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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugbremse mit mindestens
einem Reibelement und einem drehbar gelagerten Element zur Reibungsaufnahme,
wobei zur Erzeugung der Bremswirkung das Reibelemente gegen das
Element zur Reibungsaufnahme gepresst wird und mit einem Sensor
zur Erfassung der zwischen dem Reibelement und dem Element zur Reibungsaufnahme
anliegenden Bremskraft.
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Zum
Verzögern
einer Fahrzeuggeschwindigkeit werden in aller Regel Systeme eingesetzt,
die die kinetische Energie des Fahrzeuges über einen Reibungsprozess in
Wärme Umsetzen.
Derartige Bremssysteme werden bei schienengebundenen Fahrzeugen
genauso eingesetzt wie bei Luftfahrzeugen, bei denen bei der Landung
die Fahrwerksräder abgebremst
werden. Vor allem aber bei straßengebundenen
Fahrzeugen, wie Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Motorrädern erfolgt
der Bremsprozess mit Hilfe eines reibungsbasierten Bremssystems.
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Bei
straßengebundenen
Fahrzeugen werden vielfach Scheibenbremsen eingesetzt. Scheibenbremsen
sind dem Fachmann bekannt. Als Aktuator dient bei hydraulisch betätigten Scheibenbremsen üblicherweise
ein Kolben, der mittels Hydraulikdruck in Betätigungsrichtung verschiebbar
ist. Handelt es sich um eine elektromechanisch betätigte Scheibenbremse,
kommt ein elektromechanischer Aktuator zum Einsatz. Der Aktuator
presst die Reibelemente, die bei einer Scheibenbremse als Bremsklötze ausgebildet
sind, gegen das als Scheibe ausgebildete Element zur Reibungsaufnahme.
Zwischen einem elektromechanischen Aktuator und wenigstens einem
Reibbelag kann eine Selbstverstärkungseinrichtung
angeordnet sein, die die vom elektromechanischen Aktuator erzeugte
Betätigungskraft
bei einem Bremsvorgang selbsttätig
und ohne Zufuhr von Fremdenergie verstärkt. Einen solchen Selbstverstärkungseffekt nutzt
zum Beispiel die Keilbremse. Insbesondere bei einer Fahrzeugbremse
mit elektromechanischem Aktuator und unabhängig von ihrem genauen konstruktiven
Aufbau muss im Betrieb der Fahrzeugbremse die anliegende Bremskraft
ständig und
möglichst
genau erfasst werden, um die Bremskraft zuverlässig und genau so regeln zu
können, dass
eine von einem Benutzer der Bremse vorgegebene Bremsanforderung
eingehalten wird. Mit dem Begriff "anliegende Bremskraft" ist hier die zwischen den
Reibelementen und dem Element zur Reibungsaufnahme wirkende Kraft
gemeint, die erzeugt wird, wenn die Reibelemente sich zum Abbremsen
im Kontakt mit dem Element zur Reibungsaufnahme befinden.
