DE3737329C2 - Vorrichtung zur Schlupfbegrenzung bzw. -verhinderung von angetriebenen Rädern eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Schlupfbegrenzung bzw. -verhinderung von angetriebenen Rädern eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Artikel DE-Z "Krafthand", H7, 12.4.86, Seiten 478-480 bekannt. Die dort gezeigte Vorrichtung ist insbesondere für Druckluftbremssysteme für Nutz­ fahrzeuge geeignet.

Aus der DE-PS 33 37 664 ist eine Antriebsschlupfregelung (ASR) für Nutz­ fahrzeuge bekannt, bei der die Reduzierung der Motorleistung bei drohendem Durchrutschen der Räder über einen von einem Stellzylinder verstellbaren Anschlag erfolgt, der unmittelbar auf das Gaspedal wirkt. Der Stellzylinder ist dort ein Hydraulikzylinder. In der DE-PS 33 37 664 ist weiterhin beschrieben, daß es bekannt ist, den Stellzylinder auch in das Übertragungsgestänge zwischenzuschalten.

Arbeitet man - wie bei Nutzfahrzeugen üblich - mit einer Druckluftbremse, so ist es zweckmäßig, auch für die Ver­ stellung des Stellzylinders Druckluft zu verwenden. Wird zur Ansteuerung des Stellzylinders ein Drei/Zwei-Wege-Mag­ netventil verwendet, welches nur die beiden Stellungen "Belüften" und "Entlüften" einnehmen kann, so ist es bisher nicht möglich gewesen, einen bestimmten Druck im Stellzy­ linder konstant zu halten. Damit war es auch nicht möglich, das Motordrehmoment stufenlos einzustellen und damit ein Anfahren ohne "Sägen" des Motors durchzuführen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsbildende Vorrich­ tung dahingehend zu verbessern, daß bei unverändertem mechanischem Aufbau dennoch eine stufenlose Verstellung und ein Halten jeder eingestellten Stellung des Stellzylinders möglichst präzise erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsbildenden Vorrichtung durch die im Kennzeichenteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß man durch rein elektronische Maßnahmen die tatsächliche Leistung der Brennkraftmaschine schätzt bzw. simuliert und zwar durch eine gespeicherte Kennlinie einer "geschätzten" Leistung in Abhängigkeit von den Öffnungs- und Schließzeiten des Magnet­ ventiles. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Stellzylinder geschätzt und als Schätzwert für die Leistung der Brennkraftmaschine interpretiert.

Zur Bestimmung der "Kennlinie" wird davon ausgegangen, daß ein annähernd konstanter Vordruck am Magnetventil herrscht und das Volumen des Stellzylinders relativ klein ist. Ausgehend von einem angenommenen Druckverlauf bei konstantem Belüften bzw. konstantem Entlüften wird dann ein "Schätzwert" für den Druck je nach vorliegender Ventilstellung ermittelt. Der so ermittelte "Schätzwert" wird dann in einem Regel­ kreis als "Ist-Wert" für den Druck verwendet, während die Auswerteelektronik der Antriebsschlupfregelung in Abhängig­ keit ausgewerteter Signale z. B. dem Drehzahlverhalten einzelner oder mehrerer Räder ein "Sollwert-Signal" er­ zeugt. Dieses Sollwert-Signal wird nach einer Modifikation der Erfindung als Drucksignal interpretiert, während es nach einer anderen Modifikation der Erfindung als Sollwert für den Hub bzw. die Verstellung des Stellzylinders inter­ pretiert wird.

