Vorrichtung zur Ansteuerung von Bremsventilen Beschreibung Bei modernen Nutzfahrzeugbremsanlagen sind den einzelnen Radbremsen elektrisch ansteuer- bare, elektro-pneumatische Modulatoren (Druckregelmodule) zugeordnet, die entsprechend einer Bremsanforderung des Fahrers Bremsdruck in die Bremszylinder einsteuern. Die Druckregelmo- dule weisen jeweils ein elektromagnetisches Schaltventil auf, das pulsartig schaltet und in die Steuerkammer eines Relaisteils Vorratsluft einläßt bzw. entlüftet.

Für eine möglichst exakte Bremsdruckregelung sollten gleiche Pulszeiten in jedem Betriebszu- stand der Bremsanlage möglichst gleiche Bremsdruckänderungen bewirken. Insbesondere sollten unabhängig von der momentanen Versorgungsspannung stets die gleichen Stromverläufe im Elektromagneten des Schaltventils während eines Pulses vorliegen. Es wird nämlich angestrebt, eine weltweit einsetzbare Bremsdruckregelvorrichtung zu schaffen, mit der verschiedene Versor- gungsspannungen zwischen 9V und 36V beherrschbar sind. Für eine hinreichend große"magne- tische Schaltkraft"müssen die Magnetspulen bei kleinen Versorgungsspannungen kleine ohm- sche Widerstände haben. Kleine Widerstände würden aber bei hohen Versorgungsspannungen zu sehr großen Spulenströmen führen.

Bei Bremsdruckregelmodulen wird ferner eine hohe"Schaltdynamik"verlangt, wobei die Durchlaßquerschnitte relativ groß sein müssen. Um aber gleichzeitig eine gute Stufbarkeit des Bremsdrucks zu erzielen, müssen sehr kurze Öffnungszeiten möglich sein. Damit aber bei derart kurzen Öffnungszeiten noch eine definierte Ankerbewegung zustande kommt, müssen die Ven- tile zu Beginn eines Pulses schnell öffnen und am Ende schnell wieder abfallen. Dies hat zur Fol- ge, daß zunächst sehr schnell eine große Energiemenge, d. h. ein hoher Magnetstrom in die Spule fließen muß, damit der Anker schnell und sicher vom Ventilsitz abhebt. Am Pulsende muß die in der Spule gespeicherte Energie möglichst schnell abgebaut werden, damit der Anker von einer Rückstellfeder schnell wieder zurückbewegt wird und den Ventilsitz abdichtet. Dies erfordert einen möglichst geringen Magnetstrom. Trotz der geforderten hohen Schaltdynamik müssen die Magnete eine hohe prozentuale Einschaltdauer (ED) aufweisen, auch bei Betriebstemperaturen von ca. 80°C. Dies erfordert kleine Ströme.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bremsdrucksteuerung zu schaffen, welche die o. g. Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, während des Betriebs fortlaufend die für die An- steuerung des Elektromagneten des Bremsventils zur Verfügung stehende Versorgungsspannung zu messen und den Effektivwert der an der Spule des Elektromagneten anliegenden Spannung durch Variierung des"Tastverhältnisses", d. h. der Impulszeiten in Abhängigkeit von der aktuell vorhandenen Versorgungsspannung zu variieren.

Mit anderen Worten wird zur Erzeugung eines gewünschten Öffnungs-bzw. Schließbewegungs- ablaufs des Ankers das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der momentanen Versorgungsspan- nung von einer Steuerelektronik eingestellt. Die Variierung des Tastverhältnisses kann durch Verändern der"Breite", d. h. der Zeitdauer der Spannungsimpulse und/oder durch Verändern der Zeitdauer der dazwischenliegenden nicht erregten Zustände variiert werden.

Der Magnet ist dabei so ausgelegt, daß er auch bei der niedrigst möglichen in Betrieb auftreten- den Versorgungsspannung noch sicher und schnell anzieht, d. h. daß ein vorgegebener Mindes- tanzugsstrom IA in deutlich überschritten wird.

