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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Bremssystem mit den oberbegrifflichen Merkmalen von Anspruch 1 und einer Sicherheitsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb eines elektrohydraulischen Bremssystems.
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Für Personenkraftwagen mit Hydraulikbremsen konventioneller Bauart wird die auf ein Bremspedal ausgeübte Kraft über einen Bremskraftverstärker auf den Hauptbremszylinder übertragen, der zwei unabhängige Bremskreise druckbeaufschlagt. Die Weiterentwicklung dieses etablierten Konzepts zu einer Brake-by-Wire-Lösung ist bekannt und setzt voraus, dass am Bremspedal eine Sensorik Stellbewegungen und Betätigungskräfte erfasst. Weitere Bremsbetätigungsmittel mit zugeordneter Bremswunscherfassungsvorrichtung, etwa ein Handsteuergerät in Form eines Joysticks oder ein berührungsempfindliches Display, können ebenfalls zur Verwirklichung des Konzepts verwendet werden, für das ein den Bremswunsch repräsentierendes Signal einem Betriebsbremssteuergerät zugeführt wird, das den Aufbau der Bremskraft und zusätzliche Bremsfunktionen, etwa ein Antiblockiersystem (ABS), eine elektronische Stabilisierung der Fahrzeugdynamik (ESP), eine Antischlupfregelung (ASR) oder eine Trocknung nasser Bremsbeläge durch Anbremsen oder eine Bremsvorbereitung für ein Kollisionsvermeidungssystem oder weitere autonome Fahrfunktionen mit Bremsbeteiligung, durch ein Hydroaggregat realisiert. Ferner liefert für Brake-by-Wire-Systeme ein Pedalwegsimulator am Bremsbetätigungsmittel typischerweise eine Rückkopplung des sensorisch erfassten Bremswunschs. Diesbezüglich wird beispielhaft auf
WO 199929548 A1 oder
DE 10053994 A1 verwiesen.
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Für eine erste Ausführungsvariante eines Brake-by-Wire-Systems mit elektromechanischen Bremsen kann auf die Bremshydraulik gänzlich verzichtet werden. Derartige Bremsen, können, wie exemplarisch in der
DE 10201 70031 66 A1 beschrieben, einen Elektromotor und einen Spindeltrieb zur Bewegung des Bremsbelagträgers aufweisen. Elektromechanische Bremsen zeichnen sich durch sehr kurze Ansprechzeiten und eine präzise Einstellung des Lüftungsspiels ohne eine schleifende Anlage der Bremse aus. Der Verzicht auf eine hydraulische Bremsbetätigung führt jedoch dazu, dass die gesetzlich notwendigen unabhängigen Betriebsbremskreise zu einem aufwendigen Sicherheitssystem führen. Neben einer mehrfach redundant angelegten Signalführung müssen auch für die Steuergeräte beider Betriebsbremskreise Rückfallebenen vorliegen. So beschreibt
EP 1541437 A2 ein elektronisches Fahrzeugbremssystem mit einem Zentralsteuergerät und einem separaten Steuergerät an jedem einzelnen Bremskreis, die sich gegenseitig überwachen. Ferner muss jedem der unabhängigen Betriebskreise eine autarke Energieversorgung, typischerweise in Form einer weiteren Fahrzeugbatterie, zugeordnet werden.
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Eine alternative Ausgestaltung eines Brake-by-Wire-Systems stellt ein elektrohydraulisches Bremssystem dar. Beschrieben wird ein solches System in Bosch - Kraftfahrtechnisches Handbuch, Vieweg Verlagsgesellschaft;
23. Auflage (1999). Konzeptgemäß steuert ein die Signale der Bremswunscherfassungsvorrichtung verarbeitendes Betriebsbremssteuergerät ein Hydroaggregat mit einer motorisch betriebenen Hydraulikdruckversorgung. Typischerweise dient eine Hydraulikpumpe mit einem elektrischen Antrieb und einem zugeordneten Hochdruckspeicher zur Aufrechterhaltung des Betriebsdrucks, der den Raddruckmodulatoren, die mit den Bremsen der einzelnen Räder verbunden sind, zugeleitet wird. Das Betriebsbremssteuergerät kann in das Hydroaggregat integriert sein oder ist Teil einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung oder stellt eine separate Komponente dar, die über einen Datenbus mit einem Interface des Hydroaggregats kommuniziert. Neben den Sensoren zur Erfassung fahrzeugdynamischer Daten kann, wie durch
DE 19923689 A1 beschrieben, die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit bei der Steuerung und Regelung eines elektrohydraulischen Bremssystems berücksichtigt werden.