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Um
die anliegende Bremskraft zu ermitteln, wird beispielsweise ein
Dehnungsmessstreifen auf den Bremssattel aufgebracht und dessen
Verformung wird während
eines Bremsvorgangs gemessen. Jedoch ist die Genauigkeit der Kraftmessung bisher
nur unzureichend, da die verwendeten Sensoren Hystereseeffekte zeigen
und sich überdies
ihr Ausgabesignal mit der Temperatur ändert. Letzteres ist deshalb
kritisch, weil sich der Sensor in der Regel in der Nähe eines
sich im Bremsbetrieb stark erhitzenden Reibelementes befindet. Integrierte
Schaltkreise, insbesondere die in Sensoren häufig zum Einsatz kommenden
ASICS, haben Probleme damit, den an der Bremse auftretenden hohen
Temperaturen standzuhalten und laufen Gefahr, in ihnen gespeicherte
Informationen zu verlieren oder völlig zerstört zu werden. Bisher verwendete
Sensorelemente, insbesondere Dehnungsmessstreifen, erreichen hinsichtlich
prozesstechnischer Qualität
und Lebensdauer nicht die Anforderungen, die im Automobilbereich
gestellt werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugbremse
bereitzustellen, bei der die Messung der anliegenden Bremskraft
genau und zuverlässig
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß weist
der Sensor mindestens einen Lichtwellenleiter auf, der im Kraftfluss
der Fahrzeugbremse angeordnet ist und der von der anliegenden Bremskraft
verformt wird, womit sich seine Transmissionseigenschaft für die eingestrahlten Lichtwellen ändert. Die Änderung
der Transmissionseigenschaften kann sowohl bezüglich der Intensität der Lichtwellen
als auch bezüglich
der Modenverteilung der Lichtwellen erfolgen. Der Lichtwellenleiter reagiert
auch auf kleine Kräfteänderungen
mit gut messbaren Veränderungen
der optischen Eigenschaften. Im Bereich der sehr heißen Teile
der Fahrzeugbremse müssen
keinerlei elektronische Bauteile angeordnet werden, um mittels des
Lichtwellenleiters die anliegende Kraft zu bestimmen. Die Änderung der
Transmissionseigenschaften des Lichtwelleneiters ist ein direktes
Maß für die Änderung
der anliegenden Kraft. Im Gegensatz zu Dehnungsmessstreifen weist
der Lichtwellenleiter keine Hystereseeffekte auf.
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Bei
einer Weiterbildung erfasst der Sensor zur Erfassung der Bremskraft
auch den Druck mit dem das Reibelement gegen das Element zur Reibungsaufnahme
gepresst wird. Hierzu muss neben der Information über die
anliegende Bremskraft auch die Fläche bekannt sein, mit der das
Reibelement auf das Element zur Reibungsaufnahme gepresst wird. Der
Bremsdruck stellt ebenfalls eine wertvolle Information zur Steuerung
der Fahrzeugbremse dar.
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Bei
einer nächsten
Weiterbildung wird die Veränderung
der Transmissionseigenschaften des Lichtwellenleiters für Lichtwellen
durch die Verformung des Querschnittes des Lichtwellenleiters zur Bestimmung
der Bremskraft verwendet. Auf den des Querschnittes des Lichtwellenleiters
kann eine relativ hohe Kraft ausgeübt werden, ohne, dass der Lichtwellenleiter dadurch
beschädigt
werden würde.
Damit kann durch die Verformung des Querschnittes des Lichtwellenleiters
die relativ hohe Bremskraft besonders vorteilhaft erfasst werden.
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Bei
einer Ausgestaltung ist dem Lichtwellenleiter eine Lichtquelle zugeordnet,
die Lichtwellen in den Lichtwellenleiter abstrahlt. Daneben ist
dem Lichtwellenleiter ein Lichtempfänger zugeordnet, der die durch
den Lichtwellenleiter transportierten Lichtwellen aufnimmt und in
ein elektrisches Signal wandelt. Die Lichtquelle und der Lichtempfänger bilden zusammen
mit dem Lichtwellenleiter einen Bremskraftsensor. Die erzeugten
elektrischen Signale aus dem Lichtempfänger lassen sich besonders
gut zu Steuerung der Bremskraft weiter verarbeiten.
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Bei
einer nächsten
Ausgestaltung wertet eine Auswerteeinheit die Signale des Lichtempfängers aus
und verwendet sie zur Steuerung der Bremskraft.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
mit Bezugnahme auf die Zeichnungen angegeben. In der Zeichnungen
zeigen:
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1:
eine schematisierte Schnittdarstellung einer Fahrzeugbremse;
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2:
einen Ausschnitt der in 1 dargestellten Fahrzeugbremse;
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3:
die Wirkungsweise des Kraftsensors;
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4:
die aus der 3 bekannte Sensoranordnung im
kräftefreien
Zustand;
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5:
eine Draufsicht auf einen Bremskolben;
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6:
eine weitere eine Draufsicht auf einen Bremskolben;
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7:
eine Trommelbremse;
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8:
einen Schnitt durch einen Lichtwellenleiter;
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9:
einen Lichtwellenleiter unter der Einwirkung der Bremskraft;
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10 bis 13: beispielhaft Ausgestaltungen der Nuten.
