WO2008071578A1 - Separate detection of application and friction forces on a brake - Google Patents

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WO2008071578A1
WO2008071578A1 PCT/EP2007/063173 EP2007063173W WO2008071578A1 WO 2008071578 A1 WO2008071578 A1 WO 2008071578A1 EP 2007063173 W EP2007063173 W EP 2007063173W WO 2008071578 A1 WO2008071578 A1 WO 2008071578A1
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force
friction lining
deformation component
electrically detectable
deformation
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Application number
PCT/EP2007/063173
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Inventor
Andreas Grätz
Stefan Breitschuh
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60TVEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17Using electrical or electronic regulation means to control braking
    • B60T8/171Detecting parameters used in the regulation; Measuring values used in the regulation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60TVEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T8/00Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/32Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration
    • B60T8/52Torque sensing, i.e. wherein the braking action is controlled by forces producing or tending to produce a twisting or rotating motion on a braked rotating member
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
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    • F16D65/02Braking members; Mounting thereof
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    • F16D65/092Bands, shoes or pads; Pivots or supporting members therefor for axially-engaging brakes, e.g. disc brakes
    • GPHYSICS
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D66/00Arrangements for monitoring working conditions, e.g. wear, temperature
    • F16D2066/005Force, torque, stress or strain

Definitions

  • the present invention relates to the separate detection of application force and braking force to a braking device.
  • a friction lining is generally pressed against a surface, referred to as a braking surface, of a subject movably arranged relative to the friction lining, the braking object.
  • a frictional force arises therebetween, which is proportional to the proportion of the pressure force that is normal to the contact surface between the friction lining and the braking object. This frictional force is called braking force below.
  • the brake object In vehicle brakes, the brake object is usually designed as a brake disc. Depending on the type of brake arrangement used, however, the brake object can also assume other configurations; in motor vehicles, for example, the form of a hollow drum, or in rail vehicles, e.g. the shape of an impeller. If not the object movably arranged relative to the brake lining itself, but the device bearing the friction lining is delayed or held, then, as is usual with a rail brake, the braking object can also assume a rail-shaped formation.
  • the normal force is the manipulated variable and the braking force is the controlled variable. Since the coefficient of friction between friction lining and object to be braked is greatly influenced by the temperature at the interface, but also environmental conditions such as moisture or variations in the roughness of the braking surface can lead to a change in the coefficient of friction, can not close directly on the friction or braking force achieved by the normal force. To control the braking force, therefore, the frictional force itself must be detected.
  • the determination of the normal force usually takes place via the measurement of the application force.
  • force sensors are often used in the support of a friction lining on the brake caliper. Instead of this direct detection of the application force, this can also be derived indirectly from the widening of the brake caliper when applying the brake.
  • the measurement of the widening is carried out by means of displacement sensors, wherein the clamping force is usually deduced from the different widening of a loaded and an unloaded arm of the brake caliper.
  • Another way of determining the application force is to perform a strain measurement on a representative point of the caliper followed by a conversion of the strain into the application force.
  • measuring hubs are currently used in vehicle construction.
  • the friction force is determined by recalculation via the friction wheel.
  • Corresponding systems can be integrated into the vehicle rim or mounted on the suspension of a vehicle. Due to their size, however, they are only as development can be used and not used as part of a braking force control.
  • the object of the invention is to provide a device which detects the normal force and frictional force occurring between a friction lining and a movable object arranged movably relative to the friction lining separately and has a small overall size.
  • the invention comprises a device for detecting a, occurring between a friction lining and a relative to this movable lent arranged object, normal force and mediated by the normal force between the friction lining and the article caused frictional force.
  • the device has a first sensor element, a second sensor element and a processing device.
  • the first sensor element is configured to convert a first deformation component into a first electrically detectable parameter representing the first deformation component
  • the second sensor element is configured to convert a second deformation component into a secondelectrically detectable parameter representing the second deformation component
  • the first deformation component and the second deformation component in each case represent a component of a deformation of a body and the first deformation component and the second deformation component each represent a component of a deformation of a body
  • the first deformation component occupies an angle ⁇ to the rubbing direction and the second deformation component an angle - ⁇ to the rubbing direction, and ⁇ is different from zero.
  • the device has a small size and is thus easily integrated into conventional brake systems.
  • Frictional force allows accurate control of the braking force of motor vehicles, machine tools or other machines.
  • the angle between the rubbing direction and the two deformation components is ⁇ 45 degrees, so that a high sensitivity and measuring quality of the force determination are achieved.
  • the processing device is expediently designed to determine the normal force and the frictional force on the basis of the first electrically detectable parameter and the second electrically detectable parameter.
  • the processing device is expediently designed to determine the normal force on the basis of an additive combination of the first electrically detectable parameter and the secondelectrically detectable parameter and the frictional force on the basis of a subtractive combination of the first electrically detectable parameter and the second electrically detectable parameter ,
  • the friction lining can be accommodated in a support device which has a rigid, for example non-positive, positive fit or cohesively executed connection with at least one, rigidly connected to the friction lining, thrust field, wherein the thrust field is adapted to receive the first sensor element and the second sensor element.
  • the support device with several, rigidly connected to the friction lining shear fields in turn is rigidly connected.
  • the first sensor element and the second sensor element are each arranged in the interior of the friction lining.
  • FIG. 1 shows a disk brake in a schematic representation
  • FIG. 2 shows the deformation of a body caused by the frictional force and normal force
  • FIG. 3 illustrates the tensioning and shear stress caused by the normal force and the frictional force, as well as their components in the respective measuring directions
  • Figure 4 shows an embodiment of a device for separate detection of acting on a friction lining normal and frictional force shows
  • Figure 5 shows a block diagram of the electronic component of a device for separately detecting the forces acting on a friction lining normal and frictional force.
  • FIG. 1 shows an example of a disk brake 10 in a schematic representation.
  • the brake object is formed by the brake disc 6 only partially shown.
  • the braking of the brake disc 6 is effected by means of two, arranged on opposite sides of the brake disc 6 and received in a floating caliper 4, friction linings 1 and 5.
  • the active friction lining 1 is attached to an application device having a fixedly connected to the caliper part 4 and 3 comprises a relative to the caliper 4 slidable part 2.
  • the passive friction lining 5 is firmly connected to the brake caliper.
  • To brake the brake disk 6, the active friction lining 1 of the brake 10 is pressed by the application device with a normal force N against a side surface of the brake disk 6.
  • the passive friction lining 5 is also pressed with the normal force N against the second side of the brake disc 6.
  • the normal force N on each of the brake linings 1 or 5 causes a frictional force R
  • the direction of the movement of the braking surface, ie the covered by the respective friction lining side surface of the brake disc 6, is opposite to the friction linings
  • normal force and friction force are arranged orthogonal to one another.
  • the normal force N leads to a compression
  • the friction force R leads to a distortion of a physical object subjected to these forces.
  • the rectangular cross-section of the friction lining 1 shown in FIG. 1 would thus have a diamond-shaped distortion during a braking operation. This is illustrated in Figure 2, wherein the unloaded body or object 11 with a solid, the deformed under the respective forces body 12, however, is shown with a dashed line.
  • the deformation of the article 11 by the friction force R is shown schematically.
  • the frictional force acts on the surface of the object 11, which bears against the braking surface of the brake object, and displaces it, due to the elastic deformability of the object 11, parallel to the opposite surface. If the surface shown in the illustration is marked with a measuring cross 13 whose bars form the diagonals of a square, then the measuring cross 13 is distorted under the influence of the frictional force R to the shape shown in dash-dotted line representation a.
