CN107850149B - 用于车辆的制动装置 - Google Patents
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Abstract
用于车辆的制动装置，该制动装置包括：支撑摩擦材料块(3)的支撑元件(2)；电绝缘电路(9)；以及在摩擦材料块(3)和支撑元件(2)之间介入的至少一个压电陶瓷传感器(4)；电路(9)被连接到压电陶瓷传感器(4)，以便当制动装置受到外部压缩力时收集由压电陶瓷传感器(4)发射的电响应信号，并且还包括至少一个保护元件(16)，所述保护元件(16)具有被施加以保护压电陶瓷传感器(4)的一层或多层树脂基材料，所述保护元件(16)被配置为将所述外部压缩力的预定部分引导到围绕压电陶瓷传感器(4)的支撑元件(2)的区域上，树脂基材料从在被包括在‑40℃与至少200℃之间的温度区间内具有基本上稳定的机械特性的材料中被选择，以便限制或取消响应信号随所述至少一个压电陶瓷传感器(4)在所述温度区间中暴露的温度变化的变化。
Description
本发明涉及用于车辆的感测制动装置。
从意大利专利申请No.TO2013A307中，已知一种用于车辆的制动装置，其包括支撑元件、由支撑元件支撑的摩擦材料块、以及由支撑元件支撑并介于摩擦材料块和金属支撑元件之间的一个或多个压电陶瓷传感器。
在车辆使用期间，压电陶瓷传感器检测在摩擦材料块(用于仍然配备有鼓式制动器的车辆的制动衬块或制动蹄)与要被制动的元件(被绑到车轮上的盘或鼓)之间在使用时交换的力。
例如由于所述制动衬块“接触”了制动盘，甚至当制动器未被致动时，例如由于制动钳的差的对准，更确切地说是在制动期间引起的噪音、振动和不期望的发动机啸声，这需要检测和/或预测来自制动衬块的异常消耗而产生的许多问题的能力。
这种类型的制动装置可能容易受制于温度，并且分别容易受制于制造过程期间这样的装置受到的和/或在制动期间发展的压力分别甚至高于200℃和400kg/cm2，这导致了在性能、可靠性和耐用性方面产生的负面影响。
本发明的目的是提供一种在使用温度区间内的用于车辆的感测制动装置，并且特别是高达至少200℃的使用温度能够经受本质上的热应力，允许适当的传输到要检测的机械应力的压电传感器同时充分地保护其部件免受可能致使损坏或导致故障的过度的机械应力。
本发明的另一目的是提供一种用于车辆的感测制动装置，其能够确保压电传感器在工作温度下的区间内的温度变化情况下的稳定响应。
本发明的不是最后的目的是提供一种用于车辆的感测制动装置，其既坚固又耐高温，以便增加其不仅用于轻型和工业型车辆而且在其中操作温度可以超过600℃的重型车辆(卡车、公共汽车等)中的应用中使用的灵活性。
这些和其它目的借助于一种用于车辆的制动装置被实现，该制动装置包括支撑摩擦材料块的支撑元件、电绝缘的电路以及介于摩擦材料块和支撑元件之间的至少一个压电陶瓷传感器，所述电路被连接到所述至少一个压电陶瓷传感器，以便当所述制动装置遭受到外部压缩力时收集由所述至少一个压电陶瓷传感器发射的电响应信号，其特征在于，所述电路包括至少一个保护元件，其具有被施加以保护至少所述至少一个压电陶瓷传感器的一层或多层树脂基材料层，所述至少一个保护元件被构造成将所述外部压缩力的预定部分引导到围绕所述至少一个压电陶瓷传感器的支承元件的区域上，所述树脂基材料从在-40℃和至少200℃之间包括的的温度区间内具有基本上稳定的机械特性的材料当中被选择，以便限制或取消响应信号随所述至少一个压电陶瓷传感器在所述温度区间内所暴露的温度变化的变化。
这样的机械特性包括至少弹性模量和/或剪切模量。
有利地，所述树脂基材料是电绝缘的。
有利地，所述树脂基材料是电绝缘且隔热的。
有利地，为了确保足够的机械保护以及同时具有足够的热和电绝缘特性，所述保护元件的厚度不小于所述压电陶瓷传感器的厚度。
