JP2016521336A - ブレーキ要素、詳細にはブレーキパットにおける印加圧力及びノイジネスを実時間評価するための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブレーキ要素内、詳細にはブレーキパット内に存在する印加圧力、及びより詳細にはそのような圧力の分布を、ノイジネスと共に、使用時に車両の制動動作中にブレーキ要素に作用する力を直接検出することによって実時間評価するための方法及び装置に関する。
現在生産されている車両制動システムの場合、極めて複雑な外部システムを使用する以外に、車両で使用中に、ブレーキパット(又は、ドラムブレーキも備えた車両ではブレーキシュー)と制動される要素(車輪に結合されたディスク又はドラム)との間で使用中に交換される力を検出する方法はない。
通常は、車両ディスク1つ当たり(及び、したがって、車輪1つ当たり)2つのブレーキパットが、車両を使用するときに油圧及び/又は電気回路によって動作しかつブレーキペダルに加えられる力に比例する圧力をパッドに加える機械キャリパによって制御される。圧力(公称)が、キャリパによって加えられたとき、パッドは、ディスクに押し付けられてディスクの回転を妨げる力を加え、それにより車両が制動される。
制動プロセス中に生じる圧力分布の変化が、キャリパ自体内に望ましくないブレーキパット運動を引き起こし、これにより、ブレーキパットの分野で例えば残留トルク、振動及びノイジネスとして知られる様々な現象が生じる。
例えば、ほとんどの場合に使用される機械部品(詳細には、ディスク、キャリパ及びブレーキパット)の摩耗による、制動システム内の不備の存在によって、制動を実行するように設計された表面間の接触が、ある期間にわたって不均一になる。とりわけ、強い制動の結果として、足がブレーキペダルから持ち上げられた後でもパッドとディスク間が接触し続け、これにより、「残留トルク」と呼ばれる現象が生じる。残留トルクは、また、ディスク上のローブの形成によって生成される可能性もあり、このローブは、最初に取り付けられたときに既に存在することもあり、極端なディスク過熱の結果として生じることもある。
ノイジネスに関して、これは、0.1〜20,000Hzの様々な周波数で生成されことがある。
現在、圧力分布は、感圧紙を使用する静的方法、又は例えばTekscan I−Scan(登録商標)圧力マッピングシステム(http://www.tekscan.com/brake−pad−pressure−distribution)などのコンピュータと直接接続されたシステムによる以外に検出できない。
また、制動システム内に必要に応じてマイクロフォンや加速度計などの複雑な機器が配置されていない場合も、制動システムが、シャーシダイナモメータや車両上の他の場所に取り付けられていかるかどうかに関わらず、ノイジネスのタイプを検出することができない。
即ち、パッドやディスク以外のブレーキキャリパの不完全な働きから生じる問題に関して、現在の車両制動システムは、「盲目」である。
EP1531110とGB2478423は、車両制動システムを記載しており、そのシステムでは、圧電センサがそれぞれ、ブレーキディスク上又はブレーキキャリパのバックプレート(「バックプレート」は、担体要素を構成するブレーキパットの摩擦材料の金属支柱要素である)との間に配置されて、それぞれ電気モータによって使用されてブレーキキャリパピストンの位置を調整するか制動中の車輪ロックの徴候を検出する信号を生成するが、このシステムは問題を解決しない。
EP1431606B1は、摩擦材料層に印加された力を測定する方法について述べており、その方法では、印加された力の関数として電気抵抗が変化する機能層が、摩擦材料層と関連付けられ、機能層の電気抵抗の変化は測定され、印加力の大きさに比例する。
その代わりに、EP1923592B1は、摩擦層と支持板を、摩擦層と支持板の間に少なくとも1つの容量性センサが配置された状態で有し、その容量が、摩擦層に加えられた力の関数として変化するブレーキ又は摩擦要素について述べている。
US2006/0254868は、EP1431606B1のシステムと類似のシステムについて述べており、ブレーキパットなどの摩擦材料のブレーキ要素層の電気抵抗の変化が、直接測定される。
EP 1431606B1、EP1923592B1及びUS2006/0254868に記載されたシステムはやはり、前述の技術的問題を解決せず、その理由は、これらのシステムが、センサ又は機能層全体の電気容量又は電気抵抗の変化に基づいており、ブレーキパットに加わる力の静的な(又は、極めて遅い)検出しか相対精度でできず、制動中に生じる素早い力変化を検出できないからである。
更に、これらのシステムは、連続的に電気供給されなければならず、必然的に、相対量の消費エネルギー、相対高速動作中の部品間の電力供給の保証と関連した大きな構造上の問題などの欠点を必然的に伴う。
本発明の目的は、ブレーキ要素、詳細にはブレーキパット内に存在する印加圧力とノイジネスを、制動中にブレーキ要素(パッド又はシュー)と制動される要素(ディスク又はドラムブレーキ)との間の境界における応力の存在及び/又は大きさを実時間で検出することによって、単純かつ経済的に、実時間で決定するための方法及び装置を提供することである。
また、本発明の好ましい目的は、制動される要素に作用する接触圧力の分布と、ブレーキ要素と制動される要素との間、例えばブレーキパットとディスクとの間の摩擦係数の連続測定を可能にすることである。
したがって、本発明は、請求項1に定義されたように、ブレーキ要素、詳細にはブレーキパット内にある印加圧力とノイジネスを実時間で決定する方法に関する。本発明は、また、請求項15に定義されたように上記の方法を実行するように設計された装置に関する。
以下では、用語「実時間」は、システムによって提供される一連の結果(印加圧力、ノイジネスの存在、摩擦係数などの所望のパラメータの検出と処理)が、測定パラメータを生成する現象がまだ続いている間に制動システムを働かせることができるほど高速であることを示す。
本発明による解決策は、特にブレーキパットのバックプレートによって画定されたブレーキ要素の摩擦材料ブロックの支持要素と、摩擦材料自体のブロックとの間に、支持要素と摩擦材料ブロックとの間の境界の広がり全体にわたって、例えば離散的かつ好ましくは対称的マトリクスにより分散された適切な構成の圧電セラミック要素によって画定されたセンサを挿入して、使用中に印加圧力とその圧力の分布を適時に決定することを可能にすることを含む。圧電セラミック構成要素(センサ)は、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力の必要なしに、電気信号(例えば、電圧)を生成することができ、また、信号を、車両とキャリパ自体の動力を制御する車両の電気制御ユニットにではなくブレーキパッドを制御するキャリパに送信することができる。次に、情報は、圧力分布やその相対圧力中心などの最終的な所望の情報を、ノイジネスのタイプの定義、残留トルクの存在及び摩擦係数値と共に取得するために、適切なアルゴリズムによって後処理される。