  • Representation b of FIG. 2 shows the effect of the normal force N on the shape of the object 11.
  • the force N acting over the entire surface leads to a compression of the elastically deformable object, so that essentially changes its thickness in the form shown.
  • the effect of a combination of frictional force R and normal force N is illustrated in figure c of the figure, wherein the loading of the article 11 with these forces results in a distortion resulting in an upset, parallelogram shaped cross-sectional shape.
  • the elastic distortion is also expressed in the form of the illustrated mitverzerrten measuring cross 13, which forms the diagonal of a square in the unloaded state of the article 11. The distortion, exaggerated in FIG.
  • strain sensors each of the sensors being designed to measure a strain component in only one direction.
  • the measuring directions of the two sensors are arranged opposite attacking friction and normal force each at an angle and are also at an angle to each other.
  • FIG. 3 a the object 11 subjected to the normal force N and the frictional force R is shown in the non-distorted state.
  • the normal force N is directed against the ordinate y, the frictional force R in the direction of the abscissa x of a Cartesian coordinate system.
  • the normal force causes a compressive stress inside the article 11
  • Equation 1 denotes the area over which the normal force acts on the brake object 11.
  • the friction force R causes a shear stress
  • ⁇ ⁇ 0.5- ( ⁇ x + ⁇ y ) + 0.5- ( ⁇ x - ⁇ y ) -cos 2 ⁇ + ⁇ xy -sin 2 ⁇ ; (3a)
  • ⁇ ⁇ 0.5- ( ⁇ x + ⁇ y ) - 0.5- ( ⁇ x - ⁇ y ) -cos 2 ⁇ - ⁇ xy -sin 2 ⁇ ; (3b)
  • ⁇ ⁇ -0.5- ( ⁇ x - ⁇ y ) -sin 2 ⁇ + ⁇ xy -cos 2 ⁇ ; (4)
  • E is the modulus of elasticity and v is the transverse contraction number of the material from which the shear field is made.
  • ⁇ (- ⁇ ) is obtained in - ⁇ direction, i. the strain absorbed by the second strain sensor:
  • the difference of the strains in the respective measuring directions is therefore proportional to the friction force R according to equation 7a, while the sum of the strains in the respective measuring directions according to equation 7b is proportional to the normal force N.
  • This result also applies generally to measuring directions ⁇ and ⁇ , which include a different angle from zero at right angles.
  • C 2 in this case assumes 0.5 times the value of the maximum gain.
  • strain sensors in particular resistive (eg strain gauges), piezoresistive, capacitive (MEMS) and fiber optic (based on the Brugg bin) strain sensors can be used, which in a suitable manner to a normal and frictional force directly or indirectly exposed object 11 can be applied.
  • the strain sensors need not necessarily be mounted on the surface of the article 11, for example a friction lining 1 or 5, they may also be accommodated within the article in its volume. In any case, the strain sensors must be structurally connected to the article 11. An arrangement of the strain sensors in the interior of the article 11 can already take place during the manufacture of the object, but the strain sensors can also be subsequently introduced, for example by means of suitable adhesive, into the article.
  • the measuring cross can also be constructed with a strain gauge rosette.
  • the strain sensors are not attached to the friction linings 1 and 5 of the brake itself, but on a non-positively connected to a friction lining shear field. An example of this is shown in FIG.
  • the friction lining 1 or 5 is applied to a lining carrier 7, which is accommodated in a supporting device 8 designed as a frame construction.
  • a measuring cross 13 with two mutually arranged at an angle strain sensors is applied so that the strain sensors can detect the expansion components of the shear field in the respective measuring directions of the strain sensors. Due to the rigid connection, the forces acting on the friction lining forces are transmitted directly to the thrust field 9 and deform it according to the transmitted forces.
  • the arrangement of FIG. 4 may comprise a plurality of shear fields 9 to which the normal and frictional forces acting on the friction lining are transmitted.
  • the pusher fields can be connected to the lining carrier or the frame construction in each case rigidly or via a positive connection, which enables the introduction of force.
  • supporting device 8 and thrust field or shear fields can be formed in one piece.
  • the frame structure 8 is designed rigid enough that the forces discharged over it do not appreciably deform them.
  • the strain sensors 13 can be arranged both on the surface and in the volume of the pusher fields or 9. Notwithstanding the representation, the thrust field 9 can also be arranged so that it is subjected to train.
  • the expansion component of the thrust field 9 or of an object 11 transmitted to a strain sensor can be detected via a change in a parameter of the sensor associated with the strain.
  • the characteristic is generally formed by the resistance of the sensor element, in the case of fiber-optic strain sensors by the wavelength of the light reflected at the Bragg gratings.
  • the first strain sensor 14 and the second strain sensor 15 of the measuring cross 13 are usually already provided with a measuring circuit which supplies an electrical output signal representing the expansion of the respective sensor element. If the sensors are not equipped with a corresponding measuring circuit, the processing device 20 comprises sensors connected to the strain sensors 14 and 15, respectively
  • Measuring devices 21_1 and 21_2 for electrically detecting the change associated with the deformation of the respective strain sensor whose characteristic.
  • the electrical measuring signals output by the measuring circuits of the sensors 14 and 15 or by the measuring devices 21 1 and 21_ 2 connected to the sensors are forwarded to a summation device 22 and a subtraction device 23 of the processing device 20.
  • a difference-forming device 23 an output signal is generated on the basis of a difference of the measuring signals from the sensors 14 and 15, which represents the frictional force R in an arrangement which corresponds to the representations of the figures 2 or 4.
  • the output signal generated by the summation means 22 based on a sum of the measurement signals from the sensors 14 and 15 represents the normal force N.
  • the present invention enables the separate detection of the force exerted on a friction lining of a brake normal force and thereby caused frictional force at the interface between the friction lining and the brake object.
  • the small size of the strain sensors used to determine the forces allows the integration of the measuring apparatus in conventional brake systems, whereby a regulation of the braking force during a braking operation is possible.
  • the measured quantities recorded are independent of the distance between the friction plane and the measuring point, so that lining wear has no effect on the measurement. Due to the measurement in the immediate vicinity of the frictional contact the disturbing influences are minimized by possibly acting inertial forces.

Abstract

The invention relates to a device for detecting a normal force (N), which occurs between a friction lining (1, 5) and an object (6) displaceably arranged relative thereto, and a friction force (R) brought about between the friction lining (1, 5) and the object (6) transmitted via the normal force (N), wherein the device comprises a first sensor element (14), which is designed for the conversion of a first deformation component (e(a)) into a first electrically detectable characteristic representing the first deformation component. The device comprises a second sensor element (15), which is designed for the conversion of a second deformation component (e(-a)) into a second electrically detectable characteristic representing the second deformation component. The device further comprises a processing unit (20) for processing at least the first electrically detectable characteristic and the second electrically detectable value. The first deformation component and the second deformation component each represent a component of a deformation of a body (1, 5, 9, 11), wherein the first deformation component assumes an angle a to the frictional direction and the second deformation component assumes an angle -a to the frictional direction and a is different from zero.

Description

Beschreibungdescription
Separate Erfassung von Zuspann- und Reibkräften an einer BremseSeparate detection of application and friction forces on a brake
Die vorliegende Erfindung betrifft die separate Erfassung von Zuspannkraft und Bremskraft an einer Bremseinrichtung.The present invention relates to the separate detection of application force and braking force to a braking device.