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Als Sicherheitseinrichtungen sind im Hydroaggregat des elektrohydraulischen Bremssystems Trennventile vorgesehen, die im Normalbetrieb zur Abkopplung des Hauptzylinders dienen und nur im stromfreien Zustand die Geschlossen-Stellung einnehmen. Damit wird im Fehlerfall sichergestellt, dass die Betriebsbremsen des Fahrzeugs mit den hydraulischen Kreisen des Hauptbremszylinders und damit direkt mit dem Bremspedal verbunden sind. Mithin liegt eine hydraulische Rückfallebene vor, mit der ein Fahrzeuglenker im Notfallbetrieb unmittelbar hydraulische Kräfte auf die Bremsen aufbringen kann.
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Problematisch an einer hydraulischen Rückfallebene für eine elektrohydraulische Bremse sind die notwendigen hohen Betätigungskräfte, auf die ein Fahrzeuglenker typischerweise nicht vorbereitet ist, sodass das Bremsen im Fehlerfall meist viel zu zögerlich erfolgt. Zur Lösung dieser Problematik schlägt
DE 10201 6208944 A1 vor, eine elektromechanische Bremse als Feststellbremse für die Hinterräder zu verwenden, während die Betriebsbremse durch ein elektrohydraulisches Bremssystem gebildet wird. Tritt eine Betriebsstörung im Hydroaggregat auf, wird ein Ventil zu den Hinterradbremsen geschlossen und die hydraulische Rückfallebene konzentriert die vom Fahrer aufgebrachten hydraulischen Kräfte auf die Vorderräder. Zusätzlich erfasst ein Sensorsystem in der hydraulischen Rückfallebene das vom Fahrer eingeleitete Bremsen und leitet zeitsynchron eine unterstützende Betätigung der elektromechanischen Bremsen auf der Hinterachse ein. Weitere Hybrid-Bremsanordnungen sind aus
DE 10010735 A1 bekannt, die elektromechanische Hinterradbetriebsbremsen und hydroelektrische Vorderradbetriebsbremsen vorschlägt.
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Als weitere Sicherheitsmaßnahme offenbart
DE 10201 6208944 A1 einen dem Hauptbremszylinder nachgeschalteten elektrisch ansteuerbaren Aktor mit einem Elektromotor zum Bewegen eines Plungers, der sich in einer zusätzlich hydraulischen Versorgungsleitung zwischen dem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter und der Radbremseinrichtung befindet. Im Fall einer Betriebsstörung der Bremskraftverstärkung kann der Plunger aktiviert werden. Dabei muss eine permanente Ansteuerung des antreibenden Elektromotors über die gesamte Dauer des Notfallbetriebs sichergestellt sein.
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Eine alternative Sicherheitseinrichtung im Hydroaggregat wird durch
DE 10215867 B4 beschrieben, die eine druckgasunterstützte Rückfallebene für ein elektrohydraulisches Bremssystem vorschlägt. Zu diesem Zweck dient ein Druckgasvorratsbehälter in Verbindung mit einem Arbeitszylinder, dessen beweglicher Kolben zwei Arbeitskammern voneinander trennt. Der hydraulische Kreis des Hydroaggregats steht in Verbindung zur ersten Arbeitskammer und Druckluft aus dem Druckgasvorratsbehälter wird über eine Ventilanordnung in die zweite Arbeitskammer geleitet. Damit ist es möglich, im Fehlerfall den Betriebsdruck im Hydroaggregat für eine begrenzte Zeit aufrechtzuerhalten. Nachteilig ist, dass für das vorgeschlagene Sicherheitskonzept ein zusätzlicher pneumatischer Kreis mit einem Druckgasvorratsbehälter geschaffen werden muss. Insbesondere wenn dieser für weitere Fahrzeuganwendungen dient, muss der Druckgasvorrat so dimensioniert werden, dass für jede Betriebssituation eine hinreichende Befüllung zur Gewährleistung der Sicherheitsfunktion für das elektrohydraulische Bremssystem vorliegt. Dies führt zu entsprechend großbauenden Zusatzkomponenten für die Realisierung einer druckgasunterstützten Rückfallebene.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrohydraulisches Bremssystem mit einer zusätzlichen Rückfallebene zu schaffen, die mit einen kleinen Zusatzbauraum einnehmenden und ein geringes zusätzliches Gewicht aufweisenden Komponenten eine hohe Betriebssicherheit ermöglicht. Ferner ist ein Verfahren für den Notbetrieb eines elektrohydraulischen Bremssystems anzugeben.
