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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Bremse und
insbesondere die Funktionssteuerung einer elektromechanischen Bremse.
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Elektromechanische
Bremsen befinden sich derzeit in der Entwicklung. Bei einer elektromechanischen
Bremse wird zur Erzeugung der Bremswirkung anstelle eines herkömmlichen
hydraulischen Bremssattels ein Bremssattel verwendet, bei dem die Klemmkraft
auf elektromechanischem Weg erzeugt wird. Der elektromechanische
Bremssattel besteht aus einem Motor und einem Getriebemechanismus, der
das Drehmoment des Motors in eine Kraft und eine Bewegung der Bremsklötze umwandelt.
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Bei
den hydraulischen Bremssätteln
sind die Bremsklötze
auf natürliche
Weise von der Bremsscheibe beabstandet (aufgrund der mechanischen Konstruktion
der Kolbendichtung), wenn der Druck auf Null verringert wird, d.
h. wenn das Bremspedal freigegeben wird. Diese Bewegung gewährleistet
ein geringes Restbremsmoment. Je größer der Abstand zwischen der
Bremsscheibe und den -klötzen
ist, desto geringer ist das restliche Bremsmoment. Dies verringert
jedoch die Reaktionszeit der Bremse, wenn diese betätigt wird,
denn der Kolben muss eine größere Wegstrecke
zurücklegen,
um einen Druck aufzubauen und, noch wichtiger, es wird dadurch die von
dem Fahrer gespürte
Pedalwirkung verringert (der Fahrer muss das Bremspedal weiter eintreten, damit
der Bremsdruck erzeugt wird.
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Bei
elektromechanischen Bremsen stellt sich das Problem, dass es aufgrund
der Trägheit
und der Reibungen, die in einer elektromechanischen Bremse existieren,
schwierig ist, den Kolben auf natürliche Weise zurückzustellen.
Gegenwärtige
konzeptionelle Erfordernisse verlangen, dass der Kolben auf kontrollierte
Weise zurückgestellt
wird. Idealerweise muss der Kolben immer bis zu einer festen Position bezüglich der
Scheibe zurückgezogen
sein. Dabei beeinflusst ein zu weites Zurückziehen des Kolbens nach hinten
die Antwortzeit nachteilig, jedoch wird die Pedalempfindung nicht
beeinflusst, da der elektromechanische Bremssattel und das Bremspedal
bei einer elektromechanischen Bremse mechanisch entkoppelt sind.
So bleibt nur noch übrig,
dass es, wie bei einer hydraulischen Bremse auch, wünschenswert
ist, bei einer elektromechanischen Bremse die Antwortzeit so gering
wie möglich
zu halten, während gleichzeitig
das restliche Bremsmoment in der Ruhestellung der Bremse ebenfalls
so gering wie möglich sein
soll.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen.
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Zu
diesem Zweck stellt die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines
elektromechanischen Bremssattels in einem Scheibenbremsensystem
eines Fahrzeugs bereit, welcher zwei Bremsklötze, die auf beiden Seiten
einer Bremsscheibe angeordnet sind, welche mit einem Rad des Fahrzeugs
verbunden ist, einen elektrischen Drehmotor, einen Winkelpositionssensor,
der einen momentanen Drehwinkel des Elektromotors messen kann, einen
Mechanismus zur Geschwindigkeitsverringerung und zur Umwandlung
der funktionell einerseits mit dem Elektromotor und andererseits
mit einem Kolben, der einen der beiden Bremsklötze trägt, verbunden ist, wobei der
Mechanismus so ausgelegt ist, dass die Drehbewegung des Elektromotors
in eine Translationsbewegung des Kolbens und des mit diesem verbundenen Bremsklotzes,
je nach Drehrichtung des Elektromotors, in Richtung der Bremsscheibe
oder von dieser weg umgewandelt wird, und Kraftaufnehmermittel aufweist,
die in der Lage sind, wenigstens einen Wert der von dem elektromechanischen
Bremssattel auf die Bremsklötze
ausgeübten
Kraft zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte
umfasst, bestehend aus:
- a) Bestimmen einer
Kontaktposition Bremsklötze/Bremsscheibe;
- b) in jeder Phase des Lösens
der Bremsscheibe:
b1) Steuern des Elektromotors so, dass der
Kolben von der Bremsscheibe weg bis in eine erste Zielposition zurückgestellt
wird, die von der in Schritt a) bestimmten Kontaktposition um eine erste
vorgegebene Größe derart
beabstandet ist, dass der elektromechanische Bremssattel praktisch
keine Klemmkraft auf die Bremsklötze
ausübt;
b2)
anschließendes
Steuern des Elektromotors so, dass der Kolben ausgehend von der
ersten Zielposition in Richtung Bremsscheibe bis zu einer zweien
Zielposition vorgestellt wird, die von der im Schritt a) bestimmten
Kontaktposition um eine zweite vorgegebene Größe beabstandet ist, welche
kleiner als die erste vorgegebene Größe ist, wobei die zweite Zielposition
eine Warteposition für
einen anschließenden
Klemm-/Freigabezyklus der Bremsscheibe darstellt, wobei die zweite
vorgegebene Größe so gewählt ist,
dass man am Ende der laufenden Freigabephase ein minimales Restbremsmoment
und für
den anschließenden
Klemm-/Freigabezyklus eine minimale Antwortzeit der Scheibenbremse
erhält.
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Gemäß der Konzeption
des Bremssattels können
verschiedene Informationen der Sensoren verwendet werden, um den
Kolben in seine Ruhestellung zurückzustellen.
