DE19747093A1 - Verfahren zum elektrisch betätigten Bremsen eines Kraftfahrzeugs und elektrisch betätigte Bremsanlage - Google Patents
Verfahren zum elektrisch betätigten Bremsen eines Kraftfahrzeugs und elektrisch betätigte BremsanlageInfo
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Description
Neue Anforderungen an die Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen -
wie zum Beispiel Antiblockiersysteme, Fahrstabilitätsregelun
gen, Traktionskontrollen oder Antriebsschlupfregelungen, so
genannte intelligente Tempomaten usw. - haben zusammen mit
der Forderung nach einer Reduzierung der Montage- und War
tungskosten zu der Entwicklung neuer, rein elektrisch gesteu
erter und betätigter Bremssysteme (auch als Break-by-wire be
zeichnet) geführt (siehe zum Beispiel DE 195 48 392 A1).
Auch bei rein elektrisch betätigten Bremsanlagen sollte ein
Blockieren eines gebremsten Rades verhindert werden, das
heißt sie müssen mit einem Antiblockiersystem (ABS) versehen
sein. Ein solches System hat Gemeinsamkeiten mit herkömmli
chen Antiblockiersystemen bei hydraulischen oder teilhydrau
lischen Bremsanlagen, es unterscheidet sich von diesen aber
insbesondere bezüglich der Aktoren. Bei elektrischen Bremsan
lagen werden kontinuierlich arbeitende Stellglieder verwen
det, um den Radbremsdruck aufzubringen. Für ein möglichst
wirksames aber blockierfreies Bremsen ist aber die genaue
Kenntnis des Reibbeiwertes oder Reibungskoeffizienten zwi
schen dem Reifen und der Fahrbahn wichtig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Bremsen mit elektrisch betätigten Bremsanlagen und eine zuge
hörige Bremsanlage zu schaffen, die sich der Vorteile einer
genauen Kenntnis des Reibbeiwertes Rad-Fahrbahn bedienen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach
Anspruch und eine Bremsanlage nach Anspruch 8 gelöst. Zweck
mäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen niedergelegt.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die
Kenntnis des Reibbeiwertes eine genaue Regelung mit geringer
Druckmodulation ergibt, da die maximal erreichbare Verzöge
rung und damit ein maximal umsetzbarer Bremsdruck bestimmt
werden können. Außerdem kann der Reibbeiwert als Eingangsgrö
ße für ein Zweispur-Fahrzeugmodell verwendet werden. Mit die
sem Modell können aus den Eingangsgrößen Raddrehzahlen, Lenk
winkel und Reibbeiwerte, wesentliche Fahrzeugparameter be
rechnet werden, welche für verschiedene Fahrzeugfunktionen
benutzt werden können (zum Beispiel Schlupfberechnung für ABS
und Schwimmwinkelberechnung für Fahrdynamikregelung).
Bei einer analogen Regelung des Bremsvorgangs in einem Kraft
fahrzeug ist die Kenntnis des Reibbeiwerts besonders nütz
lich. Erstens kann mit einer Information über den Reibbeiwert
die Schlupfberechnung verbessert werden und zweitens kann die
Regelungsgüte deutlich verbessert werden, indem der Brems
solldruck oder die Bremssollkraft auf einen an die Reibver
hältnisse angepaßten-Wert gebracht wird. So ist etwa bei ei
nem Reibwert von µ = 1 für ein gegebenes Kraftfahrzeug ein
Blockierdruck von 100 bar erforderlich, bei einem Reibwert µ
= 0,5 beträgt der Blockierdruck hingegen nur etwa 50 bar.
Hieraus ist ersichtlich, daß es nicht sinnvoll ist, einen hö
heren Bremsdruck aufzubringen, solange sich die Reibverhält
nisse zwischen dem Rad und der Fahrbahn nicht ändern.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an
hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine elektrisch gesteuerte und betätigte Bremsanla
ge eines Kraftfahrzeugs, und
Fig. 2 ein Strukturdiagramm eines in der Bremsanlage nach
Fig. 1 ablaufenden Verfahrens.
