JP2009523647A - 真空式制動倍力装置と当該装置を操作する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車ブレーキシステムの真空式制動倍力装置と、その真空式制動倍力装置（１）を操作する方法に関する。この制動倍力装置はハウジング（５）を持ち、このハウジングは、少なくとも１つの可動型の隔壁（４）によって、少なくとも１つの負圧室（３）と少なくとも１つの作動室（２）とに区分されている。負圧室（３）は負圧接続口（１０）を経由して負圧源に接続されている。また、負圧室（３）にはセンサーユニット（６）が割り当てられ、当該センサーユニットは、負圧室（３）内の圧力を検出して、それを電子的制御ユニット（１１）に送る。この制御ユニットは、負圧室（３）内で検出された圧力を評価する評価ユニットを備える。また当該制御ユニットは、真空式制御倍力装置（１）の飽和点を、負圧室（３）内を支配する圧力だけに基づいて計算する。
全体システムの監視を支援するため、本発明は、センサーユニット（６）が測定した圧力数値の妥当性チェックを行う。そしてセンサーユニット（６）又は真空式制動倍力装置（１）に故障があればそれを検知する。

Description

本発明は、自動車ブレーキシステムの真空式制動倍力装置と、当該真空式制動倍力装置を操作する方法に関する。この真空式制動倍力装置は１つのハウジングを持ち、このハウジングは、少なくとも１つの可動型の隔壁によって、少なくとも１つの負圧室と、少なくとも１つの作動室とに区分されている。負圧室は、負圧接続口を経由して負圧源に接続されている。負圧室にはセンサーユニットが割り当てられ、このセンサーユニットは、負圧室内の圧力を検出して、それを電子的制御ユニットに送る。制御ユニットは、負圧室内で検出された圧力を評価する評価ユニットを備え、また制御ユニットは、真空式制動倍力装置の飽和点を、負圧室内を支配する圧力だけに基づいて計算する。

運転者がブレーキペダルに加える制動力を支援するため、真空式制動倍力装置が用いられる。真空式制動倍力装置は、圧力差を持つ少なくとも２つのチャンバからなる。これらのチャンバは作動室と負圧室であって、ブレーキシステムに組み込まれるに当たっては、作動室が大気に接続されるように行う。負圧室は負圧供給系によって排気される。両者のチャンバはダイヤフラムによって分離されている。内燃機関又は真空ポンプが供給する負圧は、運転者が加えるペダル踏力を支援する。利用可能な負圧に応じて、特定のペダル踏力に達すると、作動ユニットに加えられる力の上昇は、ペダル踏力の増大によってのみ可能である。なぜならば真空式制動倍力装置が、最大可能な支持力に達してしまっているからである。この状態を、真空式制動倍力装置の飽和点という。

国際特許出願公開第2006/092348号明細書からは、真空式制動倍力装置の飽和点を検出する方法が公知である。この先行公知の方法の場合、負圧室内を支配する圧力は、圧力センサーを用いて測定され、飽和点は、数学的関数を用いて、負圧室内を支配する圧力だけに基づいて計算される。この場合先行公知の方法は、圧力センサーの圧力信号が最小値を示すとき、飽和点が検出されるという方法を意図する。個々の圧力センサーの信号が保護されているかどうか、あるいは信頼性があるかどうかという問題には立ち入っていない。
国際特許出願公開第2006/092348号明細書

したがって本発明の課題は、真空式制動倍力装置の操作を、圧力センサーだけによって信頼性と確実性をもって行うことにより冒頭に記載した方法を改善することである。

本方法はこの課題を、独立請求項１の諸特徴によって解決する。この場合、センサーユニットが測定した圧力数値の妥当性チェックを行い、センサーユニット又は真空式制動倍力装置に故障があればそれを検知することを意図する。

本発明の特に有利な発展形と実施形態を、従属請求項に記載した。１つの有利な発展形態は、妥当性チェックのために１つのモデルを形成することを意図する。それは、経験的に求められたデータに流体工学的及び熱力学的プロセスを組み合わせたものに基づいて、負圧室及び作動室内の状態変数を評価するモデルである。