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Die voranstehend genannte Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einem fehlerbedingten Druckabfall in der motorisch betriebenen Hydraulikdruckversorgung des Hydroaggregats eines elektrohydraulischen Bremssystems keine sofortige Stromfreischaltung der Trennventile zur Umschaltung auf die hydraulische Rückfallebene vollzogen. Stattdessen wird für eine vorbestimmte Dauer eine Hydroaggregat-Notbetriebsphase ausgelöst, für die der Hydraulikdruck mittels eines durch einen Formgedächtnisaktor angetriebenen Hydraulikdruckerzeugers auf den Betriebsdruck zurückgeführt wird. Erfindungsgemäß wird der dem Hydroaggregat als zusätzliche Sicherheitseinrichtung zugeordneter, mittels eines Formgedächtnisaktors angetriebener Hydraulikdruckerzeuger durch eine autarke Energieversorgung betrieben, wobei für eine bevorzugte Ausgestaltung der Hydraulikdruckerzeuger in Form eines Hydraulikzylinders ausgestaltet und durch einen thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller angetrieben wird. Des Weiteren weist die autarke Energieversorgung für eine bevorzugte Ausführung einen internen Energiespeicher in Form von Ultrakondensatoren (Supercaps) oder Akkumulatoren auf. Ferner wird eine Ausführung der autarken Energieversorgung bevorzugt, die zusätzlich mit der Bordelektronik in Verbindung steht und mittels einer eigenen Leistungselektronik auf einen Gleichspannungszwischenspeicher des Fahrzeugs zugreift.
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Zur Ausführung von Stellbewegungen nutzt ein Formgedächtnisaktor einen Phasenumwandlungseffekt. Für ein Bauteil aus einer thermisch aktivierbaren Formgedächtnislegierung, beispielsweise TiNi, TiNiCu, CuZnNi oder CuAINi, erfolgt zunächst eine plastische Verformung in einer Tieftemperaturphase, für die ein Martensitgefüge vorliegt. Bei einer Erwärmung auf eine Temperatur, die ausreicht, um das Martensitgefüge in ein Austenitgefüge umzuwandeln, resultiert eine Formveränderung zum Zustand vor der plastischen Verformung. Eine nachfolgende Abkühlung, für die wieder ein Martensitgefüge eintritt, führt bei einer Einwegeffekt-Formgedächtnislegierung ohne zusätzlichen Kraftaufwand nicht zum ursprünglichen Verformungszustand zurück. Allerdings besteht die Möglichkeit durch mehrere übereinstimmende plastische Umwandlungs- und Temperaturwechselzyklen das Material so zu trainieren, dass ein Zweiwegeffekt auftritt und ein aktorisches Bauteil geschaffen werden kann, das zwischen zwei definierten Formzuständen in Abhängigkeit der Temperatur wechselt.
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Zusätzlich zu einer thermischen Aktivierung des Formgedächtniseffekts sind Materialien bekannt, die aufgrund der Einwirkung eines elektrischen Feldes oder unter der Wirkung von UV-Strahlung einen Phasenwechsel ausführen, wobei die Gefügeveränderung zu einem Formgedächtniseffekt führt. Beispiele solcher Materialien sind NiMnGa mit einem hohen Formveränderungsgrad oder Formgedächtnis-Polymere mit einer Zimtsäuregruppe.
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Bevorzugt wird ein Formgedächtnisaktor zum Antrieb des Hydraulikdruckerzeugers, der einen durch Bestromung thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller umfasst. Des Weiteren sind die thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller vorteilhafterweise von einer Wärmeisolation umgeben, wobei ein silikonummantelter, drahtförmiger, thermisch aktivierbarer Formgedächtnissteller bevorzugt wird und die Drahtanordnung durch eine weitere thermische Isolierung umhüllt ist.
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Der erfindungsgemäß zum Antrieb des Hydraulikdruckerzeugers vorgesehene Formgedächtnisaktor bietet eine hohe Energiedichte, die eine kompakte Baugröße erlaubt, sowie den zusätzlichen Vorteil eines reduzierten Steuerungsaufwands, der sich aus der einfachen Auslösbarkeit der Phasenumwandlung ergibt. Eine Stellbewegung kann dann besonders einfach initiiert werden, wenn der gewählte Formgedächtnisaktor ein thermisch aktivierbares Material aufweist. Besonders bevorzugt wird das Aufheizen mittels Bestromung ausgeführt, die durch ein einfaches Durchleiten eines Stromflusses aus einem elektrischen Speicherelement der autarken Energieversorgung realisiert wird. Im einfachsten Fall ist zur Auslösung der Sicherheitsfunktion lediglich eine einmalige Relaisansteuerung notwendig, die einen Stromspeicher der autarken Energieversorgung mit dem Formgedächtnisaktor des Hydraulikdruckerzeugers verbindet. Damit kann die Hydroaggregat-Notbetriebsphase durch ein einfaches Rückfallebenen-Steuergerät angesteuert werden, das bevorzugt eine weitere, dem Hydroaggregat zugeordnete Sicherheitskomponente darstellt.
