DE102006058882B4 - Separate Erfassung von Zuspann- und Reibkräften an einer Bremse - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen einer, zwischen einem Reibbelag (1, 5) und einem relativ zu diesem beweglich angeordneten Gegenstand (6) auftretenden, Normalkraft (N) und einer vermittelt über die Normalkraft (N) zwischen dem Reibbelag (1, 5) und dem Gegenstand (6) bewirkten Reibkraft (R), mit- einem ersten Sensorelement (14), das zur Wandlung einer ersten Deformationskomponente (ε(α)) in eine die erste Deformationskomponente repräsentierende erste elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist,- einem zweiten Sensorelement (15), das zur Wandlung einer zweiten Deformationskomponente (ε(-α)) in eine die zweite Deformationskomponente repräsentierende zweite elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist, und- einer Verarbeitungseinrichtung (20) zur Verarbeitung von zumindest der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße, wobei die Verarbeitungseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Normalkraft (N) und die Reibkraft (R) auf der Grundlage der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen, wobei die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers (1, 5, 9, 11) repräsentieren und die erste Deformationskomponente einen Winkel α zur Reibrichtung und die zweite Deformationskomponente einen Winkel -α zur Reibrichtung einnimmt, wobei α von Null verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die Normalkraft auf der Grundlage einer additiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen und das erste Sensorelement (14) und das zweite Sensorelement (15) jeweils im Inneren des Reibbelags (1, 5) angeordnet sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft die separate Erfassung von Zuspannkraft und Bremskraft an einer Bremseinrichtung.
• Bei einer auf einer Reibwirkung beruhenden Bremsanordnung wird zum Erzielen einer Bremswirkung im Allgemeinen ein Reibbelag gegen eine als Bremsfläche bezeichnete Oberfläche eines relativ zum Reibbelag beweglich angeordneten Gegenstands, den Bremsgegenstand, gedrückt. Durch das Andrücken des Reibbelags an den Bremsgegenstand entsteht zwischen diesen eine Reibkraft, die proportional dem normal zur Berührungsfläche zwischen Reibbelag und Bremsgegenstand ausgerichteten Anteil der Druckkraft ist. Diese Reibkraft wird im Folgenden Bremskraft genannt.
• Bei Fahrzeugbremsen ist der Bremsgegenstand üblicherweise als Bremsscheibe ausgeführt. Je nach verwendeter Art der Bremsanordnung kann der Bremsgegenstand jedoch auch andere Ausgestaltungen annehmen; bei Kraftfahrzeugen beispielsweise die Form einer Hohltrommel, oder bei Schienenfahrzeugen z.B. die Form eines Laufrads. Wird nicht der relativ zum Bremsbelag beweglich angeordnete Gegenstand selbst, sondern die den Reibbelag tragende Vorrichtung verzögert oder gehalten, dann kann, wie es bei einer Schienenbremse üblich ist, der Bremsgegenstand auch eine schienenförmige Ausformung annehmen.
• Bei Werkzeugmaschinen und maschinell angetriebenen Fahrzeugen werden hohe Anforderungen an die Steuerung der Bremskraft gestellt. Vor allem bei Kraftfahrzeugen können die hohen Anforderungen an Fahrdynamik, Fahrsicherheit und Komfort nur erfüllt werden, wenn die Bremskraft der Fahrzeugbremsen genau geregelt werden kann, wobei in Abweichung vom üblichen deutschen Sprachgebrauch in dieser Schrift nicht zwischen den Begriffen Steuern und Regeln unterschieden wird. Vielmehr werden beide Begriffe und ihre grammatikalischen Abwandlungen, soweit nicht explizit anders angegeben, in synonymer Weise verwendet, die sowohl eine Steuerung mittels einer Stellgröße als auch eine Regelung umfasst, bei der eine Regelgröße mit einer Führungsgröße verglichen wird.
• Bei einem Bremssystem stellt die Normalkraft die Stellgröße und die Bremskraft die Regelgröße dar. Da der Reibwert zwischen Reibbelag und abzubremsendem Gegenstand in großem Ausmaß von der Temperatur an der Grenzfläche beeinflusst wird, aber auch Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Feuchtigkeit oder Variationen in der Rauhigkeit der Bremsfläche zu einer Änderung des Reibwerts führen können, lässt sich über die Normalkraft nicht unmittelbar auf die damit erzielte Reib- bzw. Bremskraft schließen. Zur Regelung der Bremskraft muss daher die Reibkraft selbst erfasst werden können.
• Bei Scheibenbremsen erfolgt die Ermittlung der Normalkraft üblicherweise über die Messung der Zuspannkraft. Hierzu werden häufig Kraftsensoren in der Abstützung eines Reibbelags am Bremssattel verwendet. Statt dieser direkten Erfassung der Zuspannkraft, kann diese auch indirekt aus der Aufweitung des Bremssattels beim Zuspannen der Bremse abgeleitet werden. Die Messung der Aufweitung erfolgt dabei mithilfe von Wegsensoren, wobei auf die Zuspannkraft üblicherweise aus der unterschiedlichen Aufweitung eines belasteten und eines unbelasteten Arms des Bremssattels geschlossen wird. Eine weitere Art der Bestimmung der Zuspannkraft besteht in einer Dehnungsmessung an einer repräsentativen Stelle des Bremssattels gefolgt von einer Umrechnung der Dehnung in die Zuspannkraft.
