-
Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug aufweisend ein hydraulisches Leitungssystem mit zumindest einem stromlos geschlossenen hydraulischen Ventil, wobei eine Endstufe zur elektrischen Ansteuerung des zumindest einen stromlos geschlossenen hydraulischen Ventils vorgesehen ist.
-
Kraftfahrzeugbremsanlagen weisen typischerweise ein Bremsflüssigkeitsreservoir auf, aus dem zumindest eine Radbremse mittels einer Druckbeaufschlagungseinrichtung zur Bereitstellung eines hydraulischen Drucks, wie beispielsweise einer hydraulischen Pumpe oder einem Linearaktuator, versorgt wird. Das hydraulische Leitungssystem, verbindet dabei zumindest das Bremsflüssigkeitsreservoir, die Radbremsen und die Druckbeaufschlagungseinrichtung. Derartige Bremsanlagen weisen in dem hydraulischen Leitungssystem außerdem eine Vielzahl von hydraulischen Ventilen auf, um den erzeugten Bremsdruck auf die einzelnen Radbremsen zu verteilen und um Assistenz- und Sicherheitsfunktionen umzusetzen. Die hydraulischen Ventile sind dabei je nach Einsatzzweck teils stromlos geöffnet und teils stromlos geschlossen ausgebildet. Stromlos geschlossene Ventile weisen typischerweise eine mechanische Feder auf, welche einen Ventilstößel gegen einen Ventilsitz drückt und das Ventil so geschlossen hält.
-
Wichtige stromlos geschlossene Ventile sind insbesondere die Auslassventile der Radbremsen, welche zum Raddruckabbau, beispielsweise bei einer ABS-Regelung geöffnet werden können. Diese werden bisher mittels einer digitalen Endstufe angesteuert, welche lediglich die beiden Zustände Ventilspannung an und Ventilspannung aus einstellen kann. Im eingeschalteten Zustand stellt sich dabei ein Ventilstrom ein, der von der momentan anliegenden Bordspannung und dem aktuell vorhandenen Widerstand der Ventilsteuerkette und der Spule abhängt. Der Widerstand und der Ventilstrom sind dadurch insbesondere auch temperaturabhängig. Beim Ausschalten des stromlos geschlossenen Ventils wird der Strom auf 0 reduziert. Um einen gewünschten Durchfluss durch das Auslassventil einzustellen, wird dieses gepulst betrieben.
-
Die stromlos geschlossenen Ventile müssen dabei so ausgelegt sein, dass selbst ein grenzlagiges Ventil, bei hohem Druck, welcher bis zu 225 bar betragen kann, einem hohen elektrischen Widerstand aufgrund einer hohen Temperatur und einer besonders niedrigen Bordspannung von bis zu 9V, schalten kann. Dies führt dazu, dass in den allermeisten Fällen, das heißt, bei einem durchschnittlichen Ventil, eher niedrigen bis mittleren hydraulischen Drücken und einer Normalspannung des Bordspannungsnetzes, die Ventile demnach mit einem sehr großen Energieüberschuss eingeschaltet werden, der zu einem deutlich hörbaren Schaltgeräusch führt. Beim Ausschalten des Ventils wird ein Anker des Ventils durch die schließende Federkraft beschleunigt. So entstehen ebenfalls deutlich hörbare Geräuschemissionen durch den ungebremsten Aufprall des Ankers auf den Ventilsitz. Insbesondere bei Onebox-Systemen, bei denen der Hauptbremszylinder in einem einzigen Gehäuse gemeinsam mit den hydraulischen Ventilen angeordnet ist, muss die Bremsanlage direkt hinter der Spritzwand des Fahrzeugs montiert sein. Dadurch kann sich der Körperschall direkt übertragen, sodass das Geräusch vom Fahrer verstärkt wahrgenommen wird. Durch die überschüssige Energie des Ankers tritt außerdem ein erhöhter Verschleiß des hydraulischen Ventils auf.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bremsanlage mit reduzierten Schallemissionen und erhöhter Haltbarkeit anzugeben.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, aufweisend ein hydraulisches Leitungssystem mit zumindest einem stromlos geschlossenen hydraulischen Ventil, wobei eine analog regelbare Endstufe zur elektrischen Ansteuerung des zumindest einen hydraulischen Ventils vorgesehen ist. Zur Ansteuerung der analogen Endstufe ist eine Recheneinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, einen Ventilstrom basierend auf einer Druckdifferenz über das hydraulische Ventil zu bestimmen. Die Endstufe wird entsprechend angesteuert den bestimmten Ventilstrom an dem hydraulischen Ventil zur Verfügung zu stellen. Die Endstufe kann dazu insbesondere stromgeregelt ausgebildet sein.
