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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremse eines Fahrzeugs.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen hydraulisch betätigten Bremsen ist bei einer elektromechanischen Bremse ein elektromotorisch bewegtes Element, z.B. ein Kugelgewindetrieb, vorgesehen, das auf bewegliche Reibelemente der Bremse einwirkt, um die Bremse zu schließen. Die vom Elektromotor gelieferte Kraft wird in eine Bewegung der Reibelemente der Bremse gegeneinander umgesetzt. Beispielsweise wird ein Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe gedrückt und so der zum Schließen der Bremse notwendige Bremsdruck erzeugt.
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Elektromechanische Bremsen sind sowohl als Parkbremse als auch als Betriebsbremse einsetzbar. Im Gegensatz zur Parkbremse, die das abgestellte Fahrzeug sichert, wird die Betriebsbremse verwendet, um während der Fahrt eine temporäre Fahrzeugverzögerung zu bewirken.
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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, aber auch durch Temperatureinwirkung während der Fahrt der notwendige Betätigungsweg der Bremse zeitlich verändert, ist eine regelmäßige Erfassung notwendig. Hierzu werden herkömmlich Kraftsensoren eingesetzt. Deren Verwendung ist aber platzaufwendig und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Bremssystems trotz der Verwendung von kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen einfach, sicher und kostengünstig zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb einer kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremse eines Fahrzeugs gelöst, bei dem ein aktueller Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie der kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremse beim Abstellen des Fahrzeugs während des Schließens einer Parkbremse ermittelt und abgespeichert wird und wobei der aktuelle Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie bei einer nachfolgenden Fahrt zur Einstellung einer angeforderten Bremskraft an der elektromechanischen Betriebsbremse zur Erfüllung einer Bremsanforderung verwendet wird.
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Auf diese Weise ist die Durchführung eines Bremsvorgangs zur Erfüllung einer Bremsanforderung auch ohne Kraftsensor zuverlässig möglich.
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Die so ermittelte Kraft-Weg-Kennlinie wird vorzugsweise für die gesamte Fahrt bis zum erneuten Abstellen des Fahrzeugs und Schließen der Parkbremse genutzt.
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Die Ermittlung des aktuellen Verlaufs der Kraft-Weg-Kennlinie erfolgt vorzugsweise bei jedem Abstellen des Fahrzeugs, bei dem die Parkbremse betätigt wird. Es wäre denkbar, auch dann eine Messung durchzuführen, wenn die Parkbremse während einer Fahrt geschlossen wird.
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Grundsätzlich wird angestrebt, eine Betätigung der elektromechanischen Betriebsbremsen außerhalb eines aktuellen Bremsvorgangs zu vermeiden.
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Die Parkbremse kann eine der kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen des Fahrzeugs sein, die einen Arretierungsmechanismus umfasst. In diesem Fall wird die elektromechanische Betriebsbremse auch als Parkbremse verwendet. Zum Schließen der Parkbremse wird die elektromechanische Betriebsbremse vollständig geschlossen und anschließend der Arretierungsmechanismus aktiviert und der Elektromotor stromlos geschaltet.
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In einer ersten Variante wird während des Schließens der Parkbremse an sämtliche kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen des Fahrzeugs der aktuelle Verlauf der jeweiligen Kraft-Weg-Kennlinie der einzelnen Bremsen ermittelt. Nach Abschluss der Messung werden die Elektromotoren aller kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen wieder stromlos geschaltet.
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Sind nur die elektromechanischen Betriebsbremsen an einer Achse des Fahrzeugs als Parkbremse ausgebildet, beispielsweise die der Hinterachse des Fahrzeugs, wird in einer anderen Variante eine Ermittlung des aktuellen Verlaufs der Kraft-Weg-Kennlinie nur für die als Parkbremsen ausgestalteten elektromechanischen Betriebsbremsen durchgeführt. Die Kraft-Weg-Kennlinien der anderen elektromechanischen Betriebsbremsen, z.B. an der Vorderachse, werden aus der ermittelten Kraft-Weg-Kennlinie bestimmt. Hierzu kann beispielsweise durch geeignete Berechnungen aus der gemessene Kraft-Weg-Kennlinie ein Rückschluss auf die Kraft-Weg-Kennlinien der anderen elektromechanischen Betriebsbremsen gezogen werden.
