Titel

Betrieb eines Bremskraftverstärkers als Pedalsimulator

Stand der Technik

Ein elektromechanischer Bremskraftverstärkers ist aus der DE 102007016136 Al bekannt. Dort wird zur Ermittlung einer von einem Fahrer aufgebrachten Pedalkraft eine Auswerte- und Steuereinheit verwendet, welche die aktuell wirkende Pedalkraft aus einer Differenz zwischen einer Gesamtbremskraft und einer zusätzlichen Bremskraft berechnet. Pedalwegsimulatoren sind zum Beispiel aus der Schrift 'Kraftfahrtechnisches Taschenbuch' (25. Auflage, BOSCH, Vieweg Verlag ISBN 3528238763) bekannt. Bei einer elektrohydraulischen Bremse sind sie Teil einer Betätigungseinheit und ermöglichen es, einen geeigneten Kraft-Weg-Verlauf und eine angemessene Dämpfung des Bremspedals zu realisieren. Somit erhält der Fahrer beim Bremsen mit einer elektrohydraulischen Bremse das gleiche Bremsgefühl wie bei einem sehr gut ausgelegten konventionellen Bremssystem.

Offenbarung der Erfindung

In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, wie ein Bremskraftverstärker als Teil einer Bremsanlage als Pedalsimulator betrieben werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Bremskraftverstärker bei einem Kraftfahrzeug, durch den eine durch einen Fahrer mittels eines Bremspedals aufgebrachte Kraft verstärkbar ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Bremskraftverstärker derart ausgebildet ist, dass eine auf das Bremspedal wirkende Gegenkraft erzeugt wird, die der durch den Fahrer aufgebrachten Kraft entgegengerichtet ist. Aus dem Stand der Technik bekannte Bremspedalsimulatoren benötigen zur Einstellung einer das Pedalgefühl repräsentierenden Kraft- Weg- Charakteristik am Bremspedal zusätzliche Mittel, um eine der Fahrerbremskraft entgegenwirkende Gegenkraft zu erzeugen. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Pedalgefühl, also speziell diese Kraft- Weg- Charakteristik, unter Ausnutzen eines zum Zweck der

Bremskraftverstärkung bereits im Fahrzeug integrierten Bremskraftverstärkers eingestellt wird. So können beispielsweise Fahrzeuge mit Hybridbremssystemen elektromechanische Bremskraftverstärker aufweisen, ähnlich wie im Stand der Technik beschrieben. Ein solcher elektromechanischer Bremskraftverstärker wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Pedalsimulator betrieben. Dadurch, dass gemäß der Erfindung das Bremspedalgefühl ohne zusätzliche Mittel im Fahrzeug durch den elektromechanischen Bremskraftverstärker erzeugt wird, können Kosten und Platzbedarf reduziert werden. Des weiteren kann der Bremskraftverstärker in einem weiteren Betriebsmodus auch zu seinem üblichen Zweck genutzt werden und eine eingehende, vom Fahrer aufgebrachte Bremskraft verstärken.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gegenkraft in Abhängigkeit der Bremspedalbetätigung einstellbar ist. Dadurch wird vorteilhaferweise die Einstellung eines beliebigen Bremspedalgefühls ermöglicht.

