DE102017117945A1 - Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Reibbremse - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Reibbremse umfassend eine Bremsscheibe sowie an dieser angreifende Reibbeläge eines Rads eines Kraftfahrzeugs, wobei mittels eines oder mehrerer Sensoren (6) im Bereich eines Radlagers (1) oder eines Achsschenkels eine horizontal in Laufrichtung des Rads (7) wirkende Kraft (Fx) auf das Radlager (1) oder den Achsschenkel gemessen wird und anhand dieser unter Berücksichtigung eines den anliegenden Bremsdrucks beschreibenden Werts sowie der wirkenden Reibfläche zwischen der Bremsscheibe (9) und den Reibbelägen (10) der Reibwert der Reibbremse (8) ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Reibbremse umfassend eine Bremsscheibe sowie an dieser angreifende Reibbeläge eines Rads eines Kraftfahrzeugs.
• Kraftfahrzeuge sind üblicherweise mit einer Scheibenbremseinrichtung ausgerüstet. Beim Betätigen der Fahrzeugbremse werden Reibbeläge gegen die rotierende Bremsscheibe gedrückt, um das Fahrzeug durch Reibung zu verzögern. Die Wirksamkeit der Bremse hängt dabei vom Reibwert zwischen der Bremsscheibe und den Reibbelägen respektive der Bremsbacke ab.
• Aus DE 69318114 T2 ist ein Verfahren zum Abschätzen der Wirksamkeit eines solchen Bremssystems bekannt, das vorsieht, das Fahrzeug zu beschleunigen und ein Maß für das Motormoment von der Motorsteuereinheit sowie ein Maß für die Fahrzeugbeschleunigung von der automatischen Bremssystemsteuereinheit zu bekommen. Aus dem Motormoment und der Fahrzeugbeschleunigung wird die Fahrzeugbeladung beziehungsweise das Fahrzeuggewicht berechnet. Wird das Fahrzeug durch Betätigen der Bremse verzögert, werden Messwerte für den Bremspedaldruck und die Fahrzeugverzögerung gewonnen. Aus der Fahrzeugbeladung, dem Bremspedaldruck und der Fahrzeugverzögerung wird ein Schätzwert für die Wirksamkeit des Bremssystems berechnet, in dem die ermittelte Verzögerung mit einer Verzögerung verglichen wird, die für die berechnete Fahrzeugbeladung und den ermittelten Bremspedaldruck vorhergesagt wurde. Es erfolgt hier also eine lediglich grobe Abschätzung durch einen Vergleich mit einem vorhergesagten Referenzwert.
• Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Wirksamkeit einer Bremseinrichtung eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
• Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels eines oder mehrerer Sensoren im Bereich eines Radlagers oder eines Achsschenkels eine horizontal in Laufrichtung des Rads wirkende Kraft auf das Radlager oder den Achsschenkel gemessen wird und anhand dieser unter Berücksichtigung eines den anliegenden Bremsdruck beschreibenden Werts sowie der wirkenden Reibfläche zwischen der Bremsscheibe und den Reibbelägen der Reibwert der Reibbremse ermittelt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, zunächst eine tatsächlich radseitig wirkende Kraft mittels einer am oder im Bereich des Radlagers oder am oder im Bereich des Achsschenkels vorgesehenen Sensors oder mehrerer solcher Sensoren zu messen. Die horizontal wirkende Kraft liegt in Richtung der Laufrichtung des Rades und ist ein Maß für die Beschleunigung bzw. das Verzögern des Rads über die Bremse. Daneben wird der tatsächliche anliegende Bremsdruck, wenn ein Bremsvorgang eingeleitet wird, erfasst. Die Erfassung der Kraft und des Bremsdrucks erfolgt, wenn eine Zustandsbestimmung erfolgen soll, in situ, das heißt, dass reale Werte vorliegen. Bei der Bestimmung können auch Daten/Werte aus einem Speicher verwendet werden.
• Gestützt auf diese Werte sowie der aus der Geometrie bekannten Reibfläche zwischen der Bremsscheibe und den Reibbelägen kann sodann der Reibwert der Reibbremse ermittelt werden. Das heißt, auf einfache Weise mit Hilfe der gemessenen Kraft und der relevanten, bekannten Fahrzeuggeometrien in Verbindung mit dem aktuellen Bremsdruck eine Aussage über den Zustand der Bremseinrichtung getroffen werden kann.
