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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist die
DE 197 81 694 T5 bekannt. Diese Schrift beschreibt ein Fahrzeugbremssystem mit einer Bremseinrichtung zum Bereitstellen einer Bremskraft an zumindest einem Rad zum Abbremsen des Fahrzeugs und einen betriebsmäßig mit der Bremseinrichtung gekoppelten volumenvariablen Aktuator, in dem ein Ausdehnungsmaterial enthalten ist, das als Reaktion auf eine Änderung eines von Umweltbedingungen kontrollierten Parameters im Volumen zunimmt.
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Aus dem Stand der Technik ist die
DE 40 19 347 A1 bekannt. Diese Schrift beschreibt eine blockiergeschützte, hydraulische Bremsanlage mit einer Feder aus einer Formgedächtnislegierung.
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Aktuelle Architekturen für Bremssysteme für Fahrzeuge mit Fahrer verfügen über mehrere unabhängig voneinander betreibbare Bremssysteme, um auch bei Ausfall eines Bremssystems noch sicher Bremsungen realisieren zu können. Üblicherweise ist auch eine separate Parkbremse vorhanden, die entweder als rein mechanische oder elektromechanische Arretierung implementiert ist.
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Hiervon ausgehend soll ein verbessertes Bremssystem beschrieben werden. Insbesondere soll ein kostengünstiges Bremssystem beschrieben werden, das hohe Anforderungen bezüglich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit erfüllt.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier beschrieben wird ein Bremssystem für ein (Kraft-) Fahrzeug aufweisend mindestens einen Primäraktor zur Durchführen von regulären Bremsungen während des regulären Betriebs (des Fahrzeugs) und mindestens einen Sekundäraktor zur Durchführung von außerordentlichen Bremsungen bei unerwarteten Betriebszuständen (des Fahrzeugs), wobei der Sekundäraktor ein Verformungselement aus Formgedächtnismaterial aufweist, welches dazu eingerichtet ist, die Wirkung des Formgedächtniseffektes zur Verrichtung von Bremsarbeit zu nutzen, wobei das Verformungselement (5) dazu eingerichtet ist, die Wirkung des Formgedächtniseffektes zur Verrichtung von Volumenarbeit in einem Volumen (6) eines mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Behälters (7) zu verrichten, sodass die Hydraulikflüssigkeit in dem Behälter (7) bedruckt und ein Bremsdruck aufgebaut werden kann, wobei das Vorformungselement (5) dazu eingerichtet ist, eine radiale Kontraktion des Behälters (7) zu bewirken.
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Ein Aktor mit einem Verformungselement aus Formgedächtnismaterial kann auch als SMA-Aktor (SMA = Shape Memory Alloys) bezeichnet werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sekundäraktor um einen solchen SMA-Aktor. SMA-Aktoren werden heutzutage industriell und in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt, zum Beispiel als Türschließelement, als Ventil-Aktor im Automotive-Bereich oder zur Bildstabilisierung bei Mobiltelefonen. Als Shape Memory Alloy (SMA) bzw. Formgedächtnislegierung bezeichnet man Metalle, die sich an eine einmal eingeprägte Form immer wieder „erinnern“ können, auch wenn sie plastisch verformt werden. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass diese nach einer plastischen Verformung selbsttätig zu ihrer Ausgangsform zurückkehren bzw. sich zurückformen.
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Das Formgedächtnismaterial besteht vorzugsweise aus einer (Formgedächtnis-) Legierung, in der je nach Temperatur entweder die Phase Martensit oder die Phase Austenit die Stabilere ist. Dabei ist Martensit die Niedrig- und Austenit die stabile Hochtemperaturphase. Ein Phasenübergang ist dementsprechend durch Temperaturerhöhung bzw. -verringerung möglich. Der Übergang kann im Bereich von wenigen Grad Celsius (°C) bis zu mehreren 10°C variiert werden. Wird in der Austenitphase eine Verformung durchgeführt und das Material danach in die Martensitphase überführt, ist die Form „gespeichert“. Das Material lässt sich dann im Temperaturbereich des Martensits stark verformen; eine Erwärmung und die damit einhergehende Rückführung in die Austenitphase stellt die eingeprägte Form wieder her. Liegt das Material bei Umgebungstemperatur in der Austenitphase vor, ist es in der Regel zusätzlich superelastisch, d.h. es erlaubt eine reversible Formänderung, die deutlich über die gewöhnliche Elastizität von Metallen hinausgeht. Das liegt daran, dass eine durch Krafteinwirkung induzierte reversible Phasenumwandlung stattfindet, die sich umkehrt, sobald die Kraft nachlässt.
