DE102022106982A1

DE102022106982A1 - Elektromechanische Fahrzeugbremse und Verfahren zur Bestimmung einer Position einer elektromechanischen Fahrzeugbremse

Info

Publication number: DE102022106982A1
Application number: DE102022106982.6A
Authority: DE
Inventors: Fabian Querbach; Andreas Marx; Roman Bechmann
Original assignee: ZF Active Safety GmbH
Current assignee: ZF Active Safety GmbH
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-28
Also published as: US20230304550A1; CN116803782A

Abstract

Eine elektromechanische Fahrzeugbremse hat einen Elektromotor (28) und einen Betätigungskolben (12), der auf eine Bremsanordung (14) einwirkt, sowie einen Kugelgewindetrieb (24), der eine vom Elektromotor (28) drehbare Spindel (26) und eine auf der Spindel (26) verschiebliche Kugelumlaufmutter (22) umfasst. Die Kugelumlaufmutter (22) ist im Betätigungskolben (12) aufgenommen und wirkt mit einem Anschlag (30) an einem inneren axialen Ende des Betätigungskolbens (12) zusammenwirkt, um den Betätigungskolben (12) in einer Betätigungsrichtung (R) zu verschieben. Ein Federelement (34) ist im Betätigungskolben (12) zwischen dem Anschlag (30) und der Kugelumlaufmutter (22) angeordnet ist. Ein Wegsensor (38) erfasst eine lineare Verschiebung des Betätigungskolbens (12). Mithilfe des Signals des Wegsensors (38), das eine Verschiebestellung des Betätigungskolbens (12) angibt, wird unter Berücksichtigung der Kennlinie des Federelements (34) eine aktuell durch den Betätigungskolben (12) auf die Bremsanordnung (14) aufgebrachte Bremskraft (F) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Fahrzeugbremse sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Position einer elektromechanischen Fahrzeugbremse.
Im Gegensatz zu herkömmlichen hydraulisch betätigten Bremsen ist bei einer elektromechanischen Bremse ein elektromotorisch bewegtes Element, z.B. ein Kugelgewindetrieb, vorgesehen, das auf eine bewegliche Komponente der Bremse einwirkt, um die Bremse zu betätigen. Elektromechanische Bremsen werden sowohl als Parkbremse als auch als herkömmliche Radbremse eingesetzt. Bei Verwendung in einer Radbremse bewegt der Elektromotor einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe und erzeugt so den notwendigen Bremsdruck zum Schließen der Bremse.
Es ist gewünscht, während der Betätigung der Bremse den Bremsdruck bzw. die vom Elektromotor erzeugte Bremskraft zu kennen. Da sich u.a. aufgrund von Verschleiß der notwendige Betätigungsweg der Bremse im Verlauf der Zeit verändert, und die Bremskraft daher über eine reine Erfassung der Motorbewegung nicht zugänglich ist, werden herkömmlich Kraftsensoren eingesetzt. Deren Verwendung ist aber aufwendig und teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Bestimmung einer anliegenden Bremskraft in einer elektromechanischen Fahrzeugbremse ohne die Verwendung eines dedizierten Kraftsensors zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine elektromechanische Fahrzeugbremse mit einem Elektromotor und einem Betätigungskolben, der auf eine Bremsanordnung einwirkt, gelöst. Die Fahrzeugbremse umfasst einen Kugelgewindetrieb, der eine vom Elektromotor drehbare Spindel sowie eine auf der Spindel verschiebliche Kugelumlaufmutter aufweist, wobei die Kugelumlaufmutter im Betätigungskolben aufgenommen ist und mit einem Anschlag an einem inneren axialen Ende des Betätigungskolbens zusammenwirkt, um den Betätigungskolben in einer Betätigungsrichtung zu verschieben. Außerdem weist die Fahrzeugbremse ein Federelement auf, das im Betätigungskolben zwischen dem Anschlag und der Kugelumlaufmutter angeordnet ist, und einen Wegsensor, der eine lineare Verschiebung des Betätigungskolbens erfasst, sowie eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, ein Signal des Wegsensors unter Berücksichtigung einer Kennlinie des Federelements zu nutzen, um eine an der Bremsanordnung anliegende Bremskraft zu bestimmen.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, auf einen Kraftsensor an der Fahrzeugbremse zu verzichten.
