JP3892905B2 - 電気機械式ブレーキの制御または調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載した、電気機械式ブレーキの制御または調節するための装置（システム）に関する。
この特徴を有する電動式ブレーキは、米国特許第４，９９５，４８３号明細書に記載されている。このブレーキは飛行機を制動するための装置である。この装置の原理的な構造は道路走行自動車にも適用可能である。ブレーキはブレーキディスクのセットと、それと関連する摩擦ディスクのセットを備えている。ブレーキディスクと摩擦ディスクは締付け装置によって互いに押し付け合う。締付け装置は電動的に操作される。この場合、ローラねじ伝動装置を介して電動機によって駆動されるスピンドルは、外側の摩擦面に押し付けられる。第１の摩擦ディスクとスピンドルヘッドの間には、力測定要素が設けられている。ブレーキディクと摩擦ディスクの間には空隙が設けられている。
一般的には、制動力を発生するために、先ず最初の空隙を克服しなければならない。摩擦ディスクまたは摩擦要素がブレーキディスクに接触したときに初めて、締付け力が伝達可能である。この締付け力はブレーキディスクに連結された車輪を制動する。摩擦ディスクをブレーキディスクに当てるために、すなわち空隙を克服するために、所定の限界値を上回らない小さな力が伝達される。
この限界値を上回ると、これは米国特許明細書に従って、摩擦ディスクがブレーキディスクに接触していると解釈される。
それに関連する電動機の角度位置は零位置と定義される。
締付け力を発生するために、モータは所定の角度だけ更に駆動可能である。この場合、零位置からのモータの駆動と、加えられる締付け力との関係が考慮される。
ブレーキ解除時には、スピンドルは先ず最初に、零位置に達するまで後退させられ、そして空隙に相当する量だけ更に後退させられる。このような空隙調節は非常に不正確であり、更にブレーキ操作の範囲内でのみ行うことができる。制動とは関係なく、空隙を調節することは不可能である。
上記の米国特許明細書に記載のブレーキの場合には、中立位置または零位置を測定できるようにするために、力センサを必ず設ける必要がある。その際、このような力センサの信号がドリフトするので、実際に力の作用を測定できるようにするためには、かなりの電子手段が必要である。従って、最近の開発では、このようなセンサを省略し、ブレーキ操作のために必要な情報を、他のセンサ、例えば車輪速度を検出するセンサの信号から導き出す傾向がある。
しかし、これは、米国特許明細書記載の中立位置測定方法の実施を不可能にする。
そこで、本発明の課題は、力センサを使用しないで空隙を調節することができる、制御または調節装置を提供することである。
本発明の他の課題は、ブレーキ操作とは関係なく作動し、更に自動車の走行中も空隙の再調節を可能にする、空隙を認識および再調節するための、制御または調節装置を提供することである。
この課題は請求項１の、電動操作可能なブレーキの制御および調節装置によって解決される。
空隙を調節できるようにするためにおよびブレーキを所定の態様で操作できるようにするためには、モータのどの角度位置で、すなわち中立位置で、摩擦要素が摩擦面に当たるかを検出する必要がある。それによって、中立位置を定めることができる。
摩擦要素が摩擦面に当たることは、いわゆる検出運動中に検出装置によって検出される。検出装置が接触信号を発生すると、駆動する電動機のそれに関連する角度位置を、零位置または中立位置として定めることができる。続いて、摩擦パッドは位置制御されて、前もって定めた空隙Δφを維持する位置に後退させられる。
位置制御とは、電動機がコントローラによって設定される角速度で回転するように駆動されることを意味する。コントローラは、得ようとするモータ角度目標値とモータ角度実際値との差から、角速度目標値を演算する。これにより、目標空隙を迅速にかつ細かく調節することができる。
摩擦パッドがブレーキディスクに接触するかどうかを検出する検出装置は、二つの方法で実施可能である。