Bei einer auf einer Reibwirkung beruhenden Bremsanordnung wird zum Erzielen einer Bremswirkung im Allgemeinen ein Reibbelag gegen eine als Bremsfläche bezeichnete Oberfläche eines relativ zum Reibbelag beweglich angeordneten Gegenstands, den Bremsgegenstand, gedrückt. Durch das Andrücken des Reibbelags an den Bremsgegenstand entsteht zwischen diesen eine Reib- kraft, die proportional dem normal zur Berührungsfläche zwischen Reibbelag und Bremsgegenstand ausgerichteten Anteil der Druckkraft ist. Diese Reibkraft wird im Folgenden Bremskraft genannt .In a braking arrangement based on a friction effect, in order to achieve a braking effect, a friction lining is generally pressed against a surface, referred to as a braking surface, of a subject movably arranged relative to the friction lining, the braking object. By pressing the friction lining against the brake object, a frictional force arises therebetween, which is proportional to the proportion of the pressure force that is normal to the contact surface between the friction lining and the braking object. This frictional force is called braking force below.
Bei Fahrzeugbremsen ist der Bremsgegenstand üblicherweise als Bremsscheibe ausgeführt. Je nach verwendeter Art der Bremsanordnung kann der Bremsgegenstand jedoch auch andere Ausgestaltungen annehmen; bei Kraftfahrzeugen beispielsweise die Form einer Hohltrommel, oder bei Schienenfahrzeugen z.B. die Form eines Laufrads. Wird nicht der relativ zum Bremsbelag beweglich angeordnete Gegenstand selbst, sondern die den Reibbelag tragende Vorrichtung verzögert oder gehalten, dann kann, wie es bei einer Schienenbremse üblich ist, der Bremsgegenstand auch eine schienenförmige Ausformung annehmen.In vehicle brakes, the brake object is usually designed as a brake disc. Depending on the type of brake arrangement used, however, the brake object can also assume other configurations; in motor vehicles, for example, the form of a hollow drum, or in rail vehicles, e.g. the shape of an impeller. If not the object movably arranged relative to the brake lining itself, but the device bearing the friction lining is delayed or held, then, as is usual with a rail brake, the braking object can also assume a rail-shaped formation.
Bei Werkzeugmaschinen und maschinell angetriebenen Fahrzeugen werden hohe Anforderungen an die Steuerung der Bremskraft gestellt. Vor allem bei Kraftfahrzeugen können die hohen Anforderungen an Fahrdynamik, Fahrsicherheit und Komfort nur er- füllt werden, wenn die Bremskraft der Fahrzeugbremsen genau geregelt werden kann, wobei in Abweichung vom üblichen deutschen Sprachgebrauch in dieser Schrift nicht zwischen den Begriffen Steuern und Regeln unterschieden wird. Vielmehr werden beide Begriffe und ihre grammatikalischen Abwandlungen, soweit nicht explizit anders angegeben, in synonymer Weise verwendet, die sowohl eine Steuerung mittels einer Stellgröße als auch eine Regelung umfasst, bei der eine Re- gelgröße mit einer Führungsgröße verglichen wird.In machine tools and machine-driven vehicles, high demands are placed on the control of the braking force. Especially in motor vehicles, the high demands on driving dynamics, driving safety and comfort can only be met if the braking force of the vehicle brakes can be accurately controlled, and in this case, not differing from the usual German usage in this document between the terms tax and rules. Much more Both terms and their grammatical modifications are used synonymously, unless explicitly stated otherwise, which includes both a control by means of a manipulated variable and a control in which a control variable is compared with a reference variable.
Bei einem Bremssystem stellt die Normalkraft die Stellgröße und die Bremskraft die Regelgröße dar. Da der Reibwert zwischen Reibbelag und abzubremsendem Gegenstand in großem Aus- maß von der Temperatur an der Grenzfläche beeinflusst wird, aber auch Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Feuchtigkeit oder Variationen in der Rauhigkeit der Bremsfläche zu einer Änderung des Reibwerts führen können, lässt sich über die Normalkraft nicht unmittelbar auf die damit erzielte Reib- bzw. Bremskraft schließen. Zur Regelung der Bremskraft muss daher die Reibkraft selbst erfasst werden können.In a braking system, the normal force is the manipulated variable and the braking force is the controlled variable. Since the coefficient of friction between friction lining and object to be braked is greatly influenced by the temperature at the interface, but also environmental conditions such as moisture or variations in the roughness of the braking surface can lead to a change in the coefficient of friction, can not close directly on the friction or braking force achieved by the normal force. To control the braking force, therefore, the frictional force itself must be detected.
Bei Scheibenbremsen erfolgt die Ermittlung der Normalkraft üblicherweise über die Messung der Zuspannkraft . Hierzu wer- den häufig Kraftsensoren in der Abstützung eines Reibbelags am Bremssattel verwendet. Statt dieser direkten Erfassung der Zuspannkraft, kann diese auch indirekt aus der Aufweitung des Bremssattels beim Zuspannen der Bremse abgeleitet werden. Die Messung der Aufweitung erfolgt dabei mithilfe von Wegsenso- ren, wobei auf die Zuspannkraft üblicherweise aus der unterschiedlichen Aufweitung eines belasteten und eines unbelasteten Arms des Bremssattels geschlossen wird. Eine weitere Art der Bestimmung der Zuspannkraft besteht in einer Dehnungsmessung an einer repräsentativen Stelle des Bremssattels gefolgt von einer Umrechnung der Dehnung in die Zuspannkraft.In disc brakes, the determination of the normal force usually takes place via the measurement of the application force. For this purpose, force sensors are often used in the support of a friction lining on the brake caliper. Instead of this direct detection of the application force, this can also be derived indirectly from the widening of the brake caliper when applying the brake. The measurement of the widening is carried out by means of displacement sensors, wherein the clamping force is usually deduced from the different widening of a loaded and an unloaded arm of the brake caliper. Another way of determining the application force is to perform a strain measurement on a representative point of the caliper followed by a conversion of the strain into the application force.
Zur Ermittlung der Reibkraft bzw. Bremskraft werden im Fahrzeugbau gegenwärtig Messnaben verwendet. Die Bestimmung der Reibkraft erfolgt dabei durch Rückrechnen über den Reibradi- us. Entsprechende Systeme können in die Fahrzeugfelge integriert oder an der Radaufhängung eines Fahrzeugs montiert werden. Aufgrund ihrer Baugröße sind sie jedoch nur als Entwick- lungssysteme einsetzbar und nicht als Teil einer Bremskraftregelung verwendbar.In order to determine the frictional force or braking force, measuring hubs are currently used in vehicle construction. The friction force is determined by recalculation via the friction wheel. Corresponding systems can be integrated into the vehicle rim or mounted on the suspension of a vehicle. Due to their size, however, they are only as development can be used and not used as part of a braking force control.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die die zwischen einem Reibbelag und einem relativ zu dem Reibbelag bewegbar angeordneten Gegenstand auftretende Normalkraft und Reibkraft getrennt er- fasst und eine geringe Baugröße aufweist.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a device which detects the normal force and frictional force occurring between a friction lining and a movable object arranged movably relative to the friction lining separately and has a small overall size.
Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der Erfindung gelöst.The object is achieved according to the independent claims of the invention.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Erfassen einer, zwischen einem Reibbelag und einem relativ zu diesem beweg- lieh angeordneten Gegenstand auftretenden, Normalkraft und einer vermittelt über die Normalkraft zwischen dem Reibbelag und dem Gegenstand bewirkten Reibkraft. Die Vorrichtung weist ein erstes Sensorelement, ein zweites Sensorelement und eine Verarbeitungseinrichtung auf. Das erste Sensorelement ist zur Wandlung einer ersten Deformationskomponente in eine, die erste Deformationskomponente repräsentierende, erste elektrisch erfassbare Kenngröße, das zweite Sensorelement ist zur Wandlung einer zweiten Deformationskomponente in eine die zweite Deformationskomponente repräsentierende zweite elekt- risch erfassbare Kenngröße ausgebildet, wobei die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers repräsentieren und die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers repräsentieren, und wobei die erste Deformationskomponente einen Winkel α zur Reibrichtung und die zweite Deformationskomponente einen Winkel -α zur Reibrichtung einnimmt, und α von Null verschieden ist.The invention comprises a device for detecting a, occurring between a friction lining and a relative to this movable lent arranged object, normal force and mediated by the normal force between the friction lining and the article caused frictional force. The device has a first sensor element, a second sensor element and a processing device. The first sensor element is configured to convert a first deformation component into a first electrically detectable parameter representing the first deformation component, the second sensor element is configured to convert a second deformation component into a secondelectrically detectable parameter representing the second deformation component, the first deformation component and the second deformation component in each case represent a component of a deformation of a body and the first deformation component and the second deformation component each represent a component of a deformation of a body, and wherein the first deformation component occupies an angle α to the rubbing direction and the second deformation component an angle -α to the rubbing direction, and α is different from zero.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwand- lungen, generell das Vorhandensein von Merkmalen, wie z.B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen mehr angeben, jedoch in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.In this context, it should be noted that the terms "comprise", "comprise", "include" and "with" used in this description and the claims for claiming features and their grammatical variations generally indicate the presence of features such as process steps, facilities, areas, sizes, and the like, but in no way exclude the presence of other or additional features or groupings of other or additional features.
Die Vorrichtung weist eine geringe Baugröße auf und ist somit leicht in herkömmliche Bremssysteme integrierbar. Die Erfassung von Normalkraft und einer vermittelt über die Normal- kraft zwischen dem Reibbelag und dem Gegenstand bewirktenThe device has a small size and is thus easily integrated into conventional brake systems. The detection of normal force and a mediated by the normal force between the friction lining and the object caused
Reibkraft ermöglicht eine genaue Regelung der Bremskraft von Kraftfahrzeugen, Werkzeugmaschinen oder anderen Maschinen.Frictional force allows accurate control of the braking force of motor vehicles, machine tools or other machines.
Die Erfindung wird in ihren abhängigen Ansprüchen weiterge- bildet.The invention is further developed in its dependent claims.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung beträgt der Winkel zwischen der Reibrichtung und den beiden Deformationskomponenten ±45 Grad, sodass eine hohe Empfindlichkeit und Messgüte der Kraftermittlung erreicht werden.In an advantageous development of the invention, the angle between the rubbing direction and the two deformation components is ± 45 degrees, so that a high sensitivity and measuring quality of the force determination are achieved.
Für ein unmittelbares Erfassen von Normal- und Reibkraft ist die Verarbeitungseinrichtung günstigerweise dazu ausgebildet, die Normalkraft und die Reibkraft auf der Grundlage der ers- ten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen. Hierbei ist die Verarbeitungseinrichtung zweckmäßig ausgebildet, die Normalkraft auf der Grundlage einer additiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elekt- risch erfassbaren Kenngröße und die Reibkraft auf der Grundlage einer subtraktiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.For an immediate detection of normal and frictional force, the processing device is expediently designed to determine the normal force and the frictional force on the basis of the first electrically detectable parameter and the second electrically detectable parameter. In this case, the processing device is expediently designed to determine the normal force on the basis of an additive combination of the first electrically detectable parameter and the secondelectrically detectable parameter and the frictional force on the basis of a subtractive combination of the first electrically detectable parameter and the second electrically detectable parameter ,
Damit die Sensorelemente nicht direkt an den sich verschleißenden Reibbelägen der Bremse angebracht werden müssen, kann der Reibbelag in einer Abstützeinrichtung aufgenommen sein, die eine starre, beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig ausgeführte Verbindung mit zumindest einem, mit dem Reibbelag starr verbundenen, Schubfeld aufweist, wobei das Schubfeld zur Aufnahme des ersten Sensorelements und des zweiten Sensorelements ausgebildet ist. Zur Erhöhung der Redundanz wie der Genauigkeit der Messung ist die Abstützeinrichtung mit mehreren, mit dem Reibbelag starr verbundenen Schubfeldern ihrerseits starr verbunden.So that the sensor elements do not have to be attached directly to the wear-resistant friction linings of the brake, the friction lining can be accommodated in a support device which has a rigid, for example non-positive, positive fit or cohesively executed connection with at least one, rigidly connected to the friction lining, thrust field, wherein the thrust field is adapted to receive the first sensor element and the second sensor element. To increase the redundancy as well as the accuracy of the measurement, the support device with several, rigidly connected to the friction lining shear fields in turn is rigidly connected.
Eine kostengünstige und mechanisch sehr stabile Ausführung der Vorrichtung wird durch eine einstückige Ausführung derAn inexpensive and mechanically very stable design of the device is characterized by a one-piece design of the
Abstützeinrichtung mit dem einen oder den mehreren Schubfeldern erreicht.Supporting achieved with the one or more shear fields.
Für ein Erfassen von Normal- und Reibkraft über die direkte Verformung eines Reibbelags sind das erste Sensorelement und das zweite Sensorelement jeweils im Inneren des Reibbelags angeordnet .For detecting normal and frictional force via the direct deformation of a friction lining, the first sensor element and the second sensor element are each arranged in the interior of the friction lining.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung je für sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfin- düng wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denenFurther features of the invention will become apparent from the following description of inventive embodiments in conjunction with the claims and the figures. The individual features can be realized in one embodiment according to the invention depending on one or more. In the following explanation of some embodiments of the invention düng reference is made to the accompanying figures, of which
Figur 1 eine Scheibenbremse in einer schematischen Darstellung zeigt,FIG. 1 shows a disk brake in a schematic representation,
Figur 2 die durch die Reibkraft und Normalkraft bewirkte Verformung eines Körpers zeigt,FIG. 2 shows the deformation of a body caused by the frictional force and normal force,
Figur 3 die durch die Normalkraft und die Reibkraft bewirkte Zuspannung und Schubspannung, sowie deren Komponenten in den jeweiligen Messrichtungen veranschaulicht, Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum gesonderten Erfassen der auf einen Reibbelag wirkenden Normal- und Reibkraft zeigt, undFIG. 3 illustrates the tensioning and shear stress caused by the normal force and the frictional force, as well as their components in the respective measuring directions, Figure 4 shows an embodiment of a device for separate detection of acting on a friction lining normal and frictional force shows, and
Figur 5 ein Blockschaltbild der elektronischen Komponente einer Vorrichtung zum gesonderten Erfassen der auf einen Reibbelag wirkenden Normal- und Reibkraft zeigt .Figure 5 shows a block diagram of the electronic component of a device for separately detecting the forces acting on a friction lining normal and frictional force.