例えば、圧電セラミックセンサが一体化されたブレーキパットを使用することにより、そのようなパッドが、適切なデータ処理システムに接続されたときに、追加のマイクロフォン及び/又は加速度計を使用することなく、存在する振動及び/又はノイジネスのタイプを決定することができる。
本発明によれば、これは、1単位時間内にセンサによって生成された電圧信号の等しい時間長のサンプルに存在する検出電圧値を高速フーリエ変換(FFT)及び/又は積分することによる電気信号の処理によって達成される。
驚くべきことに、各圧電セラミックセンサによって生成された電気信号のFFTの実時間処理によって得られる信号は、試験台上又は車両の搭載された機器によって検出できるノイジネスの周波数と一致する。検出できるノイジネスのタイプの中でも、「スキール(squeal)」と「クリープグローン(creep−groan)」を、ブレーキシステムだけでなく車両サスペンションシステムやベンチテストプロセス自体によっても生成される振動と共に識別することができる。当業者がこれらの用語を一般に使用する意味によれば、「スキール」は、ブレーキディスク振動態様がブレーキパット摩擦材料シュー自体の振動態様に結合された摩擦力によって引き起こされる振動によって生じるノイジネスであり、「クリープグローン」は、極めて低速で道路車両に影響を及ぼす振動によって生成された高強度で低周波数のノイジネスであることに注意されたい。
また、例えば、面取り部/切削部がブレーキパットに及ぼす効果及び/又は騒音抑制効果を得るために実施されることがある起伏を、ベンチテストによって有効に評価できるようにするために、どのセンサと、したがってブレーキバッド位置がノイジネスを生成するかを決定することができる。
残留トルクに関して、電圧データを実時間で積分することによって、特にセンサから来る等しい時間長の信号サンプルを積分することによって、その大きさを決定することができる。
同様に、剪断力を検出できる少なくとも1つの圧電センサを使用することによって、得られた大雑把な電圧データ及び/又は信号自体の積分から得られた値を用いて、摩擦係数は、次の既知の関係によって決定されうる。
ここで、μは、ターゲット摩擦係数であり、FTは、ブレーキパットと制動される要素との境界に作用する接線力であり(この場合、ブレーキディスクに対して接線方向)、FNは、ブレーキディスクに垂直な力である。
圧電センサ信号が、加えられた圧力とシステムの剛性にも比例する場合は、後で説明されるような適切な数学的関係を使用することによって、圧電センサを間接摩耗検出器として使用することができる。
本発明の更に他の特徴と利点は、単なる例として示された例示的で非限定的な実施形態の以下の説明と添付図面内の図の参照から明らかになる。
図1、図2及び図6に関して、これは、全体として参照番号1のセンサ式車両ブレーキ要素(示した例ではブレーキパット)によって示され、このブレーキ要素は、ディスク3(ディスクブレーキシステム)を備えた制動システム2(図1)を備えるように意図され、ディスク3は、当該技術分野で既知のように、車両の各車輪(単純にするために示されていない)に取り付けられ、したがって、車軸Aの回りに回転する。
制動システム2は、ディスク3に加えて(及び、したがって、車両の車輪ごとに)、またディスク3ごとに、当該技術分野で既知のアクチュエータ5を備えたブレーキキャリパ4と、アクチュエータ5と共にブレーキキャリパ4によって保持された1対のブレーキパット1とを含み、パッド1は、使用中にアクチュエータ5によってディスク3に押し付けられて、ディスク3と、ディスク3が取り付けられた車輪の回転を制動することができ、その結果として、制動システム2を装備する車両を制動する。
以下では、用語「使用中」は、ブレーキ要素が、動作状態で、制動システムが活動化されているかどうかに関係なく、また、したがって、制動システムが、ブレーキ要素を制動される要素に押し付けているかどうかに関係なく、ブレーキ要素が、例えば、車両あるいは試験台によって保持された制動システム内に取り付けられていることを意味する。
非限定的実施形態に示されたアクチュエータ5は、油圧型のものであり、ユーザが車両のブレーキペダルを押したときにパイプ8によって加圧され、より全般的には、また車両制御ユニット10によって制御されるオイル充填室7内で摺動するピストン6を備える。アクチュエータ5は、電気型のものでもよく、その場合、搭載制御ユニット10によって直接制御されることは明らかである。また、以下に述べる内容が、油圧電気複合システムにも当てはまることは明らかである。
本明細書における以下の特定の参照は、ブレーキパット1からなるブレーキ要素に対して行われるが、言及は、ドラムブレーキのブレーキシューにも同様に適用可能であることは明らかであり、したがって、前述の制動システム2は、2つのディスク3だけ(例えば、車両の前輪用の)と後方車輪用の2つのブレーキドラム(当該技術分野で既知であり、単純にするために示されない)から成り、使用中、ブレーキパット1ではなくブレーキシューからなるブレーキ要素で動作する混合型のものでもよい。
図2も参照すると、ブレーキ要素1は、車両上で実時間で、印加圧力と各ブレーキ要素1内で生成されたノイジネスを決定するための装置の一部を構成し、この装置は、図1に参照番号100で全体として表される。
この目的のため、ブレーキ要素1は、図2に概略的に示されたように設計され、ブレーキ要素1は、後で検討されるその生産プロセスを強調するために分解構成で示されている。
したがって、本発明の一態様によれば、ブレーキ要素1は、金属支持要素11に加えて、「下層」として知られる断熱減衰層12C、摩擦材料ブロック14(これらは全て当該技術分野で既知)、及び図1では摩擦材料ブロック14と金属支持要素11との間に挟まれた追加層としてのみ概略的に示された少なくとも1つの圧電センサ15を含む。
詳細には、減衰断熱層12Cは、金属支持要素11の第1面13の上に位置決めされ、金属支持要素11は、使用中に制動される車両の要素(示された事例ではディスク3)に面するように意図され、摩擦材料ブロック14は、面13の側面上かつ減衰/絶縁層12Cの上に金属支持要素11によって堅く保持される。
