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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Steifigkeit eines hydraulischen Bremssystems, ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Bremssystems eines Zweirads, ein hydraulisches Bremssystem eines Zweirads, sowie ein Zweirad.
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Bekannt sind hydraulische Bremssysteme mit einer Antiblockiereinheit, welche durch eine Druckmodulation eines hydraulischen Bremsdrucks im System ein Blockieren von Rädern des Fahrzeugs verhindern oder verringern soll. Beispielsweise weist eine solche Antiblockiereinheit eine Speicherkammer auf, in die Bremsflüssigkeit während eines Antiblockierbetriebs ein- und ausströmen kann, zur Druckmodulation. Um eine optimale Performance während des Antiblockier-Betriebs zu ermöglichen, ist eine an Basis-Bremsenparameter des hydraulischen Bremssystems angepasste Druckmodulation erforderlich. Ein besonders relevanter Basis-Bremsenparameter ist dabei die Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems. Die Steifigkeit kann jedoch für unterschiedliche Bremssysteme deutlich voneinander abweichen. Zudem kann sich im Betrieb des Bremssystems die Steifigkeit ändern, beispielsweise aufgrund von wechselnden Umgebungsbedingungen, wie Temperaturen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass eine Steifigkeit eines hydraulischen Bremssystems besonders präzise und insbesondere jederzeit während eines Betriebs des hydraulischen Bremssystems ermittelt werden kann. Dadurch kann beispielsweise zuverlässig eine gewünschte Performance des hydraulischen Bremssystems bezüglich einer Bremswirkung überprüft und/oder angepasst werden. Dies wird erreicht durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Steifigkeit eines hydraulischen Bremssystems, vorzugsweise für ein Elektrofahrrad, wobei das hydraulische Bremssystem eine Antiblockiereinheit mit einem steuerbar betätigbaren Kolben aufweist. Durch die gesteuerte Betätigung des Kolbens kann eine aktive Druckmodulation eines Bremsdrucks im hydraulischen Bremssystems erzielt werden. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte, welche während der Betätigung des Kolbens durchgeführt werden:
- - Ermitteln einer Volumenänderung einer Bremsflüssigkeit, welche durch die Betätigung des Kolbens verursacht wird,
- - Ermitteln einer Druckänderung des Bremsdrucks, und
- - Ermitteln der Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems als ein Verhältnis der Druckänderung zur Volumenänderung.
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Die Volumenänderung wird dabei basierend auf einer Positionsänderung des Kolbens während der Betätigung des Kolbens ermittelt.
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Das Verfahren ermöglicht es somit, den für die Bremsleistung relevanten Parameter der Steifigkeit auf einfache Weise zu bestimmen. Insbesondere kann die so ermittelte Steifigkeit auf vielfältige Weise verwendet werden. Beispielsweise kann beim Betrieb der Antiblockiereinheit in einem Antiblockier-Betrieb die gesteuerte Betätigung des Kolbens gezielt angepasst werden, um eine optimale Druckmodulation, z.B. durch Anpassung von Druckänderungsgradienten und/oder Maximaldrücken und/oder Minimaldrücken, zu erhalten. Beispielsweise kann die ermittelte Steifigkeit auch verwendet werden, um konstruktiv die Auslegung des hydraulischen Bremssystems zu optimieren, vorzugsweise auch um ein an den Fahrerwunsch angepasstes Betätigungsverhalten, wie eine gewünschte Bissigkeit, zu erlangen.