Die Figur 1 zeigt ein Beispiel einer Scheibenbremse 10 in einer schematischen Darstellung. Der Bremsgegenstand wird von der nur teilweise dargestellten Bremsscheibe 6 gebildet. Das Abbremsen der Bremsscheibe 6 erfolgt mithilfe von zwei, an gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 6 angeordneten und in einem Schwimmsattel 4 aufgenommenen, Reibbelägen 1 und 5. Der aktive Reibbelag 1 ist an einer Zuspanneinrichtung angebracht, die einen fest mit dem Bremssattel 4 verbundenen Teil 3 und einen relativ zum Bremssattel 4 verschiebbaren Teil 2 umfasst. Der passive Reibbelag 5 ist fest mit dem Bremssattel verbunden. Zum Abbremsen der Bremsscheibe 6 wird der aktive Reibbelag 1 der Bremse 10 von der Zuspanneinrichtung mit einer Normalkraft N gegen eine Seitenfläche der Bremsscheibe 6 gedrückt. Beim Andrücken verschiebt sich der als Schwimmsattel ausgebildete Bremssattel 4 relativ zum Bremsgegenstand 6, wodurch der passive Reibbelag 5 ebenfalls mit der Normalkraft N gegen die zweite Seite der Bremsscheibe 6 gedrückt wird.FIG. 1 shows an example of a disk brake 10 in a schematic representation. The brake object is formed by the brake disc 6 only partially shown. The braking of the brake disc 6 is effected by means of two, arranged on opposite sides of the brake disc 6 and received in a floating caliper 4, friction linings 1 and 5. The active friction lining 1 is attached to an application device having a fixedly connected to the caliper part 4 and 3 comprises a relative to the caliper 4 slidable part 2. The passive friction lining 5 is firmly connected to the brake caliper. To brake the brake disk 6, the active friction lining 1 of the brake 10 is pressed by the application device with a normal force N against a side surface of the brake disk 6. When pressing the caliper 4 designed as a floating caliper shifts relative to the brake object 6, whereby the passive friction lining 5 is also pressed with the normal force N against the second side of the brake disc 6.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung einer Bremsvor- richtung bewirkt die Normalkraft N an jedem der Bremsbeläge 1 bzw. 5 eine Reibkraft R, deren Richtung der Bewegung der Bremsfläche, d.h. der von dem jeweiligen Reibbelag abgedeckten Seitenfläche der Bremsscheibe 6, relativ zu den Reibbelägen entgegengesetzt ist. Bei der in der Figur 1 gezeigten Scheibenbremse sind Normalkraft und Reibkraft orthogonal zueinander angeordnet. Beim Andrücken eines Reibbelags führt die Normalkraft N zu einer Komprimierung, die Reibkraft R dagegen zu einer Verzerrung eines diesen Kräften ausgesetzten körperlichen Gegenstands. Der rechteckförmige Querschnitt des in der Figur 1 dargestellten Reibbelags 1 würde während eines Bremsvorgangs somit eine rautenförmige Verzerrung aufweisen. Dies ist in der Figur 2 veranschaulicht, worin der unbelastete Körper bzw. Gegenstand 11 mit einer durchgezogenen, der unter den jeweiligen Krafteinwirkungen verformte Körper 12 dagegen mit einer strichpunktierten Linie dargestellt ist.Regardless of the specific embodiment of a brake device, the normal force N on each of the brake linings 1 or 5 causes a frictional force R, the direction of the movement of the braking surface, ie the covered by the respective friction lining side surface of the brake disc 6, is opposite to the friction linings , In the disk brake shown in FIG. 1, normal force and friction force are arranged orthogonal to one another. When a friction lining is pressed on, the normal force N leads to a compression, while the friction force R leads to a distortion of a physical object subjected to these forces. The rectangular cross-section of the friction lining 1 shown in FIG. 1 would thus have a diamond-shaped distortion during a braking operation. This is illustrated in Figure 2, wherein the unloaded body or object 11 with a solid, the deformed under the respective forces body 12, however, is shown with a dashed line.
In der Darstellung a von Figur 2 ist die Verformung des Gegenstands 11 durch die Reibkraft R schematisch gezeigt. Die Reibkraft greift an der, an der Bremsfläche des Bremsgegens- tands anliegenden Fläche des Gegenstands 11 an und verschiebt diese aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Gegenstands 11 parallel zur gegenüberliegenden Fläche. Wird die in der Darstellung gezeigte Oberfläche mit einem Messkreuz 13 markiert, dessen Balken die Diagonalen eines Quadrats bilden, so wird das Messkreuz 13 unter dem Einfluss der Reibkraft R zu der in der Darstellung a mit strichpunktierter Linie veranschaulichten Form verzerrt.In the representation a of Figure 2, the deformation of the article 11 by the friction force R is shown schematically. The frictional force acts on the surface of the object 11, which bears against the braking surface of the brake object, and displaces it, due to the elastic deformability of the object 11, parallel to the opposite surface. If the surface shown in the illustration is marked with a measuring cross 13 whose bars form the diagonals of a square, then the measuring cross 13 is distorted under the influence of the frictional force R to the shape shown in dash-dotted line representation a.
In der Darstellung b der Figur 2 ist die Auswirkung der Nor- malkraft N auf die Form des Gegenstands 11 dargestellt. Die über die gesamte Fläche wirkende Kraft N führt zu einer Stauchung des elastisch verformbaren Gegenstands, sodass sich im Wesentlichen seine Dicke in der gezeigten Form verändert. Die Auswirkung einer Kombination von Reibkraft R und Normalkraft N ist in der Darstellung c der Figur veranschaulicht, worin die Belastung des Gegenstands 11 mit diesen Kräften zu einer Verzerrung führen, die in einer gestauchten, parallelogramm- förmigen Form des Querschnitts resultiert. Die elastische Verzerrung drückt sich auch in der Form des dargestellten mitverzerrten Messkreuzes 13 aus, das im unbelasteten Zustand des Gegenstands 11 die Diagonalen eines Quadrats bildet. Die in Figur 2 übertrieben dargestellte Verzerrung des mit Kräften belasteten Körpers 12 kann über Dehnungssensoren er- fasst werden, wobei jeder der Sensoren zur Messung einer Dehnungskomponente in nur einer Richtung ausgebildet ist. Die Messrichtungen der beiden Sensoren sind dabei gegenüber angreifenden Reib- und Normalkraft jeweils in einem Winkel angeordnet und stehen auch zueinander in einem Winkel.Representation b of FIG. 2 shows the effect of the normal force N on the shape of the object 11. The force N acting over the entire surface leads to a compression of the elastically deformable object, so that essentially changes its thickness in the form shown. The effect of a combination of frictional force R and normal force N is illustrated in figure c of the figure, wherein the loading of the article 11 with these forces results in a distortion resulting in an upset, parallelogram shaped cross-sectional shape. The elastic distortion is also expressed in the form of the illustrated mitverzerrten measuring cross 13, which forms the diagonal of a square in the unloaded state of the article 11. The distortion, exaggerated in FIG. 2, of the force-loaded body 12 can be detected by means of strain sensors, each of the sensors being designed to measure a strain component in only one direction. The measuring directions of the two sensors are arranged opposite attacking friction and normal force each at an angle and are also at an angle to each other.
