DE19637394C2 - Einrichtung zur Überwachung der Bremsbelagdicke einer Fahrzeugbremse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Bremsbelagdicke einer Fahrzeugbremse gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Einrichtungen zur Überwachung der Bremsbelagdicke von Fahr­ zeugbremsen dienen in hohem Maße der Fahrzeug- und Verkehrs­ sicherheit.

Eine Fahrzeugbremse besteht im wesentlichen aus einer mit dem zu bremsenden Rad verbundenen Bremsscheibe oder Bremstrommel, an welche bei einem Bremsvorgang zwei Bremsbeläge über wenig­ stens einen hydraulisch, mechanisch, elektrisch oder elektro­ mechanisch betätigten Bremskolben axial oder radial gedrückt werden.

Ein Überwachungsorgan für einen durch Abrieb verschleißbaren Bremsbelag eines Fahrzeuges ist aus DE 38 18 877 A1 bekannt. In einem speziell ausgebildeten Bremsbelag ist eine Reihe isolierter Drähte eingebettet, die zu einer Schaltung aus ei­ ner Reihe stromdurchflossener serieller oder paralleler Wi­ derstände mit Sicherungen führen. Sobald der Bremsbelag so­ weit abgenutzt ist, daß die Bremsscheibe einen der Drähte be­ rührt, fließt ein Kurzschlußstrom und zerstört die von ihm durchflossene Sicherung. An dem durch die restliche Schaltung fließenden Strom kann die Dicke des Bremsbelages erkannt wer­ den.

Aus der gattungsbildenden DE 42 12 279 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung des Verschleißes von Bremsbelägen bekannt, welche mittels ei­ nes beispielsweise im Bremszylinder integrierten magnetoresi­ stiven Sensors und eines im Bremskolben angeordneten Perma­ nentmagneten den Bremsbelagverschleiß anhand der Änderungen der magnetischen Feldstärke zwischen Permanentmagnet und Sen­ sor ermittelt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Überwa­ chung der Bremsbelagdicke einer Fahrzeugbremse zu schaffen, welche ohne Veränderungen der Bremsanlage auskommt und ein­ fach und kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß herkömmliche Bremsbeläge verwendet werden können, daß die Einrichtung auch nachträglich in ein Fahrzeug eingebaut wer­ den kann, und daß mit dieser Einrichtung auch die jeweilige Stellung des Bremskolbens und damit der Betriebszustand bzw. ein Defekt der Bremse - gelöst oder angezogen (blockiert) - festgestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

GMR-Elemente (GMR: Giant Magneto-Resistive) sind Mehrschicht­ systeme, die wenigstens eine hartmagnetische Biasschicht be­ inhalten, durch deren Magnetisierungsrichtung (in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet) eine Bezugsrichtung vorgegeben ist, und die wenigstens eine weichmagnetische Meßschicht beinhal­ ten, deren Magnetisierungsrichtung sich nach einem extern an­ gelegten Magnetfeld (bzw. deren Projektion auf die Meß­ schicht, in Fig. 1 durch unterbrochene Pfeile angedeutet) ausrichtet. Der Widerstand des GMR-Elements hängt von der re­ lativen Orientierung (dem Winkel α) der Magnetisierungen dieser beiden Schichten ab.

Um eine signifikante Aussage zu erhalten, ist eine möglichst große Variation (0° bis 180°) der Magnetisierungsrichtung des angelegten Magnetfeldes gegenüber der Bezugsrichtung in der Meßschicht, d. h., seines in die Ebene der Meßschicht projek­ tierten Feldvektors anzustreben, wobei der Sensor seine Kenn­ linie einmal ganz oder teilweise durchläuft. Der elektrische Widerstand des GMR-Sensors ist bei einem Winkel von α = 0° (gleichgerichtete Magnetisierungen) minimal und bei einem Winkel von α = 180° (entgegengesetzte Magnetisierungen) ma­ ximal.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: ein Ausführungsbeispiel einer Fahrzeugbremse mit neuen Bremsbelägen und einem GMR-Sensor,

Fig. 1b: dasselbe Ausführungsbeispiel mit abgeriebenen Bremsbelägen,

Fig. 2: ein Diagramm über den Verlauf des Sensorsignals bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, und

Fig. 3: ein schematisches Schaltbild einer Auswerteschal­ tung.

Fig. 1a zeigt schematisch eine Einrichtung zur Überwachung der Bremsbelagdicke am Beispiel einer Fahrzeug-Scheiben­ bremse.