• Zur Ermittlung der Reibkraft bzw. Bremskraft werden im Fahrzeugbau gegenwärtig Messnaben verwendet. Die Bestimmung der Reibkraft erfolgt dabei durch Rückrechnen über den Reibradius. Entsprechende Systeme können in die Fahrzeugfelge integriert oder an der Radaufhängung eines Fahrzeugs montiert werden. Aufgrund ihrer Baugröße sind sie jedoch nur als Entwicklungssysteme einsetzbar und nicht als Teil einer Bremskraftregelung verwendbar.
• Bezüglich einer Bestimmung eines Bremsmoments aus einer Verformung ist aus der gattungsbildenden US 6,634,208 B2 eine Anordnung mit einem Lager und einer mechanischen Schnittstelle bekannt, wobei die Schnittstelle über entsprechende Verbindungmittel mit der feststehenden Laufbahn des Lagers verbunden ist, sodass die Schnittstelle zwischen der feststehenden Laufbahn des Lagers und einer feststehenden Struktur angeordnet ist. Die Anordnung weist dabei ferner erste Mittel zur Befestigung an der feststehenden Struktur, zweite Mittel zur Befestigung einer Vorrichtung, die dazu vorgesehen ist, eine Kraft auf einen rotierenden Gegenstand zu bewirken und wenigstens eine Deformationszone auf, die dazu geeignet ist, unter der Einwirkung der auf die Anordnung wirkende Kräfte deformiert zu werden. Ferner weist die Anordnung wenigstens einen Sensor auf, der dazu geeignet ist, die Kräfte zu messen, die funktional den Deformationszonen zugeordnet sind.
• Ferner beschreibt die WO 03/029682 A1 eine Scheibenbremse mit einem Aktuator, der einen Bremsbetätigungshebel aufweist und in einem Bremssattel angeordnet ist und ein Verfahren zur Bestimmung der Bremskraft bei Bremsungen mit einer Scheibenbremse. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest am Bremsbetätigungshebel, am Bremsaktuator, am Bremssattel und/oder an einem Bremsträger wenigstens ein Spannungssensor angeordnet ist, mit dem Spannungen zur Bestimmung der Bremskraft gemessen werden.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die zwischen einem Reibbelag und einem relativ zu dem Reibbelag bewegbar angeordneten Gegenstand auftretende Normalkraft und Reibkraft getrennt erfasst und eine geringe Baugröße aufweist.
• Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst.
• Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Erfassen einer, zwischen einem Reibbelag und einem relativ zu diesem beweglich angeordneten Gegenstand auftretenden, Normalkraft und einer vermittelt über die Normalkraft zwischen dem Reibbelag und dem Gegenstand bewirkten Reibkraft. Die Vorrichtung weist ein erstes Sensorelement, ein zweites Sensorelement und eine Verarbeitungseinrichtung auf. Das erste Sensorelement ist zur Wandlung einer ersten Deformationskomponente in eine, die erste Deformationskomponente repräsentierende, erste elektrisch erfassbare Kenngröße, das zweite Sensorelement ist zur Wandlung einer zweiten Deformationskomponente in eine die zweite Deformationskomponente repräsentierende zweite elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet, wobei die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers repräsentieren und die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers repräsentieren, und wobei die erste Deformationskomponente einen Winkel α zur Reibrichtung und die zweite Deformationskomponente einen Winkel - α zur Reibrichtung einnimmt, und α von Null verschieden ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist zu Verarbeitung von zumindest der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße ausgebildet, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die Normalkraft und die Reibkraft auf der Grundlage der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.
• Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, die Normalkraft auf der Grundlage einer additiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen und das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement jeweils im Inneren des Reibbelags angeordnet sind.
• In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe „umfassen“, „aufweisen“, „beinhalten“ und „mit“, sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie z.B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
• Die Vorrichtung weist eine geringe Baugröße auf und ist somit leicht in herkömmliche Bremssysteme integrierbar. Die Erfassung von Normalkraft und einer vermittelt über die Normalkraft zwischen dem Reibbelag und dem Gegenstand bewirkten Reibkraft ermöglicht eine genaue Regelung der Bremskraft von Kraftfahrzeugen, Werkzeugmaschinen oder anderen Maschinen.
• Die Erfindung wird in ihren abhängigen Ansprüchen weitergebildet.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt der Winkel zwischen der Reibrichtung und den beiden Deformationskomponenten ±45 Grad, sodass eine hohe Empfindlichkeit und Messgüte der Kraftermittlung erreicht werden.
• Hierbei ist die Verarbeitungseinrichtung zweckmäßig ferner ausgebildet, die Reibkraft auf der Grundlage einer subtraktiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
