ES2892823T3 - Método y dispositivo para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido en un elemento de freno, en particular en una pastilla de freno - Google Patents

Abstract

Un método para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido en un elemento de freno como, por ejemplo, una pastilla de freno, que comprende un bloque de material de fricción (14) y un elemento de soporte metálico (11) para el bloque de material de fricción, el bloque de material de fricción (14) se mantiene rígido mediante el elemento de soporte metálico (11), el método se caracteriza por comprender las etapas de: i) proporcionar al menos un sensor piezocerámico (15) entre el bloque de material de fricción (14) y el elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno, estando el al menos un sensor piezocerámico (15) conectado a un circuito eléctrico (18) y estando dispuesto entre el bloque de material de fricción (14) y el elemento de soporte metálico (11), completamente embebido dentro del bloque de material de fricción (14) y soportado directamente de manera rígida por el elemento de soporte metálico (11); ii) con el elemento de freno (1) en uso, recoger procedente de dicho al menos un sensor piezocerámico, por medio de dicho circuito, una respectiva señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por el sensor como respuesta a la aplicación de un esfuerzo mecánico sobre el sensor (15); iii) procesar en tiempo real la señal de tensión eléctrica (ST) tomando muestras de igual duración de dicha señal; iv) procesar en tiempo real cada una de dichas muestras de igual duración de dicha señal (ST) aplicando un algoritmo que se selecciona del grupo formado por: la secuencia de integraciones (C1; C2) de los valores de tensión presentes en la muestra de dicha señal (ST), siendo cada integración llevada a cabo en un intervalo de tiempo del orden de los milisegundos; la Transformada Rápida de Fourier (FFT) de las tensiones en la muestra de dicha señal (ST); la integral (G1-G5) de las tensiones en la muestra de dicha señal (ST) que es generada por cada sensor (15).

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido en un elemento de freno, en particular en una pastilla de freno

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método y a un dispositivo para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y más particularmente de la distribución de dicha presión, junto con el ruido presente dentro de un elemento de freno, en particular una pastilla de freno, por medio de la detección directa de las fuerzas que actúan sobre dicho elemento de freno cuando se usa durante la operación de frenado de un vehículo.

Antecedentes técnicos

Con los sistemas de frenado de los vehículos actualmente en producción, no hay manera, que no sea por medio del uso de sistemas externos extremadamente complejos, de detectar, cuando se usan en un vehículo, las fuerzas que se intercambian durante la utilización entre las pastillas de freno (o las zapatas de freno para los vehículos todavía equipados con frenos de tambor) y el elemento a frenar, el disco o el tambor, que está unido a la rueda.

Normalmente, dos pastillas de freno por cada disco del vehículo (y por lo tanto por cada rueda) se controlan por una pinza mecánica que se acciona por un circuito hidráulico y/o eléctrico cuando se usa el vehículo y que ejerce una presión sobre las pastillas que es proporcional a la fuerza aplicada sobre el pedal de freno. A medida que la pinza ejerce presión (nominal), las pastillas son empujadas contra el disco de manera que ejercen una fuerza que se opone a la rotación del disco, por lo tanto, el vehículo se frena.

La distribución variable de la presión que resulta durante el proceso de frenado produce movimientos no deseados de las pastillas de freno dentro de la propia pinza, por lo tanto, genera diferentes fenómenos conocidos en el campo de las pastillas de freno como, por ejemplo, el par residual, la vibración y el ruido.

La presencia de imperfecciones dentro del sistema de frenado, por ejemplo, debidas en la mayoría de los casos al desgaste de las partes mecánicas que se emplean (en particular el disco, la pinza y las pastillas de freno), hacen que el contacto entre las superficies diseñadas para realizar el frenado con el tiempo no sea homogéneo. Sobre todo, como resultado de un frenado fuerte, puede ocurrir que el contacto permanezca entre las pastillas y el disco incluso después de que el pie se levante del pedal del freno, lo que da lugar al fenómeno llamado "par residual". El par residual también se puede generar por la formación de lóbulos en el disco, que pueden estar ya presentes cuando se montan por primera vez o que se forman como un resultado de un sobrecalentamiento excesivo del disco.

Con respecto al ruido, este puede generarse a diferentes frecuencias dentro del intervalo de 0,1 y 20.000 Hz.

Actualmente, no es posible detectar la distribución de la presión a no ser de manera estática mediante el uso de papel sensible a la presión o bien por medio de sistemas que se conectan directamente con ordenadores, tal como por ejemplo el sistema de mapeo de la presión Tekscan I-Scan® (http://www.tekscan.com/brake -pad-pressuredistribution).

Tampoco es posible detectar el tipo de ruido, si no es con equipos complejos tales como los micrófonos y los acelerómetros que se posicionan como sea necesario dentro del sistema de frenado; si el sistema de frenado se monta en un dinamómetro de chasis o bien en el vehículo.

Esto significa que, con respecto a los problemas que surgen del funcionamiento no perfecto de la pinza de freno en lugar de la pastilla o el disco, los actuales sistemas de frenado de los vehículos son "ciegos".

Los documentos EP1531110 y GB2478423, que describen sistemas de frenado de vehículos en donde los sensores piezoeléctricos se disponen, respectivamente, en el disco de freno o entre el pistón y la placa posterior de las pinzas de freno (la "placa posterior" es el elemento de soporte metálico del material de fricción de la pastilla de freno que constituye el elemento portador) con el propósito de producir, respectivamente, una señal que se emplea por un motor eléctri

El documento EP1431606B1 describe un método para la medición de fuerzas aplicadas a una capa de material de fricción en donde una capa funcional, cuya resistencia eléctrica varía en función de las fuerzas aplicadas a la misma, está asociada a dicha capa de material de fricción; la variación en la resistencia eléctrica de la capa funcional se mide entonces y está en proporción a la magnitud de las fuerzas aplicadas.

El documento EP1923592B1 describe en cambio un freno o elemento de fricción que tiene una capa de fricción y una placa de soporte con al menos un sensor capacitivo que está dispuesto entre la capa de fricción y la placa de soporte, cuya capacitancia varía en función de la fuerza aplicada a dicha capa de fricción.

El documento US2006/0254868 describe un sistema similar al del documento EP1431606B1, en donde la variación en la resistencia eléctrica de una capa de material de fricción del elemento de freno, tal como una pastilla de freno, se mide directamente.

Incluso los sistemas descritos en los documentos EP 1431606B1, EP1923592B1 y US2006/0254868 no resuelven el problema técnico mencionado anteriormente, ya que se basan en la capacidad eléctrica o en la variación de la resistencia eléctrica de un sensor o de una capa funcional completa, que permiten con relativa precisión sólo la detección estática, o muy lenta, de las fuerzas aplicadas a la pastilla de freno, pero que no son capaces de detectar variaciones rápidas de fuerza tales como las que se producen durante el frenado.

Además, estos sistemas necesitan ser alimentados eléctricamente de manera continua, lo que conlleva inconvenientes, tales como la cantidad relativa de energía que se consume y las considerables complicaciones constructivas asociadas con asegurar el suministro de energía eléctrica entre partes que están en movimiento relativamente rápido. El documento JP2006193091 no resuelve estos problemas.

Descripción de la invención

El propósito de la presente invención es proporcionar un método y un dispositivo para la determinación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido presente dentro de un elemento de freno, en particular una pastilla de freno, de una manera sencilla y económica, detectando en tiempo real la presencia y/o la magnitud de las tensiones en la interfaz entre el elemento de freno (pastilla o zapata) y el elemento que se frena (freno de disco o de tambor) durante el frenado.

También es un propósito preferido de la invención permitir la medición continua de la distribución de las presiones de contacto que actúan sobre el elemento que se frena y el coeficiente de fricción entre el elemento de freno y el elemento que se frena, por ejemplo, entre la pastilla de freno y el disco.

