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Die Erfindung betrifft eine Radbremse für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs und ein Verfahren zur Ermittlung einer von einer Radbremse aufgebrachten Spannkraft gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Verfahrensanspruchs.
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Bei einer elektromechanischen Bremse bringt ein Aktuator bestehend aus einem Elektromotor, einem Spindelantrieb und einer Ansteuerelektronik eine Spannkraft auf eine Bremsscheibe auf, um eine entsprechende Bremskraft an dem Rad zu erzeugen. Durch die Spannkraft werden beidseitig Bremsbeläge gegen die Bremsscheibe gepresst und damit ein Bremsmoment erzeugt. Bei dieser Bremsbetätigung wird durch die aufgebrachte Spannkraft der Bremssattel elastisch verformt. Die Verformung des Bremssattels stellt also ein Maß für die Spannkraft dar.
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Der vom Fahrzeugbediener ausgehende Bremswunsch wird in Form eines elektrischen Signals an die Radbremse übertragen und deren Aktuator entsprechend angesteuert. Prinzipiell fehlt bei einer Radbremse mit elektromechanischem Aktuator jede Rückmeldung einer wirkenden Bremskraft an ein Bremspedal bzw. den Fahrzeugbediener, wie es bei herkömmlichen hydraulischen Bremsen üblich ist. Daher ist es insbesondere bei einer Radbremse mit elektromechanischem Aktuator (jedoch auch bei hydraulisch betätigten Radbremsen) wünschenswert, unabhängig von ihrer genauen konstruktiven Ausführungsform, eine im Betrieb wirkende Bremskraft ständig und möglichst genau zu erfassen. Nur auf dieser Basis kann die Radbremse zuverlässig und mit der erforderlichen Genauigkeit geregelt werden, um eine durch einen Benutzer vorgegebene Bremsanforderung einzuhalten und auch an diesen zurückmelden zu können, sowie um schlupfgeregelte Bremsungen durchführen zu können. Die Ermittlung der wirkenden Spannkraft oder einer die Spannkraft repräsentierenden Größe ist also für die Regelung des elektronischen Bremssystems äußerst wichtig. Für diesen Zweck muss die Spannkraft mit einem eigens dafür vorgesehenen Sensor gemessen werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Möglichkeiten zur Messung der Spannkraft bzw. der Verformung eines Bremssattels bekannt.
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So ist aus der
DE 196 53 427 A1 ist ein kapazitiver Kraftsensor bekannt, der zwischen einem die Spannkraft auf einen der Bremsbeläge übertragenden Kolben und einem Ende einer Spindel angeordnet ist, die von einem Elektromotor angetrieben wird und die die erforderliche Spannkraft aufbringt. Als nachteilig anzusehen sind jedoch die hohen Kosten, welche zwangsläufig mit der Verwendung der genannten Kraftsensorik verbunden sind.
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Die
DE 10 2006 029 978 B3 schlägt eine Einrichtung am Bremssattel vor, welche die Spannkraft anhand einer elastischen Aufweitung des Bremssattels bei einem Zuspannen der Bremse misst, indem eine Scherbewegung eines Teils der Scheibenbremse beim Aufweiten des Bremssattels vermessen wird.
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In der
DE 10 2006 026 223 A1 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Bremskraft einer Fahrzeugbremse beschrieben, wobei die Vorrichtung ein Bügelelement, welches an dem Bremssattel angeordnet ist, sowie einen in einem Schlitz zwischen Bremssattel und Bügelelement angeordneten Kraftsensor umfasst.
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Die
DE 103 28 242 A1 offenbart einen im Bereich des Jochs des Bremssattels angebrachten Dehnmessstreifen, um die Verformung des Bremssattels zu messen. Das Joch ist der die Bremsscheibe am Umfang übergreifende Bereich des Bremssattels.