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Für eine vorteilhafte Weitergestaltung dient eine Schaltventilanordnung zur Verbindung des durch einen Formgedächtnisaktor angetriebenen Hydraulikdruckerzeugers mit der Hydraulikdruckversorgung des Hydroaggregats. Besonders bevorzugt wird eine Ansteuerung des Formgedächtnisaktors und/oder der Schaltventilanordnung durch das separate Rückfallebenen-Steuergerät. Vorteilhafterweise steuert dieses sowohl den Formgedächtnisaktor als auch die Schaltventilanordnung. Eine solche Ausführung ermöglicht eine für die Sicherheitsfunktion vorteilhafte Aktorik, die sich aus den Eigenschaften des Formgedächtnismaterials ergibt. Wird die Phasenumwandlung durch ein Aufheizen mittels Bestromung im Formgedächtnismaterial bewirkt und zusätzlich durch die Ansteuerung der Schaltventilanordnung eine Geschlossen-Stellung des Hydraulikdruckerzeugers eingestellt, wirkt der in seiner Bewegung gehemmte Formgedächtnisaktor zunächst pseudoelastisch. Mithin kann durch eine einfache, energiesparende und zeitlich begrenzte Ansteuerung ein mechanischer Kraftspeicher aktiviert werden, der in Kombination mit der Schaltventilanordnung zu einer konstruktiv einfachen Aufrechterhaltung eines Hydraulikbetriebsdrucks eingesetzt werden kann. Gegenüber einfachen Elastizitäten wie einem auslösbaren Hochdruckspeicher in der Hydraulikdruckversorgung weist der Formgedächtnisaktor zum Antrieb eines Hydraulikdruckerzeugers den Vorteil auf, dass durch die Einstellung unterschiedlicher Aktivierungsgrade, bevorzugt durch die Einstellung eines Temperaturverlaufs, eine präzise Führung des Materialspannungs- und Stelleffekts im Formgedächtnisaktor vorgenommen werden kann. Dabei wird für eine vorteilhafte Weitergestaltung eine geregelte Aktivierung vorgenommen, für die durch eine permanente Messung der Aktortemperatur und des Innenwiderstands im Material des Formgedächtnisaktors eine Information über den Materialdehnungszustand generiert wird, die zur Regelung eines Stellweg-Spannungsverlaufs herangezogen wird. Demnach kann im Zusammenspiel der Ansteuerung des Formgedächtnisaktors zum Antrieb des Hydraulikerzeugers und der Schaltventilanordnung der gewünschte Volumenverdrängungseffekt und damit der Betriebsdruck während der Hydroaggregat-Notbetriebsphase mit einem geringen Energie- und Steuerungsbedarf realisiert werden.
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Das für eine Weitergestaltung des elektrohydraulischen Bremssystems verwendete Rückfallebenen-Steuergerät stellt eine elektronische Komponente zum Betrieb der sicherheitsrelevanten Teile des Hydroaggregats dar. Neben der Aktivierung des Formgedächtnisaktors zum Antrieb eines Hydraulikdruckerzeugers während der Hydroaggregat-Notbetriebsphase übernimmt das Rückfallebenen-Steuergerät während des Normalbetriebs die Überwachung des Betriebsbremssteuergeräts. Zu diesem Zweck ist in das Rückfallebenen-Steuergerät ein Funktionsprüfungssystem integriert, mit dem eine Watch-Dog-Funktion zur Detektion eines offensichtlichen Fehlers im Betriebsbremssteuergeräts realisiert wird. Bleiben Ansteuerungssignale vom Betriebsbremssteuergerät aus oder sind diese offensichtlich fehlerhaft, vollzieht das Rückfallebenen-Steuergerät eine Einleitung der Hydroaggregat-Notbetriebsphase und eine Abtrennung vom Betriebsbremssteuergerät. In dieser Phase werden bevorzugt redundant ausgebildete Raddruckmodulatoren durch das Rückfallebenen-Steuergerät angesteuert, wobei vorteilhafterweise direkt auf eine redundante Bremswunscherfassungsvorrichtung am Bremsbetätigungsmittel zugegriffen wird.
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Neben der Steuerung der sicherheitsrelevanten Komponenten während der Hydroaggregat-Notbetriebsphase übernimmt das Rückfallebenen-Steuergerät die Ansteuerung der Trennventile zur Umschaltung auf die hydraulische Notfallebene. Letztere wird eingeleitet, wenn der Speicherstand der autarken Energieversorgung zur Aktivierung des Formgedächtnisaktors zum Antrieb des Hydraulikdruckerzeugers eine vorbestimmte Minimalschwelle erreicht oder die Stellmöglichkeiten des Formgedächtnisaktors erschöpft sind. Die hierfür genutzte Überwachungsvorrichtung im Rückfallebenen-Steuergerät ist bevorzugt so ausgebildet, dass zusätzlich während des Normalbetriebs des Hydroaggregats die Funktionsfähigkeit der autarken Energieversorgung überwacht werden kann.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungsbeispiele der Erfindung in Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert. Diese stellen Folgendes dar:
- 1 zeigt ein Ausgestaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Bremssystems.