压电陶瓷传感器的厚度是指其在与支撑元件上的支承板正交的方向上的尺寸。
有利地，所述树脂基材料具有低于构成所述压电陶瓷传感器的压电陶瓷材料的居里温度的固化温度。然后可以施加保护元件，而在压电陶瓷传感器与电路机械且电连接之前或之后不会有损坏该压电陶瓷传感器的风险。
有利的，所述保护元件具有机械特性，以便当外部压缩力被施加到所述摩擦材料块时限制被传送到压电陶瓷传感器的力。
有利的，所述保护元件被构造成将所述外部压缩力的预定部分引导到围绕所述至少一个压电陶瓷传感器的支撑元件的区域上。
因此，保护元件具有各种特征，这是因为其起到机械保护的作用，以抵抗在生产过程期间由于处理制动元件而造成的损坏，其为压电陶瓷传感器提供电绝缘，并且其起到被传递到压电陶瓷传感器的力的限制器和偏转器的作用。
选择具有在宽温度区间内稳定的机械特性的材料允许在相同的温度区间内来自压电陶瓷传感器的稳定的响应。
本发明的进一步特征和优点将从以下仅借由示例的方式并参考附图给出的非限制性实施例的描述中变得明显，其中：
图1示意性地示出了制动装置的凸起部分侧视图；
图2示出了在制动衬块的温度变化测试中所使用的压电陶瓷传感器响应信号的变化，其中所述压电陶瓷传感器的保护元件由第一类型的树脂基材料构成；
图3示出了作为温度的函数的在测试中所使用的第一类型树脂基材料的剪切模量的变化；
图4示出了在测试中使用的压电陶瓷传感器的电容随温度变化的变化；
图5示出了在制动衬块的温度变化测试中所使用的压电陶瓷传感器响应信号的变化，其中所述压电陶瓷传感器的保护元件由第二类型的树脂基材料构成；
图6示出了作为形成保护元件的树脂基材料的弹性常数施加外部压缩力F的结果，压电陶瓷传感器经历的力变化的曲线。
参考附图，附图1指示作为整体的用于车辆的传感制动装置，在示例中示出了意图装备车辆制动系统的制动衬块，为了简单起见，该制动系统是已知的并且未被示出。
这里以及下面将对由制动衬块1形成的制动装置进行具体参考，但是明显的是下面的内容也同样适用于鼓式制动器的制动蹄。
制动衬块1包括优选但不必须是金属的并且被称为“背板”的支撑元件2、由元件2支撑的摩擦材料块3、以及由支撑元件2支撑的并且介于后者和摩擦材料块3之间的一个或多个压电陶瓷传感器4。
压电陶瓷传感器4以升高的布置被支撑在支撑元件2上。
明显的是，在制动蹄的情况下，可以具有与制动衬块1所描述的那些对应的元件；因此，对于本领域技术人员而言，下面的描述是可容易转移的，使得可以构造感测制动蹄。
支撑元件2特别是像平板的形状的，其具有：第一主平坦表面5，其意图用于面向要被制动的元件(诸如车辆制动盘)；以及第二平坦主表面6，其平行于第一主平坦表面5。
摩擦材料块3尤其具有与支撑元件2的第一平坦表面5共轭的第一主平坦表面7以及平行于第一平坦表面7并且意图用于直接接触要被制动的元件的第二平坦表面8。
压电陶瓷传感器4能够检测由于其在受到机械应力时发射电信号的固有能力而在衬块1和要被制动的元件之间的接触期间处于使用中的被交换的力。
为此，支撑元件2支撑具有电触点的电绝缘电路9，压电陶瓷传感器4的电极被连接到所述电触点。
电路9在它们受到偏振方向的机械应力时从压电陶瓷传感器4收集不需要电力供应而生成的电信号。
由压电陶瓷传感器4发射并由电路9收集的电信号可以实时或在稍后的时间点处被处理。
压电陶瓷传感器4由具有大于200℃的居里温度的压电陶瓷材料制成，并且由优选圆柱体形成，该圆柱体在其轴线的方向上被偏振并且由一对相对的平面12和13划定界限，该相对的平面12和13在使用中被布置为平行于支撑元件2的主平坦表面5、6。
优选地，面12、13中的一个面，特别是面向电路9的一面，呈现出两个电信号收集电极。
