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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Steuergerät zum Betreiben einer elektrischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 sowie ein elektrisches Bremssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
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Kraftfahrzeuge werden zukünftig zunehmend mit elektrischen Bremssystemen ausgestattet sein. Bei solchen Bremssystemen wird zum Abbremsen ein Bremsklotz mittels einer Gewindespindel gegen eine Bremsscheibe gepresst. Nach Beendigung eines Bremsvorgangs wird der Bremsklotz in eine minimal von der Bremsscheibe beabstandete Position gebracht. Dies erfordert eine präzise Kenntnis der Position der Bremsscheibe, d. h. des Abstandes zwischen einem Bezugspunkt, z. B. dem der Bremsscheibe abgewandten mechanischen Anschlag der Gewindespindel, und der Position der Bremsscheibe. Wird dieser Abstand zu groß angenommen, so kann es zu einem unbeabsichtigten Bremsen kommen, wenn der Bremsklotz eigentlich in die minimal von der Bremsscheibe beabstandete Position gebracht werden soll. Wird der Bremsklotz zu weit von der Bremsscheibe entfernt positioniert, so kommt es zu einer Verzögerung bei einem nachfolgenden Bremsvorgang.
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Die Positionierung des Bremsklotzes in Bezug auf die Bremsscheibe wird dadurch erschwert, dass sich die geometrischen Gegebenheiten durch unterschiedliche Ursachen wie Temperaturänderungen und Verschleiß dramatisch ändern können. Beispielsweise führt ein längerer Bremsvorgang zu einer starken Erhitzung der Bremsscheibe, wodurch diese sich räumlich ausdehnt. Es wurde versucht, diese Effekte rechnerisch bei der Bestimmung einer optimalen Position des Bremsklotzes zu berücksichtigen. Allerdings hat es sich als schwierig herausgestellt, unvorhergesehene Situationen, wie ein plötzliches Abkühlen der Bremsscheibe beim Durchfahren einer Wasserpfütze, zu berücksichtigen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Bremse bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Steuergerät zum Betreiben einer elektrischen Bremse bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Steuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektrisches Bremssystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bremssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Bremse, die dazu ausgebildet ist, zum Durchführen eines Bremsvorgangs einen Bremsklotz mittels einer Gewindespindel gegen eine Bremsscheibe zu pressen, weist Verfahrensschritte auf zum Verstellen der Gewindespindel derart, dass sich eine festgelegte Druckkraft zwischen dem Bremsklotz und der Bremsscheibe ergibt, zum Feststellen einer entsprechenden ersten Lage der Gewindespindel, und zum Bestimmen einer zweiten Lage der Gewindespindel anhand der ersten Lage der Gewindespindel. Vorteilhafterweise gestattet es dieses Verfahren, die Lage der Gewindespindel am Kontaktpunkt von Bremsklotz und Bremsscheibe zu bestimmen, anstatt diese Lage lediglich abzuschätzen. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass sich das Verfahren einfach und kostengünstig umsetzen lässt.
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Zweckmäßig ist es, die Gewindespindel mittels einer Regelschleife in die erste Lage zu bringen, wobei die festgelegte Druckkraft einen Soll-Wert der Regelschleife und eine Lage der Gewindespindel eine Stellgröße der Regelschleife bildet. Vorteilhafterweise gestattet es die Regelschleife, die Gewindespindel zuverlässig in die erste Lage zu bringen.
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Bevorzugt wird das Verfahren nach dem Durchführen eines Bremsvorgangs durchgeführt. Vorteilhafterweise werden die durch den Bremsvorgang verursachten Veränderungen der elektrischen Bremse, beispielsweise Temperaturänderungen und Abnutzungen, durch das Verfahren dann automatisch berücksichtigt.
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Zusätzlich oder alternativ wird das Verfahren bevorzugt während des Anfangs eines Bremsvorgangs durchgeführt. Es ist jedoch auch zweckmäßig, dass das Verfahren ohne vorhandene Bremsanforderung, z. B. durch einen Fahrer, durchgeführt wird. Das Verfahren kann z. B. durchgeführt werden, wenn eine vorgegebene Zeitdauer nach dem letzten Bremsvorgang vergangen ist.
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Die zweite Lage der Gewindespindel entspricht bevorzugt der Situation, dass sich Bremsklotz und Bremsscheibe gerade berühren, wenn der Bremsklotz aus einer von der Bremsscheibe beabstandeten Position auf die Bremsscheibe zu bewegt wird.