Die Sensoren können
einen Klemmkraftsensor umfassen, einen Positionssensor des Motors
(oder der Position der Bremsklötze),
einen Stromsensor des Motors, Kontaktschalter usw.
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Zur
Durchführung
der vorliegenden Erfindung sind zwei Sensoren notwendig:
- – ein
Positionssensor des Motors in Form eines (relativen oder absoluten)
Drehwinkelsensors, der den momentanen Drehwinkel des Motors bestimmen
kann;
- – einen
Kraftaufnehmer, der die momentane vom Bremssattel ausgeübte Klemmkraft
messen kann und ein für
die momentane Klemmkraft charakteristisches elektrisches Signal
liefert, oder einen Schalter, der bei einer bestimmten vorgegebenen Klemmkraft
schalten (d. h. seinen Zustand wechseln) kann, beispielsweise durch
Detektionsmittel, die wenigstens einen Wert der Klemmkraft detektieren
können.
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Die
Winkelposition des Motors kann verwendet werden, um die Bewegung
und die Position der Bremsklötze
zu bestimmen, da die Winkelposition des Rotors und die Position
der Bremsklötze
direkt miteinander durch den Mechanismus zur Umwandlung und Umsetzung
miteinander verbunden sind. Die momentane Klemmkraft (oder die bestimmte
vorgegebene Klemmkraft) kann herangezogen werden, um festzustellen,
ob sich die Bremsklötze
in Kontakt mit der Bremsscheibe befinden oder nicht.
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Folglich
kann die Bestimmung der Kontaktposition Bremsklötze/-scheibe mittels Ausgangssignalen
durchgeführt
werden, die von dem Winkelpositionssensor und dem Kraftaufnehmermitteln
geliefert werden.
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Bevorzugt
wird die Kontaktposition als der Wert des gemessenen momentanen
Drehwinkels bestimmt, der von dem Winkelpositionssensor geliefert wird,
wenn die von den Aufnehmermitteln detektierte Klemmkraft einen vorgegebenen
Wert erreicht.
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Bevorzugt
ist die erste vorgegebene Größe die Summe
eines ersten Werts des Drehwinkels, den man durch Extrapolation
der charakteristischen Klemmkraft/Winkelpositions-Kennlinie des
Motors des elektromechanischen Bremssattels erhält und der eine im wesentlichen
verschwindende Klemmkraft liefert, und eines zweiten Werts des Drehwinkels,
der, hinzugefügt
zum ersten Wert des Drehwinkels, in sicherer Weise eine verschwindende
Klemmkraft liefert.
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Vorzugsweise
ist die zweite vorgegebene Größe die Summe
des ersten Werts des Drehwinkels und eines dritten Werts des Drehwinkels,
der kleiner als der zweite Wert des Drehwinkels ist und so gewählt wird,
dass man ein Restbremsmoment erhält, dessen
Wert in einem Bereich liegt, der einem Bogen der Restmoment/Kolbenspiel-Kurve
des elektromechanischen Bremssattels entspricht.
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Vorzugsweise
wird der Schritt a) in jeder Phase des Lösens der Scheibenbremse durchgeführt.
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Vorzugsweise
wird der Schritt b) in einer Zeit durchgeführt, die kürzer als eine minimale Zeit
zwischen dem Loslassen des Bremspedals und dem darauffolgenden Drücken des
Bremspedals ist. Beispielsweise ist die Zeit t kleiner als 0,5 Sekunden.
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Vorzugsweise
hält man
den Elektromotor nach dem Schritt b1) und vor dem Schritt b2) während eines
Zeitraums t', der
ausreicht, um eine Aktualisierung der Funktionsparameter des Bremssystems
zu ermöglichen,
in einer ersten Zielposition. Beispielsweise beträgt der Zeitraum
t' etwa 300 ms.
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Gegenstand
der Erfindung ist außerdem
ein Scheibenbremssystem für
ein Fahrzeug, mit einer Bremsscheibe, einem elektromechanischen
Bremssattel und einem Rechner, der programmiert ist, die Funktion
des elektromechanischen Bremssattels zu kontrollieren und zu steuern,
wobei letzterer zwei Bremsklötze,
die jeweils auf beiden Seiten der mit einem Rad des Fahrzeugs verbundenen
Bremsscheibe angeordnet sind, einen elektrischen Drehmotor, einen
Winkelpositionssensor, der einen momentanen Drehwinkel des Elektromotors
messen kann, einen Mechanismus zur Geschwindigkeitsreduktion und Umwandlung,
der funktionell einerseits mit dem Elektromotor und andererseits
mit einem Kolben, der einen der beiden Bremsklötze trägt, verbunden ist, wobei der
Mechanismus so ausgelegt ist, dass die Drehbewegung des Elektromotors
in eine Translationsbewegung des Kolbens und des mit ihm verbundenen Bremsklotzes,
je nach Drehrichtung des Elektromotors, in Richtung der Bremsscheibe
oder von ihr weg umgewandelt wird, und Kraftaufnehmermitteln, die
in der Lage sind, wenigstens einen Wert der von dem elektromechanischen
Bremssattel auf die Bremsklötze
ausgeübten
Klemmkraft zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der programmierte
Rechner umfasst:
- a) Mittel zur Bestimmung der
Kontaktposition Bremsklötze/Bremsscheibe;
und
- b) Mittel zur derartigen Steuerung des Elektromotors, dass der
Kolben von der Bremsscheibe weg bis in eine erste Zielposition zurückgestellt
wird, die von der Kontaktposition um eine erste vorgegebene Größe derart
beanstandet ist, dass der elektromechanische Bremssattel praktisch
keine Klemmkraft auf die Bremsklötze
ausübt,
und zur anschließenden
derartigen Steuerung des Elektromotors, dass der Kolben ausgehend
von der ersten Zielposition in Richtung Bremsscheibe bis zu einer
zweiten Zielposition vorgestellt wird, die von der Kontaktposition
um eine zweite vorgegebene Größe beabstandet
ist, welche kleiner als die erste vorgegebene Größe ist, wobei die zweite Zielposition
eine Warteposition für
einen anschließenden
Klemm-/Freigabezyklus der Scheibenbremse darstellt, wobei die zweite
vorgegebene Größe so gewählt ist,
dass man am Ende der laufenden Freigabephase ein minimales Restbremsmoment
und für
den anschließenden Klemm-/Freigabezyklus
eine minimale Antwortzeit der Scheibenbremse erhält.
