DE69933254T2

DE69933254T2 - Fahrzeugbremsanlage mit dynamischer Bremsung des Antriebsstrangs

Info

Publication number: DE69933254T2
Application number: DE69933254T
Authority: DE
Inventors: Donald Carmel Indiana Klemen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2019-02-11
Also published as: EP0940312B1; US6033042A; EP0940312A3; EP0940312A2; DE69933254D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Fahrzeugbremsanlagen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Vergangenheit haben zahlreiche Betriebsbedingungen zu ungünstigen Bremssituationen geführt. Wenn eine Hilfsvorrichtung, wie beispielsweise ein dynamischer Verzögerer oder eine Energiespeichervorrichtung, verwendet wird, kann die Vorrichtung die Fahrzeugbremskraftdosierung verändern, was zu Bremskraftschwankungen führt, wenn die Hilfsvorrichtung rasch verringert oder zur Gänze zur Bedarfsdeckung bereitgestellt wird. Diese Schwankung beim Brems-Drehmoment kann dazu führen, dass der Benutzer das Gefühl hat, mehr Bremskraft zu benötigen, und daher das Bremspedal mit mehr Kraftaufwand betätigt. Dies kann bewirken, dass das Fahrzeug rascher als vom Fahrer beabsichtigt zum Stillstand kommt.
Bei regenerativen Energierückgewinnungssystemen in einem Elektro- oder Hybridantriebsstrang kann das Gefühl des Fahrers für die Bremsanlage von dem Energieniveau der Speichervorrichtung beeinflusst sein. Damit ist die Ladung des elektrischen Systems der Speicherbatterie oder etwa die Energie in dem Schwungrad oder in einem Akkumulator und anderen Systemen gemeint. Weiters können auch Wetterbedingungen und thermische Bedingungen des Systems einen Einfluss auf das Bremsgefühl des Fahrers ausüben.
Da die Energieregenerierung auf eine einzelne Achse in einem Antriebsstrangsystem angewendet wird, kann es zu einer Beeinträchtigung des Bremsgleichgewichts zwischen einer Vorderachse und einer Hinterachse kommen. Wenn das Regenerations-Rückgewinnungssystem diskontinuierliche Bedingungen aufweist, kann der resultierende Bremsdrehmomentunterschied an der Achse von dem Bediener als ein Verlust an Bremskraft empfunden werden, obwohl die Bremsanlage ordnungsgemäß funktioniert. Die Regenerations-Speichersysteme sind eine Hilfsvorrichtung, um die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit zu verbessern, indem das größtmögliche Maß an verfügbarer potentieller und kinetischer Energie rückgewonnen wird.
Um derartige Systeme bestmöglich zu nutzen, muss der Fahrer über ein System verfügen, in dem der Bremsmechanismus mit regenerativem Speicher während aller Betriebsbedingungen, die eintreten können, transparent ist.
Die EP-A2-0 361 708 offenbart einen Fahrzeugbremsmechanismus gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Bremsanlage in einem Fahrzeug mit einem Hybridantriebsstrang mit dynamischer Bremsung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 erfüllt.
In einem Aspekt der Erfindung wird der gesamte Bedarf an Bremsenbetätigungskraft zum Teil durch die Menge an verfügbarer, dynamischer Bremskraft gedeckt.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Bremsenbetätigungskraft die Summe einer mechanischen Eingangskraft und einer elektrischen Eingangskraft.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird die elektrische Eingangskraft durch einen Solenoidmechanismus bereitgestellt, der in Opposition zu der mechanischen Eingangskraft steht.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung stellt der Solenoidmechanismus die Eingangskraft in Übereinstimmung mit der Menge an verfügbarem, dynamischem Energieabsorptions-Drehmoment bereit.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fahrzeugbremsanlage.
2 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Hybridantriebsstrang, in dem eine erfindungsgemäße Bremsanlage integriert ist.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Wie in 1 und 2 ersichtlich, umfasst eine Fahrzeugbremsanlage 62 eine Bremsbacke 10, die schwenkbar an einer Achse 12 montiert ist und einen Radius R1 aufweist. Die Bremsanlage 62 hat natürlich gegenüberliegende Backenpaare, die mit einer nicht gezeigten Trommel in Eingriff treten, welche in einem der Räder des Fahrzeugs untergebracht ist. Außerdem werden die Bremsen auf zwei oder mehr Räder derselben Achse aufgebracht.
