-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft Messvorrichtungen zum Ermitteln einer Betätigungskraft, insbesondere einer Betätigungskraft, die auf ein Bremspedal eines Bremssystems in einem Kraftfahrzeug wirkt.
-
Technischer Hintergrund
-
Bremssysteme können mit elektromechanischen Bremskraftverstärkern versehen sein, die eine elektrisch generierte Bremsunterstützungskraft abhängig von einer Betätigungskraft bereitstellen können, die zum Beispiel über ein Bremspedal ausgeübt wird. Um eine bestimmte Bremskraftunterstützung abhängig von einer Betätigungskraft bereitstellen zu können, ist laufend eine genaue Kenntnis der Betätigungskraft notwendig.
-
Allgemein sind zur Messung einer Kraft Messumformer bekannt, die eine kraftabhängige Verformung in eine Änderung einer elektrischen Größe, wie z.B. eines elektrischen Widerstands, wandeln können, wie es beispielsweise bei einem Dehnungsmessstreifen der Fall ist. Diese weisen jedoch eine nicht zureichende Langzeitstabilität auf, so dass diese für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug ungeeignet sind. Weiterhin ist bei einem direkt messenden Kraftsensor eine flexible Kabelverbindung erforderlich, wenn der Kraftsensor an einem beweglichen Bauteil montiert ist.
-
Aus der Druckschrift
US 2014/0137550 A1 ist eine Anordnung für einen Hauptbremszylinder bekannt, an dem eine Positionserfassungseinrichtung angeordnet ist, um eine Bewegung des Kolbens in dem Zylinder zu erfassen. Die Positionserfassungseinrichtung weist ein Sensorelement und einen Positionssensor auf, der fest an dem Hauptbremszylindergehäuse angeordnet ist, während das Sensorelement an dem Kolben angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine relative Bewegung des Kolbens in dem Zylinder ermittelt werden. Insbesondere kann der Positionssensor einen Hall-Sensor umfassen.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messsystem zum Messen einer Betätigungskraft in einem Bremssystem zur Verfügung zu stellen, das eine geringe Alterung und eine erhöhte Zuverlässigkeit aufweist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird durch die Messanordnung zum Messen einer Betätigungskraft, insbesondere für eine Betätigungseinrichtung in einem Bremssystem eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1, sowie durch das Bremssystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
-
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Messanordnung zum Messen einer Betätigungskraft, insbesondere für eine Betätigungseinrichtung in einem Bremssystem eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen, umfassend:
- – mehrere beweglich angeordnete Magnetfeldelemente jeweils zum Führen, Bewirken oder Manipulieren eines Magnetfelds;
- – ein elastische Kopplung, die zwischen den mehreren beweglich angeordneten Magnetfeldelementen wirkt, wobei eine relative Verschiebung zwischen den Magnetfeldelemente abhängig von der beaufschlagten Betätigungskraft auftritt;
- – mindestens ein ortsfester Magnetfeldsensor zum Detektieren des Magnetfelds, wobei der ortsfeste Magnetfeldsensor mit einem der Magnetfeldelemente so gekoppelt ist, um ein an dem einen Magnetfeldelement bewirktes Magnetfeld unabhängig von einem relativen Versatz zwischen dem einen Magnetfeldelement zu dem Magnetfeldsensor zu detektieren.
-
Eine Idee der obigen Messanordnung besteht darin, Magnetfeldelemente an zwei Kraftübertragungselementen anzuordnen, die miteinander im Kraftflusspfad angeordnet sind und über eine elastische Kopplung gekoppelt sind. Eine Betätigungskraft, die über den Kraftflusspfad wirkt, führt dazu, dass die Kraftübertragungselemente und mit ihnen die Magnetfeldelemente ihre relative Position zueinander ändern. Die beiden Magnetfeldelemente an den Kraftübertragungselementen sind jeweils ausgebildet, ein Magnetfeld zu bewirken oder zu führen bzw. dessen Verlauf zu manipulieren. Die Magnetfeldelemente sind so in der Nähe eines Magnetfeldsensors angebracht, dass eine Bewegung jedes der Magnetfeldelemente eine Änderung eines an dem Magnetfeldsensor bewirkten Magnetfeldes hervorruft.
