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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Leistungsparameters
einer Bremse, eine entsprechende Recheneinheit, ein entsprechendes
Computerprogramm und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Stand der
Technik
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Im
Stand der Technik existiert eine Vielzahl von unterschiedlichen
Bremsen. Genannt werden hier beispielsweise Bremsen, die durch Seilzug,
Gestänge,
Hydraulikflüssigkeit
oder Druckluft betätigbar
sind. Insbesondere in Kraftfahrzeugen kommen neben den herkömmlichen
hydraulisch betätigbaren
vermehrt auch elektrische bzw. elektromechanische Bremsen zum Einsatz,
bei denen die Bremse nicht mehr manuell vom Fahrer sondern elektrisch
bzw. elektromechanisch von einem Elektromotor zugestellt bzw. festgestellt
und gelöst
wird, bspw. (selbstverstärkende)
elektromechanische Scheibenbremsen. Bei solchen Scheibenbremsen
bringt ein elektrischer Aktuator eine Betätigungskraft auf, die die Reibbeläge der Bremse
an die sich drehende Bremsscheibe anlegt. Eine zusätzlich vorsehbare
Selbstverstärkungseinrichtung
in Gestalt einer Keilanordnung nutzt die in der sich drehenden Bremsscheibe
enthaltene, kinetische Energie zum weiteren Zustellen der Reibbeläge, d.h.
die Reibbeläge
werden mit einer gegenüber
der Aktuatorkraft deutlich erhöhten
Kraft, die nicht von dem elektrischen Aktuator aufgebracht wird,
gegen die Bremsscheibe gepresst. Das Grundprinzip einer solchen
Bremse ist aus der
DE 198 19
564 bekannt.
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Allen
genannten Bremsen ist gemeinsam, dass ein erstes drehfestes Bremselement
mit einem zweiten drehbaren Bremselement zusammenwirkt, bspw. Reibbelag-Bremsscheibe,
Bremsbacke-Bremszylinder usw.,
um ein Reibmoment NR zu erzeugen. Der Wechselwirkung
lässt sich
eine Normalkraft FN, die senkrecht auf der
Berührungsfläche der
beiden Bremselemente steht, und eine Reibkraft FR,
die der Relativbewegung zwischen den beiden Bremselementen entgegenwirkt,
zuordnen. Die Reibkraft steht über
den Abstand r des Ansetzpunktes von der Drehachse mit dem Reibmoment
NR, NR = r·FR, und über
einen Reibungskoeffizienten μ mit
der Normalkraft, FR = μ·FN (Coulomb-Reibung), in Beziehung.
Zu erwähnen
ist, dass für
eine Schwimmsattelscheibenbremse die Beziehung FR =
2μ·FN gilt.
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In
der
DE 101 51 950 ,
auf deren Offenbarung hier ausdrücklich
bezug genommen wird, wird beschrieben, wie das Reibmoment einer
elektromechanischen Keilbremse ermittelt und der Reibungskoeffizient
(Reibwert) bestimmt werden kann. Das Ergebnis wird zur Regelung
der Bremskraft verwendet, um bspw. ein Blockieren der Bremse zu
vermeiden.
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Bei
Bremsanlagen, insbesondere Fahrzeugbremsen, besteht das Problem,
dass sich die Bremsleistungsfähigkeit,
d.h. insbesondere das Verhältnis
zwischen aufgewendeter zu wirkender Kraft, im Laufe der Zeit ändert, insbesondere
verschlechtert. Das Nachlassen der Bremsleistungsfähigkeit
kann durch erhöhten Bremskraft-
oder Aktuatorkraftaufwand eine gewisse Zeit kompensiert werden,
bis schließlich
der sichere Betrieb der Bremsanlage nicht mehr gegeben ist und es
zum Verlust der Betriebsfähigkeit
kommt. Bei der Verwendung einer Bremse im Feld, d.h. also bspw.
beim Kfz nach der Auslieferung an den Kunden, wird ein Nachlassen
der Bremsleistung üblicherweise
erst erkannt, wenn es zu gefährlichen
Situationen oder gar zu einem Unfall kommt. Auch die Untersuchung
in einer Werkstatt oder Prüfstelle
kann üblicherweise
nicht alle Fehlfunktionen, die bei einer Bremse möglich sind,
aufzeigen. Derartige Untersuchungen finden üblicherweise nur in großen Zeitabständen statt.
