DE102008019469B4

DE102008019469B4 - Überschlagschutzsystem für Zweiräder

Info

Publication number: DE102008019469B4
Application number: DE102008019469.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: DE102008019469A1

Abstract

Fahrrad, insbesondere Fahrrad mit Hilfs- oder Elektroantrieb, mit einem Überschlagschutzsystem mit einer Bremse für das Vorderrad, einem elektrisch betätigbaren Stellglied für die Bremse sowie einer Signalverarbeitungseinheit, welche Eingangssignale von Sensoren verknüpft und das Stellglied für die Bremse derart ansteuert, dass der Überschlag über den Lenker verhindert wird, wobei zur Erkennung eines auf Grund abhebender Hinterachse beginnenden Überschlags die Winkelbewegung des Fahrrads um die quer zur Fahrrichtung liegende Drehachse als Eingangssignal der Signalverarbeitungseinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Winkelbewegung ein mikromechanischer Sensor verwendet wird.

Description

Fachgebiete
Dynamik von Fahrzeugen, Bremsen und Sicherheitssysteme in Fahrzeugen, Sensorik für Fahrsicherheitssysteme
Technisches Problem
Bei Zweirädern, speziell auch Fahrrädern, gibt es beim Bremsen 2 gefährliche Situationen: Ein blockierendes Vorderrad auf rutschigem Untergrund führt meist zum Sturz. Die Bremswirkung auf hohem Reibwert ist so stark, dass das Rad mit Fahrer sich nach vorne überschlägt.
Stand der Technik
Gegen das Blockieren der Räder helfen sogenannte Antiblockiersysteme (ABS), die beim Pkw und Motorrad weit verbreitet sind. Bei Motorrädern ist bekannt, dass ein Abheben des Hinterrads, d. h. drohender Überschlag durch die Raddrehzahlsensoren des ABS erkannt und somit verhindert werden kann.
Beim Fahrrad gibt es diverse rein mechanische Systeme auf dem Markt, jedoch kein elektronisch geregeltes System.
Beim Fahrrad beschreibt z. B. Pat. Nr. DE 101 58 382 A1 eine mögliche Ausführung eines Antiblockiersystems. Pat. Nr. DE 195 08 915 A1 beschreibt eine mögliche Ausführung eines Überschlagschutzes. Aus DE 2005 028 995 A1 ist ein Verfahren zur Fahrdynamikregelung für motorisierte Einspurfahrzeuge bekannt, welches Kamera-Bildsequenzen im Hinblick auf den Schräglagenwinkel und/oder den Nickwinkel des Fahrzeugs zur Fahrbahn auswertet.
Nachteile der bekannten Lösungen
Die auf dem Markt angebotenen mechanischen Systeme sind meist Bremskraftbegrenzer und haben den Nachteil, dass sie nur auf eine bestimmte Fahrermasse und einen bestimmten Fahrbahnreibwert eingestellt werden können und somit in vielen Fällen falsch wirken.
Sie sind außerdem anfällig gegen Verschmutzung und ungewollte Verstellung. Die in den oben erwähnten Patentschriften beschriebenen Systeme sind speziell für Fahrräder zu aufwendig und zu teuer.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt gemäß Anspruch 1 ein Fahrrad vor, welches die oben aufgeführten Nachteile nicht aufweist. Das erfindungsgemäße Fahrrad umfasst ein Überschlagschutzsystem mit einer Bremse für das Vorderrad, einem elektrisch betätigbaren Stellglied für die Bremse sowie einer Signalverarbeitungseinheit, welche Eingangssignale von Sensoren verknüpft und das Stellglied für die Bremse derart ansteuert, dass der Überschlag über den Lenker verhindert wird. Dabei wird zur Erkennung eines auf Grund abhebender Hinterachse beginnenden Überschlags die Winkelbewegung (Nickbewegung) des Zweirads um die quer zur Fahrrichtung liegende Drehachse, insbesondere der Drehwinkel, der Neigungswinkel in Bezug auf die Schwerkraft, die Drehwinkelgeschwindigkeit (Drehrate) und/oder die Drehwinkelbeschleunigung, als Eingangssignal der Signalverarbeitungseinheit zugeführt. Erfindungsgemäß wird zur Erfassung der Winkelbewegung ein mikromechanischer Sensor verwendet.
In einer Ausführungsform ist der Sensor zur Erfassung der Winkelbewegung in das Gehäuse der Signalverarbeitungseinheit integriert. Es verlaufen also keine externen Leitungen zwischen dem Sensor und der Signalverarbeitungseinheit.
In einer Ausgestaltung werden zur Unterscheidung einer kritischen Winkelbewegung, die zum Überschlag führen kann, von einer, zum Beispiel durch Fahrbahnunebenheiten ausgelösten, Winkelbewegung, weitere Informationen benutzt. Als weitere Informationen können insbesondere benutzt werden: die Information, dass und wie stark der Fahrer die Bremse betätigt, sowie Signale von Weg- und/oder Beschleunigungssensoren, insbesondere in vertikaler oder in Fahrtrichtung, oder Einfederrichtung der Federgabel oder eines Hinterradfederbeins, sowie Signale von Radrehzahlsensoren an Vorder- oder Hinterrad.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Zur Funktionsbeschreibung des Systems siehe auch Schemazeichnung (1):

