DE10156675A1

DE10156675A1 - Einrichtung zur Bestimmung der Dicken von Bremsbelägen an Scheibenbremsen

Info

Publication number: DE10156675A1
Application number: DE2001156675
Authority: DE
Inventors: Joachim Feldmann; Hans Vos
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2001-11-17
Filing date: 2001-11-17
Publication date: 2003-05-28

Abstract

Zur Bestimmung der sich im Verlauf des Verschleißes verändernden Schichtdicke von Bremsbelägen einer Scheibenbremse wird ein Ultraschall-Sensor verwendet, der fahrzeugaußenseitig am Bremssattel der Scheibenbremse befestigt ist. Zur Schichtdickenbestimmung sendet der Ultraschall-Sensor ein Schallsignal in Richtung der Scheibenbremse aus, welches an den vom Schallsignal durchlaufenen Grenzschichten, vor allem den Bremsbelag-Grenzschichten, reflektiert wird. Entsprechend dem Impulsechoverfahren werden aus den Laufzeiten der an den Bremsbelag-Grenzschichten reflektierten Echosignale die gegenwärtigen Dicken der Bremsbeläge ermittelt. Durch Auswertung der erwärmungsbedingten Verlängerung der Laufzeiten dieser Echosignale kann außerdem die Temperatur der Bremsbeläge bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Dicken von an Scheibenbremsen vorgesehenen Bremsbelägen.

Aus der DE 42 43 875 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung des Belagverschleißes bei einer Scheibenbremse bekannt. Dort wird im Zuge der Nachstellung eine mit der Nachstelleinrichtung drehfest verbundene Stellspindel um einen entsprechenden Winkel gedreht, und diese Drehung wird über ein Untersetzungsgetriebe auf ein Drehpotentiometer [dort (12)] übertragen, dessen Ausgangssignal (Signal am Abgriff) einen eindeutigen proportionalen Belagverschleißwert darstellt.

Neben diesem proportionalen Belagverschleißdetektor sind zwei weitere Kontaktsensoren [dort (S1) und (S2)] vorgesehen, deren Meßschleifen durch Reibung an der Bremsscheibe zerstört, so daß die Meßschleifen aufgetrennt und damit hochohmig werden.

Zur Auswertung werden der Potentiometer-Schleifenwiderstand und die beiden Kontaktsensoren in Reihe geschaltet: Im Normalfall liegt am Abgriff des Drehpotentiometers eine Spannung an, die wie erläutert proportional zum Verschleiß des Bremsbelags ist und sich mit zunehmendem Verschleiß erhöht. Bei vollständigem Abrieb liegt am Schleifer durch Unterbrechung von einer oder beiden Kontaktsensor-Meßschleifen die Versorgungsspannung an.

Diese Einrichtung ist geeignet, den Summenverschleiß an den beiden Bremsbelägen [dort (10)] festzustellen; bei ungleichmäßiger Belagabnutzung der beiden Bremsbeläge ist jedoch eine Auskunft über den Summenverschleiß nicht ausreichend, da bei ungleichmäßig abgenutzten Bremsbelägen die Bremskraft nachläßt und dies zudem auf einen mechanischen Fehler in der Bremse hinweist.

Aus der DE 42 13 581 C1 ist eine Verschleißanzeige für Gleitsattel-Scheibenbremse bekannt, bei der bei Aktivierung der Betätigungseinrichtung über zwei vorzugsweise als Verschiebepotentiometer ausgebildete Meßwertgeber der Verschiebeweg der Betätigungsrichtung und der Verschiebeweg des Bremssattels gegenüber der Betätigungseinrichtung ermittelt wird. Unter Verwendung von zwei Teilschaltungen [dort Fig. 2] werden durch Rechenoperationen aus den beiden Verschiebewegen der Verschleiß des ersten äußeren Bremsbelages [dort (8)] und der Verschleiß des zweiten inneren Bremsbelages [dort (7)] ermittelt und angezeigt.

Insoweit wird mit dem Verfahren nach dieser Schrift der Verschleiß an jedem einzelnen Bremsbelag angezeigt; nachteilig ist jedoch, daß das Meßprinzip die Scheibendicke der Bremsscheibe nicht berücksichtigt. Zudem ist die Funktionserfüllung abhängig von mechanischen Wegübertragungen, deren Schutz mit Faltenbälgen im rauhen Bremsumfeld problematisch ist.