电路9具有合适形状的分支(未示出)，以便将压电陶瓷传感器4布置在支撑元件2上的离散位置中，并且还设置有被集成在支撑元件2的边缘处的电连接器(未示出)。
除了基本上是压力传感器的压电陶瓷传感器之外，被电连接到电路9的一个或多个温度传感器和/或一个或多个剪切力传感器也可以可选地被集成在支撑元件2上。
电绝缘电路9优选地被丝网印刷并被直接施加到支撑元件2上。
被集成到支撑元件2中的所有传感器从电绝缘电路9的面向摩擦材料块3的一侧被安装到电绝缘电路9上。因此被集成到支撑元件2中的传感器具有高的能力来测量在制动期间或通常在车辆行驶期间作用在制动装置上的力。
可以设置介于摩擦材料块3和支撑元件2之间的阻尼层(未示出)。
阻尼层(如果被设置的话)特别具有与支撑元件2的第一平坦表面5共轭的第一主表面以及与摩擦材料块3的第一平坦表面7共轭的第二表面。
有利地，每个压电陶瓷传感器4被嵌入在对应的保护元件16内。
保护元件16包括一层或多层树脂基材料，所述树脂基材料选自被包括在-40℃和至少200℃之间的温度区间内具有基本上稳定的机械特性的材料，以便限制或取消响应信号随着压电陶瓷传感器4在所述温度区间中暴露的温度变化的变化。
表述“相当稳定”是指在参照可变量级的情况下，在参考温度区间内，其最小值的30％，优选不大于其最小值的20％。
保护元件16位于压电陶瓷传感器4处的支撑元件2上。
为了压电陶瓷传感器4的电绝缘，保护元件16由电绝缘材料制成。
保护元件16优选由也是隔热的材料制成。
特别地但非必要地，保护元件16中的至少一层材料可以是电绝缘和且隔热的，否则可以设想至少一个电绝缘层和至少一个隔热层。
正如我们将要看到的那样，保护元件16具有已经被仔细选择的机械特性，并且特别是弹性模量，以便当外部压缩力被施加到摩擦材料块3时限制被传递到压电陶瓷传感器4的力。
保护元件16特别地被构造成将外部压缩力的至少一部分引导到围绕压电陶瓷传感器4本身的支撑元件2的区域。
优选地，电路9的所有其他传感器以及还可能的其他部件具有与上述相同类型的相应保护元件。
保护元件16完全嵌入压电陶瓷传感器4并且由具有与压电陶瓷传感器4的外表面一致的内部直接或间接接触表面17的半壳体以及在所述支撑元件2上的一致的直接或间接的基座18构成。
保护元件16优选为圆屋顶形。
构成保护元件16的树脂优选为聚酰亚胺树脂、或环氧树脂、或双马来酰亚胺树脂、或氰酸酯树脂或其中混合物。这些树脂可以装载增强颗粒，特别是陶瓷和/或金属材料，诸如陶瓷氧化铝颗粒和/或金属铝颗粒。
为了评估压电陶瓷传感器随着制动衬块的操作温度变化的响应的进展情况，以下是对形成压电陶瓷传感器的保护元件的树脂基材料不同的制动衬块批次进行测试的结果。
对第一批制动衬块的测试
测试是在标准的Dyno工作台上执行NVH和测力测量。特别地，在第一批制动衬块上进行测试，其中压电陶瓷传感器的保护元件由商业上由LoctiteTM制造的名字为HysolTM9492所知的环氧树脂基材料构成。
这种环氧树脂基材料包括负载有金属铝颗粒和陶瓷氧化铝颗粒的环氧树脂的第一成分以及用作交联催化剂的第二酰胺基成分。
测试包括在5至40Bar的不同压力值下以及在制动盘的温度被控制在50至300℃的区间内的情况下执行的工作台测试。
所使用的过程如下：按照下表，从50km/h到2km/h进行88次制动施加。
关于刹车衬块的温度，其温度通常约为刹车盘的温度一半。
图2示出了压力传感器响应信号随着刹车衬块的温度变化以及在20Bar的制动压力值处的进展情况。
对于其他的制动压力值也可获取到类似的结果。
在测试期间，已经在低/中等温度下观察到信号的明显衰减。例如，在图2中，在75-80℃左右下可见快速衰退。对于所测量的信号，根据如由制动衬块上的热电偶来测量出的制动衬块的温度，第二个峰值的幅度被呈现(制动结束处的那个)并且被报告。第二个峰值的选择仅被联系到与液压回路内的压力释放有关的事实，事实证明这是更可重复的并因此提供受实验误差影响较小的结果。