-
Somit ist es möglich, mit Hilfe eines ortsfesten Magnetfeldsensors eine relative Bewegung der zwei beweglichen Kraftübertragungselemente zu detektieren, die Rückschlüsse über eine zwischen den Kraftübertragungselementen wirkende Kraft geben kann. Weiterhin ist dadurch keine flexible Kabelverbindung zu dem Magnetfeldsensor notwendig. Die Verwendung von Magnetfeldsensoren, wie z.B. Hall-Sensoren, GMR-Sensoren und dergleichen, ist vorteilhaft, da diese in der Regel nur einer geringen Alterung unterliegen und somit für den dauerhaften Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind. Da Magnetfeldsensoren im Übrigen berührungslos betrieben werden können, entfällt hierbei auch ein reibungsbedingter Verschleiß.
-
Weiterhin kann ein erstes der mehreren Magnetfeldelemente als ein Magnetfeldgeber, insbesondere in Form mindestens eines Permanentmagneten ausgebildet und ein zweites der mehreren Magnetfeldelemente als ein Magnetfeldführungselement ausgebildet sein.
-
Insbesondere kann der Magnetfeldgeber eine Anordnung von Permanentmagneten aufweisen, deren Polaritäten zu dem Magnetfeldführungselement ausgerichtet ist, wobei Magnetpole mit wechselnden Polaritäten in Richtung der relativen Verschiebung zueinander benachbart sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann das Magnetfeldführungselement aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet sein und so zu dem Magnetfeldgeber angeordnet sein, dass sich das an dem Magnetfeldführungselement bewirkte und von dem Magnetfeldsensor zu detektierende Magnetfeld bei der relativen Verschiebung ändert.
-
Weiterhin kann das Magnetfeldführungselement Einkopplungselemente aufweisen, um von dem Magnetfeldgeber bewirktes Magnetfeld in das Magnetfeldführungselement abhängig von der relativen Verschiebung zwischen dem Magnetfeldgeber und dem Magnetfeldführungselement in das Magnetfeldführungselement einzukoppeln.
-
Insbesondere kann das Magnetfeldführungselement zwei voneinander magnetisch isolierte, weichmagnetische, voneinander durch einen Sensorbereich beabstandete Flächen, insbesondere in Form von Platten, aufweisen, zwischen denen das zu detektierende Magnetfeld ausgebildet ist, wobei die Flächen so ausgerichtet sind, dass sich bei einer Verschiebung des Magnetfeldführungselements die Flächen entlang des Magnetfeldsensors bewegen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Flächen flächenparallel zueinander angeordnet sind, so dass sich durch die Einkopplung des von dem Magnetfeldgeber bewirkten Magnetfelds ein Magnetfeld gleicher Flussdichte zwischen den Flächen ergibt. Dadurch wird in einfacher Weise eine Unabhängigkeit des zu detektierenden Magnetfelds von dem relativen Versatz zwischen dem Magnetfeldelement und dem Magnetfeldsensor erreicht.
-
Weiterhin können die Einkopplungselemente als Einkopplungsstege ausgebildet sein, um sich bei der relativen Verschiebung entlang einer Richtung der Anordnung benachbarter Magnetpole des Magnetfeldgebers zu bewegen, so dass die Einkopplung eines von dem Magnetfeldgeber bewirkten Magnetfeldes in das Magnetfeldführungselement von der relativen Verschiebung abhängt.
-
Insbesondere können die Einkopplungsstege kammartig von den Flächen abstehen und quer zur Magnetflussrichtung der Magnetpole des Magnetfeldgebers und ineinandergreifen.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Betätigungseinrichtung für ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs zum Übertragen einer Betätigungskraft in das Bremssystem vorgesehen, umfassend:
- – ein erstes Kraftführungselement und ein zweites Kraftführungselement, die in Richtung der Betätigungskraft zueinander angeordnet sind,
- – ein elastisches Kopplungselement, das zwischen dem ersten Kraftführungselement und dem zweiten Kraftführungselement angeordnet ist,
- – die obige Messanordnung,
wobei an jedem der Kraftführungselemente ein Magnetfeldelement angeordnet ist.
