Stand der Technik

Es sind sogenannte Schlupfregier bekannt, bei denen aus Radgeschwindigkeit und einer aus der Radgeschwindigkeit abgeleiteten Referenzgröße, die dem Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit angenähert ist, der Radschlupf gebildet wird. Bei Über- und Unterschreiten von Schwellen durch den Radschlupf werden dort Ventile be¬ tätigt und der Bremsdruck variiert.

Vorteile der Erfindung

Bei der Erfindung wird der Radschlupf als Regelgröße verwendet. Dabei wird der Schlupfsoliwert für die Regelung aus der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Brems¬ druck und der Radgeschwindigkeit gewonnen. Die Erfindung garantiert ein gutes Ausnutzen des vorhandenen Reibwertpotentials und eine selbstständige und schnelle Anpassung an veränderte Reibwertpotentiale, Die Erfindung ist insbe¬ sondere für LKW mit ELB-Bremsanlage von Interesse.

Während der Anbremsphase gibt bei der Erfindung der Fahrer den Bremsdruck über das Betriebsbremsventil vor. Parallel dazu gibt die überlagerte Steuerung die Erfassung des maximalen Reibbeiwertes und des Schlupfes bei dem maximalen μ frei.

Sobald eine Schaltschwelle überschritten ist (Instabilität vorhanden), wird die Drucksteuerung aktiviert. Aus dem ermittelten μmax wird der Bremsdruck durch die Drucksteuerung vorgegeben. Nach Stabilisierung des Rades wird der Regler akti¬ viert, der nun auf den während der Anbremsphase ermittelten Sollschlupf regelt.

ERSATZBLATT

Durch veränderte Fahrbahnverhältnisse oder durch Wirkung der Adaption gelangt das Rad kurzzeitig in den instabilen Bereich, was ein Ende der Regelphase zur Folge hat. Da während jeder Regelphase die Erfassung von μmax und SK neu ge¬ startet wird, stehen für die Drucksteuerphase und für die sich anschließende neue Regelphase wieder aktuelle Werte für μmax und SK zur Verfügung. Die über¬ lagerte Steuerung schaltet den Bremsdruck auf den Fahrerdruck um und initiali¬ siert das gesamte System, sobald der vom Fahrer geforderte Bremsdruck kleiner als der vorhandene Bremsdruck ist oder eine geringe Schwelle (Mindestwert vmin) der Fahrzeuggeschwindigkeit unterschritten wird.

Im folgenden sollen nähere Ausführungen zur Gewinnung der einzelnen Größen und zur Regelung bzw. Steuerung gemacht werden.

Aus der am Radkranz gemessenen Radgeschwindigkeit (Nabengeschwindigkeit) VN erhält man den 'Nabenschlupf' SN:

SN = 1 - (VN/VREF) (1.1)

Die Dynamik des Schlupfaufbaus im Latsch wird durch ein Filter als Mittelwert¬ bildner berücksichtigt. Unter LÄTsch versteht man die ReifenaufStandsfläche (Kontaktfläche Reifen-Fahrbahn). Als Ausführungsbeispiel wird ein Filter mit variabler 'Zeitkonstante' angegeben. Die Bestimmung der Filterzeitkonstanten ge¬ schieht in Anlehnung an ein Bürstenmodell.

Die Differenzengleichung für das Filter lautet

S (k+1) = S (k) + TSL * [SN[k) - S (k)] (1.2)

Die Zeitkonstante des Filters wird ständig an die Durchlaufzeit eines Bürsten¬ elements durch den Latsch des Reifens angepaßt und ist damit abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Für den Filterparameter TSL gilt folgende Beziehung:

ERSATZBLATT

TSL = h * ( | VF | / LA) (1.3) mit:

Abtastzeit : h

Fahrzeuggeschwindigkeit: VF Latεchlänge : LA

Aus den Größen Bremsdruck PB und Radverzögerung BR läßt sich der Reibwert μ im stabilen Bereich näherungsweise angeben zu:

Radlast FZ

Radträgheitsmoment ^Θ R Reifenradius r Proportionalitätsfaktor CP

Die Gleichung (1.4) liefert in der Form für μ nur Werte mit begrenzter Genauig¬ keit, da Parameterschwankungen nicht erfaßt werden können.