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Besonders bevorzugt ist, wenn der Sekundäraktor eine Parkbremse ist, welche dazu dient, das Fahrzeug sicher in einem Stillstand zu halten. Die Parkbremse kann zum Beispiel von einem Fahrer betätigt und wieder gelöst werden. Bei einem automatisiert oder autonom betreibbaren Fahrzeug kann vorgesehen sein, dass die Parkbremse von einem elektronischen Steuergerät des Fahrzeugs, insbesondere nach einem Erfassen einer Parksituation durch das Steuergerät, betätigt wird. Wenn anschließend von dem Steuergerät erfasst wird, dass die Parksituation beendet werden soll oder bereits beendet wurde, kann das Steuergerät die Parkbremse wieder lösen. Die Parkbremse kann sich insbesondere auch dadurch auszeichnen (und gegenüber einer Notbremse abgrenzen), dass sie dazu geeignet ist während des Betriebs bzw. der Lebensdauer des Fahrzeugs mehrmalig aktiviert zu werden.
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Außerdem bevorzug ist, wenn der Sekundäraktor eine Notbremse ist, mit der eine Notbremsung in einer Notfallsituation ausgelöst werden kann. Eine Notfallsituation kann beispielsweise sein, dass ein oder mehrere Systeme des Fahrzeugs, wie insbesondere ein oder mehrere Energieversorgungssysteme (zum Beispiel: Hydrauliksystem und/oder Batteriesystem) und/oder ein oder mehrere Steuersysteme des Fahrzeugs ausfallen. Bei Ausfall des Hydrauliksystems kann sich die Notfallsituation beispielsweise dadurch ergeben, dass nicht mehr genügend Bremskraft erzeugt werden kann. Bei Ausfall des Elektroniksystems kann sich die Notfallsituation beispielsweise dadurch ergeben, dass der Bremsaktor nicht mehr angesteuert werden kann. In diesem Zusammenhang kann der Sekundäraktor vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass er automatisch eine Notbremsung auslöst, wenn ein oder mehrere Systeme (Energieversorgungssystem und/oder Steuersystem) des Fahrzeugs ausgefallen sind.
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Sowohl bei einer Parkbremse als auch bei einer Notbremse bestehen gegenüber einer regulären Bremse andere Anforderungen. Eine Notbremse muss beispielsweise nur sehr selten (in Notsituationen) betätigt werden. Eine Parkbremse hingegen kann gegebenenfalls auch verzögert reagieren, weil die Zeitspanne bis das Fahrzeug durch die Parkbremse in seiner Position gehalten wird für den Betrieb einer Parkbremse normalerweise keine sehr kritische Größe ist.
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Wie oben erklärt, basiert ein SMA-Aktor grundsätzlich auf einem thermischen Antrieb. Aus dem Prinzip ergeben sich gewisse Nachteile, wie geringerer Wirkungsgrad oder reduzierte Dynamik bei der Abkühlung (Ausdehnung). Allerdings stehen die Anforderungen Dynamik und Wirkungsgrad nicht im Vordergrund der Anwendung als Not- und/oder Parkbremse. Die Notbremse wird äußerst selten betätigt und erfordert insbesondere nur eine hohe Schließdynamik. Der Wirkungsgrad bei einmaliger Aktivierung ist irrelevant, eine schnelle Erwärmung des Materials ist möglich. Bei der Anwendung als Parkbremse ist die Anforderung an die Dynamik nicht besonders hoch. Die Aktivierung ist, verglichen mit anderen Bremsfunktionen wie CDD oder ABS, nicht so häufig bzw. lang. Deswegen ist der geringe Wirkungsgrad auch bei dieser Anwendung nicht entscheidend.
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Bevorzugt ist das Formgedächtnismaterial mit einer Legierung gebildet, welche Nickel und wahlweise mindestens eine der folgenden Gruppen von Metallen umfasst:
- - Titan und Zirkonium, oder
- - Aluminium, Mangan und Eisen.
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Für den Sekundäraktor des Bremssystems besonders geeignet sind insbesondere solche Formgedächtnismaterialien bzw. -legierungen, deren Phasenumwandlung bei einer Temperatur stattfindet oder unmittelbar abgeschlossen ist, die deutlich über der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur der Anwendung liegt.