Eine theoretisch sehr präzise Simulation der Kennlinie des zeitlichen Druckverlaufes besteht aus zwei Ästen von e-Funktionen, was dem natürlichen Druckverlauf sehr nahe kommt. Nach einer Weiterbildung der Erfindung erzielt man jedoch eine ausreichende Regelgenauigkeit, wenn man Kenn­ linien verwendet, die stückweise aus Geraden bestehen, die unterschiedliche Steigungen haben und somit die e-Funktion nur annähern. Damit läßt sich der elektronische Speicher wesentlich vereinfachen. Nach einer weiteren Modifikation genügt es, im Speicher nur noch die "Knickstellen" der Kennlinien einzuspeichern und Zwischenwerte durch lineare Interpolation zu errechnen, wobei dann der Speicher einen Rechenbaustein enthält.

Mit der Vorrichtung können somit bei einfachem Aufbau ausreichend genau Regelergebnisse erzielt werden. Auch ist es möglich, nicht nur die Haltefunktion eines Ventils zu simulieren sondern auch die Funktion eines Proportionalven­ tils.

Da in manchen Fällen, beispielsweise wegen mechanischer Reibung im Stellzylinder, keine eindeutige Beziehung zwischen Druck und Stellung des Kolbens des Stellzylinders gegeben ist, vielmehr die dadurch vorhandene Hysterese beträchtliche Fehler hervorrufen kann, ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, im Speicher zusätz­ lich die Hysteresekurve der Beziehung Hub/Druck zu spei­ chern und bei einer Richtungsumkehr der Verstellung des Stellzylinders den Wert des geschätzten Druckes sprunghaft um den Wert der Hysterese (nach oben oder nach unten) zu ändern. Der Wert der Soll-Leistung der Brennkraftmaschine bzw. der Wert des Solldruckes, d. h. das Ausgangssignal der Auswerteschaltung, wird dann als Sollhub interpretiert und aus der ebenfalls gespeicherten Kennlinie der Hysterese­ kurve dann in den Solldruck umgewandelt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Ein Prinzipbild der Vorrichtung nach der Erfin­ dung;

Fig. 2 ein Beispiel einer gespeicherten Kennlinie, die aus stückweise aneinandergesetzten Geraden besteht.

Fig. 3 ein Diagramm des "geschätzten" und des tatsächli­ chen Druckverlaufes zur Erläuterung des Regelver­ haltens bei fehlerhaftem Schätzwert des Druckes;

Fig. 4 ein Diagramm eines sich stetig ändernden Druck­ verlaufes, der mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erreicht wird; und

Fig. 5 ein Diagramm der gespeicherten Hysteresekurve zwischen Hub und Druck des Stellzylinders.

Ein Stellorgan 1 einer Verbrennungskraftmaschine kann eine Einspritzpumpe oder die Drosselklappe eines Vergasermotors sein. Ein Stellhebel 2 dieses Organes 1 ist über ein Über­ tragungsgestänge 3 mit einem Leistungsstellorgan 4, das üblicherweise ein Gaspedal ist, mechanisch verbunden. Das Gaspedal 4 wird durch eine Rückholfeder 5 (hier als Zug­ feder ausgebildet) in die "Leerlaufstellung" des Motors gezogen. In das Übertragungsgestänge 3 ist ein Stellzylinder 6 "fliegend" zwischengeschaltet, dessen durch eine Feder 8 vorgespannter Kolben 7 den Stellhebel 2 verschieben kann. Der Druckraum des Stellzylinders 6 ist über eine flexible Leitung 9 und ein Magnetventil 10 entweder mit Atmosphäre verbunden, also entlüftet, oder über eine weitere Leitung 11 mit einer Druckmittelquelle, beispielsweise einem Druckbehälter 12 verbindbar und damit "belüftet". Das Magnetventil 10 hat also nur die beiden Stellungen "ent­ lüftet" (wie in Fig. 1 dargestellt) und "belüftet". Die Ansteuerung des Magnetventils 10 erfolgt durch einen Vergleicher 13, der die Ausgangssignale p_g eines elektro­ nischen Speichers 14 und p_s einer Auswerteschaltung 15 miteinander vergleicht. Ist das Signal p_s (Solldruck) größer als das Signal p_g (geschätzter Druck), so schaltet das Magnetventil 10 in die Stellung "Belüften". Ist dagegen p_s kleiner oder gleich p_g so schaltet das Magnetventil 10 in die Stellung "Entlüften".

