DE102011013153A1

DE102011013153A1 - Kozept für eine Piezo-unterstützte Antiblockiersystem-Bremse mit sehr schneller Regelantwort mit einer unabhängigen Messung der momentanen Radgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102011013153A1
Application number: DE201110013153
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-03-29
Also published as: GB2478423A; GB201016791D0; GB201103641D0; GB2478368A; DE102011013153A8

Abstract

Die Effektivität eines Antiblockier-Bremssystems hängt ab sowohl von der Zeitkonstante der Regelantwort der Bremskraftregelung als auch von der Genauigkeit der Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zur Radumfangsgeschwindigkeit. Hier in dieser Erfindung wird nun vorgeschlagen, einen starken elektromechanischen Piezoaktuator insbesondere zwischen dem Bremskolben/Bremszylinder und der Rückseite des Bremsbelages einzufügen und diese elektromechanische Bremskraftregelung in die reguläre Rückkoppelschleife eines regulären rein-hydraulischen Antiblockierbremssystems zu integrieren, also in die Rückkoppelschleife die normalerweise nur auf das hydraulische Bremsdrucksystem wirkt. Weiterhin wird ein Laserscanner-Velocimetriesystem vorgeschlagen, um eine genauere Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. der longitudinalen und lateralen (Drift-)Geschwindigkeit jeder Radachse zu erreichen. Beide Konzepte zusammen sollten eine Zeitkonstante von etwa 10 μsec der Rückkoppelung ermöglichen, was viel kürzer ist als die heutzutage erreichbare 10 Millisekunden-Regelantwortzeit eines rein hydraulischen Bremskraftsystems. Dies sollte eine Antiblockiersystem-Bremse viel effizienter machen und somit ein Fahrzeug während einer Notbremsung viel näher am Limit des elastischen Radschlupfes (Haftreibungsbereich) halten, wo die stärkste Bremsverzögerung erreicht werden kann, knapp bevor das Fahrzeug übergeht in Gleitreibungs-Radschlupf/gleitenden Radschlupf, wobei dann der Reibungskoeffizient plötzlich vom Haftreibungskoeffizienten zum viel kleineren Gleitreibungskoeffizienten springt.

Description

Einleitung und Problem:
Bei einer Antiblockiersystem-Bremse ist die Zeitkonstante der Bremskraftregelung ein entscheidender Faktor, in wieweit die Bremskraft exakt am Haftreibungs-Limit gehalten werden kann, also an dem Punkt kurz bevor Haftreibung in Gleitreibung übergeht und damit der Reibungskoeffizient sprunghaft und drastisch absinkt und sich damit der Bremsweg eines Vehikels, insbesondere eine Autos, eines Motorrades oder eines Flugzeuges drastisch verlängert. Je glatter der Fahrbahnbelag ist, umso kritischer wird dieses Verhalten und umso ungenauer wird die Regelung, je länger ihre Zeitkonstante ist. Dieser Bremskraftpunkt maximaler Verzögerung befindet sich sozusagen am Maximum des Bereiches ”elastischen” Rad-Schlupfes, also an jenem Punkt der Bremskraft, an dem sich der Reifengummi maximal elastisch verformt, die Vorwärtsgeschwindigkeit der Radachse also bereits größer ist als die aus Raddrehzahl und unverformten Radumfanges errechnete Geschwindigkeit, aber das Rad noch nicht auf dem Asphalt gleitet. In einfachen Worten, die von einem geeichten Tacho abgelesene Fahrzeug-Geschwindigkeit ist beim Bremsen bereits im Bereich der Haftreibung geringer als die tatsächliche Vorwärtsgeschwindigkeit der Radachse, und damit des Wagens. Entsprechendes gilt umgekehrt für Beschleunigungsphasen und damit die Traktionskontrolle. Beginnt der Reifengummi zu gleiten wird diese Differenz der vom Tacho abgelesenen Geschwindigkeit und der tatsächlichen Vorwärtsgeschwindigkeit der Radachsen sprunghaft ansteigen, bis die Reifen ganz blockieren, der Tacho also natürlich null anzeigt.
Nun sind bisherige ABS-Bremskraftregelungen rein hydraulisch realisiert, sodass die Zeitkonstante der Regelung im Bereich etlicher 10 bis 100 Millisekunden liegt. Damit ist es offensichtlich nicht möglich, insbesondere bei Schnee- und Eisglätte (wo der Sprung des Reibunsgkoeffizienten von Haft- zu Gleitreibung besonders hoch ist), die Regelung exakt an bzw. kurz vor diesem oben beschriebenen Übergang zu halten, wo der elastische Schlupf endet (also der Punkt maximaler Bremsverzögerung) und der gleitende Schlupf beginnt – die Bremse wird also stottern und es wird erhebliche Zeitperioden geben, während der das Rad kurz steht, die Bremsverzögerung wegen der dann anliegenden viel kleineren Gleitreibung also erheblich reduziert ist und der Bremsweg etwa doppelt so lang sein wird, als wenn die Bremskraft ständig am Haftreibungslimit gehalten werden könnte. Dabei wird angenommen, dass während jeden Regelzyklus, also während jeden ”Stotter-Pulses” die Bremskraft etwa die Hälfte einer solchen Pulsdauer im ungünstigen Gleitreibungsbereich liegt.
Das Problem einer herkömmlichen ABS-Bremse ist also einerseits die vergleichsweise langsame Regelantwort des hydraulischen ABS und andererseits die ungenaue Bestimmung der tatsächlichen momentanen Vorwärtsgeschwindigkeit der Radachsen beim Verzögern oder auch beim Beschleunigen.