• 1 eine Scheibenbremse in einer schematischen Darstellung zeigt,
• 2 die durch die Reibkraft und Normalkraft bewirkte Verformung eines Körpers zeigt,
• 3 die durch die Normalkraft und die Reibkraft bewirkte Zuspannung und Schubspannung, sowie deren Komponenten in den jeweiligen Messrichtungen veranschaulicht,
• 4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum gesonderten Erfassen der auf einen Reibbelag wirkenden Normal- und Reibkraft zeigt, und
• 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Komponente einer Vorrichtung zum gesonderten Erfassen der auf einen Reibbelag wirkenden Normal- und Reibkraft zeigt.
• Die 1 zeigt ein Beispiel einer Scheibenbremse 10 in einer schematischen Darstellung. Der Bremsgegenstand wird von der nur teilweise dargestellten Bremsscheibe 6 gebildet. Das Abbremsen der Bremsscheibe 6 erfolgt mithilfe von zwei, an gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 6 angeordneten und in einem Schwimmsattel 4 aufgenommenen, Reibbelägen 1 und 5. Der aktive Reibbelag 1 ist an einer Zuspanneinrichtung angebracht, die einen fest mit dem Bremssattel 4 verbundenen Teil 3 und einen relativ zum Bremssattel 4 verschiebbaren Teil 2 umfasst. Der passive Reibbelag 5 ist fest mit dem Bremssattel verbunden. Zum Abbremsen der Bremsscheibe 6 wird der aktive Reibbelag 1 der Bremse 10 von der Zuspanneinrichtung mit einer Normalkraft N gegen eine Seitenfläche der Bremsscheibe 6 gedrückt. Beim Andrücken verschiebt sich der als Schwimmsattel ausgebildete Bremssattel 4 relativ zum Bremsgegenstand 6, wodurch der passive Reibbelag 5 ebenfalls mit der Normalkraft N gegen die zweite Seite der Bremsscheibe 6 gedrückt wird.
• Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung einer Bremsvorrichtung bewirkt die Normalkraft N an jedem der Bremsbeläge 1 bzw. 5 eine Reibkraft R, deren Richtung der Bewegung der Bremsfläche, d.h. der von dem jeweiligen Reibbelag abgedeckten Seitenfläche der Bremsscheibe 6, relativ zu den Reibbelägen entgegengesetzt ist. Bei der in der 1 gezeigten Scheibenbremse sind Normalkraft und Reibkraft orthogonal zueinander angeordnet.
• Beim Andrücken eines Reibbelags führt die Normalkraft N zu einer Komprimierung, die Reibkraft R dagegen zu einer Verzerrung eines diesen Kräften ausgesetzten körperlichen Gegenstands. Der rechteckförmige Querschnitt des in der 1 dargestellten Reibbelags 1 würde während eines Bremsvorgangs somit eine rautenförmige Verzerrung aufweisen. Dies ist in der 2 veranschaulicht, worin der unbelastete Körper bzw. Gegenstand 11 mit einer durchgezogenen, der unter den jeweiligen Krafteinwirkungen verformte Körper 12 dagegen mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist.
• In der Darstellung a von 2 ist die Verformung des Gegenstands 11 durch die Reibkraft R schematisch gezeigt. Die Reibkraft greift an der, an der Bremsfläche des Bremsgegenstands anliegenden Fläche des Gegenstands 11 an und verschiebt diese aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Gegenstands 11 parallel zur gegenüberliegenden Fläche. Wird die in der Darstellung gezeigte Oberfläche mit einem Messkreuz 13 markiert, dessen Balken die Diagonalen eines Quadrats bilden, so wird das Messkreuz 13 unter dem Einfluss der Reibkraft R zu der in der Darstellung a mit strichpunktierter Linie veranschaulichten Form verzerrt.
• In der Darstellung b der 2 ist die Auswirkung der Normalkraft N auf die Form des Gegenstands 11 dargestellt. Die über die gesamte Fläche wirkende Kraft N führt zu einer Stauchung des elastisch verformbaren Gegenstands, sodass sich im Wesentlichen seine Dicke in der gezeigten Form verändert. Die Auswirkung einer Kombination von Reibkraft R und Normalkraft N ist in der Darstellung c der Figur veranschaulicht, worin die Belastung des Gegenstands 11 mit diesen Kräften zu einer Verzerrung führen, die in einer gestauchten, parallelogrammförmigen Form des Querschnitts resultiert. Die elastische Verzerrung drückt sich auch in der Form des dargestellten mitverzerrten Messkreuzes 13 aus, das im unbelasteten Zustand des Gegenstands 11 die Diagonalen eines Quadrats bildet.
• Die in 2 übertrieben dargestellte Verzerrung des mit Kräften belasteten Körpers 12 kann über Dehnungssensoren erfasst werden, wobei jeder der Sensoren zur Messung einer Dehnungskomponente in nur einer Richtung ausgebildet ist. Die Messrichtungen der beiden Sensoren sind dabei gegenüber angreifenden Reib- und Normalkraft jeweils in einem Winkel angeordnet und stehen auch zueinander in einem Winkel.
• Im Folgenden werden die Dehnungen ε_ζ und ε_η entlang der Messrichtungen ζ bzw. η der jeweiligen Dehnungssensoren unter Bezugnahme auf die 3 dargestellt. In der 3a ist der, der Normalkraft N und der Reibkraft R ausgesetzte Gegenstand 11 im nicht verzerrten Zustand dargestellt. Die Normalkraft N ist dabei entgegen der Ordinate y, die Reibkraft R in Richtung der Abszisse x eines kartesischen Koordinatensystems gerichtet. Die Normalkraft bewirkt im Inneren des Gegenstands 11 eine Druckspannung $${\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}=\text{N/A},$$

