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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einstellen einer Feststellbremse in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 103 61 042 B3 ist eine Feststell- bzw. Parkbremse in einem Fahrzeug bekannt, welche dazu eingesetzt wird, im Stillstand eine das Fahrzeug festsetzende Klemmkraft zu erzeugen. Die Feststellbremse ist elektromechanisch ausgeführt und umfasst einen elektrischen Bremsmotor, der einen Bremskolben, welcher Träger eines Bremsbelages ist, axial in Richtung auf eine Bremsscheibe beaufschlagt.
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Zum Einstellen einer Soll- bzw. Nominalklemmkraft ist die Kenntnis der aktuell wirkenden Klemmkraft, welche vom elektrischen Bremsmotor erzeugt wird, erforderlich. Die Klemmkraft kann unter Zugrundelegung der Drehzahl des Bremsmotors ermittelt weben, sofern ein Drehzahlsensor vorhanden ist, über den die Drehzahlinformation sensorisch gewonnen werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ohne Verwendung eines Drehzahlsensors eine motorische Kenngröße in einem elektrischen Bremsmotor einer elektromechanischen Bremsvorrichtung zu bestimmen, von der die elektromechanische Klemmkraft abhängt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf eine elektromechanische Feststellbremse in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Bremsmotor, über den eine Klemmkraft erzeugbar ist. Hierbei wird die Rotationsbewegung des Rotors des elektrischen Bremsmotors in eine axiale Stellbewegung eines Stellglieds übertragen, über die ein Bremskolben, welcher Träger eines Bremsbelages ist, axial gegen eine Bremsscheibe gedrückt wird.
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Gegebenenfalls ist die Feststellbremse mit einer Zusatzbremsvorrichtung versehen, um bedarfsweise zusätzlich zur elektromechanischen Klemmkraft auch eine Zusatzklemmkraft bereitstellen zu können. Bei der Zusatzbremsvorrichtung handelt es sich insbesondere um die hydraulische Fahrzeugbremse des Fahrzeugs, deren Hydraulikdruck auf den Bremskolben wirkt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die motorische Kenngröße des elektrischen Bremsmotors bestimmt, welche Grundlage für die Ermittlung weiterer Zustandsgrößen ist, insbesondere der elektromechanischen Klemmkraft. Aus der motorischen Kenngröße kann beispielsweise das Motorlastmoment des Bremsmotors bestimmt werden, aus dem auf die elektromechanische Klemmkraft rückgeschlossen werden kann. Des Weiteren ist es beispielsweise möglich, aus der Motorkonstante die Motordrehzahl zu bestimmen.
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Die Motorkonstante wird aus einer mechanischen Zeitkonstante des elektrischen Bremsmotors ermittelt, welche aus dem Verlauf des Motorstroms, welcher vom Bremsmotor aufgenommen wird, bestimmt wird. Der Motorstrom wird gemessen, wobei grundsätzlich außer dem Motorstrom und gegebenenfalls der Motorspannung keine weiteren Messgrößen erforderlich sind. Es kann insbesondere auf einen Drehzahlsensor zur Ermittlung der Motordrehzahl bzw. der Motorkonstante verzichtet werden.
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Der Zusammenhang zwischen der Motorkonstante und der mechanischen Zeitkonstante des elektrischen Bremsmotors ist grundsätzlich bekannt und kann als Funktion hinterlegt sein. Bei der Ermittlung der Motorkonstante aus der Zeitkonstante kann zusätzlich der Ankerwiderstand sowie das Motorträgheitsmoment des Bremsmotors berücksichtigt werden. Gegebenenfalls wird eine bevorzugt lineare Korrekturfunktion zur Kompensation einer Spannungsabhängigkeit berücksichtigt.
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Auch die mechanische Zeitkonstante des elektrischen Bremsmotors kann aus den in der Feststellbremse bekannten Größen bestimmt werden. Hierzu wird vorteilhafterweise ein Abschnitt des Motorstromverlaufs nach dem Einschalten des elektrischen Bremsmotors während eines Zuspannvorganges ausgewertet, insbesondere der nach dem Einschalten des Bremsmotors abfallende Ast des Motorstroms bis zum Erreichen des Motorleerlaufs. Der tatsächliche Verlauf des Motorstroms in diesem Bereich kann mittels einer Taylorreihe angenähert werden, wobei die Parameter der Taylorreihe unter Berücksichtigung einer Fehlerausgleichsmethode, insbesondere der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aus den Messwerten des Motorstroms bestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät im Fahrzeug ab, das Bestandteil des Feststellbremssystems sein kann.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine elektromechanische Feststellbremse für ein Fahrzeug, bei der die Klemmkraft über einen elektrischen Bremsmotor erzeugt wird,
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2 ein Schaubild mit dem zeitabhängigen Verlauf des Stroms, der Spannung und der Motordrehzahl beim Zuspannvorgang der Feststellbremse,
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3 eine Prinzipdarstellung mit Ablaufschritten zum Ermitteln der Motorkonstante des elektrischen Bremsmotors und sich daraus ergebender Größen.
