DE4024811A1 - Bremssystem fuer kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Bremskraft F_B an den Rädern von Kraftfahrzeugen wird im wesentlichen durch den Bremsdruck p, die rechtwinklig wirkende Bremszylinderfläche A und den Gleitreibungskoeffizienten µ zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe bei Scheibenbremsen bzw. Bremsbelag und Bremstrommel bei Trommelbremsen bestimmt. Bei gebräuch­ lichen Bremsanlagen wird in alle Räder der gleiche kon­ stante Bremsdruck p eingesteuert; unterschiedliche Werte der Bremszylinderfläche A und des Reibungskoeffi­ zienten µ der einzelnen Räder - etwa durch unterschied­ lichen Abrieb zwischen Bremsbelag und Brems­ scheibe/Bremstrommel oder durch Veränderung der Be­ schaffenheit der Bremsbeläge bei Betätigung der Bremse - führen zu unterschiedlichen Bremskräften an den ein­ zelnen Rädern bzw. zu einer Änderung der Bremskraft in Abhängigkeit des Betriebszustands des Fahrzeugs.

Sind jedoch die Bremskräfte an den Rädern auf der rech­ ten und linken Fahrzeugseite verschieden, wirkt ein re­ sultierendes Drehmoment (Giermoment) auf das Fahrzeug ein; das Fahrzeug "zieht" in die Richtung, in der die Bremskraft schwächer ist. Zur Korrektur muß der Fahrer gegenlenken; durch die zusätzlichen Kräfte in der Rei­ fenaufstandsfläche werden die übertragbaren Verzöge­ rungskräfte zwischen Reifen und Straße vermindert, bei Überschreiten der Haftreibungsgrenze kann es zum Blockieren des Rades kommen. Bei vielen Fahrzeugen, beispielsweise bei Nutzfahrzeugen - insbesondere bei Fahrzeugen mit Anhänger oder Auflieger - ändern sich die Beladungszustände und damit auch die Bremskraftverteilung bzw. die Bremskräfte an den ein­ zelnen Achsen bzw. an den einzelnen Rädern sehr häufig. Bei ungünstiger Bremskraftverteilung kann ein Überbrem­ sen der Achsen auftreten; beim Bremsmanöver schiebt der Anhänger von hinten gegen das Zugfahrzeug, das dadurch einknicken und seitwärts ausbrechen kann.

Es ist bereits eine achslastabhängige Bremskraftrege­ lung (ALB) bekannt, bei der der Bremsdruck zwischen Vorder- und Hinterachse asymmetrisch in einem festen Verhältnis - beispielsweise im Verhältnis 70% zu 30% - eingestellt wird, wobei dieses Verhältnis in Abhän­ gigkeit des Beladungszustandes des Fahrzeuges geändert werden kann. Oft ist jedoch diese fest eingestellte Bremskraftverteilung ungünstig; während des Bremsvor­ gangs selbst erfolgt keine Regelung der Bremskraft, so daß die oben beschriebenen kritischen Situationen - Entstehung von Giermomenten, Überbremsen der Achsen - weiterhin auftreten können.