La invención se refiere por tanto a un método para la determinación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido presente en un elemento de freno, en particular una pastilla de freno, como se define en la reivindicación 1. La invención también se refiere a un dispositivo diseñado para realizar el método anterior, como se define en el dispositivo diseñado para realizar el método anterior, como se define en la reivindicación 15.

Aquí y en lo que sigue, se debe entender que el término "tiempo real" significa que la secuencia de resultados que se proporciona por el sistema (detección y procesamiento de los parámetros deseados, tales como la presión aplicada, la presencia de ruido y el coeficiente de fricción) es lo suficientemente rápida para permitir que se actúe sobre el sistema de frenado mientras los fenómenos que generan dichos parámetros medidos aún están presentes.

La solución de acuerdo con la invención implica la inserción entre el elemento de soporte del bloque de material de fricción del elemento de freno, en particular definido por la placa posterior de una pastilla de freno y el propio bloque de material de fricción, de sensores definidos por elementos piezocerámicos en una configuración adecuada, por ejemplo, distribuidos de manera discreta y preferentemente de acuerdo con una matriz simétrica, sobre toda la extensión de la interfaz entre el elemento de soporte y el bloque de material de fricción, para permitir en uso la detección oportuna de la presión aplicada y la distribución de dicha presión. Los componentes piezocerámicos (sensores), que transducen la energía mecánica en energía eléctrica, son capaces de generar una señal eléctrica, una tensión, por ejemplo, sin la necesidad de energía eléctrica, y de transmitir dicha señal a la pinza que controla las pastillas de freno en lugar de a la unidad de control electrónica del vehículo que controla la dinámica del vehículo y de la propia pinza. La información se posprocesa entonces por medio de algoritmos adecuados con el fin de obtener la información final deseada, tal como la distribución de la presión y su centro de presión relativo, junto con una definición del tipo de ruido, la presencia de par residual y el valor del coeficiente de fricción.

Por ejemplo, mediante el uso de una pastilla de freno con sensores piezocerámicos integrados, cuando dicha pastilla está conectada a un sistema de procesamiento de datos adecuado, es posible determinar el tipo de vibración y/o ruido presente, sin el uso de micrófonos y/o de acelerómetros adicionales.

De acuerdo con la invención, esto se logra a través del procesamiento de la señal eléctrica por medio de una Transformada Rápida de Fourier (FFT) y/o integrando los valores de tensión detectados presentes en muestras de igual duración de las señales de tensión que son generadas por los sensores dentro de una unidad de tiempo.

Sorprendentemente, la señal obtenida por medio del procesamiento en tiempo real de la FFT de la señal eléctrica que es generada por cada sensor piezocerámico, corresponde a la frecuencia del ruido que se puede detectar, en el banco o por medio de instrumentación a bordo del vehículo. Entre los tipos de ruidos que pueden detectarse es posible identificar, por ejemplo, el "chirrido" y el "crujido de arrastre", junto con las vibraciones que se producen no solo por el sistema de frenos sino también por el sistema de suspensión del vehículo o por el propio proceso de prueba en banco. Se debe señalar que, de acuerdo con un significado que generalmente se atribuye a estos términos por parte de los técnicos expertos en la materia, el "chirrido" es un ruido que se provoca por vibraciones inducidas por las fuerzas de fricción, en la que los modos de vibración del disco de freno se acoplan a los de las propias zapatas del material de fricción de las pastillas de freno; el "crujido de arrastre" es un ruido de alta intensidad y baja frecuencia que se genera por las vibraciones que afectan a los vehículos de carretera a velocidades muy bajas.

También es posible determinar qué sensor, y por tanto la posición de la pastilla de freno, que genera el ruido, con el fin de, por ejemplo, ser capaz de evaluar eficazmente por medio de pruebas en banco el efecto que tienen los chaflanes/cortes en la pastilla de freno y/o cualquier relieve que pudiera implementarse con el fin de obtener un efecto antirruido.

Con respecto al par residual, es posible determinar su magnitud al integrar los datos de tensión en tiempo real, en particular al integrar las muestras de señales de igual duración provenientes de los sensores.

De manera similar, al emplear al menos un sensor piezoeléctrico que sea capaz de detectar fuerzas de cizallamiento, mediante el uso de los valores obtenidos de los datos de tensión aproximados resultantes y/o de la integral de la propia señal, el coeficiente de fricción se puede determinar entonces por medio de la relación conocida:

(1 ) ¡J. = F T /F N

donde p es el coeficiente de fricción objetivo, FT es la fuerza tangencial que actúa en la interfaz entre la pas tilla de freno y el elemento que se frena (en este caso, tangencialmente al disco de freno) y FN es la fuerza normal al disco de freno.

Dado que la señal del sensor piezoeléctrico también es proporcional a la presión que se ejerce y a la rigidez del sistema, entonces mediante el uso de una relación matemática adecuada, que se explicará más adelante, es posible emplear los sensores piezoeléctricos como detectores indirectos de desgaste.

Breve descripción de las figuras

Las características y ventajas adicionales de la presente invención se aclararán a partir de la siguiente descripción de una realización ilustrativa no limitante dada puramente a modo de ejemplo y con referencia a las figuras dentro de los dibujos adjuntos, en donde:

- la Figura 1 es una vista esquemática en alzado y parcialmente de acuerdo con una vista en sección transversal longitudinal que está tomada a lo largo del eje de la rueda de un sistema de frenado de un vehículo equipado con un dispositivo de acuerdo con la invención;

- la Figura 2 ilustra esquemáticamente una vista en perspectiva despiezada y de acuerdo con su secuencia de construcción, un elemento de freno, en este caso una pastilla de freno, que constituye un elemento esencial del dispositivo en la Figura 1 de acuerdo con la invención;

- las Figuras 3, 4, 7 y 8 ilustran los respectivos diagramas comparativos de las señales detectadas y procesadas de acuerdo con el método de la invención mediante el uso del dispositivo que se ilustra en las Figuras 1 y 2;

- la Figura 5 ilustra un diagrama de ejemplo referente a una metodología de cálculo de acuerdo con el método de la invención; y

- la Figura 6 ilustra esquemáticamente y a escala ampliada, un detalle de los componentes del elemento de freno de la Figura 2.

Realización preferida de la invención

Haciendo referencia a las Figuras 1, 2 y 6, se indica en su conjunto con el número de referencia 1 un elemento de freno sensorizado del vehículo, una pastilla de freno en el ejemplo ilustrado, que está destinada a equipar un sistema de frenado 2 (Figura 1), que se proporciona con un disco 3 (sistema de freno de disco); un disco 3 está unido como se conoce en la técnica a cada rueda del vehículo (no se muestra para una mayor simplicidad) y por lo tanto gira alrededor de un eje de rueda A.

El sistema de frenado 2 incluye, además del disco 3 (y por lo tanto para cada rueda del vehículo) y por cada disco 3, una pinza de freno 4 equipada con un actuador 5, conocido en la técnica, y un par de pastillas de freno 1 portadas por la pinza de freno 4 junto con el actuador 5, las pastillas 1 que en uso pueden ser presionadas contra el disco 3 por medio del actuador 5 con el fin de frenar la rotación del disco 3 y con él la rueda a la que está acoplado y, como un resultado, el vehículo equipado con el sistema de frenado 2.

Aquí y en lo que sigue, el término "en uso" significa que el elemento de freno está en una condición de funcionamiento, por ejemplo, montado dentro de un sistema de frenado portado por un vehículo o bien por un banco de prueba, independientemente de si el sistema de frenado esta activado o no y que, por lo tanto, el sistema de frenado presiona el elemento de freno contra el elemento a frenar.

