DE4142863C2 - Bremseinrichtung für ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug - Google Patents

Bremseinrichtung für ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für ein nicht- spurgebundenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 29 43 554 C2).
Üblicherweise sind Kraftfahrzeuge, also Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse und dergleichen, mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet. Es sind auch Kraftfahrzeuge mit elektromotorischem Antrieb entwickelt worden, darunter auch in jüngerer Zeit Fahrzeuge mit Solarantrieb, d. h. Fotozellen, die den Strom für den Antriebs-Elektromotor liefern.
Eine Bremseinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE 29 43 554 C2 bekannt. Zunächst wird dort elektronisch das Bremsmoment gesteuert, wobei der Elektromotor als Generator arbeitet, dann wird auf "konventionelle" Bremsung umgeschaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bremseinrichtung der genannten Art anzugeben, die ein völlig ruckfreies Anhalten des Fahrzeugs gestattet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Diese Bremseinrichtung gewährleistet ein praktisch völlig ruckfreies Abbremsen, ohne daß hierzu der Fahrer besonders viel Feingefühl beim Betätigen des Bremspedals aufbringen muß. Üblicherweise erfolgt das ruckende Anhalten eines Fahrzeugs aufgrund des Übergangs zwischen Gleitreibung in Haftreibung an den Bremsscheiben oder Bremsklötzen. Durch das kontinuierliche Herunterregeln der Bremskraft ist im Moment des Anhaltens des Fahrzeugs die Gleitreibung praktisch null. Wenn das Fahrzeug stillsteht, werden die Bremsen durch sprunghaftes Erhöhen der Bremskraft wieder angedrückt oder angezogen, so daß das Fahrzeug nicht wegrollen kann.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Um die durch Schalten des Elektromotors als Generator erreichbare Bremsenergie noch zu erhöhen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß zusätzlich zu einer mechanisch-hydraulischen Bremsanlage eine elektrische Wirbelstrom-Bremsanlage vorgesehen ist, die bei einem Bremsvorgang von dem in Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor gespeist wird. Mithin stehen bei dieser Variante insgesamt drei Möglichkeiten zur Verfügung, eine Abbremsung des Fahrzeugs zu bewirken: 1. erfolgt eine Abbremsung durch Schalten des Antriebs-Elektromotors als Generator, 2. kann eine Abbremsung durch eine (übliche) mechanisch-hydraulische Bremsanlage erfolgen und 3. wird bei einem Bremsvorgang die elektrische Wirbelstrombremse mit Strom gespeist.
Das Speisen der elektrischen Wirbelstrombremse beim Bremsvorgang ist hier deshalb besonders günstig, weil der zum Speisen der Wirbelstrombremse benötigte elektrische Strom von dem dann als Generator arbeitenden Elektromotor geliefert wird.
Die elektrische Wirbelstrombremse hat außerdem den beträchtlichen Vorteil, daß ein an das Fahrzeug gekoppelter Anhänger wirksam abgebremst werden kann, oder daß dies - wie bisher - ausschließlich mittels mechanischer Bremsung erfolgen muß.
Mit Hilfe eines Beschleunigungssensors kann man die Verzögerung des Fahrzeugs bei einem Bremsvorgang ermitteln. Abhängig von der Fahrzeugverzögerung kann man die Bremskraftverteilung auf die Vorderachse und die Hinterachse dann so vornehmen, daß tatsächlich der kürzeste Bremsweg realisiert wird. Dabei läßt sich gleichzeitig eine maximale Bremsstabilität erreichen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Bremspedal-Weggeber auf einen Bremspedal- Vorweg anspricht und für eine elektronisch gesteuerte Bremsmoment- oder Bremskrafteinstellung ein Führungssignal liefert, und im Anschluß an den Bremspedal-Formweg die mechanisch-hydraulische Bremsanlage anspricht. Hierbei kann an dem Punkt des Übergangs zwischen Betätigung der elektronischen Bremse und der mechanisch-hydraulischen Bremse einen vom Fahrer taktil erfaßbaren Punkt, z. B. eine plötzlich einsetzende Vergrößerung des Pedalwiderstands, vorsehen.
