DE4024811C2 - Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvorgangs von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvorgangs von Kraftfahrzeugen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 wie sie aus der DE-OS 19 61 039 oder der DE 36 38 866 A1 bekannt ist.

Die Bremskraft an den Rädern von Kraftfahrzeugen (die Radbremskraft) wird im wesentlichen durch den Bremsdruck, die rechtwinklig wirkende Bremszy­ linderfläche und den Gleitreibungskoeffizienten zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe bei Scheiben bremsen bzw. Bremsbelag und Bremstrommel bei Trommelbremsen bestimmt. Bei gebräuchlichen Bremsanlagen wird in alle Räder der gleiche konstante Bremsdruck eingesteuert; unterschiedliche Werte der Bremszylinderfläche und des Reibungskoeffizienten der einzel­ nen Räder - etwa durch unterschiedlichen Abrieb zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe/Bremstrommel oder durch Veränderung der Beschaffenheit der Bremsbeläge bei Betätigung der Bremse - führen zu unterschiedlichen Bremskräften an den einzelnen Rädern bzw. zu einer Änderung der Brems­ kraft in Abhängigkeit des Betriebszustands des Kraftfahrzeugs.

Sind jedoch die Radbremskräfte an den Rädern auf der rechten und linken Fahrzeugseite verschieden, wirkt ein resultierendes Drehmoment (Giermo­ ment) auf das Kraftfahrzeug ein; das Kraftfahrzeug "zieht" in die Richtung, in der die Radbremskraft stärker ist. Zur Korrektur muß der Fahrer ge­ genlenken; durch die zusätzlichen Kräfte in der Reifenaufstandsfläche wer­ den die übertragbaren Verzögerungskräfte zwischen Reifen und Straße ver­ mindert, bei überschreiten der Haftreibungsgrenze kann es zum Blockieren des Rades kommen. Bei vielen Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei Nutzfahr­ zeugen - insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Anhänger oder Auflieger - ändert sich der Beladungszustand und damit auch die Bremskraftverteilung bzw. die Radbremskraft an den einzelnen Achsen bzw. Rädern sehr häufig. Bei ungünstiger Bremskraftverteilung kann ein Überbremsen der Achsen auftreten; beim Bremsmanöver schiebt der Anhänger von hinten gegen das Zugfahrzeug, das dadurch einknicken und seitwärts ausbrechen kann.

Es ist bereits eine lastabhängige Bremskraftregelung (ALB) bekannt, bei der der Bremsdruck zwischen Vorder- und Hinterachse asymmetrisch in ei­ nem festen Verhältnis - beispielsweise im Verhältnis 70% zu 30% - einge­ stellt wird, wobei dieses Verhältnis in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Kraftfahrzeuges geändert werden kann. Oft ist jedoch diese fest einge­ stellte Bremskraftverteilung ungünstig; während des Bremsvorgangs selbst erfolgt keine Regelung der Bremskraft, so daß die oben beschriebenen kriti­ schen Situationen - Entstehung von Giermomenten, Überbremsen der Ach­ sen - weiterhin auftreten können.

Beim Antiblockiersystem (ABS) wird durch geeignete Steuerung der Brems­ ventile erreicht, daß die Räder des Kraftfahrzeugs bei einer starken Brem­ sung (Notbremsung) nicht blockieren, d. h. es wird die maximal mögliche Bremskraft an den einzelnen Rädern vorgegeben. Auf eine "normale Brem­ sung" - eine Bremsung, bei der die Räder greifen, durch die Bremsung also keine Überschreitung der Haftreibungsgrenze in der Reifenaufstandsfläche hervorgerufen wird - hat das ABS-System jedoch keinerlei Auswirkungen.

Bei der in der gattungsgemäßen DE-OS 19 61 039 beschriebenen Fahrzeug­ bremsanlage mit Blocklerschutz wird der Istwert der Radbremskraft aus ei­ nem Radbremszylinder-Drucksignal abgeleitet und mit dem durch die Stel­ lung des Bremspedals (d. h. der Bremspedalkraft) vorgegebenen Sollwert der Radbremskraft verglichen.

