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Stand der Technik
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Heutige Bremsregelsysteme zur Stabilitäts- oder Komfortregelung von Kraftfahrzeugen basieren auf Pumpen- oder Ventilansteuerungen einer im System verbauten Hydraulik und erlauben damit radindividuelle Bremsdruckmodulationen. Dabei wird Hydraulik- oder Bremsflüssigkeitsvolumen gezielt bewegt oder verschoben. Dynamik und Druckstellgenauigkeit hängen dabei maßgeblich von der Kenntnis der Volumenaufnahme und der daraus resultierenden Steifigkeit des Systems ab. Unter dem Begriff der Volumenaufnahme wird dabei nicht das gesamte Volumen der im Bremssystem enthaltenen Bremsflüssigkeit verstanden, sondern die relative Volumenzunahme der im Bremssystem enthaltenen Bremsflüssigkeit im Bremsfall gegenüber dem ungebremsten Zustand. Das heißt, im ungebremsten Zustand gilt Volumen = 0 und der im Bremssystem herrschende Druck ist gleich dem Umgebungsdruck. Die Volumen-Druckkennlinie bezeichnet den Zusammenhang zwischen dem gegenüber dem ungebremsten Fall hinzugekommenen Bremsflüssigkeitsvolumen und der Druckerhöhung gegenüber dem Umgebungsdruck.
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Typischerweise unterliegt die Charakteristik der Volumenaufnahme großen Toleranzen. Durch Fertigungstoleranzen, aber auch durch den aktuellen Zustand der Bremse, der Bremsbeläge und der Kontaktverhältnisse zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe kann es zu Variationen des zur Einstellung eines angeforderten Drucks notwendigen Volumens kommen. Da die Bremse über das Reservoir des Hauptbremszylinders mit Bremsflüssigkeit versorgt wird, ist diese Variation für den Fahrer nicht wahrnehmbar, für die exakte Druckeinstellung jedoch wichtig.
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Stabilitäts- und Komfortregler müssen diese Toleranzen mit hohen Robustheitsaufwendungen kompensieren bzw. diese Toleranzgrenzen akzeptieren.
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Bedingt durch Robustheitsaufwendungen zur Kompensation der Toleranzen sind Performance- oder Komforteinbußen notwendig. Beispielsweise kann ein Vorhalt an Pumpenleistung für die ESP-Rückförderhydraulik vorgesehen sein oder es werden Ansteuerstrategien für die Ventile zur Kompensation von Volumenfehlern eingesetzt. Dies kann jedoch zu störenden Geräuschen oder zu einer größeren Streubreite der Funktionsperformance führen.
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Zur Ermittlung der Volumenaufnahme eines Bremssystems ist es bekannt, eine einmalige charakteristische Volumenaufnahme zu ermitteln und diese Daten invariant über den gesamten Anwendungszeitraum zu verwenden. Änderungen dieser Daten, wie sie z.B. durch Verschleiß, Alterung, Totvolumina oder Nachstellmechanismen auftreten, sind nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Druck-Volumen-Charakteristik eines Bremssystems eines Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs während der Fahrt, bei dem zu mehreren Zeitpunkten während eines ersten bzw. vorgegebenen Betriebszustandes, bei welchem eine Bremsung vorliegt,
- – mittels eines Drucksensors der hydraulische Druck der Bremsflüssigkeit an einem Punkt bzw. wenigstens einem Punkt im Bremssystem ermittelt wird,
- – mittels eines Volumen- oder Wegsensors das durch die Bremsung dem
- Bremssystem zugeführte Bremsflüssigkeitsvolumen ermittelt wird und
- – anhand der ermittelten Druck- und Volumenwerte die Druck-Volumen-Charakteristik des Bremssystems ermittelt wird.
Da die Druck-Volumen-Charakteristik eines Bremssystems sich über ein Fahrzeugleben hinweg ändert, bietet die Erfindung die Möglichkeit, während ausgewählten Fahrzuständen bzw. Betriebszuständen diese neu zu ermitteln bzw. anzupassen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass es sich bei dem ersten Betriebszustand um eine Fahrerbremsung handelt,
- – dass der hydraulische Druck am Ausgang des Hauptbremszylinders mittels eines Drucksensors gemessen wird und
- – dass das zugeführte Bremsflüssigkeitsvolumen mittels eines den Betätigungsweg oder den Betätigungswinkel des Bremspedals erfassenden Weg- oder Winkelsensors ermittelt wird.
Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass in zahlreichen Fahrzeugen bereits ein Drucksensor am Ausgangs des Hauptbremszylinders verbaut ist und auch ein den Betätigungsweg oder den Betätigungswinkel des Bremspedals erfassender Weg- oder Winkelsensor bereits vorhanden ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Volumen-Charakteristik als eine wählbare mathematische Größen bzw. Freiheitsgrade bzw. Koeffizienten aufweisende analytische Funktion im Steuergerät hinterlegt ist, welche den Zusammenhang zwischen dem zugeführten Bremsflüssigkeitsvolumen und dem hydraulischen Druck wiedergibt und dass anhand der ermittelten Druck- und Volumenwerte eine Festlegung der wählbaren mathematischen Größen erfolgt. Vorteilhafterweise wird dabei eine analytische Funktion gewählt, deren Verlauf bereits grob einer typischerweise zu erwartenden Druck-Volumen-Charakteristik entspricht, durch die Festlegung der wählbaren mathematischen Größen anhand der ermittelten Druck- und Volumenwerte erfolgt dann die Feinabstimmung der Funktion, so dass diese möglichst gut zu den gemessenen Wertepaaren von Druck und Volumenzufuhr passt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den wählbaren mathematischen Größen um wählbare Zahlenwerte handelt. Damit ist auf einfache Art und Weise eine Offset- und Steigungskorrektur möglich.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Volumen-Charakteristik anhand der Beziehung Vadaptiv(p) = k1·Vinitial(p) + k0 ermittelt wird, wobei es sich bei Vadaptiv(p) um die zu ermittelnde Druck-Volumen-Charakteristik handelt, es sich bei Vinitial(p) um eine zu einem früheren Zeitpunkt ermittelte oder initial in einem Speichermedium im Fahrzeug hinterlegte Druck-Volumencharakteristik handelt, es sich bei k0 und k1 um wählbare Zahlenwerte handelt, und anhand der ermittelten Druck- und Volumenwerte eine Bestimmung der Werte für die wählbaren Zahlenwerte k0 und k1 erfolgt. In der mathematischen Formel kennzeichnet p die Druckdifferenz zwischen dem hydraulischen Druck der Bremsflüssigkeit und dem Atmosphärendruck. Vadaptiv und Vinitial kennzeichnen das zugeführte Bremsflüssigkeitsvolumen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den wählbaren mathematischen Größen um Funktionen handelt, welche von einer Temperatur und/oder einem Verschleiß und/oder der Querbeschleunigung abhängen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten bzw. vorgegebenen Betriebszustand um eine Fahrerbremsung handelt und der vom Fahrer initiierte Bremsdruck am Ausgang des Hauptbremszylinders näherungsweise zeitlich konstant ist, d.h. dass die Änderung pro Zeiteinheit dieses Bremsdrucks einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. In diesem Fall liegt ein eingeschwungener Zustand vor und der Druck der Hydraulikflüssigkeit in den Radbremszylindern entspricht im wesentlichen dem hydraulischen Druck am Ausgang des Hauptbremszylinders. Vorteilhafterweise ist der erste bzw. vorgegebene Betriebszustand so gewählt, dass alle 4 Einlassventile offen sind und keine Fahrdynamikregelung aktiv ist. Es sind z.B. jedoch auch Betriebszustände vorgebbar, bei denen die Einlassventile der zu einem der beiden Bremskreise zugehörigen Radbremszylinder offen sind, die Einlassventile der Radbremszylinder des anderen Bremskreises sind geschlossen. Dieser Betriebszustand eignet sich zur Ermittlung der Volumenaufnahme eines einzelnen Bremskreises.
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Der erste bzw. vorgegebene Betriebszustand muss nicht immer derselbe Zustand sein, sondern es ist auch möglich, dass durch einen Lernalgorithmus der vorgegebene Betriebszustand immer wieder neu gelernt bzw. adaptiert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
- – dass es sich bei dem ersten bzw. vorgegebenen Betriebszustand um eine fahrerunabhängige Bremsung handelt, bei welcher der Bremsdruck mittels einer im Hydraulikkreis befindlichen Pumpe erzeugt wird,
- – dass der hydraulische Druck am Förderausgang der Pumpe oder innerhalb wenigstens eines Radbremszylinders mittels eines Drucksensors gemessen wird,
- – dass das zugeführte Bremsflüssigkeitsvolumen mittels einer zeitlichen Integration des Förderstroms der Pumpe ermittelt wird und
- – anhand der ermittelten Druck- und Volumenwerte die Druck-Volumen-Charakteristik des Bremssystems ermittelt wird.
