DE19526250A1 - Brems- und Lenksystem für ein Fahrzeug - Google Patents
Brems- und Lenksystem für ein FahrzeugInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brems- und Lenksystem für ein Fahr
zeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es allgemein be
kannt ist.
Fahrzeuge, die eine gelenkte Vorderachse und je einen getrennten
Bremskreis für die Vorderachse und die Hinterachse aufweisen,
sind allgemein bekannt.
Zum besseren Verständnis der nachfolgend verwendeten Begriffe
werden zuerst einige Begriffsdefinitionen, wie sie dieser Anmel
dung zugrundegelegt werden, aufgeführt:
Fail-Safe-Eigenschaft: [Quelle DIN 19 250] Fähigkeit eines tech
nischen Systems, beim Auftreten bestimmter Ausfälle im
sicheren Zustand zu bleiben oder unmittelbar in einen an
deren sicheren Zustand überzugehen; auch Fehlersicherheit
genannt;
Fehler [DIN 19 250]: Nichterfüllung mindestens einer Anforderung an ein erforderliches Merkmal einer Betrachtungseinheit;
Fehlertoleranz: [NTG 3004 Nachrichtentechnische Gesellschaft im VDE (heute ITG, Informationstechnische Gesellschaft), Zu verlässigkeitsbegriffe im Hinblick auf komplexe Software und Hardware, 1982] Fähigkeit eines Systems, auch mit ei ner begrenzten Zahl fehlerhafter Subsysteme seine spezi fizierte Funktion zu erfüllen;
Redundanz: [VDI/VDE 3542; Sicherheitstechnische Begriffe für Au tomatisierungssysteme, 1991] Vorhandensein von mehr als für die Ausführung der vorgesehenen Aufgaben an sich not wendigen Mitteln.
Fail-silent: Die Eigenschaft einer Komponente bzw. eines Systems, welche(s) mit anderen in Kommunikation steht, beim Erkennen eines Fehlers innerhalb der Komponente bzw. innerhalb des Systems keine weiteren Informationen auszusenden.
Fehler [DIN 19 250]: Nichterfüllung mindestens einer Anforderung an ein erforderliches Merkmal einer Betrachtungseinheit;
Fehlertoleranz: [NTG 3004 Nachrichtentechnische Gesellschaft im VDE (heute ITG, Informationstechnische Gesellschaft), Zu verlässigkeitsbegriffe im Hinblick auf komplexe Software und Hardware, 1982] Fähigkeit eines Systems, auch mit ei ner begrenzten Zahl fehlerhafter Subsysteme seine spezi fizierte Funktion zu erfüllen;
Redundanz: [VDI/VDE 3542; Sicherheitstechnische Begriffe für Au tomatisierungssysteme, 1991] Vorhandensein von mehr als für die Ausführung der vorgesehenen Aufgaben an sich not wendigen Mitteln.
Fail-silent: Die Eigenschaft einer Komponente bzw. eines Systems, welche(s) mit anderen in Kommunikation steht, beim Erkennen eines Fehlers innerhalb der Komponente bzw. innerhalb des Systems keine weiteren Informationen auszusenden.
Zusätzlich zu den allgemein bekannten Fahrzeugen ist es aus der
DE 43 34 260 A1 bekannt, ein Antiblockiersystem und ein Servo
lenkungssystem dadurch fehlersicher zu gestalten, daß die Steu
ereinheit des einen Systems die Funktion des jeweils anderen Sy
stems überwacht und beim Auftreten eines Fehlers in einem der
Systeme dasselbe System abschaltet, sobald dies gefahrlos mög
lich ist. Dabei besteht immer eine durchgängige mechanische bzw.
hydraulische Verbindung zwischen der Betriebsbremse an den
einzelnen Rädern - meist eine Scheibenbremse mit einem hydrau
lisch beaufschlagten Radbremszylinder - und dem vom Fahrer will
kürlich betätigbaren Bremspedal bzw. zwischen dem Lenkgestänge
und dem vom Fahrer willkürlich betätigbaren Lenkrad. Diese me
chanische Verbindung stellt im Falle des Auftretens eines Feh
lers im Antiblockiersystem bzw. in der Servolenkung die Fehler
sicherheit des Gesamtsystems her. Beim Auftreten eines Fehlers
im Antiblockiersystem, kann unter Verzicht der Funktion des An
tiblockiersystems weiterhin gebremst werden. Tritt ein Fehler in
der Unterstützung durch die Servolenkung auf, so muß der Fahrer
zwar entsprechend höhere Lenkkräfte aufbringen, das Fahrzeug
bleibt jedoch zumindest eingeschränkt fahrbar.
Ferner geht es aus der PCT 94/26558 hervor, zur Erhöhung der Zu
verlässigkeit der Datenübertragung zwischen zwei Steuergeräten,
den diese Steuergeräte verbindenden Datenbus redundant - im ge
gebenen Fall mindestens zweifach - auszuführen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zumindest fehlertolerantes
Brems- und Lenksystem für ein Fahrzeug zu schaffen, bei dem we
der eine durchgehende mechanische Verbindung zwischen dem vom
Fahrer betätigbaren Lenkrad und den gelenkten Rädern noch eine
durchgehende mechanische und/oder hydraulische Verbindung zwi
schen dem vom Fahrer betätigbaren Bremspedal und der Betriebs
bremse für die Räder besteht.
