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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Verschleißzustands
von Bremsscheiben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bremsscheiben
aus kohlestofffaserverstärkten Keramikwerkstoffen sind
aufgrund ihrer Werkstoffzusammensetzung sehr temperaturstabil, dieselben
verschleißen jedoch durch einen allmählich Abbrand
der verstärkenden Kohlestofffasern bei Bremsscheibentemperaturen
oberhalb von ca. 450°C. Bei Bremsscheibentemperaturen von
mehr als 450°C und bei sauerstoffhaltiger Umgebung oxidieren
zunächst die Kohlestofffasern an den Oberflächen
der Bremsscheiben. Mit zunehmender Belastung und entsprechender
Durchwärmung der Bremsscheibe sind Oxidationseffekte auch
im Inneren der Bremsscheibe zu beobachten. Die Zunahme der oxidationsbedingten
Porosität ermöglicht Zutritt von Sauerstoff auch
in festigkeitsrelevanten Strukturbereichen. Hierdurch wird die Struktur
einer Bremsscheibe aus einem kohlestofffaserverstärkten
Keramikwerkstoff zunehmend geschwächt, wobei dann, wenn
der Faserabbrand der Kohlestofffasern ein kritisches Maß erreicht
bzw. übersteigt, die Festigkeit der Bremsscheibe unter
hohen Fliehkräften und Bremskräften nicht mehr
gewährleistet wird, sodass dieselbe dann im Betrieb versagen
kann. Zur Gewährleistung einer hohen Fahrsicherheit muss
daher der Verschleißzustand von Bremsscheiben aus kohlestofffaserverstärkten
Keramikwerkstoffen sicher bestimmt werden.
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Zur
Bestimmung des Verschleißzustands von Bremsscheiben aus
keramischen Verbundwerkstoffen ist es aus der
EP 1 251 289 B1 bekannt,
optische Verschleißindikatoren aus einem oxidationsempfindlichen
Werkstoff in die Bremsscheiben zu integrieren, wobei auf Grundlage
des Abbrands dieser optischen Verschleißindikatoren der
Verschleißzustand einer Bremsscheibe ermittelt wird. Die
Integration der optischen Verschleißindikatoren in die Bremsscheibe
erfordert einen hohen fertigungstechnischen Aufwand. Weiterhin ist
nachteilig, dass der Verschleißzustand nur mit begrenzter Genauigkeit unter
Verwendung solcher optischer Verschleißindikatoren ermittelt
werden kann.
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Aus
der
DE 101 16 662
A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Verschleißzustands
von Keramikbremsscheiben bekannt, bei welchem für Einzelbremsvorgänge
verschleißrelevante Daten, wie zum Beispiel Fahrgeschwindigkeit
und Bremsdruck, ermittelt werden, wobei der Verschleißzustand
durch eine Aufsummierung des Bremsdrucks von Einzelbremsvorgängen
bestimmt wird. Die so gebildete Summe wird einem Referenzwert verglichen,
wobei beim Überschreiten des Referenzwerts für
den Fahrer eine Anzeige erzeugt wird.
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Aus
der
DE 603 07 219
T2 ist ein weiteres Verfahren zum Bestimmen des Verschleißzustands von
Bremsscheiben aus einem Verbundwerkstoff bekannt, wobei bei jeder
Verzögerung eines Fahrzeugs eine Differenz der kinetischen
Energie des Fahrzeugs berechnet wird und eine Temperatur der Bremsscheiben
während der Verzögerung in Abhängigkeit
des mittleren Werts der Differenz der kinetischen Energie bei jeder
Verzögerung des Fahrzeugs bestimmt wird.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde
ein genaueres und zuverlässigeres Verfahren zum Bestimmen
des Verschleißzustands von Bremsscheiben zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen des Verschleißzustands
von Bremsscheiben gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden zum Bestimmen des Verschleißzustands
von Bremsscheiben aus kohlestofffaserverstärkten Keramikwerkstoffen
für ein Kraftfahrzeug während des Betriebs des
Kraftfahrzeugs verschleißrelevante Daten ermittelt werden,
wobei die Ermittlung verschleißrelevanter Daten fortlaufend erfolgt
und einerseits eine Bremsscheibentemperatur und anderseits eine
Einwirkzeit der Bremsscheibentemperatur auf die Bremsscheibe ermittelt
wird, wobei aus den ermittelten Bremsscheibentemperaturen und Einwirkzeiten
der Verschleißzustand bestimmt wird. Der Verschleißzustand
entspricht dabei im wesentlichen einem Oxidationszustand. Die fortlaufende
Ermittlung verschleißrelevanter Daten bedeutet, dass die
verschleißrelevante Daten nicht nur bei einer Verzögerung
des Fahrzeugs ermittelt werden, sondern beispielsweise auch bei
sonstigen Bremsbetätigungen, wie sie beispielsweise Schlupfregelsysteme,
Fahrstabilitätsregelungen oder Brems-Sperrdifferential-Regelungen
vornehmen.