もう１つの有利な発展形の場合、負圧室及び作動室の幾何学的寸法と、真空式制動倍力装置の周囲の条件とを、前記のモデル形成に取り込む。

その際、真空式制動倍力装置の周囲条件を、大気圧、負圧源の圧力数値、後ろに接続されたマスターシリンダーの液圧、周囲温度によって形成する。

１つの特に有利な発展形は、モデル形成の際に、真空式制動倍力装置の静的な運転状態も、動的な運転状態も、考慮に入れることを意図する。

そのほか電子的制御装置は、負圧室内の圧力数値の評価に基づいて、能動的な液圧式制動倍力装置を作動する作動ユニットを備える。

上記の課題は、次のような手段を備える装置によっても解決される。センサーユニットが測定した圧力数値の妥当性チェックを行い、センサーユニット又は真空式制動倍力装置に 故障があればそれを検知する手段である。

１つの有利な実施形態の場合、この手段は、経験的に求められたデータに流体工学的及び熱力学的プロセスを組み合わせたものに基づいて、負圧室及び作動室内の状態変数を評価するモデルを含む。

本発明を、実施例を用いて、添付の図面とともに詳しく説明する。

図１は真空式制動倍力装置１を示すが、これは「ブースター」とも呼ばれるものである。真空式制動倍力装置１はハウジング５を備え、このハウジングは、作動室２と負圧室３とに区分される。この区分は可動型の隔壁４によって行われ、この隔壁には軸方向に可動型のゴムダイヤフラムが設けられている。真空式制動倍力装置１の中央にコントロールハブ９が設けられているが、その機能についてはこの後詳しく説明する。力のアウトプットはプッシュロッド１４を介して行われ、このプッシュロッドは、リアクションディスク１５を介してステップ１６に支持される。他方の側では、コントロールハブ９がハウジング５から突き出し、フィルター１７を介して軸方向に大気に開かれている。嵌め合わせによって挿入されたシール１８によって、作動室２は周囲に対し密封されている。

リアクションディスク１５への力の伝達はバルブピストン１９を介して行い、このバルブピストンはピストンロッド７のボール形連結部に固定されている。ピストンロッド７は大気室２１から突き出して、ここには図示しないペダルに連結されている。大気室２１には、ピストンロッド７が突き出すポペット型バルブ２２が差し込まれている。

ポペット型バルブ２２は倍力装置内部から大気室２１を分離するように配置されるが、これは、図１に示す真空式制動倍力装置１の平常位置で行われる。この平常位置で、作動室２への空気供給は遮断される。それとともに作動室２では負圧が支配する。作動室２が開口を経由して負圧室３と接続され、負圧室３は負圧接続口１０を経由して、ここには図示しないが常時動作する負圧源又は真空源と接続されているからである。この位置は、真空式制動倍力装置の平常位置又は作動解除位置に相当する。

図１に示すように、センサーユニット６を用いて、負圧室３内の圧力を測定する。そのためセンサーユニット６は、開口を経由して負圧室３と接続されている。

ピストンロッド７と連結されているブレーキペダルを作動して、ピストンロッド７とバルブピストン１９を変位させると、ポペット型バルブ２２が作動され、負圧室３と作動室２とは結合状態ではなくなる。さらにこの運動が進むと、作動室２と外気との結合がポペット型バルブ２２によって開かれる。可動型隔壁４に圧力差が作用することにより、ブレーキペダルのインプット力は支援され、真空式制動倍力装置１の後ろに接続されたマスターシリンダー８は、プッシュロッド１４によって作動される。この準備位置では、ペダル踏力にわずかでも変化があれば、かならず隔壁４の両側で圧力差の拡大又は縮小が生じる。そしてマスターシリンダー８を介して、ブレーキシステムで液圧の上昇又は減少を生じ、自動車の制御された制動が行われる。

作動室２が完全に空気供給されて、作動室２内に大気圧が支配すると、真空式制動倍力装置１の最大可能なアシスト力が得られる。この状態が飽和点である。したがって飽和点では、作動室と負圧室３の圧力差が最大に達する。プッシュロッド１３につながるマスターシリンダーピストンに加わる力をさらに増大させようとしても、それができるのは運転者のペダル踏力が増加した分だけである。ペダル踏力をさらに増加させても、ブレーキシステムの液圧は増加するものの倍力はされない。このため、飽和点を越えた後に制動力をさらに増加させたければ、ブレーキペダルに著しく大きな踏力を加える必要が生じる。

