DE102011003851A1

DE102011003851A1 - Spindle arrangement of electro-mechanically actuatable disc brake, has detection unit that is provided with detection coil whose inductance is changed, during immersion of ferrite core portion in housing

Info

Publication number: DE102011003851A1
Application number: DE201110003851
Authority: DE
Inventors: Peter Lohberg; Wolfgang Erler; Michael Zydek
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09

Abstract

The arrangement has an elastic supporting element (6) to support a spindle (2) on the housing (1) opposite to the stroke direction (16). The spindle is provided with a ferrite core portion (9) for the determination of shift path of the spindle. The inductance of a detection coil (10) which is provided in the alternating current (AC) circuit-based detection unit (20) is changed, during the immersion of the ferrite core portion in the housing. An independent claim is included for method for determining clamping force in spindle arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Gehäuse, mit einer Spindel und einer gegen Rotation fixierten, verschiebbar angeordneten Spindelmutter, wobei eine Drehung der Spindel in eine Zuspannrichtung die Verschiebung der Spindelmutter in einer Hubrichtung bewirkt, wodurch die Spindelmutter in Hubrichtung auf ein Zuspannelement wirkt und wobei sich die Spindel über ein elastisches Abstützelement entgegengesetzt zur Hubrichtung an dem Gehäuse abstützt. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Zuspannkraft in einer derartigen Anordnung.The invention relates to an arrangement with a housing, with a spindle and a fixed against rotation, slidably mounted spindle nut, wherein a rotation of the spindle in a clamping direction causes the displacement of the spindle nut in a stroke direction, whereby the spindle nut acts in the stroke direction on a Zuspannelement and wherein the spindle is supported by an elastic support member opposite to the stroke direction of the housing. It further relates to a method for determining a clamping force in such an arrangement.

Derartige Anordnungen können beispielsweise in der Automobiltechnik als elektromechanisch betätigbare Bremsen bzw. elektromechanische Bremsen (EMB) realisiert sein. Dabei führt das Drehen der Spindel in einer Zuspannrichtung zu einer Translationsbewegung der Spindelmutter, die über einen Kolben einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe drückt. Die Spindel wird bei derartigen Bremsen gewöhnlich über einen Elektromotor angetrieben. EMB werden gewöhnlich in Brake-by-Wire-Bremssystemen eingesetzt, bei denen der direkte Zugriff des Fahrers bei Betätigung des Bremspedals auf die Bremsen nicht möglich und auch nicht erwünscht ist. Der Bremswunsch des Fahrers wird bei diesen Systemen vielmehr über eine Betätigungseinheit mit einem Bremspedal ermittelt, die beispielsweise einen Pedalwegsensor umfasst. In Abhängigkeit von dem zu dem Bremswunsch korrespondierenden Sollbremsmoment wird den elektromechanisch betätigbaren Bremsen über eine Steuereinheit bzw. ein Bremsensteuergerät ein Befehl zum Zuspannen gegeben. Dabei wird die Spindel mit Hilfe eines Elektromotors in Rotation versetzt, was zu einer translatorischen Bewegung eines Bremskolbens führt, durch den die Bremsbelege an die Bremsscheibe gedrückt werden. In derartigen Systemen ist es wichtig, im Betriebszustand zu jedem Zeitpunkt die durch den Aktuator, d. h. das System aus Spindel, Spindelmutter und Bremskolben, eingestellte Kraft zu kennen.Such arrangements can be realized, for example, in the automotive industry as electromechanically actuated brakes or electromechanical brakes (EMB). The rotation of the spindle in an application direction leads to a translational movement of the spindle nut, which presses a brake lining against a brake disk via a piston. The spindle is usually driven by an electric motor in such brakes. EMBs are commonly used in brake-by-wire brake systems where the driver's direct access to the brakes is not possible and undesirable when the brake pedal is applied to the brakes. The braking request of the driver is rather determined in these systems via an operating unit with a brake pedal, which includes, for example, a pedal travel sensor. In response to the desired braking torque corresponding to the braking request, the electromechanically actuated brakes are given a command for tightening via a control unit or a brake control unit. In this case, the spindle is set in rotation by means of an electric motor, which leads to a translational movement of a brake piston, through which the brake pads are pressed against the brake disc. In such systems, it is important in the operating state at any time by the actuator, d. H. the system of spindle, spindle nut and brake piston to know the set force.

Die Erfindung bezieht sich auch im allgemeineren Sinne auf andere Systeme mit Aktuatoren, die nach Art rotierender Gewindespindeln im Zusammenwirken mit gegen Verdrehung geführten Spindelmuttern Wegverschiebungen dieser Muttern bewirken, die wiederum zum Übertragen von Kräften genutzt werden und im Besonderen auf Vorrichtungen, bei denen der Spindeltrieb zwischen zwei Federn ungleicher Federhärte gelagert ist. Dabei wirkt die härtere Feder gegen die Spindelmutter und die weichere Feder gegen die Spindel.The invention also relates in a more general sense to other systems with actuators which, in the manner of rotating threaded spindles, work in conjunction with anti-rotation spindle nuts to displace these nuts, which in turn are used to transmit forces, and in particular to devices in which the spindle drive is between two springs of unequal spring hardness is stored. The harder spring acts against the spindle nut and the softer spring against the spindle.

In den oben genannten Systemen ist eine Bestimmung der durch den Aktuator eingestellten Kraft bzw. der Zuspannkraft alleine aus elektrischen Kenndaten des Elektromotors bzw. Antriebmotors, beispielsweise Strom, Drehmoment, Spannung, Umdrehungszahl, nur schwer und sehr ungenau möglich. Die tatsächliche Zuspannkraft wird nämlich stark durch Reibungen im System sowie z. B. durch die Temperatur der Magnete im Motor, durch Materialspannungen etc. stark beeinflusst.In the above systems, a determination of the set by the actuator force or the clamping force alone from electrical characteristics of the electric motor or drive motor, such as current, torque, voltage, speed, difficult and very inaccurate possible. The actual clamping force is in fact strongly affected by friction in the system and z. B. strongly influenced by the temperature of the magnets in the engine, by material stresses, etc.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung mit einem Gehäuse und mit einer Spindel und einer gegen Rotation fixierten, verschiebbar angeordneten Spindelmutter bereitzustellen, bei der die mittels eines Zuspannelementes eingestellte Kraft bzw. der Verschiebeweg des Zuspannmittels auf robuste, zuverlässige und hochpräzise Weise bestimmt werden kann. Weiterhin soll ein Verfahren zur Bestimmung der Zuspannkraft angegeben werden.The invention is therefore based on the object to provide an arrangement with a housing and with a spindle and a fixed against rotation, slidably mounted spindle nut, wherein the set by means of a Zuspannelementes force or the displacement of the Zuspannmittels in a robust, reliable and highly accurate manner can be determined. Furthermore, a method for determining the clamping force to be specified.