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Vorzugsweise
erfolgt die Ermittlung der Bremsscheibentemperaturen für
definierte Zeitabschnitte rechnerisch unter Verwendung von Fahrzustandsdaten
und Aufheizkurven sowie Abkühlkurven der Bremsscheiben.
Auf eine solche Art und Weise rechnerisch ermittelte Bremsscheibentemperaturen der
definierten Zeitabschnitte werden zusammen mit den jeweiligen Einwirkzeiten
der Bremsscheibentemperaturen vorzugsweise kennfeldabhängig
ausgewertet, um für jeden Zeitabschnitt einen Zeitabschnittsverschleiß zu
ermitteln. Die einzelnen Zeitabschnittsverschleiße werden
dann aufsummiert, um den gesamten Verschleißzustand der
Bremsscheibe zu bestimmen.
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Mit
Vorteil wird auch nachlaufend nach Bremsungen die Temperatur der
einzelnen Bremsscheiben ermittelt und aus einem vorzugsweise dreidimensionalen,
nichtlinearen Kennfeld aus der Temperatur der Bremsscheiben und
der Einwirkdauer der Temperatur der momentane Bremsenverschleiß ermittelt
wird.
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Zur
Steigerung der Genauigkeit der Bremsscheibentemperaturbestimmung
kann mit Vorteil neben der Aufheizung durch die Umwandlung von kinetischer
Energie in Wärme auch die Abkühlung der Bremsscheiben
berücksichtigt werden. Eine Abkühlung der Bremsscheiben
ist beispielsweise auf innere und äußere Bremsscheibenkühlung
zurückzuführen.
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Mit
Vorteil wird bei der Bestimmung der Verschleißbeträge
aus den ermittelten Bremsscheibentemperaturen neben der Temperatur
auch die Temperatureinwirkdauer bewertet.
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Mit
Vorteil werden bei der Bestimmung der Verschleißbeträge
auch die Geometrie der Bremsscheibe und deren Werkstoffeigenschaften
berücksichtigt. Derart können insbesondere Abkühlvorgänge
mit höherer Genauigkeit berücksichtigt werden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der
Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand
der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein
Signalflussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bestimmen des Verschleißzustands von Bremsscheiben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Verschleißzustands
von Bremsscheiben aus kohlenstofffaserverstärkten Keramikwerkstoffen
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Signalflussdiagramm der 1 im
Detail beschrieben.
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Die
Ermittlung verschleißrelevanter Daten erfolgt fortlaufend
und kann beispielsweise in Zeitabschnitten gemäß dem
in 1 beschriebenen Ablauf erfolgen. Die Ermittlung
der Bremsscheibentemperaturen für die Zeitabschnitte kann
rechnerisch unter Verwendung von Fahrzustandsdaten und Aufheizkurven
sowie Abkühlkurven der Bremsscheiben erfolgen. Derart ermittelte
Bremsscheibentemperaturen der Zeitabschnitte werden zusammen mit
den jeweiligen Einwirkzeiten der Bremsscheibentemperaturen vorzugsweise
kennfeldabhängig ausgewertet, um für jeden Zeitabschnitt
einen Zeitabschnittsverschleiß zu ermitteln. Dabei wird
für jeden Zeitabschnitt, in dem eine Mindest-Scheibentemperatur überschritten
wird, ein Zeitabschnittsverschleiß bestimmt. Die einzelnen
Zeitabschnittsverschleiße werden dann gewichtet entsprechend
der Oxidationswirkung, vorzugsweise abhängig von Temperatur
und Zeitdauer, aufsummiert, um den gesamten Verschleißzustand
der Bremsscheibe zu bestimmen.
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In
einem Block 10 des Signalflussdiagramms der 1 wird
die Temperaturänderung der Bremsscheibe bzw. der Bremsscheiben
in einem Zeitabschnitt ermittelt. Dabei werden zum Beispiel Fahrzeuggeschwindigkeit
und Umgebungstemperatur im Hinblick auf eine Temperatursenkung berücksichtigt. Im
Hinblick auf eine Temperaturerhöhung können insbesondere
Fahrzeuggeschwindigkeit, Verzögerungswerte und/oder der
Bremsdruck berücksichtigt werden.
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Auf
Grundlage der in Block 10 ermittelten Temperaturänderung
wird in Block 11 eine Bremsscheibentemperatur für
den aktuellen Zeitabschnitt ermittelt. Die Ermittlung der Bremsscheibentemperatur
für einen Einzelbremsvorgang in Block 11 kann prinzipiell
auch messtechnisch erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch die Bremsscheibentemperatur
rechnerisch ermittelt, und zwar unter Verwendung von Fahrzustandsdaten
und Aufheiz- sowie Abkühlkurven der Bremsscheiben.