- 2 zeigt einen durch einen Formgedächtnisaktor angetriebenen Hydraulikdruckerzeuger mit einer autarken Energieversorgung und einer Schaltventilanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Bremssystems.
- 3 zeigt einen durch einen Formgedächtnisaktor angetriebenen Hydraulikdruckerzeuger mit einer autarken Energieversorgung und einer Schaltventilanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Bremssystems.
- 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Gefügeumwandlung eines thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers.
- 5 zeigt die Spannungsabhängigkeit der Gefügeumwandlungstemperaturschwellen aus 4 für einen thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller.
- 6 zeigt die Spannungs-Dehnungskurven eines thermisch aktivierbaren Formgedächtnisaktors.
- 7 zeigt den Innenwiderstandsverlauf eines thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers bei der Ausführung eines Hubs gegen eine konstante Last.
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1 zeigt schematisch vereinfacht eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Bremssystems. Gattungsgemäß wirkt das Bremsbetätigungsmittel 1, vorliegend ein Bremspedal, auf den Hauptzylinder 2, der aus einem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter 51 schöpft, und der nur im Fehlerfall mit den hydraulischen Betriebsbremsen 17.1, 17.2 der Vorderräder 18.1, 18.2 verbunden ist. Für den Normalbetrieb befinden sich die zwischengeschalteten Trennventile 20.1, 20.2 in der Offenstellung, sodass der Hydraulikdruck in den Bremskreisen 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 an den hydraulischen Betriebsbremsen 17.1 - 17.4 der Vorderräder 18.1, 18.2 und der Hinterräder 19.1, 19.2 durch Raddruckmodulatoren 16 des Hydroaggregats 9 erzeugt werden. Hierzu übermittelt eine Bremswunscherfassungsvorrichtung 5 Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftsignale bei einer Stellbewegung am Bremsbetätigungsmittel 1 an das Betriebsbremssteuergerät 6. Dieses verarbeitet zusätzlich Signale der übergeordneten Fahrzeugsteuerung 8 und gibt über den CAN-Bus 10.2 Steuersignale an die Schnittstellenvorrichtung 11 des Hydroaggregats 9 mit den Raddruckmodulatoren 16 weiter. Zusätzlich liefert das Betriebsbremssteuergerät 6 ein Steuersignal an den Pedalwegsimulator 7, dessen Stellbewegung am Bremsbetätigungsmittel 1 wahrnehmbar ist.
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Im fehlerfreien Betrieb steuert die Schnittstellenvorrichtung 11 die Funktion des Hydroaggregats 9. Neben den Raddruckmodulatoren 16 betrifft dies insbesondere die Hydraulikdruckversorgung 12, die eine Hydraulikpumpe 13, der ein elektrischer Antrieb 14 zugeordnet ist, und einen Hochdruckspeicher 15 umfasst. Erfindungsgemäß weist das Hydroaggregat 9 zusätzlich einen mittels eines Formgedächtnisaktors 21 angetriebenen Hydraulikdruckerzeuger 22 auf, wobei der Formgedächtnisaktor 21 aus einer von der Bordelektronik für den Fahrzeugnormalbetrieb unabhängigen, autarken Energieversorgung 23 versorgt wird.
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Für die dargestellte bevorzugte Ausführungsform ist die autarke Energieversorgung 23 in ein Rückfallebenen-Steuergerät 25 integriert, das im Fehlerfall zur Steuerung einer Hydroaggregat-Notbetriebsphase dient. Zu diesem Zweck umfasst das Rückfallebenen-Steuergerät 25 ein Funktionsprüfsystem 26, das zum Erkennen eines Ausfalls einer Komponente des elektrohydraulischen Bremssystems oder der übergeordneten Fahrzeugsteuerung 8 dient. Zusätzlich liegt ein Trennmodul 27 vor, mit dem eine Abkoppelung der für die Ausführung der Hydroaggregat-Notbetriebsphase wesentlichen Komponenten des Hydroaggregats 9 von der Schnittstellenvorrichtung 11 vollzogen werden kann. Nach der Abkopplung greift das Rückfallebenen-Steuergerät 25 direkt auf eine redundante Bremswunscherfassungsvorrichtung 50 zu. Ferner umfasst das Rückfallebenen-Steuergerät 25 eine Überwachungsvorrichtung 49 für die autarke Energieversorgung 23, die im Normalbetrieb regelmäßig Funktionsprüfungen ausführt und den Ladezustand überwacht.
