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Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung eines Restbremsmoments zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe, wobei das Messsystem wenigstens ein Piezoelement umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Montage eines derartigen Messsystems. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Bestimmung und Analyse eines Restbremsmoments zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe mit einem derartigen Messsystem, insbesondere aber nicht ausschließlich während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs.
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Aus der österreichischen Offenlegungsschrift
AT522830 A1 ist ein Messsystem zur Bestimmung eines Bremsmoments zwischen einer feststehenden Bremseinrichtung und einem Bremselement bekannt, wobei das Messsystem wenigstens ein Piezoelement und eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, wobei das Piezoelement in der Weise in einem Kraftfluss zwischen dem Bremselement und einem Gegenlager angeordnet ist, das die Bremseinrichtung abstützt, dass bei Einwirkung einer Kraft in Bewegungsrichtung des Bremselements auf das Piezoelement ein Messsignal unter Ausnutzung eines piezoelektrischen Effekts des Piezoelements erzeugt wird, und wobei die Signalverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage des Messsignals das Bremsmoment in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Bremsscheibe zu bestimmen. Aus der internationalen Offenlegungsschrift
WO 2018/019438 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Restdrehmoments in einem mit Scheibenbremsen ausgestatteten Kraftfahrzeugs bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung eines Restbremsmoments zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe, wobei das Messsystem wenigstens ein Piezoelement umfasst, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Messsystem zur Bestimmung eines Restbremsmoments zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe, wobei das Messsystem wenigstens ein Piezoelement umfasst, dadurch gelöst, das in zwei Schraubverbindungen zwischen dem Bremssattel und einem Radträger jeweils ein 3-Achs-Piezokraftsensor mit drei orthogonal zueinander angeordneten Messachsen eingesetzt ist. Die Verwendung von zwei 3-Achs-Piezokraftsensoren liefert gegenüber der bekannten Verwendung von Piezoelementen mit einer einzelnen Messachse zusätzliche Informationen zum Reibkontakt, die insbesondere bei der Analyse von verhältnismäßig geringen Restbremsmomenten hilfreich sind, um unvermeidbare Störgrößen in der Größenordnung der Restbremsmoment-Messgrößen zu kompensieren. Dabei wird bewusst in Kauf genommen, dass die an sich bekannten 3-Achs-Piezokraftsensoren mehr Bauraum beanspruchen. Ein vorteilhafter Messbereich für das an sich unerwünschte Restbremsmoment im Betrieb eines mit einer Scheibenbremse ausgestatteten Kraftfahrzeugs umfasst zum Beispiel null bis fünfzig Newton-Meter. Mit dem beanspruchten Messsystem können aber auch Betriebsbremsmomente von bis zu fünftausend Newton-Meter erfasst werden. Bei dem Kraftfahrzeug mit der Scheibenbremse handelt es sich vorzugsweise um einen Personenkraftwagen, der vier Scheibenbremsen umfasst.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Messsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass z-Messachsen der beiden 3-Achs-Piezokraftsensoren in Richtung der Schraubverbindungen angeordnet sind. So kann die Kraft, mit der die Sensoren durch die Schraubverbindungen bei der Montage vorgespannt werden, genau ermittelt werden. Die Richtung der Schraubverbindungen wird durch deren Längsachsen definiert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Messsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass y-Messachsen der 3-Achs-Piezokraftsensoren in Richtung von Normalen zu einer Bremsscheibenoberfläche angeordnet sind. Daraus ergibt sich ein Erkennungs-Messsignal, das redundant zu einem Reibmomentsignal ist, das aus einer Messung in x-Richtung resultiert. Bei dem Erkennungs-Messsignal handelt es sich um ein Kraftsignal in y-Richtung. Das Kraftsignal in y-Richtung spricht sensibler auf Restbremsmomente an, da es geringere Störeinflüsse durch Trägheitskräfte des Bremssattels aufweist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bestimmung von Restbremsmomenten zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe mit einem vorab beschriebenen Messsystem.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet dass zwei an einem Bremssattel erfasste Kraftsignale in y-Richtung in der Art und Weise gemeinsam ausgewertet werden, dass anhand charakteristischer Signalbilder eine Kraftverteilung über den Bremssattel ermittelt werden kann. Dadurch kann ein als ursächlich für das Restbremsmoment angesehener dominierender Reibkontakt am Bremssattel lokalisiert werden. Eine Unterscheidung ist hierbei jeweils zwischen einem inneren und einem äußeren Belag sowie zwischen einer Eintrittsseite der Bremsscheibe und einer Austrittsseite der Bremsscheibe vorteilhaft. Die Lokalisation kann gezielt in der Bremsentwicklung eingesetzt werden, um Komponenten-Optimierungen an den als problematisch lokalisierten Stellen vorzunehmen und anschließend zu bewerten.