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1 zeigt
in schematisierter Darstellung einer Schwimmsattel-Scheibenbremse 1 für ein Kraftfahrzeug
im Schnitt. Die Scheibenbremse 1 weist eine auf einer Nabe 2 eines
nicht weiter dargestellten Rades mitlaufende Bremsscheibe 3 auf,
an die von beiden Seiten Reibelemente 4 in Form von Bremsbelägen im Rahmen
eines Bremsvorgangs gepresst werden. Die Bremsscheibe 3 bildet
hier das Element zur Reibungsaufnahme. Die Reibelemente 4 sind
in einem Bremssattel 5 angebracht, der die Bremsscheibe 3 umspannt.
Als Schwimmsattelbremse hat die dargestellte Scheibenbremse 1 nur
einen Aktuator 7, der auf einer Seite der Bremsscheibe 3 angeordnet
ist. Zur im Wesentlichen gleichmäßigen Übertragung
der Bremskraft auf beide Seiten der Bremsscheibe 3 ist
der Bremssattel 5 längs
verschieblich gelagert, so dass er eine von dem Aktuator 7 aufgebrachte
Bramskraft F gleichmäßig auf
beide Seiten der Bremsscheibe 3 aufbringt.
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Im
vorliegenden Beispiel soll ein elektromechanisch wirkender Aktuator 7 in
der Fahrzeugbremse 1 verwendet werden. Gegenüber bekannten
hydraulischen Scheibenbremsen fehlt bei einer elektromechanisch
aktivierten Scheibenbremse jede Rückmeldung einer an der Scheibenbremse 1 anliegenden
Bremskraft an einen Fahrer. Zudem weisen Schwimmsattel-Scheibenbremsen
den Nachteil einer relativ großen
elastischen Verformung bzw. Verwindung auf, so dass sich ein nur
ungenau festlegbarer Druck- Punkt
ergibt. Diese beiden vorstehend genannten Eigenschaften machen eine
permanente und möglichst
genaue Ermittlung einer im Betrieb aktuell an der Bremsscheibe 3 anliegenden
Bremskraft F erforderlich.
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Der
Aktuator 7 weist Bremskolben 17 auf, die beweglich
im Aktuator 7 angeordnet sind. Ein Elektromotor beispielsweise,
der auch in dem Aktuator angeordnet ist, kann die Bremskolben 17 verschieben
und damit die Bremskraft F gegen die Reibelemente 7 aufbauen.
Hierbei entsteht ein Kraftfluss vom Aktuator 7 über den
Bremssattel 5 hin zum rechten Reibelement 4 sowie
vom Aktuator 7 direkt zum linken Reibelement 4.
Damit werden beide Reibelemente 4 gegen die Bremsscheibe 3 gepresst.
Zur Messung der anliegenden Bremskraft sind im Kraftfluss der Fahrzeugbremse 1 Sensoren
ausgebildet, die die angelegte Bremskraft F erfassen. Die Sensoren
umfassen Lichtwellenleiter 6, die auf den Bremskolben 17 angeordnet
sind. Die Anordnung der Lichtwellenleiter 6 auf den Bremskolben 17 ist
hier aber nur beispielhaft zu verstehen, da die Lichtwellenleiter 6 an
jeder Stelle des Kraftflusses in der Fahrzeugbremse einsetzbar sind.