Durch eine Steuerelektronik wird der Effektivwert der Ansteuerspannung des Elektromagneten durch Anpassung der Erregungs-Taktung so geregelt, daß bei Pulsbeginn stets eine vorgegebene Anzugsspannung UA am Elektromagneten anliegt. Dazu wird das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der momentanen Versorgungsspannung Uv entsprechend eingestellt.

Nach einer bestimmten Anzugszeit hat der Anker sicher vollständig angezogen. Um den Anker in der betätigten Position zu halten, ist nun ein weit geringerer Haltestrom IH und damit auch eine geringere effektive Spannung, die nachfolgend als Haltespannung Un bezeichnet wird, notwen- dig. Nachdem die Anzugsspannung UA eine vorgegebene Zeitspanne lang am Elektromagneten anlag, wird das Tastverhältnis in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung Uv so eingestellt, daß sich die Haltespannung Un einstellt. Dadurch sinkt der Magnetstrom IH und damit die in der

Magnetspule gespeicherte Energie, wodurch sich die prozentuale Einschaltdauer vergrößert. Die nun kleinere Energie kann am Ende des Pulses schneller abgebaut werden, was die Schaltdy- namik verbessert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung ; Fig. 2a ein Spannungs-Zeitdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ; Fig. 2b ein Strom-Zeitdiagramm entsprechend Fig. 2a ; Fig. 2c ein Ankerstellungs-Zeitdiagramm entsprechend Fig. 2a bzw. 2b ; Fig. 3a ein Spannungs-Zeitdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ; Fig. 3b ein Strom-Zeitdiagramm entsprechend Fig. 3a ; und Fig. 3c ein Ankerstellungs-Zeitdiagramm entsprechend Fig. 3 a bzw. 3b.

Fig. 1 zeigt ein Bremsdruckregelventil mit einem Gehäuse 1, einem Vorratsdruckeingang 2 und einem Bremsdruckausgang 3. Im Gehäuse 1 ist ein Anker 4 angeordnet, der durch eine Feder 5 vorgespannt ist und in dem hier gezeigten nicht erregten Zustand des Bremsdruckregelventils gegen einen Ventilsitz 6 gedrückt wird, so daß der Vorratsdruckeingang 2 gegenüber dem Bremsdruckausgang 3 abgesperrt ist. Im Gehäuse 1 ist ferner ein Elektromagnet 7 angeordnet, der über elektrische Leitungen 8,9 mit einer Versorgungsspannung Uv verbindbar ist. In erreg- tem Zustand übt der Elektromagnet 7 auf den Anker 4 eine der Feder 5 entgegenwirkende Kraft aus, so daß der Anker 4 vom Ventilsitz 6 abhebt und der Vorratsdruckeingang 2 zum Brems- druckausgang 3 durchgeschaltet wird.

Ferner ist ein Spannungsmesser 10 vorgesehen, der ständig die Versorgungsspannung Uv mißt und das Meßergebnis über eine Leitung 11 einer Steuerelektronik 12 zuführt. Über Leitungen 13 werden der Steuerelektronik 12 ferner verschiedene Eingangssignale zugeführt, wie z. B. ein vom Fahrer über das Bremspedal vorgegebenes Bremsanforderungssignal, von Raddrehzahlsensoren gelieferte Raddrehzahlsignale, etc. In Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung Uv und den Eingangssignalen 13 steuert die Steuerelektronik 12 eine hier nur schematisch darge- stellte Schalteinrichtung 14. Die Schalteinrichtung 14 ist für eine schnelle pulsweise Schaltung ausgelegt, d. h. die am Elektromagnet 7 anliegende effektive Spannung Ueff kann durch Variieren

des Tastverhältnisses, d. h. der Taktung der Schalteinrichtung 14 in Abhängigkeit von der Versor- gungsspannung Uv verändert werden.

Durch Variierung des von der Steuerelektronik 12 vorgegebenen Tastverhältnisses kann also die am Elektromagneten 7 anliegende Effektivspannung Ueffvariiert werden. Ein vorgegebener ge- wünschter Öffnungs-bzw. Schließbewegungsablauf des Ankers 4 kann somit selbst bei unter- schiedlichen bzw. im Betrieb schwankenden Versorgungsspannung Uv allein durch Anpassung des Tastverhältnisses erreicht werden.