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Während der vorbestimmten Dauer der Hydroaggregat-Notbetriebsphase wird bei einem Abfall des Hydraulikdrucks zur Versorgung der Raddruckmodulatoren 16 der auf den Hydraulikdruckerzeuger 22 wirkende Formgedächtnisaktor 21 mittels des Rückfallebenen-Steuergeräts 25 aktiviert, das zusätzlich eine Schaltventilanordnung 24 am Ausgang des Hydraulikdruckerzeugers 22 für die Druckregelung ansteuert.
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Für eine vorteilhafte Weitergestaltung greift das Rückfallebenen-Steuergerät 25 auf zusätzliche Komponenten des Hydroaggregats 9 zu. Exemplarisch ist in 1 eine Ansteuerung des elektrischen Antriebs 14 der Hydraulikpumpe 13 gezeigt. Zusätzlich liegen redundante Raddruckmodulatoren 28 vor, die im Fehlerfall Signale vom Rückfallebenen-Steuergerät 25 verarbeiten und die Raddruckmodulatoren 16 ersetzen können, falls diese den Fehler verursachen.
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Die Hydroaggregat-Notbetriebsphase kann nur für eine bestimmte Dauer aufrechterhalten werden, sodass bei einer Betriebsstörung eine abschließende Wirkung des Rückfallebenen-Steuergeräts 25 darin besteht, die Trennventile 20.1, 20.2 durch Stromfreischalten zu schließen und damit die Umschaltung auf die hydraulische Rückfallebene zu realisieren. Da der Fahrzeuglenker beim Einsetzen der hydraulischen Rückfallebene die Bremskräfte direkt aufbringen muss, kann während der vorausgehenden, erfindungsgemäßen Hydroaggregat-Notbetriebsphase die Bremsfunktion des elektrohydraulischen Bremssystems für das Abbremsen bis in einen sicheren Geschwindigkeitsbereich aufrechterhalten werden. Zusätzlich besteht hinreichend Zeit, um den Fahrzeuglenker vor dem Schließen der Trennventile 20.1, 20.2 zu warnen.
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2 zeigt eine erste Ausgestaltung des mittels eines Formgedächtnisaktors 21 angetriebenen Hydraulikdruckerzeugers 22 und der zugeordneten Steuerung und Regelung. Ersichtlich ist ein thermisch aktivierbarer Formgedächtnissteller 37 in Drahtform innerhalb eines nach außen durch eine Wärmeisolierung 36 geschützten Trockenraums 34 des Formgedächtnisaktors 21. Der thermisch aktivierbare Formgedächtnissteller 37 ist zwischen den Formgedächtnisdrahtaufnahmen 38.1 und 38.2 aufgespannt und mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, die im Einzelnen nicht dargestellt ist. Zur Unterbringung einer hinreichenden Drahtlänge des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 dienen Drahtumlenkungen 39.1 - 39.n, wobei eine kolbenseitige Drahtumlenkung 39.m in einer Bohrung eines zentralen Führungsrohrs 22 eines Kolbens 31 in einem den Hydraulikdruckerzeuger 22 bildenden Hydraulikzylinder 29 angeordnet ist. Eine Verkürzung des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37, die durch Aufheizen bewirkt wird, führt zu einer Stellkraft auf den Kolben 31 entgegen der Wirkung des Federelements 33, die eine Druckerhöhung am hydraulischen Ausgang des Hydraulikdruckerzeugers 22 erzeugt.
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Während der Hydroaggregat-Notbetriebsphase misst das Rückfallebenen-Steuergerät 25 für die erste Ausführung mittels eines ersten Drucksensors 40 den Hydraulikdruck im aufrechtzuerhaltenden Betriebskreis des Hydroaggregats 9, der mit der Hydraulikleitung 48 verbunden ist, und führt diesen mittels des ersten Reglers 41 mit Zugriff auf die Schaltventilanordnung 24 zurück zum Betriebsdruck. Dies setzt einen ständigen Überdruck im mittels des Formgedächtnisaktors 21 angetriebenen Hydraulikdruckerzeuger 22 voraus.
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Für die Ansteuerung und/oder Regelung des Formgedächtnisaktors 21 wird von der mechanischen Betrachtung des Formgedächtnisaktors 21 als Feder mit einer variablen, von der Materialtemperatur abhängigen, hysteresebehafteten Steifigkeit ausgegangen. Erfolgt ein Volumenabstrom am Hydraulikdruckerzeuger 9 durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltventilanordnung 24 durch den ersten Regler 41, muss im Verlauf der Bewegung des Kolbens 31 ständig eine Mindestspannung des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 durch ein Aufheizen mittels Bestromung aufrechterhalten werden.