Beim Verschleiß einer Scheibenbremse werden zwar in erster Linie die Bremsbeläge abgenutzt, jedoch hat der Belagabrieb zur Folge, daß auch die Bremsscheibe selbst abgenutzt wird, d. h. daß ihre Dicke im Zuge des Verschleißes ebenfalls abnimmt. Um eine hinreichend genaue Information zum rechtzeitigen Bremsbelagwechsel zu erhalten [nicht zu früh, um die Wartungsintervalle möglichst zu verlängern, aber aus Sicherheitsgründen auf jeden Fall auch nicht zu spät], ist es erforderlich, die jeweilige Dicke beider Bremsbelagelemente meßtechnisch mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung der sich beim Verschleiß ändernden Dicken von Bremsbelägen anzugeben, bei der die verschleißbedingte Bremsscheiben-Dickenabnahme keine Meßwertverfälschung zur Folge hat.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß zur kontinuierlichen Erfassung der Bremsbelag-Dicken unabhängig von der jeweiligen Bremsscheibendicke nicht die aus dem St.d.T. bekannten, in den Bremsbelägen selbst angebrachten, Sensoren verwendet werden, welche sich beim Bremsbelag- Verschleiß selbst mit verschleißen und bei einem Belagwechsel neu kontaktiert werden müssen.