Bestimmte Parameter des Elektromotors, beispielsweise das auf die Spindel aufgebrachte Drehmoment und der dazu benötigte Strom, verändern sich gemäß der Position der Kugelumlaufmutter bei Verschiebung des Betätigungskolbens. Die bekannte Kennlinie des Federelements hilft dabei, die Position des Betätigungskolbens zu erfassen, ab der das Federelement vollständig komprimiert und die Bremsanordnung geschlossen ist. Ab diesem Punkt ist die durch eine Weiterbewegung des Betätigungskolbens übertragene Bremskraft näherungsweise linear streckenabhängig. Durch Kenntnis der über den Wegsensor erfassten Position des Betätigungskolbens sowie der im Vorfeld bestimmbaren Zusammenhänge der beweglichen Komponenten ist somit eine anliegende Bremskraft bestimmbar.
Beispielsweise kann ein Betriebsstrom des Elektromotors gemessen werden, der ein Maß für das Drehmoment der Spindel sowie für die Kraft darstellt, die die Kugelumlaufmutter auf den Betätigungskolben überträgt. Im Vorfeld lässt sich so einfach ein Drehmoment-Kraft-Verhältnis zwischen dem Drehmoment der Spindel und der durch den Betätigungskolben übertragenen Kraft bestimmen. Auch eine Position der Kugelumlaufmutter, die über die Zahl der Umdrehungen der Spindel bekannt ist, kann mit einbezogen werden, um die Bremskraft zu bestimmen.
Um die Bewegung des Betätigungskolbens direkt und berührungslos ermitteln zu können, ist vorzugsweise am Betätigungskolben ein Signalgeber angeordnet, dessen Bewegung vom Wegsensor erfasst wird.
Als Wegsensor lässt sich beispielsweise ein Hallsensor oder ein kapazitiver Sensor einsetzen, also ein robuster und kostengünstiger Sensor.
Der Wegsensor, der die Bewegung des Signalgebers erfasst, ist bevorzugt in einem an den Betätigungskolben angrenzenden Abschnitt eines Gehäuses der Fahrzeugbremse aufgenommen, sodass er gut geschützt in der Nähe des Betätigungskolbens angeordnet ist.
Der Wegsensor ist z.B. über eine Leiterplatte elektrisch kontaktierbar, was noch dadurch vereinfacht werden kann, wenn der Wegsensor auf einer separaten Leiterplatte montiert ist, die über eine Steck- und/oder Leitungsverbindung mit der Leiterplatte verbunden ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Leiterplatte den Elektromotor steuert und/oder Bestandteil der Steuereinheit ist.
Die Bremsanordnung umfasst beispielsweise die Bremsbeläge und Bremsscheibe einer herkömmlichen Radbremse. Die Bremsanordnung ist insbesondere eine Schwimmsattelbremse.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einem Verfahren zur Bestimmung einer Position der elektromechanischen Fahrzeugbremse gelöst, wie sie oben beschrieben wurde. Mithilfe des Signals des Wegsensors, das eine Verschiebestellung des Betätigungskolbens angibt, wird unter Berücksichtigung der Kennlinie des Federelements eine aktuell durch den Betätigungskolben auf die Bremsanordnung aufgebrachte Bremskraft bestimmt.
Gegebenenfalls kann hierzu zusätzlich ein aktueller Betätigungsstrom des Elektromotors und/oder ein aktuelles Drehmoment der Spindel berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbremse zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbremse zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 3 eine schematische Darstellung einer Kraft-Weg-Kennlinie der Fahrzeugbremse der 1 und 2.