Stand der Technik
ABS-Bremsen sind heutzutage rein hydraulisch, wobei zwar zusätzliche Bremspumpen einen Bremsflüssigkeitsvorrat unter Überdruck setzen, insbesondere um eine Traktionskontrolle zu ermöglichen, aber letztlich wird die Bremskraft beim ABS nur dadurch geregelt, dass schnelle Ventile öffnen und damit die Bremskraft an einzelnen Rädern pulsierend nachlassen, um diese Räder vor länger andauerndem Blockieren zu bewahren und damit durch einen Links-Rechts Ausgleich der Bremsverzögerung – wobei jedoch das Rad mit dem geringsten ”Grip” dominiert – insbesondere die Lenkbarkeit des Fahrzeuges zu bewahren. Die Geschwindigkeit dieser Ventile liegt etwa im Millisekunden Bereich und die Regelantwort des Systems ist durch die Viskoelastizität der Bremsflüssigkeit weiter verlangsamt, und da das System dadurch auch Phasenverschiebungen unterliegt, muss die Regelantwort einen Integral-Gain besitzen, was eine weitere Verlangsamung der Regelantwort bedingt. Dies summiert sich dann auf etliche 10–100 Millisekunden Response-Zeit der Bremskraftregelung auf. ”Break by wire”-Systeme ( EP1138564A2 ) sind zwar bereits in Vorbereitung, aber die betreffen nur die Seite des Bremspedales, um das etwas störende Vibrieren des Bremspedales beim Einsetzen der ABS-Regelung zu eliminieren.
Weiterhin legen US5067778 , 054705323 , und US6213564B1 Piezo-unterstützte Antiblockier-Bremssysteme offen, wobei in US5067778 und US4705323 der Piezoaktuator den hydraulischen Druck der Bremsflüssigkeit vergrößert oder verringert und somit nur indirekt auf den Bremskolben wirkt, welcher die Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe presst, wodurch schließlich die Bremskraft bestimmt wird. Im Gegensatz dazu enthält US6213564B1 ein rein Piezo-betriebenes Antiblockierbremssystem ohne überhaupt irgendein hydraulisches System.
Hierbei werden also US5067778 , US4705323 , und US6213564B1 , aber insbesondere US4705323 [Anmerkung: Dies ist ein Fehler im englischen Original, es müßte eigentlich heißen „insbesondere US5067778 ”] als nächstliegender Stand der Technik für die gegenwärtige Erfindung herangezogen.
Weiterhin stehen zur Messung der tatsächlichen Geschwindigkeit der Radachse nur der meist nicht mal geeichte Tacho und Beschleunigungssensoren zur Verfügung. Selbst der geeichte Tacho liefert, wie oben beschrieben wegen des elastischen Schlupfes einen falschen (zu kleinen) Geschwindigkeitswert beim Bremsen; Aufintegrieren der Beschleunigung, die vom Beschleunigungssensor geliefert wird, liefert prinzipiell zwar einen exakten Wert, aber der ist nur so exakt wie der vom geeichten Tacho gelieferte Anfangswert der Integration, der ja nur exakt gemessen werden kann, während sich das Rad Schlupf-frei dreht. Dies wiederum funktioniert nur, wenn das Rad während eines Regelzyklus kurz fast völlig losgelassen wird um, sich Schlupf-frei drehen zu können, um wieder einen exakten Anfangswert für die Auf-Integration des Signals vom Beschleunigungssensor zu bekommen. Dieses Loslassen der Radbremse verlängert wiederum den maximal erreichbaren Bremsweg erheblich. Weiterhin kann auch ein geeichter Tacho nur so genau sein, wie der Raddurchmesser konstant bleibt, was ja auch nur näherungsweise der Fall ist, da sich der Reifengummi ja mit der Zeit abfährt.
Zusammenfassung der Erfindung:
Es ist das Ziel der Erfindung, ein Piezo-unterstütztes Antiblockierbremssystem zu liefern, welches eine sehr schnelle Antwortzeit der die Bremskraft regelnden Rückkoppelschleife gewährleistet, mit einer unabhängigen Messung der instantanen/momentanen Radgeschwindigkeit. Als eine Hauptverbesserung gegenüber gewöhnlichen rein hydraulischen Antiblockierbremssystemen wird [hier] beabsichtigt, die Geschwindigkeit der Antwort der die Bremskraft in einer Notbremssituation regulierenden Rückkoppelschleife signifikant zu erhöhen und somit einen viel kürzeren Bremsweg zu erzielen sowie bessere Spurhaltekontrolle falls eingesetzt in ESP-Systemen.
Lösung:
Es sind zwei wesentliche Änderungen an einer ABS-Bremse in der vorliegenden Erfindung vorgesehen um den erreichbaren Bremsweg erheblich zu verkürzen: 1. Piezo-unterstützte Bremskraft-Erzeugung integriert in ein reguläres hydraulisches System und 2. Eine unabhängige optische Messung der Geschwindigkeit eines jeden Rades.
Erstens wird ein starker Piezoaktuator in das Bremskraft-generierende System, welches gewöhnlicherweise rein hydraulisch ist, eingeführt. Dieser Piezoaktuator könnte z. B. im Hauptbremszylinder platziert sein – z. B. im Fall einer Antiblockier-Handbremse eines Motorrades – wodurch er somit einen zusätzlichen (positiven oder negativen) hydraulischen Druck liefert, welcher sich zu dem hydraulischen Druck hinzuaddiert, welcher durch den Kolben der Bremspumpe im Hauptbremszylinder aufgebaut wird. Diese zusätzliche „Piezo-Bremspumpe” sollte bereits schneller sein – insbesondere wenn man an die heutzutage sehr schnellen Piezo-Benzin-Einspritzpumpen denkt – als die üblichen Drucknachlassventile in einem gewöhnlichen Antiblockierbremssystem, aber sollte [noch] etwa in derselben Größenordnung liegen in Bezug auf die erzielbare Zeitkonstante, falls dieser Piezoaktuator aktiv durch die Antiblockierbremssystem-Elektronik gesteuert wird. Der Piezoaktuator dieser Piezobremspumpe wird ein Stapel von Piezoscheiben sein müssen, um eine große Reichweite (um ausreichende Druckdifferenzen zu erzielen) zu ermöglichen, welcher somit relativ langsam ist aufgrund der elektrischen Parallelschaltung all der Piezoplatten im Stapel und weiterhin wird das System wie gewöhnlich verlangsamt durch die Visco-Elastizität und die Trägheit des hydraulischen Systems (oben erwähnt). US5067778 und US4705323 tun grundsätzlich dasselbe; d. h. sie benützen einen Piezoaktuator um zusätzlichen Einfluß auf den hydraulischen Druck (positiv oder negativ, d. h. Erhöhung des gesamten Bremsdruckes um einen gewissen Betrag oder Verringerung des gesamten Bremsdruckes um einen gewissen Betrag) zu generieren, aber dort sind jene Piezos (Piezostapel) im Zylinder (Bremsflüssigkeitskammer) des Bremskolbens im Bremssattel platziert, was natürlich primär auf ein Auto bezogen ist, wobei nur ein Bremspedal alle 4 Bremsen an allen 4 Rädern betätigt, aber könnte natürlich genauso an einem Motorrad angewandt werden, wo die Bremse eines jeden Rades gewöhnlicherweise ihren eigenen Betätigungshebel (Handbremshebel und Fußbremshebel) besitzt.