Alternativ zu dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem die Versorgungsspannung Uv gemessen wird, könnte auch die momentan am Elektromagnet anliegende Spannung bzw. die sich hieraus ergebende Effektivspannung Ueff gemessen und zur Regelung des Tastverhältnisses verwendet werden.

Die Schaltvorgänge werden nun im Zusammenhang mit den Figuren 2a-2c näher erläutert.

Im Spannungs-Zeitdiagramm der Fig. 2a sind folgende Spannungspegel eingezeichnet : - Uv : Versorgungsspannung, - UA : Anzugsspannung des Ankers, - UH : Haltespannung des Ankers, - UR : Refresh-Spannung.

Im Strom-Zeitdiagramm der Fig. 2b ist der im Elektromagnet fließende Effektivstrom Ieffüber der Zeit dargestellt, wobei folgende Effektivströme eingezeichnet sind : limax : der bei maximaler Erregung des Elektromagneten fließende Strom, - Ip", in : der minimale zum Anziehen des Ankers erforderliche Strom, In : der zum Halten des Ankers erforderliche Haltestrom.

In der Zeit zwischen to und tl ist der Elektromagnet nicht erregt, und der Anker befindet sich in seiner unbetätigten Stellung. Im Zeitpunkt ti wird der Elektromagnet mit einem Versorgungs- spannungsimpuls Uv der"Breite"bzw. Zeitdauer At erregt. Im Zeitintervall tl bis t4 werden, wie aus Fig. 2a ersichtlich, vier derartige Spannungsimpulse aufgeschaltet. Die Breite der

Spannungsimpulse und die Zeitdauer der dazwischenliegenden nicht erregten Zustände sind von der Steuerelektronik so vorgegeben, daß am Magneten eine Effektivspannung anliegt, die hier als Anzugsspannung UA bezeichnet ist und die kleiner als die Versorgungsspannung Uv ist.

Im Zeitintervall [tl, 4] dauert es bis zum Zeitpunkt t2, bis im Magneten der Strom auf einen Min- destanzugsstrom IAmin angestiegen ist. Dementsprechend bleibt der Anker bis zum Zeitpunkt t2 in seiner unbetätigten Stellung. Mit anderen Worten ist erst bei dem Spulenstrom lanlin die Stärke des Magnetfelds hinreichend groß, so daß der Anker entgegen der Federkraft bewegt werden kann. Im Zeitintervall [t2, t3] wird der Anker durch die Magnetkraft entgegen der Federkraft betä- tigt und geht in seinen erregten Zustand. Bis zum Zeitpunkt t4 erhöht sich der im Elektromag- neten fließende Spulenstrom Imax entsprechend dem Wert der anliegenden Effektivspannung, d. h. der Anzugsspannung UA- Wenn der Anker voll angezogen hat, braucht er nur noch in dieser Stellung gehalten werden, was mit einer geringeren Magnetkraft, d. h. mit einer geringeren Effektivspannung und einem gerin- geren Strom möglich ist. Hierzu wird im Zeitpunkt t4 die"Breite"der Spannungsimpulse verrin- gert bzw. die Zeitspanne zwischen den Spannungsimpulsen, in der der Elektromagnet nicht erregt wird, wird vergrößert, was aus Fig. 2a ersichtlich ist. Durch die Variierung des Tastver- hältnisses verringert sich die am Elektromagnet anliegende Effektivspannung auf die Halte- spannung UH. Folglich nimmt auch der in Fig. 2b gezeigte im Elektromagneten fließende Strom auf einen Wert IH ab, ohne daß sich an der Stellung des Ankers etwas ändert.