图2中的信号衰减主要是由于针对保护元件所使用的材料。在这方面，在图3中，被用于保护元件的材料的机械特性(剪切模量)的变化可以在感兴趣的温度区间内被看到。
伴随着信号衰减，由于压电陶瓷传感器的电容变化(图4)，也有次要贡献，尽管其影响远远低于由于被用于保护元件的材料所引起的影响。事实上，在70至100℃之间制动衬块的响应下降与保护元件材料的机械特性的相应下降之间的强相关性很明显。压电陶瓷传感器对温度的依赖性仅提供了较小的贡献，压电陶瓷传感器的电和机械特性在被包括在介于70和100℃之间的区间内近似恒定，而该变化实际上是线性的，并且是温和的，直到接近压电陶瓷传感器的居里温度的温度。
该测试的结论是，对于被用于保护元件的材料，不会导致来自传感器的信号的过度损失的最大可获取温度大约为70-85℃。很明显，对应于制动盘在170℃下的温度左右的该温度区间是不可接受的。
对第二批制动衬块的测试
使用由CotronicsTM生产的商业上被称为DuralcoTM 4703的环氧树脂基材料对保护元件执行进一步测试。该材料与先前材料的本质区别在于环氧树脂内的增强颗粒的浓缩以及环氧链内的特定官能团的提供。
测试是在标准的Dyno工作台上执行NVH和测力测量。
测试包括在从10至40Bar的不同压力值下并且在制动盘的温度被控制在50至500℃的区间内执行的工作台测试。
所使用的过程如下：按照下表从50km/h至2km/h进行制动施加。
| 制动施加 | 压力(Bar) | 制动盘温度[℃] |
| 200 | 20 | 50 |
| 10–10–10–10 | 10–20-30-40 | 50 |
| 10–10–10–10 | 10–20-30-40 | 100 |
| 10–10–10–10 | 10–20-30-40 | 150 |
| 5–5–5–5 | 10–20-30-40 | 200 |
| 5–5–5–5 | 10–20-30-40 | 250 |
| 5–5–5–5 | 10–20-30-40 | 300 |
| 1–1–1–1 | 10–20-30-40 | 350 |
| 1–1–1–1 | 10–20-30-40 | 400 |
| 1–1–1–1 | 10–20-30-40 | 450 |
| 1–1–1–1 | 10–20-30-40 | 500 |
| 200 | 20 | 50 |
图5示出了压电陶瓷传感器响应信号随着制动衬块的温度变化以及在20Bar的制动压力值处的进展情况。
对于其他的制动压力值也可获取到类似的结果。
对于每个制动测试，平均制动衬块和制动盘温度根据来自原始制动数据的第二个峰值而被测量；随后平均值根据对应的平均温度值被报告。
在这种情况下，信号衰减开始出现在高得多的温度下并且特别是在制动衬块处的152-174℃之间。
总之，这些测试显示，主要由于被用于保护元件的材料的热机械特性引起的传感器部分响应的非常强的温度依赖性。信号的崩溃与所使用材料的机械特性的对应崩溃相关联。
被用于压电陶瓷传感器的保护元件的材料的适当选择使得可以稳定压电陶瓷传感器本身的温度响应。
可以看出，关于压电陶瓷传感器对外部压缩力的敏感性，保护元件的热机械特性是重要的。
热机械特性的合适选择允许减小在制造装置的生产期间或当装置在操作中时由压电陶瓷传感器实际经受的力的负载。
下面我们提供这是如何发生的解释。
让我们假设在摩擦材料3上施加外部压缩力F。
我们参考作用在压电陶瓷传感器4上的应力情况。
保护元件16经受其合力F'不同于被施加到摩擦材料块3的压缩力F的力。
这样的合力F'也被传递到压电陶瓷传感器4，压电陶瓷传感器4经受通常不同于力F'但显然与其有关的最终力Fp。Fp是诱导由压电陶瓷传感器有效测量出的电信号的力。