In Bezug auf die Anordnung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Spindel zur Bestimmung ihres Verschiebeweges mit einem Ferritkern versehen ist, der bei Annäherung an und/oder Eintauchen in eine in oder an dem Gehäuseort fest angebrachte Detektionsspule deren Induktivität verändert, und wobei die Detektionsspule Teil einer wechselstrombasierten Detektionseinheit ist.With regard to the arrangement, this object is achieved according to the invention by providing the spindle with a ferrite core for determining its displacement path, which changes its inductance when approaching and / or immersing in a detection coil fixed in or on the housing location, and wherein the detection coil Part of an AC-based detection unit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine zuverlässige Bestimmung der Zuspannkraft bzw. der durch das Zuspannelement ausgeübten bzw. eingestellten Kraft dadurch erreicht werden kann, dass die Spindel sich nicht starr, sondern vielmehr über ein elastisches (und somit komprimierbares) Abstützelement am Gehäuse abstützt. Mit einer derartigen Anordnung ist die Möglichkeit geschaffen, dass sich die Spindel beim Drehen in Zuspannrichtung, d. h., wenn Kraft ausgeübt werden soll, entgegengesetzt zur Hubrichtung verschiebt und dabei auf das elastische Abstützelement drückt. Diese Verlagerung bzw. Verschiebung der Spindel kann dann zur Bestimmung der Zuspannkraft ausgewertet werden. Um eine hochakkurate und verlässliche Bestimmung der Zuspannkraft auf diese Weise zu gewährleisten, sollte darüber hinaus der Verschiebeweg der Spindel bzw. ihre Position so genau wie möglich bestimmt werden.The invention is based on the consideration that a reliable determination of the application force or the force exerted or set by the application element can be achieved in that the spindle is not rigid, but rather via an elastic (and thus compressible) support element on the housing supported. With such an arrangement, the possibility is created that the spindle when rotating in the application direction, d. h., When force is to be exerted, opposite to the stroke direction shifts while pressing on the elastic support element. This displacement or displacement of the spindle can then be evaluated to determine the clamping force. In order to ensure a highly accurate and reliable determination of the clamping force in this way, moreover, the displacement of the spindle or its position should be determined as accurately as possible.

Wie nunmehr erkannt wurde, kann der Verschiebeweg der Spindel in robuster Weise dadurch bestimmt werden, dass die Spindel mit einem Ferritkern versehen wird, der sich bei einem Verschieben der Spindel eine an oder im Gehäuse fest angebrachten Detektionsspule annähert bzw. auch in sie eintaucht. Durch diesen Vorgang wird die Induktivität der Detektionsspule auf reproduzierbare Art verändert. Die Veränderung der Induktivität der Detektionsspule sollte nun weitweiterverarbeitet werden, um letztendlich die Zuspannkraft zu bestimmen.As has now been recognized, the displacement travel of the spindle can be determined in a robust manner by providing the spindle with a ferrite core which, when the spindle is moved, approximates or also dips into a detection coil fixedly attached to or in the housing. By this process, the inductance of the detection coil is changed in a reproducible manner. The change in the inductance of Detection coil should now be widely reworked to ultimately determine the clamping force.

Wie nun weiterhin erkannt wurde, lässt sich eine akkurate und verlässliche Weiterverarbeitung des Signals in optimierter Weise durch eine wechselstrombasierte Detektionseinheit realisieren, von der die Detektionsspule ein Bestandteil ist. Gerade in wechselstrombasierten Detektionseinheiten bzw. Schaltungen und/oder Elektronikkomponenten kann nämlich die Veränderung der Induktivität einer Spule präzise erfasst bzw. zu einer Veränderung anderer Größen führen, anhand derer mit hoher Auflösung die Spindelposition ermittelt werden kann.As has now been further recognized, an accurate and reliable further processing of the signal can be realized in an optimized manner by an AC-based detection unit, of which the detection coil is an integral part. Especially in AC-based detection units or circuits and / or electronic components, namely, the change in the inductance of a coil can be precisely detected or lead to a change in other sizes, on the basis of which the spindle position can be determined with high resolution.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse einen Anschlag für die Spindel auf, der die Verschiebung der Spindel entgegengesetzt zur Hubrichtung begrenzt. Das heißt, das elastische Abstützelement ist bei einem Drehen der Spindel in Zuspannrichtung nicht über einen vorgegebenen Bereich hinaus zusammendrückbar. Auf diese Weise ist auch der Verschiebeweg der Spindel entgegengesetzt zur Hubrichtung begrenzt. Die Spindel kann sich in dieser Richtung nur so lange bewegen, bis sie den Anschlag erreicht. Auf diese Weise wird durch das elastische Abstützelement ein unterer Kraftbereich definiert. Zudem wird durch diese Begrenzung des Verschiebeweges der Spindel auch die bauliche Konstruktion der Detektionseinheit vereinfacht, da der maximale Verschiebeweg der Spindel entgegengesetzt zur Hubrichtung festgelegt ist.In a preferred embodiment, the housing has a stop for the spindle, which limits the displacement of the spindle opposite to the stroke direction. That is, the elastic support member is not compressible beyond a predetermined range upon rotation of the spindle in the application direction. In this way, the displacement of the spindle is opposite to the stroke direction limited. The spindle can only move in this direction until it reaches the stop. In this way, a lower force range is defined by the elastic support. In addition, the structural design of the detection unit is simplified by this limitation of the displacement of the spindle, since the maximum displacement of the spindle is set opposite to the stroke direction.