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Der Gesamtumdrehungswinkel der Welle des Elektromotors ist in guter Näherung direkt proportional zur Relativbewegung der Reibelemente der elektromechanischen Betriebsbremse. Beispielsweise ist der Gesamtumdrehungswinkel der Welle des Elektromotors proportional zum Gesamtumdrehungswinkel einer Spindel eines Kugelgewindetriebs, der einen Betätigungskolben verschiebt, der auf die Reibelemente der elektromechanischen Betriebsbremse einwirkt, um diese Bremse zu schließen. Die Welle des Elektromotors und die im Kraftfluss zwischen dieser und den Reibelementen der elektromechanischen Betriebsbremse liegenden Komponenten sind vorteilhaft so starr ausgebildet, beispielsweise aus einem Metall, dass bei einer Drehung der Welle des Elektromotors keine wesentliche Deformation an diesen Komponenten auftritt. Somit ist über den Gesamtumdrehungswinkel der Welle des Elektromotors die Position der Reibelemente eindeutig bestimmbar. Eine weitere Art der Wegmessung ist daher nicht erforderlich.
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Es hat sich herausgestellt, dass bei einer ausreichenden Auflösung der Kraft-Weg-Kennlinie die vom Fahrzeugführer oder autonomen Systemen des Fahrzeugs ausgelösten Bremsanforderungen erfüllbar sind, auch ohne die direkte Messung der Kraft bei der Betätigung der elektromechanischen Betriebsbremse. Zu diesem Zweck wird die Kraft-Weg-Kennlinie mit einer Auflösung vermessen, die für alle gängigen Betätigungskräfte in der Bremse und somit alle gängigen Relativpositionen der Reibelemente der Bremse ausreichend ist. Hierzu werden grundsätzlich deutlich mehr als zwei Messpunkte verwendet.
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Die Ansteuerung der Bremse erfolgt somit im Wesentlichen durch die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen dem Gesamtumdrehungswinkel der Welle des Elektromotors und der Bremskraft an der dadurch bestimmten Position der Reibelemente der Bremse.
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Beispielsweise wird zur Ermittlung des aktuellen Verlaufs der Kraft-Weg-Kennlinie ein Elektromotor der Betriebsbremse mit einem stetig ansteigenden Strom angesteuert und ein Gesamtumdrehungswinkel einer Welle des Elektromotors erfasst, woraus ein zeitlicher Verlauf des Gesamtumdrehungswinkels resultiert, aus dem die Weg-Kraft-Kennlinie ermittelt wird. Der Anstieg des Betriebsstroms sollte so langsam erfolgen, dass möglichst keine dynamischen Veränderungen auftreten. Vorzugsweise ist der Stromfluss ungeregelt, um Unstetigkeiten aufgrund einer Regelung zu verhindern. Aus den bekannten Stromwerten und dem über den Gesamtumdrehungswinkel der Welle des Elektromotors ermittelten Weg wird die Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt.
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Die Erstellung der Kraft-Weg-Kennlinie der elektromechanischen Betriebsbremse ist aus diesen Daten auf einfachem Weg möglich, beispielsweise durch Berechnung, Simulation oder eine gleichzeitige Messung des Gesamtumdrehungswinkels α und der Bremskraft F im Vorfeld. Generell ist auch die Energiezufuhr durch eine Vorgabe des Betriebsstroms des Elektromotors bekannt. In jedem Fall kann ausgehend von diesen bekannten Größen durch eine Messung des zeitlichen Verlaufs des Gesamtumdrehungswinkels der aktuelle Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie der elektromechanischen Betriebsbremse ermittelt werden.
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Während des Schließens der Parkbremse kann auf eine Regelung verzichtet werden. Außerdem steht während dieses Prozesses genügend Zeit zum Durchfahren und Ermitteln der Kraft-Weg-Kennlinie zur Verfügung.
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Außerdem wird vorzugsweise wird ein grundlegender Nullwert der Bremse werkstattseitig erfasst und als Referenzwert abgespeichert. Von diesem Referenzwert aus lässt sich die Kraft-Weg-Kennlinie festlegen. Dieser Referenzwert kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass außerhalb des normalen Fahrbetriebs durch den Elektromotor eine Referenzfahrt auf einen hinteren Anschlag der elektromechanischen Betriebsbremse durchgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung einer kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremse, die im erfindungsgemäßen Verfahren und im erfindungsgemäßen Bremssystem einsetzbar ist;
- - 2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Bremskraft und dem Gesamtumdrehungswinkel; und
- - 3 einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem erfindungsgemäßen Bremssystem eines Fahrzeugs.
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1 zeigt beispielhaft eine kraftsensorlose elektromechanische Betriebsbremse 10 eines Fahrzeugs 11, die einen Betätigungskolben 12 umfasst, der auf eine Bremsanordnung 14 einwirkt und auf diese eine Bremskraft F überträgt.
