DE3916513A1

DE3916513A1 - Verfahren zum ermitteln und einstellen einer optimalen mittleren bremsverzoegerung

Info

Publication number: DE3916513A1
Application number: DE19893916513
Authority: DE
Inventors: Martin Tibken; Georg Dr Roll
Original assignee: Fatec Fahrzeugtechnik 8755 Alzenau De GmbH; Fatec Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: FTE Automotive GmbH
Priority date: 1989-05-20
Filing date: 1989-05-20
Publication date: 1990-11-22
Also published as: DE3916513C2; WO1990014255A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 35 30 280 ist ein Verfahren zum blockiergeschützten Abbremsen eines Kraftfahrzeuges bekannt. Dabei wird beim Überschreiten einer ersten Drehverzögerungsschwelle von 12 m/s² ein Signal zum Absenken des Bremsdruckes abgegeben und sodann beim Unterschreiten einr Drehverzögerungsschwelle von 10 m/s² ein Signal zum Beenden der Bremsdruck-Absenkung gegeben.

Bei einem solchen System treten jedoch auch bei homogen beschaffener Fahrbahn Druckschwankungen auf, die den Fahrkomfort vermindern und das Fahrwerk belasten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren aufzuzeigen, das zu einer optimalen mittleren Bremsverzögerung bei verbesserter Fahrstabilität und geringeren Fahrwerkbelastungen führt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritten.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen enthalten die Ansprüche 2 und 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend näher erläutert werden:

1. Es umfaßt drei neuartige Mechanismen, die zu einer gegenüber konventionellen Systemen erhöht mittleren Bremsverzögerung bei verbesserter Fahrstabilität führen:

1. Permanente Ermittlung der Haftreibungskoeffizienten zwischen den Reifen und dem Boden während der Regelung und die daraus abgeleitete Grobberechnung einer Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
2. Einstellung und laufende Nachregelung idealer Schlupfwerte für alle Räder und Ermittlung idealer Radgeschwindigkeiten mit Hilfe der o. g. Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
3. Ausregelung von Radgeschwindigkeitseinbrüchen mit Hilfe eines Proportionalreglers (Analogregelung), der die o. g. idealen Radgeschwindigkeiten als Regelungs-Sollwerte ausnutzt.

2. Vorstellung des Konzepts 2.1 Berechnung einer angenäherten Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit

Die während der Bremsung auftretende Fahrzeuggeschwindigkeit beträgt zum Zeitpunkt t+delta_t:

v_fahrzeug(t+delta_t)=v_fahrzeug(t)-a_mitt(delta_t) _* delta_t (1)

Dabei bedeuten

t = beliebiger Zeitpunkt während der Bremsung
delta_t = Zeitintervall für einen Regelungszyklus
v_fahrzeug(t+delta_t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t+delta_t
v_fahrzeug(t) = Fahrzeuggeschwindigkeit zum Zeitpunkt t
a_mitt(delta_t) = mittlere Fahrzeugverzögerung während des Zeitintervalls t, t+delta_t)

Geht man davon aus, daß man zum Zeitpunkt der Panikbremsung (t=t_0) die Fahrzeuggeschwindigkeit aus den Radgeschwindigkeiten ableiten kann und daß während der Bremsung die mittlere Verzögerung a_mitt für jeden Regelungszyklus berechnet werden kann, so ist auch die jeweils aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_fahrzeug nach Gleichung (1) zu jedem Zeitpunkt bekannt.

Die Berechnung vom a_mitt kann annähernd aus den an den Rädern des Fahrzeugs anliegenden Bremskräften bestimmt werden:

Dabei bedeuten

p_mitt_rad(i,delta_t) = mittlerer Bremsdruck des i-ten Rades im Zeitintervall (t,t+delta_t), für den das Rad stabil läuft (konstanter Schlupf)
K = Proportionalitätskonstante, in der fahrzeugspezifische Parameter berücksichtigt sind (im wesentlichen Durchmesser der Räder und der Bremsscheiben sowie die Fahrzeugmasse)

