DE102004059081B4

DE102004059081B4 - Kraftsensor zur Bremskraftbestimmung an einer Reibbremse für rotierende Körper

Info

Publication number: DE102004059081B4
Application number: DE200410059081
Authority: DE
Inventors: Stefan Zacharias; Wolfram Kern; Andreas Schroth
Original assignee: Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Current assignee: Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Priority date: 2004-12-04
Filing date: 2004-12-04
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2024-12-05
Also published as: DE102004059081A1

Abstract

Vorrichtung zum direkten Messen von Bremsmomenten und/oder Bremskräften an Reibbremsen für rotierende Körper dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftmesseinrichtung zwischen der Reibbremse und den feststehenden Teilen der zu bremsenden Anlage angeordnet ist, wobei die Kraftmesseinrichtung aus einem Verformungskörper (1) mit mindestens zwei Biegezonen (2), die in Messrichtung hintereinander angeordnet sind und mindestens einem mechano-elektrischen Messwandler aus Stahl oder mindestens einem mechano-elektrischen Messwandler auf einem Stahlsubstrat besteht, und wobei der Verformungskörper (1) und der Messwandler stoffschlüssig verbunden sind, wodurch eine Übertragung der bremskraftproportionalen Verformung des Verformungskörpers (1) auf den Messwandler erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung und ständigen Überwachung der Bremskraft an Bremsen für rotierende Körper während ihres Betriebes. Dabei wird die Rotationsenergie der bewegten Massen durch mechanische Reibung in Wärme umgesetzt. Es ist bekannt, dass durch die direkte Bestimmung der Bremskraft schnelle und feinfühlige Bremskraftregelungen realisiert werden können, die weitestgehend von dem aktuellen Reibbeiwert zwischen Bremsbacken und Bremsscheibe unabhängig sind. Damit kann der Einfluss von verschleiss-, temperatur- und feuchtigkeitsabhängigen Veränderungen des Reibbeiwertes auf die Bremswirkung effektiv unterdrückt werden.
Zur Bestimmung von Bremskräften an Reibbremsen sind aus der Literatur verschiedene Lösungsvorschläge bekannt.
Eine möglichst genaue Bremskraftregelung soll in DE 196 39 686 A1 dadurch erzielt werden, dass ein Kraftsensor an einer Befestigungsschraube für den Bremssattel einer Fahrzeugbremse, der an einem feststehenden Halter montiert wird, angebracht ist. Zum Erkennen der Bremskraftrichtung wird eine Anordnung mit zwei Befestigungsschrauben, an denen je ein Kraftsensor angebracht ist, in DE 196 39 686 A1 vorgeschlagen.
In DE 196 37 614 A1 wird zur Bestimmung der Bremsmomente bzw. -kräfte für Fahrzeugbremsen ein Kraftsensor angegeben, der auf dem Prinzip der induktiven Kopplung beruht. Dabei wirken die Bremskräfte auf einen Verformungskörper, in den eine Primär- und eine Sekundärspule eingelassen sind, Bei der Verformung dieses Körpers wird die induktive Kopplung zwischen beiden Spulen beeinflusst, wodurch auf der Sekundärseite ein kraftproportionales Messsignal erzeugt wird.
Ein aktorintegrierter Kraftsensor zur genauen und eindeutigen Erfassung von Bremskräften wird in DE 199 58 903 A1 beschrieben. Bei dieser Lösung wird ein kapazitiver Kraftsensor in den Aktor, der als Bremskolben wirkt, integriert bzw. direkt mit ihm verkoppelt.
In DE 100 21 601 A1 wird eine Fahrzeugbremsanlage dargestellt, bei der zur Beurteilung der Bremswirkung der Anlage die Zuspannkraft auf die Bremsbacken gemessen wird. Dadurch soll es möglich sein, bei nachlassender Bremswirkung die Bremse nachzustellen.
Ein Kraftsensor zur Bremsmomenten-Bestimmung wird auch in DE 101 46 252 beschrieben, allerdings für verschleissfreie Bremsen. Dieser Bremsentyp unterliegt anderen Anforderungen als Reibbremsen.
Bei der in DE 196 39 686 A1 vorgeschlagenen Lösung wird der Nullpunkt der Kraftmesseinrichtung vom Anzugsmoment der Befestigungsschrauben beeinflusst. Bei einer wiederholten Montage des Bremssattels muss eine Neukalibrierung des Nullpunktes vorgenommen werden oder die Montage mit einem sehr präzisen Anzugsmoment erfolgen. Beide Maßnahmen sind mit zusätzlichen Aufwendungen verbunden bzw. nicht praktikabel. Durch die relativ nah an den Bremsbacken gewählte Anordnung der Kraftmesselemente ist mit einer starken Temperaturbelastung mit großen Temperaturgradienten in den Messstellen zu rechnen. Solche für Messsysteme extremen Bedingungen begrenzen sowohl deren Präzision, als auch ihre langzeitstabilität erheblich. Die störende Wirkung von Kräften quer zur Bremsrichtung wurde bei dieser Lösung nicht berücksichtigt.