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Für die einfachste Ausführung wird ein Energiespeicher einmalig aktiviert und vollständig über den thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller 37 entladen, wobei der Energiespeicher so dimensioniert ist, dass die zur Verfügung stehende Strommenge die Formgedächtnislegierung über die Phasenwechseltemperatur aufheizt, sodass eine vollständige Umwandlung von der Martensitphase in die Austenitphase eintritt, die zu einem sprunghaften Anstieg der Federhärte führt. Diese angehobene Temperatur muss für die einfachste Ausführung für die Dauer der Hydroaggregat-Notbetriebsphase nur annähernd aufrechterhalten werden. Bevorzugt werden für diese passive, eine Druckspitze erzeugende Ausgestaltung eine hinreichende thermische Masse und eine den thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller 37 ummantelnde Wärmeisolierung 36 verwendet. Der Stromfluss wird durch einen mit einer autarken Energieversorgung 23 verbundenen Mikrokontroller 45 gesteuert, der zusammen mit dem ersten Regler 41 dem Rückfallebenen-Steuergerät 25 zugeordnet ist.
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Zur Verdeutlichung der Hysterese der Phasenumwandlung des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 wird auf 4 verwiesen, die den Martensitanteil des Gefüges in Abhängigkeit der Temperatur zeigt. Wie in 5 dargestellt sind die Grenztemperaturen des Hystereseverlaufs von der mechanischen Spannung im Material abhängig, die sich durch die äußere Belastung auf den Aktor ergibt. Vorliegend muss der thermisch aktivierbare Formgedächtnissteller 37 gegen den Hydraulikdruck und das Federelement 33 im Hydraulikzylinder 29 arbeiten. Die Kraftwirkung ergibt sich dann aus dem in 6 gezeigten Spannungs-Dehnungsdiagramm, das das pseudoplastische Verhalten der Martensitphase und das pseudoelastische Verhalten der Austenitphase zeigt.
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Vorteilhaft ist eine Ausführung, für die Wärmeverluste nach der Aufheizphase des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 durch eine permanente Bestromung ausgeglichen werden. Wird zu diesem Zweck ein rein gesteuerter Betrieb verwendet, muss eine Stromeinprägung anstatt einer Spannungseinprägung verwendet werden, da Letztere nicht zu einem stabilen Arbeitspunkt führt. Dies ergibt sich aus dem Umstand, dass nach dem Anlegen einer Gleichspannung und dem Aufheizen ab dem Einsetzen der Phasenumwandlung eine Widerstandsabnahme beim Ausführen einer Stellbewegung folgt. Entsprechend nimmt die Stromaufnahme bei einer konstanten Spannung zu und die Heizleistung steigt, sodass ein selbstverstärkender Effekt eintritt. Dagegen ist der stromgesteuert eingestellte Arbeitspunkt zumindest für kleine Störungen stabil, wobei die Lage des Arbeitspunkts stark von äußeren Bedingungen wie der Umgebungstemperatur und der Aktorbelastung abhängt, sodass eine die Aktortemperatur verarbeitende Regelung bevorzugt wird, die Gegenstand der nachfolgend erläuterten zweiten Ausführungsform ist.
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Eine Modellvereinfachung zur Anwendung eines linearen Reglerentwurfs geht als Ersatzmodell für den thermisch aktivierbaren Formgedächtnisaktor 37 von einem fußpunkterregten Feder-Masse-System aus, das zu einer seriellen Verschaltung eines PT1 - mit einem PT2 -System führt. Im aufgrund geringerer Wärmverluste energieeffizienteren, geregelten Betrieb kann eine initiale Druckspitze im durch den Formgedächtnisaktor 21 angetriebenen Hydraulikdruckerzeuger 22 durch einen in einem vorbestimmten Intervall gehaltenen und bevorzugt auf einen Sollwert geregelten Überdruck ersetzt werden. Die zweite Ausführungsform ist in 3 dargestellt, wobei für die mit der ersten Ausführung übereinstimmenden Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Ersichtlich ist, dass weiterhin der Druck auf der Hydraulikleitung 48 mit dem ersten Regler 41 eingestellt wird, der eine äußere Regelungsschleife bildet.
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Für die zweite Ausführung ist eine innere Regelungsschleife ergänzt, wobei ein zweiter Drucksensor 43 den vom Hydraulikdruckerzeuger 22 erzeugten, an der Schaltventilanordnung anliegenden Druck misst und diesen mittels des auf den Formgedächtnisaktor 22 wirkenden zweiten Reglers 42 auf einem konstanten Überdruck hält. Die Sollvorgaben für den zweiten Regler 42 der inneren Regelungsschleife liefert der Mikrokontroller 45, der zusätzlich die nötige Stellenergie aus der autarken Energieversorgung 23 bereitstellt.