我们假设外部压缩力F的转移从摩擦材料块3的表面到下面的层而发生，而没有可感知的切向变形，换句话说，我们假设摩擦材料块3在纵向方向上基本上是坚硬的。
在该模型中，还假设摩擦材料和保护元件在机械模型中分别由具有弹性常数k和k'的弹簧表示，并且与摩擦材料块有关的弹簧的线性大小与在保护元件的施加区域之外和之内的领域中的摩擦材料块本身是相同的。
因此假定材料具有线性弹性行为，那么胡克定律是有效的，根据其：
F＝kx
F’＝k’x’
Fp＝kpxp
其中x、x'和xp分别表示压缩方向上的变形，k、k'和kp分别表示弹性常数。
可以看出：
F’＝2F/(1+k/k’)
Fp＝4F/(1+k’/kp)(1+k/k’)
因此，如由压电陶瓷传感器4所经受的力Fp被联系起来，但不等于最初被施加到摩擦材料块3上的力F。力Fp的衰减系数取决于比率k'/kp和k/k'的选择并且可以通过增加或减少弹性常数k'而被调节，其中k和kp是相等的。
接下来，一旦定义了摩擦材料块和压电陶瓷传感器，这通常具有从其机械特性的变化的视角来看以及在关于其物理特性的要求方面的相当强的限制，则k'的最佳值的选择或保护元件的机械特性变得重要以便优化力的转移。
借由重要的以及解释性示例，我们将根据假设特别是从摩擦材料块和压电陶瓷传感器的弹性常数的测量结果产生的k和kp的实际值的模型来考虑结果。常数k'将相反被视为要被选择的参数变量，以便优化压电陶瓷传感器的响应。那么假定kp＝1011N/m＝1011N/m以及k＝1010N/m。摩擦材料块和压电陶瓷传感器的这些kp和k值是接近实际的值。在这种情况下，Fp/F的关系只取决于k'。图6示出了当考虑kp和k的上述值时根据k/k'的响应曲线Fp/F。很显然，关于优化了压电陶瓷传感器的响应的机械常数k/k'之间的比率存在一个最佳值。因此，一旦压电陶瓷传感器和摩擦材料块被固定，则必须仔细选择保护元件。例如，选择与响应曲线的最大点处的最佳值相比较太软的材料将确定弱耦接，这将导致力被无效率地被转移，同时选择再次关于在响应曲线的最大点处的最优值的材料的太硬的材料将导致变形被无效率地转移到压电陶瓷传感器。关于图6，应该注意的是，对数刻度已经被应用于横坐标轴和纵坐标轴，结果远离响应曲线的最大点，弹性常数的比率的数量级变化对于在压电陶瓷传感器的位置处测量出的力还将具有类似的结果。只有在响应曲线的最大点处将弹性常数值保持在最佳值附近才能保持有效的转移。这意味着还必须小心选择热机械特性，以便避免由于所利用材料之间的机械特性的软化或硬化而导致的效率随温度变化的损失。然后在响应曲线的最大点附近产生进一步明显的优势，即在热机械特性变化的情况下甚至在较大的区间中，响应的稳定性也是非常优越的。
因此，通过适当地选择构成保护元件的材料的机械特性(就软化或硬化而言)，可以将由压电陶瓷传感器经受的负载保持远低于这类传感器在制动装置的生成过程以及制动装置的正常操作两者期间可承受的最大负载。
为了所考虑的施加目的，然而对于kp和k的预定值，已经发现方便的是选择k'使得Fp/F不小于0.01。
这意味着还必须小心选择热机械特性，以便避免由于所利用烦人材料之间的机械特性的软化或硬化而导致效率随温度变化的损失。然后在最大点附近工作变得更加清楚的优势，即在热机械特性变化的情况下，甚至在较大的区间(甚至高达200％而在所述最大点中没有显著变化)中，响应的稳定性也是非常高的。
参照所进行的测试，上述简单机械模型的预测是准确的。
事实上，在低温下，所采用的第一种材料的比率接近于30，并且涉及10％的传递效率，这与实际被测量出的非常接近。在高温下，90℃以上材料的相变引起弹性常数大约5个系数的变化。考虑到我们处于线性行为的领域内，则模型预测了传感器响应的对应崩溃6个系数，其随着温度上升到另一个系数10，即达到更少的量级，即它提供高达1-2％的效率增加，这实际上已经被有效地观察到。