Für den Fall, daß der Anker durch hohe äußere Beschleunigungen oder andere Störeinflüsse unbeabsichtigt abfällt, kann zyklisch oder bei Erkennen eines solchen Abfalls für eine Zeit- spanne Ati durch eine Veränderung des Tastverhältnisses wieder eine höhere Effektivspannung, die hier als"Refresh-Spannung"UR bezeichnet ist, angelegt werden. In dem"Refresh-Zeitinter- vall" [ts, t6] wird die Breite der Spannungsimpulse vergrößert, so daß die am Elektromagneten anliegende Effektivspannung von UH auf UR ansteigt. Dementsprechend steigt im Zeitintervall [ts, t6] auch der Strom von IH auf ImaX an, und der Anker erreicht dadurch wieder seine betätigte Stellung. Nach dieser"Refresh-Phase"wird das Tastverhältnis wieder so geändert, daß die am Elektromagneten anliegende Effektivspannung gleich der Haltespannung UH ist und der Spulen- strom dementsprechend wieder auf IH absinkt.

Im Zeitpunkt tE wird das Bremsventil vollständig deaktiviert, d. h. die Spannung bzw. der Strom werden abgeschaltet, so daß nach einer kurzen sich an tE anschließenden Verzögerungszeit der Anker in seine unbetätigte Stellung zurückfällt, was aus Fig. 2c ersichtlich ist.

In den Figuren 3a-3c ist der Fall dargestellt, daß die Versorgungsspannung auf einen Wert Uv absinkt, der kleiner als die Anzugsspannung UA, aber größer als die Mindestanzugsspannung UAmin ist. In diesem Fall würde selbst bei einem Tastverhältnis von 100%, d. h. wenn die Versor- gungsspannung permanent eingeschaltet ist, die Anzugsspannung UA nicht erreicht. In diesem Fall kann der Anker trotzdem angezogen werden, wenn die durch die Steuerelektronik vorgege- bene Anzugszeit auf eine Zeitspanne [tl, t4] verlängert wird, wobei der Anzugsvorgang des Ankers im Zeitpunkt t2 beginnt und der Anker im Zeitpunkt t3 voll angezogen ist. Analog zu den Figuren 2a-2c wird auch hier die Anzugsspannung weiter aufrechterhalten, wobei sich ein der verringerten Versorgungsspannung Uvl entsprechender maximaler Anzugsstrom Imax im Zeit- punkt t4 einstellt.

Ist der Anker voll angezogen, so werden entsprechend den Figuren 2a-2c die Haltespannung bzw. der Haltestrom auf UH bzw. IH verringert. Die Verringerung der Effektivspannung auf UH erfolgt entsprechend Fig. 3c im Zeitintervall [t4, t5] durch eine Variierung des Tastverhältnisses, d. h. durch eine pulsweise Beaufschlagung des Elektromagneten mit der verringerten Versor- gungsspannung Uvl.

Auch in dem in den Figuren 3a-3c dargestellten Fall einer verringerten Versorgungsspannung Uvl, die kleiner als die Refresh-Spannung UR ist, kann noch ein"Refresh"ausgeführt werden.

Jedoch wird hier im Unterschied zu den Figuren 2a-2c die Zeitspanne Ati (Fig. 2c) auf At2 erhöht, so daß der Refresh-Vorgang etwas länger dauert. Eine Grenze für die Versorgungs- spannung bildet die Mindestanzugsspannung UA", ;" des Magnetventils.

Analog zu den Figuren 2a-2c wird nach dem Refresh im Zeitpunkt t6 das Tastverhältnis erneut geändert, so daß die Effektivspannung wieder auf die Haltespannung UH und der Effektivstrom auf IH absinken. Im Zeitpunkt tE wird die Spannung bzw. der Strom ausgeschaltet, und der Anker kehrt in seine unbetätigte Ausgangsstellung zurück.

Aus den Figuren 2a und 3a ist ersichtlich, daß die"hohe"Effektivspannung UA bzw. Uvi nur für eine begrenzte Zeit am Elektromagneten anliegt. Folglich ist die Strombelastung der Spule des

Elektromagneten im Mittel sehr gering und die zulässige, prozentuale Einschaltdauer (ED) erhöht sich wesentlich.

Alle genannten Werte für Spannungen, Ströme, Zeiten, Taktverhältnisse etc. werden vorab experimentell oder in anderer geeigneter Weise ermittelt und werden in einer Speicherein- richtung der elektronischen Steuervorrichtung gespeichert. Im Betrieb ist dann nur noch eine Ermittlung der Versorgungsspannung Uv nötig.