Vorteilhafterweise weist das Abstützelement eine definierte Federkraft-Federweg-Kennlinie auf dergestalt, dass eine Betätigung bzw. Drehung der Spindel in Zuspannrichtung zu einer Verschiebung der Spindel entgegengesetzt zur Hubrichtung führt, bis die Verschiebung der Spindel durch den Anschlag begrenzt wird Auf diese Weise kann die Verschiebestrecke der Spindel über die Federkraft-Federweg-Kennlinie des elastischen Abstützelementes eindeutig mit dem entsprechenden Kraftbereich in Verbindung gebracht werden. Auf Grund des Anschlages korrespondiert zu der maximalen Verschiebestrecke auch eine Maximalkraft, die am Anschlag die Spindel auf das Abstützelement ausübt.Advantageously, the support member has a defined spring-spring characteristic curve in such a way that an actuation or rotation of the spindle in the application direction leads to a displacement of the spindle opposite to the stroke direction until the displacement of the spindle is limited by the stop in this way, the displacement distance the spindle over the spring force-travel characteristic of the elastic support element clearly associated with the corresponding force range in combination. Due to the stop corresponds to the maximum displacement distance and a maximum force that exerts the spindle on the support element at the stop.

Die Messung des Verschiebeweges der Spindel bis zum Anschlag kann so zur Detektion einer definierten Stellung der Spindelmutter und bei bekannter Federkraftkennlinie des Zuspannelementes zur Detektion des Erreichens einer definierten Ausgangskraft genutzt werden. Ausgehend von dieser Stellung von Spindel bzw. Spindelmutter (Formatierung) lässt sich vom Verdrehwinkel der Spindel auf die Reaktionskraft des härteren Zuspannelementes damit auf die durch den Aktuator eingestellte Kraft schließen. Mit Aktuator wird hier die Anordnung aus Spindel und Spindelmutter bezeichnet. Mit anderen Worten, die Federkraft-Federweg-Kennlinie wird so gewählt, dass bei einer Situation, in der die Spindel weit möglichst vom Anschlag entfernt ist, beim Drehen der Spindel in Zuspannrichtung zuerst die Spindel entgegengesetzt zur Hubrichtung bewegt wird. Das heißt, die Federkraft des Abstützelementes für einen gegebenen Weg ist geringer als die Kraft, die auf die Spindelmutter bei Bewegung in Hubrichtung und bei Ausübung einer Kraft auf das Zuspannelement wirkt.The measurement of the displacement of the spindle to the stop can be used to detect a defined position of the spindle nut and with known spring force characteristic of the application element for detecting the achievement of a defined output force. Starting from this position of the spindle or spindle nut (formatting), the rotation angle of the spindle on the reaction force of the harder application element can thus be used to conclude the force set by the actuator. With actuator here the arrangement of spindle and spindle nut is called. In other words, the spring-spring characteristic curve is chosen so that in a situation in which the spindle is as far away from the stop as possible when turning the spindle in the application direction, the spindle is moved opposite to the stroke direction. That is, the spring force of the support member for a given path is less than the force acting on the spindle nut when moving in the stroke direction and when exerting a force on the application element.

In einer solchen Konstellation setzt sich die Spindelmutter im Wesentlichen erst dann in Hubrichtung in Bewegung, wenn die Spindel den Anschlag erreicht hat. Auf diese Weise kann die Minimalkraft bestimmt werden, die vorliegt, wenn sich die Spindelmutter erstmalig in Hubrichtung in Bewegung setzt. Diese entspricht nämlich gerade der auf Grund der Federkraft-Federweg-Kennlinie des Abstützelementes bestimmbaren Federkraft. Bei bekannter Federkennlinie des Zuspannelementes lässt sich so auch bei weiterer Bewegung der Spindelmutter in Hubrichtung die eingestellte Kraft bestimmen.In such a constellation, the spindle nut is essentially only in the stroke direction in motion when the spindle has reached the stop. In this way, the minimum force can be determined, which is present when the spindle nut moves in the stroke direction for the first time. In fact, this corresponds to the spring force which can be determined on the basis of the spring force / spring travel characteristic of the support element. In the case of a known spring characteristic of the application element, the set force can be determined in the stroke direction as the spindle nut continues to move.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung als elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse ausgestaltet. Die Spindelmutter wirkt dabei über einen Kolben auf ein als Bremssattel ausgestaltetes Zuspannelement, wodurch ein Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe gedrückt wird. Die Spindel wird dabei von einem Elektromotor angetrieben, und das Abstützelement ist durch eine oder mehrere Tellerfedern gebildet. Der Aktuator, umfassend die Anordnung aus Spindel und Spindelmutter, ist dabei vorzugsweise als Kugelgewindetrieb (KGT) ausgeführt. In einer EMB kann durch die Detektionseinheit die Zuspannkraft bestimmt werden, d. h. im Wesentlichen die Kraft, mit der der Aktuator die Bremsbelege auf die Bremsscheibe drückt. Eine derartige Angabe muss verlässlich und hoch präzise vorliegen, um die gewöhnliche Betriebsbremsfunktionalität sowie die Durchführung von Sicherheitsprogrammen (ABS, ESP, ASR ...) zu gewährleisten.In a preferred embodiment, the arrangement is designed as an electromechanically actuated disc brake. The spindle nut acts via a piston on a brake caliper designed as a Zuspannelement, whereby a brake pad is pressed against a brake disc. The spindle is driven by an electric motor, and the support element is formed by one or more disc springs. The actuator, comprising the arrangement of spindle and spindle nut, is preferably designed as a ball screw (KGT). In an EMB can be determined by the detection unit, the clamping force, d. H. essentially the force with which the actuator presses the brake pads on the brake disc. Such information must be reliable and highly accurate in order to ensure normal service brake functionality and safety programs (ABS, ESP, ASR ...).