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Die Bremsanordnung 14 umfasst zusammenwirkende Reibelemente. Im hier gezeigten Beispiel ist die Bremsanordnung 14 eine bekannte Schwimmsattelbremse mit zwei Bremsbelägen 16 sowie einer zwischen diesen angeordneten Bremsscheibe 18 als Reibelemente. Im unbetätigten Zustand sind die Bremsbeläge 16 von der Bremsscheibe 18 durch ein Lüftspiel 19 beabstandet. Dies kann beispielsweise etwa 0,3 mm betragen.
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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, dessen Welle die Spindel 26 in Rotation versetzen kann, was die Kugelumlaufmutter 22 linear entlang der Spindel 26 bewegt.
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Die Kugelumlaufmutter 22 bewegt den Betätigungskolben 12 in Richtung R zur Bremsanordnung 14, hier in Richtung zu einem der Bremsbeläge 16.
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Ein Erfassungselement 30 ist so im Bereich des Elektromotors 28 angeordnet, dass es eine Drehzahl der Welle des Elektromotors 28 messen kann. Das Erfassungselement 30 ist hier außerdem so ausgelegt, dass es einen Gesamtumdrehungswinkel α der Welle erfasst, der direkt proportional zu einem Gesamtumdrehungswinkel der Spindel 26 ist. Der Gesamtumdrehungswinkel α wird dabei jeweils ausgehend von einem bekannten Nullpunkt betrachtet.
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Die ermittelten Werte werden an eine Steuereinheit 32 übergeben, verarbeitet und gegebenenfalls abgelegt. Die Steuereinheit 32 kommuniziert auf geeignete Weise mit anderen Komponenten eines Bremssystems 43 sowie anderen Systemen im Fahrzeug.
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In der hier gezeigten Ausführung umfasst die elektromechanische Betriebsbremse 10 einen Arretierungsmechanismus 34, der so ausgelegt ist, dass er die Bremsanordnung 14 in einer geschlossenen Position halten kann, ohne dass der Elektromotor 28 bestromt werden muss. Auf diese Weise lässt sich die elektromechanische Betriebsbremse 10 auch als Parkbremse einsetzen, wenn das Fahrzeug 11 am Ende der Fahrt abgestellt wird. Während des normalen Fahrbetriebs ist der Arretierungsmechanismus 34 vollständig gelöst.
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Der Gesamtumdrehungswinkel α ist ein direkt messbarer Parameter, der einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Drehung der Welle des Elektromotors 28 und der Position des Betätigungskolbens 12 liefert.
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Bei der hier gezeigten Betriebsbremse 10 sind alle Bauteile im Kraftfluss ausreichend starr und ohne wesentliches Spiel miteinander verbunden. Beispielsweise bestehen sie aus Metall. Daher besteht ein eindeutiger proportionaler Zusammenhang zwischen dem Gesamtumdrehungswinkel α der Welle des Elektromotors 28 und der Position des Betätigungskolben 12. Die Position des Betätigungskolbens 12 ist reproduzierbar und ohne Hystereseeffekte ermittelbar. Da die Position des Betätigungskolbens 12 unmittelbar mit der Bremskraft F in Beziehung steht, ist der Gesamtumdrehungswinkel α als direktes Maß für die Betätigungskraft F der elektromechanischen Betriebsbremse 10 verwendbar (siehe 2).
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2 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Gesamtumdrehungswinkel α und der Bremskraft F in einem gleichzeitig gemessenen zeitlichen Verlauf. Der zeitliche Verlauf 35 des Gesamtumdrehungswinkels α der Welle des Elektromotors 28 ist zusammen mit dem zugehörigen zeitlichen Verlauf der Bremskraft F der elektromechanischen Betriebsbremse 10 dargestellt.
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Die Erstellung einer (nicht dargestellten) Kraft-Weg-Kennlinie der elektromechanischen Betriebsbremse 10 ist aus diesen Daten auf einfachem Weg möglich, beispielsweise durch Berechnung, Simulation oder eine gleichzeitige Messung des Gesamtumdrehungswinkels α und der Bremskraft F im Vorfeld. Generell ist auch die Energiezufuhr durch eine Vorgabe des Betriebsstroms des Elektromotors 28 bekannt. In jedem Fall kann ausgehend von diesen bekannten Größen durch eine Messung des zeitlichen Verlaufs des Gesamtumdrehungswinkels α eine aktuelle Kraft-Weg-Kennlinie der elektromechanischen Betriebsbremse 10 ermitteln.