Im Folgenden werden die Dehnungen εζ und εη entlang der Mess- richtungen ζ bzw. η der jeweiligen Dehnungssensoren unter Bezugnahme auf die Figur 3 dargestellt. In der Figur 3a ist der, der Normalkraft N und der Reibkraft R ausgesetzte Gegenstand 11 im nicht verzerrten Zustand dargestellt. Die Normalkraft N ist dabei entgegen der Ordinate y, die Reibkraft R in Richtung der Abszisse x eines kartesischen Koordinatensystems gerichtet. Die Normalkraft bewirkt im Inneren des Gegenstands 11 eine DruckspannungThe following describes the strains ε ζ and ε η along the measuring directions ζ and η of the respective strain sensors with reference to FIG. In FIG. 3 a, the object 11 subjected to the normal force N and the frictional force R is shown in the non-distorted state. The normal force N is directed against the ordinate y, the frictional force R in the direction of the abscissa x of a Cartesian coordinate system. The normal force causes a compressive stress inside the article 11
σy=N/A, (1)σ y = N / A, (1)
die nur eine Komponente in y-Richtung aufweist, d.h. Ox=O. A bezeichnet in Gleichung 1 die Fläche, über die die Normalkraft auf den Bremsgegenstand 11 einwirkt. Die Reibkraft R bewirkt eine Schubspannungwhich has only one component in the y-direction, ie O x = 0. A in Equation 1 denotes the area over which the normal force acts on the brake object 11. The friction force R causes a shear stress
τxy=R/A, (2)τ xy = R / A, (2)
deren Flächennormale der x-Achse und deren Richtung der y- Achse entspricht. In Figur 3b ist das in Figur 3a mit einer gestrichelten Linie dargestellte Oberflächenelement unter Angabe der Spannungen vergrößert dargestellt. Um die Spannungen entlang der in der Figur 3c veranschaulichten Messrichtungen α bzw. -α zur Reibrichtung zu berechnen, müssen die Spannungen Oy, Ox, τxy und τyx in das ζ-η-Koordinatensystem der Mess- richtungen transformiert werden. Für die folgenden Berechnungen ist ohne Einschränkung der Allgemeinheit, sondern lediglich im Hinblick auf eine übersichtlichen Darstellung, ein kartesisches ζ-η Koordinatensystem unterstellt, das um einen Winkel α gegenüber dem x-y-Koordinatensystem gedreht ist. Damit erhält man für die Zuspannung in die jeweilige Messrichtung:whose surface normal corresponds to the x-axis and whose direction corresponds to the y-axis. In Figure 3b, the surface element shown in Figure 3a with a dashed line is shown enlarged, indicating the voltages. In order to calculate the stresses along the measuring directions α or -α to the rubbing direction illustrated in FIG. 3c, the voltages O y , O x , τ xy and τ yx must be transformed into the ζ-η coordinate system of the measuring directions. For the following calculations a Cartesian ζ-η coordinate system is assumed without restriction of generality, but only with a view to a clear representation Angle α is rotated relative to the xy coordinate system. This gives you for the tension in the respective measuring direction:
σζ = 0,5- (σx + σy) + 0,5- ( σx - σy) -cos2α + τxy-sin2α; (3a)σ ζ = 0.5- (σ x + σ y ) + 0.5- (σ xy ) -cos 2α + τ xy -sin 2α; (3a)
ση = 0,5- (σx + σy) - 0,5- ( σx - σy) -cos2α - τxy-sin2α; (3b)σ η = 0.5- (σ x + σ y ) - 0.5- (σ x - σ y ) -cos 2α - τ xy -sin 2α; (3b)
Für die Schubspannung τζη erhält man:For the shear stress τ ζη we obtain:
τζη = -0,5- (σx - σy) -sin2α + τxy-cos2α; (4)τ ζη = -0.5- (σ x - σ y ) -sin 2α + τ xy -cos 2α; (4)
Da σx=0 ist, vereinfachen sich Gleichung 3a und 3b zu:Since σ x = 0, equations 3a and 3b simplify to:
σζ = 0,5-Gy - 0,5-σy-cos2α + τxy-sin2α; (5a)σ ζ = 0.5-Gy - 0.5-σ y -cos2α + τ xy -sin2α; (5a)
ση = 0,5-Gy - 0,5-σy-cos2α - τxy-sin2α; (5b)σ η = 0.5-Gy - 0.5-σ y -cos2α - τ xy -sin2α; (5b)
Für die Dehnung εζ = ε (α) in α-Richtung, d.h. die Dehnung, die durch den ersten Dehnungssensor aufgenommen wird, gilt:
Figure imgf000011_0001
ε (α) = {0, 5σy- (1-v) • (l-cos2α) + (1+v) • τxy-sin2α}/E (6a)
For the strain ε ζ = ε (α) in the α-direction, ie the strain that is absorbed by the first strain sensor, the following applies:
Figure imgf000011_0001
ε (α) = {0, 5σ y - (1-v) • (l-cos2α) + (1 + v) • τ xy -sin2α} / E (6a)
worin E den Elastizitätsmodul und v die Querkontraktionszahl des Materials, aus dem das Schubfeld gefertigt ist, bedeuten.where E is the modulus of elasticity and v is the transverse contraction number of the material from which the shear field is made.
Analog erhält man für die Dehnung ε (-α) in -α-Richtung, d.h. die Dehnung, die durch den zweiten Dehnungssensor aufgenommen wird:Similarly, for elongation, ε (-α) is obtained in -α direction, i. the strain absorbed by the second strain sensor:
ε (-α) = {0, 5Gy- (1-v) (1-cos (-2α) ) + (1+v) τxy sin (-2α) } /E (6a)ε (-α) = {0, 5Gy- (1-v) (1-cos (-2α)) + (1 + v) τ xy sin (-2α)} / E (6a)
Mit cos2α = cos (-2α) und sin2α = -sin(-2α) erhält man somit:With cos2α = cos (-2α) and sin2α = -sin (-2α) one obtains thus:
ε(α)-ε(-α) =2 (1+v) τxy sin2α/E= Ci-R; (7a)ε (α) -ε (-α) = 2 (1 + v) τ xy sin2α / E = Ci-R; (7a)
und ε (α) + ε ( -α) = σy ( 1 -v ) ( l -cos2α) /E= C2 - N ; ( 7 a )and ε (α) + ε (-α) = σ y (1 -v) (l -cos2α) / E = C 2 - N; (7a)
Die Differenz der Dehnungen in den jeweiligen Messrichtungen ist nach Gleichung 7a daher proportional der Reibkraft R, während die Summe der Dehnungen in den jeweiligen Messrichtungen nach Gleichung 7b proportional der Normalkraft N ist. Dieses Ergebnis trifft allgemein auch auf Messrichtungen ζ und η zu, die einen vom rechten Winkel verschiedenen Winkel größer Null einschließen. Allerdings nimmt der Proportional- tätsfaktor Ci den maximalen Wert für α=45° an. C2 nimmt in diesem Fall den 0,5-fachen Wert der maximalen Verstärkung an.The difference of the strains in the respective measuring directions is therefore proportional to the friction force R according to equation 7a, while the sum of the strains in the respective measuring directions according to equation 7b is proportional to the normal force N. This result also applies generally to measuring directions ζ and η, which include a different angle from zero at right angles. However, the proportionality factor Ci assumes the maximum value for α = 45 °. C 2 in this case assumes 0.5 times the value of the maximum gain.
Die Messung der Dehnungskomponenten in den unter einem Winkel zueinander angeordneten Messrichtungen zweier Dehnungssensoren ermöglicht somit die gesonderte Erfassung der auf den Gegenstand 11 einwirkenden Normalkraft N und Reibkraft R.The measurement of the expansion components in the directions of measurement of two strain sensors arranged at an angle to one another thus enables the separate detection of the normal force N and friction force R acting on the object 11.