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Bei diesem Kontaktpunkt von Bremsklotz und Bremsscheibe ist die Druckkraft zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe Null, wobei die Druckkraft ansteigt, wenn der Bremsklotz weiter auf die Bremsscheibe zu bewegt wird.
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Zweckmäßigerweise wird die Gewindespindel nach dem Bestimmen der zweiten Lage durch Verstellen der Gewindespindel in eine Ruhelage gebracht, welche aus der zweiten Lage bestimmt wird. Vorteilhafterweise befindet sich der Bremsklotz dann in einer günstigen Position relativ zur Bremsscheibe.
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Bevorzugt weist der Bremsklotz einen festgelegten Abstand (Lüftspiel) von der Bremsscheibe auf, wenn sich die Gewindespindel in der Ruhelage befindet. Vorteilhafterweise kann der feste Abstand so gewählt werden, dass ein unbeabsichtigtes Bremsen verhindert und ein nachfolgender beabsichtigter Bremsvorgang ohne unnötige Verzögerungen begonnen werden kann. Bevorzugt wird die Größe des Lüftspiels durch eine Funktion des elektrischen Bremssystems bestimmt, um an die aktuellen Gegebenheiten angepasst werden zu können.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens unterscheidet sich die zweite Lage der Gewindespindel von der ersten Lage der Gewindespindel um einen festgelegten konstanten Wert. Vorteilhafterweise kann die zweite Lage dann besonders einfach anhand der ersten Lage der Gewindespindel ermittelt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird eine Kennlinie vorgehalten, die eine Druckkraft zwischen Bremsklotz und Bremsscheibe in Abhängigkeit einer Lage der Gewindespindel angibt, wobei die zweite Lage der Gewindespindel aus der ersten Lage der Gewindespindel anhand der Kennlinie bestimmt wird. Vorteilhafterweise ermöglicht es diese Ausführungsform, auch kompliziertere zeitliche Veränderungen der elektrischen Bremse zu berücksichtigen und zu kompensieren.
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Ein erfindungsgemäßes Steuergerät zum Betreiben einer elektrischen Bremse ist dazu ausgebildet, ein Verfahren der oben beschriebenen Art auszuführen.
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Ein erfindungsgemäßes elektrisches Bremssystem weist ein Steuergerät der oben genannten Art auf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Bremssystems, und
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2 eine Kennlinie eines elektrischen Bremssystems. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein elektrisches Bremssystem 100, wie es beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann.
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Das elektrische Bremssystem 100 weist einen Bremsklotz 120 auf, der an einer Gewindespindel 110 befestigt ist. Durch Drehen einer Welle 140 können die Gewindespindel 110 und der Bremsklotz 120 in einer x-Richtung verschoben werden. Die Welle 140 kann beispielsweise durch einen in 1 nicht gezeigten Elektromotor um ihre Längsachse gedreht werden. Für jede Stellung der Welle 140 ergibt sich eine bestimmte Lage 160 der Gewindespindel 110 und somit auch des Bremsklotzes 120.
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Das elektrische Bremssystem 100 weist eine Vorrichtung zum Bestimmen der gegenwärtigen Lage 160 der Gewindespindel 110 auf. Diese Vorrichtung kann entweder zum Bestimmen der absoluten Lage 160 der Gewindespindel 110 ausgebildet sein, oder die Vorrichtung kann Änderungen der Lage 160 der Gewindespindel 110 inkrementell bestimmen. In diesem Fall wird die absolute Lage 160 der Gewindespindel 110 durch Integration ermittelt. Die Vorrichtung zum Bestimmen der Lage 160 der Gewindespindel 110 ist in 1 lediglich schematisch angedeutet.
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Das elektrische Bremssystem 100 umfasst außerdem eine Bremsscheibe 130, die beispielsweise auf einer Radnabe eines Kraftfahrzeugs befestigt sein kann. Mittels der Welle 140 und der Gewindespindel 110 kann der Bremsklotz 120 an die Bremsscheibe 130 angedrückt werden, wodurch das Kraftfahrzeug abgebremst wird. Das elektrische Bremssystem 100 umfasst weiterhin einen Kraftsensor 150, der eine Bestimmung einer Druckkraft ermöglicht, mit der der Bremsklotz 120 gegen die Bremsscheibe 130 gepresst wird. Kraftsensor 150 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt. Der Kraftsensor 150 kann z. B. in dem Bereich des der Bremsscheibe abgewandten mechanischen Anschlags der Gewindespindel angeordnet sein.