  

  die nur eine Komponente in y-Richtung aufweist, d.h. σ_x=0. A bezeichnet in Gleichung 1 die Fläche, über die die Normalkraft auf den Bremsgegenstand 11 einwirkt. Die Reibkraft R bewirkt eine Schubspannung $${\text{T}}_{\text{xy}}=\text{R/A},$$

  

  deren Flächennormale der x-Achse und deren Richtung der y-Achse entspricht. In 3b ist das in 3a mit einer gestrichelten Linie dargestellte Oberflächenelement unter Angabe der Spannungen vergrößert dargestellt. Um die Spannungen entlang der in der 3c veranschaulichten Messrichtungen α bzw. -α zur Reibrichtung zu berechnen, müssen die Spannungen α_y, σ_x, T_xy und T_yx in das ζ-η-Koordinatensystem der Messrichtungen transformiert werden. Für die folgenden Berechnungen ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit, sondern lediglich im Hinblick auf eine übersichtlichen Darstellung, ein kartesisches ζ-η Koordinatensystem unterstellt, das um einen Winkel α gegenüber dem x-y-Koordinatensystem gedreht ist. Damit erhält man für die Zuspannung in die jeweilige Messrichtung: $${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\zeta }}=\mathrm{0,5}\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{x}}+{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\right)+\mathrm{0,5}\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{x}}-{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\right)\cdot \text{cos}2\mathrm{\alpha }+{\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha };$$

  

  $${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\eta }}=\mathrm{0,5}\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{x}}+{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\right)-\mathrm{0,5}\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{x}}-{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\right)\cdot \text{cos}2\mathrm{\alpha }-{\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha };$$

