DE102005060024A1 - Verfahren und Bremssystem zum Einstellen einer Nullposition eines Bremsbackens - Google Patents

Verfahren und Bremssystem zum Einstellen einer Nullposition eines Bremsbackens

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Nullposition einer Reibungsfläche insbesondere eines Bremsbackens in einem elektromechanischen Bremssystem; mit folgenden Schritten:
- Schätzen einer Abriebgröße, die den Abrieb an der Reibungsfläche bestimmt, bei jedem Bremsvorgang;
- Integrieren der geschätzten Abriebgrößen während einer bestimmten Zeitdauer, um eine Gesamtabriebsgröße zu erhalten;
- Einstellen der Nullposition der Reibungsfläche abhängig von der bestimmten Gesamtabriebsgröße.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Nullposition eines Bremsbackens in einem elektromechanischen Bremssystem. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektromechanisches Bremssystem, insbesondere ein Bremssystem mit einem Bremsbacken und einer Bremsscheibe, die zum Bewirken einer Bremskraft aufeinander gepresst werden.
  • Ein elektromechanisches Bremssystem bewirkt eine Bremskraft durch das Aktivieren eines Bremsaktors. Der Bremsaktor übt eine Klemmkraft zwischen zwei Reibungsflächen, z. B. einem Bremsbacken und einer Bremsscheibe auf. Beim Lösen der Bremse wird der Bremsbacken von der Bremsscheibe wegbewegt, so dass die Klemmkraft zwischen dem Bremsbacken und der Bremsscheibe abfällt und im vollständig gelösten Fall die Bremsbacken über eine Bremsfläche der Bremsscheibe quasi zu reibungslos entlanggleitet.
  • Ein Steuerelement des Bremssystems steuert den Bremsaktor so, dass zum Erreichen einer bestimmten Bremskraft der Bremsbacken auf die Bremsscheibe gedrückt wird und beim Lösen der Bremse der Bremsbacken in eine Nullposition verfahren wird, d.h. die Position, bei der der Bremsbacken über die Bremsscheibe gleitet, ohne eine Bremswirkung auszuüben.
  • Das Bremsen erfolgt durch die Reibung zwischen den Bremsbacken und der Bremsscheibe, wodurch bei jedem Bremsvorgang ein Abrieb auftritt, der die Dicke des Bremsbackens verändert. Um unabhängig von der Dicke des Bremsbackens ein gleich bleibendes Bremsverhalten zu erhalten, muss die Position des Bremsbackens bei einem Abrieb neu justiert werden, z. B. damit ein die Ansprechzeit der Bremse vergrößernder Abstand zwischen dem Bremsbacken und der Bremsscheibe verringert wird.
  • Bei hydraulischen Bremsaktoren wird dieses Problem durch Selbstjustage gelöst, wobei die automatische Justierung des Bremsbackens durch die elastische Verformung eines O-Ringähnlichen Elementes, das den Bremszylinder verschließt, gewährleistet ist. Unter der Einwirkung einer Bremskraft wird der Bremssattel gegen die Rückseite des Bremsbackens bewegt, wodurch der Bremsbacken gegen z. B. die Bremsscheibe gedrückt wird und so die Bremskraft bewirkt. Aufgrund der Bewegung des Sattels wird der O-Ring, der den Bremszylinder verschließt, deformiert. Wenn der Bremsdruck weggenommen wird, kehrt der O-Ring aus seiner Deformation zurück, wodurch der Kolben von dem Bremsbacken wegbewegt wird. Abhängig von z. B. der Elastizität des O-Rings, der Masse des Kolbens und der Viskosität der Bremsflüssigkeit wird der Kolben auf eine bestimmte Position zurückbewegt, die sicherstellt, dass sogar bei erwärmten Bremsen keine oder eine minimale verbleibende Bremskraft bewirkt wird. Auf diese Weise wird eine automatische Selbstjustierung der Bremsbacken realisiert.