この問題を解決するためには、飽和点に達したとき、液圧式倍力装置に切り替えて液圧ポンプを作動し、この液圧ポンプがさらにブレーキ圧を構築する方法が公知である。しかしこの追加的な制動倍力装置の場合、追加的な液圧式倍力装置を需要に応じてスイッチオンするためには、飽和点を正確に検出する必要がある。真空式制動倍力装置１は、負圧室内の圧力を求めるための圧力センサー６をただ１つ備えるだけなので、飽和点の評価又は計算を行う。

圧力センサー６ただ１つだけであっても、飽和点は信頼性をもって検出されなければならない。特に圧力センサーの故障が原因で、飽和点検出に不具合を生じてはならない。したがって本方法の場合、センサーユニット６が測定した圧力数値の妥当性チェックを行い、そしてセンサーユニット６又は真空式制動倍力装置１に故障があればそれを検知して、センサー故障を調べ、真空式制動倍力装置１の機能停止を検知する。

この目的のため次のような方法を意図する。すなわち、経験的に求められた関連性、“ａｄａｐｔｉｖｅ（学習適応型）”特性マップ、及び流体工学的かつ熱力学的プロセスに基づいて、全体システムのモデルを形成し、真空式制動倍力装置１のチャンバ２、３における状態変数を評価する、という方法である。幾何学的寸法、負圧室２及び作動室３の容積といった真空式制動倍力装置１の変数、それに自動車内燃機関の温度、インテークマニホールド又は負圧接続口１０の負圧、大気圧、マスターシリンダー８の圧力といった周囲状態のデータが、モデル形成に取り込まれる。

真空式制動倍力装置１の両チャンバ２、３における圧力のモデル形成と評価は、制動倍力装置１の特定の作動状態だけに、すなわちブレーキペダルが作動されている場合、あるいは作動されていない場合だけに限定されず、真空式制動倍力装置１のすべての運転状態に対するものが意図されている。

着目されたシステムの重要な構成要素が、モデル形成に採用される。これらの構成要素は、図１に示すように、可動型の隔壁１、作動室２と負圧室３である。それに加えて通気側、作動室２、負圧室３、排気側（インテークマニホールド）の間に取り付けられている、３つのバルブがある。通気側と排気側はこのシステムの末端を形成する。ピストンロッド７を介してペダルユニットが取り付けられているのは、通気側である。マスターシリンダー８、圧力センサー６の接続口と負圧接続口１０とは、排気側に設けられている。

モデル形成は、図２に示すような全体システムの構造図に基づく。制動倍力の原理に従えば、自動車運転者がペダルに加える力又はペダルトラベルを用いて、運転者の要求を表すことは、理にかなっている。検出された運転者要求がシステムの入力変数である。そのほかの入力変数は、インテークマニホールド又は負圧接続口１０の負圧、大気圧又は海抜標高、及び周囲温度である。

チャンバ２、３及び各バルブの変数は、モデルのステートメントに、真空式制動倍力装置１のパラメーターとして取り込まれる。真空式制動倍力装置１内で生じる流体工学的プロセスが、チャンバ２、３内の質量保存則と、流線にそっての運動量保存則を用いて、検出される。後者の運動量は、ベルヌーイの方程式から導き出すことができる。理想気体の状態方程式が、熱力学的プロセスを記述する基礎となる。熱力学第１法則と第２法則を援用することにより、制動倍力装置１のチャンバ２、３における状態変数を、正確に記述できるようになる。制動倍力装置１の状態として考慮に入れるものを、図２に記載した。

負圧室３内の負圧を出力変数として選択する。この出力変数は、システム入口すなわちインテークマニホールドにさかのぼって得られる。その前提条件は、逆止弁がインテークマニホールドに組み込まれていることである。もう１つの出力変数は、マスターシリンダー８内の液圧である。

モデル形成を支援するため、１台の試験車両に、図２に挙げた入力変数、状態変数、出力変数を測定するに必要なセンサーすべてを装備する。これらのセンサーは、測定された数値の記憶に用いられる測定技術系統に接続される。