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In 1 ist eine elektromechanische Feststellbremse 1 zum Festsetzen eines Fahrzeugs im Stillstand dargestellt. Die Feststellbremse 1 umfasst einen Bremssattel 2 mit einer Zange 9, welche eine Bremsscheibe 10 übergreift. Als Stellglied weist die Feststellbremse 1 einen Elektromotor als Bremsmotor 3 auf, der eine Spindel 4 rotierend antreibt, auf der ein Spindelbauteil 5 drehbar gelagert ist. Bei einer Rotation der Spindel 4 wird das Spindelbauteil 5 axial verstellt. Das Spindelbauteil 5 bewegt sich innerhalb eines Bremskolbens 6, der Träger eines Bremsbelags 7 ist, welcher von dem Bremskolben 6 gegen die Bremsscheibe 10 gedrückt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 10 befindet sich ein weiterer Bremsbelag 8, der ortsfest an der Zange 9 gehalten ist.
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Innerhalb des Bremskolbens 6 kann sich das Spindelbauteil 5 bei einer Drehbewegung der Spindel 4 axial nach vorne in Richtung auf die Bremsscheibe 10 zu bzw. bei einer entgegen gesetzten Drehbewegung der Spindel 4 axial nach hinten bis zum Erreichen eines Anschlags 11 bewegen. Zum Erzeugen einer Klemmkraft beaufschlagt das Spindelbauteil 5 die innere Stirnseite des Bremskolbens 6, wodurch der axial verschieblich in der Feststellbremse 1 gelagerte Bremskolben 6 mit dem Bremsbelag 7 gegen die zugewandte Stirnfläche der Bremsscheibe 10 gedrückt wird.
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Die Feststellbremse kann erforderlichenfalls von einer hydraulischen Fahrzeugbremse unterstützt werden, so dass sich die Klemmkraft aus einem elektromotorischen Anteil und einem hydraulischen Anteil zusammensetzt. Bei der hydraulischen Unterstützung wird die dem Bremsmotor zugewandte Rückseite des Bremskolbens 6 mit unter Druck stehendem Hydraulikfluid beaufschlagt.
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In 2 ist ein Schaubild mit dem Stromverlauf I, der Spannung U und dem Drehzahlverlauf n des elektrischen Bremsmotors zeitabhängig für einen Zuspannvorgang dargestellt. Des Weiteren ist in 2 die elektromechanische Klemmkraft FKI eingetragen, die vom elektrischen Bremsmotor erzeugt wird, sowie der vom Bremsmotor bzw. einem vom Bremsmotor beaufschlagten Stellglied zurückgelegte Weg s während des Zuspannvorgangs.
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Zum Zeitpunkt t1 beginnt der Zuspannvorgang, indem eine elektrische Spannung aufgebracht und der Bremsmotor bei geschlossenem Stromkreis unter Strom gesetzt wird. Die Startphase (Phase I) dauert vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt t2 haben die Spannung U und die Motordrehzahl n ihr Maximum erreicht. Die Phase zwischen t2 und t3 stellt die Leerlaufphase dar (Phase II), in welcher der Strom I sich auf einem Minimumniveau bewegt. Daran schließt sich ab dem Zeitpunkt t3 die Kraftaufbauphase (Phase III) bis zum Zeitpunkt t4 an, in der die Bremsbeläge an der Bremsscheibe anliegen und mit zunehmender Klemmkraft F gegen die Bremsscheibe gedrückt werden. Zum Zeitpunkt t4 erfolgt das Abschalten des elektrischen Bremsmotors durch Öffnen des Stromkreises, so dass im weiteren Verlauf die Drehzahl n des Bremsmotors bis auf Null abfällt.