与具有接近10的比例(即接近最大值)并且实际上具有30％的效率的第二种类型的材料不同，其在温度上也受到较小的变化，并且仅在较高的值处受到影响。
总之，由于摩擦材料和压电陶瓷材料在非常宽的温度区间内具有合理稳定的机械特性，因此必须选择用于保护元件的材料，同时应用基于图1的曲线的逻辑。这意味着材料的弹性常数被选择为尽可能接近图6的图表的最大点。这是为了实现来自压电陶瓷传感器的最大响应，来自压电陶瓷传感器的信号也是由于材料的弹性常数之间的适度的相互变化的结果。
Claims (12)
1.一种用于车辆的制动装置，该制动装置包括：支撑摩擦材料块(3)的支撑元件(2)；电绝缘电路(9)；以及在所述摩擦材料块(3)和所述支撑元件(2)之间介入的至少一个压电陶瓷传感器(4)，所述电路(9)被连接到所述至少一个压电陶瓷传感器(4)，以便当所述制动装置受到外部压缩力时收集由所述至少一个压电陶瓷传感器(4)发射的电响应信号，其特征在于，对应的保护元件(16)位于每个压电陶瓷传感器(4)处的所述支撑元件(2)上，每个压电陶瓷传感器被嵌入在所述对应的保护元件(16)内，所述保护元件(16)具有被施加以保护所述压电陶瓷传感器(4)的一层或多层树脂基材料，所述保护元件(16)被配置为将所述外部压缩力的预定部分引导到围绕所述压电陶瓷传感器(4)的支撑元件(2)的区域上，所述树脂基材料从在被包括在-40℃与至少200℃之间的温度区间内具有基本上稳定的机械特性的材料中被选择，以便限制或取消所述响应信号随所述至少一个压电陶瓷传感器(4)在所述温度区间中暴露的温度变化的变化。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述至少一个压电陶瓷传感器(4)被嵌入在所述至少一个保护元件(16)内，并且所述至少一个保护元件(16)被嵌入在所述摩擦材料块(3)中或被嵌入在介入在所述摩擦材料块(3)和所述支撑元件(2)之间的阻尼层中。
3.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料具有低于构成所述压电陶瓷传感器(4)的压电陶瓷材料的居里温度的交联温度。
4.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述保护元件(16)的厚度不小于所述压电陶瓷传感器(4)的厚度。
5.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料是电绝缘的。
6.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料是隔热的。
7.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料包括环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料包括聚酰亚胺树脂。
9.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料包括双马来酰亚胺树脂。
10.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料包括氰酸酯树脂。
11.根据权利要求1所述的用于车辆的制动装置，其特征在于，所述树脂基材料包括填充有陶瓷和/或金属颗粒的树脂。
12.一种车辆，其特征在于，包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个制动装置。
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