ブレーキパットの場合、示された非限定的な実施形態のように、要素11(「バックプレート」としても知られる)が、成形輪郭を有する平板のように形成される。ブレーキシューの場合は、本明細書でブレーキパット1に関して述べたものに対応する要素になり、当業者にとっては、以下の記述が、センサ式ブレーキシューも構成できるように容易に移行可能であることを理解されたい。
少なくとも1つのセンサ15が、使用中のパッド1とディスク3の接触力を検出できることが分かる。実際には、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15が、例えば力又は圧力の形態で受け取った力学的エネルギーを、電源の必要なしに、電気エネルギーに変換する。厚さが力の方向に変化するように制限されたとき、結果として、電位差、即ち作用力の大きさによって変化する電圧信号又は電荷が生成される。
示された好ましい非限定的な実施形態では、各ブレーキパット1は、1つのセンサ15だけでなく、複数の圧電セラミックセンサ15も含み、圧電セラミックセンサ15は、表面13と直接一体化され、離間され、好ましくは対称的な配列で配置されており、更に、センサ15は、個々に活動化されうる。
本発明によって使用される圧電セラミックセンサ15は、プルーフマス(seismic mass)なしに能動要素だけからなる点が、既知の圧電セラミック加速度計と異なる。更に、本発明によれば、使用されるセンサ15は、音場で20Hz〜20,000Hzの信号応答を有するように設計されなければならず、このために、応答時間(センサが機械的応力を受けてからセンサが電気信号を生成するまでの期間)は、25マイクロ秒以下である。最適な信号精度を得るには、圧電セラミックセンサが、0.16マイクロ秒以下の応答時間(前に定義された)を示すように選択されることが好ましい。
少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15又は複数のセンサ15が、摩擦材料ブロック1とブレーキ要素14の金属支持要素11との間に配置され、摩擦材料ブロック14内に完全に埋め込まれ、使用中に制動される要素3に面している摩擦材料ブロック14によって覆われた金属支持要素11の面13上に、金属支持要素11によって直接堅く支持される。
詳細には、センサの少なくとも1つ/複数のセンサ15は、ブレーキパット1の全体を構成する前、したがって、当該技術分野で既知の技術を使用して、断熱減衰層12Cと摩擦材料ブロック14を構成する前に、金属支持要素11の面13上に直接一体化される。また、断熱/制動層12Cを形成する前に、追加の連続又は不連続電気絶縁層12B(図2)が、面13上に実装され、電気絶縁層12B内には、少なくとも1つのセンサ15/複数のセンサ15が、空気泡の作成なしに完全に収容されたままである。
電気絶縁層12B上で、当該技術分野で既知の方法で、層12Cと摩擦材料ブロック14が、面13上に配置されたセンサ15を完全に覆うように構成され、その結果、ブロック14は、バックプレート11と一体になり、少なくとも1つのセンサ15/複数のセンサ15が、減衰絶縁層12C内に直接組み込まれた減衰絶縁層12Cの介在と、相対的気絶縁層12Bの介在のみによって、摩擦材料ブロック14内に埋め込まれたままになる。センサ15が1つしかないとき、センサ15は、表面13の限られた位置/部分だけを占めてもよく、表面13の全て又は一部分だけを覆うセラミックフィルムの形で実装されてもよい。
単純にするために、層12B及び12Cは、図1では、番号12によって示された単層の形で概略的に示される。
好ましい実施形態では、複数の圧電セラミックセンサ15は、表面13全体を、離散的に、即ち面13の所定の箇所/限定部分に対応して、占有するように離間された圧力センサからなる。
センサ15は、センサ15が減衰層又は下層12Cの厚さ以下の厚さ(表面13に対して垂直方向に測定された)である場合に、商用タイプの中から選択され得、また例えば接着によって、あるいは当該技術分野で既知の他の技術によって、表面13に取り付けられる。
あるいは、センサ15は、現場で支持要素又はバックプレート11上に直接形成されてもよく、したがって、センサ15を表面13に直接一体化し、センサ15を表面13に一体的に結合してもよく、これは、例えば焼結法によって、図2に概略的に示されたように、例えばレーザー・ビーム30によって行われる。圧電セラミックセンサ15を一体化するために使用される材料に関して、「軟質」又は「硬質」型のPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)化合物を使用することができ、又はチタン酸ビスマスナトリウム化合物若しくは変性メタニオブ酸鉛を使用することができる。本明細書で示された可能な材料のリストは、網羅的なものではなく、本発明では、当該技術分野で現在既知、又は将来入手可能になる可能性がありまた上記の要件を満たす圧電セラミック材料が使用されうる。
ブレーキパット1は、また、図2に単に概略的にまた現実と関係なしに示された電気回路18を含む。
図6を参照すると、各圧電セラミックセンサ15は、逆極性の電極16によって構成された電気接続対を備えた、200℃を超えるキュリー温度を有する圧電セラミック材料で作成された圧電セラミックブロック115を含み、この電気接続対は、圧電セラミックブロック115の両側面に提供され、また、単純にするために詳細に示されていない任意の適切な方法で、ブレーキ要素1の金属支持要素11と一体化された電気回路18に接続される。
示された好ましい実施形態では、摩擦材料ブロック14と各ブレーキパット/ブレーキ要素1の金属支持要素11との間で、摩擦材料ブロック14によって覆われ多金属支持要素11の第1の面13の全てを離散的に占有するように離間されるように配置された複数の第1の圧電セラミックセンサ15bと、第1の圧電セラミックセンサ15bの中に配置された少なくとも第2の圧電セラミックセンサ15cとが、センサ13上に配置され、摩擦材料ブロック14内に完全に埋め込まれる。
センサ15bのうちの1つが、図6に概略的に示される。センサ15bは、扁平な円筒形状を有し、圧電セラミック材料115bの円筒形ブロックと、ブロック115bのそれぞれのベース面116bを完全に覆う2つの電極16bとによって構成さる。これと反対に、また、図6に概略的に示されたセンサ15cは、扁平な平行六面体形状を有し、平行六面体の圧電セラミック材料115cと、ブロック115cのそれぞれのベース面116cを完全に覆う電極16cによって画定された2つの電気信号接続とからなる。
圧電セラミックセンサは、当然ながら、圧電特性を有する材料から作成されないが、その結晶構造によって、適切な分極プロセス後に圧電特性を帯びる材料だけから作成される。