El actuador 5 que se ilustra en una realización no limitante es de tipo hidráulico, equipado con un pistón 6 que se desliza dentro de una cámara llena de aceite 7 que se presuriza por medio de un tubo 8 cuando el usuario presiona el pedal del freno del vehículo y que de forma más general, es controlado por una unidad de control del vehículo 10. Obviamente, el actuador 5 también puede ser de tipo eléctrico, en cuyo caso será controlado directamente por la unidad de control de a bordo 10. También es evidente que el contenido que se describe de aquí en adelante se aplica también a los sistemas combinados hidráulico-eléctricos.

Tanto aquí como en lo que sigue se hará referencia específica a un elemento de freno que consta de una pastilla de freno 1, pero es evidente que lo que se expondrá es también idénticamente aplicable a la zapata de freno de un freno de tambor, de manera que el sistema de frenado 2 descrito anteriormente también puede ser de un tipo mixto que consta únicamente de dos discos 3 (por ejemplo, para las ruedas delanteras del vehículo) y dos tambores de freno (conocidos en la técnica y que no se muestran para una mayor simplicidad) para las ruedas traseras, que en uso funcionan con elementos de freno que consta de zapatas de freno en lugar de pastillas de freno 1.

También haciendo referencia a la Figura 2, los elementos de freno 1 forman parte de un dispositivo para determinar en tiempo real, a bordo del vehículo, la presión aplicada y el ruido que se genera dentro de cada elemento de freno 1, cuyo dispositivo se representa en su conjunto en la Figura 1 mediante el número de referencia 100.

Para este propósito, los elementos de freno 1 están diseñados como se muestra esquemáticamente en la Figura 2, en donde se ilustra un elemento de freno 1 en una configuración despiezada con el fin de resaltar su proceso de producción, que se describirá posteriormente.

En consecuencia, de acuerdo con un aspecto de la invención, los elementos de freno 1 incluyen, además de un elemento de soporte metálico 11, una capa de aislamiento térmico y de amortiguación 12C, conocida como "subcapa", y un bloque de material de fricción 14, todos conocidos en la técnica, al menos un sensor piezocerámico 15, indicado esquemáticamente en la Figura 1 como una capa adicional solamente que está intercalado entre el bloque de material de fricción 14 y el elemento de soporte metálico 11.

En particular, la capa de amortiguación y de aislamiento térmico 12C está situada encima de una primera superficie 13 del elemento de soporte metálico 11 que, en uso, está destinada a enfrentarse a un elemento a frenar, en el caso que se ilustra del disco 3, de un vehículo, y el bloque de material de fricción 14 se mantiene rígido mediante el elemento de soporte metálico 11 en el lado de la superficie 13 y por encima de la capa de amortiguación/aislamiento o subcapa 12C.

En el caso de las pastillas de freno, como en la realización no limitante que se ilustra, el elemento 11, conocido también como "placa posterior", tiene la forma como una placa plana con una forma de contorno. Debe entenderse que en el caso de una zapata de freno habrá elementos correspondientes a los descritos en la presente descripción para la pastilla de freno 1 por lo que, para los expertos en la técnica, la siguiente descripción es fácilmente transferible de manera que pueden ser construidas zapatas de freno sensorizadas.

Como se verá, el al menos un sensor 15 permite la detección de las fuerzas de contacto entre las pastillas 1 y el disco 3 cuando están en uso. De hecho, el al menos un sensor piezocerámico 15 convierte la energía mecánica recibida, en la forma, por ejemplo, de fuerza o presión, en energía eléctrica sin la necesidad de un suministro de energía. Cuando se obliga a variar su grosor en la dirección de dicha fuerza, genera consecuentemente una diferencia de potencial, es decir, una señal de tensión eléctrica o carga eléctrica que varía de acuerdo con la magnitud de la fuerza aplicada.

En la realización preferida no limitante que se ilustra, cada pastilla de freno 1 comprende no solo un sensor 15, sino una pluralidad de sensores piezocerámicos 15, que están integrados directamente con la superficie 13 y que están separados, preferentemente dispuestos de acuerdo con una disposición simétrica; además, los sensores 15 pueden ser activados individualmente.

Los sensores piezocerámicos 15 que se emplean de acuerdo con la invención se diferencian de los acelerómetros piezocerámicos conocidos en que no tienen masa sísmica, estando formados solo de elemento activo. Además, de acuerdo con la invención, los sensores 15 que se emplean deben estar diseñados para tener una respuesta de señal en el campo acústico de 20 Hz a 20.000 Hz, y para ello cuentan con un tiempo de respuesta (el intervalo entre someter el sensor a un esfuerzo mecánico y la posterior generación por el sensor de la señal eléctrica) igual a 25 microsegundos o menos. Con el fin de obtener una precisión óptima de la señal, se prefiere que los sensores piezocerámicos se elijan de tal manera que presenten un tiempo de respuesta, como se definió anteriormente, igual o menor que 0,16 microsegundos.

El al menos un sensor piezocerámico 15, o la pluralidad de sensores 15 está/están dispuesto/dispuestos entre el bloque de material de fricción 14 y el elemento de soporte metálico 11 del elemento de freno 1, completamente embebidos dentro del bloque de material de fricción 14 y directamente soportados de manera rígida por el elemento de soporte metálico 11, sobre la superficie 13 del elemento de soporte metálico 11 que está recubierta por el bloque de material de fricción 14 que en uso se enfrenta al elemento a frenar 3.

En particular, el al menos un sensor/pluralidad de sensores 15 es/son integrado/integrados directamente en la superficie 13 del elemento de soporte metálico 11 antes de construir la pastilla de freno 1 en su totalidad y por lo tanto antes de formar, mediante el uso de técnicas conocidas en la técnica, la capa de aislamiento térmico y de amortiguación 12C y el bloque de material de fricción 14. Además, antes de formar la capa de aislamiento térmico/amortiguación 12C, una capa adicional continua o discontinua de aislamiento eléctrico 12B (Figura 2) dentro de la cual el al menos un sensor 15/pluralidad de sensores 15 permanece/permanecen completamente revestidos sin la creación de ninguna burbuja de aire, se implementa sobre la superficie 13.

Sobre la capa de aislamiento eléctrico 12B, de una manera conocida en la técnica, la capa 12C y el bloque de material de fricción 14 se construyen entonces de tal manera que recubren completamente el(los) sensor(es) 15 que están dispuestos en la superficie 13, de manera que el bloque 14 se integra en una pieza con la placa posterior 11, y de tal manera que el al menos un sensor 15/pluralidad de sensores 15 permanece/permanecen embebidos dentro del bloque de material de fricción 14 con la interposición de la capa de amortiguación y aislamiento térmico 12C, que se incorpora directamente dentro de esta última, con la sola interposición de la relativa capa de aislamiento eléctrico 12B. Cuando solo hay un sensor 15, éste puede ocupar solo una posición/parte limitada de la superficie 13, o bien puede implementarse en forma de una película cerámica que recubre toda o solo una parte de la superficie 13.

Para simplificar, las capas 12B y 12C se ilustran esquemáticamente en la Figura 1 en forma de una única capa, que se indica mediante el número 12.

En una realización preferida, la pluralidad de sensores piezocerámicos 15 consiste en sensores de presión que están separados para ocupar toda la superficie 13, pero solo de manera discreta, es decir, en correspondencia con puntos predeterminados/porciones limitadas de la misma.

Los sensores 15 se pueden elegir entre los tipos comerciales siempre y cuando sean de un grosor, medido perpendicularmente a la superficie 13, igual a o menor que el de la capa de amortiguación o subcapa 12C y se unan a la superficie 13 por ejemplo, mediante pegamento, o bien mediante otras técnicas conocidas en la técnica.