Für die konkrete Ausgestaltung der wechselstrombasierten Detektionseinheit ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. So umfasst die Detektionseinheit beispielsweise in einer bevorzugten Ausführungsform einen Oszillator mit einem Schwingkreis, wobei der Schwingkreis aus der Detektionsspule und einem Kondensator gebildet ist. Der Schwingkreis ist dabei vorzugsweise als Parallelschwingkreis ausgestaltet, die Verwendung eines Reihenschwingkreises ist aber auch möglich. Die Frequenz des Schwingkreises ergibt sich dabei gemäß der Thomson'schen Schwingungsgleichung als

Auf Grund der Frequenzveränderung des Schwingkreises, die gemäß der vorherigen Formel von der durch die Position der Spindel veränderlichen Induktivität der Detektionsspule herrührt, verändert der Oszillator seine Frequenz entsprechend. Der Verschiebeweg der Spindel wird auf diese Weise auf eine Frequenzverschiebung des Oszillators abgebildet. Der verwendete Oszillator sollte in dem Frequenzbereich, in dem er betrieben wird, möglichst temperaturstabil sein.For the specific embodiment of the AC-based detection unit, there are various possibilities. For example, in a preferred embodiment, the detection unit comprises an oscillator with a resonant circuit, wherein the resonant circuit is formed by the detection coil and a capacitor. The resonant circuit is preferably designed as a parallel resonant circuit, the use of a series resonant circuit is also possible. The frequency of the resonant circuit results according to the Thomson equation of oscillation as

Due to the frequency change of the resonant circuit, which results from the position of the spindle variable inductance of the detection coil according to the previous formula, the oscillator changes its frequency accordingly. The displacement of the spindle is mapped in this way to a frequency shift of the oscillator. The oscillator used should be as temperature-stable as possible in the frequency range in which it is operated.

Vorteilhafterweise ist dem Oszillator ein Frequenzzähler nachgeschaltet, der die Frequenz des Oszillators misst und in eine Zahl umwandelt. Diese Zahl kann dann zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise an ein Bremsensteuergerät, weitergereicht werden.Advantageously, the oscillator is followed by a frequency counter, which measures the frequency of the oscillator and converts it into a number. This number can then be passed on for further processing, for example to a brake control unit.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Detektionseinheit bzw. Positionssensorik einen Schwingkreis, welcher durch die Detektionsspule und einen Kondensator gebildet ist. Der Schwingkreis wird dabei von einem Generator mit fester, also fest eingestellter Frequenz, in einem Bereich einer Flanke seiner Resonanzkurve betrieben. Der Verschiebeweg der Spindel und des damit verschobenen Ferritkerns wird dabei als Flankenverschiebung der Resonanzkurve des Schwingkreises abgebildet. Dadurch verändert sich auch die entsprechende Resonanzspannung, d. h. die Spannung an der Flanke des Resonanzkreises bzw. die Flankenspannung, des von dem Generator betriebenen Schwingkreises. Vorteilhafterweise ist ein Analog-Digital-Wandler (ADC) vorgesehen, welcher das analoge Signal der Resonanzspannung in ein digitales Signal überführt, das beispielsweise einem Bremsensteuergerät als Maß für den Verschiebeweg zugeführt werden kann.In a second preferred embodiment, the detection unit or position sensor system comprises a resonant circuit, which is formed by the detection coil and a capacitor. The resonant circuit is operated by a generator with a fixed, ie fixed frequency, in a region of an edge of its resonance curve. The displacement of the spindle and thus shifted ferrite core is shown as a flank shift of the resonance curve of the resonant circuit. As a result, the corresponding resonance voltage, d. H. the voltage at the edge of the resonant circuit or the edge voltage, operated by the generator resonant circuit. Advantageously, an analog-to-digital converter (ADC) is provided, which converts the analog signal of the resonance voltage into a digital signal, which can be supplied, for example, to a brake control unit as a measure of the displacement.

Eine weitere Möglichkeit, die Induktivitätsveränderung der Detektionsspule in einer wechselstrombasierten Detektionseinheit auszunutzen, ist durch eine wechselstrombasierte Spannungsteilerschaltung gegeben. Diese wird von einem Generator mit fester Frequenz betrieben, wobei in der Spannungsteilerschaltung ein Spannungsglied (Induktivität, Kapazität) und die Detektionsspule in Reihe geschaltet sind. Die fest gewählte Frequenz liegt vorteilhafterweise in dem Bereich 1 bis 4 MHz.Another possibility of exploiting the inductance change of the detection coil in an AC-based detection unit is provided by an AC-based voltage divider circuit. This is operated by a generator with fixed frequency, wherein in the voltage divider circuit, a voltage element (inductance, capacitance) and the detection coil are connected in series. The fixed frequency is advantageously in the range 1 to 4 MHz.

Der Verschiebeweg der Spindel und des damit verschobenen Ferritkerns wird in einer derartigen Schaltung als veränderlicher induktiver Widerstand wirksam. Dies resultiert in damit verbundenen veränderlichen Teilspannungsverhältnissen. Die einzelnen Teilspannungen bzw. ihr Verhältnis bilden ein analoges Signal, welches den Verschiebeweg der Spindel kennzeichnet und zur Bestimmung der eingestellten Kraft in der Anordnung verwendet werden kann. Vorteilhafterweise wird durch einen Analog-Digital-Wandler dieses analoge Signal in ein digitales Signal umgewandelt. Dabei wird bevorzugt das Verhältnis der Teilspannungen zueinander oder auch eine Teilspannung abgegriffen und in ein digitales Signal umgewandelt.The displacement of the spindle and thus shifted ferrite core is effective in such a circuit as a variable inductive resistance. This results in associated variable partial voltage ratios. The individual partial voltages or their ratio form an analog signal which characterizes the displacement path of the spindle and can be used to determine the set force in the arrangement. Advantageously, this analog signal is converted into a digital signal by an analog-to-digital converter. In this case, the ratio of the partial voltages to one another or else a partial voltage is preferably tapped and converted into a digital signal.