Eine Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, daß sich die Temperatur in den Bremsbelägen und an deren Grenzflächen aus der Laufzeit-Verlängerung von Echosignalen bestimmen läßt, die durch die Bremsbetätigungsbedingte Erwärmung entsteht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Eine an einem Rad eines Fahrzeugs befestigte Bremsscheibe, über die ein axial verschieblicher Bremssattel gestülpt ist, an welchem der erfindungsgemäße Ultraschall- Sensor befestigt ist, wobei der Bremssattel eine Zuspanneinrichtung für die Bremsbetätigung enthält;
Fig. 2 das Prinzip für die Ermittlung der Dicke eines Bremsbelagelementes unter Verwendung des Ultraschall-Sensors als Schemadarstellung des Verlaufs der Schallimpulse im Weg- /Zeit-Diagramm;
Fig. 3 das Prinzip für die Ermittlung der Dicke von zwei Bremsbelagelementen unter Verwendung des Ultraschall-Sensors als Schemadarstellung des Verlaufs der Schallimpulse im Weg-/Zeit-Diagramm;
Fig. 4 die Verwendung eines weiteren Ultraschall- Sensors zur Bestimmung der Summe der Dicken von zwei Bremsbelagelementen.
Fig. 1 zeigt die Bremsscheibe (1) und die Radachse (12) des Rades am Fahrzeug, an welchem sie befestigt ist [Befestigung nicht gezeigt]. Der Bremssattel (2) ist durch eine weitere Befestigungseinrichtung [hier ebenfalls nicht gezeigt] bezüglich der Radachse (12) fixiert, durch die eine radial wirkende Drehsicherung realisiert ist, die jedoch eine axiale Verschiebung zuläßt.
Der Bremssattel (2) besteht in einer U-Grundform und ist derart über die Bremsscheibe (1) gestülpt, daß ein erstes fahrzeugaußenseitiges (3) und ein zweites fahrzeuginnenseitiges (4) Stützelement die Bremsscheibe (1) jeweils seitlich umgreifen. Die beiden Stützelemente (3) und (4) sind durch Befestigungsmittel (13) starr miteinander verbunden und bilden so das Gehäuse des Bremssattels (2), so daß sie Reaktionskräfte der unten erläuterten Zuspanneinrichtung (9) aufnehmen können; natürlich ist auch eine einstückige Ausführung des Bremssattel-Gehäuses mit den Stützelementen (3) und (4) möglich. Durch die Art der Fixierung des Bremssattels (2) wirken die Stützelemente (3) und (4) gegen die Verdrehung in Umfangsrichtung bezüglich der Radachse (12).
Alternativ hierzu können die auf die Belagträger (7, 8) wirkenden Umfangskräfte der Bremsbelagelemente (5, 6) auch unmittelbar über die Radachse (12) abgestützt werden.
Im Bremssattel-Gehäuse (3, 4, 13) ist die Zuspanneinrichtung (9) angeordnet, bei der ein z. B. über einen pneumatischen Bremszylinder betätigter Bremshebel (14), welcher am zweiten Stützelement (4) über ein Drehgelenk (15) gelagert ist, im Zuge seiner Betätigung [Rechtsschwenkung] in Richtung der Zuspanneinrichtungsachse (17) über den Bremsnocken (16) und die reibungsarme Rollenlagerung (46) eine Kraft auf ein Druckstück (18) ausübt, welches zum Zwecke des Längenausgleichs unter Verwendung von z. B. einer arretierbaren Schraubverbindung wiederum mit einem Krafteinleitungselement (19) verbunden ist.
Die Scheibenbremse ist in Fig. 1 in ihrem Bremsbetätigungszustand gezeigt, bei dem die Bremsscheibe (1) durch die von dem Krafteinleitungselement (19) ausgeübte Spannkraft zwischen eine Baugruppe erster Belagträger/erstes Bremsbelagelement (7, 5) und eine Baugruppe zweiter Bremsbelagträger/zweites Bremsbelagelement (8, 6) geklemmt wird. Durch die aufgebrachte Klemmkraft entsteht ein Reibschluß zwischen den beiden Bremsbelagelementen (5, 6) und der Bremsscheibe (1).
Die Baueinheiten Bremsbelagträger/Bremsbelagelement (7, 5 bzw. 8, 6) werden gebildet, indem jedes Bremsbelagelement (5 bzw. 6) kraftschlüssig [z. B. durch Kleben] oder formschlüssig [z. B. durch Bördeln] mit dem entsprechenden Belagträger (7 bzw. 8) verbunden wird.
Die Lösestellung der Scheibenbremse wird durch Linksschwenkung des Bremshebels (14) eingenommen: Dadurch, daß die Baugruppen Bremsträger/Bremsbelagelement (7, 5 bzw. 8, 6) durch entsprechende Führungselemente zwar radial gefesselt, d. h. unverschieblich, aber axial verschieblich im Bremssattel-Gehäuse (3, 4, 13), bzw. der Radachse (12) angeordnet sind, stellt sich beim Bremsen-Lösen zwischen der Bremsscheibe (1) und den Bremsbelagelementen (5, 6) ein freier Abstand, das Lüftspiel, ein. In dieser Stellung liegen die Belagträger (7, 8) jeweils lose an dem ersten Stützelement (3) bzw. an dem Krafteinleitungselement (19) an.