第１の方法では、電動機をほぼ一定のトルクで作動させることにある。そのために、モータは一定のモータ電流目標値で駆動される。これは、このような操作装置に一般的に使用されるモータの場合には、ほぼ一定のモータトルクを生じる。
この方法の場合には、摩擦要素がまだ空隙を有する間、すなわち摩擦要素が摩擦ディスクから離れている間は、モータは増大する角速度で回転する。摩擦要素がブレーキディスクの摩擦面に当たることは次のようにして検出することができる。空隙を克服する間、モータ軸の角速度と角加速度が観察される。そのために、リゾルバの信号が関連づけられ、この信号はモータの電子的な整流（転流）を行うために役立つ。
その際、モータトルクは、連結された機構を含むモータの摩擦モーメントよりも少しだけ大きくなるように調節される。残りの有効トルクはモータ軸を少し加速し、ブレーキディスクの方へ摩擦パッドまたは摩擦要素を加速近接させる。これにより、前もって知られていないストロークを進んだ後で、摩擦パッドは小さな力でブレーキディスクの摩擦面に当たる。その結果生じるモータの負荷トルクは先ず最初に、モータ加速を低減し、続いて停止状態までモータ角速度を減速（負の加速）させる。この検出運動のために予め設定されたモータトルクが小さなモータ加速トルクを発生するので、摩擦ディスクへの摩擦パットの当接は、ほとんど直ちに生じるモータ加速度の正負の符号の逆転を生じる。
モータ加速度の零通過は、摩擦面に対する摩擦パッドの当接のための接触信号として役立つ。零通過の時点でのモータ軸はモータの中立位置または零位置を生じる。
有効モータトルクが非常に小さいので、摩擦面に対する摩擦パッドの当接は、車輪をほとんど減速しない。従って、基本思想は、摩擦パッドが小さな力で摩擦面の方へ始動し、摩擦面に摩擦要素が当接する際に、車両を減速するほどの大きな力が伝達されないようにすることにある。
検出装置を実施するための第２の方法は、接触ピンを摩擦パッド内に設けることにある。この接触ピンがブレーキディスクに当接するときに、接触ピンは電流回路を閉じ、それによって検出装置内で接触信号を発生する。この場合、検出運動は、位置制御されて行われる。すなわち、制御された角速度で行われる。摩擦パッド内に設けた接触ピンは摩擦パッドを通って摩擦ディスクの方へ延び、従って摩擦パッドと同じように摩耗する。
中立位置を測定するための上記の両方法は、力センサを省略することができるという利点がある。
モータの角速度変化を監視する、中立位置を測定するための方法は特に、モータの電子的な整流のために必要な既に存在する回転センサの信号を利用するという利点がある。
それによって、検出装置が接触信号を発生すると、両方法の場合、摩擦パッドは位置制御されて、予め定めた空隙を維持する位置に戻される。後退ストロークのとき、すなわち実際の空隙が調節されるときに、モータはコントローラによって予め設定された角速度が回転するように制御される。コントローラは、得ようとするモータ目標角度とモータ実際角度の差から、角速度目標値を演算する。これにより、目標空隙を迅速にかつ精密に調節することができる。
次に、複数の図に基づいて本発明思想を詳しく説明する。
図１は電動機で操作される車輪ブレーキの典型的な構造を示す図、
図２は電動機作動のためのブロック線図、
図３と図４は摩擦パッドがブレーキディスクに接触しているかどうかを認識するための装置を示す図である。
図１は電気機械的に操作可能な浮動キャリパ式ディスクブレーキを示す。このブレーキの以下に説明する作動は勿論、すべての種類のディスクブレーキおよびドラムブレーキに適用可能である。
浮動キャリパ式ディスクブレーキは、ブレーキディスク３と相対的に摺動可能に支承されたブレーキキャリパ１と、電動機（モータ）２を備えている。このモータのケーシング８はブレーキキャリパ１に固定されている。ブレーキディスクの両側には各々１個の摩擦パッド（摩擦ライニング）４，５が設けられている。第１の摩擦パッド４は電動機２によって駆動されるスピンドル１４に支持されているので、電動機２によってブレーキディスク３に押し付け可能である。第２のブレーキパッド５はブレーキキャリパ１に固定され、第１のパッド４をブレーキディスク３に当てるときにキャリパ１に伝達される反力によって、ブレーキディスクの他の側に押し付けられる。