Alternativamente, los sensores 15 pueden ser formados directamente in situ sobre el elemento de soporte o placa posterior 11, por lo tanto, se integran directamente con la superficie 13, uniéndolos de manera integral a dicha superficie 13, por ejemplo, mediante sinterización, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 2, por ejemplo, por medio de un rayo láser 30. En cuanto al material utilizado para integrar los sensores piezocerámicos 15, se puede utilizar, por ejemplo, un compuesto de tipo "blando" o "duro" de PZT (titanato de circonato de plomo) o bien un compuesto de titanato de bismuto de sodio o metaniobato de plomo modificado. La lista de posibles materiales que se proporciona en la presente descripción no es exhaustiva y cualquier material piezocerámico actualmente conocido en la técnica o que pueda estar disponible en el futuro y que cumpla con los requisitos anteriores se puede utilizar en la presente invención.

La pastilla de freno 1 también incluye un circuito eléctrico 18 que se muestra en la Figura 2 solo de manera esquemática y sin ninguna relación con la realidad.

Haciendo referencia a la Figura 6, cada sensor piezocerámico 15 comprende un bloque piezocerámico 115 hecho de un material piezocerámico que tiene una temperatura de Curie superior a 200 °C, provisto de un par de conexiones eléctricas que están formadas por electrodos 16 de polaridades opuestas, que se proporcionan en caras opuestas del bloque piezocerámico 115 y que se conectan de cualquier forma adecuada, que no se muestra en detalle para una mayor simplicidad, al circuito eléctrico 18, que está integrado con el elemento de soporte metálico 11 del elemento de freno 1.

En la realización preferida que se ilustra, entre el bloque de material de fricción 14 y el elemento de soporte metálico 11 de cada pastilla de freno/elemento de freno 1, está dispuesta una pluralidad de los primeros sensores piezocerámicos 15b, de manera que están separados con el fin de ocupar discretamente toda la primera superficie 13 del elemento de soporte metálico 11 que es recubierta por el bloque de material de fricción 14 y al menos un segundo sensor piezocerámico 15c que está dispuesto entre los primeros sensores piezocerámicos 15b, se disponen sobre la superficie 13 y completamente embebidos dentro del bloque de material de fricción 14.

Uno de los sensores 15b se ilustra esquemáticamente en la Figura 6. Los sensores 15b tienen una forma cilíndrica aplanada y están formados por un bloque cilíndrico de material piezocerámico 115b y por dos electrodos 16b que recubren completamente las respectivas caras de base 116b del bloque 115b. Por el contrario, el sensor 15c, que también se ilustra esquemáticamente en la Figura 6, tiene una forma de paralelepípedo aplanado y consiste en un bloque con tuberías paralelas de material piezocerámico 115c y en dos conexiones de señales eléctricas definidas por los electrodos 16c que recubren completamente las respectivas caras de base 116c del bloque 115c.

Los sensores piezocerámicos no están fabricados, por supuesto, de materiales que tengan propiedades piezoeléctricas, sino solo de materiales que, gracias a su estructura cristalina, adquieren propiedades piezoeléctricas después de un proceso de polarización adecuado.

Los sensores 15b se polarizan por lo tanto en una dirección perpendicular a la superficie 13 y a las respectivas caras 116b que están provistas de los electrodos 16b; mientras que el al menos un sensor piezocerámico 15c se polariza en una dirección paralela a la superficie 13 y a las respectivas caras 116c que tienen los electrodos 16c, en particular, perpendicularmente a las respectivas caras 117 que se ilustran en la Figura 6 mediante líneas discontinuas, cuyas caras, durante el proceso de producción del sensor 15c, son recubiertas con electrodos de polarización 118 (que se ilustran esquemáticamente, mediante líneas discontinuas en una vista despiezada, en la Figura 6), que luego son retirados.

De esta manera, los primeros sensores piezocerámicos 15b están diseñados para generar una señal de tensión como respuesta a la aplicación de esfuerzos paralelos a la dirección en uso de la presión aplicada al elemento de freno 1, mientras que al menos el segundo sensor piezocerámico 15c está diseñado para generar una señal de tensión como respuesta a la aplicación de esfuerzos transversales a la dirección en uso de la presión aplicada al elemento de freno 1, en particular tangencialmente al disco 3 y al eje de rotación relativo A.

El circuito eléctrico 18 está conectado a un conector eléctrico 20, en el ejemplo no limitante que se ilustra por medio de un cable 19, que sin embargo se puede omitir haciendo directamente el conector 20 como una parte integral del elemento de soporte metálico 11. El conector 20 y el circuito eléctrico 18 se construyen de tal manera que no solo se diseñan para recibir y transmitir las señales eléctricas que se generan y transmiten durante el uso por el/los sensor/sensores 15, sino también para conectarse a un generador de tensión 25 (Figura 2), por ejemplo, al final del proceso de fabricación de la pastilla 1 con el propósito de polarizar y/o repolarizar el(los) sensor(es) 15, que, de cualquier otra manera, podrían permanecer inertes o no funcionar completamente.

El dispositivo 100 de acuerdo con la invención comprende además un medio de procesamiento 22 que se conecta, por ejemplo, de manera desmontable al circuito eléctrico 18 y a al menos un sensor piezocerámico 15 (a la pluralidad de sensores 15b y 15c) por medio del conector 20 y del cable eléctrico opcional 19 de cada pastilla de freno 1. Los medios de procesamiento 22 también pueden estar integrados en el conector 20 y en cualquier caso se conectarán a la unidad de control 10 que controla los actuadores 5 que, en uso, se destinan a empujar el bloque de material de fricción 14 de cada elemento de freno 1 contra el elemento de freno definido por el disco 3 (o por un freno de tambor en el caso de frenos de tambor).

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, la pastilla de freno 1 también incluye, además de un único sensor piezocerámico 15 o una pluralidad de sensores piezocerámicos 15b y 15c, un sensor de temperatura 21 de cualquier tipo conocido, que también se integra en la placa posterior 11 de manera similar a los sensores 15 y que se conecta eléctricamente al circuito eléctrico 18, y que en uso también transmite señales eléctricas (por ejemplo, una tensión) al conector 20.

El circuito eléctrico 18 y el conector 20 (junto con el cable opcional 19) son fabricados con el fin de proporcionar a los medios de procesamiento 22 señales separadas para cada sensor 15 y 21.

Cada elemento de freno 1 de acuerdo con la invención comprende, por lo tanto, además de los componentes ya descritos:

- medios, representados por el conector 20 (y el cable opcional 19) para recoger del al menos un sensor piezocerámico 15/de los sensores 15b, 15c (y el sensor 21 cuando está presente) y por medio del circuito 18, una señal de tensión eléctrica respectiva que es generada por el/los sensor/sensores, sin la necesidad de un suministro de energía separado, como respuesta a la aplicación a cada sensor 15/15b, 15c de un esfuerzo mecánico resultante del contacto entre el elemento de freno 1 y el elemento a frenar 3;

- primeros medios 121, representados por un bloque dibujado con líneas discontinuas en la Figura 1, para el procesamiento en tiempo real de la señal de tensión eléctrica que es generada por el al menos un sensor piezocerámico 15/por los sensores 15b, 15c con el fin de generar muestras de igual duración de dicha señal, es decir, segmentar la señal en secuencias tomadas a intervalos de tiempo constantes;

- segundos medios 122, también representados por un bloque dibujado con líneas discontinuas en la Figura 1, para el procesamiento en tiempo real de cada una de las muestras de igual duración de la señal generada por el al menos un sensor piezocerámico 15/por los sensores 15b, 15c al aplicar un algoritmo apropiado a dichas muestras de igual duración de la señal.

De acuerdo con un aspecto de la invención, este algoritmo se selecciona de un grupo formado por: una secuencia de integraciones de los valores de tensión presentes dentro de las muestras de igual duración de la señal, cada integración se lleva a cabo en un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos; la FFT (Transformada Rápida de Fourier) de las tensiones en la muestra de igual duración de la señal; la integral de las tensiones en las muestras de igual duración de la señal; cualquiera de sus combinaciones.