Eine Bremsanlage 1 (Fig. 1) für ein Kraftfahrzeug mit vier
Rädern, das hier nicht weiter dargestellt ist, schließt vier
Bremsen 2 ein, die je eine Bremsscheibe 3 und eine Betäti
gungsvorrichtung in Gestalt eines Radbremsaktors 4 - im fol
genden auch als Radbremsaktuator oder nur Aktor bezeichnet -
aufweisen. Die Radbremsaktoren 4 sind in je einen zugehörigen
Bremssattel 5 integriert, das heißt mit ihm zu einer Einheit
zusammengefaßt. Der Bremssattel 5 ist als Schwimmsattel aus
gebildet, über Bremsbeläge 6 wird bei Betätigung des Rad
bremsaktors 4 ein Bremsmoment auf die Bremsscheibe 3 ausge
übt.
Die Radbremsaktoren 4 werden von einer Batterie 8 über Ver
sorgungsleitungen 9 mit elektrischer Energie versorgt.
Ein elektronisches Steuergerät 10 wertet Signale von Raddreh
zahlsensoren 12 aus, die an jedem Rad vorgesehen sind. Deren
Signale gelangen über Signalleitungen 14 zu dem Steuergerät
10. Das Steuergerät 10 ist auch mit einem Bremswertgeber oder
Pedalsimulator 15 verbunden, der von dem Fahrer des Kraft
fahrzeugs über ein Pedal 16 betätigt wird. Der Pedalkraftsi
mulator 15 setzt die Bewegung des Bremspedals 16, das heißt
die von dem Fahrer wie gewohnt ausgeübte Kraft und den Pedal
weg in elektrische Signale um, die dem Steuergerät 10 über
Signalleitungen 20 zugeführt werden. Die Pedalbetätigung wird
durch mehrere Sensoren, zum Beispiel einem oder zwei Wegsen
soren 18 und einem oder zwei Drucksensoren 19 in elektrische
Signale umgewandelt, die über Signalleitungen 20 zu dem Steu
ergerät 10 gelangen und dort ausgewertet werden.
Das Steuergerät ermittelt aus den Sensorsignalen Sollwerte
für die Bremsbetätigung und übermittelt sie über Leitungen 22
an die einzelnen Radbremsaktoren 4. Zum Berechnen der Soll
werte für die Radbremsaktoren bei einem Eingriff von Anti
blockier- oder Fahrstabilitätsregelungen werden von dem Steu
ergerät 10 weitere Sensorsignale ausgewertet, zum Beispiel
die Signale der Raddrehzahlsensoren 12 und Signale von Quer
beschleunigungs- und Gierwinkelgeschwindigkeitssensoren, die
hier, da sie für sich bekannt sind, nicht weiter erläutert
werden.
Die Radbremsaktoren 4 können an jedem Rad oder auch nur an
Gruppen von Rädern vorgesehen sein. Sie werden elektrisch
kontinuierlich betätigt oder gestellt und sie erzeugen für
jedes Rad oder für jede Radgruppe einen unabhängigen Brems
druck.
In dem elektronischen Steuergerät 10 werden folgenden Berech
nungen durchgeführt (Fig. 2):
- a) Aus Signalen, die von den Raddrehzahlsensoren 12 geliefert werden, werden der Radschlupf und die Radbeschleunigung für jedes Rad berechnet.
- b) Es wird der jeweilige Bremsdruck beim Überschreiten eines ersten Schwellwertes S1 für den Radschlupf oder eines ersten Schwellwerts B1 für die Radbeschleunigung (Schwellenbedingung 1) gespeichert.
- c) Es wird eine ABS-Regelung, das heißt eine Bremsdruckrege lung, durch die ein Blockieren der gebremsten Räder verhin dert wird, durchgeführt.
- d) Der gespeicherte Bremswert wird beim Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes S2 für den Schlupf oder eines zweiten Schwellwerts B2 (Schwellenbedingung 2) für die Radbeschleuni gung nach einem vorgegebenen Zusammenhang erhöht.