Für die Messung der Dehnungskomponenten können alle Dehnungs- Sensoren, insbesondere resistive (z.B. Dehnungsmessstreifen), piezoresistive, kapazitive (MEMS) und faseroptische (auf dem Braggeffekt beruhende) Dehnungssensoren verwendet werden, die in geeigneter Weise auf einen der Normal- und Reibkraft direkt oder indirekt ausgesetzten Gegenstand 11 aufgebracht werden können. Die Dehnungssensoren müssen nicht unbedingt auf der Oberfläche des Gegenstands 11, beispielsweise eines Reibbelags 1 oder 5 angebracht sein, sie können auch innerhalb des Gegenstands in dessen Volumen aufgenommen sein. In jedem Fall müssen die Dehnungssensoren strukturell mit dem Gegenstand 11 verbunden sein. Eine Anordnung der Dehnungssensoren im Inneren des Gegenstands 11 kann bereits während der Anfertigung des Gegenstands erfolgen, die Dehnungssensoren können jedoch auch nachträglich, z.B. mittels geeigneter Kleber, in den Gegenstand eingebracht werden. Statt mit einzel- nen Dehnungssensoren kann das Messkreuz auch mit einer Dehnungsmessrosette aufgebaut sein. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Dehnungssensoren nicht an den Reibbelägen 1 bzw. 5 der Bremse selbst, sondern an einem kraftschlüssig mit einem Reibbelag verbundenen Schubfeld angebracht. Ein Beispiel hierfür ist in der Figur 4 gezeigt.For the measurement of the expansion components, all strain sensors, in particular resistive (eg strain gauges), piezoresistive, capacitive (MEMS) and fiber optic (based on the Bruggeffekt) strain sensors can be used, which in a suitable manner to a normal and frictional force directly or indirectly exposed object 11 can be applied. The strain sensors need not necessarily be mounted on the surface of the article 11, for example a friction lining 1 or 5, they may also be accommodated within the article in its volume. In any case, the strain sensors must be structurally connected to the article 11. An arrangement of the strain sensors in the interior of the article 11 can already take place during the manufacture of the object, but the strain sensors can also be subsequently introduced, for example by means of suitable adhesive, into the article. Instead of using individual strain sensors, the measuring cross can also be constructed with a strain gauge rosette. In a particularly advantageous embodiment, the strain sensors are not attached to the friction linings 1 and 5 of the brake itself, but on a non-positively connected to a friction lining shear field. An example of this is shown in FIG.
Der Reibbelag 1 bzw. 5 ist auf einem Belagträger 7 aufgebracht, der in einer als Rahmenkonstruktion ausgeführten Abstützeinrichtung 8 aufgenommen ist. Ein sowohl mit der Rah- menkonstruktion 8 als auch dem Belagträger 7 starr, beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig verbundenes Schubfeld 9 überbrückt einen zwischen dem Belagträger und der Rahmenkonstruktion angeordneten Hohlraum. Auf dem Schubfeld 9 ist ein Messkreuz 13 mit zwei unter einem Winkel zueinander angeordneten Dehnungssensoren so aufgebracht, dass die Dehnungssensoren die Dehnungskomponenten des Schubfelds in die jeweiligen Messrichtungen der Dehnungssensoren erfassen können. Durch die starre Verbindung werden die auf den Reibbelag wirkenden Kräfte direkt auf das Schubfeld 9 übertragen und deformieren es entsprechend den übertragenen Kräften .The friction lining 1 or 5 is applied to a lining carrier 7, which is accommodated in a supporting device 8 designed as a frame construction. A thrust field 9, which is rigidly connected to the frame construction 8 as well as to the lining carrier 7, for example in a non-positive, positive or materially connected manner, bridges a cavity arranged between the lining carrier and the frame construction. On the shear field 9, a measuring cross 13 with two mutually arranged at an angle strain sensors is applied so that the strain sensors can detect the expansion components of the shear field in the respective measuring directions of the strain sensors. Due to the rigid connection, the forces acting on the friction lining forces are transmitted directly to the thrust field 9 and deform it according to the transmitted forces.
Die Anordnung von Figur 4 kann abweichend von der Darstellung mehrere Schubfelder 9 umfassen, auf die die, auf den Reibbe- lag einwirkenden, Normal- und Reibkräfte übertragen werden. Das bzw. die Schubfelder können dabei mit dem Belagträger bzw. der Rahmenkonstruktion jeweils starr oder über einen Formschluss verbunden sein, der die Krafteinleitung ermöglicht. Insbesondere können Abstützeinrichtung 8 und Schubfeld bzw. Schubfelder einstückig ausgebildet sein. Die Rahmenkonstruktion 8 ist steif genug ausgeführt, dass die über sie ausgeleiteten Kräfte diese nicht nennenswert verformen. Ferner können die Dehnungssensoren 13 sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen des bzw. der Schubfelder 9 angeordnet sein. Abweichend von der Darstellung kann das Schubfeld 9 auch so angeordnet sein, dass es auf Zug beansprucht wird. Die auf einen Dehnungssensor übertragene Dehnungskomponente des Schubfelds 9 oder eines Gegenstands 11 kann über eine mit der Dehnung verknüpfte Änderung einer Kenngröße des Sensors erfasst werden. Die Kenngröße wird bei Dehnungsmessstreifen im Allgemeinen vom Widerstand des Sensorelements, bei faseroptischen Dehnungssensoren von der Wellenlänge des an den Bragggittern reflektierten Lichts gebildet. Über geeignete Messschaltungen sind diese Kenngrößen elektrisch erfassbar und können beispielsweise in einer in der Figur 5 gezeigten Verarbeitungseinrichtung 20 zu Signalen weiterverarbeitet werden, die jeweils die auf den Reibbelag wirkende Normalkraft N und Reibkraft R repräsentieren.Deviating from the illustration, the arrangement of FIG. 4 may comprise a plurality of shear fields 9 to which the normal and frictional forces acting on the friction lining are transmitted. In this case, the pusher fields can be connected to the lining carrier or the frame construction in each case rigidly or via a positive connection, which enables the introduction of force. In particular, supporting device 8 and thrust field or shear fields can be formed in one piece. The frame structure 8 is designed rigid enough that the forces discharged over it do not appreciably deform them. Furthermore, the strain sensors 13 can be arranged both on the surface and in the volume of the pusher fields or 9. Notwithstanding the representation, the thrust field 9 can also be arranged so that it is subjected to train. The expansion component of the thrust field 9 or of an object 11 transmitted to a strain sensor can be detected via a change in a parameter of the sensor associated with the strain. In the case of strain gauges, the characteristic is generally formed by the resistance of the sensor element, in the case of fiber-optic strain sensors by the wavelength of the light reflected at the Bragg gratings. These characteristics can be detected electrically by suitable measuring circuits and, for example, can be further processed into signals in a processing device 20 shown in FIG. 5, which in each case represent the normal force N and friction force R acting on the friction lining.
Der erste Dehnungssensor 14 und der zweite Dehnungssensor 15 des Messkreuzes 13 sind üblicherweise bereits mit einer Messschaltung versehen, die ein die Dehnung des jeweiligen Sensorelements repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal liefert. Sind die Sensoren nicht mit einer entsprechenden Messschaltung ausgestattet, so umfasst die Verarbeitungsein- richtung 20 mit den Dehnungssensoren 14 bzw. 15 verbundeneThe first strain sensor 14 and the second strain sensor 15 of the measuring cross 13 are usually already provided with a measuring circuit which supplies an electrical output signal representing the expansion of the respective sensor element. If the sensors are not equipped with a corresponding measuring circuit, the processing device 20 comprises sensors connected to the strain sensors 14 and 15, respectively
Messeinrichtungen 21_1 und 21_2 zum elektrischen Erfassen der mit der Deformation des jeweiligen Dehnungssensors verbundenen Änderung dessen Kenngröße.Measuring devices 21_1 and 21_2 for electrically detecting the change associated with the deformation of the respective strain sensor whose characteristic.