Beim Antiblockiersystem (ABS) wird durch geeignete Steuerung der Bremsventile erreicht, daß die Räder des Kraftfahrzeugs bei einer starken Bremsung (Notbremsung) nicht blockieren, d. h. es wird die maximal mögliche Bremskraft an den einzelnen Rädern vorgegeben. Auf eine "normale Bremsung" - eine Bremsung, bei der die Räder greifen, durch die Bremsung also keine Überschreitung der Haftreibungsgrenze in der Reifenaufstandsfläche hervorgerufen wird - hat das ABS-System jedoch keiner­ lei Auswirkungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bremssy­ stem für Kraftfahrzeuge anzugeben, mit dem die bei her­ kömmlichen Bremssystemen auftretenden Probleme vermie­ den werden können.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 1 erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Stellung des Bremspedals wird beim Bremsvor­ gang das Bremsverhalten vorgegeben bzw. die gewünschte Bremsverzögerung festgelegt. Um diese Sollwertvorgabe zu erreichen - bzw. sich dieser so gut es die Randbe­ dingungen zulassen, anzunähern - wird die während des Bremsvorgangs an den Bremsbacken bzw. Bremszangen auf­ tretende Lagerkraft gemessen, mittels einer Regelelek­ tronik daraus - anhand eines vorher bestimmten empiri­ schen Zusammenhangs - der momentane Istwert der Brems­ kraft berechnet, der Bremsdruck entsprechend der Abwei­ chung Sollwert/Istwert geändert und dieser Regelungs­ vorgang - Messung der Lagerkraft, Ist-/Sollwert-Ver­ gleich, Änderung des Bremsdrucks - sukzessive wieder­ holt, bis Sollwert und Istwert der Bremskraft überein­ stimmen.

Mit Hilfe externer Signale bzw. Meßgrößen kann die Re­ gelelektronik zusätzliche Informationen erhalten bzw. Randbedingungen berücksichtigen, wodurch das Bremsver­ halten weiter verbessert werden kann. Beispielsweise kann bei Messung der Bremsverzögerung eine dynamische Achslastverteilung während des Bremsvorgangs erfolgen, d. h. das Bremskraftverhältnis zwischen Vorderachse und Hinterachse wird entsprechend einer vorher bestimmten optimalen Verzögerungskurve variiert; zusätzlich kann noch der Beladungszustand des Fahrzeugs bestimmt werden und die passende - von der Masse des Fahrzeugs abhän­ gige - Verzögerungskurve gewählt werden.

Wegen der kontinuierlichen dynamischen Regelung der Bremskraft an den einzelnen Rädern - zwischen Vorder­ und Hinterachse bzw. rechter und linker Fahrzeugseite - während des Bremsvorgangs ist eine sehr genaue Dosie­ rung der Bremskraft und eine optimale Bremsung un­ abhängig vom Zustand der Bremsen möglich.

Die Fahrsicherheit läßt sich somit erhöhen, da einer­ seits das Fahrzeug durch Steigerung der möglichen Bremskraft stärker gebremst werden kann, der Bremsweg also verkürzt wird, und andererseits das Fahrzeug wäh­ rend des Bremsvorgangs stabil bleibt, ohne daß Giermo­ mente auftreten, ein Überbremsen der Achsen auftritt oder die Räder blockieren.

Daneben brauchen die Bremsbeläge wegen der gleichmäßi­ gen Abnutzung nicht so häufig gewechselt werden, was zu einer Kosteneinsparung führt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Trommelbremse (Figur 1a) und einer Scheibenbremse (Figur 1b),

Fig. 2 eine Meßanordnung zur Bestimmung der zur Bremskraft F_B proportionalen Lagerkraft F_L,

Fig. 3 das Schaltbild des geregelten Bremssystems,

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit v, der Normalkräfte F_N und der Bremskräfte F_B bei einem Bremsvorgang und

Fig. 5 die Verzögerungskurven bei einem unbeladenen und einem beladenen Fahrzeug.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Kraft­ fahrzeug-Bremse; in der Fig. 1a ist eine Trommelbremse 10 - mit Bremstrommel 11, Bremsbacken 12, Bremsbelägen 13, Befestigungspunkten 14 und Bremszylinder 15 - in der Fig. 1b eine Scheibenbremse 20 - mit Bremsscheibe 21, Bremszangen 22, Bremsbelag 23, Befestigungspunkten 24 und Bremszylinder 25 - dargestellt.

An den Befestigungspunkten 14 bzw. 24 der Bremsbacken 12 (Fig. 1a) bzw. der Bremszangen 22 (Fig. 1b) werden die den Bremskräften F_B proportionalen Lagerkräfte F_L­ beispielsweise mittels Sensoren - gemessen und aus die­ sen Meßwerten die Bremskraft F_B berechnet. Das jewei­ lige Verhältnis von F_B zu F_L, das unter anderem von der Konstruktion der Bremsen abhängt, kann für jeden Brems­ typ genau bestimmt werden; daher können beispielsweise auch bei einem Bremssystem gleichzeitig Trommel- und Scheibenbremsen verwendet werden.