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Die
Erfindung wird im Laufe der folgenden Beschreibung einer speziellen
Ausführungsform
der Erfindung, die rein illustrativ und nicht einschränkend unter
Bezugnahme auf beigefügte
Zeichnungen erfolgt, besser verständlich werden und weitere Ziele, Details,
Eigenschaften und Vorteile von ihr werden klarer hervortreten, wobei
in den Zeichnungen:
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1 eine
allgemeine schematische Darstellung eines Bremssystems mit elektromechanischen
Bremssätteln
ist, in welchen die vorliegende Erfindung umgesetzt wird;
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2 eine
Schnittansicht eines bekannten elektromechanischen Bremssattels
ist, welcher in dem Bremssystem der 1 verwendet
werden kann;
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3 ein
Schaubild ist, anhand welchem die Funktion des elektromechanischen
Bremssattels des erfindungsgemäßen Bremssystems
erläutert
werden kann, wobei das Schaubild ein Zeitdiagramm zeigt, welches
die Entwicklung der momentanen Winkelposition des Rotors des Motors
und die entsprechende Entwicklung der Klemmkraft im Laufe eines Klemm-/Freigabezyklus
eines Scheibenbremssystems zeigt;
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4 ein
Schaubild ist, welches den Zusammenhang zwischen Klemmkraft und
Winkelposition des Motors des in dem erfindungsgemäßen Bremssystems
verwendeten Bremssattels illustriert;
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5 ein
Schaubild ist, welches den Zusammenhang zwischen Restmoment und
Kolbenspiel des elektromechanischen Bremssattels zeigt;
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6 ein
Schema ist, das einen Algorithmus wiedergibt, der in den erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren
verwendet werden kann.
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Bezug
nehmend auf 1 erkennt man ein Fahrzeug 1 und
sein Bremssystem, welche sehr schematisch dargestellt sind. Das
Fahrzeug 1 weist an jedem seiner Räder 2a–2d einen
elektromechanischen Bremssattel 3a–3d auf. Jeder elektromechanische
Bremssattel 3a–3d wird
von einer Batterie 35 über
jeweilige Versorgungsleitungen, die schematisch durch die Elektroleitungen 36a–36d dargestellt sind,
mit elektrischem Strom versorgt. Die Batterie 35 ist so
ausgelegt, dass sie beispielsweise einen Strom liefern kann, dessen
Spannung bei 42 V liegt, und dessen Stärke zwischen 0 und 14 A variieren
kann. Die Aktivierung jedes elektromechanischen Bremssattels 3a–3d wird
elektronisch durch einen Bremscomputer gesteuert. Die Architektur
einer solchen Elektronik zur Steuerung und Regelung des Bremsens
weist vorzugsweise einen Zentralrechner 40 und ausgelagerte
Rechner 38a–39d auf,
die jeweils in der Nähe
jedes elektromechanischen Bremssattels 3a–3d angeordnet
und über
Verbindungen an den Zentralrechner 40 angeschlossen sind,
beispielsweise über
ein Netz, welches das Protokoll CANBus verwendet und schematisch
durch die Verbindungsleitungen 41a–41d repräsentiert
ist. Der Zentralrechner 40 kann beispielsweise allgemeine Programme
ausführen,
wie die dynamische Stabilitätskontrolle
(ESP), die Antiblockiersteuerung der Räder (ABS) oder ähnliches.
Der Bremscomputer kann jedenfalls mittels unterschiedlicher Sensoren bestimmte
Aktionen des Fahrers des Fahrzeugs 1 detektieren. Ein Sensor 42 ermöglicht die
Detektion der Anwendung der Parkbremse. Ein Detektor 44 erlaubt
es, das Einstecken des Kontaktschlüssels und das Inbetriebnehmen
des Fahrzeugs 1 zu detektieren (oder den umgekehrten Fall).
Ein Detektor 45 erlaubt es, einen von dem Fahrer auf das
Bremspedal ausgeübten
Druck zu detektieren. Der Zentralrechner 40 sendet selektiv
Signale über
die Verbindungsleitungen 41a–41d aus. Diese Signale
entsprechen einer gewünschten
Bremskraft oder einer Ziehklemmkraft. Wenn das Signal beispielsweise über die Verbindung 41a ausgesandt
wird, kann der ausgelagerte Rechner 38a das Signal lesen
und den elektromechanischen Bremssattel 3a so steuern,
dass die letztlich auf das Rad 2a angewendete Bremskraft
der gewünschten
Zielklemmkraft entspricht.
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2 zeigt
einen bekannten elektromechanischen Bremssattel 3, der
in dem Bremssystem des Fahrzeugs 1 der 1 verwendbar
ist. Die linke Seite der 1 entspricht der Seite des elektromechanischen
Bremssattels 3, welche dem Rad gegenüberliegend angeordnet ist.