  • Da im Falle eines elektromechanischen Bremssystems keine Bremsflüssigkeit vorhanden ist, ist die oben beschriebene Lösung mit einem einfachen O-Ring nicht machbar. Insbesondere hat die Tatsache, dass im Falle eines elektromechanischen Bremssystems nicht nur der Bremsbacken von der Bremsscheibe wegbewegt werden muss, sondern auch der gesamte Bremsaktor, der z. B. einen Motor, ein Getriebe und eine Spindel umfassen kann, sind vergleichbare Lösungen, die ein elastisches Element zwischen dem Bremssattel und dem Bremsbacken vorsehen, nicht vorteilhaft. In diesem Fall wird der notwendige Energieaufwand, um diese Komponenten zurückzufahren, deutlich höher, so dass ein größeres federartiges Element notwendig ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Nullposition nicht gesteuert werden kann, so dass das Zurücksetzen der Bremsbacken auf verschiedene Nullpositionen erfolgt. Dadurch ist ein vordefiniertes Bremsverhalten nicht sichergestellt.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen der Nullposition eines Bremsbackens in einem elektromechanischen Bremssystem zur Verfügung zu stellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und ein gleich bleibendes vordefiniertes Bremsverhalten ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromechanisches Bremssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem in verbesserter Weise ein vordefiniertes gleich bleibendes Bremsverhalten erreicht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch das Bremssystem nach Anspruch 7 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einer Nullposition einer Reibungsfläche, insbesondere eines Bremsbackens in einem elektromechanischen Bremssystem vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Schätzens einer Abriebsgröße, die den Abrieb an der Reibungsfläche bestimmt, bei jedem Bremsvorgang, des Integrierens der geschätzten Abriebsgrößen während einer bestimmten Zeitdauer, um eine Gesamtabriebsgröße zu erhalten, und des Einstellens der Nullposition der Reibungsfläche abhängig von der bestimmten Gesamtabriebsgröße.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, durch Schätzung den Gesamtabrieb der Reibungsfläche, wie z. B. des Bremsbackens bzw. der Bremsscheibe zu ermitteln und abhängig von dem Gesamtabrieb die Nullposition der Reibungsfläche zu justieren.
  • Vorzugsweise erfolgt das Einstellen der Nullposition in regelmäßigen Zeitabständen. Alternativ kann das Einstellen der Nullposition auch zu einem von der Gesamtabriebsgröße abhängigen Zeitpunkt durchgeführt werden. Insbesondere kann dazu die Gesamtabriebsgröße mit einem bestimmten Grenzwert verglichen werden und das Einstellen der Nullposition durchgeführt werden, wenn die Gesamtabriebsgröße einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Schätzen der Abriebsgröße mithilfe eines Abriebsmodells durchgeführt. Dies ermöglicht es, anhand von bekannten Bremsparametern den Abrieb an der Reibungsfläche abzuschätzen. Vorzugsweise wird das Schätzen der Abriebsgröße abhängig von mindestens einer der folgenden Größen durchgeführt: Reibungskoeffizient zwischen Reibungsflächen, lokaler Druck zwischen den Reibungsflächen, Geschwindigkeit, mit der die Reibungsflächen aufeinander reiben, und Geometrien der Reibungsflächen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektromechanisches Bremssystem zum Einstellen einer Nullposition vorgesehen. Das Bremssystem umfasst eine erste und eine zweite Reibungsfläche, einen Bremsaktor zum Bewirken einer Druckkraft zwischen der ersten und der zweiten Reibungsfläche bei einem Bremsvorgang ausgehend von einer Nullposition und zum Auseinanderfahren der ersten und der zweiten Reibungsfläche auf die Nullposition, eine Schätzeinheit zum Schätzen einer Abriebsgröße bei jedem Bremsvorgang, wobei die Abriebsgröße den Abrieb an einer der Reibungsflächen angibt und eine Justiereinheit, die die geschätzten Abriebsgrößen während einer bestimmten Zeitdauer integriert, um eine Gesamtabriebsgröße zu erhalten, wobei die Justiereinheit gestaltet ist, um die Nullposition der Reibungsfläche abhängig von der bestimmten Gesamtabriebsgröße einzustellen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Justiereinheit ausgebildet sein, um das Einstellen der Nullposition in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen.
  • Vorzugsweise ist die Justiereinheit ausgebildet, um das Einstellen der Nullposition abhängig von der Gesamtabriebsgröße durchzuführen. Dazu kann das Einstellen der Nullposition durchgeführt werden, wenn die Gesamtabriebsgröße einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
  • Vorzugsweise ist die Schätzeinheit ausgebildet, um das Schätzen der Abriebsgröße mithilfe eines Abriebsmodells durchzuführen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt ein elektromechanisches Bremssystem 1 z. B. eines Fahrzeugs mit einer Bremse 2, die durch eine Steuereinheit 3 elektrisch angesteuert wird. Die Steuereinheit 3 kann beispielsweise mit einem Bremspedal (nicht gezeigt) oder einer Fahrsteuerung (nicht gezeigt) verbunden sein, so dass die Steuereinheit 3 bei einem Betätigen des Bremspedals oder bei einem Bremskommando die Bremse 2 elektrisch so ansteuert, dass eine Bremswirkung erreicht wird. Die Steuereinheit 3 kann mit mehreren, insbesondere allen Bremsen des Fahrzeugs verbunden sein. Der Einfachheit halber ist das Bremssystem 1 nur mit einer Bremse dargestellt.