Weiterhin ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Bremskraftverstärker eine mit dem Bremspedal verbundene Eingangsstange sowie ein elastisches Element aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird die Gegenkraft durch eine durch Eindrücken erfolgte Deformation des elastischen Elements durch die dem Bremspedal abgewandte Seite der Eingangsstange aufgebracht. Zum Eindrücken des elastische Elements kann ein Stellantrieb vorgesehen sein. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass durch Kenntnis der Elastizität des elastischen Elements die Kraftrückwirkung auf das Bremspedal durch eine einfache und damit kostengünstige Wegmessung (Auslenkungsgröße von der Eingangsstange zu dem elastischen Element) realisiert wird. Eine aufwändigere Messung der Pedalkraft ist somit nicht erforderlich.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Verbindungsmittel zur Kopplung des Stellantriebs an das elastische Element vorgesehen. Durch die Verbindungsmittel ist diese Kopplung lösbar und/oder in der Wirkung beschränkt. Dadurch, dass die Verbindungsmittel nur eine begrenzte Kraft übertragen können, also die Kopplung in der Wirkung beschränkt ist, kann der erfindungsgemäße Bremskraftverstärker nur eine begrenzte Kraft gegen den Fahrer aufbringen. Werden die Verbindungsmittel mit einer größeren Kraft beaufschlagt, so bleibt die auf das Bremspedal wirkende Kraft gleich (Wirkung beschränkt) oder reduziert sich zu Null (Kopplung wird gelöst). Das hat den Vorteil, dass damit die Kraft, die gegen den Fahrer wirkt und damit eine Pedalbetätigung des Fahrers erschweren bzw. verhindern kann, auf einen vom Fahrer beherrschbaren Wert begrenzt wird. Zur erfindungsgemäßen Erzeugung der zur Bremskraft des Fahrers entgegen gerichteten Gegenkraft muss die Kopplung durch die Verbindungsmittel hergestellt sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird abhängig von der Betätigung des Bremspedals, insbesondere abhängig von dem Bremspedalweg, entweder die vom Fahrer aufgebrachte Kraft verstärkt (Modus Bremskraftverstärker) oder die Gegenkraft erzeugt (Modus Pedalsimulator). Tritt der Fahrer das Bremspedal beispielsweise nur in einem begrenzten Maß, so wirkt der erfindungsgemäße Bremskraftverstärker als Pedalsimulator, das heißt, dass die Gegenkraft erzeugt wird. Die auf das Fahrzeug wirkende Bremskraft kann in diesem Fall beispielsweise durch rekuperatives Bremsen und/oder durch Erhöhung des Motorschleppmoments erzielt werden. Durch die erfindungsgemäße Gegenkraft hat der Fahrer auch in diesem Betriebsmodus ein gewohntes Pedalgefühl. Tritt der Fahrer das Bremspedal in größeren Ausmaß, so wirkt die normale Betriebsbremse auf das Fahrzeug, der erfindungsgemäße Bremskraftverstärker wirkt dann als Unterstützung zur Fahrerkraft.

Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1: Typisches Ausführungsbeispiel eines regelbaren elektromechanischen Bremskraftverstärkers im Betriebsmodus Pedalsimulator mit geschlossenem Koppelelement zwischen Verbindungsstück zum Hauptzylinder und dem Verstärkerkörper sowie einem elastischen Element zur Einstellung der Pedalcharakteristik.

Figur 2: Typisches Ausführungsbeispiel eines regelbaren elektromechanischen Bremskraftverstärkers im Betriebsmodus Bremskraftverstärker mit geschlossenem oder in der Wirkung beschränktem Koppelelement zwischen Verbindungsstück zum Hauptzylinder und dem Verstärkerkörper. Figur 3: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, anhand dessen der Bremskraftverstärker als Pedalsimulator betrieben werden kann.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Erfindung beschreibt einen elektromechanischen Bremskraftverstärker, sowie ein

Verfahren zur Steuerung eines elektromechanischen Bremskraftverstärkers, um diesen als Pedalsimulator zu betreiben.

Das zu betreibende Bremssystem kann beispielhaft aus folgenden Komponenten bestehen.