したがって、センサ15bは、面13と、電極16bを備えたそれぞれの面116bとに垂直な方向に分極され、それに対して、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15cは、面13と、電極16cを有するそれぞれの面116cと平行な方向、詳細には図6に点線で示されたそれぞれの面117に垂直な方向に分極され、面117は、センサ15cの生産プロセスにおいて、分極電極118(図6では、分解図で概略的に点線によって示された)で被覆され、次に分極電極118が除去される。
このように、第1の圧電セラミックセンサ15bは、使用中にブレーキ要素1に印加された圧力の方向と平行な応力の印加に応じて電圧信号を生成するように設計され、一方、少なくとも第2の圧電セラミックセンサ15cは、使用中にブレーキ要素1に印加された圧力の方向を横切る方向、詳細にはディスク3及び相対回転軸Aの接線方向の応力印加に応じて電圧信号を生成するように設計される。
電気回路18は、ケーブル19によって示された非限定的な例では、電気コネクタ20に接続されるが、ケーブル19は、コネクタ20を金属支持要素11に直接一体化することによって省略されうる。コネクタ20と電気回路18は、使用中にセンサ15によって生成され送信された電気信号を受信し送信するだけでなく、センサ15をバイアスしかつ/又は再分極する(そうしないと、不活動状態又は全く機能しない状態のままになる)ために、例えばパッド1の製造工程の終わりに、電圧発生器25(図2)に接続されるように設計されてもよい。
本発明による装置100は、また、コネクタ20と各ブレーキパット1の任意の電気ケーブル19とによって、例えば電気回路18と少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15(複数のセンサ15b及び15c)とに脱着可能に接続された処理手段22を含む。処理手段22は、また、コネクタ20に一体化されてもよく、いかなる場合でもアクチュエータ5を制御する制御ユニット10に接続され、アクチュエータ5は、使用中に、各ブレーキ要素1の摩擦材料ブロック14を、ディスク3によって(又は、ドラムブレーキの場合にはブレーキのドラムによって)規定された制動される要素に押し付ける。
本発明の更に他の態様によれば、ブレーキパット1は、また、単一の圧電セラミックセンサ15又は複数の圧電セラミックセンサ15b及び15cに加えて、任意の既知のタイプの温度センサ21を含み、温度センサ21は、センサ15と同じようにバックプレート11に一体化され、電気回路18に電気的に接続され、使用中に電気信号(例えば、電圧)をコネクタ20に送信する。
電気回路18とコネクタ20は(オプションのケーブル19と共に)、各センサ15及び21の別個の信号を処理手段22に提供するように作成される。
したがって、本発明による各ブレーキ要素1は、既に述べた構成要素に加えて、
−コネクタ20(及び、オプションのケーブル19)によって表され、ブレーキ要素1と制動される要素3との接触によって生じる機械応力の各センサ15/15b,15cへの印加に応じて、別個の電源の必要なしに、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15/センサ15b,15c(及び、存在するときはセンサ21)から、回路18によって、センサによって生成されたそれぞれの電圧信号18をピックアップする手段と、
−図1に点線で描かれたブロックによってされ、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15/センサ15b,15cによって生成された電圧信号を実時間処理して、表信号の等しい時間長のサンプルを生成し、換言すると、信号を一定の時間間隔で取得されたシーケンスに細分化する第1の手段121と、
−やはり図1の点線で描かれたブロックによってされ、適切なアルゴリズムを表信号の等しい時間長のサンプルに適用することによって、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ/センサ15b,15cによって生成された信号の等しい時間長のサンプルを実時間で処理するための第2の手段122を含む。
本発明の一態様によれば、このアルゴリズムは、信号の等しい時間長のサンプル内にある電圧値の一連の積分であって、数ミリ秒程度の時間間隔でそれぞれ実行される積分と、信号の等しい時間長のサンプル内の電圧のFFT(高速フーリエ変換)と、信号の等しい時間長のサンプル内の電圧の積分と、これらの任意の組み合わせを含む群から選択される。
処理手段121及び122は、図1に概略的に示されたように処理手段22に一体化されてもよく、あるいは、別個に実装されてもよく、制御ユニット10の一体部分(ハードウェア又はソフトウェアの形)として実施されてもよい。
本発明による装置100は、処理手段121及び122に一体化又は連結された処理手段22と、各ブレーキ要素1に組み込まれたセンサ15/センサ15b,15cとに加えて、後述するような、処理手段121及び122によって処理された電気信号に応じて、処理手段22又は制御ユニット10によって活動化されうる信号伝達手段29を含む。
前述の装置100によって、また詳細には、本発明に従って既に述べたような適切なセンサ式ブレーキ要素1によって、車両上でのその通常使用中としたがって全ての車両制動フェーズ中、及び制動システム2の台上試験中の両方で、ブレーキ要素1(この場合は、ブレーキパット)などのブレーキ要素内にある印加圧力とノイジネスを実時間評価するための方法を実施することができ、この方法は、前述のような単一センサ15cと共に複数センサ15bを備えたブレーキパット1プロトタイプに対して実行されたベンチテストから得られた図3、図4、図7、図8の実験図表内に示され、後で列挙するステップを含む。
本発明の方法の第1のステップは、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15又は15b、15cを、ブロック14の摩擦材料とブレーキ要素1の金属支持要素11との間に有するステップを伴い、圧電セラミックセンサは摩擦材料ブロック14内に完全に埋め込まれ、詳細に上述したように、使用中に制動される要素3に面している摩擦材料ブロック14によって覆われた金属支持要素11の面13上に、金属支持要素1によって直接堅く支持される。