Insbesondere soll diese Aufgabe so gelöst werden, daß die Feh
lertoleranz des Gesamtsystems bei einer möglichst geringen
Redundanz der einzelnen Elemente des Systems, inbesondere der
aufwendigen Stellsysteme, erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Brems- und Lenksy
stem für Fahrzeuge erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk
malen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteran
sprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.
Das Fahrzeug mit mindestens zwei Fahrzeugachsen, wobei an jeder
Achse für jedes Rad eine Bremsfunktion und an zumindest einer
Achse eine Lenkfunktion durchgeführt wird, weist eine fehlerto
lerante - vorzugsweise redundante - Recheneinheit auf. In der
Recheneinheit wird zumindest für jedes Rad eine Sollbremswirkung
und für jedes Rad mit Lenkfunktion eine Sollenkwirkung aufgrund
von Sensorsignalen ermittelt. Die Bremsfunktion und die Lenk
funktion für die Räder wird aufgrund der ermittelten Sollbrems
wirkung und Sollenkwirkung mittels Stellsystemen geregelt bzw.
gesteuert. Dabei beinhaltet das Stellsystem für die Bremsfunk
tion eine Betriebsbremse und für die Lenkfunktion zusätzlich ei
nen Lenksteller. Eine fehlertolerante Kommunikationseinrichtung
verbindet die Stellsysteme mit der Recheneinheit. Die Energie
versorgung der Recheneinheit und der Stellsysteme ist fehlerto
lerant ausgebildet.
Die Bezeichnungen "Achse"und "Räder einer Achse" werden dabei
dahingehend verwendet, daß damit die paarweise Anordnung von Rä
dern auf gegenüberliegenden Seiten das Fahrzeugs bezeichnet ist.
Es ist nicht notwendigerweise so, daß eine durchgehende Achse
(Starrachse) im herkömmlich mechanischen Sinn auch tatsächlich
vorhanden ist. Es kann sich vielmehr auch um einzeln aufgehängte
Räder handeln, die vollständig unabhängig voneinander sind. Die
Bezeichnung Sollenkwirkung umfaßt dabei auch den Sollenkwinkel
0°, also die Geraderausfahrt und die Bezeichnung Sollbremswir
kung die Sollbremswirkung "0", also verzögerungsfreies Fahren.
Somit genügt es, die Recheneinheit, die Kommunikationseinrich
tung und die Energieversorgung fehlertolerant auszubilden, um
das Gesamtsystem, das darüber hinaus zumindest die Stellsysteme
für die Lenkfunktion und für die Bremsfunktion umfaßt,
fehlertolerant zu gestalten.
Die konventionelle Bremsmechanik/-hydraulik und die konventio
nelle Lenkmechanik können wegfallen, ohne daß die Fehlertoleranz
des Gesamtsystems beeinträchtigt wird. Zumindest die Bremsfunk
tion und die Lenkfunktion ist rein elektrisch gesteuert bzw.
geregelt, so daß die Verwendung von Fahrerassistenzsystemen, wie
Antiblockiersystemen, Antriebsschlupfregelungen und wie Systeme,
die über entsprechende Ansteuerung der Bremsfunktion und der
Lenkfunktion das Gierverhalten des Fahrzeugs stabilisieren und
somit ein Schleudern des Fahrzeugs verhindern, durch einfaches
Implementieren entsprechender Programme in der Recheneinheit um
gesetzt werden kann. Ferner erhält man bei der Konstruktion des
Fahrzeugs größere Freiheiten, so daß beispielsweise der Schutz
der Insassen verbessert, die Zahl der Varianten des Fahrzeugs
verringert (Rechts- und Linkslenker-Fahrzeuge unterscheiden sich
nur noch durch die Anordnung von Lenkrad und Pedalerie im Fahr
zeug aber nicht mehr durch die Anordnung der Stellsysteme für
die Bremsfunktion und die Lenkfunktion) und die Konstruktion von
Motorraum und Hinterachse vereinfacht werden kann.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran
sprüchen entnommen werden. Dabei betreffen die Ansprüche 2 bis 4
mögliche Zuordnungen der Lenksteller zu den Rädern, die Ansprü
che 5 bis 7 die mögliche Zuordnungen der Betriebsbremse zu den
Rädern und die Ansprüche 8 und 9 besonders geeignete Kombinatio
nen der Zuordnungen von Betriebsbremse und Lenkstellern zu den
Rädern.
Besonders angepaßte Ausbildungen der Energieversorgung sind in
den Ansprüchen 10 bis 14 dargelegt. Die Ansprüche 15 bis 18 be
treffen weitere Systeme, die in gleicher Weise mit der Rechen
einheit verbunden sein können und deren Funktion (aktive oder
teilaktive Federung, Antrieb) auch in Abhängigkeit von in der
Recheneinheit ermittelten Sollwerten gesteuert bzw. geregelt
ist. Eine Anordnung in Modulbauweise ist in den Ansprüchen 19
und 20 dargelegt. Die Ansprüche 21 bis 23 betreffen Ausbildun
gen eines fehlertoleranten Kommunikationssystems in Form von
Datenbussen. Die Ansprüche 24 und 25 betreffen die Ausbildung
einer fehlertoleranten Recheneinheit, die aus unabhängig vonein
ander arbeitenden Rechenwerken gebildet wird.
