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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Elektromagnet aufweisenden Bremse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Nutzfahrzeugen wie z. B. Flurförderzeugen sind Bremsen bekannt, die gleichermaßen als Parkbremse und als Betriebsbremse eingesetzt werden können. Derartige Bremsen weisen in der Regel einen nicht drehbaren Bremskörper auf, an dem direkt oder indirekt ein Bremsbelag befestigt ist. Zum Betätigen der Bremse wird der Bremskörper in Richtung eines Bremsrotors bewegt, so dass der Bremsbelag an den Bremsrotor angedrückt wird.
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Für die Funktion als Parkbremse weisen derartige Bremsen in der Regel einen als Feder ausgeführten Kraftspeicher auf, der auf den Bremskörper eine Kraft ausübt und dadurch den Bremsbelag auf den Bremsrotors drückt, wenn sich das Fahrzeug außer Betrieb befindet. Für die Funktion als Betriebsbremse ist ein z. B. von einem Hydraulikzylinder gebildetes Stellglied vorgesehen, mit dem die Bremse entsprechend der Stellung eines z. B. als Bremspedal ausgeführten Bremsbetätigungselements betätigt wird. Das Stellglied übt hierbei direkt oder indirekt eine Kraft auf den Bremskörper aus, so dass der Bremsbelag auf den Bremsrotor gedrückt wird.
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Während des normalen Betriebs des Flurförderzeugs, bei dem die Bremse nicht betätigt ist, muß der Bremskörper entgegen der Kraft des Kraftspeichers in einer Stellung gehalten werden, bei der der Bremsbelag von dem Bremsrotor gelöst ist. Hierzu ist ein häufig von einem Elektromagnet gebildeter Bremslüfter vorgesehen. Die mit dem Elektromagnet auf den Bremskörper ausübbare Kraft variiert stark in Abhängigkeit von dem zwischen dem Elektromagnet und dem Bremskörper vorhandenen Luftspalt. Der Elektromagnet kann dabei so klein dimensioniert werden, dass die mit dem Elektromagnet auf den Bremskörper ausübbare Kraft zwar ausreicht, um den Bremskörper zu halten, wenn der Bremsbelag bereits von dem Bremsrotor gelöst ist, die Kraft des Elektromagnets jedoch nicht ausreicht, um den am Bremsrotor anliegenden Bremsbelag entgegen der Kraft des Kraftspeichers zu bewegen. Das Lösen der Parkbremse muß dann durch eine externe Kraft erfolgen, die beispielsweise mit dem Stellglied der Betriebsbremse erzeugt werden kann. Eine derartige Bremse ist beispielsweise in der
GB 2 333 335 A beschrieben.
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Um den Betriebszustand oder Fehlfunktionen der Bremse zeitnah erkennen zu können, und daraufhin die Bremse selbst und andere Aggregate des Fahrzeugs korrekt anzusteuern zu können, ist es erforderlich, die Position des Bremskörpers mittels einer geeigneten Einrichtung zu erfassen. Üblicherweise verwendete Sensoren oder Mikroschalter erweisen sich im Gebrauch als unzuverlässig, da sie gegen die im Bereich der Bremse auftretenden Umgebungseinflüsse wie z. B. Vibrationen, elektromagnetische Strahlung oder Abriebstaub, nicht ausreichend abgeschirmt sind.
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Aus der der
WO 97/42118 A1 ist eine Bremse mit einem Elektromagneten bekannt, der über einen Hebelgestänge Bremsbacken lüftet.
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Die
DE 690 28 802 T2 beschreibt ein Verfahren zur Erfassung des Einschaltens einer Spule und die
DE 196 45 062 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen des Schließen einer Zylinderspule, bei dem eine ursprünglich an einer ersten Zylinderspule anliegende Zylinderspulenarmaturen an einer zweiten Zylinderspule zum Anliegen kommt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das ein sicheres Erkennen des Betriebszustands der Bremse ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während eines Betriebszustands, bei dem zwischen der Spule und dem Bremskörper ein Luftspalt vorhanden ist, die Spule mit Spannungsimpulsen beaufschlagt wird und der Verlauf des Spulenstroms in einer elektronischen Steuerung ausgewertet wird, indem der Gradient des Spulenstroms über der Zeit ermittelt wird.