Wir sprechen hier von der Radseite im Gegensatz zur Karosserieseite.
Die Achse A repräsentiert
die Radachse. Der elektromechanische Bremssattel weist ein Gehäuse 8 auf,
in dessen Innerem ein Elektromotor 10, ein Kugelgewindetrieb 20 und äußere 6 und
innere Bremsklötze 7 auf beiden
Seiten einer mit einem (nicht dargestellten) Rad des Fahrzeugs verbundenen
Bremsscheibe 4 angeordnet sind.
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Das
Gehäuse 8 weist
auf der Radseite eine Kralle 18 auf, die einstückig mit
dem Gehäuse 8 ausgebildet
ist und eine Innenfläche 18a aufweist,
an welcher der äußere Bremsklotz 6 befestigt
ist. Das Gehäuse 8 weist
auf der Karosserieseite eine Schulter 17 auf. Ein auf der
Schulter 17 des Gehäuses 8 angeordnetes
Halteelement 14, welches ein Befestigungsmittel für den Elektromotor 10 aufweist,
ermöglicht
es, den Elektromotor 10 mit dem Gehäuse 8 zu verbinden.
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Der
in einem elektromechanischen Bremssattel verwendete Motor kann ein
beliebiger Gleichstrommotor sein. In 2 ist der
Elektromotor 10 ein Motor mit Permanentmagnet. Der Elektromotor 10 weist
eine Statorspule 11 und einen Rotor 12 auf, der aus
einem Permanentmagneten besteht und um die Achse B rotieren kann,
wenn den Wicklungen des Stators 11 elektrischer Strom zugeführt wird.
Der Elektromotor 10 weist eine mit dem Rotor 12 verbundene
Motorwelle 13 auf. Wenn dieser in Bewegung gesetzt wird, überträgt er seine
Rotationsbewegung auf die Motorwelle 13.
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Um
die Funktion des Elektromoors 10 mit Permanentmagnet zu
steuern, ist ein Winkelpositionssensor 31 am Ausgang des
Elektromotors 10 auf der Motorwelle 13 angeordnet.
Dieser Sensor kann den momentanen Drehwinkel der Motorwelle 13 und damit
des Rotors 12 gegenüber
dem Stator 11 messen. Der Positionswinkelsensor 31 ist üblicherweise ein
Hall-Effekt-Sensor.
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Am
Ausgang des Elektromotors 10 ist die Motorwelle 13 mit
einem Reduzierkasten 15 gekoppelt, der eine Ausgangswelle 16 aufweist.
Der Reduzierkasten 15 ermöglicht es, ein Verhältnis zwischen der
Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle 13 und der Rotationsgeschwindigkeit
der Austrittswelle 16 von typischerweise 30 zu 1 zu erhalten.
Bei einer Drehung um einen gegebenen Drehwinkel der Motorwelle 13 dreht
sich die Austrittswelle 16 um einen um den Faktor 30 geringeren
Drehwinkel. Umgekehrt ist die Stärke
des zur Verfügung
stehenden Moments auf der Austrittswelle 16 dann 30 mal
stärker
als das von der Motorwelle 13 gelieferte Moment.
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Der
Kugelgewindetrieb 20 ist mit der Austrittswelle 16 gekoppelt.
Dieser Kugelgewindetrieb 20 weist einen Schraubenabschnitt 21,
Kugeln 26 und einen Mutterabschnitt 27 auf. Der
Schraubenabschnitt 21 hat eine hohlzylindrische Form mit
einer Achse B und weist eine Ausnehmung 22 auf, in welcher
der Elektromotor 10 und der Reduzierkasten 15 angeordnet
sind. Der Schraubenabschnitt 21 ist über einen Flansch 23 mit
der Austrittswelle 16 verbunden. Die Drehung der Austrittswelle 16 wird
so auf den Schraubenabschnitt 21 des Kugelgewindetriebs 20 übertragen.
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Die
Außenfläche des
Schraubenabschnitts 21 und die Innenfläche des Mutterabschnitts 27 sind derart
mit einem Gewinde versehen, dass zwischen ihnen ein schraubenförmiger Kanal
definiert wird, der die Kugeln 26 aufnehmen kann. Der Mutterabschnitt 27 wird
mittels (nicht dargestellten) Führungsmitteln derart
in dem Gehäuse 8 geführt, dass
er sich nur parallel zur Achse B verschieben kann. Diese Anordnung
ermöglicht
es dem gegenüber
dem Gehäuse 8 in
eine Drehbewegung versetzten Schraubenabschnitt 21 den
Mutterabschnitt 27 bezüglich
des Gehäuses 8 in
eine Translationsbewegung entlang der Achse B zu versetzen.
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Auf
der Radseite ist der Mutterabschnitt 27 mit einem Kolben 29 verbunden,
der den inneren Bremsklotz 7 trägt.
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Wenn
der Mutterschnitt 27 in eine Translationsbewegung in Richtung
Rad versetzt wird, nähert sich
der innere Bremsklotz 7 dem äußeren Bremsklotz 6 an
und die zwischen den Klötzen 6 und 7 angeordnete
Bremsscheibe 4 wird zusammengedrückt und erfährt eine Klemmkraft. Da die
Scheibe 4 mit dem Rad 2 verbunden ist (1),
erzeugt die Klemmkraft eine Reibung, die folglich die Drehbewegung
des Rades 2 um die Drehachse A verlangsamt und somit das
Fahrzeug abbremst. Die maximale Klemmkraft kann in der Größenordnung
von einer Tonne liegen.