全体システムの静的及び動的挙動を分析するため、諸因果関係をマッピングする特性マップを用いる。さらには全体システムについて得られたモデルを、シミュレーションツールで実行し、シミュレーションする。つづいて非線形モデルを線形化して、システムの入口と出口間の伝達挙動を識別する。

実行された分析は主として、負圧室３内で用いられる圧力センサー６の動作上安定した機能を保証する特性や機能として、全体システムの諸状態の間における諸特性を検出し、又は諸機能を実験で測定することである。そのため、異なる動作状態における負圧室３内の負圧の典型的挙動を、下記で説明する。負圧の数値は大気圧を基準とし、走行試験の間、圧力センサー６を用いて測定する。

スターティングポイントは、非作動状態における制動倍力装置１の排気である。負圧源による負圧の構築は、図３ａに示すような一次の遅延システムによって表示することができる。この場合逆止弁が開放されるまでの無駄時間を無視する。この一次の遅延システムは、２つのパラメーターによって記述される。すなわち時定数Ｔ_Ｅと伝送係数Ｋ_Ｅであって、この伝送係数は定常状態における出力振幅と入力振幅の比を表す。

制動開始時、すなわち真空式制動倍力装置１の作動開始時に、やはり一次の遅延システムによって通気を表示することができ、これを図３ｂに示す。遅延システムのパラメーターは、時定数Ｔ_Ｂと伝送係数Ｋ_Ｂである。制動がさらに経過する間、そしてペダルから足を離すまで、負圧室３内の圧力は振動する。一方では、この短期的な振動の一部は、ペダルから足を離した後、負圧室３の突然の容積増加によって生じ、この容積増加は、負圧室３内で突然に圧力が減少する原因となる。他方では同時にポペット型バルブが、作動室２に通気するため閉じられ、作動室２と負圧室３の間のバルブが開放される。その結果、両チャンバ２、３間のバランスが得られるまで、負圧室３内の圧力があらためて上昇する。

実験による分析実施の基盤に対応し、かつ図２に示したものにも対応して、試験車両では複数のセンサーを用いなければならない。しかしこれらのセンサーは、かならずしもすべてのブレーキシステム又は車両に設けられているわけではない。

制動倍力装置１の挙動と明白な因果関係があっても、測定可能な変数の大部分は、可用性が小さいという理由で、制動倍力装置１の状態を評価するアルゴリズムのための入力変数としては選択されない。むしろ本方法の場合、１つの代替変数を定義し、この代替変数を用いて、制動倍力装置１のすべてのチャンバ２、３における圧力の評価を行う。

本方法の場合、制動倍力装置１の状態変数を評価する方法を設計する場合、ただ１つの測定変数を考慮に入れる。それはマスターシリンダー８内の液圧である。必要に応じて、インテークマニホールド内の圧力又は負圧、海抜標高又は大気圧といった入力変数を、逐次的にアルゴリズムに算入することができる。評価のアルゴリズムにおける入力変数として、マスターシリンダー８の圧力を選択することを決定したのは、制動倍力装置１の挙動を単に記述するだけではなく、規定するという視点である。図４は、その結果得られる評価アルゴリズムを実行するための構造図である。

マスターシリンダーで測定された圧力は、特に走行状態「制動する」及び「制動しない」、及びこれら走行状態間の移行を決定するのに用いられる。それらの移行としては、ペダル作動の開始と終了、飽和点すなわち制動倍力装置１の倍力限界への到達、及びペダル解放の開始が、考慮に入れられている。諸状態や上記の移行の決定は、マスターシリンダー圧と、決定されるべき諸状態及び諸移行との間において、実験及び経験から求められた諸機能Ｆ_Ｚに基づいている。本方法によって、飽和点を検出するに必要な圧力センサー６の数値が保護されるようになる。

上述の特性マップは、制動倍力装置１のチャンバ２、３内の状態変数の挙動を記述するのに用いられる。本方法の場合、特性マップを三次元レイアウトとし、その特性マップは、１つの入力変数だけでなく、勾配をそのほかの入力変数として含むものとする。そのほかバルブの特性も特性マップに含まれる。その例として、作動室２における負圧の勾配を求めるための特性マップを、図５に示す。

