DE19625400C1 - Einrichtung zum Erfassen der Dicke eines Bremsbelages - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der Dic­ ke eines Bremsbelages. Eine solche Einrichtung dient dazu, den Zustand der Bremsbeläge an den Radbremsen eines Kraft­ fahrzeugs zu überwachen. Da bei allen Reibungsbremsen die Bremsbeläge einem ständigen Verschleiß unterworfen sind, ist eine Information über die Dicke der Beläge für die Funktion der Bremse sehr wichtig. Aus dieser Information kann das Ein­ halten einer für die Funktion und die Sicherheit ausschlagge­ benden Minimaldicke der Bremsbeläge überwacht werden.

Bei einer bekannten Einrichtung zur Überwachung des Brems­ belages wird ein Verschleißfühler mit mehreren in Abstand voneinander angeordneten elektrischen Leitern mit dem Brems­ belag abgetragen. Die Zahl der dabei freigelegten Leiter die Masseschluß haben, ist ein Maß für die Abnutzung des Bremsbe­ lags. Jeder Masseschluß löst eine Sicherung aus und reduziert einen Überwachungsstrom (DE 38 18 877 A1). Bekannt ist auch ein Sensor zur Bestimmung der Belagdicke und gleichzeitig der Temperatur von Bremsbelägen, bei dem auf dem Bremsbelag ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, dessen Widerstands­ wert eine Funktion seiner Länge ist und mit dem ein elektri­ scher Widerstand gekoppelt ist und auf gleicher Masse liegt (DE 42 31 107 A1). Ein derartiger Sensor ist relativ aufwen­ dig, es sind Änderungen an den Bremsbelägen nötig, das Wider­ standsmaterial muß im Abriebverhalten dem Belagmaterial ent­ sprechen und die in der Reibfläche vorkommenden hohen Tempe­ raturen ohne Alterungserscheinungen aushalten.

Die heutzutage zunehmenden Anforderungen an moderne Brems­ systeme von Kraftfahrzeugen - wie etwa Antiblockierein­ richtungen, Fahrstabilitätsregelungen, Antriebsschlupfsteue­ rungen oder Traktionskontrollen - machen radselektive Brems­ eingriffe erforderlich. Bei konventionellen Bremssystemen wird der radselektive Bremseingriff mit zusätzlichen Hydro­ pumpen und Magnetventilen ermöglicht. Solche Bremsanlagen sind aber aufwendig und nicht ohne Probleme. Eleganter und weniger aufwendig werden radselektive Bremseneingriffe mit Bremsanlagen erreicht, bei denen jedem Rad ein elektrisch ge­ steuerter Radbremsaktuator zugeordnet ist, der in den Rad­ bremssattel integriert ist und bei dem das erforderliche Bremsmoment mit einem Bremsmotor erzeugt wird. Bei einer be­ kannten Bremsbetätigungs-Vorrichtung treibt ein Elektromotor über ein Untersetzungsgetriebe und eine Einrichtung zum Um­ setzen der Rotationsbewegung des Elektromotors in eine Line­ arbewegung einen Antriebskolben an. Der dabei in einer Flüs­ sigkeitskammer erzeugte Druck wirkt auf einen Bremsbelagan­ drückkolben (DE 42 29 042 A1). Eine solche Bremsanlage wird im folgenden auch als "brake-by-wire"-Anlage oder -Bremse be­ zeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der Eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Brems­ belagdickenmessung insbesondere bei elektrisch gesteuerten, den einzelnen Rädern zugeordneten Bremsen zuverlässig und mit geringem Aufwand durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Einrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Ein Vorteil der Erfindung ist, daß die gemessenen Bremsdic­ kenwerte in einfacher Weise gespeichert werden können und dann durch Extrapolation die noch erreichbare Betriebsdauer der Bremse ermittelt werden kann. Dem Fahrer des Kraftfahr­ zeugs kann angezeigt werden, wann eine Bremsenwartung erfor­ derlich ist. Außerdem steht damit eine Information über das Verschleißverhalten der Bremse zur Verfügung, die Rückschlüs­ se auf deren technischen Zustand (zum Beispiel erhöhter Ver­ schleiß durch Schwergängigkeit der Bremszange, oder sehr niedriger Verschleiß durch Verhärtung der Bremsbeläge) oder auch auf das Fahrverhalten zuläßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Bremsanlage, die mit einer erfindungsgemäßen Ein­ richtung zum Erfassen der Bremsbelagdicke versehen ist,

Fig. 2 ein in der Bremsanlage nach Fig. 1 verwendet er elek­ trohydraulischer Bremsaktuator in einer schematischen Schnittansicht.

