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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen der von einer Feststellbremse erzeugten Klemmkraft.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 103 61 042 B3 ist eine elektromechanische Feststellbremse in einem Fahrzeug bekannt, über die ein das Fahrzeug im Stillstand festsetzende Klemmkraft erzeugbar ist. Die Feststellbremse weist einen elektrischen Bremsmotor auf, der einen Kolben, welcher Träger eines Bremsbelages ist, gegen eine Bremsscheibe drückt. Die Bremsscheibe wird auch von der regulären, hydraulischen Fahrzeugbremse beaufschlagt und kann nach längeren oder intensiveren Bremsbetätigungen eine hohe Temperatur aufweisen, wodurch sich zum einen der Reibungskoeffizient an der Bremsscheibe ändert und zum andern durch das wärmebedingte Ausdehnen und anschließende Zusammenziehen auch das Bremsverhalten beeinflusst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen die ordnungsgemäße Funktion einer Feststellbremse für ein Fahrzeug, die mit einem elektrischen Bremsmotor zum Erzeugen einer elektromechanischen Klemmkraft ausgestattet ist, bei unterschiedlichen Bremsscheibentemperaturen zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf eine Feststellbremse mit einer elektromechanischen Bremsvorrichtung mit einem elektrischen Bremsmotor, über den eine Klemmkraft erzeugbar ist, um das Fahrzeug im Stillstand festzusetzen. Durch eine Rotationsbewegung des Rotors des elektrischen Bremsmotors führt ein Stellglied eine Stellbewegung aus, über die ein Bremskolben, welcher Träger eines Bremsbelages ist, axial gegen eine Bremsscheibe gedrückt wird.
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Die Bremsscheibe kann ggf. auch von einer hydraulischen, regulären Fahrzeugbremse beaufschlagt werden, über die während der Fahrt des Fahrzeuges Bremsvorgänge durchgeführt werden. Durch den hydraulischen Druck der Fahrzeugbremse wird der Bremskolben, welcher Träger des Bremsbelages ist, gegen die Bremsscheibe gedrückt. Je nach Dauer und Intensität der Bremsbetätigung kann sich hierbei die Bremsscheibe start erhitzen, wobei sich entweder nur Oberflächenbereiche der Bremsscheibe erwärmen oder die Bremsscheibe komplett durchgewärmt wird, so dass diese über ihre axiale Höhe eine zumindest annähernd homogene Temperaturverteilung aufweist.
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Die Klemmkraft, welche nach dem Abstellen des Fahrzeugs durch Betätigen der Feststellbremse erzeugt wird, hängt von der Temperatur der Bremsscheibe ab. Bei heißen Bremsscheiben ist üblicherweise der Reibungskoeffizient geringer, so dass über den elektrischen Bremsmotor der Feststellbremse eine höhere Zuspannkraft erzeugt werden muss, um die geforderte Soll-Klemmkraft bzw. das Soll-Bremsmoment zu erreichen. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass sich die Bremsscheibe wärmebedingt ausdehnt und nach dem Abkühlen wieder zusammenzieht, wodurch ein signifikanter Klemmkraftverlust eintreten kann, falls die Feststellbremse bei heißer Bremsscheibe betätigt worden ist. Auch unter diesem Aspekt kann es zweckmäßig sein, bei heißen Bremsscheiben über den elektrischen Bremsmotor eine höhere Zuspannkraft zum Erzielen einer höheren Klemmkraft zu erzeugen bzw. nach Ablauf einer definierten Zeitspanne nach Beendigung des ersten Zuspannvorganges einen Nachspannvorgang durchzuführen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor oder während des Erzeugens der Klemmkraft durch Betätigung des elektrischen Bremsmotors die Bremsscheibentemperatur ermittelt. Die Bremsscheibentemperatur hängt gemäß einer an sich bekannten Funktion von der Motortemperatur des elektrischen Bremsmotors ab, so dass bei Kenntnis der Motortemperatur auch die Bremsscheibentemperatur berechnet werden kann. Die Motortemperatur kann als Funktion des Motorwiderstands oder der Motorkonstanten des Bremsmotors berechnet werden, welche die Effizienz des elektrischen Bremsmotors angibt und deren Höhe temperaturabhängig ist. Die Motorkonstante bzw. der Motorwiderstand kann aus dem aktuellen Motorstrom, der aktuellen Motorspannung und der aktuellen Motordrehzahl ermittelt werden; diese motorischen Größen sind bekannt bzw. werden sensorisch ermittelt oder aus Sensordaten berechnet.
