ES2250108T3

ES2250108T3 - Sistemas de frenado electrohidraulico.

Info

Publication number: ES2250108T3
Application number: ES00907810T
Authority: ES
Inventors: Philip William Sherriff
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2006-04-16
Anticipated expiration: 2020-03-06
Also published as: US6702401B2; US20020005661A1; GB2347981A; AU2927700A; EP1159175A1; EP1159175B1; DE60023458D1; WO2000053476A1; DE60023458T2; GB9904956D0; GB2347981B

Abstract

Un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos con un acumulador de fluido a presión (111) del tipo de diafragma precargado, el cual se utiliza para almacenar fluido a presión, cargado por medio de una bomba o compresor de fluido (110) activados por un motor eléctrico (m) o directamente por el motor del vehículo, y que abastece un sistema de válvulas adaptado para suministrar una presión de fluido al freno o frenos del vehículo en proporción a la intensidad de frenado que exija el conductor. El control de la presión del acumulador se configura de forma que esté comprendido dentro de un rango de control fijo, con una presión de arranque que constituye el límite inferior de presión y una presión de corte que constituye el límite superior de presión dentro de dicho rango de control. También hay un rango de presión de aviso que se define como aquél comprendido entre el nivel de presión de aviso y el de la presión de arranque, y en el que la característica de presión / temperatura de porlo menos uno de los niveles de aviso, arranque o corte está configurada para que pueda ser controlada por un software del sistema dependiendo de la temperatura.

Description

Sistemas de frenado electrohidráulico.

La presente invención se refiere a sistemas de frenado electrohidráulico (EHB, "electro-hydraulic braking") para vehículos a motor.

Se conocen sistemas de frenado electrohidráulico para vehículos a motor que se componen de un pedal de freno, un dispositivo de frenado conectado por lo menos a una de las ruedas del vehículo que es capaz de comunicarse con un sistema de válvulas controladas electrónicamente con el fin de aplicar fluido hidráulico a presión al dispositivo de frenado, una bomba hidráulica y un depósito hidráulico a presión alimentado por dicha bomba para el abastecimiento de fluido hidráulico. Este fluido puede pasar al dispositivo de frenado a través del sistema de válvulas controladas electrónicamente con el fin de aplicar fluido hidráulico a presión al dispositivo de frenado en la modalidad denominada "frenado por mando eléctrico", de forma proporcional a la intensidad de frenado exigida por el conductor que se haya detectado en el pedal de freno.

El área de aplicación de un sistema de frenado electrohidráulico de este tipo engloba, entre otros elementos, el control de un sistema de freno antibloqueo, el control de un sistema antideslizante, la distribución electrónica de la fuerza de frenado y el control de estabilidad del vehículo (VSC).

Dado que, con un sistema de frenado activado eléctricamente, la acción de frenado del conductor se capta mediante sensores en el pedal de freno y se transmite al sistema de control electrónico a través de señales eléctricas, estos sistemas se denominan sistemas de frenado electrónico (EBS, "electronic braking systems") o sistemas de "frenado por mando eléctrico".

Los sistemas de vehículos modernos exigen además reducciones de costes, de peso de los componentes, de complejidad y, más recientemente, de consumo de energía. Estos ahorros han de realizarse sin causar perjuicio alguno a la seguridad o al funcionamiento del sistema. En el caso de un sistema de frenado controlado electrónicamente (EBS o frenado por mando eléctrico) que posea frenos (por fluido) hidráulicos o neumáticos automáticos, es posible obtener ahorros en todas las facetas si se soluciona la cuestión del almacenamiento del fluido a presión responsable de la activación del freno.

En un sistema típico EBS se utiliza un acumulador de fluido a presión (depósito a presión) para almacenar fluido bajo presión, el cual se carga mediante una bomba o compresor de fluido activados bien por un motor eléctrico o bien directamente por el motor del vehículo a través de un sistema de correa y polea, abasteciendo así un sistema de válvulas que está adaptado para suministrar una presión de fluido al freno o frenos del vehículo de forma proporcional a la intensidad de frenado que exija el conductor. Normalmente se establece la presión a la que se almacena el fluido dentro del acumulador a un nivel lo suficientemente alto como para que active los frenos del vehículo a lo largo de todo el rango de frenado del vehículo. Con el fin de conseguir un almacenamiento a este nivel relativamente alto de presión se emplea un sistema de bomba y acumulador de alta presión con un volumen suficiente para abastecer varias aplicaciones de frenado de baja presión y con una presión y volumen suficientes para abastecer las aplicaciones de frenado de alta presión, mucho menos frecuentes.