• Regelbarer elektromechanischer Bremskraftverstärker

• Hauptbremszylinder

• Hydraulisches Bremssystem (konventionell, nicht eingezeichnet)

• Definierbarer Leerweg ds zwischen Verbindungsstück 103 des regelbaren Bremskraftverstärkers und dem Hauptbremszylinder 107

• Nachgeschaltetes / zusätzliches Fremdkraftsystem (nicht eingezeichnet)

Ein aus diesen Komponenten bestehendes Bremssystem kann unter anderem in folgenden Betriebsmodi genutzt werden:

• Fremdkraftmodus (gemäß Figur 1): Bremsdruckaufbau durch Fremdkraft (ESP) oder Bremsverzögerung durch z.B. rekuperatives Bremssystem, Pedalgefühlgenerierung durch den Bremskraftverstärker, Verbindungsstück 103 und Hauptbremszylinder 107 sind räumlich getrennt. (Pedalweg s<ds)

• Bremskraftverstärkungsmodus (gemäß Figur 2): Standardbetrieb des regelbaren Bremskraftverstärkers. Bremsdruckaufbau durch Fahrerkraft 111 und Verstärkungskraft 113 durch regelbaren Bremskraftverstärker. Pedalgefühlgenerierung durch regelbaren Bremskraftverstärker in Kombination mit Reaktionskraft des Bremssystems. Ausgangsstange und Hauptzylinder in Kontakt.

(Pedalweg s>ds) Die vorliegende Erfindung bezieht sich in erster Linie auf den Fremdkraftmodus. In diesem Modus fungiert der Bremskraftverstärker rein als Pedalsimulator.

In Figur 1 ist eine Betätigungseinheit 101 mit einer Eingangsstange 102 verbunden und kann diese in Bezug auf einen Verstärkerkörper 104 eines Bremskraftverstärkers verschieben. Zwischen dem Verbindungsstück 103 zum Hauptzylinder 107 und der Eingangsstange 102 befindet sich ein elastisches Element 109, z.B. eine Reaktionsscheibe 109 mit einer bekannten Elastizität c _RD , die eine Verschiebung x entlang der gemeinsamen Achse der Eingangstange 102 und des Verstärkerkörpers 104 relativ zueinander zulässt und an dem Verbindungsstück 103 fixiert ist. Der Verstärkerkörper kann in Bezug auf das Gehäuse 106 des Bremskraftverstärkers z.B. durch einen Elektromotor (nicht eingezeichnet) um eine Größe y verschoben werden. Die Gesamtverschiebung s des Verbindungsstücks 103 in Bezug auf den Hauptzylinder 107 ergibt sich aus der Summe von x und y. Die Relativauslenkung x von Eingangsstange 102 zu Verstärkerkörper 104 kann mittels eines Wegsensors 108a, 108b gemessen werden. Die Relativverschiebung y des

Verstärkerkörpers 104 gegenüber des Gehäuses des Bremskraftverstärkers 104 kann z.B. aus der Motorposition bestimmt werden.

Ist die Gesamtverschiebung s kleiner als der vorgegebene Leerweg ds, so besteht kein Kontakt zwischen Verbindungsstück 103 und Hauptzylinder 107, die gesamte Bremskraft wird durch Fremdkraft aufgebracht. Das Bremssystem befindet sich im Fremdkraftmodus und der Bremskraftverstärker fungiert als Pedalsimulator.

Für eine Pedalgefühlgenerierung mittels eines Pedalsimulators am Bremspedal 101 bedarf es einer der Betätigungskraft 111 des Fahrers entgegen gerichteten Kraft 110 welche im Fremdkraftmodus durch den regelbaren Bremskraftverstärker aufgebracht werden soll. Zu diesem Zweck kann ein Koppelelement 105 das Verbindungsstück 103 zum Hauptzylinder 107 und den Verstärkerkörper 104 miteinander verbinden.