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Es
stellt sich daher das Problem, einen Leistungsparameter einer Bremsanlage
insbesondere im Feld genauer und früher zu bestimmen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren, eine Recheneinheit, ein Computerprogramm und
ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung eines Leistungsparameters
einer Bremse mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Die
nachfolgend aufgeführten
Erläuterungen
und Vorteile beziehen sich auf alle erfindungsgemäßen Lösungen,
soweit es nicht ausdrücklich
anders beschrieben ist. Die erfindungsgemäße Recheneinheit weist entsprechende
Mittel zum Durchführen
der beschriebenen Schritte auf.
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Erfindungsgemäß wird ein
Leistungsparameter, insbesondere die Betriebs- oder Leistungsfähigkeit, einer
Bremse bestimmt. Die Bremse weist ein erstes und ein zweites Bremselement
auf, die zum Erzeugen einer Reibkraft und eines Reibmoments in Wechselwirkung
bringbar sind. Es wird im Feld eine erste Menge von Reibungskoeffizienten
(Gleitreibungskoeffizienten) zwischen dem ersten und dem zweiten
Bremselement bestimmt. Das Merkmal "Bestimmen im Feld" ist als Abgrenzung zu einer Bestimmung
beim Hersteller zu verstehen. Die Bestimmung wird erfindungsgemäß nicht
beim Hersteller, sondern bspw. beim normalen Fahrbetrieb, in einer
Werkstatt oder bei einer Untersuchungsstelle, bspw. TÜV, durchgeführt. In
dieser Offenbarung ist der Begriff "bestimmen" insbesondere als Oberbegriff für "ermitteln", "messen", "schätzen", "berechnen" usw. zu verstehen,
also für
jede Maßnahme,
die ein Ergebnis liefert. Die erste Menge von Reibungskoeffizienten
wird mit einer vorbestimmten zweiten Menge von Reibungskoeffizienten
verglichen. Im folgenden werden die erste Menge auch als "Ist-Fingerprint" oder "Ist-Wert" und die zweite Menge
als "Soll-Fingerprint" oder "Soll-Wert" bezeichnet. Der
Leistungsparameter wird schließlich
anhand einer Abweichung der ersten und der zweiten Menge bestimmt,
wobei die Abweichung aus dem Vergleich erhalten wird.
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Ein
Reibwert kann prinzipiell aus einem Vergleich zwischen Reibkraft
und Normalkraft bestimmt werden, wie es bereits weiter oben erläutert wurde.
Die Normalkraft kann bspw. mittel eines Sensors im Kraftfluss bestimmt
werden. Die Reibkraft lässt
sich beispielsweise mit einem Sensor messen, der zwischen einem
Reibbelag der Bremse und einem Bauteil angeordnet ist, an dem sich
der Reibbelag beim Bremsen abstützt.
Dem zuständigen
Fachmann sind weitere Möglichkeiten
bekannt.
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Im
folgenden wird nun der Zusammenhang zwischen Soll-Fingerprint und Abweichung
dargelegt. Wird unter Soll-Fingerprint
(in Abhängigkeit
von Fahrzeugtyp- und Fahrzeugachse) eine untere Grenze der Reibungskoeffizienten
(Reibwerte) verstanden, die den sicheren Betrieb der Bremse gerade
noch zulässt,
ist entsprechend eine kleine Abweichung oder eine Abweichung von
Null zu verwenden. Wird hingegen der Soll-Fingerprint von neuwertigen
Bremselementen, bspw. einer Reibbelag-/Bremsscheibenkombination,
verwendet, kann die zulässige
Abweichung entsprechend höher
angesetzt werden.
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In
einfacher Ausführung
besteht ein Fingerprint aus einer Menge von Reibungskoeffizienten,
die in Abhängigkeit
von ihrer (relativen) Häufigkeit
betrachtet werden. Üblicherweise
wird daraus eine Verteilungsfunktion erhalten, die mit einer Gauß-Funktion
angenähert
werden kann. In anderer Ausführung
besteht ein Fingerprint aus einer ersten Menge von Reibungskoeffizienten
in Abhängigkeit
von Temperatur, Geschwindigkeit und Kraft, wie es z.B. in dem Vortrag "Method for extracting
full spectrum of frictional material performance (Fingerprinting)
using the SAE J2681" von
Tim Duncan und Otto Schmitt, 22nd Annual Brake Colloquium & Exhibition, October
2004, Anaheim, CA, USA, SAE Technical Papers Document Number: 2004-01-2768, beschrieben wurde.
Auf diese Veröffentlichung
wird explizit verwiesen, da darin offenbart wird, wie ein Fingerprint
im Sinne der vorliegenden Anmeldung in weiteren Ausführungen
ausgestaltet werden kann. Mittels dieser Methode wird wiederum eine
Häufigkeitsverteilung
von Reibwerten ermittelt. Die Häufigkeitsverteilung
entspricht typischerweise einer (Gaußschen) Glockenkurve. Aus der
Abweichung des Ist-Fingerprints vom Soll-Fingerprint kann auf die
Leis tungsfähigkeit
(Performanz) der Bremsanlage geschlossen werden. Die Abweichung
kann bei diesen genannten Beispielen bspw. als Flächenmaß bzw. Flächenabweichung
bestimmt werden, d.h. es wird bestimmt, welcher Anteil der Flächen unter
der Kurve überlappt.