K ist eine Konstante, die nach dem hier vorgestellten Konzept für einen bestimmten Fahrzeugtyp fest eingestellt wird. Da K aber durch unterschiedliche Beladungs- und Bremszustände stark variieren kann, dürfen alle aus (2) abgeleiteten Größen nur als Grobreferenz dienen. Die Summierung in Gleichung (2) ist dann zulässig, wenn man davon ausgeht, daß das Fahrzeuggewicht seitengleich verteilt ist und für jede Seite gilt, daß das jeweilige Vorderrad im zeitlichen Mittel denselben Haftreibungsbeiwert zur Fahrzbahn wie das dazugehörige Hinterrad:

G (0) + G (2) = G (1) + G (3) (3)

und

µ_mitt(0) = µ_mitt(2) (4)

µ_mitt(1) = µ_mitt(3) (5)

Dabei bedeuten

G(i) = Aufstandskraft des i-ten Rades
µ_mitt(i) = mittlerer Haftreibungsbeiwert zwischen Fahrbahn und i-tem Rad in (t, t+delta_t) mit
i = 0 ⇒ linkes Vorderrad
i = 1 ⇒ rechtes Vorderrad
i = 2 ⇒ linkes Hinterrad
i = 3 ⇒ rechts Hinterrad

Mit den genannten Einschränkungen erlaubt Gleichung (2) eine angenäherte Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit, "Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit" genannt, die eine Basis für das hier beschriebene analoge ABS-Regelungskonzept bildet.

Das Problem liegt aber nun darin, daß die jeweilige Berechnung von Gleichung (2) Kenntnisse über die vorhandenen Bremsdrücke erfordert. Die dazu normalerweise notwendigen Bremsdruckgeber müßten für relativ hohe Drücke (bis 200 bar) ausgelegt sein sowie möglichst schnell und exakt messen. Aus Kostengründen sind derartige Bremsdruckgeber in einem Standard-ABS-System nicht einsetzbar. Das hier vorgestellte System geht daher davon aus, daß als Druckstellglied ein Plunger-System verwendet wird, bei dem ein eindeutiger Zusammenhang besteht zwischen der aus der Regelung resultierenden Ansteuerung des Druckkolbens (nachfolgend als "Stellgröße U" bezeichnet) und dem in System vorhandenen Druck.

2.2 Ermittlung idealer Schlupfwerte und Ableitung von idealen Radgeschwindigkeiten

Bei der analogen ABS-Regelung (s. Abschnitt 2.3) haben die Radgeschwindigkeiten die Bedeutung der Regelgrößen. Um diese tatsächlich analog regeln zu können, benötigt man als Sollgrößen "ideale Radgeschwindigkeiten". Diese erhält man, indem man die Referenz- Fahrzeuggeschwindigkeit v_fahrzeug nach Abschnitt 2.1 berechnet und darauf bezogen den für jedes Rad idealen Schlupf ermittelt. Die nachfolgenden Betrachtungen beziehen sich aus Gründen der Übersichtlichkeit nur auf ein Rad, lassen sich aber ohne Probleme auf die anderen Räder übertragen. Die für die Hinterräder u. U. vorzusehenden Low-Select-Mechanismen sind trivial und werden nicht näher betrachtet.

v_ideal = (1 - schlupf_ideal) _* v_fahrzeug (6)

Dabei bedeuten

v_ideal = ideale Radumfangsgeschwindigkeit
v_fahrzeug = Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit
schlupf_ideal = idealer Schlupfwert bezogen auf die Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit (diese muß nicht notwendig die wahre Fahrzeuggeschwindigkeit sein, da gemäß 2.1 Berechnungsfehler möglich sind).