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In der
DE 10 2008 042 298 A1 wird zur Ermittlung der Spannkraft einer Scheibenbremse die Aufweitung des Bremssattels mittels einem in einen Hohlraum des Bremssatteljochs angeordneten stabförmigen, einseitig eingespannten Halters bestimmt, indem die Bewegung des freien Endes des Halters mit einem Magnetsensor gemessen wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Radbremse für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, deren aufgebrachte Spannkraft mit einer hohen Messgenauigkeit ermittelt wird, sowie ein Verfahren zur Ermittlung einer von einer Radbremse aufgebrachten Spannkraft bereitzustellen, welches die Spannkraft mit einer hohen Messgenauigkeit ermittelt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Radbremse für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, umfassend einen Bremssattel, eine Bremsscheibe und eine Messeinrichtung zur Messung einer elastischen Verformung des Bremssattels bei einer Betätigung der Radbremse, wobei die Verformung ein Maß für eine bei der Betätigung der Radbremse auf die Bremsscheibe wirkenden Spannkraft darstellt, wobei die Messeinrichtung einen an oder in dem Bremssattel angeordneten Wellenleiter zum Einschließen einer elektromagnetischen Welle, eine Sende- und Empfangseinheit zum Aussenden der elektromagnetischen Welle in den Wellenleiter, und eine mit der Sende- und Empfangseinheit elektrisch verbundene Signalverarbeitungseinheit umfasst, wobei die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist die Sende- und Empfangseinheit derart zu betreiben, dass die elektromagnetische Welle mit einer auf eine Länge des Wellenleiters angepassten Frequenz ausgesendet wird, sodass sich die elektromagnetische Welle als eine stehende Welle in dem Wellenleiter einstellt.
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Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, dass die Deformation des Bremssattels Aufschluss über die wirkende Spannkraft gibt. Wird diese Deformation präzise erfasst, ist auch die Spannkraft sehr genau bekannt. In vorteilhafterweise wird die elastische Verformung des Bremssattels bei einer Betätigung der Radbremse mit Hilfe des Wellenleiters erfasst, innerhalb welchem sich eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Mit der Sende- und Empfangseinheit wird die elektromagnetische Welle in den Wellenleiter ausgesendet. Stellt sich die Welle mit einer auf den Wellenleiter angepassten Eigenfrequenz ein, ist auch dessen Länge bekannt. Dabei ist die Eigenfrequenz des Wellenleiters umgekehrt proportional zu seiner Länge. Im Ergebnis liegt die Eigenfrequenz als ein hochgenaues Digitalsignal vor und gibt Aufschluss über die auf die Bremsscheibe wirkende Spannkraft. Durch die Verwendung dieses Messprinzips wird eine kostengünstige, präzise, robuste und bauraumsparende Erfassung der Spannkraft ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieses Messprinzips ist, dass es während der Ermittlung zu keinem Wegdriften der Messwerte kommt.
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Bevorzugt ist die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet aus der Frequenz der stehenden Welle und der bekannten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit eine veränderte Länge des Wellenleiters zu ermitteln, aus welcher die wirkende Spannkraft abgeleitet wird. Während der Betätigung der Radbremse wird die Frequenz der elektromagnetischen Welle verändert, bis sich wieder eine stehende Welle eingestellt hat. Ob sich die stehende Welle eingestellt hat, wird wiederum mit der Sende- und Empfangseinheit erfasst. Die stehende Welle hat die Charakteristik, dass deren Auslenkung an bestimmten Stellen immer bei null verbleibt. So liegt an den Rändern des Wellenleiters jeweils ein Schwingungsknoten vor. D.h. die elektrische Feldstärke ist an den reflektierenden Enden des Wellenleiters null. In der Mitte des Wellenleiters liegt ein hin und her schwingender Schwingungsbauch mit maximaler elektrischer Feldstärke vor. Der Abstand zweier Wellenknoten ist die halbe Wellenlänge, woraus sich die Länge des Wellenleiters ableiten lässt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Signalverarbeitungseinheit dazu eingerichtet die Sende- und Empfangseinheit derart zu betreiben, dass bei einer Betätigung der Radbremse die elektromagnetische Welle mit einem vorbestimmten Frequenzhub stufenweise verändert wird, sodass sich eine neue stehende Welle in dem Wellenleiter einstellt. Während der Betätigung der Radbremse verändert die Sende- und Empfangseinheit die Frequenz der elektromagnetischen Welle mit einem vorbestimmten Auflösungsschritt. Die Frequenz wird also um eine bestimmte Änderungsfrequenz solange erhöht oder verringert, bis sich eine stehende Welle in dem Wellenleiter eingestellt hat.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die elektromagnetische Welle von der Sende- und Empfangseinheit im Mikrowellenspektrum mit einer Frequenz von 1 bis 300 GHz aussendet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wellenleiter ein in den Bremssattel eingebrachter Hohlraum. Als Wellenleiter wird ein Hohlraum verwendet, welcher in den Bremssattel eingebracht ist. Der Hohlraumzeichnet sich durch seine metallischen Wände und planen Abschlussflächen aus. Er eignet sich dadurch besonders gut als Resonator für die elektromagnetische Welle, welche mit einer bestimmten Eigenfrequenz in dem Wellenleiter schwingen soll.