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Als
Fahrzustandsdaten bei der rechnerischen Ermittlung der Bremsscheibentemperatur
eines Einzelbremsvorgangs in Block 11 werden vorzugsweise
eine Fahrzeuggeschwindigkeit, eine Fahrzeugverzögerung,
ein Verhältnis von Motormoment zur Fahrzeugbeschleunigung
sowie gegebenenfalls ein Bremsdruck des Einzelbremsvorgangs verwendet.
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Diese
Fahrzustandsdaten fließen in Aufheiz- und Abkühlkurven,
die während der Fahrzeugentwicklung bestimmt wurden, ein,
um unter Verwendung der Fahrzustandsdaten sowie der Aufheiz- sowie
Abkühlkurven die jeweilige Bremsscheibentemperatur rechnerisch
zu ermitteln. Die Aufheiz- sowie Abkühlkurven der Bremsscheiben
sind insbesondere anhängig von deren konstruktiver Ausführung
und Werkstoffzusammensetzung. Dabei kann auch das Gesamtsystem Fahrzeug
und Bremse berücksichtigt werden, beispielsweise eine Bremsbelüftung
mittels Bremsenspoiler oder ähnlicher Maßnahmen.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt
die rechnerische Ermittlung einer Bremsscheibentemperatur derart,
dass zunächst eine Bremsleistung der Bremsscheibe durch
Multiplikation einer Bremskraft der Bremsscheibe mit der aktuellen,
gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit errechnet wird. Die Bremskraft
der Bremsscheibe wird hierzu aus dem gemessenen Bremsdruck derselben, aus
geometrischen Kenngrößen einer mit der Bremsscheibe
zusammenwirkenden Betätigungseinrichtung wie z. B. der
Bremskolbenfläche eines mit der Bremsscheibe zusammenwirkenden
Bremskolbens, der Fahrzeugverzögerung und dynamischen Radlasten
errechnet. Die dynamischen Radlasten können gemessenen
oder aus dem Verhältnis von Motormoment zur Fahrzeugbeschleunigung
bzw. aus der Fahrzeuggeometrie sowie aus der angenommenen Schwerpunktlage
abgeschätzt werden. Die Fahrzeugverzögerung kann
gemessenen oder aus der Änderung der Fahrzeuggeschwindigkeit
errechnet werden.
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Die
so errechnete Bremsleistung der Bremsscheibe fließt in
Aufheiz- und Abkühlkurven der Bremsscheibe, die während
der Fahrzeugentwicklung bestimmt wurden, ein, um aus der errechneten Bremsleistung
unter Verwendung der Aufheiz- und Abkühlkurven die Bremsscheibentemperatur
der Bremsscheibe zu ermitteln. Konkret wird aus der errechneten
Bremsleistung der jeweiligen Bremsscheibe ein Wärmestrom
errechnet, wobei der Wärmestrom in Verbindung mit einer
Aufteilung des Wärmestroms zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag,
einer vom Werkstoff und der Geometrie der Bremsscheibe abhängigen
Wärmeleitung und Wärmespeicherung sowie einer
eventuell vorhandenen Bremsscheibenkühlung die Bremsscheibentemperatur
der Bremsscheibe bestimmt. Die Aufteilung des Wärmestroms
zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag, die Wärmeleitung
und Wärmespeicherung sowie die eventuell vorhandenen Bremsscheibenkühlung
werden dabei über die Aufheiz- und Abkühlkurven
der Bremsscheibe abgebildet.
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Ausgehend
von Block 11 wird auf Block 12 verzweigt, wobei
in Block 12 die Einwirkzeit der ermittelten Bremsscheibentemperatur
auf die Bremsscheibe ermittelt wird. Die Einwirkzeit der ermittelten Bremsscheibentemperatur
kann auch unter Verwendung der Aufheiz- sowie Abkühlkurven
rechnerisch ermittelt werden.
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In
einem sich anschließenden Block 13 wird dann für
den aktuellen Zeitabschnitt aus der jeweiligen Bremsscheibentemperatur
und der jeweiligen Einwirkzeit der Bremsscheibentemperatur auf die Bremsscheibe
ein Zeitabschnittsverschleiß ermittelt, nämlich
vorzugsweise unter Verwendung eines Kennfelds, in welches sowohl
die Bremsscheibentemperatur als auch die Einwirkzeit einfließt.
Hierbei wird vorzugsweise die Bremsscheibentemperatur abhängig
von ihrer Einwirkzeit gewichtet.