Alternativ zur Realisierung der Zuspanneinrichtung (9) als mechanische Getriebeeinheit (14, 15, 16, 46, 18) kann diese auch als hydraulische Zuspanneinrichtung realisiert sein, bei der z. B. einerseits ein Hydro-Zuspannzylinder am Stützelementen (4) befestigt ist, und andererseits der Zuspannzylinder-Betätigungskolben z. B. über eine arretierbare Schraubverbindung mit dem Krafteinleitungselement (19) verbunden ist. Auch bei einer derartigen Ausführung gelten die vorstehenen Ausführungen bezüglich des Betätigens und des Lösens sinngemäß.
Der Ultraschall-Sensor (10) ist sowohl als Schallerzeuger (Geber), als auch als Schallempfänger (Nehmer) ausgebildet und ist am ersten fahrzeugaußenseitigen Stützelement (3) befestigt; er ist an der nach außen weisenden Begrenzungsfläche des Stützelementes (3) derart angebracht, daß der von ihm erzeugte Wellenzug in Form einer Schallkeule symmetrisch zur Zuspanneinrichtungs- Achse (17) in die Scheibenbremse eingeleitet wird. Gegebenenfalls wird zur Verbesserung der Ankopplung [Vermeidung von Luftspalten] auf der Stützelement-Begrenzungsfläche vor der Sensormontage ein geeignetes Medium, z. B. Silikongel, aufgebracht. Auf der Rückseite des Schallwandlers, der der Begrenzung des ersten Stützelementes (3) abgewandten äußeren Begrenzung des Ultraschall-Sensors (10), ist ein Dämpfungsmedium zur Schallisolierung vorgesehen.
Im Ultraschall-Sensor (10) ist intern in direkter Nähe zu seiner Anschlußfläche (40) am Stützelement (3) als Schallerzeuger ein piezoelektrischer Schwinger aus einem hierfür geeigneten piezoelektrischer Stoff angeordnet. Generell sind bei der Materialauswahl die in der jeweiligen Anwendung auftretenden Temperaturen zu beachten. Wenn diese nicht zu hoch werden [z. B. bis 80°C], kann Kunststoff [PVDF] verwendet werden, sonst können keramische [z. B. Bariumtitanat] oder kristalline piezoelektrische Stoffe [Quarz, Lithiumniobat] eingesetzt werden, deren Anwendungsbereich sich bis 1200°C [Lithiumniobat] erstreckt.
Die Dickenmessung mittels Ultraschall erfolgt vorzugsweise nach dem an sich bekannten Impulsechoverfahren. Hierbei wird von einem geeigneten Schallwandler ein Schwingungsimpuls, d. h. ein kurzer Wellenzug, in das zu untersuchende Prüfstück emittiert. Der Wellenzug wird an der ebenen Rückseite des Prüflings reflektiert und gelangt nach der entsprechenden Laufzeit wieder zum Wandler, der sofort nach Aussenden des Prüfimpulses auf Empfang geschaltet ist.
Die Laufzeit wird von einer geeigneten, mit dem Ultraschall-Sensor (10) über elektrische Anschlußleitungen (11) verbundene Sensorelektronik [nicht gezeigt] ausgewertet und von dieser kann, bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Prüfling, die Dicke des Prüflings errechnet werden. Üblicherweise werden bei diesem Verfahren Longitudinalwellen im Frequenzbereich von einigen hundert kHz bis einigen zehn MHz eingesetzt.
Die Schallreflektion erfolgt an Grenzflächen zwischen Medien, die sich in der akustischen Impedanz Z unterscheiden; dabei ist die akustische Impedanz das Produkt aus Schallgeschwindigkeit c und Dichte ρ:
Der Reflektionsfaktor R eines Ultraschallimpulses an der Grenzfläche eines Mediums 1 zu einem Medium 2 ergibt sich unter Zugrundelegung der akustischen Impedanzen 21 und 22 dieser Medien:
Somit entstehen an den Grenzflächen aller Medien, deren Impedanzunterschiede hinreichend groß sind, reflektierte Echos. Die Auswertung der Laufzeiten dieser Echos erlaubt auch bei durchlaufen mehrerer Medien hintereinander die Bestimmung der Dicke der einzelnen Medien. Zum Beispiel ist die Messung der Dicke einzelner Lackschichten bei mehrlagigen Lackierungen Stand der Technik.