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In diesem Betriebszustand, bei dem zwischen der Spule und dem Bremskörper ein Luftspalt vorhanden ist, ist die Bremse in ihrer Funktion als Parkbremse betätigt. Mit dem Elektromagnet soll in diesem Betriebszustand keine wirksame Kraft auf den Bremskörper ausgeübt werden. Die elektronische Steuerung, die Bestandteil der Bremse ist, soll jedoch sofort erkennen, wenn der Bremskörper durch eine externe Kraft zu der Spule des Elektromagnets hin bewegt wird und sich dabei der Luftspalt zwischen Spule und Bremskörper verkleinert. Die Dicke des Luftspaltes beeinflußt die Induktivität der Spule. Der Stromverlauf durch die Spule während der erfindungsgemäß aufgebrachten Spannungsimpulse wird durch die Induktivität beeinflußt. Dieser Stromverlauf wird mittels einer geeigneten Schaltung in der Steuerung gemessen und ausgewertet. Die Impulsdauer und der Zeitabstand der Spannungsimpulse sind derart gewählt, dass die auf den Bremskörper ausgeübte Magnetkraft vernachlässigbar gering ist. Der Gradient des Spulenstroms, also die Steigung der Stromkurve hängt im Gegensatz zur absoluten Stromstärke kaum von äußeren Bedingungen, wie z. B. der Temperatur der Spule ab.
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Es kann, während eines Betriebszustands, bei dem zwischen der Spule und dem Bremskörper kein Luftspalt vorhanden ist, die Spule kontinuierlich mit Spannung beaufschlagt werden und der Verlauf des Spulenstroms in einer elektronischen Steuerung ausgewertet werden, indem Durchschnittswerte des Spulenstroms während vorgegebener Zeitabschnitte ermittelt werden.
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In diesem zweitgenannten Betriebszustand ist zwischen der Spule und dem Bremskörper kein Luftspalt vorhanden, die Spule wird kontinuierlich mit Spannung beaufschlagt. Der Bremskörper wird hierbei durch die mit der Spule erzeugte Magnetkraft gehalten, die Funktion der Parkbremse ist nicht betätigt. Die Spule wird hierzu kontinuierlich mit Spannung beaufschlagt, so dass die auf den Bremskörper ausgeübte Magnetkraft den Bremskörper hält. Während dieses Betriebszustands soll die Steuerung erkennen, ob sich der Bremskörper ungewollt von dem Elektromagnet löst. Auch hierzu wird der Verlauf des die Spule durchfließenden Stroms gemessen und in der elektronischen Steuerung ausgewertet. Bei diesem Betriebszustand, bei dem der Bremskörper mit der Magnetkraft der Spule gehalten wird, ist der Spulenstrom im Normalfall konstant. Eine Bewegung des Bremskörpers bewirkt eine Änderung der Induktivität der Spule, wodurch der Spulenstrom zeitweise beeinflußt wird. Eine solche Veränderung kann durch das Bilden von Durchschnittswerten der Stromstärke während vorgegebener Zeitabschnitte erfasst werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn hierbei die elektronische Steuerung den Gradienten des Spulenstroms während des aktuellen Spannungsimpulses mit dem Gradienten des Spulenstroms während mindestens eines der vorangegangenen Spannungsimpulse vergleicht. Durch den Vergleich der Gradienten kann eine Veränderung der Induktivität der Spule einfach erkannt werden. Um Bewertungsfehler während der Bewegung des Bremskörpers auszuschließen, kann der aktuelle Gradient mit einem Durchschnittswert oder einem Maximalwert der Gradienten einer bestimmten Anzahl zurückliegender Spannungsimpulse verglichen werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die elektronische Steuerung die Impulsdauer (t2) jedes Spannungsimpulses in mehrere Meßbereiche (t1) unterteilt und über eine vorgegebene Anzahl von Meßbereichen den durchschnittlichen Gradienten des Spulenstroms ermittelt. Die Aufteilung in Meßbereiche ermöglicht es, während einer Impulsdauer mehrere Meßwerte der Spannung zu ermitteln und hieraus den Gradienten des Spulenstroms zu berechnen.