Beispielhaft wird die Erfindung anhand eines Fahrrads beschrieben. Sie ist in gleicher Weise auf Zweiräder mit motorischem Antrieb, z. B. Motorräder, Roller, Fahrräder mit Hilfs- oder Elektroantrieb anwendbar.

Die Hinterradbremse 10 entspricht bei diesem System einer klassischen hydraulischen Felgenbremse und wird aus diesem Grund nicht näher beschrieben.
Das Stellglied 6 enthält folgende Komponenten:

1. Dämpferkammer 1
2. elektr. Rückförderpumpe 2
3. Drossel 3
4. 2/2 Ventile, Ventil a 4a ist stromlos offen, Ventil b 4b ist stromlos geschlossen
5. Speicherkammer 5
6. Drucksensor oder Druckschalter 8, auch Mikroschalter z. B. am Bremshebel bei mechanischer Bremsübertragung

Die Signalverarbeitungseinheit 7 enthält folgende Komponenten:

• Mikrocontroller µC 16
• Display 15, zeigt Infos vom Mikrocontroller an (Geschwindigkeit, Status ABS, Wartungshinweise, etc.)
• Akku 14, Wiederaufladung durch Nabendynamo 13 möglich
• Beschleunigungssensor 18 in Längs-Richtung, (x-Richtung, siehe 2),
• Drehratensensor (Drehwinkelgeschwindigkeit) oder Winkel- bzw. Neigungssensor, 17 um Querachse (y-Achse, siehe 2)
• Eingang 20 für Weg- oder Beschleunigungssensor in z-Richtung (siehe 2) oder in Richtung der Federgabel-Einfederung oder in Richtung der Federbein-Einfederung an Hinterachse. Dieses Signal kann verwendet werden, um besser zwischen kritischen Nickbewegungen, die zum Überschlag führen, und Nickbewegungen auf Grund von Fahrbahnunebenheiten zu unterscheiden.

Am Vorderrad 11 ist ein Drehzahlsensor 12 angebracht, der seine Signale über Kabel oder drahtlos an die Signalverarbeitungseinheit 7 liefert.
Wird der Bremshebel 33 der Vorderradbremse 34 betätigt, so baut sich im Geberzylinder 9 ein Druck auf, der durch die Hydraulikleitungen auf den Nehmerkolben der Bremsbacken übertragen wird. Dadurch werden die Bremsbeläge in Richtung Felge gedrückt und es wird eine Bremskraft auf die Felge aufgebracht, wodurch es zur Verzögerung des Vorderrads und somit des gesamten Fahrrads kommt.
Folgende Sensoren übermitteln Werte an den Mikrocontroller 16 in der Signalverarbeitungseinheit 7:

Der Drucksensor 8 in der Bremseinheit erfasst, ob ein Bremsdruck anliegt oder nicht. Es kann auch der Gradient dieses Signals in der Signalverarbeitungseinheit berechnet und zur Optimierung der Überschlagerkennung verwendet werden.

