ABS eine LED einschaltet. Ist die Batterie 492 des Aktors 440 leer, erlischt die LED und das ABS ist nicht mehr betriebsbereit.
Die Federn 460 im Radbremszylinder 450 sorgen dafür, dass die Bremsbeläge sicher in die Entstellung zurückgelangen und somit die Bremse löst.
Für das in 4 gezeigte System ist keine Pumpe erforderlich. Die Bremsflüssigkeit aus dem Radbremszylinder 450 wird per Federn und Vakuum zurück in den Hauptbremszylinder 430 befördert. Da für dieses System keine Pumpe erforderlich ist, benötigt dieses System nur sehr wenig elektrische Energie. Dieses System benötigt lediglich zum kurzen Ansteuern des Ventils 440 und optional für die Steuerung 50 mit dem Mikrocontroller elektrische Energie.
Alle erwähnten Bremssysteme sind sowohl für Trommelbremsen als auch für Scheibenbremsen und Felgenbremsen geeignet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich auch gemäß dem Gegenstand der Erfindung modifizieren.

Claims

Vorrichtung zum Steuern eines Bremssystems eines Zweirades (1), umfassend: - mindestens einen Sensor (20, 22, 30, 40) zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt; - mindestens eine Einheit (200, 300, 400) zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads; und - eine Steuerung (50), die der mindestens einen Einheit (200, 300, 400) zum hydraulischen Lösen der Bremse (130, 470) des Zweirads (1) den Befehl gibt, die Bremse (130, 470) des Zweirads zu lösen, wenn der mindestens eine Sensor (20, 22, 30, 40) ermittelt, dass sich das Hinterrad (10) des Zweirades (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einheit (200) zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads (1) einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder (140) und einen elektrischen Antrieb (170) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Sensoren (22) zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, einen Beschleunigungssensor (22) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Sensoren (40), zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, einen Drehzahlsensor (40) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der Sensoren (30), zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, einen Drehratensensor (30) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit Betätigen eines Bremshebels (110) in einer ersten Kammer (142) des Hydraulikzylinders (140) Druck aufgebaut wird, wodurch sich ein Kolben (145) in dem Hydraulikzylinder (140) senkt und in der zweiten Kammer (147) des Hydraulikzylinders (140) wiederum ein Druck aufgebaut wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der elektrische Antrieb (170) mit dem Kolben (145) derart wirkverbunden ist, dass der elektrische Antrieb (170) regelnd in das Bremssystem eingreifen kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Einheit (400) zum hydraulischen Lösen der Bremse des Zweirads ein weiterer Hydraulikkreislauf und ein Vorratsbehälter (480) ist, auf den umgeschaltet wird, wenn einer der Sensoren (20, 22, 30, 40) zum Ermitteln, ob das Hinterrad (10) des Zweirads (1) von der Fahrbahn (5) abhebt, misst, dass das Hinterrad (10) des Zweirades (1) abgehoben hat.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei mindestens eine Einheit (400) zum hydraulischen Lösen der Bremse weiterhin einen Niveauendschalter (490) umfasst, welcher die Einheit (400) zum hydraulischen Lösen der Bremse (470) ausschaltet, wenn das Flüssigkeitsniveau des Hauptbremszylinders (430) einen minimalen Wert erreicht.