In der gegenwärtigen Erfindung soll jedoch insbesondere zwischen Bremskolben und Rückseite des Bremskolbens eine starke Piezoaktuator-Scheibe oder -Schicht eingeführt werden und/oder optional auch hinter dem gegenüberliegenden Bremsbelag (1), welche eine feine und winzige Ausdehnungs- oder Kontrahier-Bewegung ausführt und eine schnelle Bremskraftregelung. Solch ein Piezo kann die notwendige Kraft von kiloNewton generieren, halten und regeln und über eine μm-Bewegungsreichweite können Zeitkonstanten von 10 μsec erreicht werden. Natürlich hängt diese erreichbare kürzeste Zeitkonstante in der Rückkoppelantwort ab von dem Betrag der Kraft, welcher erzeugt oder geregelt werden muss, was wiederum korreliert ist mit der Amplitude um welche sich der Piezo ausdehnen oder kontrahieren muss: Falls [nur] kleinere Piezo-Bewegungsamplituden und somit kleinere angelegte maximale Bremskräfte (z. B. wenn man auf sehr rutschigen Straßengegebenheiten wie etwa auf Eis bremst) erforderlich sind, dann kann eine kleinere Zeitkonstante der Rückkoppelantwort erzielt werden, und umgekehrt. Diese kurzen Zeitkonstanten werden durch die oben erwähnte Visco-Elastizität der Hydraulikflüssigkeit (d. h. die Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit steigt dynamisch an bei sehr schneller Kompression oder Ausdehnung, in anderen Worten sie wird härter) ermöglicht, was den hydraulischen Anteil des Systems eigentlich verlangsamt: Wenn man z. B. versucht – z. B. unter Benutzung eines Piezoaktuators großer Reichweite –, den hydraulischen Druck mehr oder weniger weit weg vom Bremskolben durch dünne Schläuche hindurch schnell zu ändern – z. B. am Hauptbremszylinder eines Motorrades verbunden mit dem Handbremshebel –, wird es länger dauern bis sich dieser erhöhte oder verringerte Druck ganz unten am Bremskolben eingestellt hat/equilibriert hat, wegen der Visco-Elastizität der Hydraulikflüssigkeit. Hier wird jedoch vorgeschlagen, die Bremskraft direkt zwischen dem Bremskolben und der Rückseite des Bremsbelages schnell zu variieren, ohne dass irgendwelche Bremsflüssigkeit dazwischen wäre, nur direkt mittels schneller Expansion/Kontrahierung des besagten Piezos: In diesem Fall arbeitet die Viscoelastizität der – eventuell spezialisierten – Bremsflüssigkeit zugunsten des Erreichens von kurzen Zeitkonstanten der Rückkoppelantwort, weil die Bremsflüssigkeit bei schneller Kompression/Ausdehnung „versteift”; d. h. ihre Kompressibilität steigt an bis sie sich bei etwaigen extrem kurzen Kompressions-/Expansions-Pulsen sogar fast in einen „Quasi-Festkörper” umwandeln würde. (Genau wie in dem Schulexperiment der flüssigen Stärke-Suspension/Lösung welche sich praktisch in ein Trampolin umwandelt, wenn man drauf springt). Somit wird im Fall von zusätzlichem Bremsdruck durch den Piezo (d. h. der Piezo dehnt sich aus) „actio = reactio” auch über diesen viskosen Quasifestkörper durch die Flaschenhälse und die Seitenwände des hydraulischen Systems bereitgestellt, nicht nur durch den Bremspedaldruck und den Hauptbremszylinder alleine, wie es der Fall wäre, wenn die Bremsflüssigkeit rein flüssig wäre. Aber der gewöhnliche Fall wird [hier] sein, dass der Piezo schnell kontrahiert, um intermittent die Bremskraft nachzulassen, was möglich sein wird aufgrund der Trägheit des visco-elastischen hydraulischen Systems alleine. Das langsame hydraulische System kann den Bremskolben nicht so schnell voranschieben wie der Piezo kontrahieren kann, um für die Kraftverringerung durch den kontrahierenden Piezo zu kompensieren. Darüberhinaus kann der besagte Piezo bei langsameren Zeitkonstanten größere Reichweiten besitzen und einfach hydraulischen Druck zum System addieren oder davon subtrahieren indem er expandiert oder kontrahiert. Je schnellere Bewegungen des Piezos erforderlich sind, umso symmetrischer wird sich das visco-elastische hydraulische System jedoch verhalten bei Kompression und Expansion.