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Die
kennfeldabhängige Ermittlung eines Zeitabschnittsverschleißes
aus der Bremsscheibentemperatur und der Einwirkzeit der Bremsscheibentemperatur
auf die Bremsscheibe eines aktuellen Zeitabschnitts erfolgt vorzugsweise
nichtlinear. Für Bremsscheibentemperaturen, die kleiner
als ein vorgegebener Grenzwert sind, wird vorzugsweise davon ausgegangen,
dass der jeweilige Zeitabschnittsverschleiß unabhängig
von der Einwirkzeit Null beträgt. Für Bremsscheibentemperaturen,
die hingegen größer als der vorgegebene Grenzwert
sind, wird für die jeweilige Bremsscheibentemperatur aus
einem Kennfeld eine Verschleißrate ermittelt, aus der dann durch
Multiplikation mit der jeweiligen ermittelten Einwirkzeit der Zeitabschnittsverschleiß errechnet
wird.
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In
einem sich anschließenden Schritt 14 wird dann
der für den aktuellen Zeitabschnitt ermittelte Zeitabschnittsverschleiß auf
die Zeitabschnittsverschleiße zurückliegender
Zeitabschnitte aufsummiert bzw. aufaddiert, um so den gesamten Verschleißzustand
der Bremsscheibe zu ermitteln.
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In
Block 14 wird der ermittelte Verschleißzustand
der Bremsscheibe auch gespeichert, wobei der gespeicherte Verschleißzustand
der Bremsscheibe in einer Werkstatt ausgelesen werden kann. Nach Austausch
bzw. Wartung der Bremsscheibe kann der gespeicherte Verschleißzustand
in der Werkstatt rückgesetzt werden.
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Anschließend
an Block 14 kann in einem Block 15 überprüft
werden, ob der so ermittelte Verschleißzustand der Bremsscheibe
einen zulässigen Grenzwert erreicht oder überschreitet.
Ist dies der Fall, so wird nachfolgend in einem Block 16 eine
Meldung für einen Fahrer generiert, die dem Fahrer das Erreichen
oder Überschreiten des zulässigen Grenzwert des
Verschleißzustands anzeigt, um so den Fahrer zu einem Werkstattbesuch
zu veranlassen.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in einem Block 17 auf
Grundlage des in Block 14 ermittelten Verschleißzustands
der Bremsscheibe eine Restreichweite des Kraftfahrzeugs bis zu einem
erforderlichen Werkstattbesuch ermittelt und dem Fahrerangezeigt
werden. Dies Anzeige kann ggf. auch nur auf Wunsch des Fahrers erfolgen.
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Die
Ermittlung des Versschleißzustands der Bremsscheiben erfolgt
vorzugsweise radselektiv. Mit Vorteil erfolgt die Generierung der
Meldung in Block 16 und vorzugsweise auch die Anzeige in
Block 17 achsselektiv, da aus Sicherheitsgründen
ein Austausch von Bremsscheiben nur für beide Bremsscheiben
einer Achsen erfolgen darf.
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Die
erfindungsgemäße Ermittlung des Verschleißzustands
von Bremsscheiben auf Grundlage von Bremsscheibentemperaturen und
Einwirkzeiten derselben bei Einzelbremsvorgängen kann entweder achsselektiv
oder radselektiv erfolgen. Unter einer achsselektiven Ermittlung
des Verschleißzustands der Bremsscheiben ist zu verstehen,
dass für die Bremsscheiben einer Achse ein gemeinsamer
Verschleißzustand ermittelt wird. Unter einer radselektiven
Ermittlung des Verschleißzustands ist zu verstehen, dass
für jede Bremsscheibe ein individueller Verschleißzustand
ermittelt wird.
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Die
Erfindung erlaubt eine kostengünstige, einfache und hochgenaue
Bestimmung des Verschleißzustands von Bremsscheiben aus
kohlestofffaserverstärkten Keramikwerkstoffen durch die
Bestimmung und Auswertung von Bremsscheibentemperaturen und Einwirkzeiten
der Bremsscheibentemperaturen der Einzelbremsvorgänge.
Hierdurch ist es einerseits möglich, Bremsscheiben rechtzeitig
vor einem unzulässig hohen Verschleiß derselben
auszutauschen und andererseits einen verfrühten Austausch
noch nicht verschlissener Bremsscheiben zu vermeiden.
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Durch
die erfindungsgemäße Bestimmung des Verschleißzustands
reduziert sich auch der Aufwand in der Werkstatt bei der Wartung
von Bremsscheiben, da der Zustand der Bremsscheiben auf Basis des
gespeicherten Bremsscheibenzustands sicher und zuverlässig
beurteilt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1251289
B1 [0003]
- - DE 10116662 A1 [0004]
- - DE 60307219 T2 [0005]