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die in y-Richtung am Bremssattel erfassten Kraftsignale oder Kraftschwingungen während einer Betriebsbremsung zur Beurteilung von Bremsungleichförmigkeiten herangezogen werden. Letztere sind relevant für den Komfort und können bei starker Ausprägung als Indikator für eine Bremsenfehlfunktion dienen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Messsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsscheibe zusätzlich ein feststehender Infrarotsensor zur kontaktkosen Temperaturmessung zugeordnet ist. Der feststehende Infrarotsensor erfordert vorteilhaft keine Drehübertragung zur Weiterleitung des Messsignals.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Messsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass einer Entlüftungsöffnung an dem Bremssattel zusätzlich ein Bremsdrucksensor zugeordnet ist. Die Entlüftungsöffnung ist an sich bekannter Art und Weise durch eine Entlüftungsschraube verschlossen. Der Bremsdrucksensor hat vorzugsweise einen Messbereich von null bis zweihundert bar. Dabei wird der Bremsdrucksensor vorteilhaft bei einer Aufzeichnungsrate mit einer maximal möglichen Messfrequenz verwendet. Mit dem zusätzlichen Bremsdrucksensor können vorteilhaft raddrehzahlabhängige Anregungen des Bremsdruckverlaufs im Bremssattel erfasst werden, die auf ein vorhandenes Restbremsmoment schließen lassen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des vorab beschriebenen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die in y-Richtung erfassten Kraftsignale sowie ein mit dem Bremsdrucksensor je Bremssattel erfasstes Drucksignal innerhalb eines definierten Zeitintervalls bezüglich einer Standardabweichung auf Überschreitung eines definierten Grenzwerts überprüft werden. Die Überschreitung des Grenzwerts kann als Indikator für das Vorliegen eines Restbremsmoments dienen. Das Zeitintervall kann variabel definiert werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von einer Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Messsystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Radträger zusätzlich ein Beschleunigungssensor zugeordnet ist. Der Beschleunigungssensor erfasst vorteilhaft Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen. Dabei ist der Beschleunigungssensor vorteilhaft möglichst nah zum Bremssattel am Radträger montiert. Durch die zusätzlichen Sensoren können die mit den 3-Achs-Piezokraftsensoren erfassten Messdaten in ihrer Genauigkeit verbessert werden. Dazu wird aus den erfassten Beschleunigungen eine Trägheitskraft des Bremssattels bestimmt und von den gleichgerichteten Kraftsignalen der 3-Achs-Piezokraftsensoren abgezogen, da die Trägheitskräfte ansonsten als Störgröße in die Restbremsmoment-Messung einfließen würden.
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Bei einem Verfahren zur Montage eines vorab beschriebenen Messsystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die 3-Achs-Piezokraftsensoren in die Schraubverbindungen zwischen dem Bremssattel und dem Radträger eingesetzt und mittels eines auf Bremssattelschrauben aufgebrachten Montage-Anzugmoments vorgespannt werden, um die 3-Achs-Piezoraftsensoren in Krafteinleitungspfade zwischen dem Bremssattel und dem Radträger zu integrieren. So können vorteilhaft alle am Bremssattel angreifenden Kräfte über die 3-Achs-Piezokraftsensoren in den Schraubverbindungen messtechnisch erfasst werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Vorspannkräfte, mit denen die 3-Achs-Piezokraftsensoren in den Schraubverbindungen bei der Montage vorgespannt werden, mit den 3-Achs-Piezokraftsensoren in den Schraubverbindungen erfasst werden. Das ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil die relevanten Messkräfte zur Restbremsmomentmessung mittels Haftreibung in die Sensoren eingeleitet werden, wobei die maximale Haftung direkt von der Vorspannkraft abhängt.
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Bei einem Verfahren zur Bestimmung eines Restbremsmoments zwischen einem Bremssattel und einer Bremsscheibe, mit einem vorab beschriebenen Messsystem, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass Querkräfte, die am Bremssattel in Richtung der Normalen zur Bremsscheibenoberfläche angeordnet sind, erfasst werden. Daraus ergibt sich ein redundantes Erkennungs-Messsignal zu einem Reibbremsmoment-Signal, das aus einer Messung in x-Richtung resultiert.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensorausgangssignale in einer gemeinsamen Verarbeitungseinheit zusammengeführt werden, in der die Sensorausgangssignale zusammen mit relevanten Fahrzeugsignalen zeitsynchron verarbeitet werden. Die relevanten Fahrzeugsignale werden zum Beispiel von einem fahrzeuginternen Steuergerät bereitgestellt. Eine für die 3-Achs-Piezokraftsensoren empfohlene Messfrequenz beträgt zum Beispiel zweitausend Hertz. Durch die ergänzende Messtechnik werden redundante Messsignale zur Verfügung gestellt, um die Reibbremsmomentdaten aus den 3-Achs-Piezokraftsensoren zu plausibilisieren. Darüber hinaus kann das ermittelte Restbremsmoment in der Verarbeitungseinheit mit Einflüssen der Fahrdynamik abgeglichen werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Scheibenbremse eines Kraftfahrzeugs;
- 2 die Scheibenbremse aus 1 in einer anderen Perspektive;
- 3 die Scheibenbremse aus den 1 und 2 in einer dritten Perspektive; und
- 4 eine schematische Darstellung der Scheibenbremse zum Veranschaulichen von im Betrieb auftretenden Reibkontakten.