Die Dynamik des momentan genutzten Reibwertes wird dagegen gut nachgebildet, da die Parameterdrift (hauptsächlich durch Temperatur und Alterung bedingt) lang¬ sam im Vergleich zur Dynamik des genutzten Reibwerteε ist.

Während der Anbremsphase wird nach Gleichung (1.4) der momentan genutzte Reib¬ wert μ ermittelt. Die Anbremsphase wird beendet, sobald die Radverzögerung eine feste Schwelle überschreitet oder der Schlupf größer als eine feste Schwelle ge¬ worden ist. Das Rad hat dann den stabilen Bereich der μ-Schlupfkurve mit ausge¬ prägtem Maximum durchlaufen.

Der maximal erreichte Reibwert μmax kann nach dem Schleppzeigerprinzip während der Druckaufbauphase ermittelt werden. Parallel dazu wird der nach Gleichung (1.2) gefilterte Schlupfwert, zeitlich versetzt um eine feste Totzeit TD, als Mass für den Schlupf SK bei Erreichen des Maximums von μ herangezogen. Immer wenn μmax aktualisiert wird, wird gleichzeitig SK aus dem gefilterten Wert S (t-TD) neu bestimmt.

_• RSA _T ZB _L ATT

Der Schlupfwert im Latsch und der 'Nabenschlupf' unterscheiden sich dynamisch, da der Reifen bei instationärem Betrieb ein Verzögerungsverhalten aufweist (Aufziehen des Reifens). Der Nabenschlupf eilt dem tatsächlichen Schlupf im Latsch zeitlich voraus. Dies wird durch die zeitversetzte Zuordnung μmax zu SK um die Totzeit TD näherungsweise kompensiert.

Der Wert für TD wird mit Hilfe eines Reifenmodells ermittelt oder experimentell bestimmt. Die.Erfassung vom μmax und SK läuft während jeder Anbremsphase und jeder Regelphase mit. Zu Beginn jeder Regelphase wird die Erfassung neu gestar¬ tet und initialisiert. Die Werte für SK und μmax werden auf physikalisch sinn¬ volle Werte begrenzt.

Wenn das Rad in hohen Schlupf geht, wird nach Überschreiten einer festen Schlupf¬ schwelle (S) die eindeutig den instabilen Bereich kennzeichnet, die Regelung durch eine Drucksteuerung abgelöst. Dies geschieht im Interesse einer Minimie¬ rung der Stellgliedbelastung und vermeidet Einbrüche der Fahrzeugverzögerung. Befand sich vor dem Auflaufen des hohen Schlupfs das Rad in einer stabilen Phase und wird der Schlupf größer als S, so wird der Wiedereinsetzdruck P _s und der Minimaldruck Pmin in Abhängigkeit von μmax berechnet. Der Wiedereinsetz¬ druck PS wird so gewählt, daß das Bremsmoment gleich dem maximal möglichen Umfangsmoment wird.

Für das Momentengleichgewicht am Rad muß gelten:

r • μ * FZ = cp * PB (1.5)

Daraus erhält man für PB: r • FZ

PB = • μ = FP • μ (1.6) cp

Radradius : r

Radlast : FZ

Proportionalitätsfaktor

Bremsdruck-Bremsmoment : cp

ERSATZBLATT

Für PS ergibt sich:

PS = PF • FP • μmax (1.7)

Reibwertmaximum : μmax Sicherheitsfaktor (< 1): PF Konstante : FP

Der Wert cp ist eine Näherung für die hysteresebehaftete Beziehung Bremsdruck- Bremsmoment, d.h. der Faktor cp gibt die mittlere Steigung der Hysterese zwischen Bremsdruck und Bremsmoment an. Für die Radlast FZ wurde vereinfachend die sta¬ tische Radlast zur Bildung der Konstanten FP angesetzt.