Dieses in SAE J2681 beschriebene Verfahren zur Ermittlung von Fingerprints
stellt eine sehr ausführliche
Methode zum Ermitteln von Reibwerten dar. Im normalen Fahrbetrieb
treten aber üblicherweise
nicht alle Bremssituationen auf, die einem Bremsbelagstest zur Reibwertermittlung
nach dieser Methode entsprechen. Daher ist es beispielsweise möglich, nur
Test-Methoden anzuwenden, die mit der zitierten Perfomance-Methode
vergleichbar sind. Jedoch ist es ebenso möglich, die Reibwertermittlung
auf einem Prüfstand
(z.B. Rollenprüfstand),
bspw. in einer Werkstatt oder einer TÜV-Station, durchzuführen, wobei ein umfassender
Fingerprintig-Test
möglich
ist. Dadurch kann vorteilhaft ein umfassender und daher sehr genauer
Test durchgeführt
werden.
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Ebenso
ist es aber möglich
und erwünscht,
das Verfahren beim normalen Fahrbetrieb durchzuführen. Zum Bestimmen der ersten
Menge von Reibwerten bei einem normalen Fahrbetrieb sollten die
einzelnen Reibwerte gesammelt werden. Bei jedem Bremsmanöver wird
der Reibwert an den Bremsbelägen
zusammen mit der zugehörigen
Temperatur, Radgeschwindigkeit und Zuspannkraft (Normalkraft) in
einem Speicher (z.B. Mikrochip) gespeichert. Um zusätzlich Reibwerte
für andere
Kombinationen aus Temperatur, Geschwindigkeit und Normalkraft zu
erhalten, können
von dem Bremssystem automatisch Bremsungen ausgeführt werden,
um die zur Erstellung einer ersten Menge fehlenden Reibwerte bei
bestimmten Betriebszuständen
aufzuzeichnen. Derartige Bremsungen, bevorzugterweise mit kleinem
Reibmoment, können
beispielsweise während
einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs kurzzeitig eingeleitet
werden. In diesem Fall würde
nur die Beschleunigung des Fahrzeugs vermindert, was normalerweise
kein Gefahrenpotential beinhaltet. Bei geeigneter Durchführung könnte überdies
der Bremseffekt vor dem Fahrer verborgen bleiben.
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Die
Erfindung sieht vor, einen Soll-Ist-Vergleich zwischen einem vorgegebenen
Fingerprint und einem ermittelten Fingerprint, bevorzugterweise
in regelmäßigen Abständen, durchzuführen. Die
Sollvorgabe ist in der Bremsanlage, z.B in einem Mikrochip, gespeichert
und kann jederzeit ausgelesen werden. Da die Bremsanlage, die Bremsen
und damit auch Bremselemente (Bremsbeläge, Bremsbacke, Bremszylinder,
Bremstrommeln, Bremsscheiben usw.) für jedes Fahrzeug (und für jede Fahrzeugachse)
vom Fahrzeug- oder Bremsenhersteller (oder allgemein vom OEM) individuell
ausgelegt wurden, kann prinzipiell für jede Bremselementekombination
ein zugehöriger
Soll-Fingerprint
ermittelt werden. D.h. jede einer Bremse zugehörige Bremselementekombination
kann in Abhängigkeit
vom Fahrzeugtyp und von der Fahrzeugachse durch eine (vom Hersteller)
fest vordefinierte Häufigkeitsverteilung
von Reibwerten charakterisiert werden.
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Gemäß der Erfindung
ist nun der (bspw. vom Hersteller vorgegebene) Soll-Fingerprint
für jede
Bremse eines Fahrzeugs in einem Speicher hinterlegt und kann jederzeit
abgerufen werden. Um nun einen Soll-Ist-Vergleich anstellen zu können, muss
das Fahrzeug bzw. die Bremsanlage für jede Bremselementekombination einen
Ist-Fingerprint ermitteln können.
Hierzu wird der Reibwert zwischen den Bremselementen, vorzugsweise in
Abhängigkeit
von der Zuspannkraft, der Temperatur und der Relativgeschwindigkeit,
ermittelt.