Normalmente el acumulador de fluido a presión es del tipo de diafragma cargado con gas. La cámara del acumulador se divide en dos secciones mediante un diafragma flexible. Una sección del diafragma se conecta a la bomba de fluido y a conductos que están a su vez conectados con el sistema de válvulas controladas electrónicamente, mientras que la otra sección se cierra y precarga con un volumen de gas.

De acuerdo con la práctica habitual se configura el control de la presión del acumulador de forma que esté comprendido dentro de un rango de control específico, con un límite inferior de presión que se denomina presión de "arranque" y un límite superior de presión que se denomina presión de "corte" dentro de dicho rango de control. A tal efecto, la presión del acumulador es detectada por un sensor de presión y evaluada por una unidad de control electrónica que controla el acumulador mediante la mencionada bomba, de forma que la bomba empieza a funcionar cuando la presión del acumulador desciende por debajo del nivel de presión de arranque y se detiene cuando la presión del acumulador alcanza el nivel de presión de corte.

Por debajo de la presión de arranque se define el llamado nivel de "presión de aviso", en virtud del cual hay un rango de presión de aviso entre la presión de aviso y la presión de arranque. Por tanto, a veces, especialmente antes de poner la bomba en funcionamiento, la presión del acumulador se puede encontrar dentro del rango de aviso. Sin embargo, si la presión del acumulador desciende por debajo del nivel de presión de aviso, entonces la unidad electrónica puede sacar conclusiones con respecto al estado del acumulador y a posibles averías del sistema y obrar en consecuencia, por ejemplo mediante la activación de un piloto de advertencia.

Se sabe que este tipo de acumulador tiene la desventaja de que la presión de precarga del gas depende de la temperatura. Ello quiere decir que cuanto menor sea la temperatura, menor es la presión de precarga y viceversa. Por consiguiente, el volumen de fluido disponible en los rangos de control y de aviso también depende de la temperatura, es decir que cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el volumen de fluido disponible. La Figura 1 de los dibujos que se adjuntan ilustra la coherencia de este último caso.

En las aplicaciones con un nivel crítico de seguridad, como por ejemplo los sistemas de frenado electrohidráulico (EHB), es preferible evitar variaciones en el volumen de fluido disponible. En particular, en los sistemas de frenado electrohidráulico siempre se debería proporcionar un volumen mínimo de fluido dentro del rango de aviso para permitir la ejecución de un número prescrito de activaciones de los frenos. Además, las variaciones en el volumen de fluido disponible producen ruidos perturbadores, ya que hacen que la bomba funcione con mucha frecuencia.

Gracias a DE-A-38334 73 y WO-A-98/57835 se tiene conocimiento de un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos que posee un acumulador de fluido a presión del tipo de diafragma precargado, el cual se utiliza para almacenar fluido a presión y se carga mediante una bomba o compresor de fluido activados bien por un motor eléctrico o directamente desde el vehículo, con una presión de fluido que depende de la intensidad de frenado que exija el conductor. El control de la presión del acumulador se configura de forma que esté comprendida dentro de un rango de control específico, con una presión de arranque que constituye el límite inferior de presión y una presión de corte que constituye el límite superior de presión dentro de dicho rango de control.

De acuerdo con la presente invención, la característica de presión/temperatura de por lo menos uno de los niveles de presión de aviso, arranque o corte se configura para que pueda ser controlada por un software del sistema dependiendo de la temperatura, por lo que se aumenta al máximo el volumen de fluido disponible en por lo menos uno de los rangos de control y aviso.

En una modalidad de esta invención especialmente preferida, los tres niveles de presión de aviso, arranque y corte son configurados para que puedan ser controlados con la temperatura.

En otra modalidad especialmente preferida, los niveles de presión de aviso y arranque son configurados para que puedan ser controlados con la temperatura, pero la presión de corte permanece constante con independencia de una temperatura variable.

En todos los casos, se deben coordinar las variaciones de forma que las curvas características no se crucen dentro de los rangos operativos.

Un aspecto favorable es que los niveles de presión descienden con la temperatura hasta una temperatura predeterminada y después aumentan con la temperatura más allá de la misma.