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Damit
man die durch die Bremsklötze 6 und 7 aufgewendete
Klemmkraft bestimmen kann, ist der elektromechanische Bremssattel 3 außerdem mit
einem Aufnehmer für
die Klemmkraft 33 versehen, der zwischen dem Schraubenabschnitt 21 und
dem Halteelement 14 angeordnet ist. Der Aufnehmer für die Klemmkraft 33 kann
beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor sein, der, indem er
sich unter der Einwirkung einer äußeren Last
verformt, ein elektrisches Signal aussendet, das mit der Intensität der Last
korreliert ist.
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In 3 zeigen
die beiden Diagramme die begleitende Entwicklungen der Winkelposition
oder des momentanen Drehwinkels des Motors (Kurve C1) und die resultierenden
momentanen Klemmkraft (Kurve C2) im Laufe eines typischen Klemm-/Freigabezyklus
eines beliebigen der elektromechanischen Bremssättel 3a–3d des
Bremssystems des Fahrzeugs 1 der 1, beispielsweise
des dem Rad 2a des Fahrzeugs 1 zugeordneten Bremssattels 3a.
Im Laufe des Klemm-/Freigabezyklus, bestimmt der Rechner 33a eine
Kontaktposition, d. h. den momentanen Drehwinkel θf0 des Rotors 12 des Elektromotors 10 des
elektromechanischen Bremssattels 3a, der einem Kontakt
zwischen den Bremsklötzen 6 und 7 und
der Bremsscheibe 4 entspricht. Die durch den Rechner 38a bestimmte
Kontaktposition 8ro dient dann als Bezugsposition in der
Freigabephase der Scheibenbremse, um den Elektromotor 10 zu
steuern und den Kolben 29 des elektromechanischen Bremssattels
in die Ruheposition zurückzustellen,
in welcher er den folgenden Klemm-/Freigabezyklus erwartet.
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Wie
in 3 gezeigt, erfolgt die Freigabephase des Klemm-/Freigabezyklus
in zwei Zeitabschnitten. In einem ersten Zeitabschnitt steuert der Rechner 38a den
Elektromotor 10 des elektromechanischen Bremssattels 3a so,
dass der Kolben 29 so schnell wie möglich von der Bremsscheibe 4 bis
zu einer ersten Zielposition zurückgezogen
wird, die einer ersten Ziel-Winkelposition θcible1 des
Rotors des Elektromotors 10 entspricht, die um eine vorgegebene
erste Größe (Δθ0 + Δθ1) von der vorher bestimmten Kontaktposition
oder Bezugsposition θf0 beanstandet ist. Die erste vorgegebene
Größe ist so
gewählt,
dass der elektromechanische Bremssattel 3 in der ersten
Zielposition θcible1 in gesicherter Weise keinerlei Klemmkraft
auf die Bremsklötze 6 und 7 ausübt. Weiter
unten wird detaillierter beschrieben, wie die erste vorgegebene
Größe bestimmt
wird. In einem zweiten Zeitabschnitt steuert der Rechner 38a den
Elektromotor 10 so, dass der Kolben 29 ausgehend
von der ersten Zielposition bis in eine zweite Zielposition vorgestellt
wird, welche einer zweiten Ziel-/Winkelposition θcible2 des
Rotors des Elektromotors entspricht, die um eine zweite vorgegebene
Größe (Δθ0 + Δθ2), die kleiner als die erste vorgegebene Größe ist (Δθ2 < Δθ1), von der Kontaktposition oder Bezugsposition θf0 beabstandet ist. Die zweite Zielposition
ist die Ruheposition oder Warteposition der Scheibenbremse für einen
folgenden Klemm-/Freigabezyklus. Die zweite vordefinierte Größe ist so
gewählt,
dass man in der Ruhestellung der Scheibenbremse am Ende der Freigabephase
ein minimales Restbremsmoment und eine minimale Antwortzeit der
Scheibenbremse für
den folgenden Klemm-/Freigabezyklus erhält. Weiter unten wird detaillierter
beschrieben, wie man die zweite vordefinierte Größe bestimmt.
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Im
Schaubild der 4 ist die Kurve C3 eine typische
Kennlinie des Zusammenhangs Klemmkraft/Winkelposition des Motors
eines elektromechanischen Bremssattels, wie beispielsweise des in
der 2 dargestellten elektromechanischen Bremssattels 3.
Wie man in 4 für die niedrigen Werte der Klemmkraft
erkennt, verläuft
die Kurve C3 nahezu parallel zur Achse der Abscisse. Folglich ist
es sehr schwer, die Winkelposition des Rotors des Motors festzustellen,
bei welcher ein Kontakt zwischen der Bremsscheibe und den Bremsklötzen hergestellt (oder
unterbrochen) wird und die dem Moment entspricht, in welchem die
Klemmkraft beginnt sich zu entwickeln (oder verschwindet). Diese
Schwierigkeit hat mehrere Ursachen, insbesondere die Tatsache, dass
die Bremssättel üblicherweise
in einer zu der Achse A (2) parallelen Richtung bezüglich der Bremsscheibe 4 schwimmend
montiert sind. Daraus ergibt sich, dass im Betrieb falsche Kontakte
zwischen den Bremsklötzen 6 und 7 und
der Bremsscheibe 4 auftreten können, wobei einer der beiden Bremsklötze am Beginn
der Klemmphase eines Klemm-/Freigabezyklus der Scheibenbremse vor dem
anderen Bremsklotz mit der Scheibe 4 in Kontakt kommen
kann.