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In 2 ist auch gut ein Knick in der Kurve des zeitlichen Verlaufs 35 zu erkennen, der mit dem Anstieg der Bremskraft F zusammenfällt. Dieser Knick kennzeichnet einen Bremsberührpunkt 36 (auch Touch Disc Point genannt). Der Bremsberührpunkt 36 bezeichnet einen Kontaktpunkt der Reibelemente der elektromechanischen Betriebsbremse 10, ab dem das Lüftspiel 19 überwunden und eine nennenswerte Reibwirkung auftritt. Ist dieser Bremsberührpunkt 36 erreicht, beginnt die Bremse, sich zu schließen und die Bremskraft F aufzubauen.
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Der Wegpunkt 37 an diesem Gesamtumdrehungswinkel gibt die Position zur Einstellung des Lüftspiels 19 an. Außerdem stellt er auch den aktuellen Nullpunkt der Kraft-Weg-Kennlinie dar.
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Um den Bremsberührpunkt 36 zu ermitteln, wird der Betätigungskolben 12 durch die Drehung der Welle des Elektromotors 28 von einem bekannten Referenzpunkt aus in Richtung zur Bremsanordnung 14 bewegt. Es wird ein konstanter, ungeregelter Strom an den Elektromotor 28 angelegt. Solange das Lüftspiel 19 nicht überwunden ist, dreht sich die Welle mit einer hohen Drehzahl, da der Elektromotor 28 keinen nennenswerten mechanischen Widerstand überwinden muss. Ab dem Bremsberührpunkt 36 steigt dieser Widerstand jedoch an, was ab dem Wegpunkt 37 zu einer Reduktion der Drehzahl führt. Dieser Abfall der Drehzahl wird durch das Erfassungselement 30 gemessen.
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Zur Ermittlung des Bremsberührpunkts 36 wird die elektromechanischen Betriebsbremse 10 nicht vollständig geschlossen. Dieser Vorgang benötigt nur einen kurzen Zeitraum und erzeugt keine nennenswerte Fahrzeugverzögerung. Diese Messung wird daher während der Fahrt durchgeführt, vorzugsweise wiederholt zu mehreren Zeitpunkten.
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Hierzu wird z.B. eine normale Bremsanforderung 38 ausgenutzt, bei dem eine Bremsanforderung zur Verzögerung des Fahrzeugs 11 umgesetzt wird (siehe auch 3).
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Beispielsweise werden während eines normalen Bremsvorgangs z.B. zunächst ausschließlich die elektromechanischen Betriebsbremsen an einer Achse des Fahrzeugs 11 betätigt, um eine Bremskraft F zum Verzögern des Fahrzeugs bereitzustellen und die Bremsanforderung zu erfüllen. Bei einem normalen Bremsvorgang verringert sich die Fahrzeuggeschwindigkeit anfänglich nur moderat Während des Anstiegs der Bremskraft F bleibt daher genug Zeit, um an den elektromechanischen Bremsen 10 an der Achse, deren Bremsen noch nicht betätigt sind, die Ermittlung des aktuellen Werts des Bremsberührpunkts 36 durchzuführen.
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Die Ermittlung des aktuellen Werts des Bremsberührpunkts 36 wird jeweils an allen Bremsen 10 einer Achse symmetrisch und gleichzeitig durchgeführt.
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Wird eine Rekuperationsfunktion eines Antriebsmotors zur Erfüllung der Bremsanforderung herangezogen (nicht dargestellt), so wird z.B. zunächst die Bremskraft allein durch den Antriebsmotor aufgebracht. Optional werden während dieser Phase an allen kraftsensorlosen elektromechanischen Bremsen 10 des Fahrzeugs 11, gegebenenfalls auch an mehreren Achsen gleichzeitig, die aktuellen Werte des Bremsberührpunkts 36 ermittelt.
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Es ist möglich, den aktuellen Wert des Bremsberührpunkts 36 bei jedem Bremsvorgang zu ermitteln. Es ist aber auch denkbar, diese Ermittlung nach einem anderen vorgegebenen Schema durchzuführen.
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Über das Erfassungselement 30 wird auch die Kraft-Weg-Kennlinie der elektromechanischen Betriebsbremse 10 ermittelt. Dies geschieht, indem der Betätigungskolben 12 bis zum kompletten Schließen der Bremse 10 in Richtung R verfahren wird, wobei der Gesamtumdrehungswinkel α der Welle des Elektromotors 28 gemessen wird.