- e) Durch einen Vergleich des gespeicherten Bremsdruckwertes und einem für das jeweilige Kraftfahrzeug gespeicherten Wer tes des Blockierdruckes bei trockener Straße wird der Reib beiwert berechnet oder geschätzt.
- f) Der gespeicherte Bremsdruck wird als Zielwert für die ABS- Regelung verwendet und damit ein besseres Regelverhalten (mit kleiner Druckmodulation) erreicht.
Die Schritte a) bis f) werden als Schleife fortlaufend abge
arbeitet.
Die Raddrehzahlsensoren 12 an jedem Rad übermitteln ein Rad
drehzahlsignal an das Steuergerät 10. Aus diesen Raddrehzah
len wird in bekannter Weise der Radschlupf ermittelt, indem
zum Beispiel eine Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit aus dem am
schnellsten nicht angetriebenen Rad unter Berücksichtigung
von Lenkeinschlägen ermittelt wird und der Schlupf eines Ra
des als Verhältnis zwischen gemessener Raddrehzahl und Fahr
zeugreferenzgeschwindigkeit berechnet wird. Für jedes Rad
wird außerdem ein Soll-Bremsdruck oder eine Soll-Bremskraft
als Bremswunsch von dem Fahrer oder von einem elektronischen
Bremssystem (zum Beispiel einer Fahrdynamiksteuerung) er
zeugt. Mit einem von der vorliegenden Erfindung nicht berühr
ten Algorithmus wird das Blockieren eines Rades verhindert,
indem dieser Sollwert vermindert wird.
Unabhängig von diesem Algorithmus wird der Reibbeiwert Rei
fen-Fahrbahn erfindungsgemäß wie folgt ermittelt:
Bei Überschreiten eines fest vorgegeben Schlupfschwellwerts
S1 und/oder eines vorgegeben Radbeschleunigungsschwellwerts
B1 wird der aktuelle von den Radbremsaktoren 4 erzeugte Ist
druck gespeichert. Dieser gespeicherte Wert wird solange bei
behalten bis ein zweiter Schlupfschwellwert S2 und/oder ein
Radbeschleunigungsschwellwert B2 für einen definierten Zeit
raum unterschritten wird. Danach wird der gespeicherte Wert
mit einem definierten Anstiegsverlauf an den vom Fahrer oder
anderweitig vorgegebenen Sollwert angenähert. Die Annäherung
kann nach einem vorgegebenen exponentiellen Anstiegsverlauf
erfolgen, oder aber nach einem von den Parametern Fahrzeugge
schwindigkeit, aktuelles Druckniveau und Dauer der Schwell
wertunterschreitung abhängigen Verlauf.
Die Schwellwerte S1 und B1 werden dabei so gewählt, daß eine
beginnende Radblockierung sicher erkannt wird, eine gleich
zeitig stattfindende ABS-Regelung den Druck aber noch nicht
zu stark beeinflußt. Die zweiten Schwellwerte S2 und B2 und
die zugehörige Zeitbedingung werden so gewählt, daß das Ende
der Bockierneigung sicher erkannt wird.
Der Istdruck pIst beim Überschreiten des Schwellwerts zu Be
ginn einer Blockierneigung des Rades stellt ein Maß für die
maximal auf die Fahrbahn übertragbare Bremskraft dar. Setzt
man diesen Wert in Beziehung zu einem für das Fahrzeug typi
schen Grenzdruck bei einem Reibbeiwert von µ = 1 erhält man
einen Schätzwert µS für den aktuellen Reibwert.
Die Berechnung wird für alle geregelten Räder einzeln durch
geführt und aus allen Ergebnissen wird dann ein Mittelwert
gebildet.
Folgendes muß in Zusammenhang mit der Gleichung (1) berück
sichtigt werden:
- I) Bremsen-Fading: Bei Erwärmung der Bremse läßt die Brems wirkung bei gleichbleibendem Bremsdruck nach. Der Reibwert würde also zu hoch geschätzt werden. Dies kann z. B. mit Hilfe einer aus den Raddrehzahlen berechneten Fahrzeugverzögerung korrigiert werden.
