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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer Nullposition
einer Reibungsfläche
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.
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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 aus. 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
der Bremsbacken über
eine Bremsfläche
der Bremsscheibe quasi reibungslos hinweggleitet.
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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.
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Das
Bremsen erfolgt durch Reibung zwischen wenigstens einem 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.
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Bei
hydraulischen Bremsaktoren wird dieses Problem durch Selbstjustage
gelöst,
wobei eine automatische Justierung des Bremsbackens durch die elastische
Verformung eines O-Ringähnlichen
Elements, 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.
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Die
DE 34 07 716 A1 offenbart
eine Einrichtung zum Messen der Stärke vom Verschleißteilen,
wobei anhand eines Verschleißmodells
eine Abnutzung von Kupplungs- oder Bremsbelägen durch ein Modell simulierbar
ist. Das Modell verwendet hierfür
eine Betätigungszeit
der Bremsbeläge,
einen Bremsdruck sowie eine Drehzahl einer Bremsscheibe.
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Die
DE 43 16 993 C2 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Zustands einer
Fahrzeugbremsanlage bezüglich
einer Restdicke von Bremsbelägen
und/oder einer Temperatur einer Bremsscheibe.
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Die
DE 101 50 047 A1 offenbart
ein Steuerungsverfahren zum Ansteuern eines elektromotorisch betriebenen
Nachstellsystems für
eine pneumatisch oder elektromotorisch betätigbare Scheibenbremse, wobei das
Nachstellsystem einer Lüftspieleinstellung
der Scheibenbremse dient. Das Steuerungsverfahren errechnet die
bei einer Bremsung auftretende Bremsenergie, vergleicht diese mit
einem Bremsenergiegrenzwert und steuert das Nachstellsystem bei
einem Überschreiten
des Bremsenergiegrenzwerts entsprechend an.
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Die
nachveröffentlichte
DE 10 2004 045 951
A1 offenbart ein Verfahren zum Einstellen eines Lüftspiels zwischen
Bremsbelägen
und einer Bremsscheibe einer pneumatisch betätigbaren Scheibenbremse, mittels
einer oder einer Mehrzahl von elektromotorisch angetriebenen Nachstellvorrichtungen.
Mittels eines Rechners werden Veränderungen des Lüftspiels
infolge von Bremsungen durch eine rechnerische Prognose ermittelt, wobei
ein Verschleiß und
eine zeitliche Veränderung
von Komponenten der Bremse infolge der freigesetzten Energie einbezogen
wird.
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Da
im Falle eines elektromechanischen Bremssystems keine Bremsflüssigkeit
vorhanden ist, ist die oben beschriebene Lösung mit einem einfachen O-Ring
nicht anwendbar. Insbesondere hat die Tatsache, dass im Fall eines
elektromechanischen Bremssystems nicht nur die 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 ein notwendiger
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 ein Zurücksetzen
der Bremsbacken auf verschiedene Nullpositionen erfolgt. Dadurch
ist ein vordefiniertes Bremsverhalten nicht sichergestellt.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein
Bremssystem nach Anspruch 8 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
wird das Schätzen
der Abriebsgröße mithilfe
eines Abriebsmodells durchgeführt.
Dies ermöglicht
es, anhand von bekannten Bremsparametern den Ab rieb 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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kann die Justiereinheit ausgebildet sein, um das Einstellen der
Nullposition in regelmäßigen Zeitabständen durchzuführen.
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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.
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Vorzugsweise
ist die Schätzeinheit
ausgebildet, um das Schätzen
der Abriebsgröße mithilfe
eines Abriebsmodells durchzuführen.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert.
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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 2 des Fahrzeugs
verbunden sein. Der Einfachheit halber ist das Bremssystem 1 nur
mit einer Bremse 2 dargestellt.
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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 5 auf eine gegenüberliegende weitere Reibungsfläche 8 der
Bremsscheibe 6 gedrückt
wird. Dadurch wird eine Bremskraft 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 6 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.
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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.
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die
Reibungsfläche 7 des
Bremsbackens 5 gleitet bzw. schwebt mit geringem Abstand über der
weiteren Reibungsfläche 8 der
Bremsscheibe 6.
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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 10 (z.
B. durch die Integration der Motorumdrehungen). Sobald der Bremsbacken 5 den
Spalt zwischen den Reibungsflächen 7, 8 schließt, wirkt
die Druckkraft zwischen den Reibungsflächen 7, 8 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 4 mit einer konstanten Rotationsgeschwindigkeit
zu bewegen und das notwendige Drehmoment (z. B. durch Messen der
Stromaufnahme des Bremsaktors 4) 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 5 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 5 bewirken, was die Folge hat, dass die
Dynamik der nachfolgenden Bremsvorgänge reduziert ist.
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Erfindungsgemäß soll nun
die Nullposition angepasst werden, abhängig von einem geschätzten Abrieb
an den Reibungsflächen 7, 8 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 2 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.