Damit der Fahrer das richtige Gefühl für das Ausmaß der auf die Räder einwirkenden Bremskraft erhält, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß an das Bremspedal ein wegabhängig arbeitendes mechanisches Widerstandselement gekoppelt ist. Dieses kann ein Hysterese- Element aufweisen, insbesondere ein Reibungsglied. Ein solches Hysterese-Element ist wichtig, um bei einem einmal eingestellten Bremspedalweg die dann erzielbare Bremskraft auch beizubehalten, wenn die auf das Bremspedal aufgebrachte Kraft etwas abnimmt. Vorzugsweise wird die rein elektronisch gesteuerte Anlage für 100% des maximalen Bremsmoments ausgelegt.
Es ist bekannt, daß die Bremskraftverteilung auf Vorderachse und Hinterachse in Abhängigkeit der Abbremsung zur Gewährleistung der Bremsstabilität einer nicht-linearen Funktion entspricht. Diese bekannte Beziehung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Abbremsung z errechnet sich aus der Beziehung
wobei die Verzögerung des Fahrzeugs und g die Erdbeschleunigung ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, muß zur Gewährleistung der Bremsstabilität die auf die Räder der Vorderachse aufgebrachte Bremskraft Bv bei höheren Werten von z gegenüber der auf die Räder der Hinterachse aufgebrachten Bremskraft Bh relativ erhöht werden. Der schraffierte Bereich oben links in Fig. 6 ist der Bereich, in dem die Bremsstabilität gewährleistet ist, trockener Fahrbahnbelag vorausgesetzt. Im übrigen Bereich besteht Bremsinstabilität.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, daß die Bremskraft oder das Bremsmoment für die Vorder- bzw. die Hinterachse von der elektronischen Steuerung abhängig von der Abbremsung z verteilt wird. Der Bereich, in welchem die Bremskraftverteilung auf die Räder der Vorderachse bzw. die der Hinterachse erfolgt, reicht von etwa 1,5 bis etwa 3,5.
Damit läßt sich die Bremskraft so verteilen, daß auf jeden Fall die erforderliche Bremsstabilität gemäß Fig. 6 erreicht wird. Bei einer "Vollbremsung" kann man mit der richtigen Bremskraftverteilung einen optimal kurzen Bremsweg erzielen, ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß das Fahrzeug ausbricht, weil z. B. die Bremskraftverteilung nicht den gemäß Fig. 6 definierten Bedingungen entspricht.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs mit elektromotorischem Einzelantrieb an vier Rädern,
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Bremseinrichtung,
Fig. 3 die Abhängigkeit der vom Fahrer beim Betätigen des Bremspedals gespürten "Pseudobremskraft" von dem Bremspedalweg,
Fig. 4 die Abhängigkeit der Bremskraft vom Bremspedalweg,
Fig. 5 eine grafische Darstellung, die den Bremskraftverlauf in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit beim Anhalten des Fahrzeugs veranschaulicht, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Bremskraftverteilung in Abhängigkeit der Abbremsung zur Gewährleistung der Bremsstabilität.
In Fig. 1 ist ein als ganzes mit 2 bezeichnetes Fahrzeug dargestellt, welches vier einzeln mittels Elektromotoren 6a . . . 6d angetriebene Räder 4a . . . 4d besitzt. Den Elektromotoren 6a, 6b . . . wird von einer Verbrennungsmotor- Generator-Einheit (VGE) 10 über einen als Leistungselektronik- Einheit 8 ausgebildeten Energieverteiler Strom zugeführt, und zwar über Stromversorgungsleitungen L1, L2 für die Vorderräder 4a und 4b und Leitungen L3 und L4 für die Hinterräder 4c bzw. 4d.
Eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete elektronische Steuerung 12 empfängt von den Elektromotoren 6a . . . 6d Drehzahlsignale, und empfängt außerdem von hier nicht dargestellten Sensoren weitere Signale, die kennzeichnend sind für den Betrieb der VGE 10, den Zustand der Elektromotoren 6a . . . 6d, die Stellung eines nicht dargestellten Fahrhebels und dergleichen. Abhängig von der Stellung des Fahrhebels wird durch die VGE 10 eine bestimmte elektrische Leistung zur Verfügung gestellt, die über die Leistungselektronik-Einheit 8 nach Maßgabe der elektronischen Steuerung 12 an die Elektromotoren 6a . . . 6d gegeben wird.