Diese Piezoaktuatoren direkt (abgesehen von einer festen thermischen Isolierung) zwischen der Rückseite des Bremsbelages (wobei die Vorderseite die Reibungsschichten der Bremsbeläge sind, welche in Kontakt mit der Bremsscheibe sind) und der Vorderseite des Bremskolbens (1) können in Form einer Piezoscheibe sein, welche dieselbe Querschnittsfläche wie der Bremskolben haben oder können aus mehreren kleineren Piezo-Würfeln oder -Zylindern bestehen. Alle Piezoaktuatoren können auch aus Stapeln von Piezoplatten geformt werden, um größere Bewegungsreichweiten bei kleineren elektrischen Spannungen zu erzielen. Hierbei müssen die Größen, die Materialien und die Geometrie der Piezoaktuatoren optimiert werden für die erforderlichen Kräfte, die somit erforderlichen Piezo-Bewegungsreichweiten und die erforderlichen [Regel-]Antwort-Zeitkonstanten: Dünne Piezoscheiben mit großer Oberfläche können hohe Kräfte erzeugen aber besitzen langsame Zeitkonstanten aufgrund der hohen Kapazität der dünnen Piezoscheibe. Piezostapel erhöhen die Bewegungsreichweite des Aktuators, aber weil alle Piezos (Kondensatoren) im Stapel grundsätzlich elektrisch parallel geschaltet sind, wird die Zeitkonstante solch eines Stapels linear mit der Anzahl der Piezoplatten im Stapel ansteigen. Schließlich gibt es dann noch den „Trade-off” von sensitiveren piezoelektrischen Materialien (größere Reichweite bei kleineren elektrischen Spannungen) gegenüber ihren Curie-Temperaturen: Sensitivere piezokeramische Materialien haben niedrigere Curie-Temperaturen bei welchen sie ihre piezo-elektrische Polarisierung verlieren, während piezoelektrische Kristalle gar keine Curie-Temperatur besitzen. Geeignete piezo-keramische Materialien für diese Anwendung sind sogenannte „harte” Piezo-Materialien, welche hohe Kräfte erzeugen können (große piezoelektrische Konstante g₃₃), jedoch kleinere Bewegungsreichweite-Amplituden aufweisen (piezoelektrische Konstante d₃₃ kleiner), aber, was hier sehr wichtig ist, eine hohe Curie-Temperatur (von mehr als 300°C) aufweisen, wie z. B. die proprietären piezokeramischen Materialien EBL#25, EBL#9, EBL#7, EBL#1 (EBL Procucts, East Hartford, CT, USA) or PIC300 (Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany).
Ein piezo-unterstütztes Antiblockierbremssystem, welches gewöhnliche Zeitkonstanten der Rückkoppelantwort aufweist, wie heutzutage mit Ventil-regulierten hydraulischen Antiblockierbremssystemen erreicht wird, könnte realisiert werden, indem man einen Piezoaktuator mit großer Reichweite bei kleinem Querschnitt (z. B. einen Stapel kleiner Piezoplatten) in den Hauptbremszylinder der Bremspumpe integriert oder einen Piezoaktuator großer Reichweite bei großer Querschnittsfläche im Bremskolbensattel in der Bremsflüssigkeitskammer hinter dem Bremskolben, letzteres wie in US5067778 oder US4705323 offengelegt, wobei in allen Fällen diese Piezoaktuatoren auf den hydraulischen Druck im hydraulischen System wirken, wenn sie expandieren oder kontrahieren, und somit indirekt [via der Bremsflüssigkeit] auf den Bremsbelag wirken via den Bremskolben und somit schließlich die Bremskraft ändern. Geeignete Piezo-keramische Materialien für solche langreichweitigen Piezos (Piezostapel) sind sogenannte „weiche” Piezokeramiken, welche große piezoelektrische Konstanten d₃₃ (größere Reichweite pro Volt angelegter Spannung) aber niedrigere Curie-Temperaturen aufweisen, wie z. B. EBL#23, EBL#3 (EBL Products, East Hartford, CT, USA) oder PIC153 (Physik Instrumente, Karlsruhe, Germany).
Aber in allen diesen Fällen verlangsamt normalerweise die Viscoelastizität der Bremsflüssigkeit die kleinste erreichbare Zeitkonstante der Rückkoppelantwort, es sei denn falls vielleicht sehr schnelle und sehr scharfe Pulse angelegt werden, welche in Form eines Wellenpaketes durch das hydraulische System hin zur Rückseite des Bremskolbens propagieren. Aber dieser letztere Fall ist höchstwahrscheinlich extrem schwierig zu kontrollieren in einer stabilen Rückkoppelschleife.
Diese [erfindungsgemäße] schnelle und empfindliche Regelung soll die „normale” hydraulische Antiblockierbremse zusätzlich korrigierend unterstützen und soll die Radverzögerung viel genauer an der oberen Grenze des elastischen Radschlupfes halten. Es sei hierbei angemerkt, dass zwei gekoppelte Rückkoppelschleifen (hydraulische und piezo-mechanische Bremskraft, der manipulierte Parameter), welche beide auf denselben Regelparameter wirken und diesen regeln (also den elastischen Radschlupf), sehr schwierig zu beherrschen sind und sehr genau justiert werden müssen.
Für den geübten Fahrer, sollte die langsame und grobe hydraulisch regelnde ABS-Regelung abschaltbar sein, sodass er selbst mit dem Bremspedal die hydraulische Bremskraft sehr nahe am optimalen Bereich halten kann, nur noch unterstützt vom Piezo-ABS, das viel schneller regeln kann, als es mit dem Fuß auf dem Bremspedal je möglich wäre, oder es auch ein break by wire system mit rein hydraulischer Bremse je realisieren könnte.
Der vorgeschlagene Piezoaktuator zwischen der (den) Vorderseite(n) der Bremskolben – es sei angemerkt, dass es bis zu 3 Paare von Bremskolben in einem Bremssattel geben kann wie in Rennsportbremsen – und der Rückseite des Bremsbelages und/oder optional zwischen der Rückseite des gegenüberliegenden Bremsbelages und des Bremssattels (1) kann aufgespalten werden in mehrere Piezoaktuator-Elemente, welche elektrisch separat gesteuert werden können und wobei jedes Piezoaktuator-Element einen integrierten, insbesondere piezoelektrischen Drucksensor aufweist, welcher auch in einen steuernden Antiblockierbremsen-Computer eingespeist wird, was es somit erlaubt, die Bremskraft/den Bremsdruck gleichmäßig über den gesamten Bremsbelag hinweg zu verteilen, mit dessen Reibungsschicht in festem Kontakt mit der Bremsscheibe. Mehrere kleine Piezoelemente in gewissen lateralen Abständen zu haben, hat zusätzlich den Vorteil, dass sie sich aufgrund ihrer kleineren Kapazität schneller bewegen können als vergleichsweise eine große Piezoscheibe die dieselbe Größe hat wie der Bremskolben, oder sogar wie der Bremsbelag, auch wenn sie größere Kräfte erzeugen kann. Praktikabel wäre es natürlich, jeweils ein Piezoaktuator-Element auf jeden Bremskolben in einem Bremssattel, welcher 4–6 Bremskolben trägt, zu platzieren und damit die Bremskraft die von jedem Bremskolben auf den Bremsbelag ausgeübt wird, zu balanzieren, was von weiteren Vorteil ist, weil ungleichmäßig von den verschiedenen Bremskolben ausgeübte Bremskräfte ein bekanntes Problem darstellen.