Der Drehzahlsensor 12 am Vorderrad erfasst die Drehzahl, aus der im µC 16 die Geschwindigkeit und die Verzögerung des Vorderrads berechnet werden können (sowohl die rotatorische als auch die translatorische Geschwindigkeit). Der in der Bedieneinheit integrierte Drehratensensor 17 erfasst die Drehwinkelgeschwindigkeit des Fahrrads um die Querachse (y-Achse in 2), aus der im µC der aktuelle Neigungswinkel des Fahrrads berechnet werden kann. Alternativ kann der Neigungswinkel um die Querachse direkt mit einem Winkel-/Neigungssensor 17 oder Winkelbeschleunigungssensor erfasst werden. Der ebenfalls in der Signalverarbeitungseinheit 7 integrierte Beschleunigungssensor in Längs-Richtung 18 erfasst die Verzögerung in x-Richtung (siehe 2), aus der im µC die Geschwindigkeit des Fahrrads berechnet werden kann, zum Vergleich mit der aus dem Drehzahlsensor berechneten Radumfangsgeschwindigkeit und der Radverzögerung.
Es können 2 Fälle auftreten, die mit diesem System verhindert werden sollen. Zum einen kann es zum Blockieren des Vorderreifens und zum anderen zum Überschlag des Fahrrads kommen.
Der erste Fall tritt bei geringer Haftreibung zwischen Straße und Reifen auf. Hier kann die Bremskraft, die durch die Bremsbacken auf die Felge des Reifens aufgebracht wird, nicht auf die Straße übertragen werden, was ein Blockieren des Reifens zur Folge hat. Die Bremsung findet nicht mehr durch die Haftreibung zwischen Reifen und Straße, sondern nur noch durch die Gleitreibung statt. Vor allem aber geht die Seitenführung verloren, was meist zum Sturz des Radfahrers führt. Dies soll verhindert werden, indem der Mikrocontroller 16, sobald eine Bremsung ausgelöst und durch das Überschreiten eines bestimmten Drucks registriert wird, die Drehzahl (bzw. Geschwindigkeit des Reifens) überwacht und mit der Beschleunigung in x-Richtung (bzw. Geschwindigkeit des Fahrrads) abgleicht. Sollte ein bestimmter kritischer Schwellwert unterschritten werden, an dem die Reifenumfangsgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Fahrrads bei Weitem unterschreitet, wird eine Aktion auslöst, um das Blockieren zu verhindern. Der Mikrocontroller 16 steuert zuerst Ventil 4a im Bremssystem an, wodurch der Druck an den Bremsbacken begrenzt wird. Sollte dies nicht reichen, wird zusätzlich Ventil 4b angesteuert, wodurch es zu einem Druckabbau an den Bremsbacken kommt. Wird der Bereich des kritischen Schwellwerts der Reifenumfangsgeschwindigkeit im Vergleich zur Fahrradgeschwindigkeit verlassen, steuert der Mikrocontroller 16 die Ventile in ihren Ausgangszustand zurück. Sollte nun abermals der kritische Schwellwert unterschritten werden, so wird erneut gegengesteuert. Dies geschieht so oft, bis das Fahrrad zum Stillstand kommt bzw. die Bremsung unterbrochen wird. Dämpferkammer 1, Drossel 3, Speicherkammer 5 und Rückförderpumpe 2 dienen wie bekannt zur Optimierung der hydraulischen Abläufe und sollen hier nicht näher erläutert werden.
Der zweite Fall tritt bei einer Verzögerung von ca. > 5 m/s² in Abhängigkeit vom Gewicht des Fahrers und dessen Schwerpunktlage ein. Wird diese Verzögerung erreicht bzw. überschritten, kann es zum Überschlag kommen. Dies soll mit diesem System durch die Erfassung der Winkelgeschwindigkeit/Neigung des Fahrrads um die Querachse und eventuell der Verzögerung in Längsrichtung erkannt und verhindert werden. Auch hier gilt, wird eine Bremsung eingeleitet und durch das Überschreiten eines bestimmten Drucks registriert, wird die Winkelgeschwindigkeit und/oder der aktuelle Winkel/Neigung überwacht, ebenso wie die Verzögerung. Sollte die kritische Verzögerung erreicht werden und die Winkelmessgröße einen Anstieg zeigen, wird hier auch durch eine Bremsdruckbegrenzung und wenn nötig einen Bremsdruckabbau gegengesteuert. Auch dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis das Fahrrad zum Stillstand kommt bzw. die Bremsung unterbrochen wird.
Die Beschreibung erfolgte auf Basis von hydraulischen Felgenbremsen an beiden Rädern. Die wesentlichen Punkte lassen sich jedoch in gleicher Weise auf alle Arten von Radbremsen, speziell auch Trommelbremsen oder Scheibenbremsen, sowie andere Betätigungsarten, speziell durch Bowdenzug oder elektromechanisch, anwenden.
Stellglied sowie Signalverarbeitungseinheit können auch zu einer Baueinheit 19 zusammengefasst werden, wodurch sämtliche externen Kabelverbindungen entfallen. In einem weiteren Schritt kann auch noch der Geberzylinder für die Vorderradbremse mit angebautem Bremshebel in diese Einheit integriert werden.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Kernpunkte und wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind folgende:

a) Zum Erkennen des Überschlags dient ein Neigungs- oder Drehratensensor, wie er z. B. aus der Automobilindustrie bekannt ist.