Die von den Messschaltungen der Sensoren 14 und 15 oder von den mit den Sensoren verbundenen Messeinrichtungen 21 1 und 21_2 ausgegebenen elektrischen Messsignale werden an eine Summenbildungseinrichtung 22 und eine Differenzbildungseinrichtung 23 der Verarbeitungseinrichtung 20 weitergeleitet. In der Differenzbildungseinrichtung 23 wird auf der Grundlage einer Differenz der Messsignale von den Sensoren 14 und 15 ein Ausgangssignal erzeugt, das bei einer Anordnung, die den Darstellungen der Figuren 2 oder 4 entspricht, die Reibkraft R repräsentiert. Entsprechend repräsentiert das von der Summenbildungseinrichtung 22 auf der Grundlage einer Summe der Messsignale von den Sensoren 14 und 15 erzeugte Ausgangssignal die Normalkraft N. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die getrennte Erfassung von der auf einen Reibbelag einer Bremse ausgeübten Normalkraft und der dadurch bewirkten Reibkraft an der Grenzfläche zwischen Reibbelag und Bremsgegenstand. Die geringe Baugröße der zur Kräfteermittlung verwendeten Dehnungssensoren ermöglicht die Integration der Messapparatur in herkömmliche Bremssysteme, womit eine Regelung der Bremskraft während eines Bremsvorgangs möglich wird. Die aufgenommenen Messgrößen sind dabei unabhängig vom Abstand zwischen Reibebene und Messstelle, sodass ein Belagverschleiß keinerlei Auswirkungen auf die Messung hat. Aufgrund der Messung in unmittelbarer Nähe zum Reibkontakt sind die Störeinflüsse durch eventuell wirkende Trägheitskräfte minimiert. The electrical measuring signals output by the measuring circuits of the sensors 14 and 15 or by the measuring devices 21 1 and 21_ 2 connected to the sensors are forwarded to a summation device 22 and a subtraction device 23 of the processing device 20. In the difference-forming device 23, an output signal is generated on the basis of a difference of the measuring signals from the sensors 14 and 15, which represents the frictional force R in an arrangement which corresponds to the representations of the figures 2 or 4. Accordingly, the output signal generated by the summation means 22 based on a sum of the measurement signals from the sensors 14 and 15 represents the normal force N. The present invention enables the separate detection of the force exerted on a friction lining of a brake normal force and thereby caused frictional force at the interface between the friction lining and the brake object. The small size of the strain sensors used to determine the forces allows the integration of the measuring apparatus in conventional brake systems, whereby a regulation of the braking force during a braking operation is possible. The measured quantities recorded are independent of the distance between the friction plane and the measuring point, so that lining wear has no effect on the measurement. Due to the measurement in the immediate vicinity of the frictional contact the disturbing influences are minimized by possibly acting inertial forces.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 aktiver Reibbelag1 active friction lining
2 beweglicher Teil der Zuspanneinrichtung 3 feststehender Teil der Zuspanneinrichtung2 movable part of the application device 3 fixed part of the application device
4 Bremssattel4 caliper
5 passiver Reibbelag5 passive friction lining
6 Bremsgegenstand, Bremsscheibe6 brake object, brake disc
7 Belagträger 8 Rahmenkonstruktion, Abstützeinrichtung 9 Schubfeld, Schubblech7 lining carrier 8 frame construction, supporting device 9 shear field, shear plate
10 Scheibenbremse10 disc brake
11 unbelasteter Gegenstand11 unloaded item
12 belasteter Gegenstand 13 Messkreuz12 loaded object 13 measuring cross
14 erster Dehnungssensor14 first strain sensor
15 zweiter Dehnungssensor 20 Verarbeitungseinrichtung 21_1 erste Messeinrichtung 21 2 zweite Messeinrichtung 15 second strain sensor 20 processing device 21_1 first measuring device 21 2 second measuring device

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Erfassen einer, zwischen einem Reibbelag (1, 5) und einem relativ zu diesem beweglich angeordneten Gegenstand (6) auftretenden, Normalkraft (N) und einer vermittelt über die Normalkraft (N) zwischen dem Reibbelag (1, 5) und dem Gegenstand (6) bewirkten Reibkraft (R), mit1. A device for detecting a, between a friction lining (1, 5) and a relative to this movably arranged object (6) occurring, normal force (N) and one mediates the normal force (N) between the friction lining (1, 5) and the object (6) caused frictional force (R), with
- einem ersten Sensorelement (14), das zur Wandlung einer ersten Deformationskomponente (ε(α)) in eine die erste De- formationskomponente repräsentierende erste elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist,a first sensor element (14), which is designed to convert a first deformation component (ε (α)) into a first electrically detectable parameter representing the first deformation component,
- einem zweiten Sensorelement (15), das zur Wandlung einer zweiten Deformationskomponente (ε(-α)) in eine die zweite Deformationskomponente repräsentierende zweite elektrisch erfassbare Kenngröße ausgebildet ist, unda second sensor element (15) which is designed to convert a second deformation component (ε (-α)) into a second electrically detectable characteristic variable representing the second deformation component, and
- einer Verarbeitungseinrichtung (20) zur Verarbeitung von zumindest der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Deformationskomponente und die zweite Deformationskomponente jeweils eine Komponente einer Deformation eines Körpers (1, 5, 9, 11) repräsentieren und die erste Deformationskomponente einen Winkel α zur Reibrichtung und die zweite Deformationskomponente einen Winkel -α zur Reibrich- tung einnimmt, wobei α von Null verschieden ist.- A processing device (20) for processing at least the first electrically detectable characteristic and the second electrically detectable characteristic, characterized in that the first deformation component and the second deformation component each represent a component of a deformation of a body (1, 5, 9, 11) and the first deformation component occupies an angle α to the rubbing direction and the second deformation component assumes an angle -α to the friction direction, where α is different from zero.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der Reibrichtung und den beiden Deformationskomponenten jeweils +45 Grad und -45 Grad beträgt .2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the angle (α) between the rubbing direction and the two deformation components is +45 degrees and -45 degrees, respectively.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the processing device (20) is formed, the
Normalkraft (N) und die Reibkraft (R) auf der Grundlage der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten e- lektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen. Normal force (N) and the frictional force (R) on the basis of the first electrically detectable characteristic and the second e- lektrisch detectable characteristic to determine.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die Normalkraft auf der Grundlage einer additiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten e- lektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.4. The device according to claim 3, characterized in that the processing device (20) is designed to determine the normal force on the basis of an additive combination of the first electrically detectable parameter and the second electrically detectable characteristic.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (20) ausgebildet ist, die Reibkraft auf der Grundlage einer subtraktiven Verknüpfung der ersten elektrisch erfassbaren Kenngröße und der zweiten elektrisch erfassbaren Kenngröße zu bestimmen.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the processing means (20) is adapted to determine the friction force on the basis of a subtractive linkage of the first electrically detectable characteristic and the second electrically detectable characteristic.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag in einer Abstützeinrichtung (8) aufgenommen ist, die eine starre Verbindung mit zumindest einem, mit dem Reibbelag (1, 5) starr verbundenen, Schubfeld (9) aufweist, das zur Aufnahme des ersten Sensorelements (14) und des zweiten Sensorelements (15) ausgebildet ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the friction lining is received in a supporting device (8) having a rigid connection with at least one, rigidly connected to the friction lining (1, 5), thrust field (9), the for receiving the first sensor element (14) and the second sensor element (15) is formed.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (8) mit mehreren, mit dem Reibbelag (1, 5) starr verbundenen, Schubfeldern (9) starr verbunden ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the supporting device (8) with a plurality of rigidly connected to the friction lining (1, 5), shear fields (9) is rigidly connected.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (8) und das eine oder die mehreren Schubfelder (9) einstückig ausgeführt sind.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the supporting device (8) and the one or more thrust fields (9) are made in one piece.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sensorelement (14) und das zweite Sensorelement (15) jeweils im Inneren des Reibbelags (1, 5) angeordnet sind. 9. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first sensor element (14) and the second sensor element (15) are each arranged in the interior of the friction lining (1, 5).
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