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Fällt die
Bremsperformanz unter einen bestimmten Soll-Wert, können vorteilhafterweise
automatisch bestimmte Maßnahmen
eingeleitet. Z.B. kann der Fahrer informiert werden, dass sich seine
Bremse in einem nicht einwandfreien Zustand befindet. Mittels der
erfindungsgemäßen Lösung können ungenügende Bremselemente,
bspw. Beläge,
erkannt werden, welche keine Soll-Performanz mehr erreichen. Neben
normaler Abnutzung können
weitere physikalische Gegebenheiten wie Alterung oder Verglasung
eine zunehmende (schleichende) Verschlechterung bewirken. Auch bei
einer Reparatur eingebaute gefälschte
Beläge
und/oder Bremsscheiben, usw. können
auf einfache Weise erkannt werden, wodurch wiederum die Sicherheit
der Insassen wesentlich erhöht
wird. Vor einer anstehenden Hauptuntersuchung oder einer Wartung
kann eine Eigendiagnose der Bremse vorab durchgeführt werden,
was zu einer Zeit- und Kostenersparnis führt. Nach einem Einbau eines
neuen Bremselements (Bremsbelag, Bremsscheibe, Bremsbacke, Bremszylinder
usw.) können diese
identifiziert und überwacht
werden. Sollte die Performanz den Kriterien des Soll-Fingerprints
nicht mehr genügen,
kann eine erwünschte
Maßnahme
durchgeführt
werden.
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Neben
dem Soll-Ist-Vergleich kann zusätzlich
oder alternativ auch ein Ist-Vergleich aller Bremselemente eines
Fahrzeugs durchgeführt
werden werden. Hierbei kann festgestellt werden, ob die Bremselemente auf
einer Achse eine unterschiedliche Güte aufweisen (Schiefziehen
des Fahrzeugs beim Bremsen) oder ob das Brems-Verhältnis Vorderachse
zu Hinterachse korrekt ist.
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Mittels
der Performanz-Messung lassen sich bestimmte Betriebspunkte einer
Bremse feststellen, z.B. Fadingbeginn, minimaler und maximaler Reibwert
usw.
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Zusätzlich können ähnlich einem
Flugschreiber die Fingerprints aller Bremsen gespeichert und im
Falle eines Unfalls zur Unfallanalyse herangezogen werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteilhafterweise
wird zu jedem Reibungskoeffizienten eine zwischen dem ersten und
dem zweiten Bremselement wirkende Normalkraft FN,
eine Temperatur der Bremselemente und eine Relativgeschwindigkeit zwischen
dem ersten und dem zweiten Bremselement bestimmt. Folglich liegen
die Reibwerte der ersten und der zweiten Menge in Abhängigkeit
der genannten Parameter vor. Der Gleitreibungskoeffizient ist theoretisch unabhängig von
der Gleitgeschwindigkeit und damit konstant. In der Praxis ist aber
eine Temperatur-, Geschwindigkeits- und Kraft- bzw. Druckabhängigkeit
feststellbar. Daher werden die Reibungskoeffizienten bevorzugt in
Abhängigkeit
dieser Parameter bestimmt, um einen genaueren Vergleich der Reibungskoeffizienten durchführen zu
können.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
die Temperatur, insbesondere an der Grenzfläche der beiden Bremselemente,
berechnet oder geschätzt
oder mittels eines Sensors gemessen wird. Eine Berechnung oder Schätzung kann
auf einfache Weise über
Temperaturmodelle hergeleitet und durchgeführt werden. Die Reibwärme kann mittels
der Reibkraft und des Reibwegs berechnet werden. Die Materialparameter,
insbesondere Wärmekapazität usw.,
der Bremselemente sind überdies
ebenfalls bekannt. Der Reibweg ergibt sich aus der zurückgelegten
Strecke. Insgesamt kann somit die in die Bremsanlage über die
Bremsreibung eingebrachte Wärme
abgeschätzt
und daraus die Temperatur berechnet werden. Ebenso ist es einfach
möglich,
einen Temperatursensor, bspw. an der Bremsscheibe, vorzusehen.
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Zweckmäßigerweise
wird die Relativgeschwindigkeit mittels eines Sensors gemessen.
Dazu kann bspw. die Rotationsgeschwindigkeit der Bremsscheibe bestimmt
werden, woraus auf einfache Weise die Relativgeschwindigkeit über den
Radius berechenbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, bereits vorhandene
Sensoren zu verwenden. Bspw. wird die Geschwindigkeit ebenfalls
von einem Sensor des ABS-Systems oder von einem Tachometer bestimmt.
Dann ist besonders vorteilhaft kein zusätzlicher Sensor notwendig.