電動機２は持続的に電圧を印加され電子的に整流（転流）可能なモータである。このモータのステータ９はケーシング８内に固定されて設けられている。その際、ステータ９は公知のごとくコイルシステムとして形成されている。ロータ１０はブレーキキャリパ内に回転可能に支承された中空軸１５からなっている。中空軸の外側には複数の永久磁石セグメント２９が設けられている。この永久磁石セグメントは中空軸１５に固定連結されている。ステータ９によって生じる磁場は磁石セグメント２９の永久磁場と協働し、中空軸１５を回転させる。この回転はローラねじ伝動装置によってスピンドル１４の軸方向運動を行う。そのために、中空軸１５の内面とスピンドル１４の外面にそれぞれねじが設けられ、このねじはそれぞれ軸線平行なねじ付きローラ１２，１３のねじに係合している。
スピンドル１４は内側段差部２０を有する中空円筒体として形成されている。この段差部２０には、半球状凹部を備えたキャップ２２が支持され、このキャップには押圧棒２３が接触している。この押圧棒の他端は半球状凹部を備えた他のキャップ２２Ａに支持されている。この他のキャップは第１の摩擦パッド４のバッド支持体２４に相対回転しないように連結されている。
モータ２は更に、いわゆるリゾルバ３０を備えている。このリゾルバは空隙によって互いに分離された互いに同軸の２個のリング３１，３２からなっている。この場合、半径方向内側にあるリング３１は保持要素３３を介して中空軸１５に連結されている。半径方向外側のリング３２はケーシング８に連結されている。リゾルバの信号は一方では、モータを整流するために、すなわち移動磁場が生じるようにステータ９の給電を行うために役立ち、他方ではロータの相対角度位置を測定する。ロータの角度位置がスピンドルの軸方向位置と直接関連するので、リゾルバの信号はブレーキキャリパ１内でのスピンドル１３の位置も示す。
上述のブレーキの操作は電動機２に給電することによって行われる。
その際、ブレーキは次の機能を満たさなければならない。
１．ブレーキをかける。
これは、摩擦パッド４，５が所定の力、すなわち締付け力でブレーキディスクに押し付けられ、それによって摩擦力が、ブレーキディスク３に連結された車輪を減速する制動モーメントを発生することを意味する。ブレーキをかけるときに、減速目標信号と減速実際信号の差から、目標角速度が調節されるので、モータには所望の角速度を生じる電流の強さが供給される。
２．ブレーキ解除
これは、締付け力が低下し、それによって運転者が望む車両減速に適合することを意味する。
３．空隙の調節
これは、制動後、ブレーキパッド３，４がブレーキディスクに対して間隔を保つように、電動機を作動させなければならないことを意味する。この間隔は空隙と呼ばれる。このような空隙の保持は、ブレーキ作用を意図しないときに摩擦パッドがブレーキディスクと摩擦することを防止する。
図１に示すように、第２の摩擦パッド５は接触ピンを備えている。この接触ピンはパッドを通ってディスクまで延びている。類似の接触ピンが第１のブレーキパッド４のために設けられている。ブレーキパッドが図１に示すようにディスクに接触するときに、接触ピンの尖端とブレーキディスクが軽く接触する。それによって、後述するように、電流回路が閉じることができる。
リゾルバ３０はロータスリーブ１５の角度位置、ひいてはスピンドル１４の位置についての相対的な角度測定を可能にする。図１に示した機構の構造は、空隙の直接的な測定技術的検出を意図しない。しかし、パッド摩耗と熱の影響により、スピンドルの軸方向位置とブレーキをかける力との間の関係が変化する。更に、電気機械的に操作可能なブレーキのための作動装置のスイッチが投入されるときに、実際の空隙状況が完全には知られていないという問題がある。これは作動装置のスイッチオンの直後、空隙の調節の決定を必要とする。すなわち、空隙が知られていると、制動をはるかに精密に実施することができる。というのは、本来の制動への移行を正しい角度位置で行うことができるからである。空隙の正確な大きさを知ることは特に、加えられる制動力を制御しないで調節しなければならないときに必要である。