Eine Bremsanlage 1 (Fig. 1) für ein Kraftfahrzeug mit vier Rädern (das hier nicht weiter dargestellt ist) enthält vier Bremsen 2, die jeweils eine Bremsscheibe 3 und einen Rad­ bremsaktuator 4 - im folgenden auch als Radbremsaktuator oder Aktor bezeichnet -, einschließen. Die Radbremsaktuatoren 4 sind in je einen zugehörigen Bremssattel 5 integriert, d. h. mit ihm zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Der Bremssattel 5 ist als Schwimmsattel ausgebildet. Über Bremsbeläge 6 wird bei Betätigung des Radbremsaktuators 4 ein Bremsmoment auf die Bremsscheibe 3 ausgeübt.

Jeder Radbremsaktuator 4 verfügt über eine Leistungs- und Steuerelektronik 8, die von einem zugehörigen Steuergerät 9 mit Steuersignalen, zum Beispiel für das Sollmoment eines noch zu beschreibenden Radbremsaktuatormotors, versorgt wird und an das Steuergerät 9 Rückmeldegrößen, zum Beispiel über das Istmoment des Aktormotors, übermittelt.

Die Leistung- und Steuerelektronik 8 erhält von dem Rad­ bremsaktuator 4 ebenfalls Rückmeldegrößen, zum Beispiel über die Motordrehzahl oder den Motordrehwinkel oder über die An­ preßkraft der Bremsbeläge. Die Sollgrößen für jeden Rad­ bremsaktuator wenden von der Steuereinheit 9 aus Meßgrößen ermittelt, die von verschiedenen Sensoren geliefert werden, zum Beispiel einem Kraftsensor 10 und einem Wegsensor 12, mit denen ein Pedalkraftsimulator 13 versehen ist, der durch das Bremspedal 14 des Kraftfahrzeugs betätigt wird. Der Pedal­ kraftsimulator 13 setzt die Bewegung des Bremspedals 14, d. h. die von dem Fahrer wie gewohnt ausgeübte Kraft und den Pedal­ weg in elektrische Signale um, die dem Steuergerät 9 zuge­ führt werden und Sollwerte für die Bremsen 2, insbesondere für die Fahrzeugverzögerung und das auf die Bremsscheiben aufzubringende Dreh- oder Bremsmoment darstellen. Zum Berech­ nen der Sollwerte bei einem Eingriff von Antiblockier- oder Fahrstabilitätsregelungen werden von dem Steuergerät 9 weite­ re Sensorsignale, zum Beispiel der Querbeschleunigung oder der Gierwinkelgeschwindigkeit und der Raddrehzahlen, ausge­ wertet.

Die aus Fig. 1 ersichtliche Bremsanlage 1 weist zwei Brems­ kreise 16 und 17 auf, die auf die Vorderachse und die Hinter­ achse aufgeteilt sind. Eine genau so gut mögliche Diagonal­ bremskreisaufteilung unterscheidet sich hiervon nur durch ei­ ne veränderte Zuordnung der Radbremseinheiten zu den Steuer­ geräten und Energieversorgungen. Jeder Bremskreis 16, 17 ver­ fügt über ein eigenes Steuergerät 9 und eine eigene Energie­ versorgung in Form einer Batterie Bat. 1 bzw. Bat. 2. Die Energieversorgungen und die Steuereinheiten können dabei je­ weils in einem Gehäuse untergebracht werden, müssen dann aber funktionell voneinander getrennt sein.

Versorgungsleitungen sind in der Fig. 1 dick eingezeichnet und nicht mit Pfeilen versehen, Steuerleitungen sind dünn eingezeichnet und mit Pfeilen entsprechend der Signal­ flußrichtung versehen.