Das Koppelelement 105 kann unterschiedlich ausgestaltet sein, als ein Beispiel sei eine Kombination aus einem Permanentmagnet und einem Elektromagnet angeführt. Als weitere Ausführung kann das Koppelelement ein magneto-rheologischer Dämpfer sein. In dieser Ausführungsform besteht der Dämpfer aus einer Kolben-Zylinder Einheit, wobei eine Komponente dieser Einheit mit dem Verstärkerkörper verbunden ist, die andere zum Beispiel mit dem Verbindungsstück. Die beiden durch den Kolben getrennten Kammern des Zylinders weisen eine Verbindung auf, zusätzlich kann die Viskosität der Flüssigkeit und somit das Dämpfungsverhalten des Dämpfers über eine elektrische Ansteuerung eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann zusätzlich die Verbindung zwischen den zwei Kammern des Zylinders als steuerbares Ventil ausgestaltet sein, mit Hilfe dessen die Dämpfung (bis hin zur Verriegelung) eingestellt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der das Koppelement ebenfalls eine Kolben-Zylinder Einheit und ein elektrisches ansteuerbares Ventil, allerdings weist der Zylinder nur eine Arbeitskammer auf. Als Flüssigkeit wird Bremsflüssigkeit aus einem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter verwendet.

Das elektrisch ansteuerbare Ventil führt je nach Schaltung dazu, dass Volumen mit dem Bremsflüssigkeitsvorratsbehälter ausgetauscht wird und keine Kopplung besteht, oder dass Volumen in der Arbeitskammer der Kolben-Zylinder- Einheit eingesperrt wird und somit Kopplung besteht. Selbstverständlich sind weitere Kopplungsmöglichkeiten denkbar.

Das Koppelelement 105 kann dermaßen ausgelegt sein, dass die maximale aufbietbare Kraft auf einen vorab definierten Wert beschränkt ist, um dem Fahrer ein Überdrücken dieser Kopplung zu ermöglichen. Bei geschlossener Kopplung zwischen Verstärkerkörper 104 und Verbindungsstück 103 kann durch eine Verschiebung des Verstärkerkörpers 104 das mit dem Verbindungsstück 103 verbundene elastische Element 109 parallel zur Eingangsstange 102 auf diese zu und/oder von dieser weg verschoben werden.

Bei einer solchen Bewegung wird bei Kontakt zwischen elastischem Element 109 und dem vom Bremspedal abgewandten Ende der Eingangsstange das elastische Element

109 verformt und überträgt eine Gegenkraft auf die Eingangsstange 102, welche von der Deformation des elastischen Elements und somit von der relativen Verschiebung x abhängt.

So kann z.B. eine vorhandene Deformation des elastischen Elements 109 durch die Eingangsstange 102 und eine daraus resultierende Gegenkraft je nach Bedarf verstärkt oder abgeschwächt werden.

Dieses Prinzip nutzt man in der vorliegenden Erfindung aus, um die Gegenkraft je nach absoluter Position der Eingangsstange zu variieren. Ein Pedalsimulator dient zur Ermittlung der im Fahrzeug einzustellenden Bremskraft sowie zur Vermittlung des Pedalgefühls an den Fahrer. Um dies zu gewährleisten, wird häufig ein Kraftsensor zur Bestimmung der vom Fahrer ausgeübten Pedalbetätigungskraft oder eine weitere die Pedalbetätigungskraft repräsentierende Messvorrichtung an der Pedalstange verwendet.

In dem die Erfindung kennzeichnenden Verfahren wird die Regelung des Pedalsimulators mit Hilfe von im Bremskraftverstärker vorhandenen Elementen direkt bewerkstelligt.

Das Verfahren besteht aus folgenden Schritten:

In einem ersten Verfahrensschritt 201 wird ein Pedalweg s der Eingangstange 102 ermittelt. Der Pedalweg kann direkt durch einen in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellten Wegsensor gemessen werden oder indirekt durch die Beziehung s=x+y (x mit Sensor 108, Ermittlung der Motorposition y ist nicht in Figur 1 und 2 dargestellt).

In einem weiteren Verfahrensschritt 202 wird entschieden, ob die Eingangsstange 102 einen Pedalweg s<ds oder einen Pedalweg s>ds bei Betätigung des Bremspedals zurückgelegt hat. Anhand dessen wird entschieden, ob der Bremskraftverstärker im Bremskraftverstärkungsmodus 204 (Pedalweg s>ds) oder als Pedalsimulator 203 (Pedalweg s<ds) betrieben wird.