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Zweckmäßigerweise
wird die Normalkraft mittels eines im Kraftfluss der Normalkraft
angeordneten Kraftsensors gemessen. Aus der Bestimmung werden insbesondere
die Komponenten der Normalkraft erhalten, bspw. in kartesischen,
Zylinder-, oder Kugelkoordinaten, sowie deren Betrag. Beispielsweise
kann die Messung der Normalkraft in den Reibbelägen selbst oder in bzw. an
den Belagträgern
erfolgen, ferner an den Abstützflächen des
Keils der Keilanordnung, im die Bremsscheibe übergreifenden Sattel oder auch
im Rahmen der Scheibenbremse.
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Generell
ist eine Messung von Kräften
nahe am Entstehungsort vorteilhaft, um eine Verfälschung der Messsignale durch
träge Massen
zu vermeiden. Die Normalkraft kann jedoch auch indirekt bestimmt
werden, z. B. aus dem Maß der
bei einer gegebenen Bremsung erfolgenden Verschiebung eines Keils
der Keilanordnung einer Keilbremse. Bei einem Bremsvorgang führt die
Normalkraft zu einer Aufweitung des Sattels der Scheibenbremse und
zu einer Kompression der Reibbeläge
und, in geringerem Umfang, auch der Bremsscheibe. Diese Elastizitäten der
Bremse werden durch eine entsprechende Verschiebung des Keils in
Betätigungsrichtung
ausgeglichen. Bezeichnet man mit dem Begriff "Null-Lage" diejenige Stellung der Reibbeläge, bei
der das sogenannte Lüftspiel
gerade überwunden
ist und die Reibbeläge
somit kraftfrei an der Bremsscheibe anliegen, kann aus dem Maß der Verschiebung
des Keils in Betätigungsrichtung
direkt die Normalkraft berechnet werden. Ist die Federkennlinie
des Systems Bremse linear, ist die Normalkraft direkt proportional
zum Verschiebeweg des Keils. Der Verschiebeweg des Keils kann entweder
direkt gemessen oder aus Betriebsdaten des Aktuators ermittelt werden.
Beispielsweise ist es möglich,
aus dem Motordrehwinkel eines dem Aktuator zugehörigen Elektromotors den Verschiebeweg
des Keils zu berechnen, insbesondere dann, wenn der Elektromotor über ein
steigungstreues Vorschubsystem auf den Keil einwirkt. Alternativ
oder zusätzlich
kann die Aufweitung des Bremssattels mit einem handelsüblichen
Positionsmesssystem ermittelt werden. Da der Zusammenhang zwischen
der Aufweitung des Bremssattels und der wirkenden Normalkraft für praktische Zwecke
linear ist, stellt die Messung der Aufweitung des Bremssattels eine
weitere Möglichkeit
dar, die Normalkraft zu ermitteln.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Reibungskoeffizient
aus der Reibkraft und der Normalkraft bestimmt und die Reibkraft
insbesondere durch einen Kraftsensor gemessen, der insbesondere
die bei einer Bremsung auftretende Abstützkraft der Bremse erfasst.
Wie bereits erläutert
wurde, steht der Reibungskoeffizient mit der Reibkraft über die
Normalkraft in Zusammenhang. Durch die Bestimmung der Reibkraft und
der Normalkraft zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten kann die
vorliegende Erfindung prinzipiell bei nahezu jeder mechanischen
Reibungsbremse verwendet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird ein Leistungsparameter einer selbstverstärkenden oder selbstschwächenden
Bremse bestimmt, bei der ein eine Aktuatorkraft erzeugender Aktuator
vorgesehen ist, der auf das erste Bremselement wirkt, um das erste
Bremselement an das zweite Bremselement zu pressen, wobei eine Abhängigkeit
der Normalkraft von der Aktuatorkraft und dem Reibwert besteht.
In diesem Fall wird ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Reibwert
und Komponenten der Normalkraft und Komponenten der Aktuatorkraft
bestimmt, die Komponenten der Normalkraft und der Aktuatorkraft
werden bestimmt und der Reibungskoeffizient wird aus dem funktionalen
Zusammenhang, den bestimmten Komponenten der Aktuatorkraft und den
bestimmten Komponenten der Normalkraft bestimmt. Durch diese bevorzugte
Ausführungsform
kann ein Reibungskoeffizient für
jede selbstschwächende
oder selbstverstärkende
Bremse bestimmt werden, für
die eine Abhängigkeit
der Normalkraft von der Aktuatorkraft und dem Reibwert besteht.