Los medios de procesamiento 121 y 122 pueden estar integrados en los medios de procesamiento 22, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 1, o bien ser implementados por separado o como una parte integral, en forma de hardware o software, de la unidad de control 10.

El dispositivo 100 de acuerdo con la invención, además de los medios de procesamiento 22 que se integran o se vinculan a los medios de procesamiento 121 y 122 y al sensor 15/sensores 15b, 15c que se incorporan en cada elemento de freno 1, comprende además medios de señalización 29 que pueden ser activados por los medios de procesamiento 22 o por la unidad de control 10 como respuesta a una señal eléctrica que es procesada por los medios de procesamiento 121 y 122, como se verá a continuación.

Por medio del dispositivo 100 descrito y en particular gracias a los elementos de freno 1 adecuadamente sensorizados como ya se describió, de acuerdo con la invención se puede implementar, tanto en el vehículo durante su uso normal, como por lo tanto durante todas las fases de frenado del vehículo y durante las pruebas en banco del sistema de frenado 2, un método para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido presente en un elemento de freno, tal como el elemento de freno 1 (en este caso la pastilla de freno) un método que está ¡lustrado dentro de los diagramas experimentales de las Figuras 3, 4, 7 y 8, diagramas que se obtuvieron a partir de pruebas en banco llevadas a cabo en prototipos de pastillas de freno 1 equipados con múltiples sensores 15b junto con un único sensor 15c como se describió anteriormente, y que implica las etapas que se enumeran a continuación.

Una primera etapa del método de la invención implica tener al menos un sensor piezocerámico 15 o 15b, 15c entre el bloque de material de fricción 14 y el elemento de soporte metálico 11 del elemento de freno 1, que se encuentra completamente embebido dentro del bloque de material de fricción 14 y soportado integralmente de manera directa por el elemento de soporte metálico 11, sobre la superficie 13 del elemento de freno 1 que está recubierta por el bloque de material de fricción 14 y que en uso se orienta hacia el elemento a frenar 3, como se describió previamente con detalle.

Una segunda etapa del método de la invención implica recoger del al menos un sensor piezocerámico 15/de los sensores 15b, 15c, por medio del circuito 18 y con el elemento de freno 1 en uso y por lo tanto con el elemento a frenar 3 en rotación alrededor del eje A, una señal eléctrica respectiva, en el ejemplo ilustrado una tensión ST, cuya tendencia en el tiempo se ilustra en la parte superior de las Figuras 3, 4, 7, 8. La señal ST es generada por el/los sensor 15/sensores 15b, 15c, sin la necesidad de un suministro de energía, como respuesta a la aplicación de un esfuerzo mecánico en los sensores 15, resultante del contacto entre el elemento de freno 1 y el elemento a frenar 3.

En el ejemplo que se ilustra, la pastilla de freno sensorizada 1 que se emplea en los experimentos que generan los gráficos de las Figuras 3, 4, 7, 8 se equipó con cuatro sensores 15b (la señal de los canales A, C, D y E) y un sensor 15c (la señal del canal B). Los gráficos que se ilustran en las Figuras 4, 7 y 8, cada uno se refiere a eventos de frenado completos, el evento de frenado en el gráfico de la Figura 4 se llevó a cabo de manera abrupta, como se evidencia por los picos iniciales en la señal ST; la operación de frenado para los gráficos en las Figuras 7 y 8 se llevó a cabo en cambio de manera gradual. Los picos finales en la señal ST en las Figuras 4, 7 y 8 se corresponden con el final de la operación de frenado y por lo tanto con la separación del elemento de freno 1 del elemento que se frena 3.

Se debe señalar que un simple examen de estos gráficos (y por lo tanto la mera comprensión de los datos brutos) revela, por ejemplo, que la primera pastilla de freno utilizada durante la operación de frenado en la Figura 4 presenta un contacto anormal en el sensor 15b relacionado con el canal D, que está resaltado por el pico de tensión negativo. Esta información por sí sola, que se produce por ejemplo durante la prueba en banco de una nueva pastilla de freno, permitiría la revisión del diseño de dicha pastilla de freno y/o su soporte (pinza) con el fin de evitar este problema cuando se utilice posteriormente en un vehículo. O bien, cuando se obtiene a partir de un vehículo en uso, esta información podría ser transferida a la unidad de control 10, que podría, por ejemplo, operar de manera adecuada uno o más de los actuadores 5 que están ubicados en la pinza de freno.

El gráfico de la Figura 3 (sección superior) se refiere a la señal ST que es producida por un único sensor 15b (relacionado con el canal A) en diferentes condiciones de funcionamiento de la pastilla de freno 1, como se muestra en la leyenda en la parte inferior de la misma Figura 3, específicamente cuando la pastilla 1 no está en contacto con el disco 3 y cuando la pastilla 1 se acerca al disco 3.

Una tercera etapa del método de la invención implica el procesamiento en tiempo real de la señal de tensión eléctrica ST que es generada por el/los sensores piezocerámicos 15/sensores 15b, 15c de manera que se toman muestras de igual duración de la propia señal, por ejemplo, por cada segundo de frenado, cuya muestra está representada por todos los puntos de las curvas que representan la señal ST dentro de la unidad de tiempo en consideración. En la realización descrita, una pluralidad de muestras de igual duración de la señal ST es generada por los medios 121 a lo largo de toda la duración de una operación de frenado (unos pocos segundos).

De acuerdo con un aspecto de la invención, dicho muestreo de la señal llevado a cabo en este caso por los medios de procesamiento 121, debe implicar un gran número de puntos, es decir de valores de tensión de la señal ST que son variables en el tiempo. En particular, esta etapa se realiza con el fin de recoger una pluralidad de valores digitales de la señal ST mediante el uso de una frecuencia de muestreo igual a o mayor que el doble de la frecuencia objetivo más alta contenida dentro de dicha señal ST; con el fin de detectar de manera óptima las frecuencias en el campo acústico se utiliza una frecuencia de muestreo de al menos 40 kHz (es decir, igual o mayor que 40 kHz), y preferentemente igual a 50 kHz. Es decir, esto significa que cada grupo de valores digitales que representan una muestra de igual duración en la que está subdivida la señal ST que se procesa por los medios de procesamiento 121 se compone de (es decir, contiene) al menos 40.000 valores de la señal ST por segundo y preferentemente 50.000 valores de la señal ST por segundo, señal que, como se evidencia en los gráficos de las Figuras 3, 4, 7, 8, es una señal oscilante, con valores de tensión que pasan de positivo a negativo, debido a las inevitables vibraciones que se generan entre el elemento de freno 1 y el elemento que se frena 3 durante el frenado. Los valores anteriores para la velocidad de muestreo de la señal ST (frecuencia de muestreo) son, como se verá, críticos de acuerdo con la invención para analizar el ruido asociado con la pastilla de freno 1 durante el frenado.

Una cuarta etapa del método de la invención implica finalmente el procesamiento adicional, de nuevo en tiempo real, de cada muestra de igual duración de la señal de tensión ST que es generada por los sensores 15, 15b, 15c mediante el uso de la aplicación por los medios 122 de un algoritmo apropiado aplicado a cada muestra de igual duración de la señal que es procesada por los medios 121.

De acuerdo con la invención, este algoritmo debe seleccionarse de un grupo que está formado por:

- una secuencia de integración de los valores de tensión contenidos dentro de cada muestra de igual duración de la señal ST de la pluralidad de muestras de igual duración en consideración, cada integración representa una "Microintegración" de la señal ST y se procesa dentro de un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos;

- una FFT (Transformada Rápida de Fourier) de cada muestra de la señal ST de igual duración que es generada por cada sensor 15, 15b, 15c y se aplica a la totalidad de cada muestra de igual duración de la señal ST;

- la integral completa de los valores de tensión para cada una de todas las muestras de la señal ST de igual duración que es generada por cada sensor 15, 15b, 15c, y

- cualquiera de sus combinaciones.