Klar ist, dass die Entscheidung 202 in Bezug auf den Betriebsmodus nicht zwangsläufig anhand des Pedalwegs s getroffen werden muss. Genauso denkbar ist z.B. ein Grenzwert für die Änderung des Pedalwegs mit der Zeit. Wird der

Bremskraftverstärker als Pedalsimulator 203 betrieben, so kann das Verfahren in der dargestellten Ausführungsform in einem von zwei möglichen Betriebsarten 206 oder 207 fortgeführt werden.

Die Anwendung der Verfahrensschritte 206 und 207 hängt von der Betriebssituation des Bremskraftverstärkers ab. Wird die Bremse von der Ausgangsposition des Bremspedals bzw. vom Fahrzeugzustand "ungebremst" aus betätigt, dann ist Betriebsart 206 die passende. Ist das Fahrzeug bereits (hydraulisch) gebremst, d.h. erfolgt eine Umschaltung des Bremskraftverstärkers vom Bremskraftverstärkungsmodus zum Betriebsmodus "Pedalsimulator" im bereits betätigten Zustand, dann ist die Betriebsart 207 die passende. Die Entscheidung bezüglich der geschilderten Betriebssituation und somit für den Fortgang des Verfahrens über 206 oder 207 wird in einer Modusauswahl durch eine Entscheidungseinheit 209 getroffen.

In der ersten Betriebsart 206 wird als Ausgangspunkt die aktuelle bzw. zur Zeit vorliegende relative Auslenkung x bestimmt. Das Verfahren läuft über folgende Schritte ab: - Schritt 206a: Ermittlung von Relativauslenkung x anhand von Sensor 108

- Schritt 206b: Berechnung einer einzustellenden Motorposition y anhand einer Kennlinie.

- Schritt 206c: Einstellen dieser Motorposition y durch entsprechende Betätigung des Stellantriebs 112.

In der zweiten Betriebsart 207 hat der Fahrer das Pedal bereits betätigt und der Motor 112 befindet sich bei der Position y. Dann wird eine der Position y entsprechende Gegenkraft eingestellt.

Das Verfahren läuft über folgende Schritte ab:

- Schritt 207a: Ermitteln der Auslenkung y durch nicht dargestellten Positionssensor.

- Schritt 207b: Ermitteln des Sollwerts der einzustellenden Pedalgegenkraft 110 aus einer Kennlinie - Schritt 207c: Bestimmung eines Sollwerts für die der ermittelten Gegenkraft entsprechende Relativauslenkung x mit Kenntnis der Elastizität c _RD der Reaktionsscheibe.

- Schritt 207d: Einstellen dieses Sollwertes für die Relativauslenkung x

Für beide Ausführungsmöglichkeiten des Verfahrens 206 und 207 ergibt sich als

Endzustand 208 eine der Betätigungskraft des Fahrers entgegen gerichtete Gegenkraft. Diese Gegenkraft ist durch die Kennlinien 206b und 207b einstellbar. Zu betonen ist, dass die Steuerung des elektromechanischen Bremskraftverstärkers , genauso wie die Entscheidung 202 auch über andere wegabhängige Größen erfolgen kann.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Erfindung einen steuerbaren elektromechanischen Bremskraftverstärker beschreibt sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben, der mittels eines Koppelelements zwischen Bremskraftverstärker und Pedalstange in der Lage ist eine Kraft entgegengesetzt der Pedalbetätigungskraft eines Fahrers auszuüben und somit als Pedalsimulator betrieben werden kann. Dazu kann eine Pedalgegenkraft in Abhängigkeit einer vom Fahrer vorgegebenen Pedalposition mittels einer Kennlinie eingestellt werden und dem Fahrer ein Pedalgefühl vermitteln, selbst wenn keine Rückwirkung z.B. eines konventionellen Bremssystems vorliegt. In einem weiteren Betriebsmodus kann der Bremskraftverstärker in seiner ursprünglichen Form betrieben werden.