Esta invención se describe a continuación de forma más detallada, a fines de ejemplo, mostrándose como referencia los dibujos que se adjuntan, en los
que:

la Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema de frenado de un vehículo que incluye un primer aspecto de la presente invención;

la Figura 2 ilustra las curvas típicas para el volumen de gas disponible en un acumulador de diafragma cargado con gas a tres temperaturas diferentes (-40ºC, 20ºC y 120ºC);

la Figura 3 ilustra la configuración convencional en la que los niveles de presión de corte, arranque y aviso no varían con la temperatura;

la Figura 4 ilustra cómo los niveles de presión de corte, arranque y aviso pueden configurarse para que varíen con la temperatura, según una de las posibles modalidades de la presente invención;

la Figura 5 ilustra cómo los niveles de presión de arranque y aviso pueden configurarse para que se modifiquen con la temperatura, de acuerdo con una segunda modalidad de la presente invención;

la Figura 6 ilustra cómo se puede aumentar al máximo el volumen de control entre el arranque y el corte mediante el uso de un sistema que funcione de acuerdo con la Figura 4; y;

la Figura 7 ilustra cómo se puede aumentar al máximo el volumen de control para una temperatura preferida de funcionamiento.

El sistema de frenado de la Figura 1 incluye un pedal de freno (101) con un sensor asociado (101a) para la captación de las exigencias de frenado del conductor. La acción de frenado del conductor se transfiere a una unidad de control electrónico (UCE), en donde se evalúa, y se utiliza como fuente para la generación de señales eléctricas de control para la activación de las válvulas, que se describen en detalle más adelante, y de una bomba hidráulica (110). Las válvulas de conmutación (104a y 104b) están dispuestas entre un circuito de freno mecánico (100) y los frenos de las ruedas de un eje del vehículo (103a y 103b) con el fin de aplicar fluido de freno a los frenos de las ruedas (103a y 103b), ya sea mediante el circuito de freno mecánico (100) o mediante canales de freno activados eléctricamente (105a y 105b) (frenado por mando eléctrico). El circuito de freno mecánico se incluye para posibilitar el frenado si el sistema de frenado por mando eléctrico fallara, y está alimentado por un cilindro de freno (102) activado por el pedal de freno (101).

Las válvulas de conmutación (104a y 104b) en su estado de no activación eléctrica, es decir, en su posición preferida, conectan el circuito de freno mecánico (100) con los frenos de rueda (103a y 103b). En esta situación se bloquea la conexión con los canales de freno activados eléctricamente (105a y 105b). En caso de que se produzca una activación eléctrica, las válvulas de conmutación (104a y 104b) conectan los frenos de rueda (103a y 103b) con los canales de freno activados eléctricamente (105a y 105b) asignados a dichos frenos; en esta situación se bloquean las conexiones al circuito de freno mecánico (100). Con el fin de aumentar el grado de seguridad, por ejemplo en el caso de un resorte de reajuste de válvula defectuoso (107a y 107b), es posible mover las válvulas de conmutación (104a y 104b) a la posición preferente que corresponde a la activación mecánica mediante las líneas de control de presión (106a y 106b).

Asimismo, los elementos denominados cilindros de desacoplamiento o separación (108a y 108b) están conectados en los canales de freno activados eléctricamente (105a y 105b), en dirección de flujo hacia arriba con respecto a las válvulas de conmutación (104a y 104b). Por medio de los cilindros (108a y 108b) se garantiza la separación hidráulica entre el circuito de freno mecánico (100) y los canales de freno activados eléctricamente (105a y 105b).

La modulación de la presión de freno en los canales de freno activados eléctricamente 105a y 105b y en los canales de freno activados eléctricamente 105c y 105d - estando estos últimos asignados a los frenos de rueda del otro eje del vehículo (103c y 103d) - se realiza de una forma conocida por medio de válvulas de control (109a, 109b, 109c y 109d). Una bomba (110), impulsada por un motor eléctrico y desde un depósito de presión (111) que se compone de un acumulador de diafragma cargado con gas, proporciona la presión de freno. Un sensor (122) mide la presión del acumulador.

Las válvulas de cierre (112 y 113) se disponen entre los canales de freno activados eléctricamente de un eje del vehículo (respectivamente, 105a, 105b y 105c, 105d). Estas válvulas de cierre (112 y 113), en su posición no activada, conectan los canales de freno (105a, 105b y 105c, 105d) entre ellos, mientras que los canales de freno (105a, 105b y 105c, 105d) se bloquean mutuamente en su posición activada.

El sistema descrito hasta aquí es convencional y funciona de acuerdo con técnicas bien conocidas.