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Weiterhin bevorzugt ist das Formgedächtnismaterial mit einer Legierung gebildet, welche zumindest zu 99 Gewichtsprozent aus Nickel und Titan besteht.
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Als Formgedächtnismaterial kann zum Beispiel NiTi (auch Nitinol genannt) eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch andere Formgedächtnislegierungen einsetzbar. Die Wahl der Formgedächtnislegierung wird insbesondere durch die maximal zulässige Umgebungstemperatur der Anwendung bestimmt. Der Temperaturwert, bei dem die vollständige Phasenumwandlung der Formgedächtnislegierung erreicht wird, muss mindestens 10°C unterhalb der für die Anwendung maximal zulässigen Temperatur liegen. Eine Übersicht besonders vorteilhafter Formgedächtnislegierungen ist in nachfolgender Tabelle 1 angegeben:
| | NiTi | CuZnAI | CuAlNi |
| Umwandlungstemp. in °C | -50-100 | -100-100 | 80 - 200 |
| Max. Einwegeeffekt in % | 8 | 5 | 5 |
| Probleme | schlechte Zerspanbarkeit, teuer | Entmischungsneigun g, Grobkornbildung | schlecht kaltumformbar |
| Vorteil | Größter Form gedächtn iseffekt, beste Stabilität, korrosionsbeständ ig | Kostengünstig und leicht umformbar | kostengünstig |
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Für Anwendungen, in denen sehr hohe Umgebungstemperaturen auftreten, sind die in nachfolgender Tabelle 2 angegebenen Formgedächtnislegierungen mit hohen Phasenumwandlungstemperaturen besonders geeignet:
| | Mf In °C | Ms In °C | As In °C | Af In °C | Referenz |
| TI33NI47 Zr20 | 205 | 275 | 265 | 330 | i |
| Ti5oNi2oPt3o | 537 | 619 | 626 | 702 | ii |
| Ti50Ni5Pd45 | 467 | 486 | 503 | 509 | ii |
| Ni54Mn23 C04Ga19 | 395 | 415 | 452 | 485 | iii |
| Ni56Mn23Cu2Ga19 | 457 | 479 | 517 | 550 | iv |
| Ni60A119Mn16Fe5 | 326 | | | 503 | v |
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Hierbei steht As für die „Austenitic start temperature at zero stress“, Af für die „Austenitic finish temperature at zero stress“, Ms: für die „Martensitic start temperature at zero stress“ und Mf für die „Martensitic finish temperature at zero stress“.
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Von diesen Formgedächtnislegierungen sind aus Kostensicht, diejenigen wirtschaftlich besonders interessant, die aus kostengünstigen Legierungselementen bestehen. Von den in Tabelle 2 gezeigten Formgedächtnislegierungen sind die folgenden wirtschaftlich besonders interessant: Ti33Ni47Zr2o, Ni6oAI19Mn16Fe5
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Grundsätzlich sind alle (insbesondere die vorgenannten) Formgedächtnislegierungen für das Verformungselement geeignet. Es ist jedoch vorteilhaft, möglichst kein Nitinol (NiTi) für das Verformungselement zu benutzen, wenn der Sekundäraktor als Notbremse verwendet werden soll. Dies insbesondere deshalb, weil Nitinol nur für geringe Zyklenzahlen (10 - 1000) eingesetzt werden sollte. Demgegenüber ist Nitinol besonders vorteilhaft, wenn der Sekundäraktor als Parkbremse verwendet werden soll. Mit Nitinol können in diesem Zusammenhang bis zu 1.000.000 Zyklen realisiert werden bei geringer Kontraktion < 1,5%.
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Nach erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verformungselement dazu eingerichtet ist, die Wirkung des Formgedächtniseffektes zur Verrichtung von Volumenarbeit in einem Volumen eines mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Behälters zu verrichten, so dass die Hydraulikflüssigkeit in dem Behälter bedruckt und (dadurch) ein Bremsdruck aufgebaut werden kann. In diesem Zusammenhang ist es vorgesehen, dass das Vorformungselement dazu eingerichtet ist, eine radiale Kontraktion des Behälters zu bewirken.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass sowohl der Primäraktor als auch der Sekundäraktor auf ein gemeinsames Hydrauliksystem wirken, welches dazu eingerichtet ist, eine erzeugte Bremskraft auf Bremsbacken des Fahrzeuges zu übertragen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verformungselement so angeordnet ist, dass es mindestens eine Bremsbacke durch die Nutzung des Formgedächtniseffektes unmittelbar bewegen kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Bremssystem weiterhin eine vorgespannte Feder umfasst, die zur Verrichtung von Bremsarbeit mit dem Verformungselement zusammenwirkt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein elektrisches Heizelement an dem Verformungselement angeordnet ist, um durch eine thermische Wirkung den Formgedächtniseffekt hervorzurufen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
- 1a-e: Beispiele für Bremssystem-Architekturen, und
- 2a-d: Beispiele für den Aufbau des hier beschriebenen Bremssystems.