- II) Der Einfluß des Beladungszustand des Fahrzeugs muß be rücksichtigt werden.
- III) Der Einfluß einer Kurvenfahrt (Entlastung und Belastung einzelner Räder) wird durch die Mittelwertbildung zwischen den Rädern bereits weitgehend eliminiert. Ab einer fahrzeu gabhängigen Kurvengeschwindigkeit ist der Reibbeiwert nicht mehr gültig.
- IV) Der Einfluß des Neigungswinkels der Fahrbahn kann in ei nem weiten Bereich vernachlässigt werden.
Die Qualität der Schätzung hängt also von verschiedenen Para
metern ab. Für eine grobe Schätzung (20% Genauigkeit) bis µ =
0.1 reicht die Berücksichtigung des Fadings und der Beladung
aus. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil,
daß eine effektive Bremsensteuerung bei einem elektrischen
Bremssystem einfach und sicher durchzuführen ist und daß dazu
keine zusätzlichen Sensoren erforderlich sind. Außerdem hat
es sich als günstig erwiesen, den gespeicherten Reibbeiwert
zu erneuern, wenn ein dritter Schwellwert S3 oder B3 über
schritten wird. S3 und B3 sind dabei relativ hohe Werte in
der Nähe der Radblockierung.
Dieser so ermittelte Reibbeiwert wird dazu verwendet, den bei
der ABS-Regelung einzuregelnden Sollwert des Bremsdrucks ein
zustellen. Dadurch kann eine höhere Regelgüte erreicht wer
den, indem der von der Korrektur beeinflußte, von dem Fahrer
vorgegebene Bremssollwert zuerst an den Reibwert angepaßt
wird. Wird zum Beispiel ein Reibwert von µ = 0.5 geschätzt,
ist ersichtlich, daß die ABS-Regelung, wenn der Blockierdruck
bei einem Reibbeiwert von µ = 1 100 bar beträgt, zweckmäßi
gerweise mit einem Solldruck von ca. 0,5 × 100 bar + k% ar
beitet. Darin ist k ein Zuschlag von ca. 10 bis 30%, um Un
genauigkeiten der Schätzung auszugleichen.
Aus dem für die Blockierverhinderungsregelung ermittelten
Reibbeiwert µS werden mit der nachfolgenden dimensionsbehaf
teten Gleichung (2) die erreichbare Verzögerung a und der oh
ne Blockierneigung erreichbare Bremsdruck ermittelt. Damit
wird eines besseres Regelverhalten mit einer kleineren Druck
modulation erhalten.
Ein weiterer zu beachtender Punkt ist: Wenn der von der ABS-
Regelung angestrebte Sollwert durch die µ-Schätzung beein
flußt wird, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein ho
mogener Reibwert oder ein sich verkleinernder Reibwert gut
geschätzt werden. Ein sich vergrößernder Reibwert ist aller
dings nur langsam festzustellen, und zwar abhängig von der
Erhöhungsrate nach Unterschreiten der Schlupfschwelle.
Deshalb ist der Anstieg des gespeicherten Reibbeiwertes nach
Unterschreiten der Schwellen S2 und/oder B2 so steil zu wäh
len, daß bei einem raschen Wechsel von einem niedrigen Reib
wert auf einen hohen Reibwert der höhere Wert schnell genug
erreicht wird, um ein längeres Unterbremsen infolge eines zu
langsamen Aufbaus zu vermeiden. Andererseits sollte der An
stieg nicht so steil sein, daß die Regelung dadurch zu unru
hig wird durch ständiges Überschreiten der Blockiergrenze.
In dieser Beschreibung ist weitgehend der Begriff Bremsdruck
verwendet worden, dieser ist aber äquivalent zu dem Begriff
Bremskraft. Beide Größen stehen in einem festen Verhältnis
zueinander, der von den geometrischen Abmessungen der Bremse
abhängt.