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Grundsätzlich möglich ist es, die Motorkonstante bzw. den Motorwiderstand während einer Betätigung des elektrischen Bremsmotors, beispielsweise bei einem Zuspannvorgang oder bei einem Lösevorgang zu ermitteln. So kann beispielsweise zu Beginn des Zuspannvorganges zu einem definierten Zeitpunkt die Motorkonstante aus Motorstrom, Motorspannung und Motordrehzahl bestimmt werden, wobei noch während des laufenden Zuspannvorganges die Motortemperatur und schließlich die Bremsscheibentemperatur ermittelt werden und der Zuspannvorgang zum Erzeugen der Klemmkraft je nach Höhe der Bremsscheibentemperatur durchgeführt wird.
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Grundsätzlich können in Abhängigkeit der Bremsscheibentemperatur verschiedene Maßnahmen zum Einstellen bzw. Bereitstellen der Klemmkraft durchgeführt werden. Es kann zweckmäßig sein, eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Temperaturbereiche für die Bremsscheibentemperatur zu definieren und jedem Temperaturbereich eine bestimmte Klemmkraftstrategie zuzuordnen. Beispielsweise kann in einem tiefen Temperaturbereich, also bei kalter Bremsscheibe bzw. einer Bremsscheibentemperatur unterhalb eines ersten, unteren Grenzwertes, ein normaler Klemmkraftvorgang mit dem Einstellen einer Soll-Klemmkraft durch Betätigen des elektrischen Bremsmotors erzeugt werden. Eine Überwachung, ob sich das Fahrzeug nach Beendigung des Zuspannvorganges in Bewegung setzt, ist nicht erforderlich bzw. es reicht aus, die Überwachung nur für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise zehn Sekunden durchzuführen.
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In einem zweiten, mittleren Temperaturbereich, der zwischen dem ersten, unteren Grenzwert und einem darüber liegenden zweiten, oberen Grenzwert liegt, kann mit einer höheren Klemmkraft zugespannt werden, um dem verringerten Reibungskoeffizienten der Bremsscheibe bzw. dem Zusammenziehen der Bremsscheibe durch das Abkühlen und dem damit einhergehenden Klemmkraftverlust Rechnung zu tragen. Möglich ist es auch, nach Beendigung des Zuspannvorganges die Fahrzeugbewegung für einen definierten Zeitraum von beispielsweise 30 min zu überwachen und für den Fall, dass eine Fahrzeugbewegung festgestellt wird, den elektrischen Bremsmotor erneut zu betätigen, um einen Nachspannvorgang durchzuführen. Sofern diese Maßnahme durchgeführt wird, kann ggf. auf den ursprünglichen, geringeren Wert der Soll-Klemmkraft zugespannt werden.