Die vom Aktuator 7 aufgebaute Bremskraft F verformt die
Lichtwellenleiter 6, womit deren optische Transmissionseigenschaften für eingestrahlte
Lichtwellen 13 verändert
werden. Diese Änderung
der Transmissionseigenschaften für eingestrahlte
Lichtwellen 13 kann von einem Lichtempfänger 9 detektiert
werden. Die Änderung
der Transmissionseigenschaften für
eingestrahlte Lichtwellen 13 erfolgt entsprechend der Verformung
der Lichtwellenleiter 6, die wiederum proportional zu der auf
die Lichtwellenleiter 6 wirkenden Bremskraft F ist. Damit
ist die Veränderung
der Transmissionseigenschaften für
die eingestrahlten Lichtwellen 13 proportional zu der auf
den Lichtwellenleiter 6 wirkenden Kraft F. Mit dem hier
vorgestellten Aufbau ist auf einfache Art und Weise eine hochgenaue
Messung der an der Fahrzeugbremse 1 anliegenden Bremskraft
F realisierbar. Im heißen
Bereich der Fahrzeugbremse 1, der durch die Reibung der
Reibelemente 4 an dem Reibungsaufnehmer 3 entsteht,
ist kein Ein satz von elektronischen Bauelementen notwendig. Allein
die Lichtwellenleiter 6, die zum Beispiel aus robustem
Fiberglas hergestellt sein können,
werden durch den heißen
Bereich der Fahrzeugbremse geführt,
womit eine sichere und langzeitstabile Messung der anliegenden Bremskraft
F möglich
wird. Darüber
hinaus zeigen die Lichtwellenleiter 6 keine Hysetreseeffekte und
die Messergebnisse sind nicht abhängig von der an den Reibelementen 4 erzeugten
Temperatur.
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2 zeigt
einen Ausschnitt der in 1 dargestellten Fahrzeugbremse 1.
Zu erkennen ist ein Teil des Bremssattels 5 sowie der Aktuator 7 mit
seinem Bremskolben 17. Zwischen dem Bremskolben 17 und
dem Bremssattel 5 sind die Lichtwellenleiter 6 angeordnet.
Die anliegende Bremskraft F wirkt direkt auf die Lichtwellenleiter 6.
Die Lichtwellenleiter 6 sind in Führungsnuten 19 angeordnet.
Die Führungsnuten 19 verhindern
zum einen das ungewollte Verschieben der Lichtwellenleiter 6,
zum anderen können
die Führungsnuten 19 derart
geformt sein, dass bei einer bestimmten anliegenden Bremskraft F
die Verformung des Lichtwellenleiters 6 in einer ganz speziellen
und gezielten Form erfolgt. Dargestellt sind hier zum Beispiel eine
spitze Führungsnut 19 und
eine Führungsnut 19,
die sich als Polygonzug darstellt. Durch eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Führungsnuten 19 kann
gezielt auf die mögliche Änderung
der Transmissionseigenschaften für
die eingestrahlten Lichtwellen 13 beim Anlegen der Bremskraft
F an die Lichtwellenleiter 6 hingewirkt werden.
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3 zeigt
die Wirkungsweise des gesamten Kraftsensors, der aus dem Lichtwellenleiter 6,
der Lichtquelle 8 und dem Lichtempfänger 9 besteht. Darüber hinaus
ist eine Auswerteeinheit 11 mit einem Mikrocontroller 12 zu
erkennen. Die Auswerteeinheit 11 kann zum Beispiel die
Lichtquelle 8 ansteuern, die Lichtwellen 13 mit
einer bestimmten Intensität
und einem bestimmten Spektrum in den Lichtwellenleiter 6 aussendet.