Claims (8)
1. Verfahren zum elektrisch betätigten Bremsen eines Kraft
fahrzeugs, das folgende Schritte einschließt
- - Radgeschwindigkeiten der einzelnen Räder des Kraftfahrzeugs werden mit Radsensoren gemessen;
- - elektrische, kontinuierlich wirkende Radbremsaktoren werden einzeln gesteuert, so daß sie einen unabhängigen Bremsdruck an jedem Rad aufbringen;
- - in einem Steuergerät werden folgende Berechnungs- und Steu
ervorgänge durchgeführt:
- - der Radschlupf und die Radbeschleunigung werden für jedes Rad berechnet;
- - der jeweilige Istwert des Bremsdrucks bei Überschreiten eines vorgegebenen ersten Schwellenwerts für den Radschlupf- und/oder die Radbeschleunigung wird gespeichert;
- - der Quotient aus dem gespeicherten Istwert und einem für das Fahrzeug charakteristischen Druckwert für das betref fende Rad wird gebildet und damit der Reibbeiwert µ ge schätzt;
- - eine Blockierverhinderungsregelung des Bremsdrucks an den einzelnen Rädern wird anhand des geschätzten Reibbeiwertes nach einem vorgegebenen Algorithmus durchgeführt, und
- - der geschätzte Reibbeiwert wird beim Unterschreiten eines zweiten Schwellenwerts für den Radschlupf- und/oder die Rad beschleunigung gelöscht und der aktuelle Reibbeiwert bis zu dem Wert für eine trockene Fahrbahn erhöht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Radbremsdruck an einem einzelnen Rad nach Unterschreiten des
zweiten Schwellwerts bis zum Erreichen der ersten Schwell
werts erhöht wird und dann der Bremsdruck an den anderen Rä
dern auf den entsprechenden Wert erhöht wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Reibbeiwertschätzung ein ermit
teltes Bremsenfading berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Istwert des Bremsdrucks bei einem
Überschreiten eines dritten Schwellwerts, der über dem ersten
Schwellwert liegt, gespeichert und damit der zuerst ermittel
te Istwert überschrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß aus dem für die Blockierverhinderungsre
gelung ermittelten Reibbeiwert die erreichbare Verzögerung
und der ohne Blockierneigung erreichbare Bremsdruck ermittelt
werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Schätzwert für den Reibbeiwert (µS)
das Verhältnis des gespeicherten Istwerts des Bremsdrucks zu
dem Blockierdruck für das Rad bei µ = 1 verwendet wird.
7. Elektrisch betätigte Bremsanlage , dadurch gekennzeichnet,
daß sie nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6
gesteuert wird.
8. Bremsanlage mit folgenden Bestandteilen:
- - Radgeschwindigkeitssensoren an mindestens einem Teil der Räder des Kraftfahrzeug,
- - elektrisch betätigte, kontinuierlich wirkende Radbremsakto ren, die einzeln gesteuert werden, so daß sie einen unabhän gigen Bremsdruck an jedem Rad oder jeder Gruppe von Rädern aufbringen,
- - ein elektronisches Steuergerät,
- - von dem die Sensorsignale ausgewertet und die Radbremsak toren gesteuert werden,
- - durch das der Radschlupf und die Radbeschleunigung für je des Rad berechnet werden;
- - in dem der jeweilige Istwert des Bremsdrucks bei Über schreiten eines vorgegebenen ersten Schwellenwerts für den Radschlupf- und/oder die Radbeschleunigung gespeichert wird;
- - durch das der Quotient aus dem gespeicherten Istwert und einem für das Fahrzeug charakteristischen Druckwert für das betreffende Rad gebildet und damit der Reibbeiwert µ ge schätzt wird;
- - durch das eine Blockierverhinderungsregelung des Bremsdrucks an den einzelnen Rädern anhand des geschätzten Reibbeiwertes nach einem vorgegebenen Algorithmus durchge führt wird, und
- - durch das der geschätzte Reibbeiwert beim Unterschreiten eines zweiten Schwellenwerts für den Radschlupf- und/oder die Radbeschleunigung gelöscht und der aktuelle Reibbeiwert bis zu dem Wert für eine trockene Fahrbahn erhöht wird.
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