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Mit der Phase des Kraftaufbaus zum Zeitpunkt t3 fällt der Kraftanstiegspunkt zusammen. Der Kraftaufbau bzw. der Verlauf der Klemmkraft FKI kann beispielsweise anhand des Verlaufs des Strom I des Bremsmotors ermittelt werden, der grundsätzlich den gleichen Verlauf wie die elektromechanische Klemmkraft aufweist. Ausgehend von dem niedrigen Niveau während der Leerphase zwischen t2 und t3 steigt der Stromverlauf zu Beginn des Zeitpunktes t3 steil an. Dieser Anstieg des Stroms kann detektiert und zum Bestimmen des Kraftanstiegspunktes herangezogen werden. Grundsätzlich kann der Verlauf des Kraftaufbaus aber auch aus dem Spannungs- oder Drehzahlverlauf bzw. aus einer beliebigen Kombination der Signale Strom, Spannung und Drehzahl bestimmt werden.
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Die Phase I beginnt mit dem Motoranlauf im abfallenden Ast des Einschaltstroms I und endet, wenn sich der Motor wieder im Leerlauf befindet. Während der Phase I wird auf Basis des gemessenen Stroms I die mechanische Zeitkonstante τM des Bremsmotors gemäß nachfolgend beschriebener Vorgehensweise ermittelt.
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Der Stromverlauf I im abfallenden Ast lässt sich mit folgender Exponentialfunktion beschreiben:
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Um die Implementierbarkeit ins Steuergerät zu ermöglichen, wird die Abklingfunktion statt mit einer Exponentialfunktion durch eine Taylor-Reihenentwicklung angenähert. Die Taylor-Reihe
mit Parameter α und β wird um den Entwicklungspunkt t
0 gebildet und hinsichtlich der Implementierbarkeit nach dem quadratischen Glied abgebrochen. Die Parameter α
0, α
1 und α
2 gemäß
werden mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate über mehrere Datenpunkte geschätzt. Die Parameter werden für die Methode der kleinsten Fehlerquadrate wie folgt zusammengefasst:
i(t) – iidle = α0 + α1(t – t0) + α2(t – t0)2. -
Nach folgender Gleichung wird die mechanische Zeitkonstante τ
M aus den geschätzten Parametern α
0 und α
1 berechnet
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In der Phase II befindet sich der Motor in der Leerlaufphase. Der Motorwiderstand ist bekannt, beispielsweise aus dem Motordatenblatt oder einem Widerstandsschätzverfahren, das Massenträgheitsmoment ist eine Konstante, die sich über der Temperatur oder durch Alterung nicht ändert.
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Zu Beginn der Phase II wird einmalig die Motorkonstante K
M nach folgender Gleichung aus der mechanischen Zeitkonstante τ
M unter Berücksichtigung des Ankerwiderstands R
A und des Motorträgheitsmoments J
ges ermittelt:
die in
überführt werden kann.
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Alternativ kann die Gleichung zu Berechnung der Motorkonstante wie folgt erweitert werden:
bzw.
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Die Funktion f(U) ist eine lineare Korrekturfunktion, welche die Spannungsabhängigkeit der Schätzung der mechanischen Zeitkonstante τM kompensiert.
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Des Weiteren wird in Phase II das Leerlaufmoment Midle mit folgender Gleichung aus der geschätzten Motorkonstante KM und dem gemittelten Leerlaufstrom Iidle berechnet: Midle = KM·Iidle
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In der Phase III, die bis zum Erreichen der Zielklemmkraft andauert, wird nach folgender Gleichung das Lastmoment ML des Bremsmotors bestimmt: ML = α·I2 + KM·I – Midle
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Da die Motordrehzahl nicht mehr gemessen wird, ist in der oberen Gleichung, welche die mechanische Differentialgleichung des Motors repräsentiert, der Term Jges·(dω/dt) vernachlässigt worden. Dieser Term berücksichtigt die Dynamik und ist von untergeordneter Bedeutung. Durch die Nichtberücksichtigung wird das Lastmoment ML tendenziell zu gering geschätzt, was zu einer leicht erhöhten Klemmkraftstellung führen kann, was aber im Hinblick auf die Absicherung der Mindestklemmkraft vorteilhaft ist.
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Der Parameter α beschreibt die Lastabhängigkeit der Motorkonstante. Die Kompensation der Lastabhängigkeit ist optional und dient der Verbesserung der Kraftschätzgenauigkeit. Der Parameter α wird dabei einmalig während der Komponentenauslegung und Validierung bestimmt.