Um die Erzeugung von unerwünschten Schallechos durch Inhomogenitäten in den Werkstoffen zu reduzieren, sollte der Schallwandler bei nicht zu hohen Frequenzen arbeiten [z. B. bei 300 kHz oder höher]. Bei einem typischen Elastizitätsmodul des Bremsbelags in der Nähe von 2.000 N/mm² ergibt sich eine Schallgeschwindigkeit im Bereich 1000 bis 2000 m/s und mit 300 kHz eine Wellenlänge im Bereich 3 bis 6 mm. Diese ist somit deutlich größer als die Dimensionen der Füllstoffe im Bremsbelag, die kleiner als 0,1 mm sind. Daher erzeugen diese Füllstoffe keine die Auswertung störenden Echos. Typische Durchmesser geeigneter Schallwandler liegen bei ca. 2 cm. Die jeweils gewählten Frequenzen und Schallwandlergrößen ergeben sich durch Optimierung auf den jeweiligen Einsatzfall. Hierbei erfolgt auch die Einstellung der Sensorelektronik auf die jeweilige genaue Schallgeschwindigkeit des Bremsbelages und auf die richtige Identifizierung der für die Auswertung relevanten Echos.
Für die Prinziperläuterung unter Fig. 2 wird von einer Scheibenbremse im gelösten Zustand ausgegangen; der Verständlichkeit halber sind hierbei einige fiktive Vereinfachungen vorgenommen.
Fig. 2 dient zur Erläuterung der Schichtdickenbestimmung des ersten Bremsbelagelementes (5). Hierzu wird zunächst davon ausgegangen, daß der erste Bremsbelagträger (7) nicht lose am ersten Stützelement (3) anliegt, sondern ohne jeden Luftspalt mit diesem verbunden ist. Dann wird die Dicke des ersten Belagträgers (7) mit Null angenommen. In Fig. 2 schließt sich also direkt an der Anschlußfläche (40) des Ultraschallsensors (10) das erste Stützelement (3) an, auf welches an der Grenzfläche (41) die Schicht des ersten Bremsbelagelementes (5) folgt. Die Grenzschicht (42) stellt den Übergang zur Luft dar, nämlich zur Luftschicht des fahrzeugaußenseitigen Teils des Lüftspaltes.
Mit der Annahme einer Schichtdicke von Null für den ersten Bremsbelagträger entfallen Reflexionen an den Grenzflächen des Belagträgers, die natürlich in der praktischen Anwendung vorkommen. Dadurch, daß sich die akustischen Impedanzen des ersten Stützelementes (3) und des ersten Belagträgers (7) nicht stark voneinander unterscheiden, sind Reflexionen hier vergleichsweise gering; diese Reflexionen werden in der Praxis jedoch vom Ultraschall-Sensor (10) erfaßt, und nach Auswertung durch die Sensorelektronik ist auch eine Schicht mit der Dicke des ersten Belagträgers (7) erkannt. Diese Schichtdicke ist jedoch konstruktiv festgelegt und bekannt [ebenso wie die Schichtdicke des ersten Stützelementes (3)] und kann daher sehr einfach lokalisiert werden. Vom Rechenaufwand für die Sensorelektronik wird die Auswertung bei eine Belagträger-Schichtdicke von ungleich Null etwas aufwendiger, jedoch grundsätzlich nicht komplizierter, weshalb es, wie gesagt, sinnvoll ist, für die Prinziperläuterung von einer Belagträger- Dicke von Null auszugehen.
Die Vereinfachung einer Belagträger-Dicke von Null wird unten auch bei den Prinzip-Erläuterungen von Fig. 3 für beide Belagträger (7, 8) angenommen.
Mit den fiktiven Annahmen in Fig. 2 ergeben sich die nachstehenden Schallimpuls-Transmissionen und -Reflexionen an den Grenzschichten, aus denen dann die Schichtdicke D₁ (38) des ersten Bremsbelagelementes (5) bestimmbar ist.
De facto wird die Schichtdicke D₁ (38) jedoch nicht bei gelöster Scheibenbremse, sondern im Bremsbetätigungszustand ermittelt, wenn die Belagträger (7) fest zwischen das erste Stützelement (3) bzw. das Krafteinleitungselement (19) gepreßt sind. Es wird davon ausgegangen, daß durch die starke Pressung kein Luftspalt zwischen dem Stützelement (3) und dem Belagträger (7) vorhanden ist; unter Umständen ist am Bremsbelagträger (7) an der zum Stützelement (3) weisenden Oberfläche ein entsprechendes akustisches Kopplungsmittel anzubringen.
Im Bremsbetätigungszustand wird die Grenzfläche (42) von Fig. 2 durch die Grenzfläche (43) von Fig. 3 ersetzt; die in Fig. 2 gezeigten Reflexionen und Transmissionen sind jedoch in gleicher Weise auch in Fig. 3 wirksam.