Die Betätigung der Bremsbacke 10 um die Achse 12 herum erfolgt durch eine Aufbringnocke 16, die einen variablen Radius R3 aufweist. Die Auf bringnocke 16 wird durch einen Betätigungsarm 18 betätigt, der einen Radius R2 aufweist. Der Betätigungsarm 18 wird durch eine Plungerstange 20 eingestellt, die Bestandteil eines Bremsenaufbringmechanismus 22 ist. Die Plungerstange 20 ist mit einem nicht gezeigten, herkömmlichen Kolben verbunden, der verschiebbar in einem Gehäuse bzw. Körper 24 angeordnet ist. Auf den Kolben wird Luftdruck aufgebracht, der die Kraft P1A in Richtung des Pfeils 26 darstellt. Auf den Kolben wirkt auch eine Aufbringfeder 28, welche eine Kraft F1 in der Richtung des Pfeils 30 aufbringt.
Um den Körper 24 herum oder anderweitig darin angeordnet ist ein Solenoid 32, das eine Solenoidkraft F2 in Richtung des Pfeils 34 aufbringt. Somit existieren, wie in 1 ersichtlich, drei Kräfte, die an die Plungerstange 20 angelegt werden können, wodurch die Betätigung der Bremsbacke 10 bewerkstelligt wird. Die Aufbringfeder 28 bringt die Kraft F1 in einer Richtung auf, die bewirkt, dass die Bremsanlage des Fahrzeugs in Eingriff gebracht wird, während die Solenoidkraft unter F2 und die Druckkraft P1A in einer Richtung wirken, die bewirkt, dass die Bremsen gelöst werden. Die Federkraft F1 und die Solenoidkraft F2 können natürlich auch in der entgegengesetzten Richtung aufgebracht werden, und falls eine hydraulische Bremsenbetätigung zum Einsatz kommt, würde eine Hydraulikkraft die Federkraft ersetzen.
Das Solenoid 32 wird durch eine elektronische Steuerung (ECU) 36 gesteuert. Die elektronische Steuerung, die einen herkömmlichen, programmierbaren Digitalrechner umfassen kann, empfängt verschiedene Eingangssignale, wie am besten in 2 ersichtlich. In 2 ist ein allgemein mit 38 bezeichnetes Fahrzeug mit einem Hybridantriebsstrang 40 gezeigt. Der Antriebsstrang 40 umfasst einen Motor 42, einen Motorgenerator 44 und ein Getriebe 46. Der Motorgenerator 44 kann auch aus einem Motorgeneratorenpaar bestehen und das Getriebe 46 kann eine Mehrzahl von Planetengetriebesätzen aufweisen. Ein solcher Hybridantriebsstrang ist in dem U.S.-Patent Nr. 5 558 588 ersichtlich, ausgegeben an Schmidt am 24. September 1996 und dem Abtretungsempfänger der vorliegenden Anmeldung übertragen.
Bei dieser Art der hybriden Kraftübertragung ist es allgemein bekannt, dass eine elektrodynamische Bremsung verfügbar ist, indem der Motorgenerator dazu verwendet wird, einen Satz von Batterien aufzuladen, die während der Fahrbetriebsart einen gewissen Teil der Kraft für den Betrieb des Fahrzeugs bereitstellen. Der Hybridantriebsstrang kann auch eine hydro-mechanische Übertragung verwenden, so dass die Regenerations-Bremsung durch die Verwendung entweder eines Akkumulators oder eines mechanischen Schwungrads erfolgt. Es ist auch möglich, ein mechanisches Schwungrad mit dem gezeigten, elektro-mechanischen Antriebsstrang 40 zu verwenden. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass die elektro-dynamische Bremsung zu bevorzugen ist, wenn Speicherbatterien verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Speicherbatterien werden unter 48 als Energiespeicherung bezeichnet.
Die an die Energiespeicherung verteilte und dieser entnommene Menge an Kraft wird von der elektronischen Steuerung 36 gesteuert. Die elektronische Steuerung 36 empfängt Drehmomentsignale 50 und 52 von dem Motorgenerator 44 und ein Wärmesignal bzw. thermisches Signal 54 von dem Motorgenerator 44. Die elektronische Steuerung 36 empfängt auch ein Bediener-Eingangssignal von einem Potentiometer 56, das durch ein Bremspedal 58 betätigt wird. Ein weiteres Signal wird an der elektronischen Steuerung 36 von einer Pumpe 60 kommend empfangen, die auch unter Druck stehendes Fluid an die unter 62 und 64 gezeigte Bremsanlage verteilt. Die Bremsanlagen 62 und 64 wirken auf die Räder 66 und 68, welche durch eine herkömmliche Achse 70 miteinander verbunden sind. Die Achse 70 ist durch ein herkömmliches Differential 72 mit dem Getriebe 46 oder dem Abtrieb des Hybridantriebsstrangs 40 verbunden.
In der nachfolgenden Beschreibung werden die folgenden Terme verwendet:

T1: ist das Achs-Drehmoment
T2: ist das Elektromotor-Drehmoment
R1: ist der Bremsbacken-Radius
R2: ist der Betätigungsarm-Radius
sR3: ist der Aufbringnocken-Radius
u: ist der dynamische Reibungskoeffizient der Bremsbacke 10
F1: ist die Feder-Aufbringkraft
P1: ist der Fluiddruck von der Pumpe 60
P1A: ist die Drucklösekraft
A: ist der Arbeitsbereich in der Druckluftkammer
F2: ist die Solenoidkraft
G1: ist das Vorgelege-Übersetzungsverhältnis
G2: ist das Achs-Übersetzungsverhältnis
P2: ist der Bremsen-Aufsitzdruck, der erforderlich ist, um die Beläge mit der Trommel in Kontakt zu drücken
F3: ist die reine Kraftaufwendung des Plungerkolbens auf die Plungerstange 20, die die Bremsenaufbringkraft bereitstellt;
K1: ist eine Konstante, die eine Funktion aus R1, R2, R3 und u ist
K2: ist eine Konstante, die eine Funktion aus G1 und G2 ist
K3: ist eine Konstante, die eine Funktion aus K1 und K2 ist

Das Achs-Drehmoment ohne Regeneration und Energiespeicherung kann wie folgt bestimmt werden: T1 = (F1 – P1A)·K1
Das Achs-Drehmoment mit Regenerations-Energiespeicherung kann mittels der folgenden Gleichung bestimmt werden: T1 = (F1 – P1A – F2)·K1 + T2·K2
Daher ist anzuerkennen, dass das Achs-Drehmoment mit Regeneration sowohl von den Aufbringkräften der mechanischen Bremsanlage als auch von dem für die Regeneration verfügbaren Drehmoment, wie es von dem Motorgeneratoren 44 bereitgestellt wird, abhängig ist.
Damit das Achs-Drehmoment ohne Regeneration gleich dem Achs-Drehmoment mit Regeneration ist, werden die beiden Gleichungsteile gleichgesetzt und es resultiert daraus die folgende Gleichung: T2·K2 – F2·K1 = 0
Diese Gleichung kann im Sinne der Kraft F2 des Solenoids 32 wie folgt umgeschrieben werden. Sie lautet somit: F2 = T2·K3. Somit ist ersichtlich, dass die Solenoidkraft sich proportional zu dem Regenerations-Drehmoment an dem Elektromotor verhält.
Es ist wünschenswert sicherzustellen, dass die Bremsbacken 10 an der Bremstrommel aufsitzen, wenn seitens des Bedieners durch Betätigen des Bremspedals 58 eine Bremskraft angefordert wird. Ein dem Aufsitzdruck P2 entsprechender Wert kann bestimmt werden, indem die Gleichungen wie folgt behandelt werden: F3 = F1 – P1·A – F2 F3 = P2·A
Durch Einsetzen des Wertes P2·A für F3 in der Gleichung für die reine Kraft des Plungerkolbens F3 und durch Umschreibung der Terme, kann die Gleichung folgendermaßen geschrieben werden: P2 = (F1 – P1A – F2)/A
Dies liefert den Ausgangspunkt für den Aufsitzdruck für die Bremsanlage. Es mag in manchen Fällen ein gewisses Experimentieren nötig sein, um den vom Standpunkt der technischen Bewertung her gewünschten Maxi maldruck bereitzustellen, der die effizienteste Bremsen-Aufsitzlast erzeugt. Ein Druck, der einen formschlüssigen Belagkontakt, jedoch geringe Verluste und Erwärmung bei langen Gefällen zur Folge hat, ist wünschenswert und sollte den endgültigen Aufsitzdruck P2 darstellen.
Die Aufsitzdruck-Gleichung kann auch wie folgt geschrieben werden: F2 = F1 – (P1 + P2)·A
Dies kann natürlich folgendermaßen umgeschrieben werden: P2 = [(F1 – F2)/A] – P1
Diese beiden Gleichungen zeigen, dass wenn die Solenoidkraft F2 auf der Basis des angeforderten Luftdrucks beibehalten wird, ein gewünschter Aufsitzdruck an den Bremsbelägen beibehalten wird.
Um ein vollständiges, mechanisches Halten der Bremsen bei Gefälle auch dann zu gewährleisten, wenn das Fahrzeug zum Stehen kommt, wird P2 bei einer langsamen Radgeschwindigkeit von annähernd 25 U/Min auf Null reduziert, und werden die Bremsen aufgebracht, indem die Luftdruckkraft P1A gegen die Aufbringfederkraft 28 abgeglichen wird. Wenn das Fahrzeug völlig zum Stillstand kommt, können sowohl die Solenoidkraft F2 als auch die Fluiddruckkraft P1A eliminiert werden, so dass die Aufbringfeder 28 die Bremsen vollständig aufbringt.
Während der normalen Bremsung ist es wünschenswert, die Solenoidkraft in Abhängigkeit zu dem Drehmoment-Zustand des Motorgenerators 44 zu regulieren. Während der dynamischen Bremsung ist der Drehmoment-Zustand des Motorgenerators 44 kennzeichnend für die Menge an dynamischer Bremskraft, welche vorhanden ist. Das Motorgenerator-Drehmoment T2 kann wie folgt geschrieben werden: T2 = [F1 – (P1 + P2)·A]/K3
Wie bereits zuvor gezeigt wurde, ist T2 eine Funktion der Solenoidkraft F2. Dies schafft ein Verfahren zur Berechnung des regenerativen Drehmo ments als eine Funktion des Leitungsdrucks und des Aufsitzdrucks. Wenn die Bremse aufgebracht wird, regelt das Pedal 58 den Leitungsdruck P1 und die Anlagen-Steuerung (ECU) 36 bestimmt sowohl das Motor-Drehmoment T2 als auch die Solenoidkraft F2 und wendet sie gleichzeitig auf die Anlage an. Unter Verwendung der obigen Gleichung für T2 ist anzuerkennen, dass F2 = F1 – (P1 + P2)·A. Das heißt, F2 wird für den Term T2·K3 eingesetzt.
Bei dem Betrieb der Anlage erkennt die elektronische Steuerung 36 natürlich die Veränderungen bei der dynamischen Bremsungsabsorption und erzeugt unverzüglich bzw. innerhalb einer äußerst kurzen Zeitspanne den nötigen Druck an dem Bremsenaufbringmechanismus 22, der die Veränderung bei der elektro-dynamischen Bremsung ausgleicht, und zwar ungeachtet dessen, ob die elektro-dynamische Bremskraft erhöht oder vermindert wird. Dies erfolgt als eine sanfte Mischung der Steuerkräfte und ist für den Bediener transparent, so dass eine Veränderung bei der Betätigung des Pedals 58 erst dann nötig wird, wenn der Bediener entscheidet, dass mehr oder weniger Bremskraft erforderlich ist.