Gleichung (6) liegt folgende Schlupfdefinition zugrunde:

Um Gleichung (6) zu lösen, benötigt man den Idealschlupf, der sich relativ leicht während der ABS-Regelung ausmessen läßt. Es handelt sich nämlich um den Schlupfwert, für den bei maximal möglichem Bremsdruck ein Momentengleichgewicht am Rad vorliegt, d. h. das antreibende Momente durch die Reibungskraft zwischen Reifen und Fahrbahn ist annähernd identisch mit dem Bremsmoment. Dazu betrachte man folgende Differentialgleichung, die die Rotationsdynamik des Rades beschreibt (s. auch Abb. 1):

Dabei bedeuten:

= Winkelbeschleunigung des Rades
= Winkelgeschwindigkeit des Rades
theta = Massenträgheitsmoment des Rades
r = Raddurchmesser
F_Reibung = Effektive Reibungskraft zwischen Rad und Fahrbahn
M_Brems = Bremsdruckbedingtes Bremsmoment
K = Rollreibungskonstante

Einzustellen ist also derjenige Schlupf, für den gilt:

Anmerkung:

Die Forderung ≈ 0 besagt, daß im Hinblick auf eine gewünschte Fahrzeugverzögerung selbstverständlich auch eine Winkelverzögerung des Rades angestrebt wird. Diese sollte aber betragsmäß klein sein ( 1.6 g/r), so daß sichergestellt ist, daß kein überbremsungsbedingter Radgeschwindigkeitseinbruch vorliegt.

Bei der Auffindung des Idealschlupfs nach Gleichung (8) macht man sich die Tatsache zunutze, daß die µ-Schlupf-Kennlinie i. a. ein Maximum aufweist, das man idealerweise bei der Schlupfeinstellung des Rades "anfahren" sollte. Existiert kein µ-Maximum im fahrstabilen Schlupfbereich (dies ist z. B. auf Schnee und Schotter der Fall), so wird der minimale eingestellt, für den die µ-Werte noch nicht gravierend abnehmen.

Nachfolgend wird gezeigt, wie sich der ideale Schlupf nach (8) finden läßt.

Eine Realisierung der gewünschten Schlupfregelung läßt sich mit Hilfe eines Plunger-Druckmodulators deshalb realisieren, da anhand der Stellgröße U (s. 2.1) der jeweils eingestellte Bremsdruck bekannt ist, so daß die Bedingung (9) erfüllt werden kann, die besagt, daß das Momentengleichgewicht für das maximale Bremsmoment (also für den maximalen Bremsdruck) gesucht wird.

Algorithmus zur Auffindung des idealen Schlupfes:

1) Anfangs wird ein relativ geringer Schlupfwert S_START voreingestellt und der zugehörige Bremsdruck P als P_ALT zwischengespeichert. Danach wird der Schlupf um einen Betrag S_DELTA erhöht und der sich stabil einstellende P-Wert mit P_Alt verglichen. Falls P < P_ALT gilt, so war die Schlupfvergrößerung berechtigt, da der Bremsdruck zum Halten des Rades erhöht werden konnte, die Bremswirkung des neuen Schlupfes S_START + S_DELTA also vergrößert werden konnte (s. Abb. 2).
(Dabei wird - wie bereits in 2.1 erwähnt - davon ausgegangen, daß der Bremsdruck direkt aus der Stellgröße U abgeleitet werden kann.
2) Das Hochfahren des Schlupfes S endet, wenn eine der beiden nachfolgend aufgeführten Situationen vorliegt:
- a) Durch den Vergleich von P_ALT wurde festgestellt, daß die µ-Kuppe erreicht ist: P < =P_ALT (s. Abb. 3.a).
  Beim Überschreiten der µ-Kuppe kann ein mitkopplungsbedingter Radgeschwindigkeitseinbruch auftreten, den die analoge ABS-Regelung (s. Abschnitt 2.3) möglichst ganz vermeiden oder sehr schnell ausregeln muß. Bei einer notwendigen Ausregelung wird ein Schlupf angefahren, der um 2 _* S_DELTA unter dem Abbruchschlupf liegt.
- b) Es wurde bereits ein Schlupf eingestellt, der oberhalb einer für die Stabilitätserhaltung festgesetzten Grenze liegt und die Änderung der P-Werte ist nur noch gering:
  S < S_MAX & P_DELTA/S_DELTA < Grenzwert (s. Abb. 3.b).
  Dies ist allgemein der Fall bei losem Untergrund (Schotter, Schnee etc.)
3) Sobald der "Idealpunkt" für den Schlupf eingestellt wurde, erfolgt nur noch eine schwache Nachregelung mit S_DELTA/4. Tritt ein gravierender µ-Sprung ein (i. a. erkennbar an den sich sprungartig um große Beträge ändernden P-Werten), so beginnt die Schlupfregelung nach der Stabilisierung wieder bei Punkt 1, da sich außer dem Wert µ_max auch die Form der µ-Kennlinie geändert haben kann.
Durch die Schlupfregelung kann immer der ideale Schlupf zwischen Reifen und Fahrbahn gefunden werden. Um diesen regelungstechnisch auch schnell einstellen zu können, benötigt man die nachfolgend beschriebene analoge ABS-Regelung.