Der vom Ultraschall-Sensor (10) an der Anschlußfläche (40) am erstem Stützelement (3) zum Zeitpunkt t₀ (34) emittierte Schallimpuls (20) durchläuft zunächst das erste fahrzeugaußenseitige Stützelement (3) aus Eisenguß oder Stahl [akustische Impedanz in beiden Fällen ca. 47 × 10⁶ Ns/m³] und tritt dann durch die Grenzfläche (41) als Schallimpuls (21) mit reduzierter Schallenergie in das erste Bremsbelagelement (5) ein [Impedanz ca. 2, 3 bis 3 × 10⁶ Ns/m³]. Entsprechend Beziehung {2} liegt die Transmission bei ca. 10% der Schallenergie. Der nicht transmittierte Teil der Schallenergie von ca. 90% wird als Schallimpuls (22) an der Grenzfläche (41) reflektiert und erreicht den Ultraschall- Sensor (10) zum Zeitpunkt t₁ (35).
Da voraussetzungsgemäß das erste Bremsbelagelement (5) nicht an der Bremsscheibe (1) aufliegt, erfolgt für den transmittierten Schallimpuls (21) nach Durchlaufen des ersten Bremsbelagelementes (5) am fahrzeugaußenseitigen Teil (42) des Lüftspaltes praktisch eine Totalreflektion. Der totalreflektierte Schallimpuls (23) trifft nach erneutem Durchlaufen des ersten Bremsbelagelementes (5) wieder auf die Grenzfläche (41) zum ersten Stützelement (3), worauf wieder 10% als Schallimpuls (24) zum ersten Stützelementes (3) durchgelassen weden. Somit erreicht den Ultraschall-Sensor (10) zum Zeitpunkt t2 (36) ein Schall-Signal (24), dessen Stärke sich in der Größenordnung von ca. 1% des emittierte Schall-Signals (20) bewegt [Dämpfung vernachlässigt].
Die Schichtdicke D₁ (38) des ersten Bremsbelagelementes (5) wird aus der Laufzeitdifferenz der Reflexionen an der Grenzfläche (41) und der Fläche (42) unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c_B berechnet:
Wie oben erläutert liegt die Schallgeschwindigkeit c_B im Bremsbelag in einem Bereich von 1000 bis 2000 m/s. Für eine Dickenänderung des Bremsbelags um 0,1 mm ändert sich die Laufzeit um 0,1 bis 0,2 µs. Eine ausreichende Auflösung wird also problemlos erreicht.
Als Beispiel sei die Schichtdicke D₁ (38) des ersten Bremsbelagelementes (5) zu Beginn 2 cm. Bei einer angenommenen Schallgeschwindigkeit von 1500 m/s entspricht dies einer Laufzeit im Belag [hin und zurück] von ca. 27 µs; wenn sich die Dicke dann verschleißbedingt auf die Hälfte [1 cm] reduziert, so reduziert sich auch entsprechend die Laufzeit auf ca. 14 µs.
Im Bremszustand, wenn wie erläutert die beiden Bremsbelagelemente (6) und (7) luftspaltfrei an der Bremsscheibe (1) anliegen, durchläuft das Schallsignal auch die Bremsscheibe (1) und das zweite Bremsbelagelement (7); bei diesem Durchlauf werden wiederum entsprechende Echos erzeugt, welche von der Sensorelektronik ausgewertet werden.
Zusätzlich zu den oben anhand von Fig. 2 erläuterten Transmissionen und Reflexionen (20, 21, 22, 23 und 24) zur Bestimmung der Schichtdicke D₁ (38) des ersten Bremsbelagelementes (5) sind in Fig. 3 weitere Transmissionen bzw. Reflexionen gezeigt, die sich an den weiteren Grenzflächen dieser Darstellung ergeben.
Mit der Grenzfläche (43) wird der Schallimpuls (21) an dieser nicht mehr totalreflektiert, sondern ein Teil seiner Schallenergie wird als Schallimpuls (25) in die Bremsscheibe (1) transmittiert. An der Grenzfläche (44) von der Bremsscheibe (1) zum zweiten Bremsbelagelement (6) wird dann ein Teil der Schallenergie des Schallimpulses (25) als Schallimpuls (26) in das Bremsbelagelement transmittiert, und von diesem Schallimpuls wird wiederum ein Teil an der Grenzfläche (45) des zweiten Bremsbelagelementes (6) zum Krafteinleitungselement (19) als Schallimpuls (27) reflektiert. Die Transmission des Schallimpulses (27) an der Grenzfläche (44) ergibt den Schallimpuls (28), welcher durch Transmission an der Grenzfläche (43) den Schallimpuls (29) erzeugt, der an der Grenzfläche (41) durch Transmission zum Schallimpuls (30) führt, und dieser schließlich an der Anschlußfläche (40) zum Zeitpunkt t₃ (37) am Ultraschall-Sensor (10) wieder eintrifft.
Wie oben erläutert, wird die Schichtdicke D₂ (39) des zweiten Bremsbelagelementes (6) ebenfalls aufgrund der Laufzeiten bestimmt, wobei, da im Signalweg auch Laufzeiten durch das erste Bremsbelagelement (5) und die Bremsscheibe (1) enthalten sind, Schichtdicke D₁ (38) und D₃ (Bremsscheibe) abzuziehen ist:

mit c_S: Schallgeschwindigkeit in der Scheibe.
Bei einer Ausführungsform der Bremsscheibe (1) als Vollscheibe kann die erläuterte Ultraschallmessung zur Schichtdickenbestimmung der Bremsbelagelemente grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden; hingegen kann im Falle von innenbelüfteten Bremsscheiben die Messung nur in Zeiten ausgewertet werden, zu denen sich ein Verbindungssteg, der die beiden von innen belüfteten Teilscheiben miteinander verbindet, im Laufweg des Ultraschallsignals befindet.
Die oben anhand von Fig. 3 erläuterte Bestimmung der Schichtdicke D₂ (39) durch Auswertung der vergleichsweise schwachen Echosignale aus dem Durchlaufen des zweiten Bremsbelagelementes (6) erfordert, um die Signale zur Durchführung der Auswertung in der Sensorelektronik richtig empfangen zu können, einen entsprechenden meßtechnischen Aufwand.
Will man diesen Aufwand nicht betreiben, so besteht die Möglichkeit, die Schichtdicke D₂ (39) mit Hilfe eines weiteren Ultraschall-Sensors (31) zu ermitteln, der, wie in Fig. 4 in der oberen Seitenansicht gezeigt, auf einem am ersten Belagträger (7) fest angebrachten ersten Ausleger (32) befestigt ist. Am zweiten Belagträger (8) ist ebenfalls ein Ausleger (33) fest angebracht.
Wie in der Draufsicht im unteren Teil von Fig. 4 erkennbar, sind die beiden Ausleger (32, 33) derart angeordnet, daß ein vom weiteren Ultraschall-Sensor (31) emittierter Schallimpuls nicht durch die Bremsscheibe (1) geht, sondern direkt durch die Luft zum zweiten Ausleger (33) führt, und an diesem reflektiert wird.
Aus der Laufzeit dieses reflektierten Strahles ist der direkte Abstand der beiden Ausleger (32) und (33) bestimmbar, und nach Abzug der festen Dicken des ersten (7) und zweiten (8) Bremsbelagträgers und der Bremsscheibe ergibt sich ein Abstandswert A, welcher der Summe der Schichtdicke D₁ (38) und D₂ (39) entspricht:
Da die Schichtdicke D₁ nach den unter Fig. 2 erläuterten Verfahren bekannt ist, ist somit auch die Schichtdicke D₂ (39) bestimmt.
Hier sei angemerkt, daß in Fällen, in denen nur ein Summenverschleiß zu ermitteln ist, dies durch die alleinige Verwendung des weiteren Ultraschall-Sensors (31) realisiert werden kann.
Bei hohen Temperaturen des Bremsbelags vermindert sich die Schallgeschwindigkeit des Materials deutlich. Um zu verhindern, daß dies zu erheblichen Messungenauigkeiten führt, werden die erforderlichen Ultraschall-Messungen zur Bremsbelag-Schichtdickenbestimmung direkt nach einem längerem Fahrzeugstillstand, z. B. als Blind-Bremsbetätigung oder als erste normale Bremsung in der Anfahrphase durchgeführt. Damit ist sichergestellt, daß die Bremsbeläge nicht messwertverfälschend erwärmt sind.
Es sei ergänzt, daß es neben dem erläuterten Impulsechoverfahren, das sich besonders gut zur Dickenbestimmung verwenden läßt, in der Ultraschalltechnik auch andere Meßverfahren gibt, die zur Bestimmung der Schichtdicke des Belages verwendet werden können.
Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung kann die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit zur Bestimmung der Temperatur in den Bremsbelägen und an den Grenzflächen Bremsbelag/Bremsscheibe (43, 44) genutzt werden. In der Bremsscheibe (1), den Bremsbelägen (5, 6), und davon ausgehend in den Belagträgern (7, 8) und dem Stützelement (3) bzw. dem Krafteinleitungselement (19) stellt sich bei Bremsung ein Temperaturgradient ein. Dieser wird durch den Wärmefluß verursacht, der durch die an den Grenzflächen entstehende Reibungswärme gespeist wird. Der Temperaturanstieg erhöht die Laufzeit der Ultraschallsignale durch Reduzierung der Schallgeschwindigkeit und durch die Verlängerung des Laufweges, die durch die Wärmedehnung der Elemente hervorgerufen wird. Hierbei ist letzteres ein deutlich kleinerer Effekt, der aber in die gleiche Richtung, und somit verstärkend, wirkt.
Der Abfall der Schallgeschwindigkeit ist in organischen Werkstoffen, wie den in der Regel durch Kunstharz gebundenen Bremsbelägen wesentlich stärker als in Metallen. Er liegt in organischen Werkstoffen oberhalb von 3 m/s°C. D. h. eine mittlere Temperaturerhöhung um 100°C bewirkt bei den zu erwartenden Schallgeschwindigkeiten eine Laufzeitverlängerung um ca. 15 bis 30%, die somit deutlich meßbar ist.
Durch den sich einstellenden Temperaturgradienten entsteht ein Gradient der Schallgeschwindigkeit, so daß die gemessene Laufzeitverlängerung eine Mittelung über die Schallgeschwindigkeiten darstellt und als solche somit auch nur die Berechnung der mittleren Temperatur erlaubt.
Aus der Verlängerung der Laufzeit des Ultraschallsignals Δt, die aus dem Vergleich der Laufzeit in der Anfahrphase bei kalter Bremse und der Laufzeit während einer späteren Bremsung errechnet wird, kann eine mittlere Zunahme der Schallgeschwindigkeit Δc(Tm) errechnet werden. Die zwischenzeitlich aufgetretene Dickenabnahme des Bremsbelages ist aufgrund der zeitlichen Nähe geringfügig und kann vernachlässigt werden. Für jeden Typ von Bremsbelag und Bremsenaufbau muß in Versuchen auf Prüfständen der empirische Zusammenhang zwischen Δc(Tm) und Tm ermittelt und in der Auswertungselektronik hinterlegt werden, so daß die mittlere Temperatur Tm errechnet werden kann.
Zur angenäherten Berechnung der Temperatur an den Grenzflächen (43, 44) können ebenfalls empirisch ermittelte Zusammenhänge zwischen Tm und der Grenzflächentemperatur zugrundegelegt werden. Die Genauigkeit dieser Korrelationen kann durch die Benutzung weiterer Parameter in diesen Berechnungen verbessert werden. Diese Parameter, die in elektronisch gesteuerten Bremsanlagen zur Verfügung stehen, sind die Zeit, die seit Beginn der Bremsung verstrichen ist, sowie Drehzahl des Rades und der Bremsdruck. Mit zunehmender Zeitdauer seit Beginn der Bremsung nimmt die Größe des Temperaturgradienten ab, so daß diese in eine empirisch zu ermittelnde Korrelation zum Gradienten gebracht werden kann. Die Höhe des Bremsdrucks und die Drehzahl des Rades sind entscheidend für die Größe der Wärmeentwicklung an der Reibfläche und somit auch für die Größe des Gradienten. Die Größe des Gradienten erlaubt ausgehend von der Kenntnis der mittleren Temperatur, die angenäherte Bestimmung der Grenzflächentemperatur.
Eine Verbesserung in der Ermittlung der Größe des Gradienten kann erzielt werden, wenn zwischen dem Stützelement (3) und dem Bremsbelagträger (7) ein Temperatursensor angebracht wird. Die Differenz der dort gemessenen Temperatur zu Tm ist ein Maß für die Größe des Temperaturgradienten im Bremsbelag auf der der Bremsscheibe abgewandten Seite und erlaubt, unter Benutzung der aus der Theorie bekannten Wärmeleitungsbedingungen (Wärmeleitungsgleichung) und der oben erläuterten empirischen Korrelationen, eine genauere Bestimmung der Größe des Gradienten im gesamten Bremsbelag. Ein an dieser Stelle angebrachter Temperatursensor kann dort fest installiert werden und ist vom Wechsel der Bremsbeläge unbeeinflußt.
Die Laufzeit der die Bremsscheibe durchlaufenden Schallsignale (25, 28) wird ebenfalls mit zunehmender Temperatur verlängert. Da es sich hier um Metall handelt, ist die Verlängerung schwächer als im Bremsbelag. Bei hohen Temperaturen ergibt sich eine auswertbare Laufzeitverlängerung, so daß ein Meßsignal für die Annäherung an die obere Grenze der Temperaturbelastbarkeit der Bremsscheibe resultiert. Vorteilhaft ist, daß die Größe des Gradienten in der Bremsscheibe aufgrund der besseren Wärmeleitung deutlich geringer ist als im Bremsbelag.