Weiterhin [zweitens] soll eine vom (geeichten) Tacho und von Beschleunigungssensoren unabhängige Messung der Vorwärtsgeschwindigkeit der 4 Radachsen vorgenommen werden: Unter jeder der 4 (Halb-)Achsen soll im wesentlichen eine optische Computer-(Laser-)Maus installiert werden, die auf beliebigem Fahrbahn-Untergrund die momentane Vorwärtsgeschwindigkeit jeder Radachse exakt aufzeichnet. Auch seitliche Drift kann damit aufgezeichnet werden. Die Funktionsweise ist die Aufzeichnung einer 2-dimensionalen Kreuzkorrelationsfunktion der durch den Laserstrahl wandernden beliebigen winzigen Fahrbahn-Strukturen, welche einen wandernden Schatten auf den Detektor werfen. Aufgezeichnet wird wiederholt das zeitlich veränderliche Signal eines Quadrantendetektors über eine gewisse Zeitspanne delta t und dieses zeitabhängige Signal wird kreuzkorreliert mit dem nächsten Signal-”Zug” in der um die infinitesimale Zeitspanne δt verschobene darauf folgenden Zeitspanne delta t. Aus dem geeichten geometrischen Versatz der Fahrbahnstrecke, um die man den zweiten Signalzug verschieben muss, um mit dem ersten Signalzug das (normierte) Kreuz-Korrelationsintegral von nahezu 1 zu erhalten bzw. um maximiert zu werden, geteilt durch δt erhält man die Momentangeschwindigkeit. Auch eine optische Lasermaus misst primär eine Geschwindigkeit aus der ”nur” durch Aufintegration eine Position errechnet wird. Man muss die optische PC-Maus insofern verändern, weil sie ja nicht direkt auf dem Fahrbahnboden sitzen kann, sondern Laserdiode und Quadrantendetektor müssen derart ausgerichtet und montiert sein, dass das vom Fahrbahnboden reflektierte Signal vom Quadrantendetektor auch aufgezeichnet werden kann. Möglicherweise ist eine kontinuierliche Nachjustierung notwendig, z. B. durch Verkippung des Lasers derart, dass der Quadrantendetektor immer maximierte Summen- und minimierte Differenzsignale liefert. Anstelle des Quadrantendetektors kann auch ein 2-dimensionales CCD-Array ausgelesen werden und jeweils 2 Bilder im Zeitabstand δt aufgenommen werden, die dann so verschoben werden, bis die Kreuzkorrelation annähernd normiert 1 ergibt, bzw. maximiert wird.
Anstelle der Kreuzkorrelation eines Quadrantendetektorsignals kann auch ein 2-dimensionales CCD-Array verwendet werden, bei dem alle Pixeldetektoren parallel geschaltet sind, und die Frequenz einer durch das von der Fahrbahnreflexion beleuchtete Array wandernde Punktschatten, also eines Streukörpers auf der Fahrbahn liefert ein zur Geschwindigkeit des Fahrzeuges proportionales Signal. Diese Frequenz multipliziert mit dem Abstand der Pixelmitten ergibt gerade die Geschwindigkeit des Fahrzeuges bei vertikal von der Fahrbahn auf den Detektor reflektiertem Laserstrahl. Eigentlich wäre kein komplettes 2 dimensionales Array notwendig, sondern es genügt ein lineares Array in Fahrtrichtung und ein weiteres lineares Array quer dazu. Die Array-Größe muß dabei so gewählt werden, dass der Pixelabstand etwa genauso groß ist wie die zu erwartenden Laser-Speckle-Schatten auf dem Detektor. Die Array-Länge muss dabei etwa so groß sein, wie die mittleren Abstände der von der Fahrbahnstrukturen reflektierten Laser-Speckles, deren Helligkeit ja durch hindurchwandernde Fahrbahnstrukturen moduliert wird. Intelligente Computersoftware könnte aber auch das Problem lösen, wenn z. B. zwei Fahrbahndetails gleichzeitig durch den Array wandern – dabei würde ja eine doppelte Frequenz gemessen werden, was zunächst auf eine doppelte Fahrzeug-Geschwindigkeit schließen lassen würde, aber durch Software-Abgleich mit dem Tacho würde der Computer diesen Messfehler um einen Faktor 2 sofort erkennen, denn so groß ist die Tachoabweichung ja doch nicht.
Der Einfachheit halber sollen zunächst handelsübliche aber teure heterodyne Laser Surface Velocimeter (Polytek Waldbronn, siehe auch DD232360A1 und DE 10 2008 038 642 A1 ) für die akurate Geschwindigkeitsmessung herangezogen werden, die etwas einfacher in die für diese Anwendung geforderte Geschwindigkeits- und Genauigkeitsbereiche vordringt.
Auch die Radumfangsgeschwindigkeit soll zur Erhöhung der Genauigkeit der Schlupfregelung mit einem solchen Laserabtastverfahren bestimmt werden, indem z. B. ein Laser im Radkasten den Reifen auf der Oberseite abtastet, um die Fehler der (geeichten) Tacho-Messung aufgrund variierender Radumfänge (verschiedene Reifen/Felgen, abgefahrene Reifen usw.) zu eliminieren.
Der ABS-Computer wird also die so gemessene Radachsen-Geschwindigkeit gegenüber der Fahrbahn mit dem Tacho bzw. der ebenfalls optisch gemessenen Radumfangsgeschwindigkeit vergleichen, und an dem Punkt, an dem die Differenz sehr steil beginnt anzusteigen (bzw. deren Ableitung steil, fast unstetig hochspringt), also an dem Punkt an dem der elastische Radschlupf in den gleitenden Radschlupf beginnend übergeht, wird er die Bremskraft reduzieren bis diese Differenz wieder linear wird, bzw. deren Ableitung wieder ein Plateau hat, aber im erfindungsgemäßen Konzept sehr viel schneller und exakter als es das rein hydraulische System erlauben würde.