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In den 1 bis 3 ist eine Scheibenbremse eines Kraftfahrzeugs in verschiedenen Perspektiven dargestellt. Die Scheibenbremse umfasst eine Bremsscheibe 8 mit einer Bremsscheibenoberfläche 9. Die Bremsscheibe 8 ist relativ zu einem Bremssattel 1 mit Hilfe von Schraubverbindungen 5, 6 an einem Radträger 2 befestigt.
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In die Schraubverbindungen 5, 6 sind zwei 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 integriert. Die 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 sind so oder so ähnlich wie Unterlegscheiben in die Schraubverbindungen 5, 6 eingesetzt.
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Ein Messsystem 10 umfasst zusätzlich zu den beiden 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 einen nicht näher bezeichneten feststehenden Infrarotsensor zur kontaktlosen Temperaturmessung der Bremsscheibe 8. Darüber hinaus umfasst das Messsystem 10 einen Bremsdrucksensor, der einer Entlüftungsöffnung an dem Bremssattel 1 zugeordnet ist. Das Messsystem 10 umfasst des Weiteren einen Beschleunigungssensor, der dem Radträger 2 zugeordnet ist.
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In 2 ist bei dem 3-Achs-Piezokraftsensor 3 in der Schraubverbindung 5 ein Koordinatensystem 14 mit drei Messachsen 11, 12, 13 eingezeichnet. Die Messachse 11 entspricht einer x-Achse. Die Messachse 12 entspricht einer y-Achse. Die Messachse 13 entspricht einer z-Achse. Durch Pfeilspitzen an den Messachsen 11 bis 13 sind positive und negative Richtungen der Messachsen angedeutet.
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Die Schraubverbindungen 5, 6 umfassen jeweils eine Bremssattelschraube 15, 16. Bei der Montage werden die Bremssattelschrauben 15, 16 mit einem Montage-Anzugmoment angezogen. Durch das jeweilige Montage-Anzugmoment der Bremssattelschrauben 15, 16 werden die zugeordneten 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 vorgespannt.
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Durch das Vorspannen werden die 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 in einen Kraftleitungspfad zwischen dem Bremssattel 1 und dem Radträger 2 eingebunden. Dadurch wird auf einfache Art und Weise erreicht, dass alle am Bremssattel 1 angreifenden Kräfte über die beiden 3-Achs-Piezokraftsensoren 3, 4 übertragen werden. So können die am Bremssattel 1 angreifenden Kräfte höchst effektiv messtechnisch erfasst werden.
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Die x-Richtung der Messachse 11 entspricht einer Bremskraftrichtung. Die y-Richtung der Messachse 12 entspricht einer Querkraftrichtung. Die z-Richtung der Messsachse 13 entspricht einer Vorspannrichtung beim Anziehen der Bremssattelschrauben 15, 16.
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In 3 ist durch einen Pfeil 20 ein Radius einer Bremskraft 21 angedeutet. Durch einen Pfeil 22 ist das zugehörige Restbremsmoment angedeutet.
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In 4 ist die Scheibenbremse aus den 1 bis 3 mit dem Bremssattel 1 und der Bremsscheibe 8 schematisch perspektivisch dargestellt. Durch Pfeile 31, 32 ist eine Drehung der Bremsscheibe 8 relativ zu dem Bremssattel 1 angedeutet. Dabei dreht sich die Bremsscheibe 8 zwischen einem inneren Belag 33 und einem äußeren Belag 34. Eine Eintrittsseite der Bremsscheibe 8 am Bremssattel 1 ist mit 35 bezeichnet. Eine Austrittsseite der Bremsscheibe 8 aus dem Bremssattel 1 ist mit 36 bezeichnet.
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Im Betrieb der Scheibenbremse können Reibkontakte mit einer Auflösung von mindestens vier verschiedenen Positionen am Bremssattel 1 identifiziert werden, und zwar an der Eintrittsseite 35 des inneren Belags 33, an der Austrittsseite 36 des inneren Belags 33, an der Eintrittsseite 35 des äußeren Belags 34 und an der Austrittsseite 36 des äußeren Belags 34.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremssattel
- 2
- Radträger
- 3
- 3-Achs-Piezokraftsensor
- 4
- 3-Achs-Piezokraftsensor
- 5
- Schraubverbindung
- 6
- Schraubverbindung
- 8
- Bremsscheibe
- 9
- Bremsscheibenoberfläche
- 10
- Messsystem
- 11
- Messachse
- 12
- Messachse
- 13
- Messachse
- 14
- Koordinatensystem
- 15
- Bremssattelschraube
- 16
- Bremssattelschraube
- 20
- Radius
- 21
- Kraft
- 22
- Restbremsmoment
- 31
- Pfeil
- 32
- Pfeil
- 33
- innerer Belag
- 34
- äußerer Belag
- 35
- Eintrittsseite
- 36
- Austrittsseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 522830 A1 [0002]
- WO 2018/019438 A1 [0002]