Auf Belägen mit niedrigen Reibwerten würde das Rad unter Umständen nicht mehr in den stabilen Bereich zurückkehren, wenn in der Übergangsphase der Druck PS permanent beibehalten würde. Daher wird in solchen Fällen der Druck nochmals reduziert auf den Wert PMIN. Für den Minimaldruck PMIN hat sich folgende empi¬ rische Beziehung als günstig erwiesen:

PMIN = PS • (μmax + μo)

mit der Bedingung: (1.8)

PMIN <= PS

Reibwertmaximum : μmax Wiedereinsetzdruck: PS Konstante : μo

Bei entsprechender Wahl von μo ist auf Belägen mit hohem Reibwert PMIN etwa gleich PS. Bei Belägen mit geringem Reibwert ist PMIN deutlich kleiner als der Wiedereinsetzdruck PS.

Der Minimaldruck PMIN wird eingestellt, wenn gilt:

S > S_B

ERSATZBLATT

Der Wiedereinsetzdruck PS wird bei aktiver Drucksteuerung eingestellt, wenn gilt:

S < S_B

Parallel zum Druck wird der Integrator des Reglers auf den Wert von PS gesetzt um einen gleitenden Übergang Steuerung-Regelung zu gewährleisten.

Da die Größe μmax in ihrer absoluten Genauigkeit begrenzt ist, reduziert gün¬ stigerweise eine Fehlerüberwachung den Druck, wenn das Rad länger als eine be¬ stimmte Zeitdauer auf Schlupf erten größer als S_B läuft. Somit wird das Rad auch im Fehlerfall in den stabilen Bereich zurück gebracht.

Eine neue Regelphase beginnt, wenn gilt:

S < SK

Die Struktur des Reglers selbst hängt massgeblich vpn der Struktur der zur Ver¬ fügung stehenden Stelleinrichtung ab. Als Ausführungsbeispiel wird ein Schlupf- regier beschrieben, der mit einer unterlagerten Druckregelung arbeitet. Die Ausgangsgröße des Schlupfreglers stellt den Drucksollwert für die unterlagerte Bremsdruckregelung dar. Der Schlupfregler ist als einfacher PID-Regler mit Begrenzung des integralen Anteils und Begrenzung des Ausgangssignals ausgelegt. Als Sollwert wird der Schlupf SK multipliziert mit einem Sicherheitsfaktor her¬ angezogen:

S_Ξ0LL = SKF * SK (1.9)

(Sicherheitsfaktor SKF < 1)

Die Reglerparameter Verstärkung KP und Nachstellzeit TI werden εituationsabhän- gig umgeschaltet.

Wenn gilt: S < S_S0LL (Druckaufbau) wird KP = KP_L und TI = TI_L

ERSATZBLATT

Wenn gilt: S > S_SOLL (Druckabbau) wird KP = KP_S TI = TI_S

Hierbei ist KP_L < KP_S und TI_L > TI_S

Die Regelparameter für den instabilen Bereich sind etwas 'schärfer' gewählt.

Änderungen des Reibbeiwertes werden.durch den Regler ausgeregelt, da immer ver¬ sucht wird, das Rad auf dem entsprechenden Schlupfsollwert zu halten. Bei Ände¬ rungen des Schlupfes SK können folgende Fälle auftreten:

1. Übergang von hohem SK auf niedrigen SK

2. Übergang von kleinem SK auf hohen SK.

Im ersten Fall gerät das Rad in den instabilen Bereich, der Regler baut sofort Druck ab, ein neuer Schlupfsollwert wird ermittelt. Im zweiten Fall bemerkt die Schlupfregelung ohne besondere Maßnahmen nicht, daß-das Rad unterbremst wird. Für diesen Fall muß der momentan gefahrene Schlupfsollwert ständig überprüft werden. Dies geschieht durch stetiges Erhöhen des Schlupfsoliwertes solange bis das Rad wieder versucht einzutauchen.

