DE102004008796B4

DE102004008796B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils eines hydraulischen Systems sowie Steuergerät für ein hydraulisches System

Info

Publication number: DE102004008796B4
Application number: DE102004008796.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schiffner
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE102004008796A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines Hydraulikventils (6) mit einem zwischen zwei Lagen (L1, L2) bewegbaren Stößel (8) für ein elektrohydraulisches System (1) insbesondere für ein elektronisch gesteuertes Bremssystem eines Fahrzeugs, bei dem das Hydraulikventil (6) mittels einer stromerregten Ventilspule (10) anhand einer den Stößel (8) bewegenden Kraft geschaltet wird wobei der Stößel (8) zumindest zeitweise durch Anlegen eines Spulenstroms an die Ventilspule mit einer Gegenkraft beaufschlagt wird, wobei die Gegenkraft mit einer Frequenz erzeugt wird, die ungleich der Frequenz einer unerwünschten Schwingung des Stößels (8), eines ganzzahligen Vielfachen und eines Bruchteils der Frequenz der unerwünschten Schwingung des Stößels (8) ist, und die Gegenkraft durch Anlegen einer Dämpfungsschwingung (D) an die Ventilspule (10) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils eines hydraulischen Systems, z.B. eines elektrohydraulischen Bremssystems eines Fahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuergerät für ein solches hydraulisches System zur Durchführung des Verfahrens.
Ein elektrohydraulisches System, wie z.B. ein elektronisch gesteuertes Bremssystem eines Fahrzeugs, umfasst einen elektromagnetisch betätigbaren Antrieb, wie ein Magnet- oder Hydraulikventil, das aus einer stromerregten Spule (auch Ventilspule genannt), und einem zwischen zwei Lagen oder Positionen bewegbaren Stößel (= Ventilstößel mit Ventilmimik) gebildet ist. Des Weiteren umfasst das elektrohydraulische System im Allgemeinen ein Steuergerät zur Steuerung des Hydraulikventils. Beispielsweise sind Steuergeräte bekannt, die die zum Schalten geeigneten Hydraulikventile derart betreiben, dass eine analoge Regelung der Druckbeeinflussung durchgeführt werden kann (= so genannte analogisierte Ventile).
Beispielsweise beschreibt die DE 101 31 125 A1 ein Magnetventil zur Steuerung eines Einspritzventils einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Düsennadel/ Stößel-Anordnung, deren Öffnen und Schließen durch eine Druckbeaufschlagung/Druckentlastung eines Steuerraums herbeigeführt wird und das Magnetventil einen Elektromagneten und einen Anker umfasst, der von einer Ventilfeder in Schließrichtung auf einen Ventilsitz beaufschlagt ist, der von einem den Steuerraum druckentlastenden Schließkörper (10) freigegeben oder verschlossen wird.
Ferner beschreibt die DE 199 07 732 A1 einen proportionalen Betätigungsmagnet für ein hydraulisches Magnetventil mit einem Pol mit einer Ventilkegelaufnahmebohrung zur Aufnahme eines Ventilkegels sowie ein Polrohr zur Aufnahme eines Ankers.
Weiter beschreibt die DE 100 31 237 C2 einen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine.
Schließlich beschreibt die DE 100 03 896 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Proportional-Magneten mit einem Magnetkern, einem Magnetanker, einer Magnetspule, zur Betätigung eines Steuerelementes in einem Schaltventil oder einem Proportional-Druckregelventil, insbesondere einem Druckregelventil für die Kupplungsbetätigung in einem automatischen Kraftfahrzeug-Getriebe, und mit einer elektronischen Steuervorrichtung, wobei der Magnetanker zwischen einem Regelbereich und einem Haltebereich mit einer magnetischen Halteposition des Magnetankers hin- und her bewegbar ist und ein definierter Übergang vom Regelbereich in die Halteposition ausführbar ist, wobei Mittel vorgesehen sind, welche die Bewegungen des Magnetankers erkennen.