-
Weiterhin kann an dem ersten Kraftführungselement ein Magnetfeldgeber zum Bereitstellen eines Magnetfelds mit mindestens einer in Richtung der Betätigungskraft verlaufenden Polfläche angeordnet sein. An dem zweiten Kraftführungselement kann ein Magnetfeldführungselement angeordnet sein, um sich bei der relativen Verschiebung entlang der mindestens einen Polfläche des Magnetfeldgebers zu bewegen.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Betätigungseinrichtung mit einer Messanordnung;
-
2 eine perspektivische detailliertere Darstellung der Betätigungseinrichtung der 1;
-
3 eine perspektivische Darstellung der Messanordnung für die Betätigungseinrichtung der 2, und
-
4a bis 4e verschiedene relative Positionen zwischen dem Magnetfeldgeber und dem Magnetfeldführungselement der Messanordnung.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt eine Betätigungseinrichtung 1 für ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs. Die Betätigungseinrichtung 1 weist ein Bremspedal 2 auf, das mit einem ersten Kraftführungselement 3 so gekoppelt ist, dass eine Betätigung des Bremspedals 2 eine lineare Betätigungskraft F auf das erste Kraftführungselement 3 ausübt.
-
Das erste Kraftführungselement 3 ist über ein elastisches Koppelelement 4, insbesondere in Form einer Feder oder eines Elements aus elastischem Material, wie beispielsweise Gummi oder dergleichen, ausgebildet und koppelt das erste Kraftführungselement 3 mit einem zweiten Kraftführungselement 5.
-
Das erste Kraftführungselement 3, das elastische Kopplungselement 4 und das zweite Kraftführungselement 5 sind linear zueinander angeordnet. Insbesondere können das erste Kraftführungselement 3, das elastische Kopplungselement 4 und das zweite Kraftführungselement 5 so angeordnet sein, dass die lineare Betätigungskraft F, die auf das erste Kraftführungselement 3 wirkt, auf das zweite Kraftführungselement 5 in das nachgeordnete Bremssystem (nicht gezeigt) übertragen werden kann.
-
In der schematischen Darstellung der 1 ist an dem ersten Kraftführungselement 3 ein Magnetfeldgeber 6 in Form eines Permanentmagneten 6 als erstes Magnetfeldelement angeordnet. Des Weiteren ist an dem zweiten Kraftführungselement 5 ein Magnetfeldführungselement 7 als zweites Magnetfeldelement angeordnet, das sich an dem Magnetfeldgeber 6 entlang erstreckt. Das Magnetfeldführungselement 7 ist aus einem weichmagnetischen, d.h. magnetisch leitfähigen Material ausgebildet, so dass der Abschnitt des Magnetfeldführungselements 7, der sich entlang des Magnetfeldgebers 6 erstreckt, zumindest einen Teil des dort bereitgestellten Magnetfelds aufnimmt und in geeigneter Weise führt.
-
Es ist ein Magnetfeldsensor 8 zum Beispiel in Form eines Hall-Sensors oder eines GMR-Sensors vorgesehen, der mit dem Magnetfeldführungselement 7 gekoppelt ist, um unabhängig von der relativen Position zwischen Magnetfeldsensor 8 und Magnetfeldführungselement 7 ein Stärke des durch das Magnetfeldführungselement 7 geführten Magnetfeldes zu messen. Die magnetische Kopplung zwischen dem Magnetfeldsensor 8 und dem Magnetfeldführungselement 7 kann so ausgebildet sein, dass die magnetische Kopplung unabhängig von dem Versatz zwischen dem Magnetfeldsensor 8 und dem Magnetfeldführungselement 7 ist. Insbesondere kann die Kopplung so ausgebildet sein, dass sich das Magnetfeldführungselement 7 bei einer Bewegung des zweiten Kraftführungselements 5 an dem Magnetfeldsensor 8 in gleichem Abstand vorbeibewegt.
-
Weiterhin stehen der Magnetfeldgeber 6 und das Magnetfeldführungselement 7 so miteinander in Wechselwirkung, dass eine relative Bewegung zwischen Magnetfeldgeber 6 und Magnetfeldführungselement 7 zu einer Änderung der Stärke des in dem Magnetfeldführungselement 7 geführten Magnetfeldes führt und somit eine Änderung der Stärke des auf den Magnetfeldsensor 8 wirkenden Magnetfelds.