Diese Ausgestaltung eröffnet die Möglichkeit, auch während einer fahrerunabhängigen Bremsung, beispielsweise im Rahmen einer ACC-Regelung, die Druck-Volumen-Charakteristik des Bremssystems zu ermitteln oder anzupassen. Unter dem Begriff ACC wird dabei die "Adaptive Cruise Control"-Funktion verstanden.
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Weiter umfasst die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Steuergerät, welche Mittel wie beispielsweise den auf einem Speichermedium hinterlegten Programmcode zur Durchführung der vorstehend beanspruchten Verfahren enthält.
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Die Zeichnung besteht aus den 1 bis 5.
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1 zeigt den typischen zeitlichen Verlauf von Druck und zugeführtem Bremsflüssigkeitsvolumen in einem Bremssystem sowie eine typische Druck-Volumen-Kennlinie.
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2 zeigt in Form eines Blockdiagramms den grundsätzlichen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 zeigt einen für eine Fahrdynamikregelung typischen Hydraulikplan.
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4 zeigt typische Druck-Volumen-Charakteristiken mitsamt den zugehörigen Funktionen
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5 zeigt in einem Druck-Volumen-Diagramm die initiale Kennlinie, die ermittelten Messpunkte und die neue Kennlinie.
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Durch die Verwendung geeigneter Sensorik, insbesondere ein Volumen- oder Wegsensor sowie ein Drucksensor, zur Messung von aktueller Volumenzufuhr und aktuellem Druck in einem Bremssystem ist während spezieller Systemzustände eine Berechnung der Druck-Volumencharakteristik des Bremssystems während eines Bremsvorgangs möglich. Dadurch werden alle Einflussfaktoren auf die Änderung von dessen Daten kompensiert.
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Solche speziellen Systemzustände können beispielsweise die folgenden sein:
- – es liegt eine Fahrerbremsung vor, d.h. es findet ein Druckaufbau in allen vier Radbremszylindern statt und die Volumenaufnahme aller vier Radbremsen kann ermittelt werden
- – eine Verzögerungsanforderung eines ACC-Systems führt zu einem autonomen Druckaufbau in allen vier Radbremszylindern, wiederum kann die Volumenaufnahme ermittelt werden
- – es liegen autonome Bremseingriffe an zwei Rädern beispielsweise im Rahmen eines Spurhalteverfahrens oder eines Bremsscheibenwischers vor
- – ein spezieller Lernalgorithmus zur Ermittlung der Volumen-Druck-Charakteristik ist in einem Fahrzeugsteuergerät hinterlegt und führt künstlich stimulierte Druckaufbauten durch.
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Allen diesen speziellen Systemzuständen ist gemeinsam, dass die Volumenaufnahme an Bremsflüssigkeit nahezu vollständig in die vom Bremsvorgang betroffenen Radbremszylinder fließt. Das in den übrigen Komponenten des Hydraulikkreises enthaltene Bremsflüssigkeitsvolumen ist näherungsweise konstant.
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Der zugehörige Druck der Hydraulikflüssigkeit wird z.B. direkt durch in den Radbremszylindern angebrachte Drucksensoren gemessen.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, nur solche Systemzustände auszuwerten, in denen der Druck am Ausgang des Hauptbremszylinders näherungsweise gleich dem Druck in den Radbremszylindern ist. Dieser Druck wird üblicherweise mit dem in vielen Fahrzeugen vorhandenen Vordrucksensor gemessen. Als geeigneter Systemzustand kommt vor allem die reine Fahrerbremsung in Frage.
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Die Ermittlung des zugeführten Volumens an Bremsflüssigkeit erfolgt entweder über einen direkt das zugeführte Volumen messenden Sensor, es kann jedoch auch aus einem Wegsignal bzw. Winkelsignal gewonnen werden, wenn das einem Weg bzw. Winkel zugeordnete verschobene Volumen bekannt ist.
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Alternativ ist auch eine Volumenermittlung während aktiven Druckaufbauten basierend auf der gemessenen Pumpenförderleistung der ESP-Rückförderpumpe gemäß Vreal = ∫qRFPdt möglich. Dabei kennzeichnet qRFP den Förderstrom.
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In 1 ist im oberen Diagramm in Abszissenrichtung die Zeit t aufgetragen, in Ordinatenrichtung sind der gemessene Druck p sowie die gemessene Volumenzufuhr V bzw. der gemessene Weg x aufgetragen.