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Die elektronische Steuerung vergleicht den durchschnittlichen Gradienten des aktuellen Spannungsimpulses mit dem maximalen durchschnittlichen Gradienten mindestens zweier vorangegangener Spannungsimpulse. Dadurch, dass der Vergleich mit mehreren vorangegangenen Spannungsimpulsen stattfindet, bleiben Meßwerte, die während einer Bewegung des Bremskörpers aufgenommen wurden, unberücksichtigt.
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Die elektronische Steuerung beaufschlagt nach dem Ende des aktuellen Spannungsimpulses die Spule weiter mit Spannung, wenn der Vergleich zwischen dem Gradienten des Spulenstroms während des aktuellen Spannungsimpulses und dem Gradienten des Spulenstroms während mindestens eines der vorangegangenen Spannungsimpulse ein bestimmtes Ergebnis ergibt. Wenn die Steuerung das bestimmte, in der Steuerung hinterlegte Ergebnis des Vergleichs feststellt, wird der Stromfluß durch die Spule aufrecht erhalten, so dass die Spule eine auf den Bremskörper wirkende Haltekraft erzeugt. Das bestimmte Ergebnis signalisiert der Steuerung, dass der Bremskörper durch eine äußere Kraft zum Elektromagnet hin bewegt wurde.
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Das bestimmte Ergebnis ist dadurch definiert, dass der durchschnittliche Gradient des aktuellen Spannungsimpulses um mindestens einen vorgegebenen Prozentsatz geringer ist, als der maximale durchschnittliche Gradient mindestens zweier vorangegangener Spannungsimpulse.
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Die Spannungsimpulse weisen jeweils die gleiche Impulsdauer auf. Ebenso weisen die Meßbereiche jeweils die gleiche Dauer auf. Hierdurch werden miteinander vergleichbare Meßwerte erzeugt.
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Die elektronische Steuerung vergleicht den Durchschnittswert des Spulenstroms während des aktuellen Zeitabschnitts mit dem Durchschnittswert des Spulenstroms während mindestens eines der vorangegangenen Zeitabschnitte. Die vergleichende Messung wird durchgeführt, da die Auswertung von Absolutwerten des Spulenstroms aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Induktivität der Spule nicht möglich ist.
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Die elektronische Steuerung unterbricht die Spannungsversorgung der Spule nach dem Ende des aktuellen Zeitabschnitts, wenn der Vergleich des Verlauf des Spulenstroms während des aktuellen Zeitabschnitts mit dem Verlauf des Spulenstroms während mindestens eines der vorangegangenen Zeitabschnitte ein bestimmtes Ergebnis ergibt. Das bestimmte, in der Steuerung definierte Ergebnis signalisiert einen Betriebszustand, bei dem die Bremse durch Abschalten des Spulenstroms betätigt werden soll.
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Das bestimmte Ergebnis ist dadurch definiert, dass der Durchschnitt des Spulenstroms während des aktuellen Zeitabschnitts um mindestens einen vorgegebenen Prozentsatz größer ist, als der Durchschnitt des Spulenstroms während mindestens eines der vorangegangenen Zeitabschnitte. Ein derartiger Anstieg des Spulenstroms signalisiert, daß sich der Bremskörper trotz mit Spannung beaufschlagter Spule von dem Elektromagnet gelöst hat. Daraufhin wird die Bremse im Sinne einer Sicherheitsfunktion durch die elektronische Steuerung betätigt, indem der Spulenstrom abgeschaltet wird.