• Zur Erfassung der Kraft können beispielsweise ein oder mehrere magnetostriktiv, induktiv oder kapazitiv arbeitende Sensoren verwendet werden, wobei insbesondere Sensoren mit einem inversen magnetostriktiven Effekt dienlich sind. Alternativ können auch Dehnungssensoren verwendet werden. Grundsätzlich kann jeder Sensor verwendet werden, der es erlaubt, die jeweilige Kraft direkt oder indirekt zu messen. Dabei sind verwendbare Sensoren oft in der Lage, neben der in Laufrichtung des Rads liegenden Kraft auch zwei weitere, orthogonal dazu verlaufende Kräfte zu messen, von denen eine vertikal verläuft und im Wesentlichen aus dem Fahrzeuggewicht resultiert, während die andere horizontal in der Drehachse des Rads verläuft und z.B. aus einer Kurvenfahrt resultiert. Die Sensoren können also orthogonal zueinander verlaufende Kräfte in x-, y- und z-Richtung erfassen, wobei von diesen zur Zustandsbestimmung nur die in Laufrichtung des Rads liegende Kraft benötigt wird.
• Zweckmäßig ist es ferner, wenn zur Ermittlung des Reibwerts zusätzlich ein Radiuswert von der Drehachse zur Reibfläche und ein statischer oder dynamischer Radiuswert von der Drehachse zur aufstehenden Lauffläche des Rads berücksichtigt wird. Der erst genannte Radiuswert ist geometriebedingt bekannt und invariant. Bevorzugt wird hier der mittlere Radius berücksichtigt, nachdem die Reibflächen eine definierte, vorbekannte Breite, gesehen in Radialrichtung aufweisen. Bezogen auf die Reibflächenbreite wird also vorzugsweise der mittlere Radius erfasst. Dies ist bevorzugt, jedoch nicht zwingend, es könnte auch der innere oder äußere Radius als berücksichtigter Radius verwendet werden.
• Daneben wird ein statischer oder dynamischer Radiuswert von der Drehachse zur aufstehenden Lauffläche des Rads berücksichtigt. Diese insbesondere vom Reifenhersteller bestimmten Werte dienen dazu im Rahmen der Reibwerterfassung zu ermitteln, wie sich, radial gesehen, die Reifengeometrie verändert. Denn resultierend aus der Raddrehzahl und Fahrzeuggewicht und der Umstand, dass der Reifen aus einem elastischen Material besteht, kommt es zu einer geringen geometrischen Veränderung, im Rahmen welcher sich der Radius von der Drehachse zur aufstehenden Lauffläche des Rades minimal ändert. Dieser dynamische Radiuswert kann als zu berücksichtigender Wert seitens des Herstellers des Reifens angegeben und im Rahmen der Ermittlung berücksichtigt werden. Alternativ könnte auch ein statischer Radiuswert berücksichtigt werden, der letztlich sehr exakt gemessen werden kann, und der im Hinblick auf die im Rahmen der Radrotation einsetzende Verformung mit einem Korrekturfaktor verrechnet wird, um die Geometrieänderung abzubilden. Die jeweiligen Radiuswerte können, da sie insoweit definierte, sich letztlich nicht ändernde Werte sind, fest in einer Verarbeitungseinrichtung hinterlegt sein und im Rahmen einer Reibwertermittlung mit den entsprechenden, in situ aufgenommenen Werten verrechnet werden.
• Ein aufgenommener Momentanwert ist wie beschrieben der Bremsdruck. Dabei hängt der erfasste Druckwert von der Art der Bremseinrichtung ab. Handelt es sich um eine hydraulisch betätigte Radbremse, so wird der hydraulische Bremsdruck berücksichtigt. Handelt es sich bei der Reibbremse um eine über einen Elektromotor betätigte Bremse, bei der also pro Rad der oder die Reibbeläge über einen Elektromotor gegen die Bremsscheibe gedrückt werden, so wird ein ein Maß für den Bremsdruck darstellender Wert respektive Betriebsparameter des Elektromotors aufgenommen und berücksichtigt, insbesondere das vom Elektromotor zum Andrücken des Bremsbelags erzeugte Moment. Hier handelt es sich also um eine andersartig arbeitende Bremseinrichtung, nämlich um ein Brake-by-Wire-System, bei dem das Zustellen der Reibelemente elektromotorisch erfolgt. Zur Erfassung des tatsächlichen Bremsdrucks werden nun entsprechende Betriebsparameter des oder der Elektromotoren, insbesondere wie beschrieben das erzeugte Motormoment zum Andrücken des Belags, erfasst.
• Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner eine Radlageranordnung eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Rad sowie ein Radlager und einen Achsschenkel sowie eine dem Rad zugeordnete Reibbremse. Die Radlageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich des Radlagers oder des Achsschenkels ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung einer horizontal in Laufrichtung des Rads wirkenden Kraft auf das Radlager oder den Achsschenkel vorgesehen ist, und dass eine Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Reibwerts der Reibbremse anhand der gemessenen Kraft und unter Berücksichtigung eines den anliegenden Bremsdruck beschreibenden Werts sowie der wirkenden Reibfläche zwischen der Bremsscheibe und den Reibbelägen vorgesehen ist. Da das Kraftfahrzeug natürlich zumeist vier Räder, gegebenenfalls auch mehr Räder, aufweist, ist natürlich jedem Rad eine solche Reibbremse nebst Sensoren zugeordnet, so dass eine Ermittlung des Reibwerts für jedes einzelne, mit einer Reibbremse versehene Rad möglich ist und auf diese Weise ein Überblick über die Funktionsfähigkeit und den Zustand des gesamten Bremssystems erhalten wird. Als Sensoren kann ein oder können mehrere magnetostriktiv, induktiv oder kapazitiv arbeitende Sensoren oder Dehnungssensoren vorgesehen sein, die zumindest die Erfassung der einen, horizontal liegenden Kraft ermöglichen, zumeist aber auch zwei weitere, orthogonal dazu verlaufende Kräfte zusätzlich erfassen können.
• Die Verarbeitungseinrichtung selbst kann ferner zur Ermittlung des Reibwerts unter zusätzlicher Berücksichtigung eines Radiuswerts von der Drehachse zur Reibfläche und/oder eines statischen oder dynamischen Radiuswerts von der Drehachse zur aufstehenden Lauffläche des Rads ausgebildet sein.
• Bei der Reibbremse kann es sich um eine hydraulisch betätigbare Bremse handeln, wobei die Verarbeitungseinrichtung zur Berücksichtigung des hydraulischen Bremsdrucks ausgebildet ist. Alternativ kann die Reibbremse auch über einen Elektromotor betätigbar sein, wobei in diesem Fall die Verarbeitungseinrichtung zur Berücksichtigung eines ein Maß für den Bremsdruck darstellenden Werts beziehungsweise Betriebsparameter des Elektromotors, insbesondere des vom Elektromotor zum Andrücken des Bremsbelags erzeugten Moments ausgebildet ist.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer Radlageranordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem daran angeordneten Sensor,
• 2 eine Prinzipdarstellung eines Rads eines Kraftfahrzeugs mit zugeordneter Bremseinrichtung,
• 3 eine Seitenansicht des Rads aus 2, und
• 4 eine Seitenansicht des Rads aus 2 unter Darstellung der verschiedenen, zu berücksichtigenden Radien.
• 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Radlageranordnung 1 für ein Kraftfahrzeug, umfassend den die Felge respektive das Rad tragenden Lagerring 2, der im Betrieb relativ zum positionsfesten äußeren Lagerring 3 rotiert. Zwischen ihnen sind in zwei reihen Wälzkörper 4 in Form von Kugeln 5 aufgenommen. Der Aufbau einer solchen Radlageranordnung ist hinlänglich bekannt.
• Das Radlager 1 weist nun respektive ihm zugeordnet ist ein Sensor 6, bevorzugt ein auf Basis eines inversen magnetostriktiven Effekts arbeitender Magnetsensor, mit dem es möglich ist, wenigstens eine, im gezeigten Beispiel drei auf das Radlager 1 wirkende, über das Rad selbst eingetragene Kräfte zu ermitteln.