Der elektronische Speicher 14 enthält die Kennlinie des "geschätzten" Druckes im Stellzylinder 6 in Abhängigkeit von der Zeitdauer der Stellung des Magnetventiles 10 gespeichert. Eingangsgröße für den elektronischen Speicher 14 ist also Zeitdauer und Stellung des Magnetventiles 10, was durch die Leitung 17 angedeutet ist. Ausgangsgröße ist ein elektrisches Signal, das dem Wert des geschätzten Druckes entspricht. Im Sinne eines Regelkreises wird der geschätzte Wert des Druckes als Ist-Wert interpretiert.

Ein weiterer Regelkreis wird durch die Regelstrecke der Antriebsschlupfregelung geschlossen, was durch den Block 18 und die Leitung 19 angedeutet ist. Diese Regelstrecke wird durch die Verbrennungskraftmaschine, die von ihr angetrie­ benen Räder des Fahrzeuges und Sensoren, die das Drehver­ halten der Räder erfassen, gebildet.

Fig. 2 zeigt eine Variante der in dem elektronischen Speicher 14 der Fig. 1 gespeicherten Kennlinie des Druckes im Stellzylinder in Abhängigkeit von der Öffnungs- bzw. Schließzeit des Magnetventiles 10. Diese Kennlinie hat zwei Äste, einen für "Belüften" und einen für "Entlüften". Obwohl diese Äste theoretisch e-Funktionen sein müßten, hat sich herausgestellt, daß eine ausreichende Regelgenauigkeit erhalten wird, wenn sie durch stückweise aneinandergesetzte gerade Linien unterschiedlicher Steigung nachgebildet werden. Die Kurven haben also an den Druckstufen 1, 2 und 3 jeweils einen Knick, verlaufen dazwischen als gerade Linien.

Wird also beispielsweise ausgehend von dem Druck Null das Magnetventil 10 für die Zeitdauer 0-t_b erregt und damit in die Stellung für "Belüften" gebracht, so wird dies dem elektronischen Speicher 14 über die Leitung 17 gemeldet, worauf dieser zum Zeitpunkt t_b den Druckwert p_b an den Vergleicher gibt. Wird zum Zeitpunkt t_b das Magnetventil 10 dann auf "Entlüften" geschaltet und zwar für die Zeitdauer t_b-t_e, so fährt der "geschätzte" Druck längs der Kennlinie "Entlüften" herunter und erreicht zum Zeitpunkt t_e den Druck p_e. Auf diese Weise wird also laufend längs den beiden Ästen der Kennlinie der Fig. 2 herauf- bzw. herunter­ gefahren.

Die beiden Äste entsprechen dabei angenähert dem Druckver­ lauf bei ungepulstem Be- oder Entlüften.

Der so erzeugte Schätzwert für den Druck im Stellzylinder gibt zwar den tatsächlich herrschenden Druck nicht ganz präzise wieder, die Abweichungen vom tatsächlich herrschen­ den Druck können jedoch aus zwei Gründen nur relativ kleine Werte annehmen:

• 1. Wegen der angenommenen Verläufe für Druckanstieg und -abbau im Stellzylinder korrigiert sich die Druck­ schätzung bei Abweichungen zwischen Schätzwert und wirklichem Druck selbst. Dies wird anhand Fig. 3 erläutert. Will die Antriebsschlupfregelung beispiels­ weise einen Solldruck p_s durch Be- und Entlüften mit entsprechenden Taktverhältnissen halten und befindet sich im Stellzylinder ein tatsächlicher Druck von p_ist, der höher ist als der geschätzte Druck p_g, so wird wegen des progressiven Druckverlaufs ein Taktver­ hältnis entstehen, das nicht in der Lage ist, den höheren Druck zu halten. Vielmehr wird der tatsäch­ liche Druck p_ist, solange er höher als der geschätzte Druck p_g ist, in der Entlüftephase stärker abnehmen als der geschätzte Druck p_g und in der Belüftephase langsamer ansteigen als der geschätzte Druck, da ja der tatsächliche Druckverlauf - ähnlich wie die angenäherten Kennlinien - bei höheren Drücken in der Anstiegsphase flacher und in der Abfallphase steiler verläuft als bei niedrigeren Drücken. Somit wird nach wenigen Regelspielen sich der tatsächliche Druck p_ist dem geschätzten Druck p_g sehr gut annähern. Umgekehrt erfolgt dies in analoger Weise, wenn der geschätzte Druck höher ist als der tatsächliche Druck im Stell­ zylinder, da während der Belüftephase der tatsächliche Druck schneller ansteigt als der geschätzte Druck und umgekehrt in der Endlüftephase langsamer abfällt als der (höhere) geschätzte Druck.
• 2. Weiterhin ist die Druckschätzung in dem geschlossenen Regelkreis (1, 18, 19, 15) der ASR "eingebettet". Auch über diesen Regelkreis stabilisiert sich der angenom­ mene Wert für den Druck, wobei dieser Regelkreis der ASR allerdings Differenzen zwischen geschätztem Druck und tatsächlichem Druck nicht prinzipiell beseitigen, sondern lediglich ein Wegdriften des Schätzwertes verhindern kann.
  Der so erzeugte Schätzwert für den Druck im Stellzy­ linder dient nun der ASR als "Ist-Wert" für die Entscheidung der Ventil-Stellung. Dazu bestimmt die ASR (15) aus den Radgeschwindigkeiten und einer Referenzgeschwindigkeit aufgrund eines Regelalgorith­ mus in jedem Zeittakt einen Solldruck p_s im Gasstell­ zylinder. Durch einfachen Vergleich - zwischen dem Schätzwert p_g und dem Solldruck p_s wird über die Ventilstellung entschieden: Solldruck Schätzwert: "Belüften"
  Solldruck Schätzwert: "Entlüften".

Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich neben der Haltfunktion eines Ventils (Fig. 3) auch die Funktion eines Proportionalventiles simulieren, was im Zusam­ menhang mit Fig. 4 erläutert wird. Fordert der Regel­ algorithmus der ASR z. B. einen schwach abfallenden Druck entsprechend der Linie p_s, so wird der ge­ schätzte Druck p_g, der dem tatsächlichen Druck wei­ testgehend angenähert ist, die "Sägezahnkurve" p_g durchlaufen und der Vergleicher wird - wie durch die Impulse unten in Fig. 4 dargestellt - das Magnetventil zwischen Belüften und Entlüften umsteuern. In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, daß der geschätzte Druck zum Zeitpunkt t₁ noch relativ hoch ist (z. B. über der Druckstufe 3 in Fig. 2), so daß sich im Zeitraum t₁-t₂ der verhältnismäßig flache Druckanstieg ergibt, während sich im Raum t₂-t₃ noch ein relativ steiler Druckanstieg ergibt. Ab dem Zeitpunkt t₃ liegt der geschätzte Druck dagegen unter der Druckstufe 2 (in Fig. 2), so daß sich die entsprechend flacheren Druckabfälle und die steileren Druckanstiege ergeben.

Aufgrund der mechanischen Reibung im Stellzylinder werden sich die abrupten Änderungen des Druckgradien­ ten nicht unmittelbar in eine Bewegung des Kolbens des Zylinders umsetzen, so daß der Kolben eine nahezu kontinuierliche Bewegung vollführen wird.