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Alternativ dazu ist der Wellenleiter ein in oder an dem Bremssattel befindlicher Streifenleiter. Solch ein Streifenleiter kann flächig an oder in dem Bremssattel vorgesehen sein. Bei dem Streifenleiter sind dünne Metallfilme auf nichtleitende Materielein aufgebracht. Solch eine Streifenleiter lässt sich hervorragend an oder in dem Bremssattel anordnen. Dabei verändert sich die Länge des Streifenleiters bzw. dessen Leiter für die elektromagnetische Welle mit der Deformation des Bremssattels.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an die Signalverarbeitungseinheit ein Temperatorsensor angeschlossen, welcher eine Bauteiltemperatur des Bremssattels misst. Um die temperaturbedinge Materialausdehnung des Bremssattels zu berücksichtigten, ist es zudem ratsam dessen Temperatorsensor zur Kompensation des Längenausdehnung des Wellenleiters zu berücksichtigen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung einer von einer Radbremse aufgebrachten Spannkraft, wobei die Radbremse einen Bremssattel, eine Bremsscheibe und eine Messeinrichtung zur Messung einer elastischen Verformung des Bremssattels bei einer Betätigung der Radbremse umfasst, wobei die Verformung ein Maß für die bei der Betätigung der Radbremse auf die Bremsscheibe wirkende Spannkraft darstellt, wobei eine Sende- und Empfangseinheit eine elektromagnetische Well in einen Wellenleiter aussendet, wobei eine Signalverarbeitungseinheit die Sende- und Empfangseinheit derart betreibt, dass die elektromagnetische Welle mit einer auf eine Länge des Wellenleiters angepassten Frequenz ausgesendet wird, sodass sich die elektromagnetische Welle als eine stehende Welle in dem Wellenleiter einstellt.
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Mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit wird die Sende- und Empfangseinheit gesteuert, dass sie eine elektromagnetische Welle mit einer bestimmten Frequenz in den Wellenleiter aussendet. Die Frequenz wird dabei von der Signalverarbeitungseinheit so eingestellt, dass sie auf die Eigenfrequenz des Wellenleiters passt und sich eine stehende Welle einstellt.
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Bevorzugt wird aus der Frequenz der stehenden Welle und der bekannten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit eine Länge des Wellenleiters ermittelt, aus welcher die wirkende Spannkraft abgeleitet wird. Verändert sich die Länge des Wellenleiters aufgrund einer Deformation des Bremssattels, kann durch mit Hilfe der bekannten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und der eingestellten Frequenz die Länge des Wellenleiters berechnet werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Sende- und Empfangseinheit von der Signalverarbeitungseinheit derart betrieben, dass bei einer Betätigung der Radbremse die elektromagnetische Welle mit einem vorbestimmten Frequenzhub stufenweise verändert wird, sodass sich eine neue stehende Welle in dem Wellenleiter einstellt. Um bei einer Betätigung der Radbremse die Länge des Wellenleiters zu bestimmen, wird die Sende- und Empfangseinheit von der Signalverarbeitungseinheit stufenweise betrieben. D.h. die einzustellende Frequenz wird um eine bestimmte Änderungsfrequenz solange verändert, bis sich wieder eine stehende Welle in dem Wellenleiter eingestellt hat.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Signalverarbeitungseinheit die ermittelte Spannkraft an eine elektronische Steuer- und Regeleinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage übermittelt. Die aus der veränderten Länge des Wellenleiters abgeleitete Spannkraft wird an die elektronische Steuer- und Regeleinheit einer Kraftfahrzeugbremsanlage übermittelt, um eine von der wirkenden Spannkraft abhängige Regelung der Radbremse vorzunehmen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Signalverarbeitungseinheit eine Bauteiltemperatur des Bremssattels übermittelt, welche von der Signalverarbeitungseinheit zur Kompensation einer temperaturbedingten Materialausdehnung des Wellenleiters berücksichtigt wird. Damit Messung der Länge des Wellenleiters möglichst genau ist, wird zusätzlich über die Bauteiltemperatur des Bremssattels die temperaturbedingte Materialausdehnung des Wellenleiters berücksichtigt.