Der Absolutwert der Bremskräfte F_B muß dabei nicht unbedingt bestimmt werden; in den meisten Fällen genügt es bereits, wenn das relative Verhältnis der Brems­ kräfte bei den einzelnen Rädern (links, rechts, vorne, hinten) ermittelt wird.

In der Fig. 2 ist eine Meßanordnung zur Bestimmung der der Bremskraft F_B proportionalen Lagerkraft F_L bei ei­ ner Scheibenbremse dargestellt.

Mit Hilfe eines magneto-elastischen Kraftsensors - bei­ spielsweise eines Kraftmeßbolzens oder einer Meßschrau­ be 26 - wird die Bremszange 22 der Scheibenbremse an den Befestigungspunkten 24 festgehalten bzw. mit dem Fahrzeugchassis 29 verbunden; damit können die Lager­ kräfte F_L, die ein Maß für die Verformung des Kraftmeß­ bolzens während des Bremsvorgangs sind, gemessen wer­ den. Die Bremskräfte F_B ergeben sich aus dem empiri­ schen Zusammenhang zwischen dieser Kraft und dem jewei­ ligen Fahrzeug bzw. Bremsentyp. Beim Bremsvorgang wird dieser Zusammenhang ausgenützt; die gemessenen Werte der Lagerkräfte bzw. die daraus abgeleiteten Werte der Bremskraft werden als momentane Istwerte der Bremskraft von der Regelelektronik verwendet.

Beispielsweise wird gemäß Fig. 2 die Verformung der Meßschraube 26 bzw. des Kraftmeßbolzens mit Hilfe eines im Schraubenschaft 27 integrierten magneto-resistiven Sensors 28 - dessen magnetischer Widerstand sich in Ab­ hängigkeit der elastischen Spannung ändert - gemessen und in eine elektrische Größe umgewandelt. Bei einer anderen Meßmethode wird beispielsweise eine Unterlag­ scheibe aus piezoelektrischem Material eingesetzt, mit deren Hilfe ein elektrisches Signal als Maß für die Verformung gewonnen wird.

In der Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau einer gere­ gelten Bremskraftanlage dargestellt.

Die Regelelektronik 30, die Komponenten zur Signalver­ arbeitung 31 und zur Steuerung 32 umfaßt, bestimmt und steuert den Bremsdruck p so, daß die Bremskraft an je­ dem Rad 35 (VL, VR, HR, HL) denjenigen Wert annimmt, der durch die Stellung des Bremspedals vorgegeben wurde bzw. der anhand der Eigenschaften des Bremssystems als optimale Sollwertvorgabe bestimmt wurde. Dazu werden die von den Sensoren 28 - beispielsweise Dehnmeßstrei­ fen, magneto-striktive Kraftaufnehmer, piezo-elektri­ sche Kraftaufnehmer etc. - über die Sensorleitung 38 eingehenden Informationen über den tatsächlichen Ist­ wert der Bremskraft durch die Signalverarbeitungskompo­ nente 31 aufbereitet, mit der Sollwertvorgabe vergli­ chen, und die Ventile 34 zur Steuerung des Bremsdrucks p durch einen Regelalgorithmus der Steuerkomponente 32 - beispielsweise über die Relaissteuerung 36 - ange­ steuert.

Bei einer passiven Bremskraftregelung werden die Ven­ tile 34 so angesteuert, daß bei jeder Achse die Brems­ kraft auf das Rad 35 mit dem geringeren Reibungskoeffi­ zienten eingeregelt wird. Die Ventile sind so ausge­ führt, daß sie den Bremsdruck p definiert abregeln kön­ nen; hier können beispielsweise 3-Wege-Ventile zum Ein­ satz kommen.