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Dadurch, dass die Volumenänderung und der Bremsdruck ermittelt werden, können einfach und direkt die für die Funktion des hydraulischen Bremssystems besonders relevanten Parameter ermittelt werden, ohne dass beispielsweise aufwendige Berechnungen erforderlich sind. Insbesondere kann dadurch direkt im zusammengebauten und betriebsbereiten Zustand des hydraulischen Bremssystems die Steifigkeit ermittelt werden. Bei einem hydraulischen Bremssystem können sich eine Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Steifigkeit auswirken, dessen genaue Kenntnis in diesem Fall nicht erforderlich ist. Beispielsweise sind solche Einflussfaktoren: eine Elastizität oder Nachgiebigkeit von Komponenten wie einer Bremsleitung, einem Bremszylinder, einem Bremssattel, Bremsbelägen, der Antiblockiereinheit, sowie insbesondere auch Eigenschaften, wie eine Kompressibilität, der Bremsflüssigkeit. Auch Umwelteinflüsse, wie Temperaturänderungen können Einfluss auf die Steifigkeit haben.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt weist das hydraulische Bremssystem einen Bremszylinder, einen Bremssattel, eine Bremsleitung, und ein Hauptventil auf. Die Bremsleitung verbindet den Bremszylinder und den Bremssattel miteinander. Das Hauptventil ist in die Bremsleitung integriert. Das Verfahren wird dabei, insbesondere ausschließlich, durchgeführt während das Hauptventil eine Fluidverbindung zwischen Bremszylinder und Bremssattel unterbricht, das heißt, wenn das Hauptventil geschlossen ist. Insbesondere wird die Steifigkeit somit nur für einen Teilbereich des hydraulischen Bremssystems, nämlich dem zwischen Hauptventil und Bremssattel liegenden Teilbereich, in welchen vorzugsweise die Antiblockiereinheit integriert ist, ermittelt. Dieser Teilbereich stellt den für den Antiblockier-Betrieb relevanten Teil des hydraulischen Bremssystems dar, sodass hiermit besonders einfach und zuverlässig eine optimale Funktion im Antiblockier-Betrieb bereitgestellt werden kann.
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Besonders bevorzugt wird die Positionsänderung des Kolbens als Längsverschiebung des Kolbens innerhalb einer Kammer der Antiblockiereinheit und entlang einer Achse ermittelt. Insbesondere kann durch die Längsverschiebung des Kolbens innerhalb der Kammer ein Fluidvolumen innerhalb der Kammer gesteuert verändert werden, um hierdurch die Druckmodulation in dem hydraulischen Bremssystem zu erreichen. Dabei wird die Volumenänderung der Bremsflüssigkeit basierend auf der Längsverschiebung des Kolbens entlang der Achse und basierend auf einer Kolbenfläche des Kolbens ermittelt. Als Kolbenfläche wird dabei eine Fläche des Kolbens, über welche Druck auf die Bremsflüssigkeit ausgeübt werden kann, angesehen. Insbesondere durch einen geometrischen Zusammenhang kann somit besonders einfach die Volumenänderung der Bremsflüssigkeit, welche durch die Verschiebung des Kolbens bewirkt wird, ermittelt werden.
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Vorzugsweise wird die Längsverschiebung mittels eines Magnetsensors ermittelt. Dadurch kann die Volumenänderung besonders einfach und kostengünstig ermittelt werden.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Durchführen einer Rauschreduzierung mit den ermittelten Messwerten für die Volumenänderung und die Druckänderung. Insbesondere wird dabei mit den entsprechenden Signalen, basierend auf welchen die Messwerte für die Volumenänderung und die Druckänderung erzeugt werden, die Rauschreduzierung durchgeführt, um aus ungenauen oder schwankenden Signalen optimierte und besser zu verarbeitende Daten zu erhalten.
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Besonders bevorzugt wird die Rauschreduzierung mittels eines Tiefpassfilters durchgeführt, wodurch eine besonders einfache Signaloptimierung möglich ist.
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Weiter bevorzugt wird die Rauschreduzierung mittels eines Recursive-Least-Square-Algorithmus (kurz RLS-Algorithmus) durchgeführt. Dadurch können besonders genaue Daten gewonnen werden.