Vorteilhafterweise ist die Detektionsspule als zylinderförmige ein- oder mehrlagige Luftspule mit oder ohne Ferritkern ausgeführt. Alternativ dazu kann die Detektionsspule auch als flache, spiralförmige Spule mit oder ohne Ferritkern ausgebildet sein. Bei einer Zylinderspule, beispielsweise ausgeführt als ein- oder mehrlagige Luftspule, kann der Ferritkern bei Verschiebung der Spindel eintauchen. Die Detektionsspule kann aber auch selbst einen Ferritkern umfassen, an den sich der mit der Spindel verbundene Ferritkern annähert. Die als Zylinderspule ausgestaltete Detektionsspule kann bei Bedarf auch mit einem Mantelkern aus Ferrit umgeben sein. Die Ausgestaltung der Detektionsspule als flache, spiralförmige Spule (auch bekannt aus Pan-Cake-Spule) kann vorteilhaft in eine Schaltungsplatine eingeätzt sein. Auf diese Weise verändert sich die Induktivität der Detektionsspule bei Annäherung des mit der Spindel verbundenen Ferritkernes an die Detektionsspule. Auch in diesem Fall kann die Induktivität der Spule durch einen – in diesem Fall scheibenförmigen – Ferritkern innerhalb der Spule verändert werden.Advantageously, the detection coil is designed as a cylindrical single or multi-layered air coil with or without ferrite core. Alternatively, the detection coil may also be formed as a flat, spiral coil with or without ferrite core. In a cylindrical coil, for example designed as a single-layer or multi-layer air-core coil, the ferrite core can dip when the spindle is displaced. However, the detection coil may also itself comprise a ferrite core to which the ferrite core connected to the spindle approaches. The designed as a cylindrical coil detection coil can be surrounded if necessary with a sheath core of ferrite. The embodiment of the detection coil as a flat, spiral-shaped coil (also known from pan-cake coil) can be advantageously etched into a circuit board. In this way, the inductance of the detection coil changes as the ferrite core connected to the spindle approaches the detection coil. Also in this case, the inductance of the coil can be changed by a - in this case disc-shaped - ferrite core within the coil.

In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem die Spindel in einer Zuspannrichtung gedreht wird, wobei durch einen mit der Spindel verbundenen Ferritkern die Induktivität einer Detektionsspule die Bestandteile einer wechselstrombasierten Detektionseinheit ist, verändert wird, wobei eine die Detektionseinheit charakterisierende Größe zur Bestimmung der Zuspannkraft herangezogen wird.With regard to the method, the above-mentioned object is achieved by rotating the spindle in a tightening direction, wherein the inductance of a detection coil is the components of an AC-based detection unit is changed by a ferrite core connected to the spindle, wherein a variable characterizing the detection unit for Determining the clamping force is used.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung einer wechselstrombasierten Detektionseinheit mit einer Detektionsspule eine besonders robuste und genaue technische Maßnahme zur Bestimmung des Verfahrweges der Spindel realisiert wird. Durch den Einsatz eines Frequenzzählers, der die Frequenz eines Oszillators bestimmt, in dem die Detektionsspule Teil eines Schwingkreises ist, wird auf zuverlässige und kostengünstige Weise ein die Spindelposition kennzeichnendes Signal zur Weiterverarbeitung bereitgestellt.The advantages of the invention are in particular that a particularly robust and accurate technical measure for determining the travel of the spindle is realized by the use of an AC-based detection unit with a detection coil. By using a frequency counter which determines the frequency of an oscillator in which the detection coil is part of a resonant circuit, a signal indicative of the spindle position is provided in a reliable and cost-effective manner for further processing.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. In it show in a highly schematic representation:

1 eine Anordnung mit einem Gehäuse, einer Spindel, einer Spindelmutter, einem elastischen Abstützelement, und einer wechselstrombasierten Detektionseinheit zur Bestimmung des Verschiebewegs der Spindel, und 1 an assembly comprising a housing, a spindle, a spindle nut, an elastic support member, and a AC-based detection unit for determining the displacement of the spindle, and

2 die Detektionseinheit aus 1 mit einem Oszillator und einem Frequenzzähler und ein Bremsensteuergerät. 2 the detection unit 1 with an oscillator and a frequency counter and a brake control unit.

Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided in both figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung 12 in einer bevorzugten Ausführungsform. In einem Gehäuse 1 bzw. einer ortsfesten Gehäusemasse befindet sich, ein Aktuator 14, der als Spindeltrieb ausgestaltet ist, bestehend aus einer Spindel 2 und einer gegen Verdrehung geführten Spindelmutter 3. Die Spindelmutter 3 ist gewissermaßen gegen Rotation fixiert und kann sich innerhalb des Gehäuses verschieben. Die Rotation der Spindel 2 in Zuspannrichtung 4 erfolgt motorisch, beispielsweise durch Antrieb durch einen Elektromotor. Die Spindelmutter 3 drückt bzw. arbeitet in Hubrichtung 16 gegen ein als Feder ausgestaltetes Zuspannelement 5. Die Spindel 2 ist über ein als Feder ausgestaltetes Abstützelement 6 gegen das Gehäuse 1 abgestützt. Das Gehäuse 1 weist einen Anschlag 7 für die Spindel 2 bzw. damit verbundene Anschlagelemente 18 auf. Zuspannelement 5 und Abstützelement 6 verhalten sich wie Federn, d. h. die von ihnen gelieferte Rückstellkraft ist im Wesentlichen proportional zu dem jeweiligen Federweg. Die Anordnung 12 ist derart ausgelegt, dass die Federkraft des Abstützelementes 6 schwächer ist als die Federkraft des Zuspannelementes 5. Das Abstützelement 6 lässt verkürzen, bis die Anschlagelemente 18 den Anschlag 7 erreichen. 1 shows an arrangement according to the invention 12 in a preferred embodiment. In a housing 1 or a stationary housing ground is an actuator 14 , which is designed as a spindle drive, consisting of a spindle 2 and a guided against rotation spindle nut 3 , The spindle nut 3 is sort of locked against rotation and can move inside the case. The rotation of the spindle 2 in Zuspannrichtung 4 Motorized, for example by driving by an electric motor. The spindle nut 3 presses or works in the stroke direction 16 against a designed as a spring Zuspannelement 5 , The spindle 2 is about a designed as a spring support element 6 against the case 1 supported. The housing 1 has a stop 7 for the spindle 2 or associated stop elements 18 on. tightening member 5 and support element 6 behave like springs, ie the restoring force provided by them is essentially proportional to the respective travel. The order 12 is designed such that the spring force of the support element 6 weaker than the spring force of the Zuspannelementes 5 , The support element 6 lets shorten until the stop elements 18 the stop 7 to reach.