• Die über den Sensor 6 ermittelbaren Kräfte sind exemplarisch in den 2 und 3 dargestellt. Gezeigt ist zum einen, siehe 3, die in Laufrichtung des Rades wirkende Kraft F_x , die aus der Beschleunigung respektive der Verzögerung des Rades wirkt beziehungsweise am Radlager 1 anliegt. Diese Kraft ist diejenige, die zum Ermitteln des Zustands der Reibbremse benötigt wird.
• Gezeigt ist des Weiteren die ebenfalls horizontal anliegende Kraft F_Y (siehe 2), die in Richtung der Drehachse des Rads 7 anliegt, und die insbesondere bei einer Kurvenfahrt aufgrund des Walkens des Rads variiert.
• Schließlich ist als dritte Kraft die vertikal auf die Radlageranordnung einzuwirkende Kraft F_z gezeigt, die primär aus dem Fahrzeuggewicht inklusive Beladung resultiert.
• F_Y und Fz werden für die Zustandsbestimmung, wie nachfolgend noch erläutert wird, nicht benötigt. Gleichwohl ist der Sensor 6 in der Regel in der Lage, die drei orthogonalen Kräfte simultan zu erfassen. F_Y und F_z können gegebenenfalls für andere Prozesse verwendet werden.
• Dargestellt ist ferner dem Grunde nach die Bremseinrichtung 8, umfassend eine Bremsscheibe 9, die mit dem Rad dreht, sowie positionsfeste Reib- oder Bremsbeläge 10, die über eine nicht näher gezeigte Stelleinrichtung, sei sie hydraulisch, sei sie elektromotorisch, zum Bremsen gegen die Bremsscheibe 9 gedrückt werden.
• 4 zeigt weitere für die Ermittlung des Reibwerts der Bremseinrichtung 8 und damit für die Beschreibung des Zustands der Bremseinrichtung 8 erforderliche Werte. Gezeigt ist wiederum das Rad 7 sowie exemplarisch einer der Reib- oder Bremsbeläge 10. Ausgehend von der Drehachse D ist zum einen der Radius r_B dargestellt, der den mittleren Radius von der Drehachse D zur radialen Mitte des Reibbelags 10 beschreibt. Dieser Radiuswert r_B ist, da ausschließlich geometriebedingt, vorbestimmbar und fest in einer zugeordneten, die Reibwertermittlung vornehmenden Verarbeitungseinrichtung hinterlegt.
• Bei einem Bremsvorgang liegt ferner eine Normalkraft F_BK an, die mit dem ⊗ -Symbol dargestellt ist, die also senkrecht zur eigentlichen Reibfläche anliegt. Diese kann, wie nachfolgend beschrieben, rechnerisch ermittelt werden.
• Dargestellt ist des Weiteren die beim Bremsen tangential wirkende Bremskraft F_B bezogen auf den Reibbelag 10.
• Des Weiteren ist, wiederum ausgehend von der Drehachse D, der zu der Lauffläche 11 des Rads 7 in einem nicht auf dem Boden 12 aufstehenden Bereich laufende Radiuswert r_dyn , hier also der dynamische Radiuswert, eingezeichnet. Dieser dynamische Radiuswert gibt an, inwieweit sich bezogen beispielsweise auf die Rotationsgeschwindigkeit des Rades oder die Temperatur des Reifens oder des Luftdrucks etc. der Reifenradius und damit der Radius des Rades als solches geringfügig ändert.
• Eingezeichnet ist des Weiteren die Kraft F_x , die wie beschrieben über den Sensor 6 gemessen werden kann.
• Aus den genannten gemessenen beziehungsweise bekannten Parametern kann nun die Ermittlung des Reibwertes µ_B wie folgt vorgenommen werden:
• Es sei angenommen, dass mit Hilfe des Sensors an der Radlageranordnung 1 (alternativ kann der Sensor auch am Achsschenkel, der gleichermaßen mit den entsprechenden Kräften beaufschlagt wird, angeordnet sein) die vorhandene Längskraft F_x gemessen wird. Weiterhin sei angenommen, dass der vorhandene Bremsdruck p_B aus der angenommenermaßen hydraulisch arbeitenden Bremseinrichtung bekannt ist, dieser Bremsdruck kann über eine geeignete Sensorik an der Bremseinrichtung, aus dem Bremssteuergerät oder dergleichen erfasst werden und beispielsweise über einen Fahrzeugbus, an dem auch die Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Reibwerts hängt, kommuniziert werden.
• Die auf den Bremsbelag 10 wirkende Normalkraft F_BK ergibt sich aus dem Bremsdruck p_B und der Fläche A des Kolbens, mit dem der Bremsbelag 10 auf die Bremsscheibe 9 gedrückt wird, wie folgt: $${\text{F}}_{\text{BK}}={\text{p}}_{\text{B}}\cdot \text{A}$$