A continuación prestaremos atención a las curvas de la Figura 2, en las que se muestra cómo el volumen disponible dentro de un acumulador de diafragma precargado varía normalmente con la presión de gas aplicada a diferentes temperaturas, a saber -40ºC, 20ºC y 120ºC. El rango "aviso a arranque" se indica con el sombreado de líneas diagonales "A" y el rango "arranque a corte" se indica con el sombreado de líneas diagonales "B".

El problema que se plantea consiste en que la presión de precarga de gas en el acumulador varía con la temperatura, haciendo que varíe también, por consiguiente, el volumen controlado de fluido almacenado a presión en el acumulador para su uso en el sistema EHB. La presente invención trata de mejorar y, si es posible, aumentar al máximo el volumen controlado en por lo menos uno de los rangos operativos.

De acuerdo con la práctica habitual, se establecen niveles de presión de aviso, arranque y corte que no varían con la temperatura. Ello se ilustra en las Figuras 2 y 3. En la Figura 3 se indican con líneas rectas horizontales gruesas los niveles de presión de aviso, arranque y corte con la temperatura. Esta solución está dominada por la condición de 120ºC, en la que la presión de precarga detrás del diafragma del acumulador se encuentra en su punto máximo. La presión de aviso mínima es controlada por la reserva de energía (volumen y presión) que se requiere a 120ºC. Asimismo, la presión de arranque es controlada por la reserva de energía que se requiere entre los niveles de presión de arranque y de aviso (teniendo en cuenta que durante una aplicación rápida de freno con el acumulador a una presión de arranque, debe existir un volumen disponible suficiente para impedir que la presión descienda por debajo del nivel de aviso), aunque en este caso a -40ºC. La limitación con respecto a la presión de corte viene impuesta por el diseño del sistema y del acumulador. Cabe destacar que existe un volumen no utilizado por debajo del nivel de aviso a temperaturas más bajas que no está disponible para su utilización por el sistema.

De acuerdo con la presente invención, por lo menos uno de los niveles de presión de control varía con la temperatura. El sistema, por consiguiente, incluye un medio para medir la temperatura ambiente. Ello se puede conseguir, por ejemplo, directamente mediante un conjunto de sensores o indirectamente mediante un modelo de temperatura. Como es habitual, el método del sensor (122) ilustrado en la Figura 1 para medir la presión del acumulador comprende un sensor de temperatura (que no se muestra) que tiene como objetivo compensar las desviaciones de temperatura. Gracias a esta disposición, la información sobre temperatura puede procesarse dentro del microordenador de la UCE del sistema sin gastar demasiados
recursos.

En la Figura 4 se muestra una configuración en la que se han dispuesto los niveles de presión de control de forma que son modificados con la temperatura para alcanzar un volumen controlado disponible y una presión mínima para el frenado. Se pueden alcanzar las curvas de control en las que la presión de control varía con la temperatura mediante la programación adecuada dentro del microordenador de la UCE del sistema. Debido a que, como se ha indicado anteriormente, se puede disponer de información sobre la presión y la temperatura dentro del microordenador de la UCE del sistema gracias a componentes suministrados normalmente, es posible ejecutar las variaciones de las presiones de control bien en un modo de control de bucle cerrado o mediante la implementación de las curvas de presión de control deseadas como tablas de búsqueda dentro de la memoria del microordenador de la UCE del sistema. A una temperatura baja y, por tanto, a una presión de precarga baja, la energía almacenada estará a una presión demasiado baja para poder ser utilizada por el sistema.

Los requisitos especificados son:

Presión de aviso: mínimo de una aplicación de freno por debajo de la presión de aviso.

Presión de arranque: suficiente para impedir que la presión del acumulador descienda a la presión de aviso durante una aplicación rápida de freno.

Presión de corte: establecida por el diseño del sistema y del acumulador.

Para el gráfico anterior se escogió una precarga del acumulador que proporcionara una presión máxima similar para el corte a -40ºC y a 120ºC. La forma del gráfico está controlada por los requisitos funcionales de presión, los volúmenes y la presión de precarga seleccionados (tal y como se han definido anteriormente). La temperatura a la que se producen las presiones de control mínimas está controlada por la presión de precarga del acumulador y es la temperatura a la que la precarga del acumulador constituye el requisito mínimo especificado de presión de freno. Si se incrementa la presión de precarga, esta temperatura también aumentará y viceversa. Por encima de este punto mínimo, las presiones de control se incrementan según aumenta la temperatura para poder mantener los volúmenes requeridos, debido a la creciente presión de precarga.