2.3 Analoge ABS-Regelung

Unter dem Betriff "analoge Regelung" soll hier nicht eine Regelung mit analogen Schaltkreiskomponenten verstanden werden, sondern die anschließend beschriebenen Mechanismen lassen sich auch mit üblichen µ-Controllern realisieren. Vielmehr ist hier gemeint, daß nicht die herkömmliche ABS-Strategie zur Anwendung kommt, nach der ein stufenweise über Magnetventile erzielter Druckab- und -aufbau erfolgt, um die Radbeschleunigung in einem gewünschten Band zu halten. Das hier vorgestellte Konzept sieht vor, analoge (nicht quantisierte) Druckwerte einzustellen, die sich aus der jeweils existierenden Regeldifferenz zwischen der Idealgeschwindigkeit und der tatsächlichen Radgeschwindigkeit errechnen. Die durch eine endliche Regelzykluszeit und die Auflösung der Controller-Arithmetik bedingte Zeit- und Wertediskretisierung kann bei der Leistung heutiger µ-Controller im Vergleich zu den relativ hohen Verzugszeiten der zu steuernden Mechanik vernachlässigt werden, so daß die eigentlich nur "quasi-analoge" Regelung hier im weiteren als "analoge" Regelung bezeichnet wird.

Für einen analogen ABS-Regler existieren folgende Größen:

v_ideal = ideale Radgeschwindigkeit (Sollwert)
v_rad = tatsächliche Radgeschwindigkeit (Istwert)
X = v_ideal-v_rad = Differenz zwischen idealer und tatsächlicher Radgeschwindigkeit (Regelabweichung)
p = Bremsdruck (Stellgröße)

Damit läßt sich beispielsweise ein PID-Regler aufbauen:

Dabei bedeuten

K_R = Regelverstärkung
T_a = Abtastzeit = Regelzykluszeit
T_n = Nachstellzeit des Integralanteils
T_v = Vorhaltezeit des Differentialanteils
p_fahrer = Fahrerbremsdruck, der zur Radblockierung geführt hatte
p(i) = Einzustellender Bremsdruck zum Zeitpunkt i
x(i) = Regelabweichung zum Zeitpunkt i

Abb. 4 zeigt den funktionalen Aufbau einer derartigen Regelschleife. Als direkte Stellgröße dient das Signal U, das auch zur Berechnung der Fahrzeug- Referenzgeschwindigkeit und als druckproportionale Entscheidungsgröße für die Schlupfregelung herangezogen wird.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln und Einstellen einer optimalen mittleren Bremsverzögerung bei blockiergeschützten Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Haftreibungskoeffizient zwischen dem Reifen und der Fahrbahn während des Regelvorgangs permanent ermittelt und daraus die Fahrzeug- Referenzgeschwindigkeit grob berechnet wird,
- daß die Fahrzeug-Referenzgeschwindigkeit zur Ermittlung idealer Radgeschwindigkeiten dient und zur Einstellung und laufenden Nachregelung der idealen Schlupfwerte aller Räder herangezogen wird.
- und daß die idealen Radgeschwindigkeiten als Sollwerte für einen Proportionalregler verwendet werden, der Radgeschwindigkeitseinbrüche ausregelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein relativ geringer Schlupfwert vorgegeben und der zugehörige Bremsdruck zwischengespeichert und danach der Schlupf erhöht und der sich stabil einstellende Druckwert mit dem Zwischengespeicherten verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Druckstellglied ein Plunger-System verwendet wird, das einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der aus der Regelung resultierenden Ansteuerung des Druckkolbens und dem im System vorhandenen Druck aufweist.