Alternativ wird an jeder Radaufhängung ein x-y-z Beschleunigungssensor montiert, welcher beim Bremsen die negativen Beschleunigung an jedem Rad misst, beim Beschleunigen natürlich die positiven Beschleunigungen. Hierbei antwortet die ABS-Regelung derart, dass die Bremsverzögerung in Fahrtrichtung x immer möglichst nah an ihrem Maximalwert an jedem Rad gehalten wird, wobei zur Erhaltung der Lenkbarkeit natürlich das am schwächsten bremsende Rad dominiert. In der Kurve wird dagegen die negative Querbeschleunigung maximiert, wenn die longitudinale Verzögerung in Fahrtrichtung nicht maximiert werden kann. D. h. in der Kurve wird die Regelung die Bremse dann graduell loslassen, wenn entweder die Verzögerung in Fahrtrichtung x ihren Maximalwert überschreitet oder (logisches oder) die Verzögerung in Querrichtung y. In z-Richtung wird auch die Beschleunigung sowie die Neigung der Radaufhängung aufgezeichnet um einen ”Look-ahead Gain” für die digitale Regelung zu ermöglichen, da bei höherem dynamischen Druck des Rades auf die Straße auch höhere Bremsverzögerungen zu erwarten sind.
Alternativ besitzt jeder der 4 Radaufhängungen in x und y Richtung ein auf einem piezoelektrischen Drucksensor endendes zusätzliches Widerlager (ähnlich eines Reifenwuchtgerätes), welcher die Längs- und Querbeschleunigungskräfte aufzeichnet; Vorteil wäre die höhere Antwort-Geschwindigkeit gegenüber des x-y-mikroelektromechanischen Beschleunigungssensors. In z-Richtung wäre weiterhin ein Beschleunigunsgsensor, kombiniert mit einem Neigungssensor, installiert, um ebenso durch einen ”Look ahead gain” die Regelungszeitkonstante kleiner machen zu können.
Für alle Velocimetrie können alternativ kohärente oder nicht-kohärente Lichtquellen, anstelle von einem sichtbaren Laser benützt werden, auch – kohärente oder nicht-kohärente – ultravuíolette, sichtbare, infrarote, Mikrowellen- oder sogar Ultraschall-Strahlungsquellen, was notwendig sein kann, weil der Unterboden des Autos mit Straßenschmutz bedeckt werden könnte.
Dasselbe System kann natürlich wie das normale ABS auch genützt werden, um einen Spurhaltungsassistenten und eine Traktionskontrolle zu realisieren. Insbesondere die unabhängige optische exakte Messung der Vorwärts- und der Seitwärtsgeschwindigkeit der 4 Radaufhängungen ist dabei neben der schnelleren Bremskraftregelungen an den einzelnen Rädern von großem Vorteil.
Figuren:
1: Bremssattel, der in dieser Ausführungsform nur einen Bremskolben aufweist (während es insbesondere bis zu 3 Paare von Bremskolben in einem Bremssattel geben kann), wobei ein Piezoaktuator direkt zwischen der Vorderseite des Bremskolbens und der Rückseite des Bremsbelages platziert wird, wie auch auf der anderen Seite der Bremsscheibe ein optionaler zweiter Piezoaktuator platziert wird zwischen dem Bremssattel und der Rückseite dieses zweiten Bremsbelages. Verschiedene Ausführungsformen sind natürlich möglich mit den Piezoaktuatoren auf jeweils einer oder auch auf beiden Seiten der Bremsscheibe, wie auch Ausführungsformen welche eine Mehrzahl von Bremskolben aufweisen und somit eine Mehrzahl von entsprechenden Piezoaktuatoren wie auch Ausführungsformen, wobei jene Piezoaktuatoren an jedem Bremskolben aufgespalten sind in mehrere kleinere Piezoaktuator-Elemente, alles abhängig je nach den Anforderungen an den Betrag der Kraft, welche erzeugt werden muss in Verbindung mit der erforderlichen Geschwindigkeit der Rückkoppelantwort der Rückkoppelschleife, welche die Bremskraft der Antiblockierbremse regelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 1138564 A2 [0004]
US 5067778 [0005, 0005, 0006, 0006, 0010, 0013]
US 054705323 [0005]
US 6213564 B1 [0005, 0005, 0006]
US 4705323 [0005, 0006, 0006, 0010, 0013]
DD 232360 A1 [0020]
DE 102008038642 A1 [0020]

Claims

Piezo-unterstütztes hydraulisches Antiblockier-Bremssystem gemäß Anspruch 1 von US5067778 , dadurch charakterisiert, dass der eine zusätzliche Bremskraft generierende Piezoaktuator direkt montiert ist insbesondere zwischen der Rückseite des Bremsbelages und dem vorderen Ende des Bremskolbens, während der hydraulische Druck in der Bremsflüssigkeit, welcher vom Hauptbremszylinder erzeugt wird, wie gewöhnlich auf die Rückseite des Bremskolbens wirkt und wobei die Bremsflüssigkeit eine spezifische Viscoelastizität aufweist, wobei die Piezoaktuatoren aus geeigneten piezoelektrischen Kristallen oder geeigneten piezokeramischen Materialien bestehen, oder einer Kombination daraus.
Piezo-unterstütztes hydraulisches Antiblockierbremssystem gemäß Anspruch 1 von US5067778 , dadurch charakterisiert, dass ein eine zusätzliche Bremskraft generierender Piezoaktuator, welcher mittels elektrischer Signale gesteuert wird, wird im die hydraulische Druckkraft generierenden System zwischen Hauptbremszylinder und der Reibungsschicht des Bremsbelages, welcher mit der Bremsscheibe in Kontakt ist, montiert, während der hydraulische Druck in der Bremsflüssigkeit, welcher wie gewöhnlich auf die Rückseite des Bremskolbens wirkt, primär durch den Hauptbremszylinder generiert wird und sekundär durch den Piezoaktuator, wobei eine unabhängige instantane Messung der momentanen Vorwärtsgeschwindigkeit jeder Radachse wie auch der Umfangsgeschwindigkeit jedes Rades vorgesehen ist, was in Kombination eine sehr schnelle Antwort der Rückkoppelschleife erlaubt, welche die Bremskraft regelt.