Beim Betreiben des Hydraulikventils, insbesondere eines analogisierten Ventils, zum Beispiel im Rahmen einer ABS-Bremsregelung (ABS = Antiblockiersystem), kann es in Randbereichen von Betriebspunkten des Hydraulikventils zu unerwünschten Schwingungen, insbesondere zu Resonanzschwingungen des Stößels kommen. Resonanzschwingungen treten insbesondere dann auf, wenn das Kräftegleichgewicht zwischen Strömung und magnetischer Kraft am Stößel gestört ist. Mit anderen Worten: Das Kräftegleichgewicht zwischen beispielsweise durch Strömung der Hydraulikflüssigkeit im Ventil bedingten Bernoulli-Kräften und der magnetischen Kraft am Stößel kann in bestimmten ABS- bzw. ESP-Regelsituationen (ESP = Elektronisches Stabilitätsprogramm) zu einem Schwingen des Ventils, insbesondere des Stößels führen. Die Auswirkungen solcher Resonanzschwingungen können erhöhter Geräuschpegel oder Gradientenverfälschung bei der Druckmodulation oder unerwünschte Druckschwingungen im Hydrauliksystem sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art anzugeben, welche diesen Effekt von Resonanzschwingungen deutlich verringern bzw. sogar nahezu ganz beseitigen kann. Des Weiteren ist ein besonders geeignetes Steuergerät anzugeben.
Die Aufgabe bezüglich des genannten Verfahrens wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe bezüglich der genannten Vorrichtung und des genannten Steuergeräts wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 13 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch periodische Kräfte verursacht bei einem Hydraulikventil mit einem mittels einer stromerregten Ventilspule zwischen zwei Lagen bewegbaren Stößel dieser zu Schwingungen erregt wird, die im Resonanzfall zu Schwingungsamplituden und daraus resultierend im ungünstigen Fall zu einer Beschädigung des Hydraulikventils führen können. Um die im Resonanzfall auftretenden Resonanzschwingungen zu vermeiden, müssen diese hinreichend groß gedämpft werden, indem die periodischen Kräfte umgangen werden oder die Differenz zwischen Erreger- und Resonanzfrequenz groß genug ist. Hierzu ist bei einem Verfahren zur Steuerung des Hydraulikventils, insbesondere für ein elektronisch gesteuertes Bremssystem eines Fahrzeugs, vorgesehen, der auf den Stößel mittels der stromerregten Ventilspule wirkenden Kraft zumindest zeitweise durch Anlegen eines Spulenstroms an die Ventilspule eine Gegenkraft aufzuprägen, so dass eine unerwünschte Schwingung, insbesondere eine Resonanzschwingung am Stößel, gedämpft wird. Um eine hinreichend große Gegenkraft mit einer möglichst großen Dämpfung der unerwünschten Schwingung zu erzielen, wird dabei die Gegenkraft mit einer Frequenz erzeugt, die ungleich der Frequenz der unerwünschten Schwingung, ungleich einem ganzzahligen Vielfachen oder einem Bruchteil der Frequenz der unerwünschten Schwingung des Stößels, ist. Dabei wird die Gegenkraft durch Anlegen einer Dämpfungsschwingung an die Ventilspule erzeugt.
Für eine möglichst geringe mechanische Beanspruchung des Hydraulikventils wird der Stößel vorzugsweise nur im Randbereich eines Betriebspunktes des Hydraulikventils mit der Gegenkraft beaufschlagt. Insbesondere wird die Gegenkraft am Beginn einer jeden Regelschleife des elektrohydraulischen Systems erzeugt. Unter Betriebspunkt des Hydraulikventils wird hierbei ein Schaltbereich des Hydraulikventils verstanden, in welchem das Hydraulikventil aufgrund von Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsvolumen und Ablösen der Strömung sowie der am Stößel anliegenden magnetischen Kraft und eines daraus resultierenden möglichen Kräfteungleichgewichts zu Eigen- oder Selbsterregung neigt.
Um lediglich eine Gegenkraft, aber keine Bewegung des Ankers oder Stößels und somit auch keinen hydraulischen Einfluss im elektrohydraulischen System zu bewirken, wird die Gegenkraft vorzugsweise in einem vorgegebenen Zeitraum mehrfach wiederholend, insbesondere periodisch erzeugt. Vorzugsweise wird die Ventilspule im Randbereich eines Betriebspunktes des Hydraulikventils, z.B. eines kritischen Gradientenbereichs, mit der Dämpfungsschwingung beaufschlagt.