  • Die Bremse 2 umfasst einen Bremsaktor 4, der mit mindestens einer von zwei Bremsbacken 5 gekoppelt ist, die zum Erreichen einer Bremswirkung auf eine Bremsscheibe 6 gedrückt wird, so dass eine Reibungsfläche 7 des Bremsbackens auf eine gegenüberliegende weitere Reibungsfläche 8 der Bremsscheibe 6 gedrückt wird. Dadurch wird eine Brennkraft erzeugt, die der Rotation der Bremsscheibe 6 um die Achse 9 entgegen wirkt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Bremsaktor 4 mit dem Bremsbacken 5 über eine Spindel 10 gekoppelt, die ein Verfahren des Bremsbackens 5 senkrecht in Richtung der Bremsscheibe abhängig von der Ansteuerung des Bremsaktors 4 ermöglicht. Es sind vielfältige Möglichkeiten denkbar, den Bremsaktor 4 auszubilden und die Kopplung zwischen dem Bremsaktor 4 und dem Bremsbacken 5 vorzusehen. Wesentlich hierbei ist, dass der Bremsaktor 4 elektrisch ansteuerbar ist und dass die Kopplung so gestaltet ist, dass der Bremsbacken 5 sowohl in Richtung der Bremsscheibe 6 als auch in der entgegengesetzten Richtung, also weg von der Bremsscheibe 6 durch den Bremsaktor 4, bewegt werden kann.
  • Wie oben erwähnt, beginnt ein Bremsvorgang ausgehend von einer Nullposition, d.h. die Position, in der sich der Bremsbacken 5 befindet, wenn keine Bremswirkung vorliegen soll, d.h. die Reibungsfläche 7 des Bremsbackens 5 gleitet bzw. schwebt mit geringem Abstand über der weiteren Reibungsfläche 8 der Bremsscheibe 6.
  • Die Nullposition wird initialisiert, z. B. indem im Ruhezustand der Bremsaktor 4 dem Bremsbacken 5 auf die Bremsscheibe 6 verfährt und das Drehmoment misst, das an dem Bremsaktor 4 anliegt und durch Messen der Motorgeschwindigkeit und der Position der Spindel (z. B. durch die Integration der Motorumdrehungen). Sobald der Bremsbacken den Spalt zwischen den Reibungsflächen 7, 8 schließt, wirkt die Druckkraft zwischen den Reibungsflächen und bewirkt ein Bremsmoment. Dadurch wird die Nullposition detektiert und in der Steuereinheit 3 in einem dort vorgesehenen Speicherelement 11 gespeichert. Alternativ ist es möglich, den Bremsaktor mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit zu bewegen und das notwendige Drehmoment (z. B. durch Messen der Stromaufnahme des Bremsaktors) zu überwachen. Eine Erhöhung der Stromaufnahme zeigt das Auftreffen des Bremsbackens 5 auf der Bremsscheibe 6 an. Beide Verfahren dienen lediglich zur Initialisierung und berücksichtigen nicht den möglichen Abrieb der Bremsbacken während eines Bremsvorgangs oder eine zeitweilige thermische Deformation. Diese Faktoren könnten ansonsten zu einer verbleibenden Bremswirkung führen, da die Reibungsflächen 7, 8 z. B. noch aneinander anliegen oder ein zu starkes Zurückfahren des Bremsbackens bewirken, was die Folge hat, dass die Dynamik der nachfolgenden Bremsvorgänge reduziert ist.
  • Erfindungsgemäß soll nun die Nullposition angepasst werden abhängig von einem geschätzten Abrieb an den Reibungsflächen des Bremsbackens 5 und der Bremsscheibe 6. Ist eine neue Nullposition ermittelt, so kann beispielsweise bei einem Bremsvorgang der Bremsbacken 5 von einer bisherigen Nullposition in Richtung der Bremsscheibe 6 verfahren werden und bei Lösen der Bremse der Bremsbacken 5 auf die neue Nullposition verfahren werden. Dies kann beispielsweise bei einem Stillstand des Fahrzeuges, in dem das Bremssystem vorgesehen ist, automatisch erfolgen oder bei langsamer Fahrt des Fahrzeugs bei einem durch den Fahrer des Fahrzeugs ausgelösten Bremsvorgang.