Piezo-unterstütztes hydraulisches Antiblockierbremssystem gemäß Anspruch 2, wobei der die zusätzliche Bremskraft generierende Piezoaktuator direkt insbesondere zwischen der Rückseite des Bremsbelages und des vorderen Endes des Bremskolbens montiert ist, während der hydraulische Druck in der Bremsflüssigkeit, welcher im Hauptbremszylinder erzeugt wird, wie gewöhnlich auf die Rückseite des Bremskolbens wirkt und wobei die Bremsflüssigkeit eine spezifische Viscoelastizität aufweist, wobei die Piezoaktuatoren aus geeigneten piezoelektrischen Kristallen oder geeigneten piezokeramischen Materialien bestehen oder einer Kombination daraus.
Piezo-unterstütztes hydraulisches Antiblockierbremssystem gemäß Anspruch 1 von US5067778 , dadurch gekennzeichnet, dass der die zusätzliche Bremskraft generierende Piezoaktuator, insbesondere ein Piezostapel, im Hauptbremszylinder montiert ist und somit eine zusätzliche hydraulische Druckkomponente in der Bremsflüssigkeit generiert, welche mittels elektrischer Signale gesteuert werden kann, wobei die piezokeramischen Materialien insbesondere z. B. EBL#23 oder EBL#3 oder PIC153 sind.
Piezomechanische Bremskraftregelung gemäß Anspruch 1, wobei eine Piezoaktuatorscheibe zwischen herkömmlichem Bremszylinder und Rückseite des Bremsbelages eingefügt wird, wobei die Regelantwort des ABS sowohl auf den Piezoaktuator als auch auf die hydraulische Bremskraftentwicklung wirkt, wobei die hydraulische Bremskraftregelung abschaltbar ist wobei das piezokeramische Material des Piezoaktuators eine hohe Curietemperatur hat, wobei die Piezokeramik insbesondere z. B. EBL#25 oder EBL#9 oder EBL#7 oder EBL#1 oder PIC300 oder Kombinationen daraus oder Kombinationen daraus mit geeigneten Piezokristallen ist, wobei Bremsbelag und Piezoaktuator ein aktive und/oder passive Kühlung besitzen, wobei die Piezoaktuatorscheibe auf der oberen und unteren Seite eine metallische Elektrodenschicht besitzt, die aus Nickel oder Silber besteht, wobei zwischen Bremsbelag-seitiger Elektrodenschicht der Piezoscheibe und Rückseite des Bremsbelages eine thermisch und elektrisch isolierende Scheibe bestehend aus Saphir eingefügt ist, wobei der ABS-Computer eine gemäß Patentanspruch 2–6 jeweils unabhängig gemessene Vorwärts-Geschwindigkeit der 4 Radachsen mit dem geeichten Tacho vergleichen wird, und an dem Punkt, an dem die Differenz sehr steil beginnt anzusteigen bzw. deren Ableitung steil, fast unstetig hochspringt, also an dem Punkt an dem der elastische Radschlupf in den gleitenden Radschlupf beginnend übergeht, wird er die Bremskraft reduzieren bis diese Differenz wieder linear wird, bzw. deren Zeitableitung wieder ein Plateau hat, wobei wobei der ABS-Computer eine gemäß Patentanspruch 2–6 jeweils unabhängig gemessene Vorwärts-Geschwindigkeit der 4 Radachsen mit der ebenso optisch gemessenen jeweiligen Radumfangsgeschwindigkeit vergleichen wird, und an dem Punkt, an dem die Differenz sehr steil beginnt anzusteigen bzw. deren Ableitung steil, fast unstetig hochspringt, also an dem Punkt an dem der elastische Radschlupf in den gleitenden Radschlupf beginnend übergeht, wird er die Bremskraft reduzieren bis diese Differenz wieder linear wird, bzw. deren Zeitableitung wieder ein Plateau hat.
Piezo-mechanische Bremskraftregelung gemäß Ansprüchen 1 und 5, wobei mehrere Piezoaktuator-Elemente verteilt sind zwischen der Vorderseite der Bremskolben und der Rückseite des Bremsbelages, wobei jedes Piezoaktuator-Element einen, insbesondere piezoelektrischen, Drucksensor aufweist, was es somit erlaubt, den Bremsdruck gleichmäßig über den gesamten Bremsbelag, der in festem Kontakt mit der Bremsscheibe ist, zu verteilen.
Piezo-mechanische Bremskraftregelung gemäß Ansprüchen 1 und 2 und (3 oder 4) und oder Anspruch 5 und oder Anspruch 6 unter Benützung von Laser-optischer Geschwindigkeitsmessung mittels Quadrantendetektor und Kreuzkorrelation der aufgezeichneten Bewegung, wobei der fokussierbare und kollimierbare Laser oder Laserdiode an der Radachse auf einem motorisierten optischen Spiegelhalterung montiert ist, die um 2 Achsen verkippt werden kann, sodass der Laserstrahl in zwei Richtungen justiert werden kann, wobei der Laser so justiert wird, dass er vom Boden reflektiert genau mittig in einen Quadrantendetektor trifft dessen eine Trennlinie genau parallel zur Radachse verläuft und dessen zweite Trennlinie genau senkrecht zur Radachse, also in Fahrtrichtung, wobei der Laser derart automatisch justiert wird, indem eine Regelung, welche auf die Verkippung des Laserstrahles wirkt, die Signale A + B + C + D maximiert sowie die statischen Signale (A + B) – (C + D) sowie (A + C) – (B + D) minimiert, also in etwa zu null, wenn das Fahrzeug steht, wobei der Quadrantendetektor zur genaueren obigen Justierung auf einem x-y-Tisch installiert wird an der Radachse, wobei über eine Zeitspanne delta t ein zeitlich veränderliches Signal (A + B) – (C + D) aufgezeichnet wird und nach (also verschoben um) einer kleinen Zeit δt nochmal über eine überlappende Zeitspanne delta t. Diese beiden überlappenden Signalzüge werden kreuzkorreliert und die geeichte notwendige Verschiebung des Fahrbahnuntergrundes um als normiertes Korrelationsintegral der beiden Signalzüge 1 zu erhalten geteilt durch δt ist die Momentangeschwindigkeit der Radachse in Vorwärtsrichtung, wobei genauso mit dem Signal (A + C) – (B + D) verfahren wird um die seitliche Drift des Rades, also die Radgeschwindigkeit parallel zur Radachse zu erhalten.