Zweckmäßigerweise wird die Dämpfungsschwingung mit einer von der Resonanzfrequenz des Stößels verschiedenen Frequenz erzeugt. Insbesondere wird die Dämpfungsschwingung mit einer Frequenz erzeugt, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen oder einer ganzzahligen Teilfrequenz der Resonanzfrequenz ist. In einer möglichen Ausgestaltung wird die Dämpfungsschwingung als Rechteck-Schwingung, insbesondere als Stromimpuls-Funktion, erzeugt. Der Stromimpuls (auch Schließimpuls genannt) weist eine Dauer von 1 ms bis 3 ms auf. Dieser über das Magnetfeld der Ventilspule in eine mechanische Kraft des Stößels umgesetzte Stromimpuls bewirkt eine Kraftanregung im Anker der Ventilspule, aber noch keine unmittelbar ersichtliche Bewegung des Ankers. Dies hat den Vorteil, dass ein solch kurzer Stromimpuls somit auch keinen störenden Einfluss auf die Hydraulik hat. Vielmehr stört der Strom- und Kraftimpuls die unerwünschte Schwingung und wirkt daher dämpfend.
Das Beeinflussen des Stößels zur Verhinderung der Resonanzen erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Dämpfungsschwingung in Abhängigkeit vom an der Ventilspule angelegten Spulenstrom erzeugt wird. Beispielsweise wird die Dämpfungsschwingung bei einem Spulenstrom mit einer Impulslänge von größer 5 ms, insbesondere von größer 10 ms bis ca. 70 ms, erzeugt. In diesen aus dem jeweiligen Spulenstrom resultierenden Betriebspunkten oder Arbeitsbereichen des Hydraulikventils kann es zu einer Erregung des Stößels aufgrund eines Kräfteungleichgewichts kommen, welche durch Aufprägung der Gegenkraft oder der Dämpfungsschwingung gestört wird. Insbesondere wird die Dämpfungsschwingung bei einem Spulenstrom von 200 bis 500 mA erzeugt.
Die Vorrichtung zur Steuerung des Hydraulikventils mit dem beispielsweise zwischen zwei Lagen bewegbaren Stößel umfasst eine stromerregte Ventilspule zum Schalten einer den Stößel bewegenden Kraft sowie ein elektronisches Steuergerät zum zeitweise Beaufschlagen des Stößels mit einer Gegenkraft. Dazu weist das Steuergerät einen Schwingungsgenerator zum Erzeugen einer die Gegenkraft bewirkenden Dämpfungsschwingung. Der Schwingungsgenerator kann dabei als ein Schwingkreis oder Impulsgenerator in analoger oder digitaler Schaltungstechnik ausgebildet sein. Des Weiteren kann das elektronische Steuergerät mit einem Computerprogrammprodukt zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgestattet sein.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch Aufprägen einer Gegenkraft, insbesondere eines Kraftimpulses, oder einer Dämpfungsschwingung in Form eines Stromimpulses auf das Hydraulikventil eine Kraftschwingung am Anker bewirkt wird, die noch keine Bewegung auslöst und somit auch keinen hydraulischen Einfluss hat. Durch den Strom- oder Kraftimpuls wird die unerwünschte Schwingung in einfacher Art und Weise gestört und daher entsprechend gedämpft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 schematisch ein elektrohydraulisches System mit einer Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils mittels einer stromerregten Ventilspule, und
2 ein Diagramm für einen an die Ventilspule angelegten Spulenstrom mit überlagerter Dämpfungsschwingung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein elektrohydraulisches System 1, z.B. ein elektronisch gesteuertes Bremssystem für ein Fahrzeug. Unter elektronisch gesteuertem Bremssystem wird beispielsweise ein Antiblockiersystem (= ABS) oder ein Elektronisches Stabilitäts-Programm (= ESP) verstanden.