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Die
Kontakt- oder Bezugsposition wird folglich nicht als die Position
bestimmt, die einem Wert 0 der Klemmkraft entspricht, sondern vorzugsweise
als derjenige Wert, der dem gemessenen momentanen Drehwinkel θf0 entspricht, welcher von dem Winkelpositionssensor 31 geliefert
wird, wenn die durch den Kraftaufnehmer 33 gemessene Klemmkraft
einen vorgegebenen geringen, aber von Null verschiedenen Wert F0 annimmt, beispielsweise 60 daN. In 4,
wie auch in 3, wurde der F0 repräsentierende
Wert aus Gründen
der Klarheit der Figuren absichtlich übertrieben groß dargestellt.
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Wenn
man so die Kontaktposition oder Bezugsposition θf0 bestimmt
hat, kann man durch Extrapolation der Kennlinie C3 des elektromechanischen Bremssattels
einen ersten Wert des Drehwinkels Δθ0 bestimmen,
welcher eine Klemmkraft liefert, die im wesentlichen Null entspricht,
und einen zweiten Wert des Drehwinkels Δθ1,
der, addiert zum ersten Wert Δθ0, in gesicherter Weise eine Klemmkraft um
Null liefert. Die beiden Werte Δθ0 und Δθ1, sind feste, parametrisierbare Werte, die
beispielsweise in einem Speicher des mit dem elektromechanischen
Bremssattels 3a verbundenen Rechners 38a gespeichert werden
und die es dem Rechner 38a folglich ermöglichen, in jedem Klemm-/Freigabezyklus
der entsprechenden Scheibenbremse ausgehend von der Bezugsposition Δθ0 die erste Zielposition θcible1 zu
bestimmen. Diese Bezugsposition θf0 ist auch wiederum in dem Speicher des
Rechners 38a gespeichert, aber sie wird vorzugsweise, wie
weiter unten dargestellt, aktualisiert, denn sie hängt vom
Grad der Abnutzung der Bremsklötze 6 und 7 ab.
Die Bestimmung und die Aktualisierung von Δθ0 kann
beispielsweise jedesmal dann durchgeführt werden, wenn der Motor
des Fahrzeugs gestartet wird (im Rahmen eines bei dieser Gelegenheit
durchgeführten
Bremsfunktionstests) oder, wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, nach
jeweils n Klemm-/Freigabezyklen (wobei n eine vorgegebene ganze
Zahl ist) oder vorzugsweise bei jedem Klemm-/Freigabezyklus der
Scheibenbremsen des Fahrzeugs. Vorzugsweise werden die Bestimmung und
Aktualisierung der Referenzposition θf0 während der
Freigabephase (fallender Abschnitt der Kurven C1 und C2 in 3)
jedes Klemm-/Freigabezyklus der
Scheibenbremsen des Fahrzeugs durchgeführt, denn so ist es möglich, die
Abnutzung der Bremsklötze
zu berücksichtigen,
die während
des laufenden Klemm-/Freigabezyklus
aufgetreten ist, um die Zielpositionen θcible1 Und θcible2 der laufenden Freigabephase zu berechnen.
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Im
Folgenden wird dargestellt, wie der oben erwähnte dritte Wert des Drehwinkels Δθ2 bestimmt wird. In dem Schaubild der 5 ist
dabei die Kurve C4 eine Kennlinie, die den Zusammenhang von Restbremsmoment/Kolbenspiel
des elektromechanischen Bremssattels, wie beispielsweise des Bremssattels 3 der 2 darstellt.
Wie weiter oben dargestellt, ist es wünschenswert, dass das Kolbenspiel (das
gesamte Spiel der beiden Bremsklötze
bezüglich
der Bremsscheibe) in der Ruheposition oder Warteposition des Bremssattels,
d. h. in der der zweiten Position θcible2 entsprechenden
Position so ist, dass einerseits das Restbremsmoment so gering wie möglich und
andererseits die Antwortzeit der Bremse ebenfalls so gering wie
möglich
sind. Nun ist anhand der Kennlinie C4 der 5 ersichtlich,
dass, wenn das Kolbenspiel sehr gering ist, beispielsweise weniger
als 0,1 mm beträgt,
die Antwortzeit der Bremse sehr kurz ist, jedoch führt eine
geringere Variation des Kolbenspiels zu einer starken Variation
des Restbremsmoments. Unter diesen Bedingungen kann, da das Spiel
oder die Verschiebung des Kolbens proportional zum Drehwinkel des
Rotors des Motors ist, jeder Fehler bei der Winkelposition des Rotors
des Motors zu einer starken Veränderung
des Restbremsmoments führen.
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Wenn
andererseits das Kolbenspiel in der zweiten Zielposition relativ
groß ist,
beispielsweise mehr als 0,2 mm, führt eine relativ große Veränderung
des Kolbenspiels und folglich ein Fehler bei der Winkelposition
des Rotors des Motors in der zweiten Zielposition nur zu einer geringen
Veränderung
des Restbremsmoments, aber die Antwortzeit der Bremse ist um so
länger,
je größer das
Kolbenspiel ist. Ein guter Kompromiss besteht darin, den dritten
Wert des Drehwinkels Δθ2 so zu wählen,
dass in der zweiten Zielposition ein Restbremsmoment resultiert,
dessen Wert in einem Bereich liegt, der dem Bogen der Kennlinie
Restmoment/Kolbenspiel des elektromechanischen Bremssattels entspricht.
In dem in 5 dargestellten Beispiel eines
vorgegebenen elektromechanischen Bremssattels, entspricht der Bogen der
Kennlinie C4 einem Kolbenspiel, dessen Wert in einem Bereich von
ungefähr
0,1 bis 0,2 mm liegt, wobei dieser Bereich selbst wiederum einem
Wertebereich des Restmoments entspricht, der zwischen 0,5 und 0,1
Nm liegt.