実際の空隙状況を測定するためおよび空隙を調節するために、電動機とそれに関連するブレーキの作動が図２に示してある。電動機２の給電はいわゆる電子式サーボブースタ４０によって行われる。このサーボブースタの入力部４１は２つの経路を介して監視モジュール４２に接続されている。サーボブースタは２つの運転モードで動作することができる。入力部４１には入力変数としてモータの目標角速度が入力される。出力部４３から、内部最終ステージが電動機のためのモータ電流を供給する。このモータ電流は、予め定めた角速度または予め定めた角速度変化が入力部４１で保たれるように調節可能である。そのために、サーボブースタ内で、リゾルバ信号３０の内部フィードバックが行われる。そのとき、サーボブースタは運転モード“モータ回転数制御”で動作する。そのために、制御入力部４４には信号Ｓ＝１が供給される。
サーボブースタは運転モード“モータトルク制御”で運転することも可能である。そのために、サーボブースタ内の内部フィードバックが遮断されるので、出力部４３のモータ電流の強さは、入力部４１の量にのみ依存する。このモードは、制御入力部４４に値Ｓ＝０が供給されるときに達成される。この運転モードでは、入力部４１には、入力量としてモータトルクの目標値が供給される。
監視モジュール４２は第１の出力部で目標モータトルク信号Ｍ_M,soll５１を供給し、第２の出力部で目標角度信号φΦ_soll５２を供給する。
第３の出力部５３では、制御信号Ｓは０または１にセットされる。
入力部５５には接触信号が供給される。
実際の空隙状況を検出し、空隙を調節するための制御および調節システムの作動開始は、入力部５４の制御変数によって行われる。この制御変数は必要なときに、例えば空隙が検出され、新たに調節されるときに、図示していない上位の機能ユニットによってセットされる。
適合した新しい空隙を調節できるようにするためには先ず最初に、新しい中立位置を検出しなければならない。そのためには、接触信号を発生する必要があるので、信号の発生時点でモータの角度位置を新しい中立位置として定めることができる。
新しい中立位置の検出はいろいろな方法で行うことができる。
その一例を次に説明する。先ず最初に、制御出力部５３で信号Ｓ＝０がセットされる。それによって、サーボブースタは運転モード“モータトルク制御”で動作する。Ｓ＝０のときに、監視モジュール４２の出力部５２とサーボブースタ４０の間の経路内のスイッチ６０が遮断される。出力部５１の信号だけが、開放したスイッチ６１を経てサーボブースタの入力部４１に導かれる。サーボブースタは、摩擦パッドがブレーキディスクの方へ移動するように電動機２を駆動する。
その際、目標トルクは、前もって定められたスタート値から出発して、モータ速度信号によって移動が確実に識別されるかまたは目標トルクの所定の上限に達するまで、段階的に高められる。
上限に達すると、ブレーキがかけられた状態にあることは明らかである。この場合、Ｓ＝１にセットされ、電動機は一定の角度変化だけ戻るように位置制御される。移動の終了後、中立位置を検出するための新たな試みが行われる。
モータの運動が開始されて、所定の最低角度変化を上回った後で空隙検出が開始される。最低角変化を考慮することにより、静止摩擦作用または滑り摩擦作用によってあるいは既存の小さな負荷トルクによって、運動が短時間だけ生じることが防止される。この短時間の運動は確実な検出を不可能にする。作動開始後、角加速度が監視される。
ブレーキパッドを当てる際にサーボブースタ４０が運転モード“トルクコントロール”で作動するので、すなわち一定のモータトルクで駆動されるので、モータの角速度は予め定めた加速トルクに基づいて連続的に上昇する。摩擦要素がブレーキディスクに接触するや否や、モータの負荷が急激に上昇するので、モータの角速度は停止状態まで急に遅くなる。その際、角加速度は零値を通過する。この零値は検出装置５６に記憶され、接触信号として、すなわちブレーキパッドがブレーキディスクに接触することを示す信号として評価可能である。この接触信号はモジュール４２の入力部に供給される。