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Beispielsgemäß ist die Radbremse eine elektromechanische oder eine hydraulische Scheibenbremse. Sie kann als Betriebsbremse oder Parkbremse verwendet werden. Verwendung findet die Radbremse in einer Bremsanalage eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figur.
- 1 zeigt eine Radbremse mit einer beispielsgemäßen Messeinrichtung.
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In der 1 ist schematisch eine Radbremse 1 dargestellt, welche ein Bestandteil einer Kraftfahrzeugbremsanlage ist. Radbremse 1 umfasst einen Bremssattel 2 und eine Bremsscheibe 3. Bremssattel 2 umfasst einen elektromechanischen Aktuator 10, welcher bei Betätigung einen Kolben 9 in Richtung von Bremsscheibe 3 verschiebt. Kolben 9 wirkt auf eine Druckplatte 8, an welcher ein erster innerer Bremsbelag 4 über einen ersten inneren Belaghalter 6 angebracht ist. Dieser innere Bremsbelag 4 kommt bei Betätigung des Bremssattels 2 bzw. von Aktuator 10 in Eingriff mit einer ersten Seite von Bremsscheibe 3.
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Dem Aktuator 10 gegenüberliegend ist an einer Spannfaust 11 von Bremssattel 2 ein zweiter äußerer Bremsbelag 5 über einen zweiten äußeren Belaghalter 7 angeordnet. Bremsbelag 5 kommt bei einer Betätigung des Bremssattels 2 bzw. von Aktuator 10 in Eingriff mit einer zweiten Seite von Bremsscheibe 3.
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Bei Betätigung von Bremssattel 2 wirkt durch Bremsbeläge 4 und 5 eine Spannkraft FSP auf Bremsscheibe 3 ein, wodurch ein Bremsmoment erzeugt wird. Wird eine größere Bremskraft benötigt, wird Kolben 9 von Aktuator 10 weiter in Richtung von Bremsscheibe 3 verfahren, sodass die Spannkraft FSP zunimmt. Dabei verformt bzw. verbiegt sich Bremssattel 2 immer weiter. Spannfaust 11 wird dabei nach außen gedrückt, sodass sich Bremssattel 2 aufweitet. Diese Verformung von Bremssattel 2 wird mit einer beispielsgemäßem Messeinrichtung erfasst. Die von der Messeinrichtung erfasste Verformung gilt als ein Maß für die wirkende Spannkraft FSP.
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Beispielsgemäß umfasst die Messeinrichtung einen Wellenleiter 13, eine Sende- und Empfangseinheit 14 und eine Signalverarbeitungseinheit 15. Wellenleiter 13 ist am oder in Bremssattel 2 angeordnet. In Wellenleiter 13 wird von Sende- und Empfangseinheit 14 eine elektromagnetische Welle 16 erzeugt. Wellenleiter 13 hat im unbetätigten Zustand von Radbremse 1 eine vorbestimmte Länge L. Länge L des Wellenleiters 13 ist allerdings bei einer Betätigung von Radbremse 1 veränderlich. Beispielsgemäß hat Wellenleiter 13 im Normalzustand eine Länge L von 50 mm. Bei einer maximal wirkenden Spannkraft FSP verändert sich diese Länge L maximal um 1 mm.
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Wellenleiter 13 ist beispielsgemäß als ein Hohlraum oder als ein Streifenleiter ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel ist Wellenleiter 13 als ein Hohlraum in Bremssattel 2 eingebracht. Im Querschnitt ist der Hohlraum rechteckig, kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Als Streifenleiter ist Wellenleiter 13 in eine Bohrung eingesetzt und fest mit dieser verbunden. Die Bohrung ist dabei in Bremssattel 2 eingebracht. Wellenleiter 13 ist vorzugsweise in einer Brücke 12 von Bremssattel 2 eingebracht. Wellenleiter 13 erstreckt sich vorzugweise quer über Bremsscheibe 3.
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Sende- und Empfangseinheit 14 ist dazu eingerichtet elektromagnetische Wellen im Mikrowellenspektrum von 1 bis 300 GHz auszusenden und zu empfangen. Sie führt in das Innere des als Hohlraum ausgeführten Wellenleiter 13 oder mit dem Streifenleiter direkt verbunden. Sende- und Empfangseinheit 14 ist von einem Rand des als Hohlraums ausgebildeten Wellenleiters 13 beabstandet angeordnet, aber auch nicht in der Mitte.