Im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; da
bei zeigen:
Fig. 1a-1e Beispiele unterschiedlicher Konfigurationen der An
ordnung der Stellsysteme für die Bremsfunktion und
der Lenksteller am Beispiel eines zweiachsigen Fahr
zeugs,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brems- und Lenk
systems und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines einem Rad zuge
ordneten Modul, das die Stellsysteme für dieses Rad
umfaßt.
In den Fig. 1a bis 1e sind unterschiedliche Konfigurationen
der Wirkverbindung zwischen den Stellsystemen für die Bremsfunk
tion und für die Lenkfunktion schematisch dargestellt. Mögliche
Anordnungen der Antriebseinrichtungen und der Federsteller einer
aktiven oder teilaktiven Federung wurden dabei der Übersicht
lichkeit wegen ebenso nicht berücksichtigt wie das fehlertole
rante Kommunikationssystem, die fehlertolerante Recheneinheit
und die fehlertolerante Energieversorgung. Dabei ist die vordere
Fahrzeugachse mit A1, die hintere Fahrzeugachse mit A2 bezeich
net, während die Räder mit dem Buchstaben R und daran angehängt
den Buchstaben "v" oder "h" für vorne bzw. hinten und "l" oder
"r" für links bzw. rechts bezeichnet sind. Die Stellsysteme für
die Lenkfunktion sind schematisch als Kästchen mit dem Buchsta
ben L, die Stellsysteme für die Bremsfunktion sind schematisch
als Kästchen mit dem Buchstaben B dargestellt. Sofern ein Stell
system nur auf ein Rad einwirkt, wurde es direkt neben dem ent
sprechenden Rad angeordnet und der Buchstabe "r" wird an seine
Bezeichnung angehängt. Wirkt ein Stellsystem für die Lenkfunk
tion auf beide Räder einer Achse ein, so wurde es in der Mitte
zwischen den beiden Rädern dargestellt, ein Pfeil weist auf die
beiden Räder und an seine Bezeichnung wird der Buchstabe "a" an
gehängt. Bei der Bremsfunktion ist es möglich einen Bremssteller
für eine Achse anzuordnen, der jeweils eine Bremsfunktion für
beide Räder der Achse ausführt, wobei die beiden Bremsfunktionen
in einen funktionalen Zusammenhang zueinander stehen. Derartigen
Bremsstellern wird ebenfalls der Buchstabe "a" an seine Bezeich
nung angehängt. Der funktionale Zusammenhang zwischen den Brems
funktionen kann insbesondere darin bestehen, daß die Radbremsen
mit einer gemeinsamen Bremsdruckquelle verbunden sind. Durch
Steuerventile kann zwar der Bremsdruck in den Rädern gegenüber
dem Bremsdruck in der Druckquelle verringert werden, jedoch ist
der Bremsdruck beider durch den in der Druckquelle momentan
bereitstehenden Bremsdruck begrenzt. Im übrigen wird zur
Unterscheidung der Stellsysteme noch eine Nummer angehängt.
In der Fig. 1a weist das Fahrzeug an der Vorderachse A1 einen
Bremssteller Ba1 für die Achse und zwei unabhängig voneinander
arbeitende Lenksteller Lr1, Lr2, die je ein Rad der Vorderachse
A1 beaufschlagen, auf. An der Hinterachse A2 ist nur ein Brems
steller für die Achse Ba2 angeordnet. Bei einer solchen Anord
nung wird das Fahrzeug an nur einer Achse gebremst, wenn an
einem der Bremssteller Ba1, Ba2 ein Fehler auftritt. Tritt an
einem der Lenksteller Lr1, Lr2 ein Fehler auf, so wird das
andere Rad der Vorderachse A1 noch gelenkt. Vorzugsweise ist
dabei durch konstruktive Maßnahmen sicherzustellen, daß beim
Auftreten eines Fehler die betroffene Betriebsbremse bzw. der
betroffene Lenksteller freigeschaltet ist. Aufgrund des an allen
Achsen bestehenden funktionalen Zusammenhangs zwischen der
Bremsfunktion an den Rädern der Achsen ist es nicht oder nur
eingeschränkt möglich, durch gezieltes Bremsen einzelner Räder
Giermomente zu erzeugen um so beim Auftreten eines Fehlers in
einem der Lenksteller weiterhin eine Lenkbarkeit aufrechtzuer
halten. Deshalb ist bei einer solchen Anordnung die Weiterfahrt
des Fahrzeugs allenfalls bei eingeschränkten Fahrgeschwindig
keiten (beispielsweise auf maximal 30 km/h) möglich. Es ist
jedoch auf jeden Fall sichergestellt, daß das Fahrzeug nach dem
Auftreten eines Fehlers vom Fahrer beherrschbar angehalten werden
kann.
Die Anordnung gemäß der Fig. 1b unterscheidet sich von der
Anordnung gemäß der Fig. 1a dadurch, daß die Lenkfunktion nicht
nur an der Vorderachse A1 sondern auch an der Hinterachse A2
durchgeführt wird. Die Lenkfunktion jeder Achse wird dabei durch
je einen Lenksteller La1, La2 durchgeführt, wobei jeder der
Lenksteller auf beide Räder der entsprechenden Achse einwirkt.
Beim Auftreten eines Fehlers in einem der Bremssteller Ba4, Ba5,
ist das Fahrzeug noch durch den anderen Bremssteller abbremsbar.
Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, daß beide
Fahrzeugachsen unabhängig voneinander gelenkt sind. Tritt ein
Fehler in einem der Lenksteller auf, so ist noch immer eine der
Fahrzeugachsen gelenkt. In der Recheneinheit muß dies zwar
entsprechend berücksichtigt werden, das Fahrzeug bleibt jedoch
fahrbar. Diese Anordnung ist somit in Bezug auf das Auftreten
eines Fehlers in einem der Lenkstellers fehlertolerant.
Die Anordnung der Fig. 1c unterscheidet sich dadurch von der
Anordnung gemäß der Fig. 1a, daß anstelle des Bremsstellers
Ba1, der an beiden Rädern der Vorderachse A1 eine in einem funk
tionalen Zusammenhang stehende Bremsfunktion ausführt, zwei
jeweils auf nur ein Rad der Achse einwirkende, unabhängig von
einander arbeitende Bremssteller Br1, Br2 verwendet werden. Beim
Auftreten eines Fehlers in dem Bremssteller Ba3 an der Hinter
achse A2 des Fahrzeugs wird das Fahrzeug noch über die Vorder
achse gebremst. Beim Auftreten eines Fehlers an einem der Brems
steller Br1, Br2 der Vorderachse A1 ist das Fahrzeug noch durch
den verbleibenden der beiden Bremssteller Br1, Br2 an der Vor
derachse A1 und durch den Bremssteller Ba3 an der Hinterachse
bremsbar. Da gegebenenfalls an der Vorderachse nur einseitig
gebremst wird, tritt ein Giermoment auf, das ein Drehen des
Fahrzeugs um die Hochachse in der Richtung auf die Seite, an der
das noch gebremste Vorderrad Rvr oder Rvl zur Folge hat. Dies
kann jedoch durch Vorgabe einer entsprechenden Sollenkwirkung
kompensiert werden. Beim Auftreten eines Fehlers in einem der
beiden Lenksteller Lr3, Lr4 kann in vorteilhafter Weise durch
Vorgabe unterschiedlicher Sollbremswirkungen für die Bremsstel
ler Br1, Br2 ein Giermoment erzeugt werden. Somit kann zumindest
teilweise, durch gezieltes einseitiges Bremsen das aufgrund des
Fehlers in einem der Lenksteller Lr3, Lr4 fehlende Lenkmoment
kompensiert werden. Somit wird eine verbesserte Handhabung des
Fahrzeugs beim Auftreten eines Fehlers in einem der Lenksteller
Lr3, Lr4 erreicht. Somit kann nach dem Auftreten eines Fehlers
in einem Lenksteller ein größerer Geschwindigkeitsbereich für
die weitere Nutzung des Fahrzeugs verwendet werden. Einzig das
Auftreten eines Fehlers, der gleichzeitig ein Bremssteller und
ein Lenksteller betrifft, ist so schwerwiegend, daß es sich emp
fiehlt, als sicheren Zustand nach dem Auftreten des Fehlers den
Fahrzeugstillstand anzustreben. Ein Anhalten des Fahrzeugs ist
jedoch in jedem Fall noch möglich, ohne daß an den Fahrer beson
dere Anforderungen gestellt werden müssen. Eine Weiterfahrt ist
dann auch bei eingeschränkter Fahrzeuggeschwindigkeit nicht sehr
empfehlenswert, obwohl dies prinzipiell dennoch möglich wäre.
Die Anordnung gemäß der Fig. 1d unterscheidet sich von der Anord
nung gemäß der Fig. 1c nur darin, daß zusätzlich an der Hinter
achse A2 eine Lenkfunktion mittels des auf beide Räder einwir
kenden Lenkstellers La3 durchgeführt wird. Somit ist sicherge
stellt, daß beim Auftreten eines Fehlers in einem der Lenkstel
ler Lr9, Lr10, La3 eine uneingeschränkte Lenkfunktion an einer
Fahrzeugachse durchführbar ist. Das Fahrzeug ist auch bezüglich
des Auftretens von Fehlern, die zwei der Lenksteller Lr9, Lr10,
La3 betreffen, fehlersicher. Spätestens in diesem Fall muß durch
Vorgabe von Sollbremswirkungen gezieltes, einseitiges Bremsen an
den Bremsstellern Br7, Br8 erfolgen, um ein Giermoment am Fahr
zeug zu erzeugen und so das fehlende Lenkmoment zu kompensieren.
Das Verhalten des Fahrzeugs beim Auftreten eines Fehlers in
einem der Bremssteller Br7, Br8, Ba6 ist analog zu dem beim
Auftreten des gleichen Fehlers in der Fig. 1c beschriebenen. Beim
Auftreten von Fehlern in zwei Stellsystemen, von denen eines
einer der Bremssteller Br7, Br8, Ba6 und der andere einer der
Lenksteller Lr9, Lr10, La3 ist, kann das Fahrzeug weiterhin
betrieben werden. Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß der Fig.
1c ist das Anhalten des Fahrzeugs als anzustrebender sicherer
Zustand nicht erforderlich. Zumindest in einem eingeschränkten
Geschwindigkeitsbereich ist dann noch die volle Fahrfähigkeit
gegeben. Somit ist das Brems- und Lenksystem gemäß dieser Anord
nung fehlertolerant gegenüber dem Auftreten eines Fehlers in ei
nem beliebigen Stellsystem und zumindest fehlersicher gegenüber
dem Auftreten von Fehlern in zwei beliebigen Stellsystemen.