他の例は図３に示した接触検出器の構造を有する。そのために、両ブレーキパッド３，４は各々１本の接触ピン７０，７１を備えている。この接触ピンはそれぞれのパッドを通過し、パッドの摩擦面で終わっている。摩擦面がディスク３に当たると、接触ピンはブレーキディスクに接触し、電流回路を閉じる。
図３において、接触ピン７０は電圧源７２の一方の極に接続され、接触ピン７１は電圧源７２の他方の極に接続されている。この電流回路には発光ダイオード７３が設けられ、この発光ダイオードの光は光感知要素７４に当たる。
光感知要素に電流が通じると、インバータ７６の逆変換後、出力部７５を支配する信号は接触信号Ｋとして評価され、入力部５５に供給される。
電流回路の直流電気的分離は必要である。というのは、ブレーキディスクが車両電気系（搭載電源網）の地電位に接続されているからである。
回路の他の例が図４に示してある。各々の接触ピン７０，７１は車両電気系の固有の回路内にある。ブレーキパッドがブレーキディスクに当たると、車両電気系の地電位に対する接続が行われるので、両接触ピンはアースに接続される。これに対応して、インバータ８０，８１の出力信号には、電圧がかけられる。この電圧はＡＮＤゲート８２で接触信号として組み合わせられる。
すなわち、両者の場合、接触信号は、両摩擦要素がブレーキディスクに接触するときにのみ生じる。
上記の空隙調節方法が、所定の試験運動を有する所定の試験サイクルを考慮するので、ブレーキ解除後この方法に基づいて摩耗による再調節を直ちに行うことはできない。摩耗による再調節のために上記の方法を用いるときには、再調節を別々に行わなければならない。その際、制動後その都度、別個の摩耗再調節は必ずしも必要ではない。摩耗による再調節がいつ必要であるかは、測定技術的に供することができる関連信号と、長期間にわたるその評価に基づいて定めることができる。

Claims (5)

1. 電動式ブレーキが、制動すべき部材と共に動く部材上に形成された第１の摩擦面と、電動機によって第１の摩擦面の方へ移動可能である摩擦要素上に形成された第２の摩擦面とを備え、第１と第２の摩擦面が互いに空隙を保っており、電動式ブレーキは、更に電動機のロータの回転角度を直接的または間接的に検出する手段と、第１の摩擦面と第２の摩擦面が接触しているかどうかを検出することができ、その接触を検出した場合に接触信号を発生する接触検出手段とを備えた、電動式ブレーキを制御または調節するための装置において、第１の摩擦面が第２の摩擦面と接触した時のロータの回転角度を測定するために、第２の摩擦面が第１の摩擦面の方へ移動するように、電動機を一定の回転トルクで駆動して、角加速度の零通過にもとづき接触信号を発生させる形で、第１の摩擦面が第２の摩擦面と接触した時のロータの回転角度を検出する手段によって導出されるロータの角速度の変化を評価することを特徴とする装置。
2. 電動機が所定の回転数であるいは所定のトルクで運転可能であるように、電動機のドライブが設計されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 接触検出手段の応答時に、電動機が角速度の調節または制御によって予め定められた空隙に戻されることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 電動機がサーボブースタを介して駆動され、このサーボブースタが切換え要素を介して運転モード“トルク制御”または運転モード“回転数制御”に切換え可能であることを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 制御装置が切換え信号をサーボブースタに供給するモジュールを含んでいることを特徴とする請求項４記載の装置。

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