Mit einem in aller Regel aus NE-Metall bestehenden, schwim­ mend gelagerten Bremssattel 1a ist ein Bremszylinder (1) ver­ bunden, in welchem ein Bremskolben 2 linear verschiebbar ge­ lagert ist. Mit dem Bremskolben 2 fest verbunden ist ein er­ ster Bremsbelag 3a; ein zweiter Bremsbelag 3b ist mit dem Bremssattel 1a fest verbunden. Zwischen die beiden Bremsbeläge 3a und 3b taucht eine mit einem nicht dargestellten Fahrzeug­ rad verbundene Bremsscheibe 4 ein, deren strichliert angedeu­ tete Drehachse 4a in der Zeichenebene liegt.

Bei einem in Fig. 1a dargestellten Bremsvorgang wird der Bremsbelag 3a von dem betätigten Bremskolben 2 gegen die Bremsscheibe 4 gedrückt und dabei der Bremssattel 1a so gegen die Bewegungsrichtung des Bremskolbens 2 gezogen, daß beide Bremsbeläge 3a und 3b mit etwa gleicher Kraft auf die Brems­ scheibe 4 einwirken, wobei sie mit größer werdender Zahl der Bremsvorgänge etwa gleichmäßig abgerieben werden. Der Endzu­ stand mit abgeriebenen und zu erneuernden Bremsbelägen 3a und 3b ist in Fig. 1b dargestellt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Überwachung der Bremsbe­ lagdicke besteht aus einem bereits eingangs beschriebenen GMR-Sensor 5 (anstelle einzelner GMR-Sensoren können auch Differential-Sensor-Anordnungen mit zwei GMR-Sensoren oder Sensor-Brückenschaltungen vorgesehen sein), der an geeigneter Stelle auf dem Bremssattel 1a befestigt, beispielsweise ge­ klebt ist, und aus einem mit dem Bremskolben 2 fest verbunde­ nen Magneten 6, beispielsweise aus einem in radialer Richtung magnetisierten Permanentmagneten in Ringform, der auf den Bremskolben aufgeschoben und geklebt ist, und aus einer Aus­ werteschaltung 7, die mit dem GMR-Sensor 5 elektrisch verbun­ den ist. Die Feldlinien des von diesem Magneten ausgehenden Magnetfeldes sind durch punktierte Linien angedeutet.

Es ist auch denkbar, daß der Magnet 6 mit dem Bremszylinder 1 und der GMR-Sensor 5 mit dem Bremskolben 2 fest verbunden ist, wenngleich dies wegen elektrischer Anschlußleitungen zu dem beweglichen GMR-Sensor 5 die ungünstigere Lösung ist.

Der GMR-Sensor 5 ist vorzugsweise so zu positionieren, daß er, wenn der Magnet 6 seinen vollen "Arbeitsweg" von einem Bremsvorgang mit neuen Bremsbelägen bis zu einem Bremsvorgang mit abgeriebenen Bremsbelägen durchfährt, möglichst seine ganze, in Fig. 2 dargestellte Kennlinie k durchläuft.

Das ist bei Betrachtung der Fig. 1a und 1b beispielsweise dann der Fall, wenn die Bezugsrichtung, d. h., die Magnetisie­ rungsrichtung der hartmagnetischen Biasschicht des GMR-Sen­ sors 5 parallel zur Bewegungsrichtung des Bremskolbens 2, an­ genommen von links nach rechts, verläuft, wie durch einen Pfeil 5a angedeutet. Bei einem Bremsvorgang mit neuen Brems­ belägen (Fig. 1a) durchdringen in diesem Fall die vom Nord­ pol zum Südpol des Magneten 6 verlaufenden Feldlinien den GMR-Sensor 5 bzw. dessen Meßschicht in gleicher Richtung, a = 0°, wie durch einen strichlierten Pfeil 6a angedeutet ist. Damit weist der Sensor in diesem Fall einen minimalen Widerstandswert auf. Der Widerstandswert R des Sensors kann beispielsweise durch Abgreifen der an ihm abfallenden, zum Widerstandswert proportionalen Spannung Us gemessen werden, wenn ein konstanter Strom durch den Sensor geschickt wird.

Mit zunehmender Zahl von Bremsvorgängen und damit verbunde­ nem, zunehmendem Abrieb der Bremsbeläge bewegt sich der Ma­ gnet 6 immer weiter nach rechts, und das den Sensor durch­ dringende Magnetfeld ändert seine Richtung: der Sensor durch­ läuft bei jedem Bremsvorgang seine Kennlinie k von seiner An­ fangsstellung (kein Bremsvorgang) bis zu einem der jeweiligen Bremsbelagdicke zugeordneten Punkt bei einem Bremsvorgang.

Auf diese Weise ist die jeweilige Position des Bremskolbens feststellbar, was beispielsweise für elektrisch betätigte Bremsen von Bedeutung ist.

Wenn die Bremsbeläge ihre minimale Solldicke erreicht haben, Fig. 1b, durchdringen die vom Nordpol zum Südpol des Magne­ ten 6 verlaufenden Feldlinien den GMR-Sensor 5 entgegenge­ setzt - 6b - zur Bezugsrichtung 5a, α = 180°, wodurch der Sensor dann nahezu seinen maximalen Widerstandswert aufweist.