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Soll das elektrische Bremssystem 100, z. B. das Kraftfahrzeug, nicht abbremsen, so wird der Bremsklotz 120 von der Bremsscheibe 130 fortbewegt, bis sich zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 ein Abstand 170 (auch Lüftspiel Δgap genannt) einstellt. Üblicherweise wird der Abstand 170 dabei so groß gewählt, dass Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 einander nicht berühren, um ein unbeabsichtigtes Bremsen zu verhindern. Andererseits sollte der Abstand 170 möglichst gering gewählt werden, damit ein nachfolgender Bremsvorgang mit möglichst kurzer Verzögerungszeit beginnen kann. Ist der Abstand 170 zu groß gewählt, so muss der Bremsklotz 120 zum Beginnen des nachfolgenden Bremsvorgangs erst über den Leerweg an die Bremsscheibe 130 angenähert werden, bevor der Bremsvorgang beginnt. Dies führt zu einer zeitlichen Verzögerung, die sich besonders in Gefahrensituationen als nachteilig erweist. In bestimmten Situationen kann es daher auch vorteilhaft sein, den Abstand 170 zu Null zu wählen. Um eine Anpassung an die jeweilige Situation zu ermöglichen, kann der Abstand 170 (Lüftspiel Δgap) vorteilhafterweise veränderlich gewählt werden (Δgap ≥ 0). Ein geeigneter Wert für das Lüftspiel kann z. B. in einer Unterfunktion des Regelsystems des elektrischen Bremssystems 100 bestimmt werden.
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Führt das elektrische Bremssystem durch Anpressen des Bremsklotzes 120 an die Bremsscheibe 130 einen Bremsvorgang durch, so erwärmen sich der Bremsklotz 120 und die Bremsscheibe 130.
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Die Bremsscheibe 130 kann dabei Temperaturen von bis zu z. B. 800°C erreichen. Diese Temperaturerhöhung der Bremsscheibe 130 führt wegen der thermischen Ausdehnung ebenfalls zu einer Veränderung der Abmessungen der Bremsscheibe 130. Zwischen zwei Bremsvorgängen kühlen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 ab, wodurch sich deren geometrische Abmessungen erneut ändern. Witterungseinflüsse, unterschiedliche Umgebungstemperaturen, Luftfeuchtigkeit und Spritzwasser beeinflussen den Temperaturverlauf von Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130. Zusätzlich nutzen sich Bremsklotz und Bremsscheibe 130 mit zunehmendem Alter des elektrischen Bremssystems 100 ab, wodurch sich die Abmessungen von Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 ebenfalls ändern. Durch diese Veränderungen der geometrischen Eigenschaften von Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 ändert sich auch die einem gewünschten Lüftspiel Δgap entsprechende Ruhelage xruhe der Gewindespindel 110. Daher ist es notwendig, die Lage xCP der Gewindespindel 110 (Kontaktpunkt-Lage), bei welcher der Bremsklotz 120 und die Bremsscheibe 130 sich gerade berühren (Kontaktpunkt, Druckkraft beträgt Null), über die Lebensdauer des elektrischen Bremssystems 100 periodisch neu zu bestimmen. Dies kann mittels des nachfolgend erläuterten Verfahrens erfolgen. Für einen vorgegebenen Wert des Lüftspiels Δgap kann die Ruhelage xruhe der Gewindespindel anhand der bestimmten Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 gemäß Xruhe = xCP – Δgap bestimmt werden.
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Während einer Bremsung kann das elektrische Bremssystem 100 mittels einer Regelschleife betrieben werden, die die durch den Kraftsensor 150 ermittelte Druckkraft zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 als Regelgröße bzw. Ausgangsgröße und die Lage 160 der Gewindespindel 110 als Stellgröße verwendet. Die Regelschleife gibt dann zum Durchführen eines Bremsvorgangs eine gewünschte Druckkraft zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 als Soll-Wert bzw. Führungsgröße vor und regelt die Lage 160 der Gewindespindel 110 derart ein, dass die durch den Kraftsensor 150 ermittelte Druckkraft zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 sich dem gewünschten Wert angleicht.
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Zum Bestimmen der Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110, und damit der Ruhelage xruhe der Gewindespindel, kann die Gewindespindel 110 zunächst derart verstellt werden, dass sich eine festgelegte kleine Druckkraft Fjust zwischen dem Bremsklotz 120 und der Bremsscheibe 130 einstellt. Dies kann über den Kraftsensor 150 überprüft werden. Das Verstellen der Gewindespindel 110 kann beispielsweise ebenfalls durch die Regelschleife erfolgen. Hat sich die festgelegte kleine Druckkraft Fjust eingestellt, so wird die Lage xjust der Gewindespindel 110 bestimmt. Die Lage xjust der Gewindespindel 110 ist also diejenige Lage der Gewindespindel 110, bei der sich zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 die festgelegte Kraft Fjust ergibt. Die Lage xjust der Gewindespindel 110 kann mittels der Vorrichtung zum Bestimmen der Lage 160 der Gewindespindel 110 festgestellt werden.