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Die 1a bis 1e zeigen schematisch Beispiele für Bremssystem-Architekturen, in denen ein hier beschriebenes Bremssystem verwendet werden kann. Dabei deuten gestrichelte Linien optionale Elemente an. So kann in den 1c bis 1e das Fahrzeug beispielsweise auch automatisiert oder autonom betrieben werden, so dass ein Eingreifen des Fahrers 11 optional ist.
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In den gezeigten Bremssystem-Architekturen wirken ein primäres Bremssystem 3 und ein sekundäres Bremssystem 4 auf ein Rad 12 ein. Gegebenen falls kann der Fahrer 11 auf das primäres Bremssystem 3 einwirken. Das primäre Bremssystem 3 und das sekundäre Bremssystem 4 können über ein Bordnetz 13 mit Energie (Hydraulikdruck, Strom, etc.) versorgt werden. Es kann vorgesehen sein, dass das primäre Bremssystem 3 redundant ist (vgl. 1a, 1c und 1d). Dabei kann eine Serienschaltung (vgl. 1a und 1c) oder eine Parallelschaltung (vgl. 1d) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Bordnetz redundant ist (vgl. 1c und 1d). Zudem kann wie in 1e angedeutet für das sekundäre Bremssystem 4 auch eine eigene Energiequelle 14 vorgesehen sein.
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Die 1a bis 1e dienen der Veranschaulichung, dass die Vorteile des hier beschriebenen Sekundäraktors, der ein Verformungselement aus Formgedächtnismaterial aufweist (SMA- Aktors), in verschiedenen gegenwärtigen und zukünftigen Bremssystem-Architekturen bei verschiedenen Sicherheitslevel (mit oder ohne Fahrer) insbesondere in Form einer Notbremse oder Not- und Parkbremse genutzt werden können. Daraus ergeben sich verschiedene mögliche Ausführungsformen, die sich durch ihre Komplexität und entsprechende Regelbarkeit unterscheiden können.
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Die 2a bis 2d zeigen Beispiele für den Aufbau des hier beschriebenen Bremssystems für ein Fahrzeug. Das Bremssystem weist mindestens einen Primäraktor 3 zur Durchführung von regulären Bremsungen während des regulären Betriebs und mindestens einen Sekundäraktor 4 zur Durchführung von außerordentlichen Bremsungen bei unerwarteten Betriebszuständen auf. Der Sekundäraktor 4 weist ein Verformungselement 5 aus Formgedächtnismaterial auf. Das Verformungselement 5 ist dazu eingerichtet, die Wirkung des Formgedächtniseffektes zur Verrichtung von Bremsarbeit zu nutzen.
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Der Sekundäraktor 4 kann dabei eine Parkbremse sein, welche dazu dient, das Fahrzeug sicher in einem Stillstand zu halten. Alternativ oder zusätzlich kann der Sekundäraktor 4 dabei eine Notbremse sein, mit der eine Notbremsung in einer Notfallsituation ausgelöst werden kann.
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Das Formgedächtnismaterial ist beispielhaft mit einer Legierung gebildet, welche Nickel und wahlweise mindestens eine der folgenden Gruppen von Metallen umfasst:
- - Titan und Zirkonium, oder
- - Aluminium, Mangan und Eisen.
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Weiterhin ist das Formgedächtnismaterial hier beispielhaft mit einer Legierung gebildet, welche zumindest zu 99 Gewichtsprozent aus Nickel und Titan besteht. Ein Beispiel hierfür ist die Legierung Nitinol.