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Vorzugsweise werden Parameter des Recursive-Least-Square-Algorithmus in Abhängigkeit der ermittelten Druckänderung angepasst. Besonders bevorzugt werden die Parameter derart angepasst, dass niedrige Druckänderungsgradienten stärker gewichtet werden als hohe Druckänderungsgradienten. Dadurch können auf einfache Weise genauere Ergebnisse erzielt werden, da die niedrigeren Druckänderungsgradienten beispielsweise weniger verrauscht sind als die hohen Druckänderungsgradienten.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Ermitteln eines momentanen Bremsdrucks in dem hydraulischen Bremssystem. Das Verfahren wird dabei ausschließlich durchgeführt, wenn der ermittelte Bremsdruck mindestens gleich einem vorbestimmten Mindest-Bremsdruck, von vorzugsweise 50 bar, ist. Das heißt, die Steifigkeit wird nur ermittelt, wenn das hydraulische Bremssystem wie bei einer Bremsung mindestens mit dem vordefinierten Mindest-Bremsdruck vorgespannt ist. Dadurch kann besonders genau die Steifigkeit für die relevanten Fälle einer Bremsung mit hohem Bremsdruck ermittelt werden. Besonders bevorzugt wird das Verfahren dabei nur ausgeführt, während ein Bremshebel des hydraulischen Bremssystems von einem Fahrer angezogen wird.
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Besonders bevorzugt wird das Verfahren zur Kalibrierung des hydraulischen Bremssystems in einem Zweirad, vorzugsweise in einem Elektrofahrrad, verwendet. Das Verfahren wird dabei, insbesondere ausschließlich, während eines Stillstands des Zweirads, vorzugsweise des Elektrofahrrads, durchgeführt. Beispielsweise kann das Verfahren dabei so durchgeführt werden, dass der Fahrer des Zweirads den Bremshebel anzieht, und während der Bremshebel angezogen ist wird der Kolben gesteuert betätigt, um gleichzeitig die Volumenänderung und Druckänderung zu erfassen und basierend darauf die Steifigkeit zu ermitteln. Somit kann eine besonders einfache und komfortable Kalibrierung des hydraulischen Bremssystems durchgeführt werden.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Bremssystems, vorzugsweise für ein Elektrofahrrad. Das Verfahren zum Betreiben des hydraulischen Bremssystems umfasst die Schritte:
- - Ermitteln einer Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems mittels des beschriebenen Verfahrens zum Ermitteln der Steifigkeit, und
- - Betätigen des Kolbens des hydraulischen Bremssystems während eines Antiblockier-Betriebs der Antiblockiereinheit des hydraulischen Bremssystems, wobei das Betätigen des Kolbens in Abhängigkeit der ermittelten Steifigkeit erfolgt.
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Dadurch kann besonders präzise und gezielt eine gewünschte optimale Bremswirkung des hydraulischen Bremssystems erzielt werden.
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Bevorzugt wird basierend auf der ermittelten Steifigkeit eine Amplitude und/oder eine Frequenz einer Betätigung, insbesondere der Längsverschiebung, des Kolbens während einer aktiven Druckmodulation des Bremsdrucks angepasst. Das heißt, während das Antiblockier-Betriebs der Antiblockiereinheit wird die gesteuerte Betätigung des Kolbens so angepasst, um eine optimal an die vorliegende ermittelte Steifigkeit angepasste Bremsfunktion zu erhalten.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem hydraulischen Bremssystem eines Zweirads, vorzugsweise eines Fahrrads, besonders bevorzugt eines Elektrofahrrads, umfassend eine Antiblockiereinheit, einen Bremszylinder, einen Bremssattel, eine Bremsleitung, ein Hauptventil, und eine Steuervorrichtung. Die Antiblockiereinheit weist dabei eine Kammer zur Aufnahme einer Bremsflüssigkeit, einen Kolben, der ein Fluidvolumen innerhalb der Kammer begrenzt und der entlang einer Achse verschiebbar ist, und einen Aktuator, der eingerichtet ist, den Kolben entlang der Achse steuerbar zu verschieben, auf. Die Bremsleitung weist dabei einen ersten Leitungsabschnitt, der in Fluidverbindung mit der Kammer steht und der mit dem Bremssattel verbunden ist, und einen zweiten Leitungsabschnitt, der mit dem Bremszylinder verbunden ist, auf. Das Hauptventil ist dabei in die Bremsleitung integriert, und eingerichtet, eine Fluidverbindung zwischen Bremssattel und Bremszylinder zu blockieren oder freizugeben. Die Steuervorrichtung ist dabei eingerichtet, das beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems, oder das beschriebene Verfahren zum Betreiben des hydraulischen Bremssystems durchzuführen. Das hydraulische Bremssystem weist somit eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion auf, welche eine genaue Ermittlung der Basis-Bremsenparameter ermöglicht.