  
• Für die Schubspannung T_ζη erhält man: $${\text{T}}_{\mathrm{\zeta \eta }}=-\mathrm{0,5}\cdot \left({\mathrm{\sigma }}_{\text{x}}-{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\right)\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha }+{\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{cos}2\mathrm{\alpha };$$

  
• Da σ_x=0 ist, vereinfachen sich Gleichung 3a und 3b zu: $${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\zeta }}=\mathrm{0,5}\cdot {\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}-\mathrm{0,5}\cdot {\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\cdot \text{cos}2\mathrm{\alpha }+{\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha };$$

  

  $${\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\eta }}=\mathrm{0,5}\cdot {\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}-\mathrm{0,5}\cdot {\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\cdot \text{cos}2\mathrm{\alpha }-{\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha };$$

  
• Für die Dehnung ε_ζ = ε(α) in α-Richtung, d.h. die Dehnung, die durch den ersten Dehnungssensor aufgenommen wird, gilt: $$\begin{array}{l}{\mathrm{\epsilon }}_{\mathrm{\zeta }}=\mathrm{\epsilon }\left(\mathrm{\alpha }\right)=\left({\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\zeta }}-\text{v}{\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\eta }}\right)\text{/E};\to \\ \mathrm{\epsilon }\left(\mathrm{\alpha }\right)=\left\{\mathrm{0,5}{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\cdot \left(1-\text{v}\right)\cdot \left(1-\text{cos}2\mathrm{\alpha }\right)+\left(1+\text{v}\right)\cdot {\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha }\right\}\text{/E}\end{array}$$

  

  worin E den Elastizitätsmodul und v die Querkontraktionszahl des Materials, aus dem das Schubfeld gefertigt ist, bedeuten.
• Analog erhält man für die Dehnung ε(-α) in -α-Richtung, d.h. die Dehnung, die durch den zweiten Dehnungssensor aufgenommen wird: $$\mathrm{\epsilon }\left(-\mathrm{\alpha }\right)=\left\{\mathrm{0,5}{\mathrm{\sigma }}_{\text{y}}\cdot \left(1-\text{v}\right)\cdot \left(1-\text{cos}\left(-2\mathrm{\alpha }\right)\right)+\left(1+\text{v}\right)\cdot {\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}\left(-2\mathrm{\alpha }\right)\right\}\text{/E}$$

  
• Mit cos2α = cos(-2α) und sin2α = -sin(-2α) erhält man somit: $$\mathrm{\epsilon }\left(\mathrm{\alpha }\right)-\mathrm{\epsilon }\left(-\mathrm{\alpha }\right)=2\cdot \left(1+\text{v}\right)\cdot {\text{T}}_{\text{xy}}\cdot \text{sin}2\mathrm{\alpha }\text{/E}={\text{C}}_1\cdot \text{R};$$

  

  und $$\mathrm{\epsilon }\left(\mathrm{\alpha }\right)+\mathrm{\epsilon }\left(-\mathrm{\alpha }\right)={\mathrm{\sigma }}_y\cdot \left(1-\text{v}\right)\cdot \left(1-\text{cos}2\mathrm{\alpha }\right)\text{/E}={\text{C}}_2\cdot \text{N};$$