Als zusätzliche Energiequelle steht ein Akkumulator 11 zur Verfügung, aus dem Energie zum Beschleunigen des Fahrzeugs 2 wie für weitere Zwecke entnommen werden kann. Auch ist ein Speichern von Energie in dem Akkumulator 11 möglich. Hierzu wird der Ladezustand des Akkumulators 11 von einem Sensor erfaßt und der Steuerung 12 signalisiert, die gegebenenfalls die VGE 10 veranlaßt, elektrische Energie über die Leistungselektronik-Einheit 8 in den Akkumulator 11 einzuspeisen. Die VGE 10 besitzt einen Verbrennungsmotor, z. B. einen Otto-Motor, und einen elektrischen Generator mit vorzugsweise elektronischer Kommutierung.
Rechts in Fig. 1 ist schematisch ein Bremspedal 14 angedeutet, welches vom Fuß des Fahrers des Fahrzeugs 2 betätigt wird. Der Pedalweg des Pedals 14 wird von einem als Weggeber fungierenden Potentiometer 16 erfaßt, ein entsprechendes Signal wird von dem Potentiometer 16 an die Steuerung 12 geliefert. Mechanisch ist das Bremspedal 14 mit einer Bremszylinder/Bremskraftverstärker-Einheit 20 gekoppelt, die in an sich bekannter Weise über Hydraulikleitungen B Bremskraft auf hier nicht dargestellte Bremszylinder an Bremsen der vier Räder 4a . . . 4d überträgt.
Wenn das Fahrzeug 2 abgebremst wird, indem das Bremspedal 14 vom Fahrer ein Stück bewegt wird, wird dies von der Steuerung 12 über das Potentiometer 16 erfaßt. Die Steuerung 12 veranlaßt daraufhin, daß die Elektromotoren 6a . . . 6d auf Generatorbetrieb umgeschaltet werden. Dadurch setzen die Elektromotoren 6a . . . 6d der Drehbewegung der mit ihnen direkt gekoppelten Räder 4a . . . 4d einen Widerstand entgegen. Über die Leitungen L1 . . . L4 wird nun elektrische Energie von den Elektromotoren 4a . . . 4d an die Leistungselektronik-Einheit 8 geliefert, von wo aus die Energie verteilt wird.
Zum Verteilen der Energie ist die Steuerung 12 mit den verschiedenen Bauelementen und Baugruppen über Signalleitungen verbunden, die in Fig. 1 gestrichelt dargestellt sind.
Zusätzlich zu der Abbremsung durch das Schalten der Elektromotoren 6a . . . 6d auf Generatorbetrieb erfolgt eine weitere Aufbringung einer Bremskraft über Wirbelstrombremsen 18a . . . 18d, von denen jeweils eine mit einer Antriebswelle eines Elektromotors 6a . . . 6d gekoppelt ist. In Fig. 1 sind die Wirbelstrombremsen schematisch dargestellt. Sie erhalten elektrischen Strom von der VGE 10 über Leitungen L₅, von denen lediglich eine dargestellt ist.
Aus den Drehzahlen der Elektromotoren 6a . . . 6d kann die Steuerung 12 die momentane Längsverzögerung des Fahrzeugs ermitteln. Hieraus wiederum kann die Steuerung 12 eine Bremskraftverteilung für die vorderen Elektromotoren 6a und 6b und die vorderen Wirbelstrombremsen 18a und 18b ebenso berechnen, wie für die hinteren Elektromotoren 6c und 6d und die hinteren Wirbelstrombremsen 18c und 18d. Damit läßt sich eine optimale Bremswirkung erreichen, d. h. der kürzeste Bremsweg.
Fig. 2 zeigt den Aufbau der Bremseinrichtung im einzelnen.