Bei einer aktiven Bremskraftregelung kann - durch Ver­ wendung von zusätzlichen Bremskraftstellern, beispiels­ weise durch 4-Wege-Ventile - der Bremsdruck p auch be­ liebig eingeregelt werden.

Mit Hilfe der Regelelektronik 30 kann auch der in den einzelnen Rädern 35 eingeregelte Bremsdruck p entweder gemessen oder über die Steuerkomponente 32 verhältnis­ mäßig erfaßt werden. Damit ist eine Überwachung und Kontrolle des Bremssystems möglich; Bremsen mit Fehl­ funktion - beispielsweise aufgrund von verminderten Reibungskoeffizienten der Bremsbeläge oder Defekten in der Bremstrommel oder Bremsscheibe - können so ermit­ telt und der Fahrer rechtzeitig gewarnt werden.

Durch Berücksichtigung externer Signale 37, die optio­ nal in die Regelelektronik 30 des Bremssystems einge­ speist werden, läßt sich das Bremsverhalten weiter ver­ bessern:

• - Bei einer Messung der Bremsverzögerung kann eine dynamische Bremskraftregelung eingesetzt werden, d. h. das Bremskraftverhältnis von Vorderachse zur Hinterachse wird beim Bremsvorgang dynamisch mitgeregelt. Die Zeitfunktion, nach der die Brems­ kraftverteilung geregelt wird, läßt sich op­ timieren, in dem der minimal mögliche Bremsweg und somit die optimale Verzögerungskurve ermittelt wird.
  In der Fig. 4 ist ein Beispiel für die dynamische Regelung der Bremskraft dargestellt; auf der Ordi­ nate ist dabei die Geschwindigkeit v, die Normal­ kraft F_N an Vorderachse (F_NV) und Hinterachse (F_NH), die Bremskraft F_B an Vorderachse (F_BV) und Hinterachse (F_BH) und auf der Abszisse die Zeit t dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Bremskraft­ verteilung - gemäß Fig. 4 wird beispielsweise im ersten Moment vorne und hinten ungefähr gleich stark gebremst, die Bremskraft an der Hinterachse bei einsetzender Verzögerung jedoch reduziert - kann anhand der optimalen Verzögerungskurve F_N(a) vorgegeben werden.
• - Mit Hilfe eines Beladungssensors kann der Bela­ dungszustand des Fahrzeugs festgestellt werden und infolgedessen das Bremskraftverhältnis zwischen Vorderachse und Hinterachse geändert werden. In der Fig. 5 sind zwei Verzögerungskurven darge­ stellt, die das Verhältnis der Normalkraft an Vor­ derachse und Hinterachse F_NV/F_NH als Funktion der Bremsverzögerung a angeben. Bei unterschiedlichen Beladungszuständen des Fahrzeugs und demzufolge unterschiedlicher Masse und Achsbelastung - in Fi­ gur 5 zeigt die Kurve (1) die Verzögerungskurve eines vollbeladenen Fahrzeugs, die Kurve (2) die eines unbeladenen Fahrzeugs - ändert sich die Normalkraftverteilung F_NV/F_NH und damit auch die optimale Bremskraftverteilung zwischen Vorderachse und Hinterachse.
• - Die Bremskraft an den einzelnen Rädern bzw. das Bremskraftverhältnis kann in Abhängigkeit der Ge­ schwindigkeit oder des Straßenzustandes (trocken/feucht, kalt/warm etc.) geändert werden.
• - Bei Berücksichtigung der Raddrehzahlinformation - wie sie beispielsweise ein Drehzahlfühler liefert - kann eine Aussage über den Reibungskoeffizienten zwischen Reifen und Straße gemacht werden. Da bei bekannter Bremskraft die Radverzögerung auch von diesem Reibungskoeffizienten abhängt, läßt sich mit dessen Kenntnis das Bremsverhalten besser steuern.