Claims

Fahrzeugbremsmechanismus (62) mit: einem Reibungsbremselement (10); einem ersten Mittel (16, 18', 20) zum Durchführen eines Eingriffs des Reibungsbremselements (10); einem ersten Aufbringmittel (28) zum Aufbringen einer Kraft (F1) auf das erste Mittel (16, 18, 20), um den Eingriff des Reibungsbremselements (10) durchzuführen; einem elektrischen Vortriebsmotor (44), der durch das Fahrzeug während der Fahrzeugbremsung angetrieben wird; gekennzeichnet durch: ein elektrisch betätigtes Mittel (32) zur Steuerung einer Kraft (F2) auf das erste Mittel (16, 18, 20), um ein Ausrücken des Reibungsbremselements (10) zu betreiben; und ein Mittel zum Bestimmen des Drehmoments (T2) an dem elektrischen Vortriebsmotor (44) zur Lieferung eines elektrischen Steuersignals an das elektrisch betätigte Mittel (32), um die Kraft (F2) desselben gemäß dem Drehmoment (T2) an dem elektrischen Vortriebsmotor (44) zu bewirken.
Fahrzeugbremsmechanismus (62) nach Anspruch 1, wobei das elektrisch betätigte Mittel (32) ein Solenoid umfasst, das einen erregten Zustand aufweist, um ein Ausrücken des Reibungsbremselements (10) zu betreiben.
Fahrzeugbremsmechanismus (62) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Fluiddruckmittel, das selektiv auf das erste Mittel (16, 18, 20) wirkt, um das Durchführen des Eingriffs desselben zu bewirken.
Fahrzeugbremsmechanismus (62) nach Anspruch 2, ferner mit: einem Energiespeichermittel (48) zur Speicherung von Energie mit einer Speicherrate von dem Hybridantriebsstrang während der Fahrzeugbremsung, und wobei das Drehmomentbestimmungsmittel teilweise auf die Speicherrate anspricht.