Figurenbeschreibung

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeiεpiele der Erfindung erläutert. In Fig. 1 ist unterstellt, daß ein Steuersignal an der Klemme 1 erzeugt wird, dessen Größe einen bestimmten Solldruck an der Bremse vorgeben soll. Dieser Wert wird mit dem durch einen Sensor 2 gemessenen Radbremsdruck in eine Kom- perator 3 verglichen. Über ein Ventil 4 wird Druck an der Bremse eingesteuert bis der Sollbremsdruck wirksam ist.

In der Anbremsphase (t _χ bis t ₂ in Fig. 2) liegt ein vom Fahrer erzeugtes Soll¬ drucksignal (über Klemme 5 und die Schalteinrichtung 6) am Eingang des Kompa- rators 3 an. Parallel dazu wird die Radgeschwindigkeit VR gemessen und die Referenzgeschwindigkeit V _Re £ in bekannter Weise gebildet.

ERSATZBLATT

Diese Größen liegen an den Klemmen 7 und 8 an. An einer weiteren Klemme 9 wird das Signal des Drucksensors 2 zugeführt. In einer Signalaufbereitung 10 wird das Schlupfsignals (aus V _Ref und V _R ) und die Radverzögerung BR ermittelt (VR = BR) . Mit Hilfe der Größen BR und PB ermittelt ein Block 11 laufend den ausgenutzten Reibwert μ. Ein Block 12 hält den während der Anbremsphase auftretenden maxima¬ len μ-Wert μmax fest und auch den in diesen Moment vorhandenen Schlupfwert S _κ .

Wird nun in der Steuerung das Anwachsen auf einen hohen Schlupf SB oder eine große Radverzögerung festgestellt, so wird einmal die Schalteinrichtung 6 an ei¬ ne Drucksteuerung 14 angeschaltet (Drucksteuerphase), die ihrerseits den Wert für μmax übernimmt und daraus den Drücken Pmin und P _s entsprechende Signale er¬ zeugt. In der Bremsdrucksteuerphase (t ₂ bis t ₃ in Fig. 2) wird zuerst Pmin an der Bremse eingestellt. Wird der Schlupfwert SB wieder unterschritten, so wird PS wirksam gemacht. Der Block 12 hat - wie bereits gesagt - SK festgehalten. Hieraus wird in einem Block 15 ein Schliipfsollwert SSoll gebildet, der einem Regler 16 als Sollwert zugeführt wird. Unterschreitet der Schlupf S den Wert SK, so wird dies von Block 12 an die Steuerung 13 gemeldet, die nun die Schaltein¬ richtung 6 an den Regler 16 anschaltet, den Regler 16 aktiviert und den Block 12 initialisiert. Der Regler 16 regelt den Radschlupf S auf den Sollwert S _Soll ein (t _j bis t ₄ in Fig. 2) bis durch eine erneute Störung wieder auf Bremsdrucksteue¬ rung umgeschaltet wird (t ₄ ). Der Integrator des Reglers wird vor Regelbeginn auf den Wert PS eingestellt. Der Regler erhält als Eingangsgröße auch den momentanen Radschlupf S.

In Fig. 3 ist zusammen mit den Blöcken 10', 11' und 15' der Block 12 der Fig. 1 etwas ausführlicher dargestellt (Blöcke 12' und 12"). 12' enthält nun nur die μmax Erkennung, während unter 12'' ein Filter, ein Glied zur zeitlichen Ver¬ schiebung am TD und ein Trigger dargestellt sind, wobei letzterer den Wert SK bei Auftreten von μmax festhält.

Die oben erwähnte Umschaltung der Parameter KP und TI wird vom Regler 16 selbst¬ tätig vorgenommen.

ER _S ATZBLATT

Die Steuerung 13 enthält ein Zeitglied, das im Steuerungsfall den Zeitraum mißt in der S größer als SB ist. Ist diese Periode länger als eine vorgegebe Zeit, so wirkt die Steuerung 13 auf den Regler ein und veranlaßt, daß der Bremsdruck erniedrigt wird. Der Sollwertbildner 15 kann intern ein Teil enthalten, das von dem ermittelten Sollschlupfwert ausgehend diesen in der Regelungsphase ständig z.B. in Stufen erhöht.

ERSATZBLATT