Wird nun ein Grenzwert G für einen der minimalen Solldicke zugeordneten Widerstandswert des Sensors oder für die zu ihm proportionale Spannung Us festgelegt und der gemessene Wert damit verglichen, so kann bei Überschreiten des Grenzwertes G, also bei auf minimale Solldicke abgeriebenen Bremsbelägen, ein Warnsignal erzeugt werden. Dies geschieht in der Auswer­ teschaltung 7, an welche der GMR-Sensor angeschlossen ist.

Ein einfaches schematisches Beispiel einer Auswerteschaltung 7 ist in Fig. 3 dargestellt. Sie weist eine Konstantstrom­ quelle I auf, die in Reihe mit dem GMR-Sensor 5 zwischen den Polen +V und GND einer nicht dargestellten Spannungsquelle geschaltet ist. Am GMR-Sensor 5 liegt eine dem jeweiligen Wi­ derstandswert R des Sensors proportionale Spannung Us, die zusammen mit einem Grenzwert G den Eingängen eines Kompara­ tors K zugeführt wird. Bei Überschreiten des Grenzwertes G durch das Sensorausgangssignal Us gibt der Komparator K an seinem Ausgang ein Warnsignal ab, welches, sofern es nicht abgespeichert wird, zumindest bei jedem Bremsvorgang über ei­ nen Signalverstärker A ein optisches oder akustisches Signal über eine Leuchte L oder einen Lautsprecher B ausgibt.

Legt man durch geschickte Konstruktion des Magneten den Wech­ sel der Feldrichtungen in einen räumlich engen Bereich, so kann man ein breites Fenster für den Grenzwert G zulassen, wodurch Temperatureinflüsse und Alterungserscheinungen des Sensors berücksichtigt werden können.

Claims (5)

1. Einrichtung zur Überwachung der Belagdicke wenigstens ei­ nes Bremsbelages (3a, 3b) einer Fahrzeugbremse, mit einem Bremszylinder (1) und einem über den wenigstens einen Brems­ belag (3a, 3b) auf eine Bremsscheibe (4) oder Bremstrommel einwirkenden Bremskolben (2), mit einem mit dem Bremskolben (2) fest verbundenen Magneten (6) und mit einem auf dem Bremszylinder (1) oder auf dem Bremssattel (1a), angeordneten Sensor (5), dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetisierungsrichtung im Magneten (6) senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bremskolbens (2) verläuft,
daß der Sensor wenigstens ein GMR-Sensor (5) ist, dessen Be­ zugsrichtung (5a) parallel zur Bewegungsrichtung des Brems­ kolbens (2) verläuft, und
daß GMR-Sensor (5) und Magnet (6) relativ zueinander so ange­ ordnet sind, daß die durch die Meßschicht des GMR-Sensors verlaufende Magnetisierungsrichtung (6a, 6b) der Feldlinien des Magneten (6) gleichgerichtet ist zur Bezugsrichtung (5a) des GMR-Sensors in der Anfangsstellung des Bremskolbens (2) mit neuen Bremsbelägen und entgegengesetzt gerichtet ist in der Endstellung mit abgeriebenen Bremsbelägen, oder umgekehrt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (5) und Magnet (6) relativ zueinander so angeordnet sind, daß bei Bewegung des Bremskolbens zwischen Anfangsstel­ lung (Arbeitsstellung mit neuen Bremsbelägen) und Endstellung (Arbeitsstellung mit abgeriebenen Bremsbelägen) das der je­ weiligen Stellung des Bremskolbens (2) zugeordnete Ausgangs­ signal (Us) des GMR-Sensors (5) dessen Kennlinie (k) wenig­ stens teilweise durchläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der GMR-Sensor (5) aus zwei GMR-Sensorelementen in Differen­ tial-Anordnung besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jedes GMR-Sensorelement aus einer Sensor-Brücken­ schaltung besteht.

5. Einrichtung nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (7) für das Ausgangssignal (Us) des GMR-Sensors (5) vorgesehen ist,

• 1. welche eine Konstantstromquelle (I) enthält, von der ein konstanter Meßstrom durch den GMR-Sensor (5) fließt,
• 2. welche einen Komparator (K) enthält, in welchem das Aus­ gangssignal (Us) des GMR-Sensors (5) mit einem vorgegebenen Grenzwert (G) verglichen wird, und
• 3. welche einen optischen (L) oder akustischen (B) Warnsignal­ geber enthält, welcher bei Über- oder Unterschreiten des Grenzwertes (G) durch das Sensor-Ausgangssignal (Us) ein Warnsignal ausgibt.