Gemäß Patentanspruch 7, wobei nun statt der kreuzkorrelierten Quadrantendetektorsignale, die Frequenz des Signales aufgezeichnet wird, welches ein über ein lineares CCD-Array wandernder Licht-Dunkel-Punkt ausgehend von einem Streuzentrum auf der Fahrbahn hervorruft, wobei die höchste gemessene Frequenz proportional zur Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist, wobei alle Photodetektoren im Array parallelgeschaltet sind, wobei es sich um ein relativ grobes CCD-Array handelt mit Abständen zwischen den etwa gleich großen Photodetektoren etwa von der Größe der von den Fahrbahnstrukturen-Streuzentren reflektierten zu erwartenden Laser-Speckle-Schatten, wobei die Gesamtlänge des Arrays etwa dem mittleren Abstand der zu erwartenden von den Fahrbahnstrukturen zurück auf den Detektor geworfenen wandernden Schattenpunkte entspricht, wobei die so gemessene Geschwindigkeit nochmal Softwaretechnisch größenordnungsmäßig mit dem Tacho abgeglichen wird, da auch Vielfache auftreten könnten, wobei diese Frequenz multipliziert mit dem Abstand der Pixelmitten etwa die Fahrzeuggeschwindigkeit ist, wenn der Laserstrahl vertikal von der Fahrbahn auf den Detektor reflektiert wird, wobei solch ein CCD-Array in Fahrtrichtung und eines senkrecht dazu montiert wird, wobei ein 2-dimensionales CCD-Array verwendet wird
Analog zu Anspruch 7 und oder Anspruch 8, wobei ein herkömmliches 2-dimensionales CCD-Array verwendet wird, welches in herkömmlicher Weise wie ein Schieberegister ausgelesen wird, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird durch Kreuzkorrelation zweier hintereinander ausgelesener Lichtpixelarrays, wobei sich die Geschwindigkeit ergibt aus der benötigten Verschiebung der beiden hintereinander ausgelesenen Pixelarrays um die normierte Kreuzkorrelation maximiert von nahezu 1 zu erhalten geteilt durch den Zeitabstand δt der beiden Auslesevorgänge des 2-dimensionalen CCD-Arrays, wobei bei Auslesen eines 2-dimensionalen Bildes der von den beliebigen Fahrbahnstrukturen auf den Detektor geworfenen Schattenpunkte unmittelbar der Geschwindigkeitsvektor in der x-y-Ebene erhalten wird, wobei dies 2 Mal vorgenommen wird, zum einen in Fahrtrichtung um die Fahrzeuggeschwindigkeit an jeder Radachse zu erhalten und zum anderen senkrecht dazu, um die seitliche Driftgeschwindigkeit des Fahrzeuges zu erhalten.
Wie Ansprüchen 7–9, wobei die Laser-optische Geschwindigkeitsmessung zunächst durch eine veränderte Laser-PC-Maus realisiert werden soll, deren Arbeitsabstand angepasst wurde auf den mittleren Abstand Radachse-Fahrbahnbelag.
Wie Ansprüche 7–10, wobei die Geschwindigkeitsmessung zunächst mittels eines kommerziellen heterodynen Laser Surface Velocimeters realisiert werden soll.
Gemäß Ansprüchen 1 und 2 und (3 oder 4) und oder Anspruch 5 und oder Anspruch 6 und oder Anspruch 7, wobei die Laser-optische Differenz-Geschwindigkeitsmessung als Regelparameter ersetzt wird durch die Maximierung der negativen Beschleunigung, aufgenommen von einem mikroelektromechanischen x-y-z Beschleunigungssensor, in Fahrtrichtung x oder – logisch oder – die Maximierung der negativen Beschleunigung in Querrichtung y insbesondere in der Kurve, wobei auch die Beschleunigung und Neigung der Radaufhängung in vertikaler z-Richtung aufgezeichnet wird, um für die digitale ABS-Schlupfregelung ein Signal für einen Look-ahead-gain zu ermöglichen, da eine höhere Bremsverzögerung bei erhöhtem dynamischen Auflagedruck des Rades erwartet werden kann.
Wie Patentanspruch 12, wobei statt des x-y-Beschleunigungssensors jeweils für die x- und die y-Richtung ein in einem piezoelektrischen Drucksensor endendes zusätzliches Widerlager der Radaufhängung verwendet wird.
Gemäß Ansprüchen 7–13, wobei die Velocimetrie-Konzepte aus den Ansprüchen 7–13 beliebig kombiniert werden können, entweder für redundante und somit genauere Messungen oder als Alternativen, indem z. B. die x-y-Velocimetrie die Konzepte von den Ansprüchen 7–11 benützt und indem die z-Beschleunigungsmessung die Konzepte aus den Ansprüchen 12 und 13 benützt.
Gemäß Ansprüchen 7–14, wobei als Alternative die Laserlichtquelle mindestens durch eine der folgenden Komponenten ersetzt wird: Eine kohärente oder nicht-kohärente Lichtquelle, eine kohärente oder nicht-kohärente infrarote Lichtquelle, eine kohärente oder nicht-kohärente sichtbare Lichtquelle, eine kohärente oder nicht-kohärente ultraviolette Lichtquelle, eine kohärente oder nicht-kohärente Mikrowellen-Lichtquelle, eine kohärente oder nicht-kohärente Ultraschallquelle