El resultado de la aplicación de estos algoritmos a la señal de tensión oscilante ST que es generada por cada sensor piezocerámico 15 se muestra en las Figuras 3, 4, 7, 8.

En particular, la parte central de la Figura 3 muestra a modo de ejemplo el gráfico que resulta de la "Microintegración" de dos de las señales ST que se muestran en la parte superior de la misma figura. Como es evidente, el resultado es una serie de curvas C1-Cn; la curva C1 corresponde al estado de reposo de la pastilla de freno 1 (sin frenar, la pastilla no está en contacto), la curva C2 corresponde en cambio a la presencia del par residual debido al hecho de que la pastilla de freno 1 está en contacto con el disco 3 pero sin que se aplique presión de frenado.

Por el contrario, el gráfico de la parte inferior de la figura 3 corresponde a la aplicación a las señales ST de la parte superior de la misma figura de una FFT e ilustra también en este caso la presencia de cualquier par residual generado.

Los gráficos de la parte media de las Figuras 4 y 7 corresponden a los resultados obtenidos por el procesamiento de la señal ST que es generada durante la prueba en banco de una pastilla de freno 1 y se ilustra en la parte superior de las mismas figuras por medio de una FFT; los gráficos de la parte media de las Figuras 4 y 7 muestran ambos picos en frecuencias específicas. En comparación, la parte inferior de las mismas Figuras 4 y 7 proporcionan los gráficos de los resultados en banco obtenidos durante la misma prueba mediante el uso de equipos sofisticados basados en micrófonos conocidos en la técnica, que ilustran las frecuencias y la intensidad del ruido que se genera durante el uso de la pastilla de freno 1.

Sorprendentemente, los gráficos obtenidos mediante el uso de una FFT para el procesamiento de las muestras de la señal ST de igual duración obtenidas, en base a los parámetros críticos (frecuencia de muestreo) que se han indicado anteriormente, tienen la misma tendencia que los gráficos de ruido obtenidos por medio de equipos basados en micrófonos; cuyos gráficos presentan picos de señal exactamente a la misma frecuencia y que, por lo tanto, corresponden a la generación de ruido a esa frecuencia, ruido cuya intensidad es proporcional a la altura del pico. Este resultado demuestra que es reproducible con absoluta precisión en todas las condiciones de prueba. Además, dado que las señales son generadas por cada sensor separado 15b, 15c, cada uno asociado a un canal específico, también es posible detectar qué punto físico en la pastilla de freno 1 genera el ruido detectado, algo que es imposible de hacer mediante el uso del equipo basado en micrófono, comúnmente usado y que tiene un coste mucho mayor que el dispositivo 100 equipado con pastillas de freno sensorizadas 1 en cada rueda del vehículo, de acuerdo con la invención.

Finalmente, haciendo referencia a la Figura 8, en la parte inferior en la izquierda de la Figura 8 se encuentran los gráficos obtenidos al integrar toda la señal ST dada en la sección superior de la misma figura y que se muestra por separado para cada canal. Las formas de onda de diente de sierra en los gráficos G1-G5 corresponden cualitativamente a la distribución de la presión aplicada localmente a la pastilla de freno 1 correspondiente a los sensores 15b, 15c que resultan del contacto con el disco 3. El gráfico del canal B, correspondiente a la integración de todo el conjunto de las muestras de la señal ST de igual duración del sensor 15c, está invertido ya que corresponde a la aplicación de una carga tangencial (presión), que "estira" el sensor 15c, en lugar de comprimirlo, como es el caso de los sensores 15b.

Sobre la base de lo descrito hasta ahora, se puede deducir que la segunda etapa del método de la invención se lleva a cabo al recolectar por separado para cada primer sensor 15b y segundo sensor 15c, por medio del circuito 18, la señal de tensión eléctrica ST relativa que se genera por cada sensor, y que en la tercera etapa del método de la invención se lleva a cabo en tiempo real al procesar la señal de tensión eléctrica ST que es generada por cada primer y segundo sensores piezocerámicos 15b, 15c con el fin de obtener muestras de la señal ST de igual duración que son generadas por separado para cada sensor, preferentemente tal como para leer una pluralidad de valores digitales a una velocidad de al menos 40.000 valores por segundo; mientras que la cuarta etapa del método de la invención se realiza al aplicar a cada muestra de la señal ST de igual duración obtenida de cada sensor 15b, 15c un algoritmo que se selecciona del grupo de algoritmos anteriormente enumerados con el fin de identificar una cantidad física específica de interés.

El método de la invención incluye también una quinta etapa para cada primer sensor 15b con respecto al procesamiento de una curva (curvas C1-C2 de la Figura 3) que representa la tendencia del par residual presente localmente en uso dentro del elemento de freno 1. Dicha quinta etapa de procesamiento se realiza en tiempo real e implica la aplicación a cada muestra de la señal ST de igual duración obtenida de cada sensor piezocerámico 15b de un algoritmo que consiste en una secuencia de integración de los valores de tensión leídos de cada sensor, cada integración se realiza dentro de un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos.

El método de la invención también incluye, además o como alternativa a la previa quinta etapa, una sexta etapa de procesamiento para cada primer 15b y segundo sensor piezocerámico 15c de una señal de tensión frente a la frecuencia (las que se muestran por los gráficos en la parte media de las Figuras 4 y 7), en donde la presencia de un pico a una frecuencia dada representa la generación entre el elemento de freno 1 y el elemento a frenar 3 de un ruido que tiene la misma frecuencia, y una intensidad que es proporcional a la amplitud de la señal de tensión; dicha sexta etapa se lleva a cabo a través de la aplicación en tiempo real de un algoritmo, que consta de una FFT (Transformada Rápida de Fourier), a cada una de las muestras de la señal ST de igual duración obtenidas a partir de cada sensor piezocerámico.

Finalmente, el método de acuerdo con la invención también incluye, además o como alternativa a la previa quinta y sexta etapas, la séptima etapa de procesamiento para cada sensor de una curva que representa, durante un intervalo de tiempo igual a la ejecución de una operación de frenado completa, la tendencia de las presiones de contacto local entre el elemento de freno y el elemento a frenar para cada primer sensor 15b y la fuerza tangencial aplicada entre el elemento de freno 1 y el elemento a frenar 3 para al menos el segundo sensor 15c; dicha séptima etapa se lleva a cabo aplicando un algoritmo en tiempo real que calcula la integral completa de cada muestra de la señal ST de igual duración obtenida de cada sensor piezocerámico 15b, 15c.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, el método de la invención también incluye la etapa de calcular el valor del coeficiente de fricción p entre el elemento de freno 1 y el elemento a frenar 3 durante un evento de frenado calculando la relación entre la integral de los datos de tensión ST leídos por al menos el segundo sensor 15c y la integral de los datos de tensión ST leídos por al menos uno de los primeros sensores 15b, aplicando a la invención la relación conocida

(1 ) ^ = F T /F N .

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, el método de la invención también incluye una etapa de disponer un sensor de temperatura 21, que está conectado al circuito eléctrico 18, sobre la primera superficie 13 entre el bloque de material de fricción 14 y el elemento de soporte metálico 11 cuya superficie 13 está embebida completamente dentro del bloque de material de fricción 14; y la etapa de corregir los valores de tensión de la señal ST obtenidos de los sensores piezocerámicos 15b, 15c como una función de la temperatura detectada por el sensor de temperatura, de acuerdo con una relación empírica conocida de antemano y que puede ser almacenada por los medios de procesamiento 122.