Bei dem aus der gattungsgemäßen DE 36 38 866 bekannten Bremssystem für Kraftfahrzeuge wird der Istwert der Radbremskraft mittels auf den Bremszangen angeordneten Dehnungsmeßstreifen ermittelt und mit dem durch einen Pedalkraftsensor bestimmten Sollwert der Radbremskraft ver­ glichen.

Weiterhin wird in der DE 38 01 267 A1 eine Fahrzeugbremsanlage beschrie­ ben, bei der der Bremsdruck und damit die Radbremskraft der Hinterräder in Abhängigkeit des Reibwerts des Untergrunds verringert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvorgangs von Kraftfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 mit einer weiteren Methode zur Bestimmung der Istwerte der Radbremskraft anzugeben, mit der die bei herkömmlichen Bremssystemen auftretenden Probleme vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Vorrichtung auch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Welterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Während jedes Bremsvorgangs wird die Radbremskraft für die einzelnen Rä­ der des Kraftfahrzeugs dynamisch gesteuert, d. h. entsprechend der Soll­ wertvorgabe erhöht oder erniedrigt: durch die Stellung des Bremspedals wird das Bremsverhalten vorgegeben bzw. die gewünschte Bremsverzöge­ rung festgelegt; um diese Sollwertvorgabe zu erreichen - bzw. sich dieser, so gut es die Randbedingungen zulassen, anzunähern - wird mittels einer Bremskraft-Meßeinrichtung die während des Bremsvorgangs an den Brems­ backen bzw. Bremszangen (Befestigungspunkte der Zuspannorgane der Rad­ bremse) auftretende Lagerkraft gemessen, mittels einer Regeleinrichtung daraus - anhand eines vorher bestimmten empirischen Zusammenhangs - der momentane Istwert der Bremskraft berechnet, der Bremsdruck entspre­ chend der Abweichung Sollwert/Istwert geändert und dieser Regelungsvor­ gang - Messung der Lagerkraft, Ist-/Sollwert-Vergleich, Änderung des Brems­ drucks - sukzessive wiederholt, bis Sollwert und Istwert der Radbremskraft übereinstimmen.

Mit Hilfe externer Meßgrößen kann die Regeleinrichtung zusätzliche Infor­ mationen erhalten bzw. Randbedingungen berücksichtigen, wodurch das Bremsverhalten weiter verbessert werden kann. Beispielsweise kann bei einer Messung der Bremsverzögerung eine dynamische Achslastverteilung während des Bremsvorgangs erfolgen, d. h. das Bremskraftverhältnis zwi­ schen Vorderachse und Hinterachse wird entsprechend einer vorher be­ stimmten optimalen Verzögerungskurve variiert; zusätzlich kann noch der Beladungszustand des Kraftfahrzeugs bestimmt werden und die passende - von der Masse dem Kraftfahrzeugs abhängige - Verzögerungskurve gewählt werden.

Wegen der kontinuierlichen dynamischen Regelung der Radbremskraft an den einzelnen Rädern - zwischen Vorder- und Hinterachse bzw. rechter und linker Fahrzeugseite - während des Bremsvorgangs ist eine sehr genaue Do­ sierung der Radbremskraft und eine optimale Bremsung unabhängig vom Zustand der Bremsen möglich.

Die Fahrsicherheit läßt sich somit erhöhen, da einerseits das Kraftfahrzeug durch Steigerung der möglichen Radbremskraft stärker gebremst werden kann, der Bremsweg also verkürzt wird, und andererseits das Kraftfahrzeug während des Bremsvorgangs stabil bleibt, ohne daß Giermomente auftre­ ten, ein Überbremsen der Achsen auftritt oder die Räder blockieren.