Den größten Grad der Fehlertoleranz bzw. Fehlersicherheit gegen
über dem Auftreten von Fehlern in mehreren Stellsystemen weist
die Anordnung gemäß der Fig. 1e auf. Hierbei ist an jedem Rad
ein Lenksteller Lr5, Lr6, Lr7, Lr8 und ein Bremssteller Br3,
Br4, Br5, Br6 angeordnet, die jeweils unabhängig von auf andere
Räder einwirkenden Stellsystemen arbeiten. Fehlertoleranz ist
bis zum Auftreten von Fehlern in zwei beliebigen Stellsystemen
gegeben. Beim Auftreten von Fehlern in drei Stellsystemen ist
dann noch ein uneingeschränkter Fahrbetrieb möglich, wenn minde
stens ein Lenksteller und mindestens 1 Bremssteller ausgefallen,
d. h. von einem Fehler betroffen ist. Treten Fehler auf, die
drei Lenksteller oder drei Bremssteller betreffen, ist das Fahr
zeug bis zum Stillstand sicher abbremsbar. Eine Weiterfahrt mit
dem Fahrzeug sollte dann jedoch vermieden werden.
Die Anordnungen der Fig. 1a, 1c und 1d sind gegenüber dem
Austauschen von Vorderachse und Hinterachse nicht symmetrisch.
Selbstverständlich weist bezüglich der Fehlersicherheit ein
System, das sich nur dadurch unterscheidet, daß "A1" anstelle
der Vorderachse die Hinterachse und entsprechend "A2" nicht die
Hinterachse sondern die Vorderachse bezeichnet, die gleichen Ei
genschaften auf und ist daher von diesem Gesichtspunkt aus eben
so realisierbar.
Ist gemäß den Ansprüchen 17 und 18 die Antriebseinrichtung an
den Rädern wenigstens einer Achse des Fahrzeugs unabhängig von
den anderen Antriebseinrichtungen so kann auch durch unter
schiedliche Antriebsleistung an beiden Fahrzeugseiten ein Gier
moment erzeugt werden, wodurch ein Ausfall eines Lenkstellers
analog zur Kompensation durch eine Bremsfunktion durchgeführt
werden kann. Dadurch wird die Fehlersicherheit bezüglich des
Ausfalls von Lenkstellern oder Bremsstellern noch erhöht, der
Ausfall einer größeren Anzahl von Einzelkomponenten kann zumin
dest so kompensiert werden, daß ein beherrschbarer Fahrzeugzu
stand bis zum Erreichen des sicheren Zustands gewährleistet ist.
Über das Auftreten eines Fehlers im Brems- und Lenkungssystem
ist der Fahrer zu informieren, so daß dieser zur Behebung des
Fehlers eine Werkstatt aufsuchen kann.
Die Fig. 2 zeigt in Form eines Schemas, die gesamte Anordnung
des erfindungsgemäßen Brems- und Lenksystems. Dabei sind die
Stellsysteme an den Rädern als Module M1 bis M4 dargestellt, wo
bei jedem Rad ein Modul zugeordnet ist. Jedes der Module umfaßt
die Stellglieder, die dem entsprechenden Rädern zugeordnet sind.
Ein Beispiel für ein Modul ist in der Fig. 3 dargestellt. Die
Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie wird nachfol
gend als Fahrzeugbatterie 1 bezeichnet. Es handelt sich dabei
nicht nur um eine Fahrzeugbatterie, sondern in der Regel um das
Gesamtsystem Fahrzeugbatterie und Generator. Die Fahrzeugbat
terie 1, die abweichend von der zeichnerischen Darstellung auch
redundant ausgeführt werden kann, dient sowohl den Modulen M1
bis M4 als Energieversorgung als auch der Recheneinheit 3. Die
Recheneinheit 3 ist mit dem fehlertoleranten
Kommunikationssystem 2, das hier als redundant ausgeführter
Datenbus schematisch dargestellt ist, verbunden. Dabei ist bei
der redundanten Ausführung zu beachten, daß nicht wie hier
dargestellt, eine parallele Verlegung der Datenbuskabel
stattfindet, sondern daß möglichst getrennte Verlegewege gewählt
werden. Die Recheneinheit 3 besteht gemäß der dargestellten Aus
führung aus drei gleiche Rechenwerken 4, 5 und 6. Der Rechenein
heit werden die von Sensoren gemessenen Größen beispielsweise
des Lenkwinkels (des Lenkrades) α, der Stellung des Gaspedals
(Sg), der Stellung des Bremspedals (Sb), des Schwimmwinkels β,
der Raddrehzahlen ωi und der Fahrzeuggeschwindigkeit v zuge
führt. Nachdem in den drei Rechenwerken 4, 5, 6 die gleichen
Algorithmen durchgeführt werden, stimmen im fehlerfreien Betrieb
die ermittelten Sollwerte überein. Beim Auftreten eines Fehlers
in einem der Rechenwerke weichen die in diesem Rechenwerk ermit
telten Ergebnisse von den in den beiden anderen Rechenwerken
ermittelten Ergebnissen ab. Somit kann erkannt werden, ob und in
welchem der Rechenwerke ein Fehler aufgetreten ist. Das entspre
chende Rechenwerk wird nachfolgend solange nicht mehr berück
sichtigt, bis eine Überprüfung oder eine Reparatur ausgeführt
wurde. Ein kurzzeitiges Abweichen der Ergebnisse (z. B. weniger
als 0,1 s) muß dabei nicht unbedingt als Fehler gewertet werden,
sofern die Ergebnisse anschließend wieder über eine längeren
Zeitraum hinweg übereinstimmen. Sind die Rechenwerke
fail-silent, genügt eine einfache Redundanz, d. h. eine zweikanalige
Ausführung um die Fehlertoleranz zu erreichen. Die fehlertole
rante Energieversorgung wird einerseits durch die Verbindung mit
der Fahrzeugbatterie 1 und andererseits durch jeweils einen in
dem Radmodul angeordneten weiteren Energiespeicher sicherge
stellt.