Die Spindel 2 ist durch einen Zapfen 8 verlängert. Mit dem Zapfen 8 fest verbunden ist ein Ferritkern 9, der sich als Wegmaßstab bzw. Maß für den Verschiebeweg der Spindel 2 entgegengesetzt zur Hubrichtung 16 beim Verkürzen des Federweges des Abstützelementes 16 in eine Detektionsspule 10 verschiebt. Die Detektionsspule 10 ist Bestandteil einer zugehörigen elektronischen Detektionseinheit 20, die hier gestrichelt eingezeichnet ist. Die Detektionseinheit 20 umfasst eine elektronische Sensorschaltung 11, welche auf einer gehäuse- und ortsfesten Schaltungsplatine 12 angeordnet ist.The spindle 2 is through a pin 8th extended. With the pin 8th firmly connected is a ferrite core 9 , the distance as a measure or measure of the displacement of the spindle 2 opposite to the stroke direction 16 when shortening the spring travel of the support element 16 in a detection coil 10 shifts. The detection coil 10 is part of an associated electronic detection unit 20 , which is shown here dashed. The detection unit 20 includes an electronic sensor circuit 11 , which on a housing and fixed circuit board 12 is arranged.

Wenn, ausgehend von einer in 1 dargestellten Position von Spindel 2 bzw. Spindelmutter 3 durch Rotation der Spindel 2 in Zuspannrichtung 4 die Spindelmutter 3 Kraft gegen das Zuspannelement 5 auszuüben beginnt, verschiebt sich, bei geeigneter Auslegung (Spezifikation der Federkraft-Federweg-Kennlinie) des Abstützelementes 6, zunächst die Spindel 2 entgegengesetzt zur Hubrichtung 16 und drückt gegen das Abstützelement 6 bis zum Erreichen des Anschlages 7. Die Spindelmutter 3 verändert während dieses Vorganges bis zum Erreichen des Anschlages 7 ihren Ort, d. h. ihre Position entlang der Hubrichtung 16, im Wesentlichen nicht. Die dabei wirkende Reaktionskraft als Funktion des Drehwinkels der Spindel 2 ergibt sich aus der zugehörigen Federkennlinie.If, starting from an in 1 shown position of spindle 2 or spindle nut 3 by rotation of the spindle 2 in Zuspannrichtung 4 the spindle nut 3 Force against the application element 5 begins to exercise, shifts, with a suitable design (specification of the spring-spring characteristic curve) of the support element 6 , first the spindle 2 opposite to the stroke direction 16 and presses against the support element 6 until reaching the stop 7 , The spindle nut 3 changed during this process until reaching the stop 7 their location, ie their position along the stroke direction 16 , essentially not. The reaction force acting as a function of the angle of rotation of the spindle 2 results from the associated spring characteristic.

Da sowohl die geometrischen Gegebenheiten des Spindeltriebes als auch Drehwinkel und Drehrichtung der Spindel 2 bekannt und exakt reproduzierbar sind, kann die Detektionseinheit 20 aus dem entgegengesetzt zur Hubrichtung 16 zurückgelegten Weg der Spindel 2 eine Messgröße gewinnen, die reproduzierbar genau, mit ausreichender bzw. hoher Ortsauflösung, die Position des Spindelzapfens bzw. Zapfens 8 detektiert. Der mit der Spindel verbundene Zapfen 8 ist gewissermaßen ein beweglicher Teil einer Positionssensorik, der mit einem zugehörigen unbeweglichen bzw. ortsfesten Teil, im vorliegenden Fall die Detektionsspule, zusammenwirkt.Since both the geometric conditions of the spindle drive and angle of rotation and direction of rotation of the spindle 2 are known and exactly reproducible, the detection unit 20 from the opposite to the stroke direction 16 covered path of the spindle 2 gain a measurable, the reproducible exactly, with sufficient or high spatial resolution, the position of the spindle pin or pin 8th detected. The pin connected to the spindle 8th is in a sense a movable part of a position sensor which cooperates with an associated immovable or stationary part, in the present case the detection coil.

Eine in 1 dargestellte Anordnung findet insbesondere im Automobilbereich als elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse Verwendung. Hierbei kommt dem Bremssattel die Funktion des in 1 dargestellten Zuspannelementes 5 zu, während das Abstützelement 6 durch eine oder ein Paket aus Tellerfedern realisiert ist.An in 1 arrangement shown is used in particular in the automotive sector as an electromechanically actuated disc brake use. Here comes the caliper the function of in 1 illustrated Zuspannelementes 5 to while the support element 6 is realized by one or a package of disc springs.

Um eine robuste, zuverlässige, hoch genaue und reproduzierbare Bestimmung der eingestellten Kraft durch das Zuspannelement 5 zu erreichen, sind die Detektionseinheit 20, d. h. die Detektionsspule 10, die Sensorschaltung 11 und die Schaltungsplatine 30 als wechselstrombasierte Einheiten ausgestaltet. Die Spindel 2 ist durch einen in Achsrichtung der spindelrotationssymmetrisch ausgerichteten Zapfen 8 verlängert, der als Teil einer Positionssensorik mit einem hochfrequenztechnisch wirksamen Ferritkern versehen ist und im Zusammenwirken mit einer am Gehäuse 1 ortsfesten Detektionsspule 10 den Verschiebeweg der Spindel 2 als Induktionsveränderung reproduzierbar genau abbildet.For a robust, reliable, highly accurate and reproducible determination of the set force by the application element 5 to reach are the detection unit 20 ie the detection coil 10 , the sensor circuit 11 and the circuit board 30 designed as AC-based units. The spindle 2 is by a in the axial direction of the spindle rotation symmetrically aligned pin 8th extended, which is provided as part of a position sensor with a high-frequency technically effective ferrite core and in cooperation with a on the housing 1 stationary detection coil 10 the displacement of the spindle 2 reproducibly reproduces exactly as an induction change.