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Daraus lässt sich die im unteren Diagramm dargestellte Druck-Volumen-Charakteristik eines Bremssystems ableiten. Dort ist in Abszissenrichtung der Druck p im Bremssystem und in Ordinatenrichtung das zugeführte Bremsflüssigkeitsvolumen V aufgetragen.
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Eine mögliche Umsetzung zur adaptiven Bestimmung der Volumenaufnahme besteht darin, deren Initialdaten Vinitial über das Fahrzeugleben hinweg anhand spezifischer Systemzustände zu korrigieren: Vadaptiv = k1·Vinitial + k0.
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Die Funktion Vinitial ist fest als Kennlinie über dem Druck p im Speicher des Steuergeräts abgelegt. k1 und k0 können beispielsweise Funktionen des Drucks p im Bremssystem sein und werden für die jeweiligen Systemzustände ermittelt.
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Zusätzlich können k1 und k0 auch noch Funktionen von Temperatur, Querbeschleunigung oder Alter sein.
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Es ist auch möglich, die Druckabhängigkeit lediglich in Vinitial zu berücksichtigen und über k1 und k0 lediglich einen Offset- und einen Steigungsfehler zu kompensieren. Dann sind k1 und k0 reine Zahlenwerte.
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Unter hoher Querbeschleunigung führt die mechanische Belastung zu einer Verformung der Bremse, die ein Auseinanderdrücken der Bremsbeläge bewirkt. Ein anschließender Druckaufbau, speziell ein autonomer Druckaufbau über die Rückförderpumpe, muss dann nicht nur das normale Volumen für den geforderten Druckaufbau zur Verfügung stellen, sondern auch noch dieses querbeschleunigungsabhängige Totvolumen auffüllen.
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Ein Blockschaltbild, welches den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, ist in 2 dargestellt. In Block 100 wird mittels eines Drucksensors sowie eines Weg- bzw. Volumensensors direkt die Druck-Volumen-Kennlinie bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt z.B. im Teilbremsbereich bei Geradeausfahrt mit verschwindender Querbeschleunigung, indem zu verschiedenen Zeitpunkten die aktuelle Druckdifferenz ggü. dem Atmosphärendruck und das aktuelle zugeführte Volumen gemessen bzw. ermittelt werden. Anschließend erfolgt in Block 101 die Ermittlung der Korrekturfaktoren k1 und k0 durch einen Vergleich der aktuell ermittelten Druck- und Volumenzufuhr-Werte mit der initialen Druck-Volumen-Kennlinie Vinitial. Dies erfolgt z.B. durch einen Lernalgorithmus, es ist auch eine Berücksichtigung von Einflussfaktoren wie Temperatur, Verschleiß, Querbeschleunigung usw. möglich. Die aktuelle Kennlinie Vadaptiv wird in Block 102 den Regelalgorithmen des ESP-Systems zur Verfügung gestellt.
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Mögliche Anbringungsorte der Sensoren sind in 3 dargestellt.
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In 3 ist in schematischer Art und Weise das Bremssystem eines mit einem Fahrdynamikregelungssystem ausgestatteten Fahrzeugs dargestellt. Dabei wurden alle für das Verständnis unwesentlichen Teile weggelassen. Es wurde ein Bremssystem mit zwei Bremskreisen betrachtet: Bremskreis 1 ist der linke Zweig in 3, der rechte Zweig ist Bremskreis 2. Dabei erstrecke sich der Bremskreis 1 im Beispiel über die Hinterräder und der Bremskreis 2 erstrecke sich über die Vorderräder. Selbstverständlich wäre eine andere Bremskreisaufteilung aber auch denkbar.
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Bevor auf die Vorgänge im Bremssystem eingegangen wird, sollen zuerst die einzelnen Blöcke kurz vorgestellt werden:
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Bezugszeichenliste
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- 300
- Hydraulische Bremsdruckregeleinrichtung
- 301
- Hauptbremszylinder
- 302
- HSV1 (= Hochdruckschaltventil von Bremskreis 1)
- 303
- USV1 (= Umschaltventil von Bremskreis 1)
- 306
- RFP1 (= Rückförderpumpe von Bremskreis 1)
- 308
- EVHL (= Einlassventil hinten links, d.h. an der Bremse des linken Hinterrads)
- 309
- AVHL (= Auslassventil hinten links)
- 311
- EVHR (= Einlassventil hinten rechts)
- 310
- AVHR (= Auslassventil hinten rechts)
- 316
- Radbremse des linken Hinterrades
- 317
- Radbremse des rechten Hinterrades
- 305
- HSV2 (= Hochdruckschaltventil von Bremskreis 2)
- 304
- USV2 (= Umschaltventil von Bremskreis 2)
- 307
- RFP2 (= Rückförderpumpe von Bremskreis 2)
- 312
- EVVL (= Einlassventil vorne links)
- 313
- AVVL (= Auslassventil vorne links)
- 315
- EVVR (= Einlassventil vorne rechts)
- 314
- AVVR (= Auslassventil vorne rechts)
- 318
- Radbremse des linken Vorderrades
- 319
- Radbremse des rechten Vorderrades
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Die beiden Rückförderpumpen sind von einem gemeinsamen Motor angetrieben, d.h. sie werden parallel in Betrieb genommen.
