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Gegenschlupf-Regeleinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Gegenschlupf-Regeleinrich tung, die eine
Blockierung von Fahrzeugrädern bei minimaler Schwingung der Regelgröße - des Schlupfs
- und bei minimalem Energieverbrauch verhindert.
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Die bisherigen Gegenschlupf-Regeleinrichtungen sind so aufgebaut,
daß die Regeleinrichtung auf einen bestimmten Wert der Winkelverzögerung des Rades
oder auf einen bestimmten Wert des Schlupfs anspricht, gegebenenfalls der Beginn
des Eingriffs durch die Winkelverzögerung, das Ende des Eingriffs durch die Winkelbeschleunigung
bestimmt wird.
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Andere Regeleinrichtungen bestimmen den Eingriff durch binäre Verknüpfung,
sofern die Winkelverzögerung bei Existenz einer weiteren Ableitung der Verzögerung
erzielt wird. Weitere Regeleinrichtungen verarbeiten die Informationen so, daß ein
Eingriff dann stattfindet, wenn eine bestimmte Winkelverzögerung oder ein bestimmter
Schlupf erreicht wird.
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Andere Regeleinrichtungen beruhen auf der Entscheidung aufgrund der
Ableitung der Adhäsion nach dem Schlupf. Mit Ausnahme der letzten Regeleinrichtung
ist ein Nachteil der erwähnten Regeleinrichtungen der Umstand, daß sie den Ubergang
des Rades zum Bremsbetrieb nicht beachten. Die letztere Regeleinrichtung ist jedoch
sehr aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Gegenschlupf-Regeleinrichtung,
die das durch die Dynamik des gebremsten Rades bedingte Verhalten beobachtet, d.
h. eine vorübergehende Steigerung der Winkelverzögerung, sobald das Rad in die Bremswirkung
übergeht, also die Regelung der Bremskräfte zur Verhinderung der Blockierung der
Räder durch Beachtung der dynamischen Besonderheiten des gebremsten Rads.
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Eine Gegenschlupf-Regeleinrichtung mit einem Fühler, der über einen
ersten Block zur Bildung eines Signals der Rad-Winkelgeschwindigkeit an einen zweiten
Block zur Berechnung der Rad-Winkelverzögerung angeschlossen ist, mit einem vierten
Block zur Berechnung des Rad-Schlupfs und mit einem daran angeschlossenen dritten
Block zur Berechnung der Rad-Translationsgeschwindigkeit, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Blocks zur Berechnung der Winkelverzögerung
und der Ausgang des vierten Blocks zur Berechnung des Schlupfs
an
den Eingang eines Summierglieds angeschlossen sind, dessen Ausgang entweder über
einen Leistungsverstärker oder über Vergleicher an ein Stellglied für ein Bremsventil
angeschlossen ist.
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Es ist zweckmäßig, daß ein Vergleichssignal-Eingang durch entweder
einen weiteren Eingang des Summiergliedes oder den zweiten Eingang der Vergleicher
gebildet ist.
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Die Gegenschlupf-Regeleinrichtung ist beispielsweise in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 den Verlauf der kinematischen Größen des gebremsten
Rads beim Bremsen ohne Blockierung, d. h. unterkritischem Bremsen; Fig. 2 den Verlauf
der kinematischen Größen des gebremsten Rades beim überkritischen Bremsen; Fig.
5 die gewählte Abhängigkeit des Schlupfs und der Winkelverzögerung bei Zweipunkt-Betätigung
des Stellglieds; Fig. 4 die gewählte Abhängigkeit des Schlupfs und der Winkelverzögerung
bei Dreipunkt-Betätigung des Stellglieds; Fig. 5 die Dynamik des Regelprozesses
in den Koordinaten W, Fig. 6 eine Regeleinrichtung mit Zweipunkt-, ggf. Verbund-Regelung;
Fig. 7 eine Regeleinrichtung mit Dreipunkt-Regelung.
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Falls eine Bremswirkung erzielt werden soll, ist der Übergang des
Rades von einem bestimmten Grundwert des Schlupfs - der praktisch gleich Null ist
und nur durch den Rollwiderstand bestimmt wird - auf einen Wert, bei dem annähernd
maximale Adhäsion erreicht wird, stets mit einem vorübergehenden Anwachsen der Winkelverzögerung
verbunden.
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In Fig. 1 zeigen: eine Kurve Vv = Verlauf der Translationsgeschwindigkeit
des Fahrzeuges, gegebenenfalls ihre Annäherung, eine Kurve ( = Verlauf der Winkelgeschwindigkeit
des Rades, eine Kurve g = Verlauf der Winkelverzögerung des Rades und eine Kurve
3\ = Verlauf des Schlupfs.
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Die Indizes 1 und 2 bei 2 stellen den Verlauf der Winkelverzögerungen
des Rads, der Winkelgeschwindigkeit und des Schlupfs bei anderen Werten des in derselben
Zeit t anlaufenden Bremsmoments dar.
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Die Kurve e des Verlaufs der Winkelverzögerung ist von der Größe
des Bremsmoments - genauer gesagt vom Wert des Überbremsens gegenüber dem statischen
Gleichgewicht der Momente - d. h. bei konstanten Umdrehungen des Rades, sowie von
der Zeit, in der das Moment anläuft, abhängig.
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Falls der Regelkreis so aufgebaut wird, daß die Information über
die Winkelverzögerung mit einer Konstanten verglichen wird, ist ersichtlich, daß
die Regeleinrichtung praktisch stets in der Übergangszone eingreift, wo der Schlupf
nach und nach anwächst, jedoch verhältnismäßig klein ist.
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Dies führt bei den Systemen mit einem Signal der Winkelverzögerung
zur Wahl hoher Werte der kritischen Winkelverzögerung gKs was dann ungünstig ist,
wenn das Rad in Blockierung mit einer kleinen Winkelverzögerung übergeht, d. h.
bei einem kleinen Wert der Überbremsung, gegebenenfalls bei einer ständig ansteigenden
Schlupfcharakteristik, wo es zu keinem Eingriff oder bei einem hohen Wert der kritischen
Verzögerung £K infolge eines späten Eingriffs zu einer beträchtlichen Überregelung
kommt.
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In Fig. 2 ist ein Diagramm der Wahl der kritischen Verzögerung £
K und des Schlupfs AK dargestellt, wo bei K der üblichen Art der Informationsgewinnung
die Regeleinrichtung erst im Punkt I oder II eingreifen sollte. In Wirklichkeit
greift die Regeleinrichtung infolge des vorübergehenden Anstiegs der Winkelverzögerung
erst im Punkt III ein.
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Dies bewirkt den Einsatz der Regeleinrichtung wesentlich früher,
als es notwendig ist. Da die Regelung der Bremskräfte prinzipiell astatisch ist,
dauern die eintretenden Schwingungen an und setzen die Bremswirkung mehr als notwendig
herab.
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Die Erfindung löst die Gegenschlupfregelung so, daß sie in der Anfangsphase
bei kleinem Schlupf den Übergang des Rades mit hoher Winkelverzögerung ermöglicht.
Mit wachsendem Schlupf bestimmt dann die Regeleinrichtung eine niedrigere Winkelverzögerung.
Das bedeutet, daß bei einem Schlupf um das Maximum der Adhäsionsbedingungen eine
Winkelverzögerung genügt, die der Adhäsion, d. h. einer
proportionalen
Verzögerung, entspricht; bei einem Schlupf um 50 % wird die Verzögerung gleich Null
gewählt. Diese Wirkung ist in Fig. 5 in den Koordinaten der Winkelverzögerung g
und des Schlupfs x dargestellt.
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Die Regelgleichung kann durch die mathematische Beziehung #x = #
+ K1 # - K2 beschrieben werden, was bedeutet, daß das Grundkriterium für den Eingriff
die Summe des Signals der Winkelverzögerung K1 . # und des Schlupfs # bildet, die
mit der kritischen Funktion K2 verglichen wird.