De manera similar, el método de la invención puede comprender:

- una etapa de calibración, en donde un tipo seleccionado de elemento de freno 1 equipado con al menos un sensor piezocerámico 15 se somete a una prueba en banco en donde, por medio de un equipo de medición externo al elemento de freno 1, conocido en la técnica y que no se ilustra para una mayor simplicidad, se mide al menos un parámetro de funcionamiento del elemento de freno, que se selecciona de un grupo formado por: la presión de contacto entre un elemento de freno y un elemento a frenar, el coeficiente de fricción entre un elemento de freno y un elemento a frenar y el par residual; y en donde el parámetro de funcionamiento que se mide se correlaciona con el resultado del procesamiento de acuerdo con la cuarta etapa previamente descrita y el resultado de la correlación se parametriza en una tabla; y

- una etapa de cálculo en donde el resultado del procesamiento de acuerdo con la cuarta etapa previamente descrita se compara con la tabla, adecuadamente almacenada por los medios de almacenamiento 123 que están conectados al circuito eléctrico 18 (integrado por ejemplo dentro de la unidad de procesamiento 122, Figura 1) y el valor del parámetro de funcionamiento del elemento de freno instantáneo 1 se suministra en tiempo real cuando se utiliza durante cada operación de frenado.

En la práctica, por medio de dicha etapa de procesamiento, la unidad de control 10 del vehículo puede ser capaz de reconocer en uso, segundo a segundo, los valores y la distribución de las presiones y el esfuerzo de cizallamiento aplicados a la pastilla de freno 1 por el disco 3 durante el frenado, el valor del coeficiente de fricción instantáneo y la magnitud, la frecuencia y la ubicación de cualquier ruido que se genere durante el frenado. La unidad de control 10 estará entonces en una posición adecuada para intervenir en tiempo real, por ejemplo, sobre los medios actuadores 5, para corregir cualquier anomalía de frenado y para optimizar dicho frenado como una función de las condiciones de conducción del vehículo, como monitorizado por otros sistemas de a bordo, que pueden estar colocados en comunicación directa entre sí y con el dispositivo 100 descrito, por ejemplo, por medio del bus CAN del propio vehículo.

Finalmente, el método de acuerdo con la invención también permite la detección indirecta del desgaste del elemento de freno por medio de los mismos sensores piezocerámicos 15b, 15c descritos anteriormente. Con este fin, el método de la invención comprende una etapa comparativa prolongada (en el tiempo) de procesamiento de la señal eléctrica ST de al menos un sensor piezocerámico 15b que se realiza con el fin de identificar una función de decrecimiento basada en el tiempo asociada con la, por ejemplo, relación lineal entre la señal eléctrica ST y la presión que se ejerce en dicho sensor (detectable por ejemplo por el circuito hidráulico 8, o directamente por la unidad de control 10) durante todas las etapas del frenado del vehículo, y la etapa de comparación del valor de la función de decrecimiento instantáneo con un valor umbral, por debajo del cual se activan los medios de señalización de desgaste 29 del elemento de freno 1.

Es decir, se aprovecha la relación que se ilustra en la Figura 5, que representa la aplicación de las siguientes fórmulas:

(2 ) K i = K i (W , T, t )

(3 ) V = a KO b K i * p

donde V = la magnitud de la señal de salida ST (en voltios), K0 = la rigidez inicial del sistema de frenado de la pastilla 1/disco 3, Ki = la rigidez del sistema de frenado en el momento "i", P = presión aplicada, W = el desgaste de la pastilla de freno T = la temperatura y t = el tiempo.

Como una función de la presión aplicada por el sistema de frenos, un sistema de frenos con mayor rigidez producirá una mayor respuesta y, por lo tanto, una señal de tensión ST más alta.

En conclusión, de acuerdo con el método y el dispositivo de la invención es posible evaluar de manera cuantitativa y cualitativa, el par residual, el desgaste y la intensidad del ruido y la vibración provenientes del sistema de frenado.

Los propósitos de la invención se logran por lo tanto completamente.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un método para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido en un elemento de freno como, por ejemplo, una pastilla de freno, que comprende un bloque de material de fricción (14) y un elemento de soporte metálico (11) para el bloque de material de fricción, el bloque de material de fricción (14) se mantiene rígido mediante el elemento de soporte metálico (11), el método se caracteriza por comprender las etapas de:

i) proporcionar al menos un sensor piezocerámico (15) entre el bloque de material de fricción (14) y el elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno, estando el al menos un sensor piezocerámico (15) conectado a un circuito eléctrico (18) y estando dispuesto entre el bloque de material de fricción (14) y el elemento de soporte metálico (11), completamente embebido dentro del bloque de material de fricción (14) y soportado directamente de manera rígida por el elemento de soporte metálico (11);

ii) con el elemento de freno (1) en uso, recoger procedente de dicho al menos un sensor piezocerámico, por medio de dicho circuito, una respectiva señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por el sensor como respuesta a la aplicación de un esfuerzo mecánico sobre el sensor (15);

iii) procesar en tiempo real la señal de tensión eléctrica (ST) tomando muestras de igual duración de dicha señal;

iv) procesar en tiempo real cada una de dichas muestras de igual duración de dicha señal (ST) aplicando un algoritmo que se selecciona del grupo formado por: la secuencia de integraciones (C1; C2) de los valores de tensión presentes en la muestra de dicha señal (ST), siendo cada integración llevada a cabo en un intervalo de tiempo del orden de los milisegundos; la T ransformada Rápida de Fourier (FFT) de las tensiones en la muestra de dicha señal (ST); la integral (G1-G5) de las tensiones en la muestra de dicha señal (ST) que es generada por cada sensor (15).

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa iii) se realiza para recopilar una pluralidad de valores digitales mediante el uso de una frecuencia de muestreo igual o mayor que el doble de una frecuencia objetivo más alta contenida en dicha señal (ST).

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que se utiliza una frecuencia de muestreo de al menos 40 kHz.

4. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que una pluralidad de primeros sensores piezocerámicos (15b) están dispuestos en dicha primera superficie (13), entre dicho bloque de material de fricción (14) y dicho elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno, estando dicha pluralidad de primeros sensores piezocerámicos (15b) dispuestos separados entre sí para ocupar de manera discreta toda la primera superficie (13) del elemento de soporte metálico (11); y al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) está dispuesto también en dicha primera superficie (13), separado de los primeros sensores piezocerámico (15b); siendo la etapa ii) realizada recopilando por separado para cada primer y segundo sensor (15b; 15c), por medio de dicho circuito (18), una respectiva señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por cada sensor; siendo la etapa iii) realizada procesando en tiempo real la señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por cada primer y segundo sensores piezocerámicos (15b; 15c) para generar por separado, por unidad de tiempo, muestras de igual duración de dichas señales (ST) para cada sensor; y siendo la etapa iv) realizada aplicando a cada muestra de dichas muestras de igual duración de dichas señales (ST) obtenidas por medio de cada sensor (15b; 15c) un algoritmo que se elige del grupo formado por: la secuencia de integraciones (C1; C2) de los valores de tensión detectados por cada sensor (15b; 15c), siendo cada integración llevada a cabo en un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos; la Transformada Rápida de Fourier (FFT) de cada muestra de igual duración de dichas señales (ST) generada por cada sensor (15b; 15c); la integral (G1-G5) de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) generada por cada sensor (15b, 15c).

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que los primeros sensores piezocerámicos (15b) están polarizados en una dirección perpendicular a la primera superficie (13), mientras que el al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) está polarizados en una dirección paralela a la primera superficie (13), de manera que los primeros sensores piezocerámicos están adaptados para generar dicha señal de tensión (ST) como respuesta a la aplicación de esfuerzos paralelos a una dirección de aplicación durante el uso de una presión de accionamiento sobre el elemento de freno (1), mientras el al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) está adaptado para generar dicha señal de tensión (ST) como respuesta a la aplicación de esfuerzos transversales a una dirección de aplicación durante el uso de la presión de accionamiento sobre el elemento de freno (1).