Die Erfindung ist somit nicht auf beispielsweise Keilbremsen beschränkt, sondern
kann auch für
Servobremsen, Duoservobremsen usw. verwendet werden. Ein Aktuator
(Aktor) setzt üblicherweise
Regelsignale in mechanische Arbeit um. Der Aktuator kann insbesondere
als (Elektro-)Motor, Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, Piezoaktor (Translator),
usw. ausgebildet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird bzw. werden die Aktuatorkraft oder
deren Komponenten mittels eines im Kraftfluss der Aktuatorkraft
angeordneten Kraftsensors gemessen oder aus Betriebsdaten des Aktuators
ermittelt, insbesondere aus dem Motorstrom eines einem elektrischen
Aktuator zugehörigen
Elektromotors während
einer Betätigung
der Bremse. Der Kraftsensor kann z. B. die Reaktionskraft erfassen,
mit der sich ein dem Aktuator zugehöriger Elektromotor am Gehäuse des
Aktuators bzw. der Bremse abstützt.
Die Reaktionskraft ent spricht bis auf das Vorzeichen der Aktuatorkraft.
Der Kraftsensor kann aber auch an der Stelle angeordnet sein, an
der die Aktuatorkraft in den Keil der Keilanordnung eingeleitet
wird. Ebenso kann ein Kraftsensor in oder an einem Kraftübertragungsmittel
des Aktuators angeordnet sein, beispielsweise an einer Spindel oder
einer Zug- bzw. Druckstange. Die Aktuatorkraft muss aber nicht direkt
gemessen werden, sondern kann indirekt ermittelt werden, beispielsweise
aus dem Motorstrom des dem Aktuator zugehörigen Elektromotors. Der Motorstrom
ist ein Maß für das vom
Motor abgegebene Drehmoment, welches beispielsweise durch einen
Spindeltrieb in eine Axialkraft gewandelt wird. Der Motorstrom ist
deshalb proportional zur erzeugten Aktuatorkraft. Bei nicht zu hohen
Genauigkeitsanforderungen ist eine solche indirekte Ermittlung der
Aktuatorkraft eine geeignete und günstige Lösung. Der Kraftsensor kann
als direkter Kraft- oder Dehnungssensor, bspw. kapazitiv (Piezo),
resistiv (DMS) oder über
einen hydraulischen Druckaufnehmer arbeiten. Er kann ebenso mittels
Wegmessung über
Wirbelstrom, induktiv, kapazativ oder magnetisch arbeiten. Derartige
Kraftsensoren können
robust aber trotzdem klein ausgestaltet werden und sind daher leicht
an der Bremsanlage anzubringen.
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In
weiterer Ausgestaltung werden der Aktuator elektrisch, das zweite
Bremselement als drehbare Bremsscheibe und das erste Bremselement
als Reibbelag, auf den der elektrische Aktuator in einem Wirkwinkel β über eine
Keilanordnung mit einem Keilwinkel α wirkt, um den Reibbelag an
die Bremsscheibe zu pressen, ausgebildet. Der Wirkwinkel ist als
Winkel zwischen Aktuatorkraft und Normalkraft zu verstehen. Das
vorgeschlagenen Verfahren kann besonders einfach im Spezialfall β = 90° für Keilbremsen
verwendet werden, da bei Keilbremsen, bei denen die Aktuatorkraft
senkrecht zur Normalkraft und damit parallel zur Reibkraft wirkt, der
Reibungskoeffizient besonders einfach in Abhängigkeit von der Aktuatorkraft
und dem Keilwinkel bestimmt werden kann. Ein derartiges Bestimmungsverfahren
ist ausführlich
in der genannten
DE 101 51 950 erläutert, auf
die erneut ausdrücklich
verwiesen wird. Um nicht die gesamte
DE
101 51 950 an dieser Stelle zu wiederholen, werden nur
die wesentlichen Ergebnisse kurz angeführt. Der zuständige Fachmann
kann die
DE 101 51 950 zur
Klärung
offener Fragen zu Rate ziehen. Gemäß der
DE 101 51 950 kann der Reibungskoeffizient μ anhand des
Keilwinkels α,
der Normalkraft F
N und der Aktuatorkraft
F
A bestimmt werden zu μ = tanα – F
A/F
N. Die Aktuatorkraft kann beispielsweise
aus der Aktuatorstromaufnahme, die Normalkraft mittels eines Kraftsensors
bestimmt werden. Zusätzlich
kann gemäß der bereits
genannten bevorzugten Ausführungsform
zu jedem Reibungskoeffizienten die an der Grenzflächen zwischen
Bremsscheibe und Reibbelag herrschende Temperatur, näherungsweise
die Temperatur der Bremsscheibe, und eine Drehgeschwindigkeit der
Bremsscheibe bestimmt werden. Die Drehgeschwindigkeit ω der Bremsscheibe
ist zur Gleitgeschwindigkeit v (Tangentialgeschwindigkeit) des Reibbelags
auf der Bremsscheibe gemäß v = ωr proportional,
wie es jedem zuständigen Fachmann
geläufig
ist. r kennzeichnet den Abstand des Reibbelags von der Drehachse.