Claims

1. Einrichtung mit folgenden Merkmalen:

a) Über eine an einem Rad eines Fahrzeugs befestigte Bremsscheibe ist ein radial drehgesicherter, aber axial verschieblicher Bremssattel gestülpt;

b) der Bremssattel ist in einer U-Grundform mit einem ersten und einem zweiten, jeweils seitlichen, und in Umfangsrichtung bezüglich der Radachse wirkenden, Stützelement ausgestaltet;

c) am ersten fahrzeugaußenseitigen Stützelement ist ein mit einem ersten Belagträger kraft- oder formschlüssig verbundenes erstes fahrzeugaußenseitiges Bremsbelagelement axial verschieblich aber radial unverschieblich [oder gefesselt] angeordnet;

d) das zweite fahrzeuginnenseitige Stützelement ist mit einer Zuspanneinrichtung verbunden, die ihrerseits kraftschlüssig auf ein mit einem zweiten Belagträger kraft- oder formschlüssig verbundenes zweites fahrzeuginnenseitiges Bremsbelagelement in Wirkverbindung steht, welches axial verschieblich aber radial unverschieblich [oder gefesselt] zwischen der Zuspanneinrichtung und der Bremsscheibe angeordnet ist;

e) in der Lösestellung ist kein Reibschluß zwischen den beiden Bremsbelagelementen und der Bremsscheibe hergestellt, in dieser Stellung ist zwischen den beiden Bremsbelagelementen und der Bremsscheibe ein freier Abstand, das TAftspiel, eingehalten;

f) in der Bremsstellung ist ein Reibschluß zwischen beiden Bremsbelagelementen und der Bremsscheibe hergestellt;

g) es ist eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung der Schichtdicken des ersten und des zweiten Bremsbelagelementes vorgesehen;

gekennzeichnet durch das folgende Merkmal:

1. Die Sensoreinrichtung ist als eine Ultraschall- Sensoreinrichtung ausgebildet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Bremsbelag-Schichtdicken das Impulsechoverfahren angewendet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des ersten und diejenige des zweiten Bremsbelagelementes in der Bremsstellung der Scheibenbremse bestimmt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken des ersten und zweiten Bremsbelagelementes durch die Laufzeiten von an Grenzflächen der Bremsbelagelemente reflektierten Schallimpulsen eines von der Ultraschall-Sensoreinrichtung emittierten Schallimpulses bestimmt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des ersten Bremsbelagelementes durch die Laufzeiten von an den Grenzflächen des Bremsbelagelementes reflektierten Schallimpulsen eines von der Ultraschall-Sensoreinrichtung emittierten Schallimpulses bestimmt ist, und zur Bestimmung der Schichtdicke des zweiten Bremsbelagelementes eine weitere Ultraschall-Sensoreinrichtung vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die weitere Ultraschall-Sensoreinrichtung die Summe der Schichtdicken des ersten und des zweiten Bremsbelagelementes und der Bremsscheibe bestimmt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die weitere Ultraschall-Sensoreinrichtung emittierte Schallimpuls außerhalb der Bremsscheibe geführt ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der weiteren Ultraschall-Sensoreinrichtung der Abstand des ersten Belagträgers vom zweiten Belagträger bestimmt ist.

9. Einrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Sensoreinrichtung am ersten fahrzeugaußenseitigen Stützelement angeordnet ist.

10. Einrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der erwärmungsbedingten Verlängerung der Laufzeiten von an Grenzflächen der Bremsbelagelemente reflektierten Schallimpulsen des von der Ultraschall-Sensoreinrichtung emittierten Schallimpulses die Temperatur in den Bremsbelägen und die Temperatur an den Grenzflächen zwischen den Bremsbelägen und der Bremsscheibe bestimmt ist.