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Die
Abriebe des Bremsbackens 5 und der Bremsscheibe 6 jeder
der mit der Steuereinheit 3 verbundenen Bremsen 2,
werden durch eine Justiereinheit 12 geschätzt. Die
Justiereinheit 12 kann sich in der Steuereinheit 3 befinden
und erfasst alle die Bremsen 2 betreffenden Parameter,
wie z. B. die Anzahl der Bremsvorgänge, die jeweils ausgeübten Bremskräfte, die
Dauer der Bremsvorgänge
usw. Die Justiereinheit 12 kann den Abrieb für jede in
einem Fahrzeug befindliche Bremse 2 bestimmen und ein Statussignal
bereitstellen, das es dem Steuersystem 3 ermöglicht,
mehrere an dem Steuersystem 3 angeschlossene Bremsen 2 so
zu betreiben, dass ein gleichmäßiger Abrieb
der Bremsbacken 5 erfolgt, so dass ein Austausch der Bremsbacken 5 bzw.
Bremsscheiben 6 zu einem einzigen Wartungstermin erfolgen
kann. So kann beispielsweise bei einem verstärkten Abrieb der Bremsen an
den Vorderrädern
nachfolgende Bremsvorgänge
verstärkt
auf die Bremsen 2 an den Hinterrädern verlagert werden und umgekehrt.
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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) wobei L der Reibungsarbeit,
f dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Paar Bremsbacke-Bremsscheibe
5–
6,
p dem lokalen Druck zwischen der Bremsscheibe
6 und dem
Bremsbacken
5, ω der
Winkelgeschwindigkeit der Bremsscheibe
6, r der Radialkoordinate
des betrachteten Elements, A der Fläche, δ der Abriebdicke und φ der Winkelkoordinate
des Elements entspricht.
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Die
Gleichung (4) ist von der Hypothese abgeleitet, dass der Abrieb
eines einzelnen Bremsbackens 5 konstant ist. Um die Abriebdicke 6 zu
bestimmen, ist es daher notwendig, die Werte der Konstanten k zu
kennen, die z. B. von den zwei Materialien für die Bremsscheibe 6 und
dem Bremsbacken 5 abhängt
und von den Bedingungen, wie z. B. der relativen Geschwindigkeit
zwischen der Bremsscheibe 6 und dem Bremsbacken 5 (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.
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Weiterhin
müssen
die Reibungskoeffizienten der Bremsbacken
5 bekannt sein.
Dies ist teilweise durch die Gestaltung des Bremsbackens
5 bekannt,
wobei Änderungen
aufgrund der Temperatur oder anderen Effekten, wie z. B. der Korrosion
der Bremsbacken
5, auftreten können. Auch die Druckverteilung
p(r) muss bekannt sein. Hierfür
können
die folgenden Gleichungen verwendet werden.
wobei
N der Normalkraft, die auf den Bremsbacken
5 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
4 abgeleitet wird, φ der Winkelauslenkung der Bremsbacken
5,
r
0 dem kleinsten Radius der Bremsscheibe
6,
an dem die Bremsbacken
5 mit der Bremsscheibe
6 in
Kontakt kommen, r
1 dem maximalen Radius
der Bremsscheibe
6, wo die Bremsbacken
5 in Kontakt
mit der Bremsscheibe
6 gelangen, pk der Druckverteilungskonstante,
Mb dem Bremsmoment, das z. B. durch die Verzögerung des Reifens und des
Fahrzeugs bestimmt werden kann, entsprechen.
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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 6 zu bestimmen. Die zwei
Werte, die man für
entsprechende Berechnungen bezüglich
der Bremsscheibe 6 und des Bremsbackens 5 erhält, zusammen
mit den Daten aus dem thermischen Modell, das die thermische Verformung
bestimmt, werden verwendet, um die Nullposition der Spindel 10 bzw.
des Bremsbackens 5 zu initialisieren, ohne einen speziellen
Justiervorgang der Bremsbacken 5 durchführen zu müssen.
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Eine
besondere Bedingung tritt auf, wenn die Bremsbacken 5 ausgetauscht
werden müssen.
Dabei muss auch das Abriebmodell initialisiert werden. Dies kann
in dem elektromechanischen Bremssystem auf einfache Weise realisiert
werden, da jede Betätigung
des Bremsaktors 4 einschließlich dem Austausch der Bremsbacken 5 ausgeführt werden
muss, nachdem der Bremsaktor 4 in eine sichere Position
verfahren ist, z. B. mit einem Diagnosebefehl (um z. B. eine automatische
Aktivierung der Brem sen 2 während der Wartung zu vermeiden,
so dass Verletzungen des Wartungspersonals vermieden werden können). Dieser
besondere Betriebsmodus des Bremsaktors 4 wird wieder bei
dem Diagnosebefehl verlassen, der dann auch das Abriebmodell neu
initialisiert.
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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 5 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 5 abgenutzt sind.
wobei L der Reibungsarbeit, f dem Reibungskoeffizienten zwischen dem Paar Bremsbacke-Bremsscheibe
wobei N der Normalkraft, die auf den Bremsbacken