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Bevorzugt umfasst das hydraulische Bremssystem ferner einen Drucksensor, welcher eingerichtet ist, einen Bremsdruck am Bremssattel zu erfassen. Vorzugsweise dienen Messwerte des Drucksensors als Basis für die Druckänderung bei dem Verfahren zur Ermittlung der Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems. Dadurch kann besonders genau die relevante Druckänderung am Bremssattel ermittelt werden.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem Zweirad, insbesondere einem Fahrrad, vorzugsweise einem Elektrofahrrad, welches das beschriebene hydraulische Bremssystem umfasst. Insbesondere bei einem Fahrrad, vorzugsweise Elektrofahrrad, können zahlreiche Verstellmöglichkeiten zur individuellen Anpassung des Betätigungsverhaltens des hydraulischen Bremssystems an einen Fahrerwunsch bereitgestellt werden. Durch die Ermittlung der Steifigkeit des hydraulischen Bremssystems kann dabei insbesondere bei einem Antiblockier-Betrieb dennoch in jeder Konfiguration und Fahrsituation eine zuverlässige und optimale Bremsfunktion sichergestellt werden.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine vereinfachte schematische Ansicht eines hydraulischen Bremssystems des Elektrofahrrads der 1, und
- 3 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Druckverlaufs in dem hydraulischen Bremssystem der 2 während einer Bremsbetätigung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Elektrofahrrad 100 umfasst eine Antriebseinheit 105, welche eingerichtet ist, eine Tretkraft eines Fahrers mittels Motorkraft zu unterstützen. Die Antriebseinheit 105 wird von einem elektrischen Energiespeicher 106 mit elektrischer Energie versorgt. Der elektrische Energiespeicher 106 kann beispielsweise innerhalb eines Unterrohrs 109 des Elektrofahrrads 100 angeordnet sein.
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Das Elektrofahrrad 100 umfasst ein hydraulisches Bremssystem 10 mittels welchem Bremsen 101, 102 jeweils an einem Vorderrad 107 bzw. einem Hinterrad 108 des Elektrofahrrads 100 betätigt werden können. Das hydraulische Bremssystem 10 umfasst pro Bremse 101, 102 jeweils einen Bremshebel 19, einen Bremszylinder 15, einen Bremssattel 13, eine Leitung 11, welche Bremszylinder 15 und Bremssattel 13 hydraulisch miteinander verbindet, und eine Antiblockiereinheit 1, welche in die Leitung 11 integriert ist.
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Die Antiblockiereinheit 1 kann ebenfalls innerhalb des Unterrohrs 109 des Elektrofahrrads 100 angeordnet sein und wird insbesondere von dem elektrischen Energiespeicher 106 mit elektrischer Energie versorgt.
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Das hydraulische Bremssystem 10 mit der Antiblockiereinheit 1 wird nachfolgend in Bezug auf die 2 im Detail beschrieben. Die Beschreibung erfolgt dabei aus Gründen der Einfachheit nur in Bezug auf eine einzelne Bremse 101, insbesondere des Vorderrads 107.