本発明の方法の第2のステップは、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15/センサ15b,15cから、回路18によって、ブレーキ要素1が使用中で、したがって制動される要素3が軸Aのまわりに回転している状態で、それぞれの電気信号、示された例では電圧STをピックアップするステップを含み、ある期間にわたる電圧STの傾向は、図3、図4、図7、図8の上側部分に示される。ST信号は、電源の必要なしに、ブレーキ要素1と制動される要素3との間の接触により生じるセンサ15上の機械的応力の印加に応じて、センサ15/センサ15b,15cによって生成される。
示された例では、図3、図4、図7、図8のグラフを生成した実験で使用されたセンサ式ブレーキパット1は、4つのセンサ15b(チャネルA、C、D及びEの信号)と1つのセンサ15c(チャネルBの信号)を備えていた。図4、図7及び図8に示されたグラフはそれぞれ、制動イベントの完了と関連し、図4のグラフの制動イベントは、ST信号における初期ピークによって明示されたように急に実行されており、一方、図7と図8のグラフの制動動作は、徐々に実行された。図4、図7及び図8のST信号の最終ピークは、制動動作の終わりに対応し、したがって、ブレーキ要素1の制動される要素3からの分離に対応する。
これらのグラフの単純な検討(及び、したがって生データの単なる理解)によって、例えば、図4で制動動作中に使用される第1のブレーキパットが、チャネルDに関連付けられたセンサ15bにおける異常接触(負電圧ピークによって強調された)を示すことが明らかであることに注意されたい。例えば新しいブレーキパットのベンチテスト中に作成されるこの情報だけで、ブレーキパット及び/又はその支持体(キャリパ)の設計修正が可能になって、車両上で後で使用されているときにこの問題を回避できる。あるいは、使用中に車両から得られた場合、この情報は、制御ユニット10に渡されてもよく、制御ユニット10は、例えば、ブレーキキャリパ上に配置されたアクチュエータ5の1つ以上を適切に動作させる。
図3のグラフ(上側部分)は、図3の下側部分に凡例で示されたように、異なるブレーキパット1動作条件下で、即ち、パッド1がディスク3と接触していないときと、パッド1がディスク3に近づくときに、単一センサ15b(チャネルAと関連した)によって生成されたST信号に関連する。
本発明の方法の第3のステップは、圧電セラミックセンサ15/センサ15b,15cによって生成された電圧信号STの実時間処理を含み、例えば1秒の制動ごとに信号自体の等しい時間長のサンプルが取得され、このサンプルは、検討中の単位時間内のST信号を表す曲線の全ての点によって表される。検討された実施形態では、信号STの複数の等しい時間長のサンプルが、制動動作の持続時間(数秒)にわたって手段121によって生成される。
本発明の一態様によれば、この場合に処理手段121によって実行される信号サンプリングは、時間で可変のST信号電圧値の多数の点を含まなければならない。詳細には、このステップは、ST信号内に含まれる1つの最大目標周波数の2倍以上のサンプリング周波数を使用してST信号の複数のデジタル量を収集するために実行され、また、少なくとも40kHz(即ち、40kHz以上)、好ましくは50kHzのサンプリング周波数を使用して音場の周波数を最適に検出する。換言すると、即ち、処理手段121によって処理されたST信号が細分された等しい時間長のサンプルを表す各組のデジタル値が、1秒当たり少なくとも40,000値のST信号と、好ましくは1秒当たり50,000値のST信号とからなり、この信号は、図3,図4,図7,図8のグラフから明らかなように、振動信号であり、その電圧値は、制動中にブレーキ要素1と制動される要素3との間で生成される不可避の振動によって正から負に移行する。ST信号サンプリングレート(サンプリング周波数)に関する上記の値は、制動中にブレーキパット1と関連付けられたノイジネスを分析するための本発明により極めて重要であることを理解されよう。
最後に、本発明の方法の第4のステップは、手段121によって処理された信号の各等しい時間長のサンプルに適用される適切なアルゴリズムの適用手段122によってセンサ15,15c,15cによって生成された電圧信号STの各等しい時間長のサンプルの更なる処理(この場合も実時間で)を含む。
本発明によれば、このアルゴリズムは、
−検討中の複数の等しい時間長のサンプルの信号STの各等しい時間長のサンプル内に含まれる電圧値の一連の積分であって、それぞれST信号の「微小積分」を表し、またミリ秒程度の時間期間内で処理される積分と、
−各センサ15,15b,15cによって生成され、各等しい時間長の時間ST信号サンプルの全体に適用される各等しい時間長の時間ST信号サンプルのFFT(高速フーリエ変換)と、
−各センサ15,15b,15cによって生成された全体の等しい時間長の時間ST信号サンプルごとの電圧値の全体積分と、
−以上の任意の組み合わせとからなる群から選択される。
各圧電セラミックセンサ15によって生成された振動ST電圧信号に対するそのようなアルゴリズムの適用の結果が、図3,図4,図7,図8に示される。
詳細には、図3の中央部分は、例えば、同じ図の上側部分に示されたST信号のうちの2つの「微小積分」から得たグラフを示す。明らかに、この結果は、一連の曲線C1〜Cnであり、C1は、ブレーキパット1の静止状態に対応し(制動なし。パッドが接触していない)、一方、曲線C2は、ブレーキパット1がディスク3と接触しているが制動圧力が印加されていないことによる残留トルクの存在に対応する。
これと反対に、図3の下側部分のグラフは、FFTの同じ図の上側部分のST信号への適用に対応し、この場合は、生成された残留トルクの存在を示す。
図4と図7の中央部分のグラフは、ブレーキパット1のベンチテスト中に生成されたST信号処理によって得られ、FFTによって同じ図の上側部分に示された結果に対応し、図4と図7の中央部分のグラフは両方とも、特定の周波数でピークを示す。比較のために、同じ図4と図7の下側部分は、当該技術分野で知られている高性能マイクロフォン式機器を使用する同じテスト中に得られたベンチ結果からのグラフを示し、これは、ブレーキパット1によって使用中に生成されるノイジネスの周波数と強度を示す。
驚くべきことに、FFTを使用して、前述の重要なパラメータ(サンプリング周波数)に基づいて得られた等しい時間長のST信号サンプルを処理して得られたグラフは、マイクロフォン式機器によって得られたノイジネスグラフと同じ傾向を有し、このグラフは、全く同じ周波数で信号ピークを示し、したがってこれはその周波数でのノイジネスの生成に対応し、ノイジネスの強度は、ピークの高さに比例する。この結果は、全てのテスト条件下で絶対的な精度で再現可能であることが分かった。更に、信号が、特定チャネルとそれぞれ関連付けられた各別個のセンサ15b,15cによって生成されるので、検出されたノイジネスがブレーキパット1上のどの物理的ポイントで生成されたかを検出でき、これは、一般に使用されるマイクロフォン式機器を使用して行うことができず、またマイクロフォン式機器のコストは、本発明による車両の各車輪にセンサ式ブレーキパッド1を備えた装置100を越える。