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Vom Hauptbremszylinder 301 gehen Leitungen zu der Bremsdruckregeleinrichtung 300. Darin erfolgt eine Verzweigung zu den Hochdruckschaltventilen 302 und 305 und zu den Umschaltventilen 303 und 304.
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Das Hochdruckschaltventil 302 ist mit den Auslassventilen 309 und 310 sowie der Saugseite der Rückförderpumpe 306 verbunden. Das Umschaltventil 303 ist mit den Einlassventilen 308 und 311 sowie der Förderseite der Rückförderpumpe 306 verbunden. Die Ausgangsseite des Einlassventils 308 und die Eingangsseite des Auslassventils 309 sind verbunden mit der Radbremse 316, ebenso das Einlassventil 311 und das Auslassventil 310 mit der Radbremse 317.
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Das Hochdruckschaltventil 305 ist mit den Auslassventilen 313 und 314 sowie der Saugseite der Rückförderpumpe 307 verbunden. Das Umschaltventil 304 ist mit den Einlassventilen 312 und 315 sowie der Förderseite der Rückförderpumpe 307 verbunden. Die Ausgangsseite des Einlassventils 312 und die Eingangsseite des Auslassventils 313 sind verbunden mit der Radbremse 318, ebenso das Einlassventil 315 und das Auslassventil 314 mit der Radbremse 319.
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Die Rückförderpumpe 306 liegt zwischen dem Umschaltventil 303 (Förderseite) und dem Auslassventil 310 (Saugseite), die Rückförderpumpe 307 liegt zwischen dem Umschaltventil 304 (Förderseite) und dem Auslassventil 313 (Saugseite).
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320 kennzeichnet einen möglichen Anbringungsort für den Weg- oder Volumensensor, welcher beispielsweise am Bremspedal angebracht werden kann.
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Als Einbauposition für den Drucksensor eignet sich beispielsweise der mit 321 bezeichnete Punkt am Ausgang des Hauptbremszylinders 301. Hier wird der hydraulische Druck eines Kreises gemessen, welcher im wesentlichen dem Hauptbremszylinderdruck entspricht. Über die Kopplung der beiden Kreise im Hauptbremszylinder ergibt sich im zweiten Kreis ein näherungsweise identischer Druck.
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Soll die Ermittlung der Druck-Volumen-Charakteristik während eines fahrerunabhängigen Bremseingriffs erfolgen, dann liegen vorteilhafte Einbaupositionen am Förderausgang der Rückförderpumpen, diese sind mit 322 bezeichnet.
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Als weiterer Einbauort für einen Drucksensor kommen die Radbremszylinder infrage, beispielhaft in 1 mit 323 eingezeichnet.
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In 4 sind in beispielhafter Form drei unterschiedliche Druck-Volumen-Charakteristiken eingezeichnet. Dazu ist in Abszissenrichtung die Druckdifferenz p ggü. dem Atmosphärendruck und in Ordinatenrichtung das zugeführte Volumen V aufgetragen. Die drei Charakteristiken unterscheiden sich lediglich durch den Koeffizienten vor dem ersten Term. Liegen beispielsweise verschiedene Messpunkte vor, dann kann dieser Koeffizient so gewählt werden, dass die zughörige Funktion möglichst gut diese Messpunkte trifft.
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Dies ist in 5 dargestellt. Vinitial kennzeichnet die ursprüngliche bzw. initiale Kennlinie. Mit "x" sind vier Messpunkte eingezeichnet. Der gestrichelte Verlauf Vadaptiv kennzeichnet eine möglichst gut diese Messpunkte treffende Druck-Volumen-Charakteristik. Nunmehr kann Vinitial durch Vadaptiv ersetzt werden, Vadaptiv wird als aktuelle Kennlinie im Steuergerät hinterlegt.