1 zeigt eine elektromechanische Fahrzeugbremse 10, die einen Betätigungskolben 12 umfasst, der auf eine Bremsanordnung 14 einwirkt und auf diese eine Bremskraft F überträgt.
Die Bremsanordnung 14 ist hier eine bekannte Schwimmsattelbremse mit zwei Bremsbelägen 16 sowie einer zwischen diesen angeordneten Bremsscheibe 18.
In einem inneren Hohlraum 20 des Betätigungskolbens 12 ist eine Kugelumlaufmutter 22 eines Kugelgewindetriebs 24 aufgenommen. Eine Spindel 26 des Kugelgewindetriebs 24 ist mit einem Elektromotor 28 gekoppelt, der die Spindel 26 in Rotation versetzen kann, was die Kugelumlaufmutter 22 linear entlang der Spindel 26 bewegt.
Wirkt die Kugelumlaufmutter 22 auf einen Anschlag 30 im Inneren des Betätigungskolben 12, der an einem zur Bremsanordnung 14 gerichteten Längsende des Betätigungskolben 12 angeordnet ist, so bewegt sie den Betätigungskolben 12 in Richtung zur Bremsanordnung 14, hier in Richtung zu einem der Bremsbeläge 16. Hierzu ist der Betätigungskolben 12 gegenüber der Kugelumlaufmutter 22 in einer Betätigungsrichtung R, die parallel zur Längserstreckung der Spindel 26 verläuft, frei verschieblich.
Zwischen einer axialen Endfläche 32 der Kugelumlaufmutter 22 und dem Anschlag 30 ist im Hohlraum 20 ein entlang der Betätigungsrichtung R kompressibles Federelement 34 aufgenommen, das eine bekannte Kraft-Weg-Kennlinie aufweist.
An einer Außenseite des Betätigungskolbens 12 ist ein Signalgeber 36 angeordnet, der mit einem Wegsensor 38 zusammenwirkt, der durch einen schmalen Luftspalt getrennt benachbart zum Signalgeber 36 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist der Wegsensor 38 in einer Ausnehmung in einem Gehäuse 40 der Fahrzeugbremse 10, in dem auch der Betätigungskolben 12 linear geführt wird, aufgenommen.
Das Signal des Wegsensors 38 ist ein direktes Maß für die Verschiebung des Betätigungskolbens 12 entlang der Betätigungsrichtung R.
Der Wegsensor 38 ist über eine Steck- und/oder Leitungsverbindung 42, 44 mit einer Leiterplatte 46 verbunden ist, die auch den Elektromotor 28 steuert. Die Leiterplatte 46 ist elektronisch mit einer Steuereinheit 48 verbunden oder Bestandteil der Steuereinheit 48, die die Signale des Wegsensors 38 empfängt und die den Elektromotor 28 steuern kann.
Die Steck- und/oder Leitungsverbindung 42, 44 ist vorzugsweise durch eine Bohrung in dem Gehäuses 40 geführt.
Der Wegsensor 38 ist beispielsweise ein Hallsensor. In diesem Fall ist der Signalgeber 36 ein Magnet.
2 zeigt stark schematisiert noch einmal die Bremsanordnung 14, den Betätigungskolben 12 und den Kugelgewindetrieb 24.
Das Federelement 34 kann auf jede beliebige geeignete Art ausgebildet sein, beispielsweise als Tellerfeder oder Tellerfederpaket (siehe 1) oder als Spiralfeder (siehe 2).
3 zeigt in der oberen Kurve eine Kraft-Weg-Kennlinie der Fahrzeugbremse 10. In der unteren Kurve ist eine Kraft-Weg-Kennlinie ohne das Federelement 34 dargestellt.
Soll die Fahrzeugbremse 10 geschlossen werden, also die Bremsbeläge 16 in Anlage an die Bremsscheibe 18 kommen, um eine Bremskraft F auf die Bremsanordnung 14 auszuüben, so wird die Spindel 26 durch den Elektromotor 28 in Drehung versetzt, sodass die Kugelumlaufmutter 22 in Richtung zur Bremsanordnung 14 verschoben wird.
Die Steifigkeit des Federelements 34 ist hier so gewählt, dass zunächst die Kraft über das Federelement 34 auf den Anschlag 30 übertragen und der Betätigungskolben 12 entlang der Betätigungsrichtung R verschoben wird, bis die durch das Schließen der Fahrzeugbremse 10 entstehende Gegenkraft eine Federkraft des Federelements 34 übersteigt. Nach diesem Verschiebeweg ist z.B. der Betätigungskolben 12 in Anlage an seinem zugeordneten Bremsbelag 16, und die Bremsanordnung 14 so weit geschlossen, dass kein Spiel mehr zwischen den Bremsbelägen 16 und der Bremsscheibe 18 besteht. Eine nennenswerte Bremskraft F muss an dieser Position noch nicht an der Bremsanordnung 14 anliegen.
Da die Endfläche 32 der Kugelumlaufmutter 22 in Kontakt mit dem Federelement 34 ist, wird bei der Verschiebung der Kugelumlaufmutter 22 jetzt das Federelement 34 komprimiert, ohne dass die an der Bremsanordnung 14 anliegende Bremskraft nennenswert ansteigt. Hierzu ist eine ansteigende Kraft erforderlich, die durch die Kraft-Weg-Kennlinie des Federelements 34 vorgegeben ist. Dementsprechend muss das Drehmoment der Spindel 26 erhöht werden, wozu die Leistung bzw. der Stromfluss durch den Elektromotor 28 ansteigt. Ist der Kompressionsweg des Federelements 34 erschöpft, wird die Bewegungsenergie der Kugelumlaufmutter 22 nicht mehr in die Kompression des Federelements 34, sondern in eine weitere Bewegung des Betätigungskolbens 12 in Betätigungsrichtung R umgesetzt.
Dieser Übergang stellt sich als deutlicher Knick in der Kraft-Weg-Kennlinie der Fahrzeugbremse 10, die in 3 gezeigt ist, dar. Wie aus 3 auch zu erkennen ist, ist im weiteren Verlauf die Bremskraft F annähernd linear zum Verschiebeweg s des Betätigungskolbens 12. Ist dieser Knick erreicht, ändern sich dementsprechend auch das erforderliche Drehmoment der Spindel 26 sowie der Strombedarf des Elektromotors 28.
Der Wegsensor 38 detektiert die aktuelle Position des Betätigungskolbens 12 über das Signal des Signalgebers 36. Für das folgende Aufbringen der eigentlichen Bremskraft F kann jetzt das Signal des Wegsensors 38 verwendet werden, um die Höhe der aktuell anliegenden Bremskraft F zu bestimmen und so das Schließen der Fahrzeugbremse 10 zu steuern.