最後に、図8を参照すると、図8の左下に、同じ図の上側部分に示されST信号全体を積分することによって得られたグラフが、チャネルごとに別々に示されていえる。グラフG1〜G5のこぎり波形は、定性的には、ディスク3との接触から生じるセンサ15b,15cに対応するブレーキパット1に局所的に加えられた圧力の分布に対応する。センサ15cからの等しい時間長のST信号サンプルの全ての組の積分に対応するチャネルBのグラフは、センサ15bの場合と同じように、センサ15cを圧縮する代わりに「伸張する」接線荷重(圧力)の印加に対応するので反転されている。
以上述べたことに基づいて、本発明の方法の第2のステップが、第1のセンサ15bと第2のセンサのそれぞれに関して、回路18によって、各センサによって生成された相対的電気ST電圧信号を別々にピックアップすることによって実行され、本発明の方法の第3のステップが、第1と第2の圧電セラミックセンサ15b,15cのそれぞれによって生成された電気的ST電圧信号を処理して、センサごとに別々に生成された等しい時間長のST信号サンプルを得て、好ましくは少なくとも毎秒40,000値のレートで複数のデジタル値を読み取ることによって実時間で実行され、本発明の方法の第4のステップが、各センサ15b,15cから得られた各等しい時間長のST信号サンプルに、特定の対象物理量を識別するために前述のアルゴリズムの群から選択されたアルゴリズムを適用することによって実行されることを導出できる。
本発明の方法は、また、使用中にブレーキ要素1内に局所的に存在する残留トルク傾向を表す曲線(図3の曲線C1〜C2)の処理に関する各第1のセンサ15bに対する第5のステップを含む。第5の処理ステップは、実時間で行われ、各圧電セラミックセンサ15bから得られた各等しい時間長のST信号サンプルに、各センサから読み取られた電圧値の一連の積分からなるアルゴリズムを適用することを含み、各積分は、数ミリ秒程度の時間間隔で実行される。
本発明の方法は、また、前述の第5のステップの追加又は代替として、第1の圧電セラミックセンサ15bと第2の圧電セラミックセンサ15cのそれぞれに関して、周波数に対する信号電圧(図4と図7の中央部分にグラフによって示された)を処理する第6のステップを含み、所定の周波数におけるピークの存在は、ブレーキ要素1と3との間の、同じ周波数を有するノイジネスの生成と、電圧信号の振幅に比例する強度とを表し、制動される要素第6のステップは、各圧電セラミックセンサから得られた等しい時間長のST信号サンプルのそれぞれに対してFFT(高速フーリエ変換)からなるアルゴリズムを実時間で適用することにより実行される。
最後に、本発明による方法は、また、前述の第5と第6のステップの追加又は代替として、第7の処理ステップを含み、第7の処理ステップは、センサごとに、最大制動動作の実行と等しい時間期間中に、各第1のセンサ15bに関する制動要素との間の局所的接触圧力と、少なくとも第2のセンサ15cに関するブレーキ要素1と被制動要素3との間に印加された接線力とを表す曲線の傾向を処理し、制動される要素第7のステップは、各圧電セラミックセンサ15b,15cから得られた各等しい時間長のST信号サンプルの全体積分を計算するアルゴリズムを実時間で適用することによって実行される。
本発明の更に他の態様によれば、本発明の方法は、また、本発明に既知の関係を適用することによって、少なくとも第2のセンサ15cによって読み取られたST電圧データの積分と、第1のセンサ15bの少なくとも1つによって読み取られたST電圧データの積分との比率を計算することによって、制動イベント中のブレーキ要素1と制動される要素3との間の摩擦係数値μを計算するステップを含む。
[0085]
本発明の別の態様によれば、本発明の方法は、また、電気回路18に接続された温度センサ21を、第1の面13上で、摩擦材料ブロック14と、面13が摩擦材料ブロック14に完全に埋め込まれた金属支持要素11との間に配置するステップと、圧電セラミックセンサ15b,15cから得られたST信号電圧値を、あらかじめ分かっており処理手段122によって記憶されうる経験的関係に従って、温度センサによって検出された温度の関数として修正するステップとを含む。
同様に、本発明の方法は、
−較正ステップであって、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15を備えた選択されたタイプのブレーキ要素1が、ベンチテストにかけられ、当該技術分野で既知で単純にするために示されていないブレーキ要素1の外部の測定装置によって、ブレーキ要素と制動される要素との間の接触圧力、ブレーキ要素と制動される要素との間の摩擦係数、及び残留トルクからなる群から選択された少なくとも1つのブレーキ要素動作パラメータが測定され、測定された動作パラメータが、前述の第4のステップによる処理結果と、表にパラメータ化された相関関係の結果と関連付けられる較正ステップと、
−計算ステップであって、前述の第4のステップによる処理結果が、電気回路18(例えば、図1で処理ユニット122内に一体化された)に接続された記憶手段123によって適切に記憶されたテーブルと比較され、瞬間ブレーキ要素1の動作パラメータ値が、各制動動作中に使用するときに実時間で供給される計算ステップと、を含んでもよい。
実際には、処理ステップによって、車両の制御ユニット10が、使用中に、秒刻みで、制動中にディスク3によってブレーキパット1に加えられる圧力と剪断応力の値と分布と、瞬間的摩擦係数の値、及び制動中に生成されるノイジネスの周波数と位置を認識することができる。この場合、制御ユニット10は、例えばアクチュエータ手段5上で、制動異常を修正し、制動を他の搭載システムによって監視されるような車両の運転状態の関数として最適化するように実時間で介入するのに適切な位置にあり、この搭載システムは、互いならびに例えば車両自体のCANバスによって前述の装置100と直通通信するように配置されうる。