An das Bremspedal 14 ist im Bereich seines Drehpunkts ein Reibungsglied 22 angebracht, außerdem ist dort ein als Potentiometer 16 ausgebildeter Weggeber vorhanden. Dieser Weggeber 16 liefert an die Steuerung (Fig. 1) ein Signal, welches kennzeichnend ist für das Ausmaß der Bremspedalbewegung. Um der Bremspedalbewegung einen Widerstand entgegen zu setzen, ist an dessen einem Ende eine Zugfeder 24 vorgesehen. Je weiter das Bremspedal durchgedrückt wird, desto größer ist die durch die Feder 24 bedingte Widerstandskraft. Hierdurch hat der Fahrer das Gefühl für eine "Pseudobremskraft".
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit dieser "Pseudobremskraft" von dem Bremspedalweg. Bei einem Hub des Bremspedals von 50% des Maximalhubs ist die Pseudobremskraft als degressive Kennlinie dargestellt, andere, stetig zunehmende Kennlinien (z. B. progressiv, linear) sind ebenfalls denkbar. Man erkennt die Form einer Hysterese. Nach dem Durchdrücken des Bremspedals um beispielsweise 50% des maximalen Pedalwegs kann der Fahrer seinen Druck auf das Bremspedal wieder etwas vermindern, ohne daß dadurch die wirksame Bremskraft abnimmt. Dies wird durch das Reibungselement 22 erreicht, das verhindert, daß bei geringfügig nachlassendem Druck auf das Bremspedal dieses sich bereits wieder zurückbewegt.
Mit dem Pedal 14 ist eine Kolbenstange 26 gekoppelt, die in eine Sackbohrung eines Stößels 32 eingreift. Das Pedal 14 kann entsprechend dem Betrag X der Kolbenstange 26 bewegt werden, ohne daß sich dabei der Stößel 32 bewegt. Der Stößel 32 ist von einem Balg umgeben. Erst dann, wenn das vordere Ende der Kolbenstange 26 am Boden 28 der Sackbohrung anschlägt, wird durch das Pedal 14 Kraft auf den Stößel 32 aufgebracht. So kann beispielsweise in der oben angesprochenen Weise der sogenannte Bremspedal-Vorweg ausgeführt werden.
Der Stößel 32 wirkt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 34 auf einen Bremskraftverstärker 40. Links in Fig. 2 sind der Bremsflüssigkeitsbehälter 44 und der Bremszylinder 42 sowie zwei Bremsleitungen B dargestellt.
Beim Betätigen des Bremspedals 14 wird zunächst lediglich das elektrische Wegsignal von dem Weggeber-Potentiometer 16 erzeugt, ohne daß sich der Stößel 32 bewegt. Damit ist während des Bremspedal-Vorweges X lediglich die elektronische Bremseinrichtung aktiviert. Der Weg X ist hier auf 50% des gesamten Pedalwegs eingestellt. Erst wenn dieser Bremspedal-Vorweg durchlaufen ist, bewegt sich der Stößel 32, so daß dann die konventionelle mechanisch-hydraulische, Bremse betätigt wird.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Bremskraft bzw. Bremsmoment und Bremspedalweg. Wenn das Bremspedal bis 50% des maximalen Bremspedalwegs durchgedrückt wird, erfolgt lediglich eine elektronische Steuerung des Bremsvorgangs. Dies entspricht der Kurve "1" in Fig. 4. Erst anschließend wird bei weiterem Durchdrücken des Bremspedals 14 die mechanisch-hydraulische Bremseinrichtung betätigt. Dies entspricht der in Fig. 4 dargestellten rechten, ausgezogenen Linie.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die durch die elektrische Bremsung erreichte Bremskraft 100% der verfügbaren Bremskraft bereitstellen kann.
In Fig. 4 ist mit "2" der Verlauf der Bremskraft in Abhängigkeit des Bremspedalwegs dargestellt für eine herkömmliche mechanisch-hydraulische Bremsanlage.
Anhand von Fig. 5 soll im folgenden ein Bremsvorgang mit ruckfreien Anhalten des Fahrzeugs beschrieben werden. Wenn das Bremspedal zu 50% durchgetreten ist, so daß über die elektronische Bremsung 100% der Bremskraft erzeugt werden, so wird unter gleichzeitiger Überwachung der Fahrzeuggeschwindigkeit zunächst die volle Bremskraft so lange aufgebracht, bis die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einen Wert nahe bei Null, beispielsweise 0,5 km/h abgenommen hat.