  • Die Abriebe des Bremsbackens 5 und der Bremsscheibe 6 jeder der mit der Steuereinheit 3 verbunden Bremse 2, werden durch eine Justiereinheit 12 geschätzt. Die Justiereinheit 12 kann sich in der Steuereinheit 3 befinden und erfasst alle die Bremsen betreffenden Parameter, wie z. B. die Anzahl der Bremsvorgänge, die jeweils ausgeübten Bremskräfte, die Dauer der Bremsvorgänge usw. Die Justiereinheit kann den Abrieb für jede in einem Fahrzeug befindliche Bremse bestimmen und ein Statussignal bereitstellen, das es dem Steuersystem 3 ermöglicht, mehrere an dem Steuersystem 3 angeschlossene Bremsen so zu betreiben, dass ein gleichmäßiger Abrieb der Bremsbacken erfolgt, so dass ein Austausch der Bremsbacken bzw. Bremsscheiben zu einem einzigen Wartungstermin erfolgen kann. So kann beispielsweise bei einem verstärkten Abrieb der Bremsen an den Vorderrädern nachfolgende Bremsvorgänge verstärkt auf die Bremsen an den Hinterrädern verlagert werden und umgekehrt.
  • Die Justiereinheit 12 umfasst eine Schätzeinheit 13, die den Abrieb des Bremsbackens 5 wie folgt schätzt: Es wird zunächst von der Reye-Hypothese ausgegangen, die besagt, dass das Volumen des abgeriebenen Materials proportional zur Reibungsarbeit ist. Damit ist es sowohl für die Bremsscheibe 6 als auch für den Bremsbacken 5 möglich, das Abriebverhalten mit folgenden Gleichungen zu bestimmen: dL = f·p·ω·r·dA (1) δ·dA = k·f·p·ω·r·dA (2) δ = k·f·p·ω·r (3)
    Figure 00080001
    wobei L der Reibungsarbeit, f dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Paar Bremsbacke-Bremsscheibe, p dem lokalen Druck zwischen der Bremsscheibe und dem Bremsbacken, ω der Winkelgeschwindigkeit der Bremsscheibe, r der Radialkoordinate des betrachteten Elementes, A der Fläche, δ der Abriebdicke und φ der Winkelkoordinate des Elementes entspricht.
  • Die Gleichung (4) ist von der Hypothese abgeleitet, dass der Abrieb eines einzelnen Bremsbackens konstant ist. Um die Abriebdicke δ zu bestimmen, ist es daher notwendig, die Werte der Konstanten k zu kennen, die z. B. von den zwei Materialien für die Bremsscheibe und dem Bremsbacken abhängt und von den Bedingungen, wie z. B. der relativen Geschwindigkeit zwischen der Bremsscheibe und dem Bremsbacken (siehe auch ω, das z. B. von einem Geschwindigkeitssensor für den Reifen bekannt ist) und der Temperatur der Oberflächen abhängt. Die Konstante k kann mit einem zusätzlichen thermischen Modell, das von der ersten Gleichung und dem thermischen Austausch mit der Umgebung abhängt, bestimmt werden.
  • Weiterhin müssen die Reibungskoeffizienten der Bremsbacken bekannt sein. Dies ist teilweise durch die Gestaltung des Bremsbackens bekannt, wobei Änderungen aufgrund der Tempera tur oder anderen Effekten, wie z. B. der Korrosion der Bremsbacken, auftreten können. Auch die Druckverteilung p(r) muss bekannt sein. Hierfür können die folgenden Gleichungen verwendet werden.
    Figure 00090001
    wobei N der Normalkraft, die auf den Bremsbacken ausgeübt wird, die z. B. mit einem geeigneten Sensor gemessen wird oder von einem Modell aus z. B. dem Bremsaktormoment und der Geschwindigkeit des Bremsaktors abgeleitet wird, φ der Winkelauslenkung der Bremsbacken, r0 dem kleinsten Radius der Bremsscheibe, an dem die Bremsbacken mit der Bremsscheibe in Kontakt kommen, r1 dem maximalen Radius der Bremsscheibe, wo die Bremsbacken in Kontakt mit der Scheibe gelangen, pk der Druckverteilungskonstante, Mb dem Bremsmoment, das z. B. durch die Verzögerung des Reifens und des Fahrzeuges bestimmt werden kann, entsprechen.
  • Mit der Gleichung (9) ist es dann möglich, den Reibungskoeffizienten f zu bestimmen. Durch die Gleichung (8) ist die Druckverteilung bekannt. Daher kann das Modell der Gleichung (3) so verwendet werden, um die Werte von δ zu bestimmen. Die zwei Werte, die man für entsprechende Berechnungen bezüglich der Bremsscheibe und des Bremsbackens erhält, zusammen mit den Daten aus dem thermischen Modell, das die thermische Verformung bestimmt, werden verwendet, um die Nullposition der Spindel bzw. des Bremsbackens zu initialisieren, ohne einen speziellen Justiervorgang der Bremsbacken durchführen zu müssen.