最後に、本発明による方法は、また、前述の同じ圧電セラミックセンサ15b,15cによってブレーキ要素摩耗の間接検出を可能にする。この目的のため、本発明の方法は、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ15bからの電気ST信号を処理する長期(ある期間にわたって)の比較ステップであって、車両制動の全てのステップ中にST電気信号とセンサに印加された圧力(例えば、油圧回路8によって、又は制御ユニット10によって直接検出可能)との間の例えば線形関係と関連付けられた時間基準減衰関数を識別するために実行される、比較ステップと、瞬間減衰関数値をしきい値(このしきい値より下では、ブレーキ要素1の摩耗信号伝達手段29が活動化される)と比較するステップと、を含む。
換言すると、これは、図5に示された関係を利用し、次の式の適用を表す。
(3)V=aK0+bKi*p
ここで、V=ST出力信号の大きさ(ボルト)、K0=初期パッド1/ディスク3制動システム剛性、Ki=時間「i」における制動システムの剛性、P=印加圧力、W=ブレーキパッ磨耗、T=温度、及び、t=時間。
ブレーキシステムによって加えられた圧力の関数として、ブレーキシステムの剛性が高いほど応答が大きくなり、したがってST電圧信号が高くなる。
結論として、本発明の方法及び装置により、残留トルク、摩耗、及び制動システムから生じるノイジネスと振動強度を定量的かつ定性的に評価することができる。
こうして、本発明の目的は完全に達成される。
Claims (16)
- ブレーキ要素、詳細にはブレーキパットにおける印加圧力とノイジネスを実時間評価する方法であって、
i)前記ブレーキ要素の摩擦材料ブロック(14)と金属支持要素(11)との間に少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)を提供するステップであって、前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)が、電気回路(18)に接続された、少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)を提供するステップと、
ii)前記ブレーキ要素(1)が使用中の状態で、前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサから、前記回路によって、前記センサ上の機械的応力の印加に応じて前記センサによって生成されたそれぞれの電圧信号(ST)をピックアップするステップと、
iii)前記信号の等しい時間長のサンプルを取得することによって、前記電圧信号(ST)を実時間で処理するステップと、
iv)前記サンプルに存在する前記電圧値の一連の積分であって、数ミリ秒程度の時間期間にそれぞれ実行される積分と、前記サンプル内の前記電圧のFFT(高速フーリエ変換)と、各センサによって生成された前記サンプル内の前記電圧の積分と、これらの任意の組み合わせからなる群から選択されたアルゴリズムを適用することによって、前記信号の前記等しい時間長のサンプルのそれぞれを実時間で処理するステップと、
を含む方法。 - 前記ステップiii)が、前記信号(ST)に含まれる目標最大周波数の倍以上のサンプリング周波数を使用して複数のデジタル値を収集するように実行される、請求項1に記載の方法。
- 少なくとも40kHzのサンプリング周波数が使用される、請求項2に記載の方法。
- 複数の第1の圧電セラミックセンサ(15b)が、前記第1の面(13)上に、前記ブレーキ要素の前記摩擦材料ブロックと前記金属支持要素との間に配置され、前記複数の第1の圧電セラミックセンサ(15b)が、前記金属支持要素の前記第1の面全体を離散的に占有するように互いに離間されて配置され、少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサ(15c)が、前記第1の面(13)上に、前記第1の圧電セラミックセンサから離間されて配置され、前記ステップii)が、第1と第2のセンサのそれぞれに関して、前記回路によって、各センサによって生成されたそれぞれの電圧信号(ST)を個々にピックアップすることによって実行され、前記ステップiii)が、各第1と第2の圧電セラミックセンサによって生成された電圧信号(ST)を実時間で処理して、単位時間当たり、各センサに関する前記信号の等しい時間長のサンプルを個別に生成することによって実行され、前記ステップiv)が、各センサによって得られた前記信号の前記等しい時間長のサンプルの各サンプルに対して、各センサに関して検出された電圧値の一連の積分であって、数ミリ秒程度の時間間隔でそれぞれ実行される、積分と、各センサによって生成された前記信号の各等しい時間長のサンプルのFFT(高速フーリエ変換)と、各センサによって生成された前記信号の前記等しい時間長のサンプルの積分と、これらの任意の組み合わせからなる群から選択されたアルゴリズムを適用することによって実行される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の圧電セラミックセンサ(15b)が、前記第1の面(13)に垂直な方向にバイアスされている間、前記少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサ(15c)が、前記第1の面(13)と平行な方向にバイアスされ、前記第1の圧電セラミックセンサが、使用中に前記ブレーキ要素上の作動圧力の印加方向と平行な応力の印加に応じて前記電圧信号(ST)を生成するように適応され、前記少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサが、使用中の前記ブレーキ要素上の前記作動圧力の印加方向を横切る方向の応力の印加に応じて前記電圧信号(ST)を生成するように適応された、請求項4に記載の方法。
- 前記第1と第2の圧電セラミックセンサ(15b,15c)がそれぞれ、前記ブレーキ要素の前記金属支持要素の前記第1の面に平行に配置された各センサに属する圧電セラミックブロックの第1の両面(116)によって支持された前記回路への電気信号接続(16)を備えた、請求項5に記載の方法。
- 使用中に前記ブレーキ要素上に局所的に存在する残留トルク傾向を表す各第1のセンサ(15b)の曲線(C1〜C2)を処理するステップを含み、当該ステップが、各圧電セラミックセンサによって得られた前記信号の等しい時間長のサンプルに、各センサによる検出電圧値の一連の積分からなるアルゴリズムを実時間で適用することによって実行され、各積分が、数ミリ秒程度の時間間隔である、請求項4に記載の方法。