-
In 2 ist eine beispielhafte Messanordnung an der Betätigungseinrichtung 1 perspektivisch dargestellt. 3 zeigt eine detaillierte Darstellung der Messanordnung. Der Magnetfeldgeber 6 kann in Form eines Permanentmagneten ausgebildet sein, der mehrere einander in der relativen Verschiebungsrichtung R benachbarte Magnetpole 61 aufweist, die zu dem Magnetfeldführungselement 7 ausgerichtet sind.
-
An dem Magnetfeldgeber 6 ist das Magnetfeldführungselement 7 angeordnet, das zwei Flächen aufweist, die voneinander magnetisch isoliert sind und durch einen Sensorbereich voneinander beabstandet sind, so dass sich bei einer Verschiebung des Magnetfeldführungselements 7 die Flächen entlang des Magnetfeldsensors bewegen.
-
Insbesondere kann das Magnetfeldführungselement 7 zwei parallele Platten 71a, 71b aufweisen, die magnetisch voneinander isoliert sind. Zwischen der ersten Platte 71a und der zweiten Platte 71b kann der Magnetfeldsensor 8 angeordnet sein, um eine Stärke des sich zwischen den Platten 71a, 71b ausbildenden Magnetfelds zu messen. Zumindest entlang des maximalen Verfahrwegs des Magnetfeldführungselementes 7 sind die Platten 71a, 71b flächenparallel zueinander angeordnet, so dass sich bei Einprägen eines Magnetfeldes in die Platten 71a, 71b zwischen den Platten 71a, 71b eine konstante Magnetfelddichte einstellt. Somit kann der Magnetfeldsensor 8, der zwischen den Platten 71a, 71b angeordnet ist, unabhängig von der Position der Platten 71a, 71b die Feldstärke des eingeprägten Magnetfeldes messen. Dadurch kann eine Messung vorgenommen werden, deren Ergebnis unabhängig von der absoluten Position des zweiten Kraftführungselementes 5 ist.
-
Die Einkopplung des von dem Magnetfeldgeber 6 (Permanentmagneten) bewirkten Magnetfelds in die Platten 71 des Magnetführungselementes erfolgt über Einkopplungselemente 72a, 72b. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einkopplungselemente 72a, 72b als Einkopplungsstege ausgeführt, die sich wechselweise bzw. kammartig von einer der Platten 71a, 71b quer zur Anordnungsrichtung der Magnetpole und quer zum Verlauf der durch die Magnetpole 71a, 71b abgegebenen Magnetfelds erstrecken, so dass eine gute Einkopplung des Magnetfelds in das Material des Magnetfeldführungselementes 7 erfolgen kann.
-
Insbesondere können die Einkopplungsstege in Richtung der entsprechend gegenüberliegenden Platte 71a, 71b abstehen, so dass sich durch die Einkopplungsstege L-förmige Querschnitte der beiden Teile des Magnetfeldführungselementes 7 ergeben.
-
Durch die Anordnung der Einkopplungselemente 72a, 72b entlang der Anordnungsrichtung der Magnetpole können sich bei einer Bewegung des zweiten Kraftführungselementes 5 relativ zum ersten Kraftführungselement 3, an dem der Magnetfeldgeber 6 angebracht ist, unterschiedliche magnetische Einkopplungen des Magnetfelds über die Einkopplungselemente 72a, 72b in die Platten 71a, 71b ergeben.
-
Insbesondere können die Einkopplungselemente 72a, 72b so vorgesehen sein, dass der Abstand der Magnetpole 61 des Magnetfeldgebers 6 dem Abstand zwischen dem mit der ersten Platte 71a verbundenen ersten Einkopplungselement 72a und dem mit der zweiten Platte 71b verbundenen zweiten Einkopplungselement 72b entspricht. Dies ermöglicht insbesondere bei mehreren Einkopplungselementen 72a, 72b an jeder der Platten 71a, 71b eine optimale magnetische Einkopplung des von dem Magnetfeldgeber 6 bewirkten magnetischen Feldes.
-
Verschiebt sich nun die relative Position zwischen den Permanentmagneten 6 und dem Magnetfeldführungselement 7, so erfolgt je nach Höhe des Versatzes eine verschlechterte oder verbesserte Einkopplung des Magnetfelds über die Einkopplungselemente 72a, 72b ggfs. bis hin zu einer Magnetfeldumkehr.