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So
ist es für
einen gegebenen Bremssattel durch Verwendung eines Prüfstandes
zur Bestimmung der der Bezugsposition θf0 und
des ersten Drehwinkelwerts Δθ0 in der oben beschriebenen Weise möglich, einen
Wert der Winkelposition des Rotors des Motors zu erhalten, welcher
(θf0 – Δθ0) entspricht. Dann ist es durch Bestimmung
der Winkelposition des Rotors des Motors, welche ein Restbremsmoment
liefert, dessen Wert in dem Bereich liegt, welcher den Bogen der
Kennlinie Restmoment/Kolbenspiel entspricht, beispielsweise einem
Wert von 0,25 Nm, auf demselben Prüfstand möglich, als Differenz zu der
vorher bestimmten Winkelposition den dritten Wert des Drehwinkels Δθ2 zu erhalten und diesem dritten Wert in
den Speicher des dem elektromechanischen Bremssattel zugeordnetem
Rechners abzuspeichern.
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Erneut
Bezug nehmend auf 3, ist durch t die Gesamtzeitdauer
dargestellt, um den Elektromotor von der Bezugswinkelposition θf0 in die zweite Zielposition θcible2 zu überführen. Diese Zeitdauer t ist kleiner
als eine Minimalzeit, die dem kürzestmöglichen
Zeitraum zwischen dem Moment, in welchem der Fahrer das Bremspedal
freigibt und dem Moment, in welchem der Fahrer das Bremspedal erneut drückt, entspricht.
Vorzugsweise ist die Zeitdauer t kleiner als 0,5 Sekunden. In 3 ist
ebenfalls die Zeitdauer t' dargestellt,
während
welcher der Rotor des Motors in der ersten Zielposition θcible1 gehalten wird. Die Zeitdauer t' reicht aus, damit
eine Aktualisierung der Betriebsparameter des Bremssystems ermöglicht wird
und hat beispielsweise einen Wert von 300 ms.
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Wenn
man als Kraftdetektor 33 einen Sensor verwendet, wie beispielsweise
einen Hall-Effekt-Sensor
oder einen anderen, gegebenenfalls mit einem Operationsverstärker verbundenen
Sensor, ist es häufig
der Fall, dass der Sensor eine von Null verschiedenen Ausgangsspannung
selbst dann liefert, wenn der Sensor keinerlei Kraft unterliegt.
Dies bezeichnet der Fachmann als Versatzspannung oder "offset". Diese Versatzspannung
verfälscht
die Messung der Klemmkraft.
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Da
die Bezugsposition θf0 als der Wert der momentanen Drehwinkelposition
des Rotors des Motors bestimmt wird, bei der die Klemmkraft einen
vorgegebenen Wert F0 annimmt, ist leicht
ersichtlich, dass die oben erwähnte
Versatzspannung ebenso die Bestimmung der Bezugsposition θf0 verfälschen kann.
Es ist daher sinnvoll, die Ausgangsspannung des Kraftaufnehmers
dadurch zu korrigieren, dass man davon die Versatzspannung abzieht,
damit man den korrekten Wert der Klemmkraft erhält. Die oben erwähnte Versatzspannung
kann im Laufe der Zeit aufgrund der Umgebungsbedingungen oder aufgrund
des Alterns des Kraftaufnehmers variieren. Die Zeitdauer t', während welcher
der Rotor des Elektromotors des elektromechanischen Bremssattels
in der ersten Zielposition θcible1 gehalten wird und während welcher
der elektromechanische Bremssattel keinerlei Klemmkraft auf die
Klötze 6 und 7 ausübt, kann genutzt
werden, um die Versatzspannung zu messen und abzuspeichern, damit
so eine dynamische Korrektur der Versatzspannung ermöglicht wird
und folglich eine geeignete Korrektur der Messung der Klemmkraft
immer dann, wenn diese notwendig ist, insbesondere bei der Bestimmung
der Bezugsposition θf0.
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Bezug
nehmend auf 6 erkennt man ein Ablaufdiagramm,
welches einen Algorithmus repräsentiert,
der in dem erfindungsgemäßen Bremssystem
einsetzbar ist, um in jedem Klemm-/Freigabezyklus den Rotor des
Elektromotors des elektromechanischen Bremssattels in eine Ruheposition
oder Warteposition auf einen neuen Klemm-/Freigabezyklus zurückzusetzen.
In dem Schritt S1 führt
das in dem Speicher des mit dem elektromechanischen Bremssattel
assoziiierten Rechners, beispielsweise dem mit dem elektromechanischen
Bremssattel 3a assoziierten Rechner 38a der 1,
einen ersten Test (Test 1) durch, um zu verifizieren, ob von dem
Zentralrechner 40 eine Klemmanforderung ausgesendet wurde,
beispielsweise als Antwort auf ein Hinabdrücken des Bremspedals durch
den Fahrer oder als Antwort auf eine von dem Antiblockiersystem
der Räder
(ABS) oder von dem dynamischen Stabilitätsüberwachungssystem (ESP) des
Fahrzeugs ausgesandte Anforderung.
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Im
Fall eines Erfolgs des ersten Tests geht das Programm dann in den
Schritt S2 über,
in dessen Verlauf das Programm einen zweiten Test (Test 2) durchführt, der
darin besteht, zu überprüfen, ob
die Bedingungen erfüllt
sind, um die Berechnung der Kontaktposition zu autorisieren, insbesondere,
ob die Klemmkraft gegenwärtig
einen von Null verschiedenen Wert besitzt und, im Fall, wo die Bestimmung
der Bezugsposition θf0 im Verlauf der Freigabephase der Bremse
durchgeführt
werden muss, ob man sich tatsächlich
in einer Freigabephase (abnehmende Klemmspannung) befindet. Wenn
diese Bedingungen nicht verifiziert werden, kehrt das Programm in den
Schritt S1 zurück
und die ersten und zweiten Tests werden, wie durch die Schleife
B1 dargestellt, so oft wie nötig
wiederholt, bis die oben erwähnten Bedingungen
verifiziert werden.