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Alternativ kann folgende Gleichung zur Berechnung des Lastmoments des Motors verwendet werden: ML = (1 + m·I)·KM·I – Midle
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Der Vorteil der letzteren Gleichung ist, dass sich die Lastabhängigkeit der Motorkonstante KM proportional zu dem geschätzten Wert der Motorkonstante verhält. Dies hat dann Vorteile, wenn hohe Fertigungsstreuungen unter den Motoren zu erwarten sind oder wenn sich die Motorkonstante durch Alterung stark ändert. Der Parameter m wird dabei einmalig während der Komponentenauslegung und Validierung bestimmt.
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Aus dem Motorlastmoment ML kann anschließend mit dem mechanischen Wirkungsgrad und dem resultierenden Radius, der sich aus Getriebeuntersetzung und Spindelsteigung zusammensetzt, die Klemmkraft FKI nach folgender Gleichung berechnet werden.
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Dabei ist p die Spindelsteigung, iG die Getriebeuntersetzung und ηGes der mechanische Gesamtwirkungsgrad von Getriebe und Spindel.
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Des Weiteren kann in Phase II unter Verwendung der elektrischen Differentialgleichung des Motors modellbasiert die Motordrehzahl n geschätzt werden: U = (RA + RZuleitung)·I + KM·2·τM·n
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Umgeformt nach n erhält man
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Der aus der elektrischen Differentialgleichung bekannte Term L·(dI/dt) wird vernachlässigt, da dieser Term im Vergleich zu den anderen Größen klein ist.
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Die Werte für den Ankerwiderstand RA und den Zuleitungswiderstand RZuleitung zwischen dem Spannungsmesspunkt U (in ECU/Steuergerät) und dem Motoranschluss sind an sich bekannt und können als Parameter im Steuergerät hinterlegt werden. Alternativ müssen diese Widerstandswerte durch ein Widerstandsschätzverfahren während der Bestromung des Bremsmotors ermittelt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Drehzahlschätzung verbessert.
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Aus der Motordrehzahl n lässt sich mit dem resultierenden Radius und durch Integration der Motordrehzahl über die Zeit der zurückgelegte Spindelweg ermitteln. Die Weginformation erlaubt die Erkennung von Fehlerzuständen (z. B. zu lange Leerwege), die Zangensteifigkeitsermittlung, eine genauere Stellerpositionierung, insbesondere während des Lösevorganges und einen weggesteuerten Klemmkraftaufbau, z. B. bei Nachspannvorgängen oder bei hydraulischer Überlagerung (Phase IV, die sich an Phase III anschließt).
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In 3 ist zusammenfassend ein Ablaufschema zum Ermitteln der Motorkonstante des elektrischen Bremsmotors und der sich daraus ergebenden Größen dargestellt. 3 teilt sich auf in die drei Phasen I (Startphase), II (Leerlaufphase) und III (Kraftaufbauphase).
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In Phase I erfolgt zunächst gemäß Block 20 die Schätzung der mechanischen Zeitkonstante τM aus dem Motorstrom I sowie unter Berücksichtigung des Stromverlaufs im abfallenden Ast des Einschaltstroms nach dem Start des Bremsmotors.
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In der darauffolgenden Phase II wird aus der ermittelten Zeitkonstante τM unter Berücksichtigung der gemessenen Spannung U die Motorkonstante KM bestimmt (Block 21).
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Bei Kenntnis der Motorkonstante KM kann zum einen gemäß Block 22 unter Berücksichtigung des Motorstroms I das Leerlaufmoment Midle des elektrischen Bremsmotors ermittelt werden. Die Motorkonstante KM geht außerdem gemeinsam mit dem Leerlaufstrom Midle als Eingangsgröße in den Block 23 ein, der zur Phase III gehört und in dem das Motorlastmoment ML geschätzt wird. Darüber hinaus kann in Phase III gemäß Block 24 auch die Motordrehzahl n ermittelt werden.
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Aus dem Motorlastmoment ML kann gemäß Block 25 unter weiterer Berücksichtigung eines effektiven Radius r' und eines nominalen mechanischen Wirkungsgrades ηNom die elektromechanische Klemmkraft FKI berechnet werden. Als Funktion der Motordrehzahl n und des effektiven Radius r' kann außerdem der zurückgelegte Spindelweg s berechnet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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werden mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate über mehrere Datenpunkte geschätzt. Die Parameter werden für die Methode der kleinsten Fehlerquadrate wie folgt zusammengefasst:
überführt werden kann.