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Für die in 3 gezeigte, bevorzugte zweite Ausgestaltung erhält der Mikrokontroller 45 zusätzlich Signale eines Temperatursensor 46 und eines Widerstandsensors 47, die am thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller 37 des Formgedächtnisaktors 22 messen. Wird der Innenwiderstand R des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 zusammen mit oder alternativ zur Aktortemperatur T gemessen, kann die äußere Regelungsschleife den Betriebsdruck gleichmäßiger konstant halten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die innere Regelungsschleife mittels des zweiten Reglers 42 im Hydraulikdruckerzeuger 22 einen Solldruck einregelt, der einen konstanten Überdruck gegenüber dem durch die äußere Regelschleife eingestellten Betriebsdruck im Hydraulikkreis aufweist. Damit arbeitet der Formgedächtnisaktor 21 durch die Wirkung des zweiten Reglers 42 gegen eine konstante Last, sodass der in 7 gezeigte, temperaturabhängige Verlauf des Innenwiderstands R im thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller 37 resultiert. Wird die in 7 dargestellte, zugehörige Charakteristik des Innenwiderstands gegen die Stellbewegung des thermisch aktivierbaren Formgedächtnisstellers 37 betrachtet, ist ersichtlich, dass eine Widerstandsmessung die bei Temperaturwechselvorgängen schwieriger zu messende Temperatur im thermisch aktivierbaren Formgedächtnissteller 37 als Zustandsgröße ersetzt und/oder ergänzt. Damit kann die Regelungsgüte der inneren Regelungsschleife insbesondere bei einer Anwendung einer modellbasierten Zustandsregelung verbessert werden. Darüber hinaus liefert das gemessene Widerstandssignal eine Information über den aktuellen Hub des Formgedächtnisaktors 21, sodass insbesondere der noch verbleibende Resthub ermittelt werden kann, der neben der begrenzten Energieversorgung, die maximale Zeitdauer der Hydroaggregat-Notbetriebsphase bestimmt.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremsbetätigungsmittel
- 2
- Hauptzylinder
- 3.1, 3.2
- Bremskreis
- 4.1, 4.2
- Bremskreis
- 5
- Bremswunscherfassungsvorrichtung
- 6
- Betriebsbremssteuergerät
- 7
- Pedalwegsimulator
- 8
- übergeordnete Fahrzeugsteuerung
- 9
- Hydroaggregat
- 10.1 - 10.3
- CAN-Bus
- 11
- Schnittstellenvorrichtung
- 12
- Hydraulikdruckversorgung
- 13
- Hydraulikpumpe
- 14
- elektrischer Antrieb
- 15
- Hochdruckspeicher
- 16
- Raddruckmodulatoren
- 17.1 - 17.4
- hydraulische Betriebsbremse
- 18.1, 18.2
- Vorderrad
- 19.1, 19.2
- Hinterrad
- 20.1, 20.2
- Trennventil
- 21
- Formgedächtnisaktor
- 22
- Hydraulikdruckerzeuger
- 23
- autarke Energieversorgung
- 24
- Schaltventilanordnung
- 25
- Rückfallebenen-Steuergerät
- 26
- Funktionsprüfsystem
- 27
- Trennmodul
- 28
- redundante Raddruckmodulatoren
- 29
- Hydraulikzylinder
- 30
- Gehäuse
- 31
- Kolben
- 32
- zentrales Führungsrohr
- 33
- Federelement
- 34
- Trockenraum
- 35
- Gehäuse
- 36
- Wärmeisolierung
- 37
- thermisch aktivierbarer Formgedächtnissteller
- 38.1, 38.2
- Formgedächtnisdrahtaufnahme
- 39.1,...,39.n
- Drahtumlenkung
- 39.m
- kolbenseitige Drahtumlenkung
- 40
- erster Drucksensor
- 41
- erster Regler
- 42
- zweiter Regler
- 43
- zweiter Drucksensor
- 44.1, 44.2
- Dichtung
- 45
- Mikrokontroller
- 46
- Temperatursensor
- 47
- Widerstandsensor
- 48
- Hydraulikleitung
- 49
- Überwachungsvorrichtung
- 50
- redundante Bremswunscherfassungsvorrichtung
- 51
- Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter
- As
- initiale Austenittemperaturschwelle
- Af
- finale Austenittemperaturschwelle
- Ms
- initiale Martensittemperaturschwelle
- Mf
- finale Martensittemperaturschwelle
- S
- Spannung
- T
- Temperatur
- D
- relative Dehnung
- H
- Hub
- R
- Innenwiderstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 199929548 A1 [0002]
- DE 10053994 A1 [0002]
- DE 102017003166 A1 [0003]
- EP 1541437 A2 [0003]
- DE 19923689 A1 [0004]
- DE 102016208944 A1 [0006, 0007]
- DE 10010735 A1 [0006]
- DE 10215867 B4 [0008]