Dann wird die Bremskraft sehr schnell heruntergeregelt, so daß sie bei Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" auch z. B. den Wert "0" erreicht. Da beim Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" keine Bremskraft mehr aufgebracht wird, erfolgt auch kein Rucken des Fahrzeugs, welches bei herkömmlichen Bremsanlagen durch den Übergang zwischen Gleitreibung und Haftreibung an den Bremsscheiben entsteht. Um das Fahrzeug nicht wegrollen zu lassen, wird nach Erreichen des Fahrzeugstillstands (Fahrgeschwindigkeit ≈ 0) die Bremskraft sprunghaft auf einen gewissen Wert erhöht, der unterhalb der zuvor beim Abbremsen des Fahrzeugs aufgebrachten Bremskraft liegen kann, um lediglich das Fahrzeug in der gegebenen Stellung (Steigung) zu halten.
In Fig. 5 sind noch weitere Kennlinien "2" und "3" für das Anhalten des Fahrzeugs bei niedrigerer Bremskraft dargestellt.

Claims (10)

1. Bremseinrichtung für ein nicht-spurgebundenes Fahrzeug (2) mit mindestens einem Elektromotor (6), der das Fahrzeug (2) antreibt und über eine Leistungselektronik-Einheit (8) von einem elektrischen Generator und/oder einem elektrischen Speicher (11) mit Strom gespeist wird, mit einer Steuerung (12), und mit einer mittels Bremspedal (14) betätigten, elektrisch oder elektronisch gesteuerten Bremsanlage (20), ferner mit einem elektrischen Bremspedalweggeber (16) und einem Verzögerungssensor zum Erkennen eines Abbremsens des Fahrzeuges (2), wobei die Bremseinrichtung mechanisch mit einem Bremskraftverstärker einer mechanisch-hydraulischen Bremsanlage gekoppelt ist, und bei einem Bremsvorgang abhängig vom Bremspedalweg zunächst eine elektronisch gesteuerte Bremsmomenteinstellung bei als Generator geschaltetem Elektromotor (6) erfolgt und dann die mechanisch hydraulische Bremsanlage anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (12) bei etwa konstant gehaltenem Bremspedalweg die Fahrzeuggeschwindigkeit erfaßt, kurz vor Erreichen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0", z. B. bei 1. . .3 km/h, die Bremskraft auf einen Minimalwert herunterregelt und bei Erkennen der Fahrzeuggeschwindigkeit "0" die Bremskraft sprunghaft wieder erhöht, um das Fahrzeug im Stillstand zu halten.
2. Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Bremspedalweggeber (16) auf einen Bremspedalweg (X) anspricht und für die elektronisch gesteuerte Bremsmomenteinstellung ein Führungssignal liefert, und im Anschluß an den Bremspedalvorweg (X) die mechanisch- hydraulische Bremsanlage anspricht.
3. Bremseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an das Bremspedal (14) ein wegabhängig arbeitendes mechanisches Widerstandselement (24, 22) gekoppelt ist.
4. Bremseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement ein Hysterese-Element (22) aufweist, das insbesondere als Reibungsglied ausgebildet ist.
5. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch gesteuerte Bremsanlage für 100% des maximalen Bremsmomentes bzw. der maximalen Bremskraft ausgelegt ist.
6. Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (12) das Herunterregeln der Bremskraft kontinuierlich ohne Sprünge vornimmt.
7. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremskraft (Bv; Bh) oder das Bremsmoment für die Vorder- bzw. Hinterachse von der elektronischen Steuerung (12) abhängig von der Abbremsung (z) erteilt wird.
8. Bremseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Bremskraft im Verhältnisbereich Bv/Bh=1,5 . . . 3,5 abhängig von der Abbremsung (z) dergestalt erfolgt, daß die Bedingungen für Bremsstabilität eingehalten werden.
9. Bremseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von dem Ausgangssignal des Verzögerungssensors die Bremskraftverteilung laufend aktualisiert wird.
10. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Bremspedalvorweg (X) eine elektrische Wirbelstrom-Bremsanlage von dem im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor (4a . . . 4d) gespeist wird.
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