Claims

Elektromechanische Fahrzeugbremse mit einem Elektromotor (28) und einem Betätigungskolben (12), der auf eine Bremsanordung (14) einwirkt, und mit einem Kugelgewindetrieb (24), der eine vom Elektromotor (28) drehbare Spindel (26) sowie eine auf der Spindel (26) verschiebliche Kugelumlaufmutter (22) umfasst, wobei die Kugelumlaufmutter (22) im Betätigungskolben (12) aufgenommen ist und mit einem Anschlag (30) an einem inneren axialen Ende des Betätigungskolbens (12) zusammenwirkt, um den Betätigungskolben (12) in einer Betätigungsrichtung (R) zu verschieben, mit einem Federelement (34), das im Betätigungskolben (12) zwischen dem Anschlag (30) und der Kugelumlaufmutter (22) angeordnet ist, mit einem Wegsensor (38), der eine lineare Verschiebung des Betätigungskolbens (12) erfasst, und mit einer Steuereinheit (48), die ausgebildet ist, ein Signal des Wegsensors (38) unter Berücksichtigung einer Kennlinie des Federelements (34) zu nutzen, um eine an der Bremsanordnung (14) anliegende Bremskraft (F) zu bestimmen.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach Anspruch 1, wobei am Betätigungskolben (12) ein Signalgeber (36) angeordnet ist, dessen Bewegung vom Wegsensor (38) erfasst wird.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wegsensor (38) ein Hallsensor oder ein kapazitiver Sensor ist.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wegsensor (38) in einem an den Betätigungskolben (12) angrenzenden Abschnitt eines Gehäuses (40) der Fahrzeugbremse (10) aufgenommen ist.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wegsensor (38) über eine Leiterplatine (46) elektrisch kontaktiert ist.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach Anspruch 5, wobei die Leiterplatte (46) den Elektromotor (28) steuert und/oder Bestandteil der Steuereinheit (48) ist.
Elektromechanische Fahrzeugbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremsanordnung (14) eine Schwimmsattelbremse ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Position einer elektromechanischen Fahrzeugbremse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mithilfe des Signals des Wegsensors (38), das eine Verschiebestellung des Betätigungskolbens (12) angibt, unter Berücksichtigung der Kennlinie des Federelements (34) eine aktuell durch den Betätigungskolben (12) auf die Bremsanordnung (14) aufgebrachte Bremskraft (F) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zusätzlich ein aktueller Betätigungsstrom des Elektromotors (28) und/oder ein aktuelles Drehmoment der Spindel (26) berücksichtigt wird.