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Liegt die Bremsscheibentemperatur in einem oberen Temperaturbereich oberhalb des zweiten, höher liegenden Grenzwertes, so wird beispielsweise in jedem Fall auf eine erhöhte Soll-Klemmkraft zugespannt und außerdem für einen definierten Zeitraum die Fahrzeugbewegung überwacht und ein Nachspannvorgang durchgeführt, falls eine Bewegung des Fahrzeugs detektiert wird. Alternativ kann in jedem Fall nach Ablauf des Zeitraums ein Nachspannvorgang durchgeführt werden. Diese Strategie wird insbesondere für den Fall einer durcherwärmten Bremsscheibe durchgeführt, bei der die Bremsscheibe über ihre axiale Höhe ein zumindest annähernd konstantes Temperaturniveau aufweist. Im Falle einer durcherwärmten Bremsscheibe ist die temperaturbedingte Ausdehnung und dementsprechend auch das anschließende Zusammenziehen während des Abkühlens signifikant erhöht, wobei der durch das Zusammenziehen entstehende Klemmkraftverlust durch das Nachspannen kompensiert wird.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kann von einer durchgewärmten Bremsscheibe mit zumindest annähernd konstanter Temperatur über die axiale Erstreckung der Bremsscheibe ausgegangen werden, falls die Motortemperatur einen zugeordneten Bremswert überschreitet. Da der Bremsmotor nur dann eine wesentliche Temperaturerhöhung erfährt, wenn die Bremsscheibe über einen längeren Zeitpunkt einer höheren Temperatur ausgesetzt ist, kann davon ausgegangen werden, dass für den Fall, dass die Motortemperatur den zugeordneten Grenzwert überschreitet, die Bremsscheibe ausreichend lang erwärmt worden ist, so dass eine Durchwärmung stattgefunden hat.
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Zweckmäßigerweise wird eine Referenz-Motorkonstante ermittelt, welche für die Bestimmung der Motortemperatur relevant ist. Die Differenz zwischen aktueller Motorkonstante und Referenzmotorkonstante ist wesentlich für die Motortemperatur, wobei die Referenzmotorkonstante vorzugsweise in zyklischen Abständen bestimmt wird, um Alterungseffekte erfassen zu können. Zweckmäßigerweise erfolgt die Bestimmung der Referenz-Motorkonstanten während der Erstinstallation sowie vorteilhafterweise im Fahrbetrieb in regelmäßigen Abständen entweder beim Zuspannen oder beim Lösen der Feststellbremse. Auch im Falle einer Neuinstallation oder eines Komponententausches kann wie bei der Erstinstallation die Referenz-Motorkonstante bestimmt werden. Im laufenden Betrieb der Feststellbremse, also beim Zuspannen oder beim Lösen, wird vorteilhafterweise auch die Motortemperatur berücksichtigt, wobei die Bestimmung der Referenz-Motorkonstanten nur durchgeführt wird, falls die Motortemperatur unterhalb eines Temperatur-Schwellenwertes liegt. Nur in diesem Fall ist sichergestellt, dass die Bremsscheibe keine nennenswerte Erwärmung erfahren hat, was für die Bestimmung der Referenz-Motorkonstanten relevant ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einem Regel- bzw. Steuergerät im Fahrzeug ab, das Bestandteil der Feststellbremse sein kann.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine elektromechanische Feststellbremse für ein Fahrzeug, mit einem elektrischen Bremsmotor zur Erzeugung einer das Fahrzeug festsetzenden Klemmkraft,
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2 ein Ablaufdiagramm mit Verfahrensschritten zur Bereitstellung der das Fahrzeug im Stillstand festsetzenden Klemmkraft durch die Feststellbremse in Abhängigkeit der Temperatur der Bremsscheibe.
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1 zeigt eine elektromechanische Feststellbremse 1 in einem Fahrzeug, wobei über die Feststellbremse eine das Fahrzeug im Stillstand festsetzende Klemmkraft erzeugbar ist. Die Feststellbremse 1 weist einen Bremssattel 2 mit einer Zange 9 auf, welche eine Bremsscheibe 10 übergreift. Als Stellglied der Feststellbremse 1 fungiert ein als Elektromotor ausgeführter Bremsmotor 3, der eine Spindel 4 rotierend antreibt, auf der ein Spindelbauteil 5 axial verschiebbar und gegenüber dem Gehäuse rotationsfest gelagert ist. Das Spindelbauteil 5 wird axial verstellt, wenn die Spindel 4 rotiert. Das Spindelbauteil 5 bewegt sich innerhalb eines Bremskolbens 6, der Träger eines Bremsbelages 7 ist, welcher von dem Bremskolben 6 gegen die Bremsscheibe 10 gedrückt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 10 ist ein weiterer Bremsbelag 8 angeordnet, der ortsfest an der Zange 9 gehalten ist.