Die beiden unabhängig voneinander arbeitenden Steuergeräte 9 können über eine bidirektionale Signalleitung miteinander kommunizieren und dadurch den Ausfall eines Bremskreises 16 oder 17 in dem jeweils anderen Bremskreis erkennen und ggf. geeignete Notmaßnahmen ergreifen. Die Bremsanlage kann auch um ein drittes - hier nicht dargestelltes - Steuergerät, das als Supervisor die beiden Bremskreissteuergeräte überwacht, ergänzt werden.

Der wie bereits erwähnt direkt am Bremssattel montierte Bremsaktor 4 (Fig. 2) wird durch einen Elektromotor 20, der zum Beispiel als bürstenloser Motor oder als Kommutator­ gleichstrommotor ausgeführt ist, angetrieben. Er ist mit ei­ nem Linearantrieb verbunden, durch den seine Drehbewegung in eine Translationsbewegung einer Spindel 24 umgesetzt wird. Der Läufer des Elektromotors 20 bildet eine Spindelmutter ei­ nes Spindelgetriebes, das zum Beispiel als ein Planetenrol­ lengetriebe, Kugelspindeltrieb, Trapezgewindetrieb o. ä. aus­ geführt ist. Solche Spindelgetriebe sind für sich bekannt (zum Beispiel (zum Beispiel eine einteilige Gewindemutter RGTB der INA Lineartechnik oHG) und deshalb nicht in Einzel­ heiten dargestellt.

Die Axialkraft der Spindel 24 bewegt einen Hydraulikkolben 26 in einem Zylinder 27, der Bremsflüssigkeit enthält, und er­ zeugt einem hydraulischen Druck, der über eine Druckleitung 29 an die Radbremse (hier nicht dargestellt) übertragen wird und dort die Bremsbeläge 6 an die Bremsscheibe 3 andrückt und somit ein Bremsmoment an der Bremsscheibe erzeugt.

Grundsätzlich läßt sich die Aktoreinheit aus Leistungs- und Steuereinheit, Elektromotor und Spindel-Lager-Einheit unab­ hängig von der Art der Übersetzung (hydraulisch oder mecha­ nisch) verwenden, falls nur dafür gesorgt wird, daß gleiche Übersetzungsverhältnisse vorliegen. Die sich daraus ergebende Verringerung der Typenvielfalt verringert die Kosten für die Herstellung und den Aufwand für die Lagerhaltung der Bremsen.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden, insbesondere bei Brake-by-wire-Systemen mit elektrohydraulischen Aktoren, wie sie in der genannten älteren Anmeldung beschrieben sind, aus den Signalen in Kraftfahrzeug ohnehin vorhandener Senso­ ren und entweder ohne daß weitere Sensoren notwendig sind, oder mit nur sehr geringem zusätzlichen Sensoraufwand, genaue Daten über die Bremsbelagdicke und daraus erschöpfende Infor­ mationen über die tatsächliche Dicke oder - was gleichbedeu­ tend ist - den Verschleiß der Bremsbeläge ermittelt (die ur­ sprüngliche Bremsbelagdicke minus der aktuell gemessenen Bremsbelagdicke ist gleich dem Bremsbelagverschleiß). Die Einrichtung ist nicht nur für Bremsanlagen mit elektrohydrau­ lischen Aktoren sondern auch für solche mit elektromechani­ schen Aktoren geeignet.

Bei solchen Brake-by-wire-Bremsanlagen ist systembedingt ein Sensor 30 zur Messung des Drucks (oder der Kraft) vorhanden, um den von dem Radbremsaktuator aufzubringenden vorgegebenen Bremsdruck oder die entsprechende Bremskraft zu regeln. Dabei ist es unerheblich, ob dieser Sensor direkt den Druck oder die Kraft mißt, oder ob diese Größen aus einer anderen vor­ liegenden Größe mit der erforderlichen Genauigkeit abgeleitet werden (z. B. aus dem Elektromotorstrom).

Außer dem Bremsdruck oder der -kraft wird der Verfahrweg des Hydraulikkolbens, d. h. den Weg s den dieser beim Betätigen der Bremse zurücklegt, mit einem zweiten oder weiteren Sensor 31 erfaßt. Dies kann zum Beispiel anhand des Elektromotors 26 folgendermaßen geschehen:

• - Bei einem bürstenlosen Motor wird ein Drehwinkel α, um den sich der Motor dreht, durch interne Sensoren zur elektroni­ schen Kommutierung bestimmt (hier nicht dargestellt, da für sich bekannt).
• - Bei einem Kommutatorgleichstrommotor kann der Drehwinkel α durch Integration der mit Hilfe einer Messung der Gegen-EMK bestimmten Drehzahl ermittelt werden.

Kann der Verfahrweg nicht mit den vorstehend aufgeführten Sensoren bestimmt werden, so wird der Drehwinkel mit Hilfe eines zusätzlichen einfachen Drehwinkelsensors 31 gemessen werden. Solche Drehwinkelsensoren stehen in großer Auswahl preiswert zur Verfügung, und sie können einfach am Motor an­ gebracht werden. Da alle derartigen einfachen Drehwinkelsen­ soren nur relativ messen ( d. h. den jeweils zurückgelegten Winkelbereich und keine absolute Winkelpositionen), wird da­ bei noch ein Endschalter 32 benötigt, um als Referenzsignal die Position des Hydraulikkolbens 26 nach dem Einschalten der Steuerelektronik, d. h. in der Regel nach dem Einschalten der Zündung, zu liefern.

Aus dem Drehwinkel α und der Übersetzung p der Drehbewegung in die lineare Bewegung kann leicht der Weg s berechnet wer­ den: s = p * α/2 π. Die Genauigkeit des Drehwinkels spielt dabei aufgrund der Übersetzung der Drehbewegung des Elektromo­ tors 20 in die lineare Bewegung der Spindel 24 eine unterge­ ordnete Rolle (6 Grad Drehwinkel entsprechen bei einer typi­ schen Anordnung 15 µm linearer Weg). Generell ist eine Dreh­ winkelmessung (oder eine Drehzahlmessung, die zu einem Winkel auf integriert wird) relativ einfach und preiswert zu bewerk­ stelligen. Das Wegsignal wird bei der erfindungsgemäßen Brem­ sanlage nicht nur zur Bremsbelagverschleißbestimmung, sondern auch als redundantes Sensorsignal für die Druck- oder die Kraftmessung verwendet, um die hohe für eine Bremsanlage ge­ forderte Sicherheit zu erreichen. Es entsteht also durch die Wegmessung für die Bremsbelagverschleißermittlung kein zu­ sätzlicher Aufwand.

Aus den beiden Sensorsignalen Kolbenweg und Druck wird der Bremsbelagverschleiß wie nachfolgend beschrieben ermittelt.

Mit zunehmendem Bremsbelagverschleiß verschiebt sich die Lage oder Stellung des Hydraulikkolbens 26, bei der beim Betätigen der Bremse ein vorgegebener Druck (z. B Druck = 5 bar) er­ reicht wird, weiter nach vorne, das heißt in Fig. 2 nach rechts. Diese Verschiebung ist unmittelbar ein Maß für die noch verbleibende Dicke des Bremsbelags 6 und damit für den Bremsbelagverschleiß. Dieser "Druckpunkt" ist allerdings ab­ hängig von der ursprünglichen Dicke des jeweiligen Bremsbe­ lags und der von Steifigkeit des Bremssystems. Die Kompressi­ bilität nimmt zwar zusammen mit der Dicke der Bremsbeläge ab, dieser Effekt ist aber bei einem niedrigen Druckpunkt zu ver­ nachlässigen. Es wird deshalb ohne weiteres eine Auflösung von ca. 100 µm für die Bestimmung der Bremsbelagdicke er­ reicht.

Wird den Verschleiß über eine vorgegebene Zeitdauer aufge­ zeichnet, kann daraus ein mittlerer Wert des Bremsbelagver­ schleißes pro Zeiteinheit berechnet werden, oder es kann durch Einbeziehen der gefahrenen Strecke eine Verschleißrate pro Strecke ermittelt werden. Bei bekannter Bremsbelagdicke kann daraus auch eine verbleibende Restbetriebszeit oder - strecke für die Bremsbeläge ermittelt werden. Zusätzlich kön­ nen folgende Auswertungen vorgenommen werden:

• - Anzeige der Mindestbelagdicke,
• - Anzeige der Verschleißrate,
• - Überwachung auf technische Fehler (zum Beispiel bei anomal hohem oder niedrigem Verschleiß, oder bei ungleichmäßiger Abnutzung an verschiedenen Rädern),
• - Anzeige der Restzeit oder Reststrecke bis zur Bremsenwar­ tung,
• - Erkennen von Undichtigkeiten bei teilhydraulischen Systemen.

Die Mindestbelagdicke wird dadurch erkannt, daß die jeweils ermittelte Dicke des Bremsbelags mit einem vorgegebenen Min­ destwert verglichen und bei Unterschreiten dieses Mindestwer­ tes ein Warnsignal abgegeben wird. Der Mindestwert ist dann erreicht, wenn der Hydraulikkolben 26 den vorgegebenen Druck bei einem Wegpunkt s₁ erreicht.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung und das beschriebene Verfahren weisen folgende Vorteile auf:

• - Es sind keine oder nur wenig zusätzliche Sensoren erforder­ lich.
• - Die gfs. zusätzlichen Sensoren (Endschalter, Drehwinkelsen­ sor) sind preiswert, relativ genau, unempfindlich gegen Um­ welteinflüsse und leicht anzubringen.
• - Es ist keine konstruktive Änderung der Bremsbeläge 6 erfor­ derlich.
• - Die eingesetzten Sensoren nutzen sich nicht ab (im Gegen­ satz zu den o.g. bekannten Verschleißmeßeinrichtungen).
• - Die zusätzlichen Sensoren tragen zur Erhöhung der Funkti­ onssicherheit des Radbremsaktuators 4 bei.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Erfassen der Dicke eines Bremsbelages (6) einer Kraftfahrzeug-Bremsanlage (1) mit an jedem Rad vorge­ sehenen Radbremsen (2),

• - bei der jedem Rad ein die Radbremse (2) betätigender, ein­ zeln elektrisch gesteuerter Radbremsaktuator (4) zugeordnet ist, der einen durch einen Elektromotor (20) bewegten Hy­ draulikkolben (26) aufweist,
• - bei der ein den Bremsdruck oder die Bremskraft erfassender erster Sensor (30) und ein den Weg des Hydraulikkolbens (26) erfassender zweiter Sensor (31) vorgesehen sind, und
• - bei der die Dicke des Bremsbelages (6) aus den Signalen dieser beiden Sensoren ermittelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bremsbelags (6) anhand des Weges (s) ermittelt wird, den der Hydraulikkolben (26) zurückgelegt hat, bis ein vorgegebener Bremsdruck erreicht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radbremsaktuator (4) einen Elektromotor (20) enthält, dessen Drehbewegung in eine lineare Bewegung des Hydraulikkolbens (26) umgesetzt wird, und daß der Weg (a) des Hydraulikkolbens aus dem von einem Sensor gemessenen Drehwinkel des Elektromo­ tors (20) und der Übersetzung der Drehbewegung in die Linear­ bewegung ermittelt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils ermittelte Dicke des Bremsbelags (6) mit einem vorgegebenen Mindestwert verglichen und bei Unterschreiten dieses Mindestwertes ein Warnsignal abgegeben wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Werte der Bremsbelagdicke über einen vorgege­ benen Zeitraum gespeichert werden und daß daraus ein mittle­ rer Wert des Bremsbelagverschleißes pro Zeiteinheit berechnet wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem mittleren Wert des Bremsbelagverschleißes eine ver­ bleibende Reststandzeit für der Bremsbelag ermittelt wird.

7. Verfahren zum Erfassen der Dicke eines Bremsbelages einer Kraftfahrzeug-Bremsanlage mit an jedem Rad vorgesehenen Rad­ bremsen, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikdruck oder die Bremskraft und der beim Bremsen zurückgelegte Weg eines den Bremsbetätigungsdruck erzeugenden Hydraulik- oder Brems­ kolbens gemessen werden, und daß die Dicke des Bremsbelages aus diesen beiden gemessenen Werten ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Bremsbelags anhand des Weges ermittelt wird, den der Hydraulik- oder Bremskolben zurückgelegt hat, bis ein vorgegebener Bremsdruck erreicht ist.