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Anschließend geht
das Programm in den Schritt S3 über,
in dessen Verlauf verifiziert wird, ob die Klemmkraft F einem vorgegebenen
Wert F0, beispielsweise 60 daN, entspricht.
Wenn diese Bedingung nicht verifiziert wird, kehrt das Programm
in den Schritt S1 zurück
und die oben erwähnten
Verifikationen werden, wie durch die Schleife B2 dargestellt, so oft
wie nötig
wiederholt.
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Wenn
F = F0, geht das Programm anschließend in
den Schritt S4 über,
in dessen Verlauf die Bezugsposition θf0 bestimmt
wird, d. h. die momentane Winkelposition des Rotors des Motors,
die von dem Winkelsensor 31 in dem Moment geliefert wird,
in welchem der Kraftaufnehmer 33 anzeigt, dass die Klemmkraft
gleich F0 ist. Im Verlauf desselben Schritts
S4 berechnet der Rechner 38a die Zielpositionen θcible1 und θcible2 auf
der Grundlage der soeben bestimmten Bezugsposition θf0 und der abgespeicherten Werte Δθ0, Δθ1 und Δθ2. Die so berechneten Werte der Zielposition θcible1 und θcible2 werden
im Speicher des Rechners 38a abgespeichert (im Fall, dass
der Speicher des Rechners bereis Werte der Zielpositionen enthält, werden
die Werte der neuen Zielpositionen θcible1 und θcible2 in dem Speicher aktualisiert).
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Wie
durch die Schleife B3 dargestellt kehrt das Programm anschließend zum
Schritt S1 zurück, in
dessen Verlauf der Rechner 38a den Test 1 solange erneut
durchführt,
wie die von dem Zentralrechner 40 ausgesandte Klemmanforderung
vorhanden ist. Wenn die Klemmanforderung aufhört, geht das Programm in den
Schritt S5 über,
in welchem der Rechner 38a als Werte der ersten und der
zweiten Zielpositionen die Werte θcible1 und θcible2 annimmt, die im Verlauf des Schritts
S4 berechnet und an letzter Stelle in dem Speicher des Rechners 38a abgespeichert wurden.
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Anschließend geht
das Programm in den Schritt S6 über,
in dessen Verlauf der Rechner 38a den Motor 10 des
elektromechanischen Bremssattels so steuert, dass sein Rotor in
der Zielposition θcible1 positioniert wird.
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Anschließend geht
das Programm in den Schritt S7 über,
in dessen Verlauf der Rechner 38a die Versatzspannung des
Kraftaufnehmers 33 misst und die dynamische Korrektur dieser
Versatzspannung durchführt.
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Anschließend geht
das Programm in den Schritt S8 über,
in dessen Verlauf der Rechner 38a den Motor 10 des
elektromechanischen Bremssattels so steuert, dass dessen Rotor in
der zweiten Zielposition θcible2 positioniert wird.
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Anschließend kehrt
das Programm, wie durch die Schleife B4 dargestellt, in den Schritt
S1 zurück,
wo es auf eine neue Anforderung zum Klemmen der Bremse wartet.
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Selbstverständlich stellt
die oben beschriebene Ausführungsform
ein rein exemplarisches und keineswegs einschränkendes Beispiel dar. Der Fachmann
kann zahlreiche Varianten ersinnen, ohne dadurch den durch die Erfindung
abgesteckten Rahmen zu verlassen. Zur Ausführung der Erfindung ist es
beispielsweise nicht notwendig, dass der Kraftdetektor 33 ein
Kraftaufnehmer ist, der ein quantitatives Maß der Klemmkraft liefert. Anstelle
eines Kraftaufnehmers kann man ebenso gut einen Alles-oder-nichts-Schalter
verwenden, der so ausgelegt ist, dass seine Kontakte schließen (oder öffnen), wenn
der Schalter einer vorgegebenen Klemmkraft F0 ausgesetzt
ist, oder jegliche andere Vorrichtung zur Detektion einer Kraft
oder eines entsprechenden Kontaktes, welche ein Kontaktsignal liefern
kann, wenn ein richtiger Kontakt zwischen der Scheibe 4 und
den Bremsklötzen 6 und 7 hergestellt
(oder unterbrochen) wird. In diesem Fall weist der Kraft- oder Kontaktdetektor
keine Versatzspannung auf und der Schritt zur Aktualisierung und
dynamischen Korrektur der Versatzspannung kann weggelassen werden,
so dass die Zeitdauer t',
während
welcher der Rotor des Elektromotors in der ersten Zielposition θcible1 gehalten wird, wesentlich verkürzt werden
kann.
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Wenn
man außerdem,
wie im letzten Fall, keine Versatzspannung messen muss (oder auch
im Fall eines vereinfachten Systems, bei dem die Versatzspannung
nicht gemessen und aktualisiert wird), ist es nicht absolut erforderlich,
dass die erste Zielposition θcible1 so gewählt wird, dass der Sattel ganz
bestimmt keinerlei Klemmkraft auf die Bremsklötze 6 und 7 ausübt. Anders
gesagt kann der zweite Wert des Winkels Δθ1 nur
geringfügig
größer als
der dritte Wert des Winkels Δθ2 sein.