制動されない状態の場合、負圧供給系における圧力と、負圧室３における圧力との因果関係が、唯一重要である。そのほか作動室２と負圧室３とにおける圧力は、過渡プロセスが経過した後は同一である。

制動倍力装置１は、さまざまに異なる大気条件、たとえば海抜標高の下で用いられる。そのほかにも重要な変数が、運転の過程で、たとえば磨耗プロセスによって変化する可能性がある。これらの大気条件の相違や変化に対処するため、本方法はいわゆる学習適応アルゴリズムを意図する。使用されるパラメーターの学習適応又は適合が、自動車運転中でも行われるようにする。そのため、アルゴリズムのパラメーターの生成に必要なデータ、又は諸変化へのパラメーター適合に必要なデータを、非揮発性のメモリーに集めて、たとえば車両検査の際に学習適応させる。

図６ａは、パラメーター変化の結果生じた負圧の変化を示す。この図は、動的な挙動が遅延システム又は二次の微分方程式によって記述され得る限り、その動的な挙動は変化できることを示す。本方法の場合、このばらつき範囲の限界は、付随する微分方程式によっては記述されず、等次の代数方程式によって評価される。その模様を図６ｂに示す。

このばらつき範囲は、センサーメーカーが指定した許容範囲によって拡大される。それだけでなく、定常状態で得られる最大負圧は、利用可能な自然の／物理学的最大負圧がその限界となる。

制動倍力装置１の両チャンバ２、３内で評価された圧力数値は、一方では、両チャンバ２、３の間で評価される圧力差を計算するため、他方では、個々の圧力センサー６から出力された圧力数値の妥当性チェックのために援用される。

圧力センサー６から出力された圧力数値を妥当性チェックするためには、この圧力数値を、比較可能な評価ずみ圧力数値と比較する。つづいて、前もって決められた許容範囲又はしきい値に従って、圧力センサー６及び／又は制動倍力装置１の動作に不具合があるかないかを検出する。この許容範囲数値は、評価、圧力センサー６、及び検出アルゴリズムに対する個々の許容範囲数値から構成される。

評価アルゴリズムは、２つの主要部分から構成される。第１の部分は、図７ａとの関連で説明する。第１の部分は、制動動作後の運転状態をカバーする。パラメーター３１、３２は、評価アルゴリズムとともに実行される。そのほかのパラメーター３３、３４、３５、３６は、指定された条件につねに適合され又は学習適応する。評価アルゴリズムの第２の部分について、図７ｂを用いて説明する。この第２の部分は、制動動作中のすべての状態に対するものとして設けられている。全体システムと平行して動くモデルを用いて、負圧室２内の負圧数値を精細化する。妥当性チェックの際に重要なのは、自動車運転者がマスターシリンダー８に導入した圧力に応じて生じる振動の振幅である。すべての諸状態の中で不具合のない動作が証明されるのは、圧力センサー６から出力された圧力数値が、評価ずみの期待範囲内にある場合だけである。

整備工場での故障修理を支援するため、本方法は、なんらかの不具合に故障原因を割り当てる方法を意図する。この方法は、特定のセンサー故障及び／又は制動倍力装置１の故障を、ファイルされた表又はマトリックスによって検出することに基づく。これら表又はマトリックスとは、原因又は故障の明らかに可逆的な割り当てと、圧力センサー８又は評価された圧力数値に対するそれら原因又は故障の影響を表示するものである。これら表又はマトリックスは、試行の助けによって作成される。このため特定の故障例や、これら故障を再調整する措置は、これら試行の間に定義される。つづいて、圧力センサー８及び／又は制動倍力装置１に対する影響を、これら原因又は故障と結びつけるための試行が行われる。

制動倍力装置１の状態変数を評価する方法を開発する基礎となるものを、上記で説明した。そこからわかるのは、これらの基礎は、制動倍力装置１のチャンバ２、３内の圧力を妥当性チェックする方法を弾力的に開発するための、大きな潜在能力を提供するということである。