- 各第1と第2の圧電セラミックセンサ(15b、15c)の信号電圧と周波数との関係を処理するステップを含み、前記信号において、決定された周波数におけるピークの存在が、ブレーキ要素と制動される要素との間の、前記電圧信号の振幅に比例する同じ周波数と強度を有するノイズの生成を表し、当該ステップが、実時間で行われる前記信号の前記等しい時間長のサンプルのFFT(高速フーリエ変換)からなるアルゴリズムを、各圧電セラミックセンサによって得られた前記信号の各等しい時間長のサンプルに適用することによって行われる、請求項4に記載の方法。
- センサ(15b,15c)ごとの曲線(G1〜G5)を処理するステップを含み、前記曲線が、各第1のセンサの完全な制動動作の実行と等しい時間間隔の、ブレーキ要素と制動される要素との間の局所的接触圧力と、前記少なくとも第2のセンサの、ブレーキ要素と制動される要素との間で印加された接線力との傾向を表し、当該ステップが、前記信号の前記等しい時間長のサンプルの全体積分を、各圧電セラミックセンサによって得られた前記信号の各等しい時間長のサンプルに実時間で実行するアルゴリズムを適用することによって実行される、請求項4に記載の方法。
- 少なくとも1つの第2のセンサ(15c)によって検出された電圧データ(ST)の値の積分と、前記第1のセンサ(15b)の少なくとも1つによって検出された電圧データの積分の値との比を計算することによって、制動動作中のブレーキ要素(1)と制動される要素(3)との間に存在する摩擦係数値を処理するステップを含む、請求項4から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気回路に接続された温度センサ(21)を前記第1の面(13)上に配置するステップと、前記温度センサによって検出された温度に基づいて前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサから得られた前記電圧信号の値を調整するステップとを含む、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)を備えた選択されたタイプのブレーキ要素(1)が、前記ブレーキ要素の少なくとも1つの動作パラメータが前記ブレーキ要素の外部の測定手段によって測定されるベンチテストにかけられる較正ステップを含み、前記パラメータが、ブレーキ要素と制動される要素との間の接触圧力と、前記ブレーキ要素と前記制動される要素との間の摩擦係数と、残留トルクとからなる群から選択され、前記測定された動作パラメータが、ステップiv)による処理の結果及びテーブル内のパラメータ化された相関関係の結果と関連付けられ、ステップiv)による処理の結果が、前記テーブルと比較され、前記テーブルが、前記電気回路に接続された記憶手段に適切に記憶されており、使用中に各制動動作における前記ブレーキ要素の前記動作パラメータの瞬時値が、実時間で供給される、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記車両の前記制動ステップにおいて、前記少なくとも1つのセンサの電気信号と前記少なくとも1つのセンサに加えられた前記圧力との間の線形比率のある期間の減衰関数を識別するために実行される、前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサから来る前記電気信号(ST)のある期間にわたって延長された比較処理のステップと、前記処理された減衰関数の瞬時値を、前記ブレーキ要素の摩耗信号伝達手段が活動化されるしきい値と比較するステップとを含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサが、25マイクロ秒以下の応答時間を有する、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- ブレーキ要素、詳細にはブレーキパットにおける印加圧力とノイジネスを実時間評価するための装置(100)であって、
i)前記ブレーキ要素の摩擦材料ブロック(14)と金属支持要素(11)との間に配置された少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)であって、電気回路(18)に接続された少なくとも1つの圧電セラミックセンサ(15)と、
ii)前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサから、前記回路によって、ブレーキ要素と制動される要素との接触から生じる機械的応力のセンサへの印加に応じて前記センサによって生成されたそれぞれの電圧信号(ST)をピックアップする手段と、
iii)前記少なくとも1つの圧電セラミックセンサによって生成された前記電圧信号を実時間で処理して、前記信号の等しい時間長のサンプルを生成する第1の手段(121)と、
iv)前記等しい時間長のサンプルに、数ミリ秒程度の時間間隔でそれぞれ実行される前記信号の前記等しい時間長のサンプル内に存在する電圧値の一連の積分と、前記信号の前記等しい時間長のサンプルのFFT(高速フーリエ変換)と、各センサによって生成された前記信号の等しい時間長のサンプルの積分と、これらの任意の組み合わせとからなる群から選択されたアルゴリズムを適用することによって、前記少なくとも1つの圧電センサによって生成された前記信号の各等しい時間長のサンプルを実時間で処理する第2の手段(122)と、
を備える装置(100)。 - 複数の第1の圧電セラミックセンサ(15b)と少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサ(15c)が、前記第1の面に配置され、前記複数の第1の圧電セラミックセンサ(15b)が、摩擦材料ブロックによって覆われた金属支持要素の第1の面全体を離散的に占有するように互いに離間されて配置され、前記少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサ(15c)が、前記第1の圧電セラミックセンサから離間されて配置され、前記電気回路が、前記ブレーキ要素の前記金属支持要素上に配置され、前記第1の圧電セラミックセンサが、第1の面に垂直な方向に分極され、前記少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサが、前記第1の面に平行な方向に分極され、それにより、前記第1の圧電セラミックセンサが、使用中の前記ブレーキ要素上の作動圧力の印加方向に平行な応力印加に応じて前記電気信号を生成するように適応され、前記少なくとも1つの第2の圧電セラミックセンサが、使用中の前記ブレーキ要素上の前記作動圧力の印加方向を横切る応力印加に応じて前記電圧信号を生成するように適応された、請求項15に記載の装置。
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