Das erfindungsgemäße Bremssystem kann auch sehr einfach mit einem ABS-System kombiniert werden bzw. dieses er­ gänzen. Da die vorhandene Regeleinrichtung auch für ABS-Funktionen verwendet werden kann, ergeben sich er­ hebliche Kosteneinsparungen; beispielsweise werden die Regelventile 34 zur Einstellung des Bremsdrucks nur einmal benötigt, die Steuerelektronik 30 könnte die ABS-Funktion mitübernehmen. Da beim geregelten Bremssy­ stem der Erfindung immer eine optimale Bremsung statt­ findet, tritt der ABS-Fall (Notbremsung/Blockieren der Räder) jedoch viel seltener ein.

Claims (13)

1. Bremssystem für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeich­ net, daß Mittel vorgesehen sind, die die Bremskraft (F_B) für die einzelnen Räder (35) des Fahrzeugs während jedes Bremsvorgangs durch Variation des Bremsdrucks (p) dynamisch regeln.

2. Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelelektronik (30) vorgesehen ist, die eine Signalverarbeitungskomponente (31) und eine Steuerkom­ ponente (32) umfaßt, daß durch die Si­ gnalverarbeitungskomponente (31) der durch die Stellung des Bremspedals festgelegte Sollwert der Bremskraft (F_B) für die einzelnen Räder (35) mit dem jeweiligen Istwert verglichen wird, und daß durch die Steuerkompo­ nente (32) der die Bremskraft (F_B) bestimmende Brems­ druck (p) für die Räder (35) gesteuert wird.

3. Bremssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkomponente (32) mit einer Steuerungsein­ richtung (36) und Ventilen (34) verbunden ist, über die der Bremsdruck (p) für die Räder (35) eingestellt wird.

4. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die bei allen Rädern (35) die Lagerkraft (F_L) an den Befestigungspunkten (14, 24) der Bremse (10, 20) gemes­ sen wird, und daß der jeweilige Istwert der Bremskraft (F_B) von diesen Lagerkräften (F_L) abgeleitet wird.

5. Bremssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkraft (F_L) mittels eines Sensors (28) ge­ messen wird.

6. Bremssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (28) ein Kraftaufnehmer, ein Kraft­ meßbolzen oder eine Kraftmeßschraube ist.

7. Bremssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (28) ein magneto-elastischer oder piezo­ elektrischer Kraftsensor ist.

8. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungskompo­ nente (31) Meßwerte externer Meßgrößen (37) erhält und verarbeitet, und daß die Sollwertvorgabe der Bremskraft (F_B) abhängig von den Werten dieser Meßgrößen (37) ge­ ändert wird.

9. Bremssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße (37) die Bremsverzögerung (a) ist, die während des Bremsvorgangs durch einen Verzögerungssen­ sor gemessen wird, und daß das Verhältnis der Brems­ kraft (F_B) an Vorderachse (F_BV) und Hinterachse (F_BH) in Abhängigkeit des Wertes der Bremsverzögerung (a) dynamisch geändert wird.

10. Bremssystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßgröße (37) der Beladungszustand des Fahrzeugs ist, der durch einen Beladungssensor ge­ messen wird, und daß das Verhältnis der Bremskraft (F_B) an Vorderachse (F_BV) und Hinterachse (F_BH) in Abhän­ gigkeit des Beladungszustandes geändert wird.

11. Bremssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßgröße (37) die Rad­ drehzahl ist, die durch einen Drehzahlfühler (38) ge­ messen wird, und daß aus der Raddrehzahl der Reibungs­ koeffizient zwischen Rad und Straße bestimmt wird.

12. Bremssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßgröße (37) der Fahr­ bahnzustand ist, und daß die maximal mögliche Brems­ kraft abhängig vom Fahrbahnzustand vorgegeben wird.

13. Verwendung eines Bremssystems nach einem der An­ sprüche 1 bis 12 zur Kombination mit einem ABS-System.