Das elektrohydraulische System 1 umfasst beispielsweise bei einer Bremsregelung eines Antiblockiersystems als Steuer- und Regeleinrichtung ein Steuergerät 2 zur Signalverarbeitung von Messwerten eines Drehzahlsensors 4 als Regelgröße R für eine Ansteuerung eines Hydraulikventils 6 anhand eines Spulenstroms I. Als Führungsgröße F wird bei der Bremsregelung der Hauptzylinderdruck zur Einstellung einer Stellgröße U - dem Radzylinderdruck - verwendet. Je nach Aufbau des Fahrzeugs können mittels des Steuergeräts 2 mehrere Hydraulikventile 6 gesteuert werden, z.B. je Rad ein Hydraulikventil 6.
Das Hydraulikventil 6 umfasst einen zwischen zwei Lagen L1 und L2 bewegbaren Stößel 8 und eine stromerregte Ventilspule 10 zum Schalten einer den Stößel 8 bewegenden Kraft mittels des Spulenstroms I.
Im Betrieb des elektrohydraulischen Systems 1 kann es in Randbereichen von Betriebspunkten des Hydraulikventils 6, insbesondere in dem Fall, dass das Kräftegleichgewicht zwischen Strömungskraft und magnetischer Kraft am Stößel 8 gestört ist, zu unerwünschten Resonanzschwingungen kommen. Zum Vermeiden dieser Resonanzschwingungen wird mittels des Steuergeräts 2 der Stößel 8 zumindest zeitweise mit einer Gegenkraft beaufschlagt. Dazu umfasst das Steuergerät 2 beispielsweise einen Schwingungsgenerator 12 zum Erzeugen einer die Gegenkraft bewirkenden Dämpfungsschwingung D, die eine pulsierende Kraft am Stößel 8 bewirkt. Je nach Art und Ausführung des Steuergeräts 2 kann der Schwingungsgenerator 12 in analoger oder digitaler Schaltungstechnik ausgeführt sein.
Die Dämpfungsschwingung D wird in einer möglichen Ausführungsform als Gegenkraft jeweils am Beginn einer jeden Regelschleife des elektrohydraulischen Systems 1 erzeugt. In 2 ist beispielhaft die Aufprägung der Dämpfungsschwingung D dargestellt. Beim Aufbaupuls(= Änderung des Raddrucks, insbesondere Druckerhöhung) wird mittels des Steuergeräts 2 am Hydraulikventil 2 der Spulenstrom I vom Stromniveau I1 auf das Stromniveau 12 gesenkt. Der Erreger- oder Spulenstrom I kann beispielsweise zur Ansteuerung des Hydraulikventils 6 eine Impulslänge T_I von größer 5 ms, insbesondere von größer 10 ms bis ca. 70 ms, aufweisen.
Zur Beeinflussung der beim Schalten des Hydraulikventils 6 ggf. auftretenden Resonanzschwingungen am Stößel 8 wird die Dämpfungsschwingung D mit einer von der Resonanzfrequenz des Stößels 8 verschiedenen Frequenz an der Ventilspule 10 angelegt. Insbesondere wird die Dämpfungsschwingung D in Abhängigkeit vom Spulenstrom I zusätzlich aufgeprägt. Beispielsweise wird die Dämpfungsschwingung D aufgeprägt, wenn die Impulslänge T_I des Spulenstroms I größer als 10 ms andauert. Je nach Auslegung des Hydraulikventils 6 kann bereits ab einer Impulslänge T_I von größer 5 ms oder am Beginn einer jeden Regelschleife die Dämpfungsschwingung D zur Erzeugung einer Gegenkraft am Stößel 8 aufgeprägt werden.