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In den gezeigten Beispielen ist jeweils ein elektrisches Heizelement 16 an dem Verformungselement 5 angeordnet, um durch eine thermische Wirkung den Formgedächtniseffekt hervorzurufen. So kann am Beispiel gemäß 2a gezeigt werden, dass ein Verkürzen der stabförmigen Verformungselemente 5 (hier beispielhaft ausgeführt als SMA-Drähte) zu einer Bewegung der Bremsbacke 9 hin zu dem Rad 12 und somit zu einer Bremswirkung führt. Dies stellt auch ein Beispiel dafür dar, dass und wie das Verformungselement 5 so angeordnet sein kann, dass es mindestens eine Bremsbacke 9 durch die Nutzung des Formgedächtniseffektes unmittelbar bewegen kann.
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Alternativ oder kumulativ zu dem Heizelement 16 kann eine (aktive) Kühlung des Verformungselements 5 vorgesehen sein, um dieses durch eine thermische Wirkung in seiner Form zu verändern, insbesondere in eine expandierte Form zu bringen und/oder darin zu halten. Dabei kann beispielsweise ein Beenden der Kühlung, etwa durch Ausfall der Energieversorgung der Kühlung zu einer Erwärmung des Verformungselements 5 und infolgedessen zu einer Bremswirkung (Notbremsung) führen.
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2b zeigt ein Beispiel dafür, dass und wie das Verformungselement 5 dazu eingerichtet sein kann, die Wirkung des Formgedächtniseffektes zur Verrichtung von Volumenarbeit in einem Volumen 6 eines mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Behälters 7 zu verrichten, sodass die Hydraulikflüssigkeit in dem Behälter 7 bedruckt und ein Bremsdruck aufgebaut werden kann. In diesem Zusammenhang kann das Vorformungselement 5 weiterhin dazu eingerichtet sein, eine radiale Kontraktion des Behälters 7 zu bewirken, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist.
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Weiterhin können sowohl der Primäraktor 3 als auch der Sekundäraktor 4 auf ein gemeinsames Hydrauliksystem 8 wirken, welches dazu eingerichtet ist, eine erzeugte Bremskraft auf Bremsbacken 9 des Fahrzeuges zu übertragen. Das Hydrauliksystem 8 kann über ein Ventil 17 mit einem Reservoir 15 mit Hydraulikflüssigkeit verbunden werden (vgl. 2c).
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In 2d ist ein Beispiel dafür gezeigt, dass und wie das Bremssystem weiterhin eine vorgespannte Feder 10 umfassen kann, die zur Verrichtung von Bremsarbeit mit dem Verformungselement 5 zusammenwirkt. In diesem Zusammenhang kann auch ein weiteres Ventil 17 vorgesehen sein, welches mit der Feder 10 und dem Verformungselement 5 zur Steuerung oder Regelung der Bremsarbeit zusammenwirkt.
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Somit kann ein vorteilhaft kostengünstiges Bremssystem angegeben werden, bei dem insbesondere ein einfacher, kleiner und billiger SMA-Aktuator (Shape Memory Alloy) als beispielsweise Park- und/oder Notbremse eingesetzt werden kann. Dieser Aktuator basiert auf einem einfachen und direkten physikalischen Prinzip, besitzt eine niedrige Anzahl an Komponenten und weist somit eine geringe Komplexität auf. Durch diesen Aktuator bieten sich insbesondere einer oder mehrere der folgenden Vorteile gegenüber aktuellen Systemen:
- • Aktuator basiert auf einem einfachen physikalischen Prinzip (Materialschrumpfen bei Erwärmung) und bietet somit die Möglichkeit für eine billige, einfache und kleine Komponente sowie Gesamtsystem.
- • Aktuator bietet eine zweite, günstige Rückfallebene wodurch die bestehenden Rückfallebenen, mechanische sowie elektrische, einfacher und günstiger ausgelegt werden können.
- • Aktor bietet im Notfall eine Bremsverstärkungsfunktion insbesondere bei einer Bremsung durch einen Fahrer (z.B. „one-box“ System). Somit ist eine höhere Fahrzeugverzögerung möglich.
- • Aktor bietet die Möglichkeit einer günstigen Bremse mit Park- und Notbremsfunktion in einem.
- • Aktor bietet aufgrund seiner kompakten Größe, niedrigem Gewicht, Einfachheit und geringer Kosten die Möglichkeit Rad-individuell platziert (dezentral) und aktiviert zu werden. Somit ist im Notfall/ bei der Notbremsung eine Rad-individuelle Bremsregelung möglich. Eine zentrale Anordnung ist je nach Ausführungsform ebenfalls möglich.