Kraftsensoren mit induktiver Kopplung, wie sie in DE 196 37 614 A1 vorgeschlagen werden, erfordern eine Signalverarbeitung für kleine Wechselgrößen, die in der Regel teurer ist als jene mit Gleichgrößenerregung vergleichbarer Signalbandbreite. Da bei einer Fahrzeugbremse immer mit Kraftkomponenten quer zur Bremskraftrichtung zu rechnen ist, erfordert die Lösung aus DE 196 37 614 A1 zusätzliche Maßnahmen, diese Störgrößen zu unterdrücken, die weitere Kosten verursachen. Darüber hinaus wird bei dieser Lösung die Langzeitstabilität der mechanischen Kopplung zwischen dem Verformungskörper und den Spulen in räumlicher Anordnung als kritisch angesehen. Die thermische Belastung bei DE 199 58 903 A1 ist durch die Nähe zur Bremsbacke extrem. Auch wenn das Kraftsensorelement selbst thermisch stabil gestaltet werden kann, erscheint die Temperaturbelastung für die Signalverarbeitungselektronik sehr hoch, die bei den meisten sensorischen Lösungen zumindest als Signalvorverarbeitung erforderlich ist. Darüberhinaus wird bei der in DE 199 58 903 A1 vorgestellten Lösung nur die Zustellkraft, die der Aktor erzeugt, gemessen. Eine direkte Bremskraftbestimmung ist mit dieser Anordnung nicht möglich, da bei diesem Vorschlag nur die Zuspannkraft der Bremse gemessen wird. Die Bremskraft lässt sich aus der Zuspannkraft nur ermitteln, wenn der aktuelle Reibbeiwert bekannt ist.
Für eine präzise elektronische Regelung einer Reibbremse soll eine Messeinrichtung geschaffen werden, mit der es möglich ist, die Bremsmomente einer Reibbremse möglichst unmittelbar zu erfassen. Die Anordnung soll so gewählt sein, dass Bauraum für eine Sensorsignalverarbeitung vor Ort zur Verfügung steht und die thermische Belastung derselben nicht höher ist als für Kraftfahrzeugelektronik allgemein üblich. Weiterhin soll es möglich sein, die Messeinrichtung separat vom Bremssystem zu kalibrieren. Der Einbau des Bremssystems in die Bremsanlage soll ohne Nachkalibrierung erfolgen können. Querkrafteinflüsse auf die Bremskraftbestimmung sollen von der Erfindung weitestgehend unterdrückt werden können. Mit der Erfindung soll eine hohe Langzeitstabilität der Bremskraftbestimmung ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Durch Verwendung eines Verformungskörpers mit mindestens zwei Biegezonen in einem definierten Abstand kann eine hohe Unterdrückung von Querkräften und Quermomenten erzielt werden, die die Bestimmung der Bremskraft verfälschen würden. Gleichzeitig ist mit dieser Erfindung eine ausreichende Empfindlichkeit in Mess- bzw. Bremsrichtung erzielbar. Für die mechanische Ankopplung des Verformungskörpers an die Kraftmesszelle im Sensor können ausschließlich langzeitstabile, stoffschlüssige Schweissverbindungen verwendet werden, da die Trägermaterialien aller sensorisch relevanten Bauteile im Kraftsensor einschließlich des mechano-elektrischen Wandlers aus Stahl gefertigt sind.
Vorteilhaft ist auch die leichte Anpassbarkeit der Einrichtung an veränderte konstruktive Randbedingungen und Messbereiche durch kleine Dimensionierungsänderungen an dem Verformungskörper, ohne das Grundprinzip der Vorrichtung ändern zu müssen.
Durch die in der Erfindung vorgeschlagene abgesetzte Anordnung des Kraftsensors zwischen Bremse und den feststehenden Teilen der zu bremsenden Anlage wird eine deutlich geringere thermische Belastung der Kraftmessstelle erzielt, als bei bisher bekannten Lösungen für Bremskraftbestimmungen mit Messstellen in direkter Umgebung der Bremsbacken. Vorteilhafterweise ist an dem vorgeschlagenen Einbauort die Bremskraft direkt bestimmbar ohne dass mit extremen Bauraumbeschränkungen für eine im Sensor integrierte Elektronik zu rechnen ist.