  
• Die an der Bremsscheibe 10 tangential wirkende Bremskraft F_B kann mit Hilfe des Reibwerts µ_B sowie der Normalkraft F_BK wie folgt ermittelt werden: $${\text{F}}_{\text{B}}={\text{F}}_{\text{BK}}\cdot {\mathrm{\mu }}_{\text{B}}$$

  
• Sodann wird das Momentengleichgewicht am Rad 7 wie folgt ermittelt: $${\text{F}}_{\text{X}}\cdot {\text{r}}_{\text{dyn}}-{\text{F}}_{\text{B}}\cdot {\text{r}}_{\text{B}}=0$$

  
• Wird nun dieses Momentengleichgewicht nach F_B aufgelöst, so ergibt sich: $${\text{F}}_{\text{B}}={\text{F}}_{\text{X}}\cdot {\text{r}}_{\text{dyn}}:{\text{r}}_{\text{B}}$$

  
• Wird nun Gleichung 2 nach µ_B aufgelöst und werden die entsprechenden Parameter aus den Gleichungen 1 und 3 eingesetzt, so ergibt sich folglich für den Reibwert folgende Gleichung: $${\mathrm{\mu }}_{\text{B}}=\frac{F_B}{F_{BK}}=\frac{\frac{F_X\cdot r_{dyn}}{r_B}}{P_B\cdot A}$$

  
• Damit kann auf einfache Weise der Reibwert µ_B ermittelt werden, und zwar einerseits aus bekannten, geometrischen Parametern, zum anderen aus in situ erfassten Parametern. Aus dem individuellen Reibwert jeder Radbremse kann nun auf deren Zustand geschlossen werden, wie auch aus sämtlichen Reibwerten aller Radbremsen auf den Gesamtzustand des gesamten Bremssystems.
• Bezugszeichenliste

1

Radlageranordnung

2

Lagerring

3

Lagerring

4

Wälzkörper

5

Kugeln

6

Sensor

7

Rad

8

Bremseinrichtung

9

Bremsscheibe

10

Reib- oder Bremsbeläge

11

Lauffläche

12

Boden

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 69318114 T2 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zur Zustandsbestimmung einer Reibbremse umfassend eine Bremsscheibe sowie an dieser angreifende Reibbeläge eines Rads eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines oder mehrerer Sensoren (6) im Bereich eines Radlagers (1) oder eines Achsschenkels eine horizontal in Laufrichtung des Rads (7) wirkende Kraft (Fx) auf das Radlager (1) oder den Achsschenkel gemessen wird und anhand dieser unter Berücksichtigung eines den anliegenden Bremsdrucks beschreibenden Werts sowie der wirkenden Reibfläche zwischen der Bremsscheibe (9) und den Reibbelägen (10) der Reibwert der Reibbremse (8) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Kraft mittels eines oder mehrerer magnetostriktiv, induktiv oder kapazitiv arbeitender Sensoren (6) oder mittels Dehnungssensoren erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Reibwerts zusätzlich ein Radiuswert von der Drehachse (D) zur Reibfläche und ein statischer oder dynamischer Radiuswert des Rads (7) berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hydraulisch betätigten Reibbremse (8) der hydraulische Bremsdruck berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer über einen Elektromotor betätigten Reibbremse ein ein Maß für den Bremsdruck darstellender Wert, insbesondere das vom Elektromotor zum Andrücken des Reibbelags erzeugte Moment berücksichtigt wird.
6. Radlageranordnung eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein Rad (7) sowie ein Radlager (1) und einen Achsschenkel sowie eine dem Rad (7) zugeordnete Reibbremse (8), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Radlagers (1) oder des Achsschenkels ein oder mehrere Sensoren (6) zur Erfassung einer horizontal in Laufrichtung des Rads wirkenden Kraft (Fx) auf das Radlager (1) oder den Achsschenkel vorgesehen sind, und dass eine Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Reibwerts der Reibbremse (8) anhand der gemessenen Kraft und unter Berücksichtigung eines den anliegenden Bremsdruck beschreibenden Werts sowie der wirkenden Reibfläche zwischen der Bremsscheibe (9) und den Reibbelägen (10) vorgesehen ist.
7. Radlageranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere magnetostriktiv, induktiv oder kapazitiv arbeitende Sensoren (6) oder Dehnungssensoren vorgesehen sind.
8. Radlageranordnung Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung ferner zur Ermittlung des Reibwerts unter zusätzlicher Berücksichtigung eines Radiuswerts von der Drehachse zur Reibfläche und/oder eines statischen oder dynamischen Radiuswerts des Rads (7) ausgebildet ist.
9. Radlageranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbremse (8) hydraulisch betätigbar ist und die Verarbeitungseinrichtung zur Berücksichtigung des hydraulischen Bremsdrucks ausgebildet ist.
10. Radlageranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibbremse (8) über einen Elektromotor betätigbar ist und die Verarbeitungseinrichtung zur Berücksichtigung eines ein Maß für den Bremsdruck darstellenden Werts, insbesondere des vom Elektromotor zum Andrücken des Bremsbelags erzeugten Moments ausgebildet ist

Images