Die Fig. 3 zeigt die Darstellung der Elemente an Hand des Moduls
M1 der Fig. 2. Die Energieversorgung des Moduls erfolgt einer
seits über den Anschluß an die Fahrzeugbatterie 1, die Redundanz
wird durch den Energiespeicher 8 hergestellt. Die im Energie
speicher 8 eingespeiste Energie wird entweder über das Bordnetz
und somit von der Lichtmaschine zugeführt. Andererseits ist es
möglich, sich von der Lichtmaschine abzukoppeln, indem eine
Rekuperationsbremse 9 zumindest teilweise als Betriebsbremse
genutzt wird. Sobald der Energiespeicher 8 gefüllt ist, kann
zusätzliche erzeugte Energie in das Bornetz eingespeist werden
und damit entweder die Recheneinheit 3 mit Energie versorgt wer
den oder die Fahrzeugbatterie 1 geladen werden. Somit kann die
Fahrzeugbatterie 1 auch beim Ausfall der Lichtmaschine geladen
werden, da andere Spannungsquellen im Fahrzeug zur Verfügung
stehen. Alternativ oder zusätzlich zu der Rekuperationsbremse
kann an dem Rad dem das Modul zugeordnet ist, ein Wandler 9
angeordnet sein. Der Wandler wandelt die kinetische Energie des
Rades in eine speicherbare Energieform um und speist den Ener
giespeicher 8 und eventuell die Fahrzeugbatterie 1. Weist sowohl
der Energiespeicher 8 als auch die Fahrzeugbatterie 1 einen
genügenden Ladezustand auf, so kann der Wandler 9 abgekoppelt
werden. Der Wandler 9 kann beispielsweise ein Generator zur
Erzeugung elektrischer Energie oder eine Pumpe zu Erzeugung
einer Druckdifferenz sein. Der Energiespeicher 8 ist dem ent
sprechend entweder ein Akkumulator oder ein Druckspeicher.
Gegebenenfalls kann auch die Energie der Bewegung des Rades
relativ zur Fahrzeugkarosserie und in Richtung der Hochachse des
Fahrzeugs gewandelt und gespeichert werden.
Das dargestellte Modul M1 ist nicht nur zur Ausführung einer
Bremsfunktion und einer Lenkfunktion geeignet, es ist auch zur
Durchführung einer Antriebsfunktion und einer aktiven Federungs
funktion ausgestaltet. Die Sollwerte (Sollenkwinkel, Sollbrems
wirkung, Sollfederwege und Sollantriebswirkung) aufgrund derer
diese Funktionen durchgeführt werden und gegebenenfalls Sensor
signale werden dem Radmodul M1 über die fehlertolerante Kommuni
kationseinrichtung, den Datenbus 2, zugeführt. In einem Steuer
rechner 7 werden aufgrund der übermittelten Sollwerte die Stell
größen ermittelt. Dabei kann es sich bei der Ermittlung der
Stellgrößen sowohl um eine Steuerung als um eine Regelung han
deln. Aufgrund der übermittelten Sollbremswirkung wird die Be
triebsbremse betrieben. Soll eine Bremsung stattfinden, so kann
zunächst über die Rekuperationsbremse 9 eine Bremswirkung er
zeugt. Ist die so erzeugte Bremswirkung nicht ausreichend, so
wird als weiterer Teil der Betriebsbremse eine Scheibenbremse 12
benutzt, wobei der Bremsdruck z. B. durch eine hydraulische
Druckquelle 10 erzeugt wird und in die Radbremszylinder 11
eingespeist wird.
Ist eine Rekuperationsbremse 9 nicht vorhanden, so dient allein
die hydraulische Scheibenbremse 12 als Betriebsbremse. Der er
zeugte Bremsdruck wird durch den Steuerrechner 7 bestimmt. Eben
so wird zur Steuerung bzw. Regelung der Bremswirkung der Rekupe
rationsbremse 9 der von ihr erzeugte Strom von dem Steuerrechner
7 bestimmt.
Zur Durchführung der aktiven Federungsfunktion (aktive und/oder
teilaktive Federung) wird aufgrund des ermittelten Sollfederwegs
die diesem Rad zugeordnete Federung gesteuert. Dazu werden die
verstellbaren Federelemente 13 des Rads entsprechend mit Druck
aus der hydraulischen Druckquelle 14 versorgt.
Dabei kann das Radmodul eine einzige hydraulische Druckquelle
und gegebenenfalls einen lokalen Druckspeicher aufweisen, wobei
im Betrieb des Moduls der Steuerrechner 7 über Steuerventile die
Druckzufuhr zu einzelnen druckbetriebenen Stellgliedern steuert.