Die Sensormontage ist ohne Rückwirkung auf das Kalibrierergebnis möglich, da die Montagekräfte vom Messkraftfluss entkoppelt sind. In Verbindung mit einer integrierten Sensorelektronik, die die Temperaturkompensation der Anordnung im gesamten Betriebstemperaturbereich realisiert, ist dadurch eine vom Bremssystem getrennte Kalibrierung des Kraftsensors möglich. Die mechanische Kopplung an die Bremse bzw. an den feststehenden Teil der Anlage braucht nur starr und stabil zu sein. Diese Forderung kann bereits mit einfachen Schraubverbindungen sichergestellt werden. Es werden keine weiteren funktionellen Forderungen an sie gestellt.
Hommel, M. DE 196 37 614 A1 , 1996
Demel, U. DE 196 39 686 A1 , 1996
Doemens, G.; Spriegel, D.; Wünsche, H. DE 199 58 903 A1 , 1999
Kufner, Th.; Vielwerth, G. DE 100 21 601 A1 , 2000
Reisch, B.; Sauter, F.; Martin, J.; Halter, J. DE 10146 252 A1 , 2001
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Kraftsensors für Reibbremsanlagen, der als Trägerkomponente für die Bremsanlage ausgebildet ist. Der Verformungskörper (1) besitzt eine feststehende Seite (7), die mit dem feststehenden Teil der zu bremsenden Anlage vorzugsweise über Schraubverbindungen in (3) starr verbunden wird. Über zwei Biegezonen (2), die als Federelemente wirken, ist die bewegliche Seite (8) des Verformungskörpers (1) angebunden. An diese Seite (8) wird ebenfalls vorzugsweise mittels Schraubverbindungen in (4) die Reibbremse starr montiert. Zwischen den beiden Biegezonen (2) ist der Dehnkörper (9) mit einem Messwandler in Form eines Biegebalkens (10) angeordnet. Eine mögliche Ausführungsvariante wird in 3 dargestellt. Der Biegebalken (10), der vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist, trägt piezoresistive Messwandlerelemente. Durch eine stoffschlüssige Verbindung, die vorzugsweise als Schweissverbindung ausgeführt wird, ist die Biegeplatte (6) an seiner beweglichen Seite (12) mit der beweglichen Seite (8) des Verformungskörpers (1) starr verbunden. Seine feststehende Seite (11) ist in gleicher Weise stoffschlüssig an die feststehende Seite (7) des Verformungskörpers (1) angebunden. Vergleiche dazu auch 2.
Durch die Anordnung des Kraftsensors im Kraftfluss zwischen Bremse und feststehenden Anlagenteilen erfüllt der Kraftsensor nicht nur Messaufgaben, sondern ist gleichzeitig Träger und Abstützung der Bremsanlage und mechanisches Koppelelement zwischen der Bremse und den feststehenden Teilen der Anlage an die die Bremse montiert wird.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass durch die gewählte Positionierung des Kraftsensors in der Anlage und seine Gestaltung die Bremskraft direkt und vollständig auf die Messeinrichtung wirkt.
Tritt eine Bremskraft F auf, erfährt die an den Biegezonen (2) federnd aufgehängte Seite (8) eine Auslenkung s in Bremskraftrichtung relativ zur feststehenden Seite (7) des Verformungskörpers (1), die in 4 gezeigt wird. Diese Auslenkung s ist in Betrag und Richtung proportional zur Bremskraft. Durch die starre Kopplung des Verformungskörpers (1) an die Biegeplatte (6) und wiederum des Biegebalkens an die Biegeplatte wird die Auslenkung s in eine Dehnung der mechano-elektrischen Messwandler gewandelt. Auf diese Weise wird aus der Bremskraft F in ein proportionales elektrisches Messsignal erzeugt.
Da der erfindungsgemäße Kraftsensor eine Komponente der Bremsanlage ist, die im Kraftfluss zwischen Bremse und feststehenden Anlagenteilen angeordnet wird und alle in diesem Bereich wirkenden Kräfte aufnimmt, muss er einerseits eine ausreichende Empfindlichkeit in Richtung der zu messenden Bremskräfte besitzen, aber möglichst unempfindlich sein gegenüber Querkräften der Bremsanlage, wie in 1 mit FQ bzw. MQ angedeutet, sowie dynamischen Kraftanteilen, die durch Beschleunigung der Masse der Bremsanlage hervorgerufen werden können. Durch Verwendung von zwei Biegezonen in einem bestimmten Abstand zueinander kann ein hohes Flächenträgheitsmoment des Verformungskörpers (1) quer zur Bremskraftrichtung eingestellt werden. Gleichzeitig bleibt in Messrichtung ein deutlich kleineres Flächenträgheitsmoment und damit die in Messrichtung gewünschte Empfindlichkeit des Sensors erhalten.
1: Verformungskörper des Kraftsensors mit zwei Biegezonen
2: Kopplung zwischen Verformungskörper und Biegeplatte des Kraftsensors
3: Dehnmesskörper mit Biegebalken in 2D-Darstellung
4: Dehnmesskörper mit Biegebalken in 3D-Darstellung mit angezeigter kraftproportionaler Auslenkung s
Bezugszeichenliste

1: Verformungskörper
2: Biegezone
3: Montagebohrung an fester Anlagenseite
4: Montagebohrung an beweglicher Bremsseite
5: Auslenkungskopplung in Messrichtung
6: Biegeplatte
7: Feststehende Seite des Verformungskörpers
8: Bewegliche Seite des Verformungskörpers
9: Dehnmesskörper mit Biegebalken
10: Biegebalken mit piezoresistiven Messwandlern
11: Feststehende Seite der Biegeplatte, die mit der feststehenden Seite des Verformungskörpers starr verbunden ist
12: Bewegliche Seite der Biegeplatte, die mit der beweglichen Seite des Verformungskörpers starr verbunden ist
13: Mittelsteg des Biegebalkens der durch eine starre Ankopplung an die bewegliche Seite des Verformungskörpers einer bremskraftproportionalen Auslenkung unterzogen wird,
F: Bremskraft (Messrichtung), die auch negativ werden kann
FQ: Querkraft orthogonal zur Messrichtung (Störgröße)
MQ: Quermoment durch Querkraft erzeugt (Störgröße)

Claims

Vorrichtung zum direkten Messen von Bremsmomenten und/oder Bremskräften an Reibbremsen für rotierende Körper dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftmesseinrichtung zwischen der Reibbremse und den feststehenden Teilen der zu bremsenden Anlage angeordnet ist, wobei die Kraftmesseinrichtung aus einem Verformungskörper (1) mit mindestens zwei Biegezonen (2), die in Messrichtung hintereinander angeordnet sind und mindestens einem mechano-elektrischen Messwandler aus Stahl oder mindestens einem mechano-elektrischen Messwandler auf einem Stahlsubstrat besteht, und wobei der Verformungskörper (1) und der Messwandler stoffschlüssig verbunden sind, wodurch eine Übertragung der bremskraftproportionalen Verformung des Verformungskörpers (1) auf den Messwandler erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Biegezonen (2) in einem solchen Abstand angeordnet und so dimensioniert sind, dass das Flächenwiderstandsmoment des Verformungskörpers (1) quer zur Mess- und/oder in Bremsrichtung höher als in Messrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Messwandler zwischen mindestens zwei Biegezonen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwandler in der biegeneutralen Faser des Verformungskörpers (1) orthogonal zur Messrichtung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Messwandler außerhalb der biegeneutralen Faser orthogonal zur Messrichtung zur Erfassung von Querkräften und aus Redundanzgründen angeordnet ist
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung zusammen mit einer Signalverarbeitungselektronik eine Baueinheit bildet.