In einem praktisch ausgeführten Spindeltriebaktuator 14 zur Bremsbetätigung ist nach Maßgabe aller Einbautoleranzen die Position des Spindelzapfens bzw. Zapfens 8 gegenüber seinem Nenneinbaumaß auf +/–2 mm genau. Innerhalb dieses Toleranzbereiches muss an beliebiger Stelle entlang der Hubrichtung 16 bzw. entgegengesetzt dazu ein Verfahrensweg der Spindel 2 von 0,5 mm bis zum Anschlag 7 mit einer Auflösung von <= 0,03 mm detektiert werden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein mit dem Zapfen 8 konzentrisch verbundener Ferritstab bzw. Ferritkern 9 verwendet, der als Funktion des Verfahrensweges bzw. Verschiebeweges der Spindel 2 mehr oder weniger tief in einer als mehrlagige zylindrische Luftspule ausgestaltete Detektionsspule 10 eintaucht, welche ein induktiver Bestandteil des Schwingkreises eines Hochfrequenzoszillators bzw. Oszillators 26 (nicht eingezeichnet) ist, wobei der Oszillator 26 Teil der Sensorschaltung 11 ist. Dieser Oszillator 26 verändert seine Frequenz als Funktion der Eintauchtiefe des Ferritkerns 9 in die Detektionsspule 10 und bildet auf diese Weise den Verschiebeweg der Spindel 2 als Frequenzverschiebung ab.In a practically designed Spindeltriebaktuator 14 for brake actuation, the position of the spindle journal or journal is in accordance with all installation tolerances 8th compared to its Nenneinbaumaß to +/- 2 mm exactly. Within this tolerance range must be at any point along the stroke direction 16 or opposite to a path of the spindle 2 from 0.5 mm to the stop 7 be detected with a resolution of <= 0.03 mm. To achieve this object, according to the invention with the pin 8th concentrically connected ferrite rod or ferrite core 9 used as a function of the process path or displacement path of the spindle 2 more or less deep in a designed as a multilayer cylindrical air coil detection coil 10 dips, which is an inductive component of the resonant circuit of a high-frequency oscillator or oscillator 26 (not shown) is where the oscillator 26 Part of the sensor circuit 11 is. This oscillator 26 changes its frequency as a function of the immersion depth of the ferrite core 9 into the detection coil 10 and forms in this way the displacement of the spindle 2 as frequency shift.

Dem Oszillator 26 nachgeschaltet ist ein Frequenzzähler 38 (nicht eingezeichnet), dessen Zählwert als Maß für den Verschiebeweg einem Bremsensteuergerät zugeführt werden kann. Die Detektionsspule 10 besitzt bei einem Innendurchmesser von ca. 6 mm und einem Außendurchmesser von ca. 8 mm eine Zylinderhöhe von 7 mm, so dass bei dem genannten Nennmaß der Eintauchtiefe des Ferritkerns 9 von 3,5 mm Zylinderhöhe die Positionstoleranz des Spindelzapfens von +/–2 mm zuzüglich des Verfahrweges von 0,5 mm zuzüglich einer Toleranz von ca. 0,1 mm für den Ferritstab bzw. Ferritkern 9 abgedeckt sind. Mit anderen Worten, unabhängig davon, an welcher genauen Position der Zapfen 8 innerhalb seines Nenn-Einbaumaßes von +/–2 mm tatsächlich eingebaut wird, stehen innerhalb der Detektionsspule 10 noch 0,5 mm Verfahrweg zur Verfügung, bei dem sich der Ferritkern 9 zumindest teilweise innerhalb der Detektionsspule 10 bewegt und auf diese Weise ihre Induktivität ändert.The oscillator 26 Downstream is a frequency counter 38 (not shown) whose count can be fed as a measure of the displacement to a brake control unit. The detection coil 10 has an inner diameter of about 6 mm and an outer diameter of about 8 mm, a cylinder height of 7 mm, so that at the mentioned nominal size of the immersion depth of the ferrite core 9 of 3.5 mm cylinder height, the position tolerance of the spindle pin of +/- 2 mm plus the travel of 0.5 mm plus a tolerance of about 0.1 mm for the ferrite rod or ferrite core 9 are covered. In other words, regardless of the exact position of the pin 8th within its nominal installation dimension of +/- 2 mm is actually installed, standing inside the detection coil 10 still 0.5 mm travel available, in which the ferrite core 9 at least partially within the detection coil 10 moves and thus changes its inductance.

Für die Frequenz des Oszillators 26 ist ein Wert im MHz-Bereich technisch vorteilhaft. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel arbeitet der Oszillator bei Nennmaß der Eintauchtiefe im mittleren Frequenzbereich von 1,25 MHz. Die Positionsverschiebung des. Zapfens 8 bzw. des Ferritkerns 9 bewirkt eine Frequenzverschiebung von +/–300 kHZ/mm. Typischerweise eignet sich ein Frequenzbereich von 1 bis 4 MHz für derartige Anwendungen.For the frequency of the oscillator 26 a value in the MHz range is technically advantageous. In the present embodiment, the oscillator operates at nominal depth of immersion in the middle frequency range of 1.25 MHz. The position shift of the pin 8th or the ferrite core 9 causes a frequency shift of +/- 300 kHZ / mm. Typically, a frequency range of 1 to 4 MHz is suitable for such applications.