Die Lichtwellen 13 werden auf Grund der Totalreflexion
an den Wänden
des Lichtwellenleiters 6 im Lichtwellenleiter 6 geführt. In 3 ist
eine Situation dargestellt, in der der Aktuator 7 mit seinen Bremskolben 17 eine
Bremskraft F auf die Reibelemente 4 ausübt. Der zwischen dem Bremskolben 17 und
dem Reibelement 4 angeordnete Lichtwellenleiter 6 wird
durch die Bremskraft F verformt. Diese Verformung verursacht eine
Veränderung
der Transmissionseigenschaften des Lichtwellenleiters 6 für die eingestrahlten
Lichtwellen 13. Durch die Verformung des Lichtwellenleiters 6 kann
die Intensität
der Lichtwellen 13 verringert werden, indem sie zum Beispiel im
Bereich der Verformung des Lichtwellenleiters 6 aus dem
Lichtwellenleiter 6 teilweise herausgestreut werden. Darüber hinaus
kann die Modenverteilung der eingestrahlten Lichtwellen 13 verändert werden, was
auch mit dem Lichtempfänger 9 detektiert
werden kann. Sowohl die Intensitätsinformation
als auch die Modeninformation und die Veränderung der spektralen Zusammensetzung
der Lichtwellen 13 beim Durchgang durch den unter der Bremskraft
F verformten Lichtwellenleiter 6 können zur Bewertung der auf
den Lichtwellenleiter 6 ausgeübten Bremskraft F herangezogen
werden. Dazu ist der Lichtempfänger 9 mittels
elektrischer Leitungen 10 mit der Auswerteeinheit 11 verbunden.
In der Auswerteeinheit 11 kann ein Mikrocontroller 12 angeordnet
sein, der die empfangenen Signale sofort in Steuersignale für eine Kraftfahrzeugelektronik
umsetzt. Die Information über
die anliegende Bremskraft F wird von der Auswerteeinheit 11 über die
elektrische Leitung 10 der nachfolgenden Fahrzeugelektronik
zur Verfügung gestellt.
Mit diesen Informationen kann beispielsweise die Bremskraft F in
einer elektrischen Keilbremse sehr genau reguliert werden.
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4 zeigt
die aus der 3 bekannte Sensoranordnung im
kräftefreien
Zustand. Wiederum ist ein Mikrocontroller 12 zu erkennen,
der in einer Auswerteeinheit 11 angeordnet ist. Die Auswerteeinheit 11 steuert
die Lichtquelle 8 an, die die Lichtwellen 13 in
den Lichtwellenleiter 6 aussendet. Der Aktuator 7 erzeugt
nun keine Kraft mit seinem Bremskolben 17, womit auch keine
Verformung des Lichtwellenleiters 6 erfolgt. Die in den
Lichtwellenleiter 6 eingestrahlten Lichtwellen 13 können den
Lichtwellenleiter 6 nun ungehindert passieren und gelangen
so zum Lichtempfänger 9.
Der Lichtempfänger 9 detektiert
ein Signal, das sich deutlich von dem unterscheidet, das sich nach
der in der 3 dargestellten Situation ergibt. Auf
diese Art und Weise ist es möglich,
den kräftefreien
Fall der Fahrzeugbremse sicher zu erfassen. Die Signale des Lichtempfängers 9 werden über elektrische
Leitungen 10 an die Auswerteeinheit 11 übermittelt.
Die Auswerteeinheit 11 kann mit dem in ihr integrierten
Mikrocontroller 12 die Signale verarbeiten und entsprechende
Informationen an die nachfolgende Fahrzeugelektronik über elektrische
Leitungen 10 ausgeben. In den 3 und 4 ist
deutlich zu erkennen, dass im heißen Bereich der Fahrzeugbremse,
nämlich
in der Nähe
des Reibelementes 4, nur die Lichtwellenleiter 6 angeordnet
sind. Lichtwellenleiter 6 können aus sehr robusten Materialien
hergestellt werden, die vor allem gegen hohe Temperaturen beständig sind.
Die notwendige elektronische Auswerteeinheit 11 kann in
entsprechender Entfernung vom heißen Bereich der Fahrzeugbremse 1 angeordnet sein,
wodurch die in der Auswerteeinheit 11 vorhandene Elektronik
nicht thermisch belastet wird.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf den Bremskolben 17. Zu erkennen ist
der auf dem Bremskolben 17 angeordnete Lichtwellenleiter 6.
Als mögliche
Anordnung ist hier in 5 eine schlangenlinienförmige Aufbringung
des Lichtwellenleiters 6 auf den Bremskolben 17 gezeigt.
Auch 6 zeigt den Bremskolben 17 mit dem darauf
angeordneten Lichtwellenleiter 6. Hier ist der Lichtwellenleiter 6 in
einer schneckenförmigen
Weise auf der Oberfläche
des Bremskolbens 17 angeordnet.
