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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbremse sowie eine Fahrzeugbremse zur Ausführung eines solchen Verfahrens. Fahrzeugbremsen werden typischerweise in Kraftfahrzeugen verwendet, um diese gezielt zu verzögern. Fahrzeugbremsen basieren typischerweise auf dem Prinzip, dass Reibung erzeugt wird und dadurch kinetische Energie des Fahrzeugs in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme kann typischerweise nicht unmittelbar an eine Umgebung des Kraftfahrzeugs abgegeben werden, sondern wird zunächst von einer Wärmesenke der Fahrzeugbremse aufgenommen. Aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dieser Wärmesenke und der Umgebung wird die Temperatur dann letztlich an die Umgebung abgegeben. Bei einer solchen Wärmesenke kann es sich beispielsweise um eine Bremsscheibe oder um eine Bremstrommel handeln.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbremse vorzusehen, welches im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, eine zugehörige Fahrzeugbremse vorzusehen. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Fahrzeugbremse gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugbremse. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- - Ermitteln einer aktuellen Temperatur einer Wärmesenke der Fahrzeugbremse,
- - Berechnen einer aktuellen Sicherheitstemperatur,
- - Vergleichen der Temperatur mit der Sicherheitstemperatur, und,
- - wenn die Temperatur mindestens so groß ist wie die Sicherheitstemperatur, Vorgeben mindestens eines Fahrtparameters.
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Durch dieses Verfahren kann in vorteilhafter Weise auf eine Temperatur der Fahrzeugbremse reagiert werden. Insbesondere kann eine Sicherheitstemperatur aktuell berechnet werden, wobei davon ausgegangen werden kann, dass ein Betrieb der Fahrzeugbremse bei einer Temperatur der Wärmesenke unterhalb der Sicherheitstemperatur grundsätzlich gefahrlos möglich ist. Übersteigt die Temperatur jedoch die Sicherheitstemperatur, kann ein Fahrtparameter vorgegeben werden und somit dafür gesorgt werden, dass Bremseingriffe, welche zu einer zu starken thermischen Belastung führen würden, vermieden oder deren Wahrscheinlichkeit zumindest verringert wird.
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Bei der Fahrzeugbremse kann es sich beispielsweise um eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse handeln. Sie kann beispielsweise elektrisch oder hydraulisch betätigt werden. Bei der Wärmesenke kann es sich beispielsweise um eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel handeln. Die Sicherheitstemperatur ist insbesondere auf die Wärmesenke bezogen, d.h. bei einem Betrieb der Fahrzeugbremse mit einer Temperatur der Wärmesenke unterhalb der Sicherheitstemperatur kann von einem grundsätzlich sicheren Betrieb ausgegangen werden. Die Temperatur kann beispielsweise basierend auf Modellen berechnet werden, worauf weiter unten näher eingegangen wird. Die Sicherheitstemperatur kann beispielsweise in vorgegebenen Zeitabständen oder bei vorgegebenen Ereignissen neu berechnet werden. Ebenso kann die Temperatur in vorgegebenen Zeitabständen oder bei vorgegebenen Ereignissen neu ermittelt werden.
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Das Berechnen einer Sicherheitstemperatur kann beispielsweise folgende Schritte aufweisen:
- - Ermitteln einer Sicherheitsspanne, und
- - Berechnen der Sicherheitstemperatur durch Abziehen der Sicherheitsspanne von einer Maximaltemperatur.
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Dadurch kann eine Maximaltemperatur vorgegeben werden, welche insbesondere für eine bestimmte Anordnung, beispielsweise eine bestimmte Materialpaarung oder bestimmte Materialien, vorgegeben werden kann. Die Sicherheitsspanne kann dagegen aktuell berechnet werden, beispielsweise basierend auf aktuellen Betriebsdaten. Die erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Berechnen der Sicherheitstemperatur.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere basierend auf einer aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit berechnet werden. Dadurch kann die Fahrzeuggeschwindigkeit, welche einen Einfluss auf eine maximal zu erwartende Temperaturerhöhung bei Bremsvorgängen hat, berücksichtigt werden.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere zumindest basierend auf Geodaten einer elektronischen Karte und/oder einer prädizierten Trajektorie berechnet werden. Eine elektronische Karte kann beispielsweise in dem Kraftfahrzeug eingespeichert sein und kann beispielsweise zusammen mit einem Satellitennavigationssystem einen Hinweis darauf geben, welches Gelände bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs zu erwarten ist. Dadurch können beispielsweise Steigungen oder Gefällstrecken vorausgesehen werden. Steigungen und Gefällstrecken können insbesondere bei der Berechnung der Sicherheitstemperatur und/oder der Sicherheitsspanne berücksichtigt werden. Eine prädizierte Trajektorie kann beispielsweise eine vermutete Fahrtstrecke des Kraftfahrzeugs sein, welche beispielsweise auch im Rahmen von anderen Fahrassistenzfunktionen oder Fahrdynamikfunktionen berechnet wird.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere zumindest basierend auf einer Prädiktion mehrerer Bremsungen berechnet werden. Insbesondere kann eine Bremsung berücksichtigt werden, welche das Kraftfahrzeug mit einer Maximalverzögerung zum Stillstand bringt. Es kann auch basierend auf zurückliegenden oder prädizierten Bewegungsdaten vorausberechnet werden, welche Bremsungen in Zukunft zu erwarten sind.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere zumindest basierend auf einer Prädiktion eines kontinuierlichen Bremseingriffs berechnet werden. Dadurch kann ein kontinuierlicher Bremseingriff vorausgesehen werden, welcher beispielsweise beim Herabfahren von Gefällstrecken für einen längeren Zeitraum, jedoch typischerweise nicht mit besonders hoher Bremskraft aufrechterhalten wird.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere basierend auf zwei oder mehr Prädiktionen berechnet werden. Die niedrigste berechnete Sicherheitstemperatur oder die höchste berechnete Sicherheitsspanne können dabei insbesondere verwendet werden. Dadurch können mehrere Prädiktionen verwendet werden und es kann dasjenige Ergebnis verwendet werden, welches die höchste Sicherheit bietet.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere basierend auf einem oder mehreren der folgenden Parameter berechnet werden:
- - Reibbelagverschleißzustand,
- - Temperaturhistorie,
- - Eigenschaften eines Belagmaterials,
- - Verschleiß an der Wärmesenke.
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Dadurch können zusätzliche Parameter verwendet werden. Ein Reibbelagverschleißzustand kann sich beispielsweise auf einen Bremsbelag beziehen und dessen Verschleiß charakterisieren. Eine Temperaturhistorie kann beispielsweise für einen zurückliegenden Zeitraum betrachtet werden. Bei einem Belagmaterial kann beispielsweise die Art des Materials sowie das Alter des Materials betrachtet werden. Ein Verschleiß an der Wärmesenke kann beispielsweise einen Verschleiß, also eine Abnutzung, an dieser Wärmesenke charakterisieren.
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Die Sicherheitstemperatur oder die Sicherheitsspanne können insbesondere zumindest basierend auf einer maximalen Energieaufnahme eines Antriebsstrangs berechnet werden. Insbesondere kann dabei eine eventuell verwendete Rekuperation und/oder eine Energiedissipation berücksichtigt werden. Dadurch kann eventuell die Sicherheitstemperatur erhöht werden, d.h. es kann eine höhere Temperatur akzeptiert werden, weil beispielsweise davon ausgegangen werden kann, dass aufgrund von verwendeter Rekuperation eine gewisse Bremsleistung erreicht werden kann, welche die Fahrzeugbremse nicht aufzunehmen braucht.
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Der Fahrtparameter kann beispielsweise eine maximale Geschwindigkeit sein. Mit anderen Worten kann also eine maximale Geschwindigkeit vorgegeben werden, so dass das Fahrzeug nur noch diese maximale Geschwindigkeit erreichen kann und beispielsweise bei drohender Überschreitung dieser Geschwindigkeit automatisch abgeriegelt wird. Dadurch kann die maximal zu erwartende Bremsleitung begrenzt werden. Die maximale Geschwindigkeit kann insbesondere davon abhängig sein, um welchen Wert die Temperatur die Sicherheitstemperatur überschreitet.
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Der Fahrtparameter kann auch das Ausgeben einer Warnung an einen Fahrer sein. Diese weist den Fahrer darauf hin, dass er beispielsweise eine Fahrweise anpassen soll, die Bremse abkühlen lassen soll oder eine Werkstatt aufsuchen soll.
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Die Wärmesenke kann beispielsweise eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel sein. Auch andere Wärmesenken können jedoch grundsätzlich verwendet werden.
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Die Temperatur kann insbesondere mittels eines Temperaturmodells ermittelt werden. Das Temperaturmodell kann beispielsweise in einer geeigneten Steuerungsvorrichtung implementiert sein, welche das Verfahren ausführt. Auf eine direkte Messung der Temperatur kann dadurch verzichtet werden. Grundsätzlich ist jedoch alternativ auch eine Messung der Temperatur möglich, beispielsweise mittels einer berührungslosen Temperaturmessung.
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Das Temperaturmodell kann insbesondere auf einem, mehreren oder allen der folgenden Parameter basieren:
- - Fahrzeugmasse,
- - Abkühlkennwerte,
- - Reibwerte, insbesondere betreffend eine in der Fahrzeugbremse wirkende Friktion,
- - Historie von Verzögerungen,
- - Wetterdaten,
- - Fahrzeuggeschwindigkeit,
- - Umgebungstemperatur,
- - Fahrzeugmasse,
- - Beladungszustand.
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Diese Parameter können beliebig untereinander kombiniert und entsprechend verwendet werden. Auch andere, nicht genannte Parameter können verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Fahrzeugbremse mit einer Wärmesenke und einer Steuerungsvorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, ein hierin beschriebenes Verfahren auszuführen. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung ein Prozessor das hierin beschriebene Verfahren ausführt. Bezüglich des Verfahrens kann dabei insbesondere auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.
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Die Bremse kann insbesondere eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse sein. Sie kann insbesondere elektrisch oder hydraulisch betätigt werden.
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Insbesondere kann die Bremse eine Bremsscheibe aus Aluminium aufweisen, was ein relativ neues Material im Bremsenbau darstellt. Bei diesem ist die Temperaturüberwachung typischerweise kritischer als bei bislang verwendeten Materialien, da bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 400 °C von einem signifikanten Fehlverhalten auszugehen ist.
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Das hierin beschriebene Verfahren kann insbesondere in einer elektronischen Steuerungsvorrichtung oder einer anderen elektronischen Einheit ausgeführt werden. Insbesondere kann es automatisiert ohne manuellen Eingriff ausgeführt werden.
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Mit anderen Worten können insbesondere bei Überschreitung von kritischen Temperaturen im Friktionsbremssystem ungewünschte Eigenschaften oder Folgen auftreten, die zum Beispiel Versagen des Bremssystems sind oder Überschreiten von kritischen Temperaturen, die einen wesentlichen Einfluss auf Partikelemissionen haben und somit Partikelemissionsgrenzen überschreiten würden. Auftreten kann beispielsweise ein Versagen des Bremssystems durch Übertemperatur oder auch das Überschreiten von Partikelemissionsgrenzen durch Übertemperatur. Bremssysteme sind von den Materialpaarungen oder der Auslegung her typischerweise so gewählt und dimensioniert, dass ein Eingriff in das Antriebsmanagement typischerweise vermieden wird. Wünschenswert wäre es, neue Materialpaarungen in Reibungsbremsen zu ermöglichen und Partikelemissionen in Bremssystemen zu reduzieren.
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Es wird insbesondere ein Berechnungsschema vorgeschlagen, und zwar für beispielsweise zwei kritische Manöver, welche zu einem Überschreiten einer Maximaltemperatur der Wärmesenke des Reibungsbremssystems führen können. Dies sind zum einen Verzögerungen des Fahrzeugs mit instationärer Energieeinleitung bei einem oder mehreren Stopps des Fahrzeugs, und zum anderen quasistationäre Energieeinleitung in die Wärmesenke, wie beispielsweise bei Bergabfahrten.
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Diese beiden Berechnungen bzw. Strategien können miteinander sinngemäß kombiniert werden.
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Eine Schutzfunktion für instationäre Energieeinleitung in die Wärmesenke kann beispielsweise folgendermaßen realisiert werden:
- 1. Berechnung (durch Modellbildung) der momentanen Temperatur der Energiesenke (auf Basis zum Beispiel geschätzter Fahrzeugmasse, Abkühlkennwerte, Reibwerte in Friktionsbremse, Historie der Verzögerungen, Wetter, Fahrzeuggeschwindigkeit, Umgebungstemperaturen, usw.): T_heatsink
- 2. Berechnung eines kritischen Temperaturzustands der Energiesenke T_critical (dieser Zustand soll verhindert werden). In diese Temperatur kann einfließen oder berücksichtigt werden beispielsweise der Reibbelagverschleißzustand, Temperaturhistorie des Bremssystems, Eigenschaften des Belagmaterials usw. (fading).
- 3. Berechnung eines Temperaturdeltas für die Wärmesenke, die sich ergibt, wenn ein vorgegebenes (Not-)Verzögerungsmanöver ausgeführt wird: T_delta (mit vorgegebener maximaler Geschwindigkeit v_limit).
- 4. Vergleich, ob eine kritische Schwelle überschritten wird, falls dieses Manöver ausgeführt wird: T_heatsink > T_critical - T_delta.
- 5. Falls die Schwelle T_heatsink > T_critical - T_delta überschritten wird oder sich annähert, wird eine neue maximal zulässige Geschwindigkeit v_limit an den Antriebscontroller weitergegeben. Zusätzlich wird der Fahrer entsprechend informiert und/oder gewarnt.
- 6. Sobald durch Konvektion die Temperatur der Energiesenke wieder unterhalb, insbesondere deutlich unterhalb, der Schwelle T_heatsink < T_critical - T_delta liegt, wird die maximal zulässige Geschwindigkeit v_limit wieder angehoben.
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Anmerkung: Energiesenke, um Verzögerungsenergie aufzunehmen, kann beispielsweise eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel sein.
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Schutzfunktion für stationäre Energieeinleitung in die Wärmesenke (zum Beispiel typischer Fall Bergabfahrt):
- 1. Berechnung (Modellbildung) auf Basis von Kartenmaterial, optional mit geplanter Route, der maximalen Energie, die bei einer Bergabfahrt umgesetzt werden muss (zum Beispiel Abfahrtsszenario Großglockner): E_critical.
- 2. Abfrage an Powertrain inklusive Batteriemanagement, welche Energie vom Powertrain (durch Rekuperation oder Energiedissipation) innerhalb eines gegebenen Zeitintervalls aufgenommen werden kann (typischerweise Zeitintervall aus Manöver unter 1.): E_dissipation_pwtr.
- 3. Berechnung des Energiedeltas, welches von Reibungsbremse aufgenommen werden muss (weil Powertrain dies nicht leisten kann): E_friction = E_critical - E_dissipation_pwtr.
- 4. Berechnung des Temperaturanstiegs T_delta, der sich ergibt, wenn die Energie E_friction in die Wärmesenke der Reibungsbremse eingeleitet wird: T_delta = f(E_friction, m_Wärmesenke, rho_Wärmesenke, ...).
- 5. Vergleich, ob eine kritische Schwelle überschritten wird: T_heatsink > T_critical - T_delta.
- 6. Falls die Schwelle T_heatsink > T_critical- T_delta überschritten wird oder sich annähert, wird eine neue maximal zulässige Geschwindigkeit v_limit an den Antriebscontroller weitergebeben und das Fahrzeug auf diese Geschwindigkeit heruntergebremst, sofern die aktuelle Geschwindigkeit höher als v_limit ist.
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v_limit wird hierbei typischerweise so gewählt, dass die Energieabgabe der Wärmesenke durch Konvektion größer als der Energieeintrag ist: E_convection > E_friction, und somit T_heatsink nicht weiter steigt. Zusätzlich wird typischerweise der Fahrer entsprechend informiert und/oder gewarnt.