-
Durch die bedarfsgerechte Ansteuerung des stromlos geschlossenen Ventils wird die überschüssige Energie des Ventilankers reduziert und somit die Aufprallgeschwindigkeit des Ankers auf den Magnetkern minimiert. Damit wird sowohl eine reduzierte Geräuschemission als auch ein verringerter Verschleiß des Ventils erreicht.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit dazu eingerichtet, zum Öffnen des hydraulischen Ventils zumindest aus einer Federkraft des hydraulischen Ventils und der Druckdifferenz über das hydraulische Ventil eine Gegenkraft zu bestimmen. Die Gegenkraft ist die Kraft, welche auf den Anker des hydraulischen Ventils wirkt, wenn kein Strom durch die Spule des Ventils fließt. Aus der Gegenkraft kann die Recheneinheit dann eine Öffnungskraft bestimmt, die um einen vorbestimmten Betrag größer ist als die Gegenkraft und kann weiter aus der Öffnungskraft einen zugehörigen Ventilöffnungsstrom bestimmen. Die Endstufe wird dann beim Einschalten des hydraulischen Ventils durch die Recheneinheit angesteuert, den zugehörigen Ventilöffnungsstrom bereitzustellen. Da durch die Recheneinheit die Gegenkraft für den jeweils aktuellen Zustand des Ventils und der Bremsanlage bestimmt und für die Bestimmung des Ventilstroms herangezogen wird, kann ein bedarfsgerechter Ventilstrom bereitgestellt werden. Es ist somit nicht nötig, das hydraulische Ventil mit einem großen Energieüberschuss zu öffnen, um ein sicheres Öffnen in allen möglichen Situationen zu gewährleisten.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Bremsanlage dazu eingerichtet, zum Schließen des hydraulischen Ventils eine Schließkraft zu bestimmen, die um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als die Gegenkraft. Aus der Schließkraft wird dann ein zugehöriger Ventilschließstrom bestimmt und die Endstufe beim Ausschalten des Ventils angesteuert, den zugehörigen Ventilschließstrom bereitzustellen. So wird auch beim Schließen des hydraulischen Ventils der Energieüberschuss und somit die Geräuschemission reduziert.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Endstufe dazu eingerichtet, Strompulse an dem hydraulischen Ventil zur Verfügung zu stellen, um das Ventil jeweils kurzzeitig zu öffnen, wobei die Strompulse insbesondere eine Länge von 10ms bis 1000ms, bevorzugt 10 bis 100ms aufweisen. Da stromlos geschlossene Ventile in typischer Einbaurichtung, in welcher der Raddruck schließend wirkt, nicht stabil auf einen Zwischenzustand, zwischen einem voll geschlossenen Zustand und einem voll geöffneten Zustand, eingestellt werden können, werden diese gepulst betrieben, um zeitlich gemittelt einen gewünschten Durchfluss zu erreichen. In entgegengesetzter Einbaurichtung, in welcher der Raddruck gegen die schließende Federkraft wirkt, könnten stromlos geschlossene Ventile zwar stabil eingestellt werden, dann müsste jedoch eine sehr starke Feder in dem Ventil verbaut werden, die in allen Grenzlagen gegen den maximalen Raddruck schließt. Dies würde wiederum eine sehr starke Spule erfordern, um das Ventil überhaupt öffnen zu können. Ein solches System wäre daher groß, schwer und teuer. Auch mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung des hydraulischen Ventils mittels einer analogen Endstufe, wird das Ventil daher gepulst betrieben, wobei zwischen dem Ventilöffnungsstrom und dem Ventilschließstrom hin und her geschaltet wird. Alternativ kann zwischen dem Ventilöffnungsstrom und null umgeschaltet werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Länge der Strompulse basierend auf dem Ventilstrom angepasst, sodass insbesondere der Durchfluss durch das Ventil dem Durchfluss bei einem maximalen Ventilstrom entspricht. Somit ist der Durchfluss durch das Ventil identisch wie bei der Ansteuerung mit einer digitalen Endstufe, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, die Geräuschemission ist jedoch deutlich reduziert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das hydraulische Ventil ein Auslassventil einer Radbremse der Bremsanlage. Das Auslassventil der Radbremse wird bei automatischen Assistenzfunktionen, insbesondere bei einer ABS Regelung angesteuert, um den Druck in den Radbremsen abzubauen. Durch die Geräuschreduktion wird es möglich den automatischen Eingriff unbemerkt vom Fahrer des Kraftfahrzeugs umzusetzen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung basiert der vorbestimmte Betrag zumindest auf Ventil- und/oder Spulentoleranzen. Je genauer die Eigenschaften des hydraulischen Ventils bekannt sind, desto kleiner kann der Betrag gewählt werden und somit kann die Geräuschemission weiter reduziert werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das hydraulische Ventil im bestromten Zustand einen Restluftspalt auf. Dazu kann das Ventil beispielsweise eine Distanzscheibe zwischen dem Anker und dem Magnetkern aufweisen. Durch den Restluftspalt wird die elektromagnetische Kraft auf den Anker des hydraulischen Ventils reduziert und somit der Energieüberschuss und die Geräuschemission minimiert.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das hydraulische Ventil in einem Gehäuse mit dem Hauptbremszylinder angeordnet. Die Bremsanlage ist demnach als Onebox-System ausgebildet.
-
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung eines stromlos geschlossenen hydraulischen Ventils in einer Bremsanlage, insbesondere einer vorstehend beschriebenen Bremsanlage, mit den Schritten:
- - Bestimmen eines Ventilstroms basierend auf der Druckdifferenz über das hydraulische Ventil,
- - Bereitstellen des bestimmten Ventilstroms mittels einer analog regelbaren Endstufe.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die folgenden Schritte durchgeführt:
- - Berechnen einer Gegenkraft zumindest aus einer Federkraft des hydraulischen Ventils und der Druckdifferenz über das hydraulische Ventil,
- - Berechnen einer Umschaltkraft aus der Gegenkraft, die um einen vorbestimmten Betrag größer oder kleiner ist als die Gegenkraft,
- - Berechnen des zugehörigen Ventilschaltstroms aus der Umschaltkraft.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch durch die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen. Dabei gehören alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zum Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bremsanlage,
- 2 zeigt schematisch ein Auslassventil der erfindungsgemäßen Bremsanlage der 1,
- 3 zeigt ein Diagramm mit Ventilkräften abhängig von verschiedenen Schaltströmen,
- 4 zeigt ein Diagramm mit Schaltströmen bei der erfindungsgemäßen analogen Ansteuerung der Endstufe, beim Öffnen des Ventils,
- 5 zeigt ein Diagramm mit Schaltströmen bei der erfindungsgemäßen analogen Ansteuerung der Endstufe, beim Schließen des Ventils,
- 6 zeigt ein Diagramm mit Durchflusskurven,
- 7 zeigt ein Diagramm mit Schallemissionen,