Er misst die Drehbewegung des Fahrrads mit Fahrer um die Querachse und erkennt somit das Abheben des Hinterrads, was zum Überschlag führen kann. Diese Sensoren sind heute in mikromechanischer Technologie ausgeführt und damit sehr klein (wenige mm) und preiswert (wenige EUR) und bei entsprechender Verpackung auch robust. Dieser Sensor kann vorteilhaft in die Signalverarbeitungseinheit (Fahrradcomputer) integriert werden, was wiederum Kosten spart und gut ist für die Robustheit des Systems gegen Umwelteinflüsse.

b) Statt eines aufwendigen Drehzahlsensors an der Hinterachse wird ein Beschleunigungssensor in Längsrichtung verwendet.

Er misst die Längsbewegung des Fahrrads mit Fahrer und dient als Referenz für die Erkennung des Radblockierens an der Hinterachse. Diese Sensoren sind heute in mikromechanischer Technologie ausgeführt und damit sehr klein (wenige mm) und preiswert (wenige EUR) und bei entsprechender Verpackung auch robust. Dieser Sensor kann ebenfalls vorteilhaft in den Fahrradcomputer integriert werden, was wiederum Kosten spart.

c) Erkennung der Bremsbetätigung durch Bremsdrucksensor

Für die Regelung und Überwachung eines Bremssystems ist die Information wichtig, dass, wann und eventuell wie stark die Bremse betätigt wird. Dies erfolgt bei hydraulisch betätigten Bremsen vorteilhaft durch einen Drucksensor oder Druckschalter (nur Info, dass und wann gebremst wird, nicht wie stark). Er kann vollständig in die Bremseinheit integriert werden und ist zuverlässiger als ein mechanischer Schalter z. B. am Bremshebel. Derartige Sensoren sind durch die zunehmende Miniaturisierung inzwischen relativ günstig.

d) Erkennung des Überschlags aus Drehrate/Neigung und Verzögerung und evtl. Bremsdruck

Es kann schwierig sein, den drohenden Überschlag nur aus Drehrate oder Neigung zu erkennen, da sich auch z. B. beim Überfahren eines Hindernisses oder einer Kuppe die Fahrradneigung ändert. Durch zusätzliche Informationen lässt sich die Erkennung deutlich verbessern. Eine solche Zusatzinformation kann einerseits die Tatsache und Höhe der Bremsbetätigung sein, gemessen über den Bremsdruck am Eingang der Bremseinheit. Zum anderen liefert die Raddrehzahl des Vorderrades und/oder der Längsbeschleunigungssensor ein Verzögerungssignal. Nur wenn Bremsbetätigung und Verzögerung größer als ein jeweiliger Grenzwert sind, kann überhaupt ein Überschlag auftreten.

e) Die Aktorik (Eingriff in die Radbremse) wirkt nur an der Vorderachse, die Hinterachse bleibt konventionell.

Dadurch wird das System stark vereinfacht und kostengünstig - bei hydraulischer Bremse entfällt z. B. die gesamte Hydraulik (Ventile, Leistungsendstufen, etc.) für die Hinterachse und der Energieverbrauch wird geringer. Nur ein einziges Kabel verbindet die Signalverarbeitungseinheit (Fahrradcomputer) am Lenker mit der hydraulischen Bremseinheit.
Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Auslegung ist, dass die sicherheitstechnisch relevante Zweikreisigkeit automatisch gegeben ist. Wenn die Stromversorgung für das ABS am Vorderrad ausfällt, ist die konventionelle Hinterradbremse noch voll funktionsfähig. Ein kleiner Nachteil ist, dass das Hinterrad nach wie vor blockieren kann - dies kann jedoch leicht durch den Fahrer beherrscht werden und ist somit akzeptabel. Kritisch sind Blockieren des Vorderrads sowie der Überschlag und diese werden vom vorgeschlagenen System verhindert.

f) Vollintegriertes Modul mit Hydraulik, Elektronik und Sensorik.

Drehraten- oder Neigungssensor sowie Längsbeschleunigungssensor sind in die Signalverarbeitungseinheit integriert, was zu einer kostengünstigen und robusten Lösung führt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind das Stellglied 6 inklusive Drucksensor 8, die Signalverarbeitungseinheit 7 sowie optional auch der Geberzylinder 9 für die Vorderradbremse mit angebautem Bremshebel zu einem kompakten Modul integriert, welches beispielsweise am Lenker angeordnet ist. In dem Mikrocontroller mit Display der Signalverarbeitungseinheit können auch die üblichen Funktionen eines Fahrradcomputers realisiert sein.

g) Als Stellglied kann neben der Radbremse auch eine elektronisch geregelte Dämpfung/Federung, vor allem an der Vorderachse, angesteuert werden.