Daneben brauchen die Bremsbeläge wegen der gleichmäßigen Abnutzung nicht so häufig gewechselt werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 näher beschrie­ ben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Trommelbremse (Fig. 1a) und einer Scheibenbremse (Fig. 1b),

Fig. 2 eine Meßanordnung zur Bestimmung der zur Radbremskraft F_B proportionalen Lagerkraft F_L,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines geregelten Bremssystems,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit v, der Normalkräfte F_N und der Radbremskräfte F_B bei einem Bremsvorgang,

Fig. 5 die Verzögerungskurven bei einem unbeladenen und einem beladenen Kraftfahrzeug.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Radbremse eines Kraftfahr­ zeugs; in der Fig. 1a ist eine Trommelbremse 10 - mit Bremstrommel 11, Bremsbacken 12, Bremsbelägen 13, Befestigungspunkten 14 und Bremszy­ linder 15 - in der Fig. 1b eine Scheibenbremse 20 - mit Bremsscheibe 21, Bremszangen 22, Bremsbelag 23, Befestigungspunkten 24 und Bremszylin­ der 25 - dargestellt.

An den Befestigungspunkten 14 bzw. 24 der Bremsbacken 12 (Fig. 1a) bzw. der Bremszangen 22 (Fig. 1b) werden die den Radbremskräften F_B propor­ tionalen Lagerkräfte F_L - beispielsweise mittels Sensoren - gemessen und aus diesen Meßwerten die Radbremskräfte F_B berechnet. Das jeweilige Verhält­ nis von Radbremskraft F_B zu Lagerkraft F_L, das unter anderem von der Kon­ struktion der Bremsen abhängt, kann für jeden Bremstyp genau bestimmt werden; daher können beispielsweise auch bei einem Bremssystem gleich­ zeitig Trommel- und Scheibenbremsen verwendet werden.

Der Absolutwert der Radbremskräfte F_B muß dabei nicht unbedingt be­ stimmt werden; in den meisten Fällen genügt es bereits, wenn das relative Verhältnis der Radbremskräfte F_B bei den einzelnen Rädern (links, rechts, vorne, hinten) ermittelt wird.

In der Fig. 2 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der der Radbrems­ kraft F_B proportionalen Lagerkraft F_L bei einer Scheibenbremse dargestellt. Mit Hilfe eines magneto-elastischen Kraftsensors - beispielsweise eines Kraftmeßbolzens oder einer Meßschraube 26 - wird die Bremszange 22 der Scheibenbremse an den Befestigungspunkten 24 festgehalten bzw. mit dem Fahrzeugchassis 29 verbunden; damit können die Lagerkräfte F_L, die ein Maß für die Verformung des Kraftmeßbolzens während des Bremsvorgangs sind, gemessen werden. Die Radbremskräfte F_B ergeben sich aus dem empi­ rischen Zusammenhang zwischen dieser Lagerkraft F_L und dem jeweiligen Kraftfahrzeug bzw. Bremsentyp. Beim Bremsvorgang wird dieser Zusam­ menhang ausgenützt; die gemessenen Werte der Lagerkräfte F_L bzw. die daraus abgeleiteten Werte der Radbremskraft F_B werden als momentane Ist­ werte der Radbremskraft F_B von der Regeleinrichtung verwendet.

Beispielsweise wird gemäß Fig. 2 die Verformung der Meßschraube 26 bzw. des Kraftmeßbolzens mit Hilfe eines im Schraubenschaft 27 integrierten ma­ gneto-resistiven Sensors 28 - dessen magnetischer Widerstand ändert sich in Abhängigkeit der elastischen Spannung - gemessen und in eine elektrische Größe umgewandelt. Bei einer anderen Meßmethode wird beispielsweise eine Unterlagscheibe aus piezo-elektrischem Material eingesetzt, mit deren Hilfe ein elektrisches Signal als Maß für die Verformung gewonnen wird.

In der Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines geregelten Bremssystems dargestellt.

Die Regeleinrichtung 30, die eine Signalverarbeitungseinheit 31 und eine Steuereinheit 32 umfaßt, bestimmt und steuert den Bremsdruck p so, daß die Radbremskraft an jedem Rad 35 (VL, VR, HR, HL) denjenigen Wert an­ nimmt, der durch die Stellung des Bremspedals vorgegeben wurde bzw. der anhand der Eigenschaften des Bremssystems als optimale Sollwertvorgabe bestimmt wurde. Dazu werden die von den Sensoren 28 - beispielsweise Dehnmeßstreifen, magneto-striktive Kraftaufnehmer, piezo-elektrische Kraftaufnehmer etc. - über die Sensorleitung 38 eingehenden Informatio­ nen über den tatsächlichen Istwert der Radbremskraft durch die Signalver­ arbeitungseinheit 31 aufbereitet, mit der Sollwertvorgabe verglichen, und die Ventile 34 zur Steuerung des Bremsdrucks p durch einen Regelalgorith­ mus der Steuereinheit 32 - beispielsweise über die Relaissteuerung 36 - an­ gesteuert.