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Bremsanlage, in der vier Radbremsen 6, 7, 8, 9 mit einer Bremsflüssigkeit aus einem Bremsflüssigkeitsreservoir 2 versorgt werden. Die Bremsanlage ist als brake-by-wire Anlage ausgebildet. Dazu ist ein Hauptbremszylinder 3 vorgesehen, der über ein geöffnetes Simulatorventil 10 Bremsflüssigkeit in einen Simulator 4 verschiebt. In einem Normalbetrieb ist der Hauptbremszylinder 3 durch ein geschlossenes Hauptzylinderventil 11 von den Radbremsen 6, 7, 8, 9 getrennt. Basierend auf dem Pedalweg und dem Hauptbremszylinderdruck, welcher durch einen Drucksensor 17 bestimmt wird, wird ein Linearaktuator 5 angesteuert. Dieser erzeugt einen hydraulischen Druck, welcher durch ein geöffnetes Versorgungsventil 12 zu den einzelnen Radbremsen 6, 7, 8, 9 geleitet wird. Im Normalbetrieb ist ein Kreistrennventil 13 geöffnet, sodass sowohl die Radbremsen 6, 7 der Vorderachse als auch die Radbremsen 8, 9 der Hinterachse mit den hydraulischen Druck beaufschlagt werden. Jede der Radbremsen 6, 7, 8, 9 ist mit einem Einlassventil 14 und einem Auslassventil 15 ausgestattet. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Auslassventile 15 mit einer analogen Endstufe verbunden sind, sodass diese bedarfsgerecht mit einem variablen Schaltstrom angesteuert werden können.
-
2 zeigt nun beispielhaft ein Auslassventil 15 der erfindungsgemäßen Bremsanlage 1. In dem Auslassventil 15 drückt ein Anker 18 oder Ventilstößel gegen einen Ventilsitz 19, um das Auslassventil hydraulisch zu verschließen. Dabei wird durch eine Feder 20 eine Federkraft auf den Anker 18 ausgeübt, um das Auslassventil 15 im stromlosen Zustand in dem geschlossenen Zustand zu sichern. Der Anker 18 kann sich zum Öffnen des Auslassventils 15 um einen Hub 23 in Richtung eines Magnetkern 21 bewegen. Im vollständig geöffneten Zustand weist das Hydraulikventil 15 noch einen Restluftspalt 22 auf. Hierzu kann beispielsweise eine Distanzscheibe zwischen Magnetkern 21 und Anker 18 vorgesehen sein.
-
Zum Schalten des Auslassventils 15 weist dieses eine elektrische Spule auf, welche durch eine Endstufe mit Strom versorgt wird. Dadurch wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches auf den Anker 18 wirkt und eine elektromagnetische Kraft auf diesen erzeugt. Die Größe der elektromagnetischen Kraft hängt einerseits vom elektrischen Strom durch die Spule des Auslassventils 15 und andererseits vom Abstand der elektrischen Spule mit Magnetkern zum Anker 18 ab.
-
Der Zusammenhang zwischen der Kraft und diesen Größen ist als Kurvenschar 24 in der 3 dargestellt. Die elektromagnetische Kraft nimmt mit steigendem Strom zu und die weiter oben liegenden Kurven stellen demnach die Kräfte bei größeren Strömen dar. Wird das Auslassventil 15 nun, wie im Stand der Technik üblich, digital angesteuert, so wird immer ein maximaler Strom durch die Endstufe zur Verfügung gestellt, welcher als die oberste Kurve in 3 dargestellt ist.
-
Für ein Auslassventil 15 ohne Restluftspalt ergibt sich die elektromagnetische Kraft daher durch den gestrichelt eingezeichneten Kurventeil 26, welcher zwischen einem Luftspalt von 0 und 0,25 mm verläuft. Bei einem mit Restluftspalt 22 ausgebildetem Auslassventil 15 ergibt sich der eingezeichnete Kurventeil 25, welcher aufgrund des größeren Abstands zwischen der magnetfelderzeugenden Spule des Auslassventils 15 und dem Anker 18 bei geringeren Kräften verläuft. Neben den elektromagnetischen Kräften 25, 26 wirkt auch jeweils eine Gegenkraft 27, 28 auf den Anker 18, welche sich hauptsächlich aus der Federkraft der Feder 20 und der Druckdifferenz über das Hydraulikventil 15 ergeben.