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Die hierin beschriebene Komponentenschutzfunktion vermeidet insbesondere den Konflikt, der entsteht, wenn die Dimensionierung der Wärmesenken nicht mehr alle Lastfälle unter allen Bedingungen erfüllt. Die Komponentenschutzfunktion soll kritische Situationen wie Missbrauchssituationen, Racetrack, Downhill-Szenarien und Stillstandsszenarien erkennen, reagieren und eliminieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt:
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1 zeigt rein schematisch eine Fahrzeugbremse 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Fahrzeugbremse 10 ist vorliegend elektrisch betätigt, deshalb weist sie einen Elektromotor 20 auf, welcher auf eine Welle 30 wirkt. Über die Welle 30 wird über eine nicht weiter gezeigte Rotations-Translations-Umsetzung eine Bremsbackenanordnung 40 betätigt, welche wiederum auf eine Bremsscheibe 50 wirkt. Es handelt sich somit bei der Fahrzeugbremse 10 vorliegend um eine Scheibenbremse. Die Fahrzeugbremse 10 weist ferner eine elektronische Steuerungsvorrichtung 25 auf, welche dazu ausgebildet ist, den Elektromotor 20 zu steuern. In der elektronischen Steuerungsvorrichtung 25 ist ferner ein Verfahren zur Temperaturüberwachung implementiert, welches in regelmäßigen Abständen eine Sicherheitstemperatur und eine aktuelle Temperatur der Bremsscheibe 50 berechnet. Bei der Bremsscheibe 50 handelt es sich vorliegend um die Wärmesenke der Fahrzeugbremse 10, da der überwiegende Teil der beim Bremsen erzeugten Wärmeenergie über die Bremsscheibe 50 temporär aufgenommen und anschließend an die Umgebung abgeführt wird.
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Zur Berechnung der Sicherheitstemperatur wird insbesondere auf die Materialpaarung zwischen Bremsbackenanordnung 40 und Bremsscheibe 50 sowie auf aktuelle Daten zur Fahrzeuggeschwindigkeit und einer prädizierten Trajektorie zurückgegriffen. Dadurch kann berechnet werden, welche Temperatur zurzeit maximal toleriert werden kann, da ansonsten beispielsweise für den Fall einer Notbremsung oder einer langen Bergabfahrt mit einer schlechteren Bremswirkung oder gar mit einem Versagen der Fahrzeugbremse 10 zu rechnen wäre.
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Des Weiteren ist in der Steuerungsvorrichtung 25 ein Temperaturmodell implementiert, mit welchem die aktuelle Temperatur der Bremsscheibe 50 berechnet werden kann. Dabei wird auf zurückliegende Fahrdaten, eine aktuelle Außentemperatur und zurückliegende Bremsungen zurückgegriffen, so dass die aktuelle Temperatur der Bremsscheibe 50 mit einer hinreichenden Genauigkeit abgeschätzt werden kann.
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Die aktuelle Temperatur wird anschließend mit der Sicherheitstemperatur verglichen. Übersteigt die aktuelle Temperatur die Sicherheitstemperatur, wird eine maximal zulässige Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs, in welchem die Fahrzeugbremse 10 eingebaut ist, herabgesetzt, wobei die Herabsetzung von der Größe der Überschreitung abhängen kann. Sollte das Fahrzeug bereits schneller fahren, wird es automatisiert verzögert. Zusätzlich kann ein Fahrer gewarnt werden, so dass er darauf hingewiesen wird, dass nicht mehr die volle Geschwindigkeit zur Verfügung steht.
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Mittels eines solchen Systems können somit auch Materialpaarungen in einer Fahrzeugbremse 10 verwendet werden, welche ohne eine spezifische Temperaturkontrolle zu gefährlich zu verwenden wären, da bei Überschreiten von bestimmten Temperaturen, deren Erreichen zumindest bei außergewöhnlichen Betriebszuständen eines Kraftfahrzeugs nicht ausgeschlossen werden kann, mit einer signifikant nachlassenden Bremswirkung oder gar mit einem Ausfall der Fahrzeugbremse 10 zu rechnen wäre.
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Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
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Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeugbremse
- 20
- Elektromotor
- 25
- Steuerungsvorrichtung
- 30
- Welle
- 40
- Bremsbackenanordnung
- 50
- Bremsscheibe