Ein drohender Überschlag kann durch einen Eingriff in die elektronische geregelte Dämpfung/Federung an der Vorderachse beeinflusst werden. Dazu wird beispielsweise die Dämpfung bei Überschlaggefahr hart gestellt (blockiert), um ein zusätzliches Einfedern vorne zu vermeiden.
In 1 ist auch gezeigt:

31: Hinterrad
32: Handbremshebel hinten
35: Nehmerzylinder mit Radbremse
36: Nabendynamo
37: Drehzahlsensor

Es zeigt 2:

x, y, z: Koordinatensystem
I: Schwerpunkt von Fahrrad und Radfahrer Radstand
Iv: Abstand in x-Richtung: Vorderachse zu Schwerpunkt
Ih: Abstand in x-Richtung: Hinterachse zu Schwerpunkt
h: Schwerpunkthöhe
hL: Angriffshöhe der resultierenden Luftkraft in Längsrichtung
α: Neigungswinkel der Fahrbahn
m: Masse von Fahrrad und Fahrer
g: Erdbeschleunigung (Schwerkraft)
FzH und FzV: Radaufstandskräfte hinten und vorne (Normalkräfte in z-Richtung)
FxH und FxV: Bremskräfte hinten und vorne (zwischen Rad und Fahrbahn)
FL: Resultierende Luftwiderstandskraft
ẍ: Längsbeschleunigung
φ,φ̇,φ̈: Drehwinkel, Drehwinkelgeschwindigkeit, Drehwinkelbeschleunigung

Claims

Fahrrad, insbesondere Fahrrad mit Hilfs- oder Elektroantrieb, mit einem Überschlagschutzsystem mit einer Bremse für das Vorderrad, einem elektrisch betätigbaren Stellglied für die Bremse sowie einer Signalverarbeitungseinheit, welche Eingangssignale von Sensoren verknüpft und das Stellglied für die Bremse derart ansteuert, dass der Überschlag über den Lenker verhindert wird, wobei zur Erkennung eines auf Grund abhebender Hinterachse beginnenden Überschlags die Winkelbewegung des Fahrrads um die quer zur Fahrrichtung liegende Drehachse als Eingangssignal der Signalverarbeitungseinheit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Winkelbewegung ein mikromechanischer Sensor verwendet wird.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Winkelbewegung kennzeichnende Signal in der Signalverarbeitungseinheit weiterverarbeitet wird, insbesondere integriert oder differenziert, wird.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor zur Erfassung der Winkelbewegung in das Gehäuse der Signalverarbeitungseinheit integriert ist.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterscheidung einer kritischen Winkelbewegung, die zum Überschlag führen kann, von einer zum Beispiel durch Fahrbahnunebenheiten ausgelösten Winkelbewegung weitere Informationen benutzt werden.
Fahrrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Informationen benutzt werden können: die Information, dass und wie stark der Fahrer die Bremse betätigt, Signale von Weg- und/oder Beschleunigungssensoren, insbesondere in vertikaler oder in Fahrtrichtung oder Einfederrichtung der Federgabel oder eines Hinterradfederbeins, und/oder Signale von Radrehzahlsensoren an Vorder- oder Hinterrad.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Überschlagschutzsystem mit einem Antiblockiersystem, welches das Blockieren des Vorder- und oder Hinterrades verhindert, räumlich und funktionell integriert ist und zumindest teilweise gleiche Komponenten, insbesondere Sensoren, Stellglieder und Signalverarbeitungseinheit, benutzt.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit auch die Funktionen eines gängigen Fahrradcomputers, insbesondere Anzeige der Fahrgeschwindigkeit und der gefahrenen Kilometer, in sich vereint.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Bremsbetätigung vom Handhebel zu den Bremsbacken einer Scheiben- oder Felgenbremse mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgt und die Modulation der Bremswirkung, insbesondere Abbau und Erhöhung, unabhängig vom Fahrer, durch ein elektrisch von der Signalverarbeitungseinheit ansteuerbares Stellglied erfolgt.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkomponenten Signalverarbeitungseinheit, Sensoren zur Überschlagerkennung sowie das Stellglied in einer kompakten Einheit baulich zusammengefasst sind.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied nur die Vorderradbremse ansteuert und die Hinterradbremse konventionell und völlig getrennt betätigt wird.