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Der Bremssattel 13 ist mit einem ersten Leitungsabschnitt 11a der Leitung 11 verbunden. Der Bremszylinder 15 ist mit einem zweiten Leitungsabschnitt 11b der Leitung 11 verbunden. Der erste Leitungsabschnitt 11 a und der zweite Leitungsabschnitt 11b sind durch ein Hauptventil 16 hydraulisch voneinander trennbar. Das Hauptventil 16 ist vorzugsweise als stromlos offenes Ventil ausgebildet.
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Weiterhin umfasst die Antiblockiereinheit 1 eine Kammer 2, in welcher Bremsflüssigkeit aufgenommen werden kann. Die Kammer 2 ist dabei zwischen Hauptventil 16 und Bremssattel 13 mit der Leitung 11 verbunden.
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Innerhalb der Kammer 2 wird ein Fluidvolumen durch einen Kolben 4 begrenzt. Der Kolben 4 ist dabei entlang einer Achse 50 durch Betätigung mittels eines Aktuators 5 verschiebbar, sodass das Fluidvolumen innerhalb der Kammer 2 variabel ist.
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Der Aktuator 5 ist insbesondere als Elektromotor ausgebildet, und kann von einer Steuervorrichtung 61 betätigt werden.
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Weiterhin umfasst die Antiblockiereinheit 1 ein Rückstellelement 6 in Form einer Schraubenfeder, welches auf einer der Kammer 2 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 4 angeordnet ist und eine Rückstellkraft 60 auf den Kolben 4 ausübt. Die Rückstellkraft 60 ist dabei zu einem Fluideintritt 70 in die Kammer 2 genau entgegengesetzt ausgerichtet.
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Der Antiblockiereinheit 1 weist ferner einen Drucksensor 35 auf, welcher eingerichtet ist, einen Bremsdruck an einer Eintrittsöffnung der Kammer 2 zu erfassen.
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In einem Normalbetrieb des hydraulischen Bremssystems 10 ist das Betätigungselement 51 unbetätigt vom Aktuator 5, sodass das Rückstellelement 6 den Kolben 4 in eine Ruheposition drückt.
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Kammer 2 und Kolben 4 sind dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass das Fluidvolumen Null oder näherungsweise Null ist, wenn sich der Kolben 4 in der Ruheposition befindet. Das heißt, in der Ruheposition verhindert der Kolben 4, dass sich Bremsflüssigkeit innerhalb der Kammer 2 befinden kann.
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Mittels einer (nicht dargestellten) Antiblockier-Sensorik kann weiterhin ein Blockierzustand des Rades 107 ermittelt werden. In Abhängigkeit des Blockierzustands wird eine Notwendigkeit einer Antiblockier-Funktion der Antiblockiereinheit 1 ermittelt. Sofern eine Antiblockier-Funktion notwendig ist, beispielsweise wenn ein Blockieren des Rades 107 vorliegt oder nahe bevorsteht, wird ein Antiblockier-Betrieb der Antiblockiereinheit 1 gestartet.
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Beim Antiblockier-Betrieb wird das Hauptventil 16 geschlossen und der Aktuator 5 betätigt den Kolben 4, um aktiv den Bremsdruck in der Bremsleitung 11 am Bremssattel 13 zu modulieren. Im Detail wird hierbei der Kolben 4 entgegen der Rückstellkraft 60 zurückgezogen, um Bremsflüssigkeit in die Kammer 2 einströmen zu lassen, sodass der Bremsdruck am Bremssattel 13 verringert wird. Anschließend wird der Kolben 4 in die entgegengesetzte Richtung verschoben, um den Bremsdruck wieder zu erhöhen.
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Mittels der Antiblockiereinheit 1 kann eine Steifigkeit 33 des hydraulischen Bremssystems 10 ermittelt werden. Die Steifigkeit 33 ist maßgebend für ein Bremshebelgefühl für den Fahrer und zudem relevant für eine optimale Durchführung des Antiblockier-Betriebs.