-
Durch das Messen der Stärke des Magnetfeldes mit dem Magnetfeldsensor 8 kann ein elektrisches Signal gewonnen werden, das ein Maß für den magnetischen Fluss zwischen den Platten 71a, 71b darstellt, so dass ein Maß für die relative Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Kraftführungselement 3, 5 bzw. zwischen dem Magnetfeldgeber 6 und dem Magnetfeldführungselement 7 darstellt.
-
Die Zuordnung der Verschiebung zwischen dem ersten und zweiten Kraftführungselement 3, 5 zu einer über die Betätigungseinrichtung 2 ausgeübten Betätigungskraft kann mit Hilfe einer Federkonstanten bzw. allgemein eines Federverhaltens des elastischen Kopplungselementes 4 in an sich bekannter Weise ermittelt bzw. berechnet werden.
-
In den 4a bis 4e sind verschiedene Anordnungen zwischen der Magnetfeldführungseinrichtung 7 und eines Magnetfeldgebers 6 dargestellt, die sich bei unterschiedlichen Krafteinwirkungen ergeben können. Die dargestellte Ansicht entspricht einer Ansicht aus einer den Einkopplungselementen 72a, 72b gegenüberliegenden Seite des Magnetfeldführungselementes 7 in Richtung des Magnetfeldgebers 6. Die Pfeile geben die Richtung des zwischen den Platten 71a, 71b ausgebildeten Magnetfelds an, das durch den zwischen den Platten 71a, 71b angeordneten Magnetfeldsensor 8 gemessen werden kann.
-
Man erkennt in 4a eine Anordnung, bei dem die Einkopplungselemente 72a, 72b genau über einem jeweiligen Magnetpol liegen, so dass alle ersten Einkopplungselemente 72a der ersten Platte 71a jeweils einem Magnetpol erster Polarität und alle zweiten Einkopplungselemente 72b der zweiten Platte 71b jeweils einem Magnetpol 61 einer zweiten Polarität zugeordnet sind, so dass eine optimale magnetische Einkopplung erreicht wird.
-
Wie in 4b anhand der Breite der das Magnetfeld bezeichnenden Pfeile gezeigt, nimmt bei einer relativen Verschiebung des Magnetfeldführungselementes 7 bezüglich des Magnetfeldgebers 6, so dass die Einkopplungselemente 72a, 72b sich in Richtung eines Grenzbereiches zwischen zwei benachbarten Magnetpolen bewegen, das Magnetfeld zwischen den Platten 71a, 71b ab.
-
Befinden sich wie in 4c dargestellt die Einkopplungselemente 72a, 72b exakt über den Grenzbereichen zwischen benachbarten Magnetpolen 61 des Magnetfeldgebers 6, so wird kein Magnetfeld eingekoppelt und zwischen den Platten 71a, 71b bildet sich kein Magnetfeld aus.
-
Bei einer weiteren gleichgerichteten Verschiebung, die in 4d dargestellt ist, steigt die Magnetfeldstärke zwischen den Platten 71a, 71b wieder an, weist jedoch eine entgegengesetzte Polarität auf und erreicht ihr Maximum (siehe 4e), wenn sich die betreffenden Einkopplungselemente 72a, 72b nun jeweils über einem Magnetpol umgekehrter Polarität befinden im Vergleich zur Anordnung der 4a.
-
Um Schwankungen der Magnetfelddichte zwischen den Platten 71a, 71b auszugleichen, können mehrere Magnetfeldsensoren 8 örtlich in Verschiebungsrichtung versetzt zwischen den Platten 71a, 71b vorgesehen sein, deren Messwerte gemittelt werden können, um eine für die Wirkung der Betätigungskraft relevante elektrische Messgröße zu erhalten. Dabei ist die Anordnung der Magnetfeldsensoren 8 so vorgesehen, dass bei der Bewegung des zweiten Kraftführungselements 5 keiner der Magnetfeldsensoren 8 aus dem Bereich zwischen den Platten 71a, 71b gelangt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Betätigungseinrichtung
- 2
- Bremspedal
- 3
- erstes Kraftführungselement
- 4
- elastisches Kopplungselement
- 5
- zweites Kraftführungselement
- 6
- Magnetfeldgeber
- 7
- Magnetfeldführungselement
- 8
- Magnetfeldsensor
- 71a, 71b
- erste und zweite Platte
- 72a, 72b
- erstes und zweites Einkopplungselement
- F
- Betätigungskraft
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2014/0137550 A1 [0004]