  
• Die Differenz der Dehnungen in den jeweiligen Messrichtungen ist nach Gleichung 7a daher proportional der Reibkraft R, während die Summe der Dehnungen in den jeweiligen Messrichtungen nach Gleichung 7b proportional der Normalkraft N ist. Dieses Ergebnis trifft allgemein auch auf Messrichtungen ζ und η zu, die einen vom rechten Winkel verschiedenen Winkel größer Null einschließen. Allerdings nimmt der Proportionaltätsfaktor C₁ den maximalen Wert für α=45° an. C₂ nimmt in diesem Fall den 0,5-fachen Wert der maximalen Verstärkung an.
• Die Messung der Dehnungskomponenten in den unter einem Winkel zueinander angeordneten Messrichtungen zweier Dehnungssensoren ermöglicht somit die gesonderte Erfassung der auf den Gegenstand 11 einwirkenden Normalkraft N und Reibkraft R.
• Für die Messung der Dehnungskomponenten können alle Dehnungssensoren, insbesondere resistive (z.B. Dehnungsmessstreifen), piezoresistive, kapazitive (MEMS) und faseroptische (auf dem Braggeffekt beruhende) Dehnungssensoren verwendet werden, die in geeigneter Weise auf einen der Normal- und Reibkraft direkt oder indirekt ausgesetzten Gegenstand 11 aufgebracht werden können. Die Dehnungssensoren müssen nicht unbedingt auf der Oberfläche des Gegenstands 11, beispielsweise eines Reibbelags 1 oder 5 angebracht sein, sie können auch innerhalb des Gegenstands in dessen Volumen aufgenommen sein. In jedem Fall müssen die Dehnungssensoren strukturell mit dem Gegenstand 11 verbunden sein. Eine Anordnung der Dehnungssensoren im Inneren des Gegenstands 11 kann bereits während der Anfertigung des Gegenstands erfolgen, die Dehnungssensoren können jedoch auch nachträglich, z.B. mittels geeigneter Kleber, in den Gegenstand eingebracht werden. Statt mit einzelnen Dehnungssensoren kann das Messkreuz auch mit einer Dehnungsmessrosette aufgebaut sein.
• In einer nicht beanspruchten Variante können die Dehnungssensoren auch nicht an den Reibbelägen 1 bzw. 5 der Bremse selbst, sondern an einem kraftschlüssig mit einem Reibbelag verbundenen Schubfeld angebracht werden. Ein Beispiel hierfür ist in der 4 gezeigt.
• Der Reibbelag 1 bzw. 5 ist auf einem Belagträger 7 aufgebracht, der in einer als Rahmenkonstruktion ausgeführten Abstützeinrichtung 8 aufgenommen ist. Ein sowohl mit der Rahmenkonstruktion 8 als auch dem Belagträger 7 starr, beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig verbundenes Schubfeld 9 überbrückt einen zwischen dem Belagträger und der Rahmenkonstruktion angeordneten Hohlraum. Auf dem Schubfeld 9 ist ein Messkreuz 13 mit zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Dehnungssensoren so aufgebracht, dass die Dehnungssensoren die Dehnungskomponenten des Schubfelds in die jeweiligen Messrichtungen der Dehnungssensoren erfassen können. Durch die starre Verbindung werden die auf den Reibbelag wirkenden Kräfte direkt auf das Schubfeld 9 übertragen und deformieren es entsprechend den übertragenen Kräften.
• Die Anordnung von 4 kann abweichend von der Darstellung mehrere Schubfelder 9 umfassen, auf die die, auf den Reibbelag einwirkenden, Normal- und Reibkräfte übertragen werden. Das bzw. die Schubfelder können dabei mit dem Belagträger bzw. der Rahmenkonstruktion jeweils starr oder über einen Formschluss verbunden sein, der die Krafteinleitung ermöglicht. Insbesondere können Abstützeinrichtung 8 und Schubfeld bzw. Schubfelder einstückig ausgebildet sein. Die Rahmenkonstruktion 8 ist steif genug ausgeführt, dass die über sie ausgeleiteten Kräfte diese nicht nennenswert verformen. Ferner können die Dehnungssensoren 13 sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen des bzw. der Schubfelder 9 angeordnet sein. Abweichend von der Darstellung kann das Schubfeld 9 auch so angeordnet sein, dass es auf Zug beansprucht wird.
• Die auf einen Dehnungssensor übertragene Dehnungskomponente des Schubfelds 9 oder eines Gegenstands 11 kann über eine mit der Dehnung verknüpfte Änderung einer Kenngröße des Sensors erfasst werden. Die Kenngröße wird bei Dehnungsmessstreifen im Allgemeinen vom Widerstand des Sensorelements, bei faseroptischen Dehnungssensoren von der Wellenlänge des an den Bragggittern reflektierten Lichts gebildet. Über geeignete Messschaltungen sind diese Kenngrößen elektrisch erfassbar und können beispielsweise in einer in der 5 gezeigten Verarbeitungseinrichtung 20 zu Signalen weiterverarbeitet werden, die jeweils die auf den Reibbelag wirkende Normalkraft N und Reibkraft R repräsentieren.
• Der erste Dehnungssensor 14 und der zweite Dehnungssensor 15 des Messkreuzes 13 sind üblicherweise bereits mit einer Messschaltung versehen, die ein die Dehnung des jeweiligen Sensorelements repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal liefert. Sind die Sensoren nicht mit einer entsprechenden Messschaltung ausgestattet, so umfasst die Verarbeitungseinrichtung 20 mit den Dehnungssensoren 14 bzw. 15 verbundene Messeinrichtungen 21_1 und 21_2 zum elektrischen Erfassen der mit der Deformation des jeweiligen Dehnungssensors verbundenen Änderung dessen Kenngröße.
• Die von den Messschaltungen der Sensoren 14 und 15 oder von den mit den Sensoren verbundenen Messeinrichtungen 21_1 und 21_2 ausgegebenen elektrischen Messsignale werden an eine Summenbildungseinrichtung 22 und eine Differenzbildungseinrichtung 23 der Verarbeitungseinrichtung 20 weitergeleitet. In der Differenzbildungseinrichtung 23 wird auf der Grundlage einer Differenz der Messsignale von den Sensoren 14 und 15 ein Ausgangssignal erzeugt, das bei einer Anordnung, die den Darstellungen der 2 oder 4 entspricht, die Reibkraft R repräsentiert. Entsprechend repräsentiert das von der Summenbildungseinrichtung 22 auf der Grundlage einer Summe der Messsignale von den Sensoren 14 und 15 erzeugte Ausgangssignal die Normalkraft N.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht die getrennte Erfassung von der auf einen Reibbelag einer Bremse ausgeübten Normalkraft und der dadurch bewirkten Reibkraft an der Grenzfläche zwischen Reibbelag und Bremsgegenstand. Die geringe Baugröße der zur Kräfteermittlung verwendeten Dehnungssensoren ermöglicht die Integration der Messapparatur in herkömmliche Bremssysteme, womit eine Regelung der Bremskraft während eines Bremsvorgangs möglich wird. Die aufgenommenen Messgrößen sind dabei unabhängig vom Abstand zwischen Reibebene und Messstelle, sodass ein Belagverschleiß keinerlei Auswirkungen auf die Messung hat. Aufgrund der Messung in unmittelbarer Nähe zum Reibkontakt sind die Störeinflüsse durch eventuell wirkende Trägheitskräfte minimiert.
• Bezugszeichenliste