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Um in einfacher Weise vergleichbare Meßergebnisse zu erhalten, weisen die Zeitabschnitte vorzugsweise jeweils die gleiche Dauer auf.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Bremsensteuerung,
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2 die Reaktanz der Spule in Abhängigkeit von der Temperatur,
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3 den zeitlichen Verlauf eines Stromimpulses,
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4 die auf die Spule wirkende Stromimpulse während der Bremskörper-Erkennungsphase,
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5 den auf ein Maximum ansteigenden Spulenstrom, wenn der Bremskörper mit der Spule in Kontakt tritt,
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6 ein Abfallen des Stroms, wenn der Bremskörper näher an die Spule heranrückt,
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7 eine Stromspitze, wenn der Bremskörper sich von der Spule entfernt hat
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1 zeigt die Schalt und Sensorelektronik, bei der es sich um eine üblichen Strommeßschaltkreis handelt. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Technik, mit der erkannt werden kann, ob ein Bremskörper, beispielsweise ein Bremsanker, an der Außenfläche eines Elektromagnets anliegt Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann anhand der elektrischen Charakteristik der Spule erkannt werden, ob der Bremskörper an der Spule anliegt, da bei anliegendem Bremskörper die Induktivität deutlich ansteigt Diese Veränderung der Induktivität kann gemessen werden, indem der die Spule durchfließende Strom gemessen wird. Der die Spule 1 durchfließende Strom wird durch eine an einem Strommeßwiderstand 2 anliegenden Spannung dargestellt. Diese Spannung liegt an dem A-D-Wandler-Eingang 3 einer Steuerung 4 an. Ein Ausgang 6 der Steuerung 4 ist mit dem Gate eines Feldeffekttransistors FET 5 verbunden, welcher den die Spule 1 durchfließenden Strom steuert. Die Stromstärke kann nur dann gemessen werden, wenn der FET 5 eingeschaltet ist, da der A-D-Wandler-Eingang 3 sonst über den Strommeßwiderstand 2 mit der Masse (0 Volt) verbunden ist. Dies würde bedeuten, dass der Spannungsabfall nicht an dem A-D-Wandler-Eingang abgreifbar ist.
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Ein weiterer Eingang 6 der Steuerung 4 ist mit einem Parkbremsschalter verbunden, während ein weiterer Ausgang 7 mit einer LED verbunden ist, die den Betriebszustand der Parkbremse anzeigt. Weiter wird ein Ausgang 8 der Steuerung zum Übertragen von Fehlermeldungen verwendet
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2 zeigt die Änderung der Reaktanz einer beliebigen Spule in Abhängigkeit von der Temperatur über eine Zeitperiode von etwa 1 Stunde, für einen auf der Spule befindlichen und einen von der Spule entfernten Bremskörper. Nachdem sich die Reaktanz der Spule in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, und darüber hinaus zwischen verschiedenen Spulen Toleranzabweichungen bestehen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Veränderung der Spulencharakteristik gemessen, anstatt die Spulencharakteristik mit einem festen Wert zu vergleichen. Da die Induktivität der Spule ansteigt, wenn der Bremskörper mit der Spule voll in Kontakt tritt, kann dies durch einen sprunghaften Anstieg der gemessenen Spannung ermittelt werden.
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Der Bremsmechanismus kann direkt an der Oberseite eines Elektromotors montiert werden und befindet sich daher in einer elektrisch stark verrauschten Umgebung. Dieses Rauschen wird ebenfalls aufgenommen und erscheint am A-D-Wandler-Eingang 3. Um das Rauschen zu glätten, wird mittels einer Sampling-Technik ein Durchschnittswert über eine Reihe von Meßbereichen ermittelt, anstelle einzelne Meßbereiche zu betrachten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weißt zwei Phasen auf – die Bremskörper-Erkennungsphase und die Bremskörper-Haltephase. In der Bremsköper-Erkennungsphase soll erkannt werden, wenn der Bremskörper in starken Kontakt mit der Spule 1 getreten ist und es wird bewirkt, dass anschließend der Spulenstrom auf ein Maximum ansteigt. Während der Bremskörper-Haltephase wird erkannt, wenn der Bremskörper von der Spule 1 abrückt.