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que cada uno de dichos primer y segundo sensores piezocerámicos (15b, 15c) están dispuestos con conexiones de señales eléctricas (16) a dicho circuito (18) portadas por primeras caras opuestas (116) de un bloque piezocerámico (115) perteneciente a cada sensor dispuesto en paralelo a la primera superficie (13) del elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno (1).

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que comprende la etapa de procesamiento de una curva (C1-C2) para cada primer sensor (15b) que representa la tendencia del par residual localmente presente durante el uso en el elemento de freno (1), siendo dicha etapa realizada aplicando un algoritmo en tiempo real a cada una de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) obtenidas por medio de cada sensor piezocerámico (15b) consistente en una secuencia de integración de los valores de tensión detectados por cada sensor (15b), estando cada integración en un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que comprende la etapa de procesamiento de una señal de tensión (ST) frente a la frecuencia para cada primer y segundo sensores piezocerámicos (15b, 15c), en cuya señal la presencia de un pico a una determinada frecuencia representa la generación de un ruido entre el elemento de freno (1) y un elemento a frenar (3) que tiene la misma frecuencia e intensidad proporcional a la amplitud de la señal de tensión (ST), siendo dicha etapa realizada aplicando un algoritmo que consiste en una Transformada Rápida de Fourier (FFT) a las muestras de igual duración de dichas señales hechas en tiempo real sobre cada una de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) obtenidas por medio de cada sensor piezocerámico (15b; 15c).

9. Un método de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que comprende la etapa de procesamiento de una curva (G1-G5) para cada sensor (15b, 15c) que representa la tendencia de las presiones locales de contacto entre el elemento de freno (1) y un elemento a frenar (3) durante un intervalo de tiempo igual a la ejecución de una operación de frenado completa para cada primer sensor (15b) y de la fuerza tangencial aplicada entre el elemento de freno (1) y el elemento a frenar (3) para el al menos segundo sensor (15c), siendo dicha etapa realizada aplicando un algoritmo que consiste en ejecutar la integral general de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) en tiempo real sobre cada muestra de igual duración de dichas señales (ST) obtenida por medio de cada sensor piezocerámico (15b; 15c).

10. Un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizado por que comprende la etapa de procesamiento del valor del coeficiente de fricción (p) presente entre el elemento de freno (1) y un elemento a frenar (3) durante una operación de frenado calculando la relación entre la integral del valor de los datos de tensión (ST) detectada por el al menos un segundo sensor (15c) y el valor de la integral de los datos de tensión (ST) detectada por al menos uno de los primeros sensores (15b).

11. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende la etapa de disponer un sensor de temperatura (21) que está conectado a dicho circuito eléctrico (18) en dicha primera superficie (13); y la etapa de ajustar los valores de las señales de tensión (ST) obtenidas de dicho al menos un sensor piezocerámico (15) en base a la temperatura detectada por el sensor de temperatura (21).

12. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una etapa de calibración, en la que un tipo seleccionado de elemento de freno (1) que se proporciona con al menos un sensor piezocerámico (15) es sometido a una prueba en banco en la que al menos un parámetro de funcionamiento del elemento de freno se mide por medio de medios de medición externos al elemento de freno (1), siendo el parámetro elegido del grupo que consta de: la presión de contacto (P) entre el elemento de freno y un elemento a frenar, el coeficiente de fricción (p) entre el elemento de freno (1) y un elemento a frenar (3), el par residual; y en donde el parámetro de funcionamiento que se mide se correlaciona con el resultado del procesamiento de acuerdo con la etapa iv) y el resultado de la correlación se parametriza en una tabla; y una etapa de cálculo, en la que el resultado del procesamiento de acuerdo con la etapa iv) se compara con la tabla, convenientemente almacenada en medios de almacenamiento (123) que están conectados a dicho circuito eléctrico (18) y en la que el valor instantáneo de dicho parámetro de funcionamiento del elemento de freno (1) cuando se utiliza durante cada operación de frenado se suministra en tiempo real.

13. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende: una etapa de procesamiento comparativo prolongado en el tiempo de la señal eléctrica (ST) proveniente del al menos un sensor piezocerámico (15) que se realiza para identificar una función de decrecimiento en el tiempo de una relación lineal entre la señal eléctrica (ST) del al menos un sensor (15) y la presión (P) que se ejerce en el al menos un sensor (15) durante la etapa de frenado del vehículo; y una etapa de comparar un valor instantáneo de la función de decrecimiento procesada con un valor umbral, por debajo del cual se activan los medios de señalización de desgaste (29) del elemento de freno.

14. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un sensor piezocerámico (15) tiene un tiempo de respuesta igual a o menor que 25 microsegundos.

15. Un dispositivo (100) para la estimación en tiempo real de la presión aplicada y del ruido en un elemento de freno como, por ejemplo, una pastilla de freno, comprendiendo el elemento de freno un bloque de material de fricción (14) que se mantiene rígido mediante un elemento de soporte metálico (11), caracterizado por que comprende en combinación:

i) al menos un sensor piezocerámico (15) que está dispuesto entre el bloque de material de fricción (14) y el elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno, estando el al menos un sensor piezocerámico (15) conectado a un circuito eléctrico (18) y estando completamente embebido dentro del bloque de material de fricción (14) y soportado directamente de manera rígida por el elemento de soporte metálico (11);

ii) medios para la recogida desde dicho al menos un sensor piezocerámico y por medio de dicho circuito, de una respectiva señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por el sensor como respuesta a la aplicación en el sensor de un esfuerzo mecánico resultado de un contacto entre el elemento de freno y un elemento a frenar;

iii) primeros medios (121) para el procesamiento en tiempo real de la señal de tensión eléctrica (ST) que es generada por dicho al menos un sensor piezocerámico para generar muestras de igual duración de dichas señales;

iv) segundos medios (122) para el procesamiento en tiempo real de cada una de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) que son generadas por medio del al menos un sensor piezocerámico (15) al aplicar un algoritmo a las muestras de igual duración de dichas señales (ST) que se elige del grupo que consta de: la secuencia de integraciones (C1; C2) de los valores de tensión presentes en las muestras de igual duración de dichas señales (ST) cada una llevada a cabo en un intervalo de tiempo en el orden de los milisegundos; la Transformada Rápida de Fourier (FFT) de las muestras de igual duración de dichas señales (ST); la integral (G1-G5) de las muestras de igual duración de dichas señales (ST) que son generadas por cada sensor (15)

16. Un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que una pluralidad de primeros sensores piezocerámicos (15b) y al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) están dispuestos en dicha primera superficie (13), estando dicha pluralidad de primeros sensores piezocerámicos (15b) dispuesta separados entre sí para ocupar de manera discreta toda la primera superficie (13) del elemento de soporte metálico (11) recubierto por un bloque de material de fricción (14), y estando el al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) dispuesto separado de los primeros sensores piezocerámicos (15b); estando dicho circuito eléctrico (18) dispuesto en el elemento de soporte metálico (11) del elemento de freno y estando los primeros sensores piezocerámicos (15b) polarizados en una dirección perpendicular a la primera superficie (13), mientras que el al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) está polarizado en una dirección paralela a la primera superficie (13), de manera que los primeros sensores piezocerámicos (15b) se adaptan para generar dicha señal de tensión (ST) como respuesta a la aplicación de esfuerzos paralelos a una dirección de aplicación en uso de una presión de accionamiento en el elemento de freno, mientras que el al menos un segundo sensor piezocerámico (15c) se adapta para generar dicha señal de tensión (ST) como respuesta a la aplicación de esfuerzos transversales a una dirección de aplicación en uso de la presión de accionamiento en el elemento de freno.