-
Die Aufprallenergie beim Einschalten entspricht der Fläche zwischen Magnetkraft und schließender Kraft (Federkraft des Ventils plus Druckkraft) im Kraft-Weg Diagramm. Wird das Auslassventil 15 nun geschaltet, so ergibt sich im Falle ohne Restluftspalt aus dem Integral zwischen den Kurven 26 und 28 die Energie, mit welcher der Ventilstößel 18 auf den Magnetkern 21 prallt. Dies führt neben der hohen Geräuschbelastung auch zu einem hohen Verschleiß. Durch die Ausführung mit Restluftspalt ergibt sich zwar eine etwas geringere Energiemenge, welche sich aus dem Integral zwischen den Kurven 25 und 27 ergibt. Auch diese Energiemenge ist jedoch noch sehr hoch, und führt somit ebenfalls zu einer hohen Geräuschentwicklung und einem starken Verschleiß des Auslassventils 15.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, das Auslassventil 15 mittels einer analogen Endstufe anzusteuern. Dazu wird basierend auf der aktuellen Druckdifferenz über das hydraulische Ventil 15 und der Federkraft des Auslassventils 15 die aktuelle Gegenkraft 27 bestimmt, welche zum Öffnen des Ventils überwunden werden muss. Daraus kann eine Öffnungskraft 29 bestimmt werden, welche um einen vorbestimmten Betrag größer ist als die Gegenkraft 27. Zum Öffnen des Auslassventils 15 wird nun ein Strom bereitgestellt, mit welchem die gewünschte Öffnungskraft 29 erzeugt werden kann. Wie vorstehend erläutert, ergibt sich die überschüssige Energie des Ventilstößels 18 aus dem Integral zwischen den Kurven 29 und 27. Da durch die analoge und somit reduzierte Ansteuerung des Auslassventils 15 die Kurven 29 und 27 wesentlich näher beieinanderliegen als im Falle des digitalen Ansteuerns, ergibt sich ein geringerer Energieüberschuss. Somit kann sowohl die Geräuschentwicklung als auch der Verschleiß des Auslassventils stark reduziert werden.
-
Liegt über dem Auslassventil 15 eine größere Druckdifferenz an, so ergibt sich eine wesentlich größere Gegenkraft 30, welche das hydraulische Ventil im geschlossenen Zustand hält. Würde in diesem Zustand das Ventil ebenfalls mit dem gleichen Ventilstrom versorgt werden wie bei geringerer Druckdifferenz, so würde sich lediglich die elektromagnetische Kraft 29 ergeben, welche nicht ausreichend ist, um das hydraulische Ventil gegen die Gegenkraft 30 zu öffnen. Da der Ventilstrom jedoch bedarfsgerecht basierend auf der Druckdifferenz und damit der aktuellen Gegenkraft 30 gewählt wird, ergibt sich eine Öffnungskraft 31, welche wie im vorherigen Fall um den vorbestimmten Betrag größer ist als die Gegenkraft 30. Das sichere Öffnen des Auslassventils ist somit bei jeder Druckdifferenz sichergestellt.
-
Das Verhalten beim Schließen des Ventils ist nun in 5 dargestellt. Mit der im Stand der Technik vorgesehenen digitalen Endstufe kann beim Schließen des Ventils der Ventilstrom lediglich auf 0 reduziert werden. Entsprechend ergibt sich eine überschüssige Energie des Ankers 18 aus dem Integral der Gegenkraft 27. Auch diese Energie führt zu einer hohen Geschwindigkeit des Ankers 18 und somit zu einer starken Geräuschentwicklung und Verschleiß des Auslassventils 15 beim Auftreffen des Ventilstößels 18 auf dem Ventilsitz 19. Erfindungsgemäß wird nun ein Strom zur Verfügung gestellt, welcher eine elektromagnetische Kraft 32 erzeugt, die um einen vorbestimmten Betrag geringer ist als die Gegenkraft 27. Die überschüssige Energie des Ventilstößel 18 ergibt sich daher nur noch durch das Integral zwischen den Kurven 27 und 32. Somit wird auch beim Schließen sowohl die Geräuschentwicklung als auch der Verschleiß das Auslassventils 15 reduziert.