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3 zeigt im Detail einen der kurzen Stromimpulse, die während der Bremskörper-Erkennungsphase auf die Spule aufgebracht werden. Während jedem dieser Impulse wird die Impulsdauer t2 in eine Reihe von Meßbereichen t1 unterteilt. Der Stromgradient wird über jede Impulsdauer t2 errechnet, in dem die Unterschiede der Stromstärken zwischen den verschiedenen Meßbereichen summiert werden.
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4 zeigt die auf die Spule wirkende Stromimpulse in einer Phase, bevor der Bremskörper in Kontakt mit der Spule tritt. Der Zeitintervall zwischen dem Beginn zweier Impulse ist mit T gekennzeichnet.
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Wenn der Bremskörper sich an die Spule 1 annähert, verringert sich der Gradient, wenn der Bremskörper mit der Spule 1 voll in Kontakt tritt, ist eine Verminderung des Gradients um 50 bis 70% erkennbar. In der vorliegenden Anordnung beträgt die Verringerung des Gradients ca. 60%. Der Gradient jedes neuen Impulses wird mit einem Referenzgradienten (der größte Gradient der vorangegangen Impulse) vergleichen und der prozentuale Unterschied wird errechnet. Da bei der vorliegenden Technik stets der höchste Gradient als Vergleichswert herangezogen wird und geringere Veränderungen von unter 60% ignoriert werden, wird erreicht, dass bei einem Klappern der Bremsplatte nicht fälschlicherweise angezeigt wird, der Bremskörper befinde sich an der Spule.
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Wenn der Stromgradient einen Wert von weniger als 40% des Referenzgradienten erreicht, erkennt die Software, dass sich der Bremskörper an der Spule befindet und der FET 5 bleibt eingeschaltet, so dass der Strom bis zu einem Maximum ansteigen kann. Dies ist in 5 dargestellt. Wenn der Strom sein Maximum erreicht hat, wird der Gradient gleich null und die Software schaltet auf die Bremskörper-Haltephase um.
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Während der FET 5 eingeschaltet ist, wird der Strom weiterhin mit einer Sampling-Technik gemessen, wobei der Gradient und der Durchschnittswert jeder Impulsdauer t2 errechnet werden. Ein Ansteigen des Gradienten um mehr als 5%, während die Stromstärke auf ein Maximum ansteigt, zeigt an, dass der Bremskörper sich von der Spule 1 entfernt hat. Die Software errechnet nun den Durchschnittwert der Stromstärke durch Integration über jede Impulsdauer t2. Jede neue Durchschnittswertsberechnung wird mit einem Referenzwert verglichen (der zum Ausgleich von Erwärmungseffekten jeweils höchstens um 2% verringert wird) und der prozentuale Unterschied wird errechnet
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6 zeigt den Stromverlauf, wenn der Bremskörper näher an die Spule heranrückt. Dies ist ein zulässiges Ereignis und kann auftreten, wenn Partikel zwischen dem Bremskörper und der Spule herausfallen. Ursache für diese Stromänderung ist ein plötzliches Ansteigen der Induktivität der Spule.
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Wenn der Bremskörper von der Spule 1 abrückt, sinkt die Induktivität plötzlich ab. Da nun in der Spule 1 eine größere Energiemenge gespeichert ist, als die neue Induktivität zuläßt, wird die überschüssige Energiemenge in Form einer Stromspitze freigesetzt. Ein Anstieg des Durchschnittsstroms um mehr als 10% zeigt an, daß der Bremskörper von der Spule abgerückt ist. Dies ist in 7 gezeigt.
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Wenn sich der Bremskörper unerwartet von der Spule 1 entfernt, wird dies von der Software angezeigt und der Spulenstrom wird abgeschaltet, um die Parkbremse zu betätigen. Wenn zu der Bremskörper-Erkennungsphase zurückgeschaltet wird, muß zwischen dem Abschalten den Stroms und dem Beginn des ersten Stromimpulses ein Zeitintervall T liegen, um den die Spule durchfließenden Strom vollständig absinken zu lassen.