Bei einer passiven Bremskraftregelung werden die Ventile 34 so angesteu­ ert, daß bei jeder Achse die Radbremskraft auf das Rad 35 mit dem geringe­ ren Reibungskoeffizienten eingeregelt wird. Die Ventile sind so ausgeführt, daß sie den Bremsdruck p definiert abregeln können; hier können beispiels­ weise 3-Wege-Ventile zum Einsatz kommen.

Bei einer aktiven Bremskraftregelung kann - durch Verwendung von zusätz­ lichen Bremskraftstellern, beispielsweise durch 4-Wege-Ventile - der Brems­ druck p auch beliebig eingeregelt werden.

Mit Hilfe der Regeleinrichtung 30 kann auch der in den einzelnen Rädern 35 eingeregelte Bremsdruck p entweder gemessen oder über die Steuereinheit 32 verhältnismäßig erfaßt werden. Damit ist eine Überwachung und Kon­ trolle des Bremssystems möglich; Bremsen mit Fehlfunktion - beispielsweise aufgrund von verminderten Reibungskoeffizienten der Bremsbeläge oder Defekten in der Bremstrommel oder Bremsscheibe - können so ermittelt und der Fahrer rechtzeitig gewarnt werden.

Durch Berücksichtigung von Meßwerten externer Meßgrößen 37, die optio­ nal in die Regeleinrichtung 30 des Bremssystems eingespeist werden, läßt sich das Bremsverhalten weiter verbessern:

• - Bei einer Messung der Bremsverzögerung kann eine dynamische Bremskraftregelung eingesetzt werden, d. h. das Bremskraftverhält­ nis von Vorderachse zur Hinterachse wird beim Bremsvorgang dy­ namisch mitgeregelt. Die Zeitfunktion, nach der die Bremskraftver­ teilung geregelt wird, läßt sich optimieren, in dem der minimal mög­ liche Bremsweg und somit die optimale Verzögerungskurve ermittelt wird.
• In der Fig. 4 ist ein Beispiel für die dynamische Regelung der Rad­ bremskraft dargestellt; auf der Ordinate ist dabei die Geschwindig­ keit v, die Normalkraft F_N an Vorderachse (F_NV) und Hinterachse (F_NH), die Radbremskraft F_B an Vorderachse (F_BV) und Hinterachse (F_BH) und auf der Abszisse die Zeit t dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Bremskraftverteilung - gemäß Fig. 4 wird beispielsweise im ersten Moment vorne und hinten ungefähr gleich stark gebremst, die Radbremskraft an der Hinterachse bei einsetzender Verzögerung jedoch reduziert - kann anhand der optimalen Verzögerungskurve F_N(a) vorgegeben werden.
• - Mit Hilfe eines Beladungssensors kann der Beladungszustand des Kraftfahrzeugs festgestellt werden und infolgedessen das Brems­ kraftverhältnis zwischen Vorderachse und Hinterachse des Kraftfahr­ zeugs geändert werden.
• In der Fig. 5 sind zwei Verzögerungskurven dargestellt, die das Ver­ hältnis der Normalkraft an Vorderachse und Hinterachse F_NV/F_NH als Funktion der Bremsverzögerung a angeben. Bei unterschiedlichen Beladungszuständen des Kraftfahrzeugs und demzufolge unter­ schiedlicher Masse und Achsbelastung - in Fig. 5 zeigt die Kurve (1) die Verzögerungskurve eines vollbeladenen Kraftfahrzeugs, die Kurve (2) die eines unbeladenen Kraftfahrzeugs - ändert sich die Normal­ kraftverteilung F_NV/F_NH und damit auch die optimale Bremskraftver­ teilung zwischen Vorderachse und Hinterachse des Kraftfahrzeugs.
• - Die Radbremskraft an den einzelnen Rädern bzw. das Bremskraftver­ hältnis kann in Abhängigkeit der Geschwindigkeit oder des Straßen­ zustandes (trocken/feucht, kalt/warm etc.) geändert werden.
• - Bei Berücksichtigung der Raddrehzahlinformation - wie sie beispiels­ weise ein Drehzahlfühler liefert - kann eine Aussage über den Rei­ bungskoeffizienten zwischen Reifen und Straße gemacht werden. Da bei bekannter Radbremskraft die Radverzögerung auch von diesem Reibungskoeffizienten abhängt, läßt sich mit dessen Kenntnis das Bremsverhalten besser steuern.