1

aktiver Reibbelag

2

beweglicher Teil der Zuspanneinrichtung

3

feststehender Teil der Zuspanneinrichtung

4

Bremssattel

5

passiver Reibbelag

6

Bremsgegenstand, Bremsscheibe

7

Belagträger

8

Rahmenkonstruktion, Abstützeinrichtung

9

Schubfeld, Schubblech

10

Scheibenbremse

11

unbelasteter Gegenstand

12

belasteter Gegenstand

13

Messkreuz

14

erster Dehnungssensor

15

zweiter Dehnungssensor

20

Verarbeitungseinrichtung

21_1

erste Messeinrichtung

21_2

zweite Messeinrichtung

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Erfassen einer, zwischen einem Reibbelag (1, 5) und einem relativ zu diesem beweglich angeordneten Gegenstand (6) auftretenden, Normalkraft (N) und einer vermittelt über die Normalkraft (N) zwischen dem Reibbelag (1, 5) und dem Gegenstand (6) bewirkten Reibkraft (R), mit - einem ersten Sensorelement (14), das zur Wandlung einer ersten Deformationskomponente (ε(α)) in eine die erste Deformationskomponente repräsentierende erste elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist, - einem zweiten Sensorelement (15), das zur Wandlung einer zweiten Deformationskomponente (ε(-α)) in eine die zweite Deformationskomponente repräsentierende zweite elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist, und - einer Verarbeitungseinrichtung (20) zur Verarbeitung von zumindest der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße, wobei die Verarbeitungseinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Normalkraft (N) und die Reibkraft (R) auf der Grundlage der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen, wobei die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers (1, 5, 9, 11) repräsentieren und die erste Deformationskomponente einen Winkel α zur Reibrichtung und die zweite Deformationskomponente einen Winkel -α zur Reibrichtung einnimmt, wobei α von Null verschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die Normalkraft auf der Grundlage einer additiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen und das erste Sensorelement (14) und das zweite Sensorelement (15) jeweils im Inneren des Reibbelags (1, 5) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der Reibrichtung und den beiden Deformationskomponenten jeweils +45 Grad und -45 Grad beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die Reibkraft auf der Grundlage einer subtraktiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.

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