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Die Kraft-Weg-Kennlinie verändert sich meist über eine einzige Fahrt des Fahrzeugs nur geringfügig. Daher wird die Kraft-Weg-Kennlinie beispielsweise nur einmal pro Fahrt gemessen. Hierzu wird beim Abstellen des Fahrzeugs der Zeitraum Δt bei einem Schließen 40 einer Parkbremse des Fahrzeugs 11 genutzt (siehe 3).
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Zum Durchfahren der Kraft-Weg-Kennlinie wird der Elektromotor 28 hier mit einer bekannten, ungeregelten, ansteigenden Stromrampe mit einem stetig ansteigenden Strom bestromt. Gleichzeitig wird der zeitliche Verlauf des Gesamtumdrehungswinkels α der Welle des Elektromotors 28 über das Erfassungselement 30 gemessen. Der Zusammenhang zwischen dem Gesamtumdrehungswinkel α und der Bremskraft F lässt sich wie oben beschrieben ermitteln. Hierüber wir der aktuelle Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie ermittelt.
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Sowohl der Bremsberührpunkt 36 als auch die Kraft-Weg-Kennlinie werden für jede einzelne der kraftsensorlosen Betriebsbremsen 10 getrennt ermittelt.
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Im Zeitraum Δt werden in einer Variante sämtliche kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen 10 des Bremssystems 43 von der vollständig offenen bis zur vollständig geschlossenen Position bewegt und der Gesamtumdrehungswinkel α der Welle des Elektromotors 28 in Abhängigkeit des zugeführten Stroms für jede der elektromechanischen Betriebsbremsen 10 gemessen. Diese Daten werden der Steuereinheit 32 übergeben, wo sie bearbeitet werden, um die aktuelle Kraft-Weg-Kennlinien zu ermitteln. Diese werden in der Steuereinheit 32 abgelegt und den Bremsvorgängen der nächsten Fahrt zugrunde gelegt (siehe auch Schritt 42 in 3).
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Dieses Verfahren ist auch durchführbar, wenn zumindest eine der kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen 10 selbst als Parkbremse agiert. Da der Arretierungsmechanismus 34 erst geschlossen wird, wenn die Bremse ihren vollständig geschlossenen Zustand erreicht hat, und dieser Vorgang nicht sonderlich zeitkritisch ist, kann das Schließen der elektromechanischen Betriebsbremse 10 während die Ermittlung der Kraft-Weg-Kennlinie zum Schließen der Parkbremse verwendet werden.
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Andere kraftsensorlose elektromechanische Betriebsbremsen 10 des Fahrzeugs 11 können während des Schließens der Parkbremse wie oben beschrieben vermessen werden.
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3 zeigt, wie in einem Bremssystem 43 das Nachlernen des Bremsberührpunkts 36 sowie der Kraft-Weg-Kennlinien der kraftsensorlosen elektromechanischen Betriebsbremsen 10 im Fahrzeug 11 während des Fahrbetriebs des Fahrzeugs 11 durchgeführt wird.
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Ab dem Starten einer Fahrt und Starten der Bordsysteme des Fahrzeugs 11 (Schritt 44 in 3) werden zunächst die in der Steuereinheit 32 abgelegten zuletzt gespeicherten Werte für den Bremsberührpunkt 36 sowie die Kraft-Weg-Kennlinien der elektromechanischen Betriebsbremsen 10 zur Ansteuerung der elektromechanischen Betriebsbremsen 10 des Fahrzeugs 11 zur Umsetzung von Bremsanforderungen verwendet.
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Wird dann im folgenden Fahrtverlauf eine geeignete Bremsanforderung 38 detektiert, so wird auf oben beschriebenem Weg ein aktueller Wert für den Bremsberührpunkt 36 ermittelt (siehe Schritt 46 in 3). Kann dieser Schritt 46 ohne Störungen durchgeführt werden, so steht für die nachfolgenden Bremsvorgänge, gegebenenfalls bereits für den laufenden Bremsvorgang, für zumindest einige der elektromechanischen Betriebsbremsen 10 ein aktualisierter Wert für den Bremsberührpunkt 36 zur Verfügung.
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Im Verlauf der Fahrt kann der Schritt 46 mehrfach zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt werden.
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Wird das Fahrzeug am Ende der Fahrt abgestellt und in Schritt 40 eine Parkbremse geschlossen, so wird in Schritt 48 der hierzu notwendige Zeitraum Δt genutzt, um einen aktuellen Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinien einer oder mehrerer elektromechanischer Betriebsbremsen 10 zu ermitteln.