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird anhand der festgestellten Lage xjust der Gewindespindel 110 die gesuchte Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 ermittelt. In einer einfachen Ausführungsform kann die Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 durch Subtraktion eines festgelegten konstanten Abstands Δxdist (Δxdist > 0) von der ermittelten Lage xjust der Gewindespindel 110 errechnet werden: xCP = xjust – Δxdist
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Alternativ kann die Kontaktpunkt-Lage xCP unter Berücksichtigung einer Kennlinie F(x) des elektrischen Bremssystems 100 aus der ermittelten Lage xjust der Gewindespindel 110 bestimmt werden.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine Kennlinie 200 eines elektrischen Bremssystems 100. Auf der horizontalen Achse ist dabei die Lage der Gewindespindel 110 in x-Richtung aufgetragen. Die vertikale Achse zeigt die für jede Lage 160 der Gewindespindel 110 sich zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 ergebende Druckkraft F. Im dargestellten Fall besteht zwischen beiden Größen ein quadratischer Zusammenhang. Befindet sich die Gewindespindel 110 in der Lage xjust, so stellt sich zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 die festgelegte kleine Druckkraft Fjust ein. Bei der gesuchten Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 wirkt keine Druckkraft mehr zwischen Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130.
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Durch Erwärmung und Abnutzung von Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 bedingte Änderungen der Geometrie des elektrischen Bremssystems 100 führen in erster Näherung zu einer horizontalen Verschiebung der Kennlinie 200. Dabei ändert sich der Abstand Δxdist zwischen der gesuchten Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 und der Lage xjust der Gewindespindel 110 nicht. Lediglich die absoluten Positionen xCP und xjust verschieben sich. Ist die Lage xjust also durch oben beschriebene Verfahrensschritte ermittelt worden, so kann die Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 durch Subtraktion des konstanten Abstands Δxdist errechnet werden. In einer einfachen Ausführungsform erfordert das Verfahren somit keine Kenntnis des genauen Verlaufs der Kennlinie 200. Lediglich eine Kenntnis bzw. einmalige Festlegung des Abstandes Δxdist ist notwendig, um aus der ermittelten Lage xjust die gesuchte Lage xCP der Gewindespindel 110 zu berechnen. Weiterbildungen des beschriebenen Verfahrens können jedoch die genaue Form der Kennlinie 200 berücksichtigen.
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Nachdem die gesuchte Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 ermittelt worden ist, kann die Ruhelage xruhe der Gewindespindel 110, wie oben beschrieben, bestimmt werden (für ein gegebenes Lüftspiel Δgap) und die Gewindespindel 110 in die Ruhelage xruhe verfahren werden.
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Bevorzugt wird das beschriebene Verfahren zum Ermitteln der Kontaktpunkt-Lage xCP der Gewindespindel 110 unmittelbar nach dem Durchführen eines Bremsvorgangs durch das elektrische Bremssystem 100 ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass durch den Bremsvorgang bedingte Veränderungen der geometrischen Abmessungen von Bremsklotz 120 und Bremsscheibe 130 dann unmittelbar berücksichtigt werden.
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Das beschriebene Verfahren wird bevorzugt durch ein Steuergerät ausgeführt, das mit dem elektrischen Bremssystem 100 verbunden ist. Das Steuergerät kann auch zum Durchführen von Bremsvorgängen vorgesehen sein. Weiterhin umfasst das Steuergerät bevorzugt ein Programm zur Bestimmung eines Wertes für das Lüftspiel (Δgap), welcher zur Bestimmung einer Ruhelage xruhe der Gewindespindel 110 herangezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrisches Bremssystem
- 110
- Gewindespindel
- 120
- Bremsklotz
- 130
- Bremsscheibe
- 140
- Welle
- 150
- Kraftsensor
- 160
- Lage der Gewindespindel
- 170
- Lüftspiel
- 200
- Kennlinie
- Fjust
- festgelegte kleine Kraft
- xjust
- ermittelte Lage der Gewindespindel
- xCP
- Lage der Gewindespindel, bei welcher Bremsklotz und Bremsscheibe sich gerade berühren
- xruhe
- Ruhelage der Gewindespindel
- Δxdist
- vorgegebener Abstand
- Δgap
- gewünschtes Lüftspiel