Die mittels des Schwingungsgenerators 12 erzeugte Dämpfungsschwingung D ist eine Rechteck-Schwingung, die als Stromimpuls-Funktion mit einer Impulsdauer T_D von 1 ms bis 3 ms auf das Hydraulikventil 6 gegeben wird. Mit anderen Worten:
Diese Stör- oder Dämpfungsschwingung D bzw. Gegenkraft wird zum Beispiel in einem ABS-/ESP-Bremssteuergerät eines Fahrzeugs in der Weise implementiert, dass bei einem Spulenstrom I mit einer Impulslänge T_I von größer 10 ms (auch Bremsregelimpuls des Bremssteuergeräts genannt) ein kurzer, vorzugsweise eine Impulsdauer T_D von etwa 1 ms bis 3 ms aufweisender Stromimpuls (= Schließimpuls) als Dämpfungsschwingung D auf das Hydraulikventil 6 gegeben wird. Dieser über das Magnetfeld der Ventilspule 10 in eine mechanische Kraft (= Gegenkraft) umgesetzte Stromimpuls bewirkt eine Kraftanregung am Anker der Ventilspule 10, aber noch keine unmittelbar ersichtliche Bewegung des Ankers. Daher hat ein solcher Stromimpuls auch keinen störenden Einfluss auf die Hydraulik der Bremse und somit auf das elektrohydraulische System.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Hydraulikventils (6) mit einem zwischen zwei Lagen (L1, L2) bewegbaren Stößel (8) für ein elektrohydraulisches System (1) insbesondere für ein elektronisch gesteuertes Bremssystem eines Fahrzeugs, bei dem das Hydraulikventil (6) mittels einer stromerregten Ventilspule (10) anhand einer den Stößel (8) bewegenden Kraft geschaltet wird wobei der Stößel (8) zumindest zeitweise durch Anlegen eines Spulenstroms an die Ventilspule mit einer Gegenkraft beaufschlagt wird, wobei die Gegenkraft mit einer Frequenz erzeugt wird, die ungleich der Frequenz einer unerwünschten Schwingung des Stößels (8), eines ganzzahligen Vielfachen und eines Bruchteils der Frequenz der unerwünschten Schwingung des Stößels (8) ist, und die Gegenkraft durch Anlegen einer Dämpfungsschwingung (D) an die Ventilspule (10) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Stößel (8) im Randbereich eines Betriebspunktes des Hydraulikventils (6) mit der Gegenkraft beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Gegenkraft am Beginn einer jeden Regelschleife des elektrohydraulischen Systems (1) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gegenkraft in einem vorgegebenen Zeitraum mehrfach wiederholend erzeugt wird so dass die unerwünschte Schwingung des Stößels (8), gedämpft wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gegenkraft in einem vorgegebenen Zeitraum periodisch erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ventilspule (10) im Randbereich eines Betriebspunktes des Hydraulikventils (6) mit der Dämpfungsschwingung (D) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) mit einer von der Resonanzfrequenz des Stößels (8) verschiedenen Frequenz erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) mit einer Frequenz erzeugt wird, die ungleich einem ganzzahligen Vielfachen oder einer ganzzahligen Teilfrequenz der Resonanzfrequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) als Rechteck-Schwingung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) in Abhängigkeit vom an der Ventilspule (10) angelegten Spulenstrom (I) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) bei einem Spulenstrom (I) mit einer Impulslänge (TI) von größer 5 ms erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Dämpfungsschwingung (D) bei einem Spulenstrom (I) von 200 bis 500 mA erzeugt wird.
Vorrichtung zur Steuerung eines Hydraulikventils (6) mit einem zwischen zwei Lagen (L1, L2) bewegbaren Stößel (8) für ein elektrohydraulisches System (1), insbesondere für ein elektronisch gesteuertes Bremssystem eines Fahrzeugs bei dem das Hydraulikventil (6) eine stromerregte Ventilspule (10) zum Schalten einer den Stößel (8) bewegenden Kraft sowie ein elektronisches Steuergerät (2) zum zeitweise Beaufschlagen des Stößels (8) mit einer Gegenkraft durch Anlagen eines Spulenstroms an die Ventilspule umfasst, wobei die Gegenkraft mit einer Frequenz erzeugt wird, die ungleich der Frequenz der unerwünschten Schwingung, eines ganzzahligen Vielfachen und eines Bruchteils der Frequenz der unerwünschten Schwingung des Stößels (8), ist und die Gegenkraft durch Anlegen einer Dämpfungsschwingung (D) an die Ventilspule (10) erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei dem das Steuergerät (2) einen Schwingungsgenerator (12) zum Erzeugen einer die Gegenkraft bewirkenden Dämpfungsschwingung (D) umfasst.
Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.