真空式制動倍力装置の断面図である。 図１に示すものの構造図である。 負圧室内の圧力を求める圧力センサーの出力信号の時間的経過を表す線図である。 図３ａに示す圧力センサー信号と、及びタンデムマスターシリンダー内の液圧を求める圧力センサーの出力信号との時間的経過を表す線図である。 評価アルゴリズムの構造図である。 真空式制動倍力装置の経験的に求められた特性マップである。 図３ａの図と同様な時間的経過を表す図であるが、パラメーターの変化をあわせて記載する。 図３ａの図と同様な時間的経過を表す図であるが、パラメーターの変化をあわせて記載する。 図３ｂと同様な時間的経過を表す図であるが、パラメーターの変化をあわせて記載する。 図３ｂと同様な時間的経過を表す図であるが、パラメーターの変化をあわせて記載する。

符号の説明

１ 真空式制動倍力装置
２ 作動室
３ 負圧室
４ 隔壁
５ ハウジング
６ センサーユニット
８ マスターシリンダー
１０ 負圧接続口
１１ 電子的制御ユニット

Claims (8)

1. 自動車ブレーキシステムの真空式制動倍力装置（１）を操作する方法であって、当該倍力装置は１つのハウジング（５）を持ち、当該ハウジングは、少なくとも１つの可動型の隔壁（４）によって、少なくとも１つの負圧室（３）と少なくとも１つの作動室（２）とに区分され、負圧室（３）は負圧接続口（１０）を経由して負圧源に接続され、また負圧室（３）にはセンサーユニット（６）が付設され、当該センサーユニットは、負圧室（３）内の圧力を検出して、それを電子的制御ユニット（１１）に送り、当該制御ユニットは、負圧室（３）内で検出された圧力を評価する評価ユニットを備え、また当該制御ユニットは、真空式制御倍力装置（１）の飽和点を、負圧室（３）内を支配する圧力だけに基づいて計算する方法において、
   センサーユニット（６）が測定した圧力数値の妥当性チェックが行われることと、センサーユニット（６）又は真空式制動倍力装置（１）に故障があればそれを検知することとを特徴とする方法。
2. 前記妥当性チェックのために１つのモデルを形成し、当該モデルは、経験的に求められたデータに流体工学的及び熱力学的プロセスを組み合わせたものに基づいて、負圧室（３）及び作動室（２）内の状態変数を評価することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 負圧室（３）及び作動室（２）の幾何学的寸法と、真空式制動倍力装置（１）の周囲条件とを、前記モデル形成に取り込むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 真空式制御倍力装置（１）の前記周囲条件が、大気圧、負圧源の圧力数値、後ろに接続されたマスターシリンダー（８）の液圧、及び周囲温度によって形成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記モデル形成の際に、真空式制動倍力装置（１）の静的な運転状態も、及び動的な運転状態も考慮に入れることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記電子的制御ユニット（１１）が作動ユニットを備え、当該作動ユニットが、能動的な油圧式制動倍力装置を、負圧室（３）内の圧力数値の評価に基づいて制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 自動車ブレーキシステムの真空式制動倍力装置（１）であって、装置は１つのハウジング（５）を持ち、当該ハウジングは、少なくとも１つの可動型の隔壁（４）によって、少なくとも１つの負圧室（３）と少なくとも１つの作動室（２）とに区分され、負圧室（３）は負圧接続口（１０）を経由して負圧源に接続され、また負圧室（３）にはセンサーユニット（６）が付設され、当該センサーユニットは、負圧室（３）内の圧力を検出して、それを電子的制御ユニット（１１）に送り、当該制御ユニットは、負圧室（３）内で検出された圧力を評価する評価ユニットを備え、また当該制御ユニットは、真空式制御倍力装置（１）の飽和点を、負圧室（３）内を支配する圧力だけに基づいて計算する、真空式制動倍力装置において、
   センサーユニット（６）が測定した圧力数値の妥当性チェックを行う手段、及びセンサーユニット（６）又は真空式制動倍力装置（１）に故障があればそれを検知する手段が設けられていることを特徴とする真空式制動倍力装置。
8. 前記手段が１つのモデルを含み、当該モデルは、経験的に求められたデータに流体工学的及び熱力学的プロセスを組み合わせたものに基づいて、負圧室（３）及び作動室（２）内の状態変数を評価することを特徴とする請求項７に記載の真空式制動倍力装置。

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