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Die Konstante K2 stellt den Pegel eines dem maximalen Schlupfwert
proportionalen Signals dar, welcher Wert mit Rücksicht auf den Pegel des Signals
der Recheneinheit zugelassen wird; die Konstante K1 stellt die Einstellung der Verstärkung
des ein Signal bildenden Differentiators dar.
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In Fig. 3 sind Arbeitspunkte A, B, C angedeutet, die die Grundwerte
der Einstellung der Regeleinrichtung bestimmen.
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Der Arbeitspunkt A bestimmt den Wert des zulässigen maximalen Schlupfs.
Am günstigsten zeigt sich ein Wert um 50 %.
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Der Wert des Arbeitspunkts B wird durch die maximale Verzögerung bestimmt,
die der möglichen Adhäsion entspricht, minimal jedoch der gesetzmäßigen Verzögerung.
Der Wert des Schlupfs, der diesem Punkt entspricht, ist üblich um 15 %.
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Die Gerade ABC bestimmt die Einstellung der Regeleinrichtung bei Anwendung
de r der Zweipunkt-Regeleinrichtung. Der Bereich o.t bestimmt den Bremsbetrieb ohne
Eingriff, der Bereich t die gegenseitige Beziehung des Schlupfs und
der
Winkelverzögerung, wann der Regler eingreifen soll.
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Die angedeutete Wirkung ist für eine Zweipunkt-Regelung dargestellt.
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Falls es notwendig ist, Energie des Bremsfluids zu sparen, z. B.
bei herabgesetzter Verdrängung bzw. Förderung, ist es günstig, die Regelung nach
Fig. 4 vorzunehmen. In diesem Fall wird der Kreis hinter der kritischen Funktion
zweimal verwendet, damit bei den durch die Bereiche 1 und 2 bestimmten Bedingungen
nur das Sperrventil betätigt wird, da die Verbindung des Bremsventils mit der Bremse
geschlossen ist und bei den Bedingungen des Bereichs 2 das Ablaßventil betätigt
wird.
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Im Energieverbrauch ist am günstigsten eine solche Regelung, die
zwischen den Geraden ABC und A'C' eine stetige Regelung sichert, d. h. die Regelabweichung
proportional zur Entfernung des wirklichen Arbeitspunkts zwischen den Geraden ABC
und A'C' eingestellt wird, wobei der Wert des Schlupfs im Punkt A ungefähr auf 25
% und im Punkt A' auf 55 % eingestellt wird.
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In Fig. 5 ist die Dynamik des Regelprozesses in den Koordinaten E,
A dargestellt. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß eine derartige Regeleinrichtung
eine vorübergehende Steigerung der Winkelverzögerung im Übergang bereich ermöglicht,
ohne daß ein Eingriff hervorgerufen würde.
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Einige früheB Entwicklungen erzielen diese Wirkung dadurch daß sie
die Entstehung eines Signals für den Eingriff auf eine bestimmte Zeitdauer festlegen.
Falls die
Regelgröße nicht große Amplituden aufweisen soll, ist
dies jedoch ungünstig; im Gegenteil, es zeigt sich die Notwendigkeit eines möglichst
schnellen Ansprechens der Regeleinrichtung auf die Regelabweichung.
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Bei der Erfindung wird der erste Eingriff erst im Zeitpunkt des Beginns
des ersten Eingriffs P1 erregt und dauert bis zum Zeitpunkt des Endes des ersten
Eingriffs K1, der zweite Eingriff P2 wird nach dem Übergang entlang der Kurve zum
Anfangspunkt des zweiten Eingriffs P2 erregt, das Ende befindet sich dann am Endpunkt
des zweiten Eingriffs K2. Die Regelgröße beschreibt dann eine Bahn um den gewählten
Arbeitspunkt B herum. Die Schlupf-Amplituden und die Winkelverzögerungs-Amplituden
a £ sind durch die Dynamik des Regelkreises, insbesondere durch die Geschwindigkeit
des Stelleingriffs, gegeben. Bei einem genügend schnell ansprechenden Stellglied
und bei genügend schnellem Ansprechen der Bremse können verhältnismäßig kleine Schlupf-Amplituden
a 3 erreicht werden, was sich günstig in der Stetigkeit des Bremsbetriebs im Verlauf
der Regelung bemerkbar macht.