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Die 5 und 6 zeigen
nur beispielhaft die Anordnung des Lichtwellenleiters 6 auf
dem Bremskolben 17. Es sind jedoch vielfältige Anordnungen
des Lichtwellenleiters 6 im gesamten Kraftfluss der Fahrzeugbremse
denkbar.
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Als
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 7 eine Fahrzeugbremse 1 in
Form einer Trommelbremse dargestellt. Die Trommelbremse besteht
aus einer Bremstrommel 15, die hier das Element zur Reibungsaufnahme
bildet, und Bremsbacken 14, die hier die Reibelemente 4 darstellen.
Der Radbremszylinder 16 bildet den Aktuator 7,
der wiederum Bremskolben 17 enthält, die die vom Aktuator 7 erzeugte
Bremskraft F auf die Reibelemente 4 übertragen. Zwischen den Bremskolben 17 und
den Reibelementen 4 sind abermals die Lichtwellenleiter 6 angeordnet.
Die Bremskraft F setzt sich über
die Bremskolben 17 und die Lichtwellenleiter 6 auf
die Reibelemente 4 fort. Die zwischen den Reibelementen 4 und
den Bremskolben 17 angeordneten Lichtwellenleiter 6 werden
unter dem Einfluss der Bremskraft F verformt. Diese Verformung kann
genutzt werden, um die anliegende Bremskraft F zu ermitteln und das
Bremssystem entsprechend zu steuern.
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8 zeigt
einen Schnitt durch einen Lichtwellenleiter 6, wobei im
Lichtwellenleiter 6 die Mittelachse 18 gekennzeichnet
ist. Im Beispiel der 8 ist der Lichtwellenleiter 6 kräftefrei
gelagert, was bedeutet, dass keine Bremskraft F vom Aktuator 7 erzeugt
wird. Der Lichtwellenleiter 6 hat eine ideale runde Form,
und er kann die eingestrahlten Lichtwellen 13 optimal übertragen.
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In 9 ist
der Lichtwellenleiter 6 in einem Schnitt unter der Einwirkung
der Bremskraft F dargestellt. Die Verformung des Querschnittes Lichtwellenleiters 6 wird
zur Bestimmung der Bremskraft F verwendet. Der Lichtwellenleiter 6 zeigt
nun eine elliptische Verformung, wodurch sich seine Transmissionseigenschaften
für die
eingestrahlten Lichtwellen 13 im Vergleich zu der in 8 dargestellten
Situation verändern.
Diese Veränderung
der Transmissionseigenschaften für
die eingestrahlten Lichtwellen 13 kann hervorragend genutzt
werden, um die anliegende Bremskraft F zu ermitteln.
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Die 10 bis 13 zeigen beispielhaft Ausgestaltungen
der Nuten 19, in denen die Lichtwellenleiter 6 angeordnet
sind. Auch bei der Ausgestaltung dieser Nuten 19 gibt es
vielfältige
Variationsmöglichkeiten.
Mit der Ausgestaltung der Nuten 19 kann eine bestimmte
gewollte Änderung
der Transmissionseigenschaften des Lichtwellenleiters 6 unter
dem Einfluss der Bremskraft F modelliert werden. Somit kann eine
optimale Abhängigkeit
des Transmissionsverhaltens des Lichtwellenleiters 6 von
der angelegten Bremskraft F erreicht werden.
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- 1
- Fahrzeugbremse
- 2
- Nabe
- 3
- Element
zur Reibungsaufnahme
- 4
- Reibeelement
- 5
- Bremssattel
- 6
- Lichtwellenleiter
- 7
- Aktuator
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Lichtempfänger
- 10
- elektrische
Leitung
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Mikrocontroller
- 13
- Lichtwellen
- 14
- Bremsbacke
- 15
- Bremstrommel
- 16
- Radbremszylinder
- 17
- Bremskolben
- 18
- Mittelachse
- 19
- Nute