  • Eine besondere Bedingung tritt auf, wenn die Bremsbacken ausgetauscht werden müssen. Dabei muss auch das Abriebmodell initialisiert werden. Dies kann in einem elektromechanischen Bremssystem auf einfache Weise realisiert werden, da jede Betätigung des Bremsaktors einschließlich dem Austausch der Bremsbacken ausgeführt werden muss, nachdem der Bremsaktor in eine sichere Position verfahren ist, z. B. mit einem Diagnosebefehl (um z. B. eine automatische Aktivierung der Bremsen während der Wartung zu vermeiden, so dass Verletzungen des Wartungspersonals vermieden werden können). Dieser besondere Betriebsmodus des Bremsaktors wird wieder bei dem Diagnosebefehl verlassen, der dann auch das Abriebmodell neu initialisiert.
  • Die Schätzung des Abriebs bei jedem Bremsvorgang, insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren, kann selbstverständlich auch bei einem herkömmlichen hydraulischen Bremssystem verwendet werden, vorausgesetzt, dass alle erforderlichen Informationen für das Modell verfügbar sind. Mithilfe des Abriebs kann dann zwar nicht die Nullposition des Bremsbackens justiert werden, es ist jedoch möglich, dass wie bei dem elektromechanischen Bremssystem die Gesamtgröße des Abriebs verwendet wird, um den Fahrer des Fahrzeugs zu warnen, dass die Bremsbacken abgenutzt sind.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Einstellen einer Nullposition einer Reibungsfläche (7, 8) insbesondere eines Bremsbackens in einem elektromechanischen Bremssystem (1); mit folgenden Schritten: – Schätzen einer Abriebsgröße, die den Abrieb an der Reibungsfläche bestimmt, bei jedem Bremsvorgang; – Integrieren der geschätzten Abriebsgrößen während einer bestimmten Zeitdauer, um eine Gesamtabriebsgröße zu erhalten; – Einstellen der Nullposition der Reibungsfläche (7, 8) abhängig von der bestimmten Gesamtabriebsgröße.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der Nullposition in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen der Nullposition zu einem von der Gesamtabriebsgröße abhängigen Zeitpunkt durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Einstellen der Nullposition durchgeführt wird, wenn die Gesamtabriebsgröße einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schätzen der Abriebsgröße mit Hilfe eines Abriebmodells durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Schätzen der Abriebsgröße abhängig von mindestens einer der folgenden Größen durchgeführt wird: Reibungskoeffizient zwischen Reibungsflächen, lokaler Druck zwischen den Reibungsflächen, Geschwindigkeit einer Reibungsfläche und Geometrien der Reibungsflächen.
  7. Elektromechanisches Bremssystem (1) zum Einstellen einer Nullposition, umfassend: – eine erste Reibungsfläche (7); – eine zweite Reibungsfläche (8); – einen Bremsaktor (4) zum Bewirken einer Druckkraft zwischen der ersten und der zweiten Reibungsfläche (7, 8) bei einem Bremsvorgang ausgehend von einer Nullposition und zum Auseinanderfahren der ersten (7) und der zweiten Reibungsfläche (8) auf die Nullposition; – eine Schätzeinheit (13) zum Schätzen einer Abriebsgröße bei jedem Bremsvorgang, wobei die Abriebsgröße den Abrieb an einer Reibungsfläche angibt, – eine Justiereinheit (12), die die geschätzten Abriebsgrößen während einer bestimmten Zeitdauer integriert, um eine Gesamtabriebsgröße zu erhalten, wobei die Justiereinheit (12) gestaltet ist, um die Nullposition einer der Reibungsflächen (7, 8) abhängig von der bestimmten Gesamtabriebsgröße einzustellen.
  8. Bremssystem nach Anspruch 7, wobei die Justiereinheit (12) ausgebildet ist, um das Einstellen der Nullposition in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen.
  9. Bremssystem nach Anspruch 7, wobei die Justiereinheit (12) ausgebildet ist, um das Einstellen der Nullposition abhängig von der Gesamtabriebsgröße durchzuführen.
  10. Bremssystem nach Anspruch 9, wobei die Justiereinheit (12) ausgebildet ist, um das Einstellen der Nullposition durchzuführen, wenn die Gesamtabriebsgröße einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
  11. Bremssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Schätzeinheit (13) ausgebildet ist, um das Schätzen der Abriebsgröße mit Hilfe eines Abriebmodells durchzuführen.
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