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Mit Sende- und Empfangseinheit 14 wird eine elektromagnetische Welle 16 in Wellenleiter 13 ausgesandt, welche eine auf die Länge L von Wellenleiter 13 abgestimmte Frequenz hat. Die Welle hat also eine Eigenfrequenz deren Wellenlänge auf die Länge L des Wellenleiters 13 abgestimmt ist. Im vorliegenden Beispiel hat Welle 16 einen Schwingungsbauch in der Mitte und je einen Schwingungsknoten an den Rändern des Wellenleiters 13. Somit entspricht die Länge L des Wellenleiters 13 der halben Wellenlänge von Welle 16. Eine solch ausgebildete stehende elektromagnetische Welle ist nur bei bestimmten von der Länge L des Wellenleiters 13 abhängigen Frequenzen möglich. Die stehende elektromagnetische Welle 16 wird als solche von Sende- und Empfangseinheit 14 erfasst.
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Verformt sich Bremssattel 2 aufgrund einer Betätigung von Radbremse 1 verändert sich die Länge L von Wellenleiter 13. Aufgrund der vorab eingestellten Frequenz, ist in Wellenleiter 13 keine stehende Welle mehr ausgebildet. Diese Veränderung oder Verschiebung der Welle wird von der Sende- und Empfangseinheit 14 erfasst.
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Zur Auswertung und Einstellung der Welle ist Sende- und Empfangseinheit 14 mit Signalverarbeitungseinheit 15 elektrisch verbunden. Mit Signalverarbeitungseinheit 15 wird nämlich die veränderte Länge L des Wellenleiters 13 ermittelt. Wenn keine stehende Welle mehr in dem Wellenleiter 13 ausgebildet ist, wird mit Signalverarbeitungseinheit 15 die Sende- und Empfangseinheit 14 derart betrieben, dass sich wieder eine stehende Welle 16 in dem veränderten Wellenleiter 13 ausbildet. D.h. es wird eine neue auf die veränderte Länge L des Wellenleiters 13 eingestellte Welle 18 mit einer anderen Eigenfrequenz (bspw. 3 GHz) erzeugt. Dabei kann die Frequenzveränderung mit einem Auflösungsschritt von 120 kHz erfolgen. Aufgrund der bekannten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit c (ca. 3*1011 mm/s) kann bei bekannter Frequenz folglich die veränderte Länge L des Wellenleiters 13 bestimmt werden. Dabei liegt die Messauflösung bei 0,002 mm. Dadurch, dass die veränderte Abweichung der Länge L des Wellenleiters 13 aus dem Ruhezustand von Radbremse 1 in den Betriebszustand ein Maß für die Spannkraft FSP darstellt, führt die beschriebene Messung mit Hilfe einer stehenden Welle 18 im Wellenleiter 13 zu einer hochaufgelösten Spannkraft FSP.
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Des Weiteren ist ein Temperatursensor 17 vorgesehen, welcher einen Bauteiltemperaturwert von Bremssattel 2 misst. Dieser Temperaturwert wird an Signalverarbeitungseinheit 15 übermittelt. Die Bauteiltemperatur von Bremssattel 2 wird zur Kompensation einer temperaturbedingten Materialausdehnung des Bremssattels 2 verwendet, um eine noch genauere Spannkraft FSP zu bestimmen. Denn durch die unterschiedliche Materialausdehnung des Bremssattels 2 bei verschiedenen Temperaturen ändert sich die Länge L von Wellenleiter 13 entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radbremse
- 2
- Bremssattel
- 3
- Bremsscheibe
- 4
- erster Bremsbelag
- 5
- zweiter Bremsbelag
- 6
- erster Belaghalter
- 7
- zweiter Belaghalter
- 8
- Druckplatte
- 9
- Kolben
- 10
- Aktuator
- 11
- Spannfaust
- 12
- Brücke
- 13
- Wellenleiter
- 14
- Sende- und Empfangseinheit
- 15
- Signalverarbeitungseinheit
- 16
- Elektromagnetische Welle
- 17
- Temperatorsensor
- FSP
- Spannkraft
- L
- Länge des Wellenleiters
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19653427 A1 [0005]
- DE 102006029978 B3 [0006]
- DE 102006026223 A1 [0007]
- DE 10328242 A1 [0008]
- DE 102008042298 A1 [0009]