-
Das Auslassventil 15 wird typischerweise mittels aufeinanderfolgender Strompulse angesteuert, welche das Auslassventil 15 mehrmals hintereinander kurzzeitig öffnen und wieder schließen. Der Durchfluss 33 durch das hydraulische Ventil bei einem Strompuls hängt einerseits von der Länge des Pulses aber insbesondere auch von der Druckdifferenz über das Hydraulikventil und dem Ventilstrom während des Pulses ab. In 6 ist eine Kurvenschar dargestellt, welche für verschiedene Ventilströme den Zusammenhang zwischen der Druckdifferenz über das hydraulische Ventil und den sich bei einer festen Pulslänge einstellenden Durchfluss 33 zeigt. Es ist dabei zu erkennen, dass die Kurven im oberen Bereich eng beieinander liegen. Entsprechend ergibt sich bei einer geringfügigen Stromreduktion des Ventilstroms zur Geräuschminimierung, wie er erfindungsgemäß vorgesehen ist, nur ein leicht verminderter Durchfluss. Dieser kann über eine etwas längere Pulsdauer ausgeglichen werden.
-
Wie in 7 dargestellt, lässt sich die Geräuschentwicklung beim Schalten des Auslassventils 15 durch das erfindungsgemäße Verfahren stark reduzieren. Die Kurve 35 zeigt Messungen des Körperschalls für verschiedene Raddrücke für ein hydraulisches Ventil ohne Restluftspalt, welches digital angesteuert wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Die Verwendung eines hydraulischen Ventils mit Restluftspalt führt bereits zu einer starken Reduktion der Geräuschentwicklung. Bei einer digitalen Ansteuerung eines solchen Ventils ergibt sich der in der Kurve 36 dargestellte Körperschall. Durch das erfindungsgemäße analoge Ansteuern des Auslassventils 15 mit einem bedarfsgerechten Ventilstrom führt zu einer drastischen Reduktion der Geräuschentwicklung, die in der Kurve 37 dargestellt ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bremsanlage
- 2
- Bremsflüssigkeitsreservoir
- 3
- Hauptbremszylinder
- 4
- Simulator
- 5
- Linearaktuator
- 6
- Radbremse
- 7
- Radbremse
- 8
- Radbremse
- 9
- Radbremse
- 10
- Simulatorventil
- 11
- Hauptzylinderventil
- 12
- Versorgungsventil
- 13
- Kreistrennventil
- 14
- Einlassventil
- 15
- Auslassventil
- 16
- Systemdrucksensor
- 17
- Hauptzylinderdrucksensor
- 18
- Ventilstößel
- 19
- Ventilsitz
- 20
- Ventilfeder
- 21
- Magnetkern
- 22
- Restluftspalt
- 23
- Hub
- 24
- Kraftkennlinien
- 25
- Öffnungskraft mit Luftspalt digitales Schalten
- 26
- Öffnungskraft ohne Luftspalt digitales Schalten
- 27
- Erste Gegenkraft
- 28
- Zweite Gegenkraft
- 29
- Erste Öffnungskraft analoges Schalten
- 30
- Dritte Gegenkraft
- 31
- Dritte Öffnungskraft analoges Schalten
- 32
- Erste Schließkraft analoges Schalten
- 33
- Durchflusskurven
- 34
- Stromkennlinie
- 35
- Schallkurve digitales Schalten
- 36
- Schallkurve Restluftspalt
- 37
- Schallkurve Restluftspalt analoges Schalten