Die vorgestellte Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvorgangs kann auch sehr einfach mit einem ABS-System kombiniert werden bzw. dieses ergän­ zen. Da die vorhandene Regeleinrichtung auch für ABS-Funktionen verwen­ det werden kann, ergeben sich erhebliche Kosteneinsparungen; beispiels­ weise werden die Regelventile 34 zur Einstellung des Bremsdrucks nur ein­ mal benötigt, die Steuereinheit 32 könnte die ABS-Funktion mitüberneh­ men. Da bei der vorgestellten Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvor­ gangs immer eine optimale Bremsung stattfindet, tritt der ABS-Fall (Not­ bremsung/Blockieren der Räder) jedoch viel seltener ein.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Steuerung des Bremsvorgangs von Kraftfahrzeugen mit einem Bremssystem, weiches ein Bremspedal als Sollwertgeber, Radbrem­ sen, eine Regeleinrichtung zur Regelung der Radbremsdrücke, sowie für jede Radbremse eine Bremskraft-Meßeinrichtung zur Ermittlung des Istwer­ tes der Radbremskraft umfaßt, wobei der durch die Stellung des Bremspe­ dals bestimmte Sollwert der jeweiligen Radbremskraft mit dem zugeordne­ ten Istwert verglichen wird und abhängig von diesem Vergleich der jewei­ lige Radbremsdruck während jedes Bremsvorgangs auf den Sollwert einge­ stellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremskraft-Meßeinrichtungen die Lagerkräfte (F_L) an den Befestigungspunkten (14, 24) der Zuspannorgane der Radbremsen (10, 20) messen und daraus die Istwerte der Radbremskräfte (F_B) ableiten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager­ kräfte (F_L) mittels Sensoren (28) gemessen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager­ kräfte (F_L) mittels Kraftaufnehmern, Kraftmeßbolzen oder Kraftmeßschrau­ ben gemessen werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager­ kräfte (F_L) mittels magneto-elastischer oder piezo-elektrischer Kraftsensoren gemessen werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Signalverarbeitungseinheit (31) der Regeleinrichtung (30) Meß­ werte externer Meßgrößen (37) zugeführt und von dieser verarbeitet wer­ den, und daß die Sollwertvorgabe der Radbremskraft (F_B) abhängig von den Werten dieser externen Meßgrößen (37) geändert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Meßgröße (37) die während des Bremsvorgangs durch einen Verzögerungs­ sensor gemessene Bremsverzögerung (a) ist, und daß das Verhältnis der Rad­ bremskräfte (F_B) an der Vorderachse (F_BV) und der Hinterachse (F_BH) in Ab­ hängigkeit des Wertes der Bremsverzögerung (a) dynamisch geändert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Meßgröße (37) der durch einen Beladungssensor gemessene Bela­ dungszustand des Kraftfahrzeugs ist, und daß das Verhältnis der Radbrems­ kräfte (F_B) an der Vorderachse (F_BV) und der Hinterachse (F_BH) in Abhängig­ keit des Beladungszustandes geändert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Meßgröße (37) die durch einen Drehzahlfühler (38) gemes­ sene Raddrehzahl ist, und daß aus der Raddrehzahl der Reibungskoeffizient zwischen Rad und Straße bestimmt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Meßgröße (37) der Fahrbahnzustand ist, und daß die maxi­ mal mögliche Radbremskraft (F_B) abhängig vom Fahrbahnzustand vorgege­ ben wird.