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Dabei kann eine hohe Steifigkeit 33 auch als starke Bissigkeit der Bremse angesehen werden. Das bedeutet, dass eine geringe Erhöhung des Bremshebelwegs eine starke Erhöhung des Bremsdrucks zur Folge hat. Demgegenüber führt eine niedrige Steifigkeit 33 dazu, dass ein großer Bremshebelweg zu einer geringen Erhöhung des Bremsdrucks führt. Insbesondere ist die Steifigkeit 33 abhängig von Elastizitäten im hydraulischen Bremssystem 10, wie beispielsweise einer Elastizität der Bremsleitung 11 und einer Komprimierbarkeit der Bremsflüssigkeit.
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Zur weiteren Verdeutlichung wird Bezug genommen auf die 3, welche einen Druckverlauf 24 des Bremsdrucks bei einer Betätigung des Bremshebels 19 zeigt. 3 zeigt dabei ein Diagramm 20, in welchem ein Volumen 22 an Bremsflüssigkeit im hydraulischen Bremssystem 10 über einem Druck 21 der Bremsflüssigkeit dargestellt ist.
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Der Bereich 25 zeigt dabei eine Bremshebelbetätigung, bevor Bremsbeläge an der Bremsscheibe anliegen. Das heißt, Bremsflüssigkeit wird verdrängt, aber es findet noch keine wesentliche Druckerhöhung statt. Im Bereich 26 liegen dann die Bremsbeläge an und eine weitere Betätigung des Bremshebels 19 führt zu einer deutlichen Erhöhung des Bremsdrucks.
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Die Steifigkeit 33 entspricht dabei einer Tangente des Druckverlaufs 24 im Bereich 26. Im Detail entspricht die Steifigkeit 33 einem Verhältnis einer Druckänderung 31 zu einer Volumenänderung 32.
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Das Ermitteln der Steifigkeit 33 erfolgt dabei dadurch, dass mittels der Antiblockiereinheit 1 die Volumenänderung 32 und die Druckänderung 31 erfasst werden, wenn über den Bremshebel 19 mindestens ein vordefinierter Mindest-Bremsdruck im hydraulischen Bremssystems erzeugt wird. Bei Überschreiten dieses vordefinierten Mindest-Bremsdrucks wird das Hauptventil 16 geschlossen und während des geschlossenen Hauptventils 16 der Kolben 4 betätigt. Während der Betätigung des Kolbens 4 wird die entsprechende Druckänderung 31 direkt mittels eines Drucksensors 35 erfasst. Zudem wird gleichzeitig die Volumenänderung 32 ermittelt.
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Das Ermitteln der Volumenänderung 32 erfolgt dabei basierend auf einer Positionsänderung des Kolben 4. Diese Positionsänderung wird mittels eines Magnetsensors 8 (vgl. 2), der eine Längsverschiebung des Kolbens 4 entlang der Achse 50 erfassen kann, ermittelt. Anhand dieser Längsverschiebung und einer Kolbenfläche 40 des Kolbens 4, über welche der Kolben 4 Druck auf die Bremsflüssigkeit ausüben kann, kann die Volumenänderung 32 einfach berechnet werden.
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Anhand der ermittelten Werte für die Druckänderung 31 und die Volumenänderung 32 kam somit die Steifigkeit 33 ermittelt werden. Um besonders genaue Ergebnisse zu erhalten, kann vorzugsweise eine Rauschunterdrückung von einem oder beiden Messwerten erfolgen, beispielsweise mittels eines Tiefpassfilters und/oder mittels eines RLS-Algorithmus.
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Die ermittelte Steifigkeit 33 kann anschließend verwendet werden, um die gesteuerte Betätigung des Kolbens 4 anzupassen. Beispielsweise kann eine Frequenz und/oder eine Amplitude und/oder eine Betätigungsgeschwindigkeit der Betätigung des Kolbens 4 angepasst werden, um eine optimale gewünschte Bremswirkung erzielen zu können.