A temperaturas por debajo de este punto mínimo, la presión de control necesita aumentar de nuevo, debido a la forma de las curvas de carga, para mantener en los frenos el requisito mínimo especificado de presión de freno. El volumen requerido a presión impone las restricciones en este caso. Se producirá un volumen adicional por debajo de la presión de freno mínima especificada que se requiere y está disponible para el frenado, y la lógica del sistema puede tomar decisiones sobre su uso.

Aunque el modelo ilustrado en la Figura 4 muestra los beneficios de modificar las presiones de control con la temperatura, este modelo no optimiza plenamente el almacenamiento de la energía de fluido con respecto a la temperatura.

Para optimizar el volumen de control (el volumen entre el nivel de arranque y el de corte), sólo se modifican las presiones de aviso y de arranque con la temperatura utilizando los mismos requisitos de volumen y presión que en el caso anterior, y la presión de corte se mantiene constante al máximo posible (véase la Figura 5).

El control del sistema de la manera anteriormente mencionada permite aumentar al máximo el volumen de control, como se ilustra en la Figura 6.

La presión de precarga seleccionada controla la temperatura a la que el volumen máximo se produce, como se ilustra en la Figura 7. La reducción de la precarga incrementa la temperatura a la que el volumen máximo se produce, y a la inversa el incremento de la presión de precarga reduce la temperatura para el volumen máximo. Por consiguiente, mediante la selección de la presión de precarga se puede aumentar al máximo el volumen de control para obtener la temperatura de funcionamiento preferida.

En otra posible modalidad de la invención, únicamente el nivel de presión de aviso se configura para que varíe con la temperatura. De esta forma se reduce el volumen de control a un nivel estándar, ya que los niveles de presión de arranque y corte tendrán que fijarse según, por ejemplo, los requisitos de 120ºC. También tiene como resultado un volumen incrementado entre las presiones de arranque y aviso a temperaturas por debajo de 120ºC, lo que aumenta el número de aplicaciones de freno posibles en caso de que la bomba no funcionara antes de que la presión del acumulador haya descendido al nivel de aviso.

También sería posible modificar únicamente la presión de corte. Ello puede servir para controlar el volumen entre el arranque y el corte de acuerdo con un requisito mínimo.

Asimismo, es bien sabido que los acumuladores de diafragma cargados con gas pierden gas durante su vida útil, con la consiguiente reducción en la presión de precarga. Cuando se tiene en cuenta esta pérdida de gas, el control descrito anteriormente continúa siendo válido con los siguientes resultados:

1. Es necesario incrementar las presiones de precarga, aviso y arranque;

2. Las reservas de volumen mínimo por debajo del nivel de aviso y entre el nivel de aviso y el de arranque se incrementan, excepto en los límites de funcionamiento y vida útil;

3. El volumen de control se reduce con el fin de compensar los aspectos indicados en el apartado 2, pero aun así seguirá siendo mayor que el control convencional con una presión constante.

Por consiguiente, la presente configuración también permite compensar la disminución de la presión de precarga que se produce durante la vida útil del sistema.

Claims

1. Un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos con un acumulador de fluido a presión (111) del tipo de diafragma precargado, el cual se utiliza para almacenar fluido a presión, cargado por medio de una bomba o compresor de fluido (110) activados por un motor eléctrico (m) o directamente por el motor del vehículo, y que abastece un sistema de válvulas adaptado para suministrar una presión de fluido al freno o frenos del vehículo en proporción a la intensidad de frenado que exija el conductor. El control de la presión del acumulador se configura de forma que esté comprendido dentro de un rango de control fijo, con una presión de arranque que constituye el límite inferior de presión y una presión de corte que constituye el límite superior de presión dentro de dicho rango de control. También hay un rango de presión de aviso que se define como aquél comprendido entre el nivel de presión de aviso y el de la presión de arranque, y en el que la característica de presión/temperatura de por lo menos uno de los niveles de aviso, arranque o corte está configurada para que pueda ser controlada por un software del sistema dependiendo de la temperatura.

2. Un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos, tal y como se reivindica en la primera reivindicación, en el que los tres niveles de presión de aviso, arranque y corte están configurados para que puedan ser controlados con la temperatura.

3. Un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos, tal y como se reivindica en la primera reivindicación, en el que los niveles de presión de aviso y de arranque (pero no de corte) están configurados para que puedan ser controlados con la temperatura.

4. Un sistema de frenado electrohidráulico para vehículos, tal y como se reivindica en la primera, segunda o tercera reivindicación, en el que los niveles de presión variable descienden con la temperatura hasta una temperatura predeterminada, y a continuación aumentan con la temperatura más allá de la misma.