Aus dieser "Glättungsfunktion" ist zu erkennen, daß die Beziehung zwischen dem Druck im Stellzylinder und der Stellung des Kolbens nicht umkehrbar eindeutig ist. Wegen der mechanischen Reibung im Stellzylinder ist diese Beziehung vielmehr durch eine Hysteresekurve zu beschreiben. In gewissem Ausmaße ist diese Hysterese wünschenswert, um die "Glättungsfunktion" zu erhalten. Wird die Hysterese dagegen zu groß, so kann sie sich im Betrieb negativ auswirken. Nach einer Weiterbildung der Erfindung, die in Fig. 5 beschrieben wird, kann der Einfluß der Hysterese mit einfachen Maßnahmen reduziert werden. Das Ausgangssignal p_s der ASR 15 (Fig. 1) wird für die Regelung dabei als Sollhub des Kolbens und nicht - wie bei den bisherigen Ausfüh­ rungsbeispielen - als Solldruck interpretiert. Im Speicher 14 ist neben der beschriebenen Kennlinie noch zusätzlich die Hysteresekurve gemäß Fig. 5 abgespei­ chert, die den Zusammenhang zwischen Druck und Hub darstellt. Der geschätzte Druck nach der Kennlinie der Fig. 2 wird dann also noch mit der Hysteresekurve gemäß Fig. 5 korrigiert, so daß aus dem geschätzten Druck dann ein Ausgangssignal erzeugt wird, das einen "geschätzten" Hub darstellt. Dieses Signal wird dann im Vergleicher 13 mit dem Ausgangssignal der ASR verglichen. Im Ergebnis wird bei jeder Richtungsumkehr der Bewegung des Kolbens der geschätzte Druck um den Wert H der Hysterese nach oben bzw. unten geändert, womit der Einfluß der Hysterese auf die Regelung weitgehend kompensiert wird. Es sei betont, daß auch diese Maßnahmen ohne Eingriffe in die "Mechanik" durchgeführt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Schlupfbegrenzung bzw. -verhinderung von ange­ triebenen Rädern eines Kraftfahrzeuges, mit einer durch ein direkt bedienbares Leistungsstellorgan (z. B. Gaspedal) steuerbaren Brenn­ kraftmaschine, mit einem durch ein Magnetventil steuerbaren Stell­ zylinder, der in Abhängigkeit von einer das Magnetventil ansteuernden elektrischen Auswerteschaltung die von der Brennkraftmaschine abge­ gebene Leistung verändert, wobei der Stellzylinder mit Luftdruck betätig­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Speicher (14) vorgesehen ist, der eine Kennlinie eines "geschätzten" Wertes der momentanen Leistung der Brennkraftmaschine in Abhängig­ keit von Öffnungs- und Schließzeiten des Magnetventils (10) gespeichert enthält, und daß ein Vergleicher (13) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen einem durch die Auswerteschaltung (15) vorgegebenen Signal für den Sollwert der Leistung der Brennkraftmaschine und des "geschätzten" Wertes der momentanen Leistung der Brennkraftmaschine Stellsignale für das Magnetventil erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil ein Drei/Zwei-Wege-Magnetventil ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die im elektronischen Speicher ge­ speicherte Kennlinie aus Geraden mit stückweise konstanter Steigung zusammengesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Speicher (14) einen Rechner enthält, der aus gespeicherten Funktionen und den Öffnungs- und/oder Schließzeiten des Magnetventils aktuelle Werte der "geschätzten" momentanen Leistung der Brennkraftmaschine errechnet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der "geschätzte" Wert der momen­ tanen Leistung der Brennkraftmaschine eine Funktion des Druckes (p_g) im Stellzylinder (7) ist und daß das von der Auswerteschaltung (15) vorgegebene Signal für den Sollwert der Leistung der Brennkraftmaschine ein Sollwertsignal für den Druck im Stellzylinder (7) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Speicher zusätz­ lich eine Hysterese-Kurve der Beziehung zwischen Druck im Stellzylinder und dessen Hub enthält und bei einer geforderten Richtungsumkehr der Verschiebung des Stell­ zylinders den "geschätzten" Druck (p_g) um den Wert der Hysterese sprunghaft ändert.