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Das grundsätzliche Blockschaltbild der Gegenschlupf-Regeleinrichtung
gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.
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Die Regeleinrichtung besteht aus einem Fühler 1, einem ersten Block
2 zur Bildung eines Signals der Winkelgeschwindigkeit u)1 des Rades, einem zweiten
Block 5 zur Berechnung der Winkelverzögerung K1 t1 des Rades, einem dritten Block
4 zur Berechnung der Translationsgeschwindigkeit Vv des Rades, einem vierten Block
5 zur Berechnung des Schlupfs X des Rades, einem Summierglied 6 der Signale A +
K1 , einem Endverstärker 7 und einem Stellglied 8.
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Die Regeleinrichtung arbeitet folgendermaßen.
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Das Signal mit Information über die Winkelgeschwindigkeit W1 wird
in den zweiten Block 3, der ein Differentiator ist, geleitet, wodurch eine Information
über die Winkelverzögerung G erhalten wird. Aus den Winkelgeschwindigkeiten k der
Räder erhält man im dritten Block 4 eine Information über die Geschwindigkeit des
Fahrzeuges. Es ist auch eine direkte Erfassung der Geschwindigkeit Vv, z. B. mit
einem Meßrad, möglich. Das Signal des Schlupfs N im vierten Block 5 erhält man durch
Berechnen von:
In das Summierglied 6 werden das Signal des Schlupfs N aus dem vierten Block 5,
das Signal der Winkelverzögerung K aus dem zweiten Block 5 und ein Vergleichssignal
-K2 eingespeist. Durch Addition dieser drei Signale im Summierglied 6 gewinnt man
die Regelabweichung dx. Diese Regelabweichung ,\x wird im Endverstärker 7 verarbeitet,
der nur auf positive Werte anspricht. Vom Ausgang des Endverstärkers 7 wird das
Leistungssignal für die Betätigung des Stellglieds 8 und des Bremsventils 9 abgegeben.
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Durch Wahl der Verstärkung des Endverstärkers 7 können die erwähnten
Ausführungsbeispiele erreicht werden. Bei hoher Verstärkung des Endverstärkers 7
erhält man eine Zweipunkt-Regelung - vgl. einen Vergleicher 11. Bei einer Verstärkung
von größenordnungsmäßig bis 10 ist eine Verbundbetätigung der Stellglieder, wie
in Fig. 4 dargestellt, möglich. Eine Dreipunkt-Regelung bzw. -Betätigung, d. h.
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eine Betätigung, die den Zustand des Durchlassens, den Zustand
der
Sperrung und den Zustand des Ablassens unterscheidet, ist im Ausführungsbeispiel
von Fig. 7 dargestellt.
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In diesem Fall wird das Ausgangssignal des Summiergliedes 6 -Addition
des Schlupfs > und des Produkts von K1 und der Winkelverzögerung g - in zwei
Vergleicher 10 und 11 geleitet, die gleichzeitig den Leistungsverstärker bilden
können.
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Der erste Vergleicher 10, der auf den niedrigeren Bezugspegel eingestellt
ist, betätigt ein Stellglied 12 zur Sperrung der Verbindung des Bremsventils 9 mit
den Bremszylindern, der zweite Vergleicher 11, der auf einen höheren Bezugspegel
eingestellt ist, betätigt ein Stellglied 15 zum Ablassen von Bremsfluid aus dem
Bremsraum. In diesem Fall werden Bezugssignale K20 und K2Z in den zweiten Eingang
der Vergleicher 10 bzw. 11 eingespeist.
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Grundsätzlich ist es Jedoch wichtig, daß das Signal, auf das der
erste Kreis entspricht, durch stetige Summation des Signals des Schlupfs X und des
Signals der Winkelverzögerung K1g des Rads gebildet wird.
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Für bestimmte Anwendungsfälle der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung,
z. B. bei Zweipunkt-Regelung, ist es möglich, das Summierglied 6 durch einen Summierglied-Vergleicher
zu ersetzen.