Anhand
3 wird später
ein Verfahren zur Bestimmung eines Reibungskoeffizienten bei beliebigem
Winkel β erläutert.
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Vorteilhafterweise
wird der funktionale Zusammenhang zu
bestimmt, wobei μ den Reibungskoeffizienten,
F
N den Betrag der Normalkraft und F
A den Betrag der Aktuatorkraft bezeichnet.
Damit ist die Bestimmung des Reibungskoeffizienten für Keilbremsen
mit beliebigem Wirkwinkel auf besonders einfache Weise möglich.
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Eine
erfindungsgemäße Recheneinheit
weist Berechnungsmittel auf, um die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens
durchzuführen,
insbesondere Mittel zum Bestimmen einer ersten Menge von Reibungskoeffizienten
zwischen dem ersten und dem zweiten Bremselement im Feld, Speichermittel,
die eine vorbestimmte zweite Menge von Reibungskoeffizienten enthalten,
Mittel zum Vergleichen der ersten Menge von Reibungskoeffizienten
mit der zweiten Menge von Reibungskoeffizienten, Mit tel zum Bestimmen
einer Abweichung auf Grundlage des Vergleichs und Mittel zum Bestimmen
des Leistungsparameters anhand der Abweichung. Die Recheneinheit
kann insbesondere als Steuergerät
in einem Kfz ausgebildet sein.
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Bevorzugterweise
werden das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Recheneinheit
in einem Embedded System, Steuergerät oder ECU in einem Kfz verwendet.
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Ein
erfindungsgemäßes Computer-
bzw. Mikroprozessorprogramm enthält
Programmcodemittel, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, wenn
das Programm auf einem Computer, einem Mikroprozessor oder einer
entsprechenden Recheneinheit, insbesondere der erfindungsgemäßen Recheneinheit,
ausgeführt
wird.
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Ein
erfindungsgemäßes Computer-
bzw. Mikroprozessorprogrammprodukt beinhaltet Programmcodemittel,
die auf einem maschinen- bzw. computerlesbaren Datenträger gespeichert
sind, um ein erfindungsgemäßes Verfahren
durchzuführen,
wenn das Programmprodukt auf einem Computer, einem Mikroprozessor oder
auf einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere der erfindungsgemäßen Recheneinheit,
ausgeführt
wird. Geeignete Datenträger
sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, u.a.m. Auch
ein Download eines Programms über
Computernetze (Internet, Intranet usw.) und Fahrzeugnetze (Body-Bus,
Infotainment-Bus etc.) ist möglich.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar
sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt
schematisch ein Häufigkeitsdiagramm
von Reibungskoeffizienten für
eine einfache Form der ersten oder zweiten Menge von Reibungskoeffizienten;
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2a zeigt
eine erste Möglichkeit
einer Abweichung zwischen einer ersten und einer zweiten Menge von
Reibungskoeffizienten;
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2b zeigt
ein zweites Beispiel einer möglichen
Abweichung zwischen einer ersten und einer zweiten Menge von Reibungskoeffizienten;
und
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3 zeigt
schematisch eine Keilanordnung einer selbstverstärkenden elektromechanischen
Bremse zur Verwendung mit der Erfindung.
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In 1 ist
ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen Reibwerten einer ersten
oder zweiten Menge von Reibwerten und der zugehörigen relativen Häufigkeit
zeigt, insgesamt mit 100 bezeichnet. Im Diagramm 100 sind
Reibwerte für
eine vorbestimmte Kombination aus Normalkraft, Temperatur und Geschwindigkeit
aufgetragen. Die Reibwerte μ sind
auf einer x-Achse 101, die Werte von 0–1 umfasst, gegen die relative Häufigkeit
auf einer y-Achse 102 aufgetragen.
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In
der gezeigten Abbildung sind die Reibwerte nicht kontinuierlich,
sondern in Stufen 103 von 1/15 aufgetragen. Beispielsweise
sind alle Reibwerte von μ =
11/30 (0,37) bis μ =
13/30 (0,43) in einer Stufe zusammengefasst. Diesem Reibwert μ = 0,4 ist
eine relative Häufigkeit
von ca. 0,14 zugeordnet.
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Die
Breite der Stufen, in der dargestellten Abbildung beispielsweise
1/15, ist beispielsweise durch die Messgenauigkeit oder die Art
der Auftragung verursacht, wie es jedem zuständigen Fachmann klar ist. Die
stufenförmige
Auftragung der Reibwerte kann durch eine einhüllende Kurve 104 angenähert werden.