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Das Spindelbauteil 5 kann sich innerhalb des Bremskolbens 6 im Falle einer Drehbewegung der Spindel 4 axial nach vorne in Richtung auf die Bremsscheibe zu bzw. bei einer entgegengesetzten Drehbewegung der Spindel 4 axial nach hinten bis zum Erreichen eines Anschlags 11 bewegen. Um eine gewünschte Soll-Klemmkraft zu erzeugen, beaufschlagt das Spindelbauteil 5 die innere Stirnseite des Bremskolbens 6, so dass der axial in der Feststellbremse 1 verschieblich gelagerte Bremskolben 6 mit dem Bremsbelag 7 gegen die zugewandte Stirnfläche der Bremsscheibe 10 gedrückt wird.
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Auf den Bremskolben wirkt außerdem der hydraulische Druck der regulären, hydraulischen Fahrzeugbremse, mit der das Fahrzeug während der Fahrt abgebremst wird. Der hydraulische Druck kann aber auch im Fahrzeugstillstand bei Betätigung der Feststellbremse unterstützend wirksam sein, so dass sich die Gesamt-Klemmkraft aus dem elektromotorisch gestellten Anteil und dem hydraulischen Anteil zusammensetzt.
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Die von dem elektrischen Bremsmotor erzeugte Klemmkraft bzw. das Bremsmoment hängt von der Bremsscheibentemperatur ab. Zum einen ändert sich der Reibkoeffizient der Bremsscheibe in Abhängigkeit der Bremsscheibentemperatur, wobei mit zunehmender Temperatur der Reibungskoeffizient geringer wird. Zum andern dehnt sich die Bremsscheibe mit zunehmender Temperatur aus. Wird der elektrische Bremsmotor der Feststellbremse bei heißer Bremsscheibe betätigt und kühlt anschließend die Bremsscheibe ab, so reduziert sich durch die Abkühlung die Dicke der Bremsscheibe, was zu einer Verringerung der Klemmkraft führt.
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Um derartige temperaturbedingte Abhängigkeiten der Klemmkraft bzw. des Bremsmoments bei der Betätigung der Feststellbremse berücksichtigen zu können, wird nachfolgend ein Verfahren zur Ermittlung der Bremsscheibentemperatur beschrieben, für das keine Temperatursensoren erforderlich sind.
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Zunächst wird bei dem in 2 dargestellten Verfahren in einem ersten Verfahrensschritt 20 überprüft, ob nach dem Abstellen des Fahrzeugs die Feststellbremse betätigt wird. Hierfür wird abgefragt, ob der elektrische Bremsmotor der Feststellbremse eingeschaltet ist. Ist dies der Fall, wird der Ja-Verzweigung („Y“) folgend zum nächsten Verfahrensschritt 21 fortgefahren, anderenfalls ist die Feststellbremse nicht aktiviert worden und das Verfahren ist beendet.
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Im folgenden Verfahrensschritt 21 werden zu Beginn des Zuspannvorganges, der mithilfe des elektrischen Bremsmotors durchgeführt wird, zu einem definierten Zeitpunkt der Motorstrom I, die Motorspannung U sowie optional die Motordrehzahl ω bestimmt. Anschließend wird auf der Grundlage dieser Größen im nächsten Verfahrensschritt 22 die Motorkonstante Km gemäß eines bekannten funktionalen Zusammenhangs bestimmt: Km = f(U, I, ω)
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Die Motorkonstante K
m ist temperaturabhängig, so dass aus der Motorkonstanten auf die Motortemperatur T
Mot geschlossen werden kann. Im nächsten Verfahrensschritt 23 wird unter Zugrundelegung der aktuellen Motorkonstanten K
m sowie unter Berücksichtigung einer Referenz-Motorkonstanten K
m,ref unter Normalbedingungen sowie eines Gradienten ψ und einer Referenztemperatur T
ref, bei der die Referenz-Motorkonstante bestimmt worden ist, gemäß
TMot = ψ·(Km – Km,ref) + Tref die Motortemperatur T
Mot berechnet. Der Gradient ψ ist gemäß
als Gradient der Motorkonstanten gegenüber der Temperatur definiert.
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Im nächsten Verfahrensschritt 24 wird die Bremsscheibentemperatur TBTM als Funktion der Motortemperatur TMot bestimmt: TBTM = f(TMot)
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Der funktionale Zusammenhang zwischen der Bremsscheibentemperatur TBTM und der Motortemperatur TMot ist eine bekannte Funktion, die ggf. empirisch bestimmt wird.
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Im nächsten Verfahrensschritt 25 wird abgefragt, ob die aktuelle Motortemperatur TMot einen zugeordneten Motortemperatur-Grenzwert TMot,lim überschreitet. Ist dies der Fall, kann davon ausgegangen werden, dass die Bremsscheibe bereits über einen längeren Zeitraum einer höheren Temperatur ausgesetzt ist, so dass die Bremsscheibe durcherwärmt ist und über ihre axiale Dicke gesehen eine zumindest annähernd konstante Temperatur aufweist. In diesem Fall wird der Ja-Verzweigung folgend zum Verfahrensschritt 27 fortgefahren und die Mitteltemperatur Tmean der Bremsscheibe auf die Oberflächentemperatur TBTM der Bremsscheibe gesetzt.
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Liegt dagegen die Motortemperatur TMot unterhalb des zugeordneten Grenzwertes TMot,lim, wird der Nein-Verzweigung folgend zum Verfahrensschritt 26 fortgefahren und eine erste Zuspann-Strategie zur Betätigung des elektrischen Bremsmotors durchgeführt. Da von einer kalten Bremsscheibe bzw. einer Bremsscheibentemperatur unterhalb eines Grenzwertes ausgegangen wird, kann ein Standardverfahren zur Betätigung des elektrischen Bremsmotors und Erzeugung einer Klemmkraft durchgeführt werden, bei dem eine Soll-Klemmkraft erzeugt wird, welche auf einem verhältnismäßig niedrigen Standardniveau liegt.
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Andernfalls, also wenn die Motortemperatur den zugeordneten Grenzwert TMot.lim überschreitet und gemäß Verfahrensschritt 27 die Mitteltemperatur Tmean auf die Bremsscheibentemperatur TBTM gesetzt ist, wird gemäß Verfahrensschritt 28 eine zweite Zuspannstrategie durchgeführt. In diesem Fall kann von einer heißen Bremsscheibe ausgegangen werden und von einer temperaturbedingten, verhältnismäßig großen axialen Dehnung der Bremsscheibe, wobei sich die Dehnung nach dem Abkühlen der Bremsscheibe wieder zurückbildet. Wird bei heißer, durcherwärmter Bremsscheibe zugespannt, führt das anschließende Abkühlen zu einem signifikanten Klemmkraftverlust. Um diesen Klemmkraftverlust zu kompensieren, wird gemäß Verfahrensschritt 28 zunächst in einem ersten Zuspannvorgang auf einen höheren Soll-Klemmkraftwert zugespannt als im Standardfall gemäß Verfahrensschritt 26. Außerdem wird für eine definierte Zeitspanne von beispielsweise 30 min der Fahrzeugzustand überwacht und für den Fall, dass eine Fahrzeugbewegung festgestellt wird, ein Nachspannvorgang durch erneutes Betätigen des Motor durchgeführt.
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Gegebenenfalls wird in jedem Fall ein Nachspannvorgang durchgeführt, auch wenn keine Fahrzeugbewegung im Überwachungszeitraum festgestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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