2 zeigt in stark schematischer Darstellung die Detektionseinheit 20 des Ausführungsbeispiels gemäß. 1. Die Detektionseinheit 20 umfasst den Oszillator 26, von dem hier nur ein paralleler Schwingkreis 28 dargestellt ist, der durch die Detektionsspule 10 und einen Kondensator 32 gebildet ist. Die Verschiebung des Zapfens 8 führt zu einer Veränderung der Induktivität der Detektionsspule 10, die zu einer Frequenzänderung des Oszillators 26 führt. Der Verschiebeweg bzw. Verfahrweg der Spindel 2 wird auf diese Weise auf eine Frequenzverschiebung bzw. Frequenzänderung abgebildet. Ein Frequenzzähler 38 misst die Frequenz des Oszillators 26 und gibt diese als Zahl beispielsweise an ein Bremsensteuergerät 44 weiter, welches anhand der gemessenen Frequenz, den Kennlinien von Zuspannelement 5 und Abstützelement 6 und ggf. noch weiteren, den Aktuator 14 betreffenden Kenngrößen (bspw. Umdrehungszahl der Spindel 2) eingestellte Kraft des Aktuators 14 bestimmt. 2 shows a highly schematic representation of the detection unit 20 of the embodiment according to. 1 , The detection unit 20 includes the oscillator 26 , of which here only a parallel resonant circuit 28 represented by the detection coil 10 and a capacitor 32 is formed. The displacement of the pin 8th leads to a change in the inductance of the detection coil 10 leading to a frequency change of the oscillator 26 leads. The displacement or travel of the spindle 2 is mapped in this way to a frequency shift or frequency change. A frequency counter 38 measures the frequency of the oscillator 26 and gives these as a number, for example, to a brake control unit 44 which, based on the measured frequency, the characteristics of Zuspannelement 5 and support element 6 and possibly further, the actuator 14 relevant parameters (for example, number of revolutions of the spindle 2 ) set force of the actuator 14 certainly.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gehäusecasing
22: Spindelspindle
33: Spindelmutterspindle nut
44: Zuspannrichtungthe application direction
55: Zuspannelementtightening member
66: Abstützelementsupporting
77: Anschlagattack
88th: Zapfenspigot
99: Ferritkernferrite
1010: Detektionsspuledetection coil
1111: Sensorschaltungsensor circuit
1212: Anordnungarrangement
1414: Aktuatoractuator
1616: Hubrichtungstroke direction
1818: Anschlagelementstop element
2020: Detektionseinheitdetection unit
2626: Oszillatoroscillator
2828: Schwingkreisresonant circuit
3030: Schaltungsplatinecircuit board
3232: Kondensatorcapacitor
3838: Frequenzzählerfrequency counter
4444: BremsensteuergerätBrake control unit

Claims

Arrangement with a housing ( 1 ) and with a spindle ( 2 ) and a fixed against rotation, slidably arranged spindle nut ( 3 ), wherein a rotation of the spindle ( 2 ) in a clamping direction ( 4 ) the displacement of the spindle nut ( 3 ) in a stroke direction ( 16 ), whereby the spindle nut ( 3 ) in the stroke direction ( 16 ) on a Zuspannelement ( 5 ) and where the spindle ( 2 ) via an elastic support element ( 6 ) opposite to the stroke direction ( 16 ) on the housing ( 1 ) and wherein the spindle ( 2 ) for determining its displacement path with a ferrite core ( 9 ) which, when approaching and / or immersing in or on the housing ( 1 ) stationary mounted detection coil ( 10 ) whose inductance changes, and wherein the detection coil ( 10 ) Part of an AC-based detection unit ( 20 ).

Arrangement according to claim 1, wherein the housing ( 1 ) a stop ( 7 ) for the spindle ( 2 ), which detects the displacement of the spindle ( 2 ) opposite to the stroke direction ( 16 ) limited.

Arrangement according to claim 2, wherein the support element ( 6 ) has a defined spring-spring characteristic so that an actuation of the spindle ( 2 ) in the application direction ( 4 ) to a displacement of the spindle ( 2 ) opposite to the stroke direction ( 16 ) until the displacement of the spindle ( 2 ) by the stop ( 7 ) is limited.

Arrangement according to claim 3, as electromechanically actuated disc brake is configured, wherein the spindle nut ( 3 ) via a piston on a brake caliper designed as a Zuspannelement ( 5 ), whereby a brake pad is pressed against a brake disc, and wherein the spindle ( 2 ) is driven by an electric motor and the support element ( 6 ) is formed by a number of disc springs.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the detection unit ( 20 ) comprises an oscillator with a resonant circuit, wherein the resonant circuit from the detection coil ( 10 ) and a capacitor is formed.

Arrangement according to claim 5, wherein an oscillator downstream frequency counter is provided for determining the oscillator frequency.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the detection unit ( 20 ) comprises a resonant circuit, wherein the resonant circuit is operated by a generator having a fixed frequency in a region of an edge of its resonance curve, and wherein the resonant circuit through the detection coil ( 10 ) and a capacitor is formed.

Arrangement according to claim 7, wherein an analog / digital converter is provided, which converts the resonance voltage of the resonant circuit into a digital signal.

Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the detection unit ( 20 ) comprises a voltage divider circuit for alternating current, which is operated by a generator of fixed frequency, wherein a circuit member and the detection coil ( 10 ) are connected in series.

Arrangement according to claim 9, wherein an analog / digital converter is provided, which converts a tapped from the voltage divider circuit partial voltage or a partial voltage ratio into a digital signal.

Arrangement according to one of claims 1 to 10, wherein the detection coil ( 10 ) as a cylindrical single or multi-layered air coil with or without ferrite core ( 9 ) is executed.

Arrangement according to one of claims 1 to 10, wherein the detection coil ( 10 ) as a flat, spiral coil with or without ferrite core ( 9 ) is trained.

Method for determining the application force in arrangement with a housing ( 1 ) and with a spindle ( 2 ) and a fixed against rotation, slidably arranged spindle nut ( 3 ), wherein a rotation of the spindle ( 2 ) in a clamping direction ( 4 ) the displacement of the spindle nut ( 3 ) in a stroke direction ( 16 ), whereby the spindle nut ( 3 ) in the stroke direction ( 16 ) on a Zuspannelement ( 5 ) and where the spindle ( 2 ) via an elastic support element ( 6 ) opposite to the stroke direction ( 16 ) on the housing ( 1 ) is supported, wherein for applying the brake, the spindle ( 2 ) in a clamping direction ( 4 ) is rotated, whereby by one with the spindle ( 2 ) connected ferrite core ( 9 ) the inductance of a detection coil ( 10 ), which are part of an AC-based detection unit ( 20 ) is changed, and wherein the detection unit ( 20 ) characterizing size is used to determine the application force.