Zur Durchführung der Lenkungsfunktion dienen die Lenksteller 15,
16, die über das Lenkgestänge 18 an dem entsprechenden Rad an
greifen. Der zu erzeugende Lenkwinkel des Rades wird aufgrund
der Sollenkwirkung und dem Ist-Lenkwinkel in dem Steuerrechner
17 bestimmt und von den Steuereinheiten 17, 17′ gesteuert über
die Lenksteller 15, 16 erzeugt.
Die Antriebsfunktion wird aufgrund der dem Steuerrechner 7 über
mittelten Sollantriebswirkung durchgeführt. Aufgrund der Sollan
triebswirkung und des tatsächlichen Antriebsmoments wird der
Radnabenmotor 19 über das Leistungssteuergerät 20 gesteuert. Die
Antriebsenergie für den Radnabenmotor 19 stammt aus einer An
triebsbatterie 21, die entweder gleichzeitig das Bordnetz ver
sorgt, oder die von dem Bordnetz vollkommen unabhängig ist.
Die Module sind vorzugsweise so aufgebaut, daß die einzelnen
Stellglieder an dem entsprechenden Rad oder, wenn über ein Modul
beide Räder einer Achse beaufschlagt werden, an der entsprechen
den Achse angeordnet sind. In möglichst großer Nähe zu den
Stellgliedern sind der Steuerrechner 7, der Energiespeicher 8,
die hydraulische Druckquellen 10, 14, die Steuereinheiten 17,
17′ und das Leistungssteuergerät 20 in einem gemeinsamen Modul
gehäuse angeordnet. Das Modulgehäuse schützt die Elemente des
Moduls vor den Umwelteinflüssen. Gleichzeitig bildet das Modul
gehäuse mit seinem Inhalt die kleinste austauschbare Einheit,
sofern in einem seiner Elemente ein Fehler auftritt. Dadurch
wird eine große Vereinfachung in der Montage des Fahrzeugs, in
der Lagerhaltung für Ersatzteile und in der Reparatur erreicht.
Claims (25)
1. Brems- und Lenksystem für ein Fahrzeug,
wobei das Fahrzeug mindestens zwei Achsen (A1, A2) aufweist, wobei an jeder Achse für jedes Rad eine Bremsfunktion und an zumindest einer Achse eine Lenkfunktion durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine fehlertolerante - vorzugsweise redundante - Recheneinheit (3) vorgesehen ist, in der für jedes Rad eine Sollbremswirkung und für jedes Rad mit Lenkfunktion eine Sollenkwirkung aufgrund von Sensorsignalen (Sb, Sg, v, ωi, α, β) ermittelt wird,
wobei die Bremsfunktion und die Lenkfunktion aufgrund der ermittelten Sollbremswirkung und Sollenkwirkung mittels Stellsystemen geregelt bzw. gesteuert wird, das Stellsystem für die Bremsfunktion eine Betriebsbremse (11) und für die Lenkfunktion zusätzlich einen Lenksteller (15, 16) beinhaltet, wobei die Stellsysteme mittels einer fehlertoleranten Kommunika tionseinrichtung (2) mit der Recheneinheit (3) verbunden sind und
wobei das Fahrzeug eine fehlertolerante Energieversorgung für die Stellsysteme und die Recheneinheit (3) aufweist.
wobei das Fahrzeug mindestens zwei Achsen (A1, A2) aufweist, wobei an jeder Achse für jedes Rad eine Bremsfunktion und an zumindest einer Achse eine Lenkfunktion durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine fehlertolerante - vorzugsweise redundante - Recheneinheit (3) vorgesehen ist, in der für jedes Rad eine Sollbremswirkung und für jedes Rad mit Lenkfunktion eine Sollenkwirkung aufgrund von Sensorsignalen (Sb, Sg, v, ωi, α, β) ermittelt wird,
wobei die Bremsfunktion und die Lenkfunktion aufgrund der ermittelten Sollbremswirkung und Sollenkwirkung mittels Stellsystemen geregelt bzw. gesteuert wird, das Stellsystem für die Bremsfunktion eine Betriebsbremse (11) und für die Lenkfunktion zusätzlich einen Lenksteller (15, 16) beinhaltet, wobei die Stellsysteme mittels einer fehlertoleranten Kommunika tionseinrichtung (2) mit der Recheneinheit (3) verbunden sind und
wobei das Fahrzeug eine fehlertolerante Energieversorgung für die Stellsysteme und die Recheneinheit (3) aufweist.
2. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Rad zumindest einer der Achsen (A1, A2), an denen eine
Lenkfunktion durchgeführt wird, jeweils mit einem, unabhängig
von den anderen Lenkstellern arbeitenden Lenksteller (Lr1, . . .,
Lr10) wirkverbunden ist.
3. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Räder zumindest einer der Achsen (A1, A2), an der eine
Lenkfunktion durchgeführt wird, mit einem gemeinsamen
Lenksteller (La1, La2, La3) wirkverbunden sind.
4. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fahrzeug wenigstens 2 unabhängig voneinander arbeitende,
mit verschiedenen Rädern wirkverbundene Lenksteller aufweist.
5. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Räder zumindest einer der Achsen (A1, A2), jeweils mit
einer, unabhängig von den anderen Betriebsbremsen arbeitenden
Betriebsbremse (Br1, . . ., Br8) wirkverbunden sind.
6. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Betriebsbremsen (Ba1, . . ., Ba6) der Räder
zumindest einer der Achsen (A1, A2) ein funktionaler
Zusammenhang - insbesondere eine gemeinsame Bremsdruckquelle -
besteht.
7. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fahrzeug wenigstens 2 unabhängig voneinander arbeitende,
mit Rädern verschiedene Achsen wirkverbundene Betriebsbremsen
aufweist.
8. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Räder der Achsen (A1, A2), an denen eine Lenkfunktion
durchgeführt wird, mit unabhängig von anderen Betriebsbremsen
arbeitenden Betriebsbremsen (Br1, . . ., Br8) wirkverbunden sind.
9. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Räder der Achsen, an denen keine Lenkfunktion ausgeführt
wird, mit Betriebsbremsen (Ba1, . . ., Ba6) wirkverbunden sind,
die in einem funktionalen Zusammenhang - insbesondere in
Verbindung mit einer gemeinsamen Bremsdruckquelle - zueinander
stehen.
10. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die fehlertolerante Energieversorgung aus einer
Fahrzeugbatterie (1) und zumindest einem weiteren
Energiespeicher (8) im Fahrzeug besteht, wobei die dem einzelnen
Rad zugeordneten Stellsysteme durch zumindest zwei voneinander
unabhängige Speicher für Energie versorgt sind.
11. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß jedem Stellsystem für die Bremsfunktion (Br1, . . ., Br8, Ba1, . . .,
Ba6) ein von den anderen Energiespeichern unabhängiger
Energiespeicher (8) zugeordnet ist.
12. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Energiespeicher (8), der das Stellsystem für die
Bremsfunktion eines bestimmten Rades einer Achse (A1, A2), an
der eine Lenkfunktion durchgeführt wird, versorgt, auch das
Stellsystem (Lr1, . . ., Lr10, La1, La2, La3) für die
Lenkfunktion, das diesem Rad zugeordnet ist, versorgt.
13. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Energiespeicher (8), die einem einzelnen Rad zugeordnet
sind, zumindest teilweise durch bei Bremsvorgängen aus der
Bewegungsenergie des entsprechenden Rades zurückgewonnenen
elektrischen Energie aufgeladen werden.
14. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Energiespeicher (8) aus der kinetischen
Energie eines Rades aufladbar ist.
15. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jedes Rad eine aktive Federungsfunktion - insbesodere
mittels einer aktiven oder teilaktiven Federung - durchgeführt
wird, wobei in der Recheneinheit für jedes Rad Sollfederwege
aufgrund von Sensorsignalen ermittelt werden, wobei die aktive
Federungsfunktion aufgrund der ermittelten Sollfederwege mittels
Federstellern (13) geregelt bzw. gesteuert wird.
16. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest für die Räder einer Achse (A1, A2) des Fahrzeugs
eine Antriebsfunktion mittels einer - insbesondere elektrischen
- Antriebseinrichtung (19) durchgeführt wird, wobei in der
Recheneinrichtung (7) für die Räder mit Antriebsfunktion eine
Sollantriebswirkung ermittelt wird und wobei die
Antriebsfunktion aufgrund der ermittelten Sollantriebswirkung
gesteuert bzw. geregelt ist.
17. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß an zumindest einer der Achsen (A1, A2) mit Antriebsfunktion
für jedes Rad eine von den anderen Antriebseinrichtungen
unabhängige Antriebseinrichtung (19) angeordnet ist.
18. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß an zumindest einer der Achsen (A1, A2) mit Antriebsfunktion
eine auf beide Räder der Achse gleich einwirkende
Antriebseinrichtung angeordnet ist.
19. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die einem bestimmten Rad zugeordneten Stellsysteme sowie die
zugehörige Steuerung (7) sowie der ausschließlich dieses Rad
versorgende weitere Energiespeicher (8) zu einem Modul (M1, M2,
M3, M4) zusammengefaßt sind.
20. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die allen Rädern einer bestimmten Achse (A1, A2)
zugeordneten Stellsysteme sowie die zugehörige Steuerung sowie
der ausschließlich diese Achse versorgende weitere
Energiespeicher zu einem Modul zusammengefaßt sind.
21. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß das fehlertolerante Kommunikationssystem (2) ein Datenbus
ist.
22. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Datenbus (2) redundant ausgebildet ist.
23. Brems- und Lenksystem nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Datenbus (2) als Ring oder als Stern ausgebildet ist.
24. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die fehlertolerante Recheneinheit (3) aus zumindest drei,
unabhängig voneinander arbeitenden, identischen Rechenwerken
(4, 5, 6) besteht, auf denen unabhängig voneinander aufgrund der
allen Rechenwerken (4, 5, 6) zugeführten Sensorsignalen zumindest
die Sollbremswirkung und die Sollenkwirkung ermittelt wird.
25. Brems- und Lenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23
dadurch gekennzeichnet,
daß die fehlertolerante Recheneinheit (3) aus zumindest zwei
unabhängig voneinander arbeitenden Rechenwerken (4, 5, 6) besteht,
wobei jedes der Rechenwerke (4, 5, 6) die Fail-silent Eigenschaft
aufweist und wobei in jedem der Rechenwerke (4, 5, 6) unabhängig
voneinander aufgrund der allen Rechenwerken (4, 5, 6) zugeführten
Sensorsignalen zumindest die Sollbremswirkung und die
Sollenkwirkung ermittelt wird.
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