Die Kurvenform der Kurve 104 entspricht im wesentlichen
einer Gaußschen
Glockenform. Im vorliegenden Beispiel liegt das Maximum etwa bei
einem Reibwert von μ =
0,42.
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In
den 2a und 2b sind
zwei der möglichen
Abweichungen der ersten von der zweiten Menge von Reibwerten dargestellt.
Daneben ist eine Vielzahl von weiteren Abweichungen möglich, wie
es für
jeden Fachmann offensichtlich ist.
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In
der 2a sind wiederum die Reibwerte zusammen mit ihrer
jeweiligen relativen Häufigkeit
in einem Diagramm 201 dargestellt. Die vorbestimmte zweite
Menge von Reibwerten, der Ist-Fingerprint, ist durch eine Kurve 204 gekennzeichnet.
Die bestimmte erste Menge von Reibwerten ist durch eine Kurve 204a gekennzeichnet.
In der Abbildung ist die Abweichung der ersten Menge von der zweiten
Menge deutlich erkennbar. Im dargestellten Beispiel treten Reibwerte
mit einem Wert μ zwischen
ungefähr
0,25 und 0,52 in der ersten Menge weniger häufig als in der zweiten Menge
auf, wohingegen Reibwerte kleiner als ca. 0,25 und größer als ca.
0,52 in der ersten Menge häufiger
als in der zweiten Menge auftreten. Aus der dargestellten Abweichung kann
gefolgert werden, dass der verwendete Reibbelag nicht dem vorgeschriebenen
Reibbelag entspricht, von dem der Soll-Fingerprint ermittelt wurde.
Es könnte
sich um einen anderen Typ oder um eine Fälschung handeln.
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In 2b sind
in einem Diagramm 202 die Reibwerte und ihre zugehörige relative
Häufigkeit
einer vorbestimmten zweiten Menge 204 und einer bestimmten
ersten Menge 204b dargestellt. In der gezeigten Abbildung
ist das Maximum der relativen Häufigkeit
in der bestimmten ersten Menge zu kleineren Reibwerten μ hin verschoben.
Die Kurvenform der Kurve 204b ist im wesentlichen mit der
der Kurve 204 identisch. Diese darge stellte Abweichung
wird beispielsweise durch einen abgenutzten Reibbelag hervorgerufen.
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3 zeigt
eine Keilanordnung, die zur Verwendung in einer selbstverstärkenden,
elektromechanischen Bremse, wie sie auch in der
DE 101 51 950 offenbart ist, geeignet
ist. Ein elektrischer Aktuator, der üblicherweise einen Elektromotor
und einen Spindeltrieb umfasst, erzeugt eine Betätigungs- oder Aktuatorkraft F
A, die in einen Keil
300 in einem
Wirkwinkel β eingeleitet
wird, um den Keil in x-Richtung (in der Abbildung nach rechts) zu
verschieben. Ein Reibbelag
311 liegt an einer Seitenfläche, ein
Widerlager
312 zum Abstützen des
Keils an einer anderen Seitenfläche
des Keils
300 an. Die Aktuatorkraft F
A verschiebt
den einen Keilwinkel α aufweisenden
Keil
300 in x-Richtung, wodurch der Reibbelag
311 in
Kontakt mit einer sich mit einer Geschwindigkeit v drehenden Bremsscheibe
313 gerät. Sobald
der Reibbelag
311 die Bremsscheibe
313 berührt, entsteht
eine normal zur Bremsscheibe gerichtete Rückwirk- oder Normalkraft F
N sowie eine in Umfangsrichtung der Bremsscheibe
313 wirkende
Reibkraft F
R. Diese Kräfte werden zum größten Teil
in das Widerlager, bspw. das Gehäuse
der Bremse, eingeleitet und dort abgestützt, was zu einer Abstützkraft
F
B führt.
-
Unter
Beachtung der in x-Richtung wirkenden Kräfte am Keil erhält man: μFN +
FAsinβ – FBsinα =
0 (1)
-
Unter
Beachtung der in y-Richtung wirkenden Kräfte am Keil erhält man: FBcosα + FAcosβ – FN = 0 (2)
-
Durch
Auflösen
von (2) nach F
B und Einsetzen in (1):
μFN + FAsinβ – (FN – FAcosβ)tanα = 0ergibt
sich der funktionale Zusammenhang für μ:
mit den beiden Spezialfällen:
-
Auf
diese Weise kann eine erste Menge von Reibwerten für eine Keilbremse
mit beliebigen Winkeln α und β aus den
Beträgen
der Aktuatorkraft und der Normalkraft bestimmt werden.
mit den beiden Spezialfällen:
