DE102006002456A1

DE102006002456A1 - Bremsmomentensensor für Fahrzeugbremsen

Info

Publication number: DE102006002456A1
Application number: DE200610002456
Authority: DE
Inventors: Philipp Dr. Guttenberg
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: DE102006002456B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend eine Bremseneinheit (25) mit einem Reibglied (9), das mittels eines Aktuators gegen ein abzubremsendes Element (2) gedrückt bzw. davon gelöst werden kann, und ein Widerlager (7), an dem sich die Bremsenanordnung (25) abstützt. Das an der Bremse wirkende Bremsmoment kann in einfacher Weise ermittelt werden, wenn zwischen der Bremseneinheit (25) und dem Widerlager (7) eine Stabanordnung (4) mit wenigstens einem Druck- oder Zugstab (6a, 6b) angeordnet ist, der das an der Bremsenanordnung (1, 3) wirkende Reibmoment aufnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekannte Fahrzeugbremsen umfassen ein Reibglied, das mittels eines Aktuators gegen ein abzubremsendes Element, wie z.B. eine Bremsscheibe gedrückt wird. Das an der Bremse erzielte Bremsmoment ist abhängig vom aktuellen Reibwert zwischen Reibglied und Bremsscheibe, der infolge von Nässe, Verschmutzung und anderen Einflüssen, wie z.B. hohen Temperaturen (Fading), relativ stark variieren kann. Dadurch ist auch das tatsächlich ausgeübte Bremsmoment nicht immer gleich und kann sich von Rad zu Rad deutlich unterscheiden. Für eine kontrollierte und insbesondere gleichmäßige Bremsung des Fahrzeugs ist es daher erforderlich, das an den einzelnen Rädern auftretende Bremsmoment möglichst genau zu erfassen. Somit wird es möglich, das Bremsmoment zu regeln.
Zur Bestimmung des Bremsmoments verwenden bekannte elektromechanische Bremsen überwiegend Normalkraftsensoren, die die an der Bremse wirkende Klemmkraft in Normalrichtung messen. Aus der Normalkraft in Verbindung mit dem Reibradius und dem aktuellen Reibwert wird dann das Bremsmoment abgeschätzt. Wegen der zuvor erwähnten Varianz des Reibwertes als auch des Reibradius ist diese Abschätzung des Bremsmoments relativ ungenau. Bei einem Bremsvorgang kann es daher zu ungleichen Bremsmomenten auf beiden Seiten des Fahrzeugs und somit zu einem ungewollten Giermoment um die Hochachse des Fahrzeugs kommen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bremsvorrichtung mit einem integrierten Bremsmomentensensor, sowie einen solchen Bremsmomentensensor zu schaffen, mit dem das am Rad wirkende Bremsmoment wesentlich genauer bestimmt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 13 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Bremsvorrichtung, die eine Bremseneinheit und ein Widerlager (z.B. einen Bremssattel) umfasst, mit einer Stabanordnung auszustatten, die zwischen der Bremseneinheit und dem Widerlager angeordnet ist und wenigstens einen Druck- oder Zugstab aufweist, der das an der Bremseneinheit wirkende Bremsmoment bzw. die Bremskraft aufnimmt. Der Druck- oder Zugstab wird bei einer Bremsung gestaucht bzw. gestreckt. Die Längenänderung des Druck- bzw. Zugstabes kann mittels einer geeigneten Sensorik gemessen und daraus das an der Bremse wirkende Bremsmoment sehr genau bestimmt werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders einfache, kostengünstige und genaue Bremsmomentenmessung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Zug- bzw. Druckstab (im Wesentlichen) in Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements. Bei einem rotierenden Element, wie z.B. einer Bremsscheibe also vorzugsweise in Tangentialrichtung einer kreisförmigen Bewegungsbahn. Dadurch wird erreicht, dass die am Stab und seinen Befestigungspunkten wirkenden Kräfte minimal sind.

Die erfindungsgemäße Stabanordnung umfasst vorzugsweise sowohl wenigstens einen Zug- oder Druckstab als auch wenigstens einen quer dazu verlaufenden Stab, der mit dem Zug- bzw. Druckstab verbunden ist. Die Stäbe sind vorzugsweise an ihren Enden jeweils gelenkig gelagert. Der quer verlaufende Stab ist vorzugsweise an der Bremseneinheit und am Widerlager ge lenkig befestigt. Der Zug- bzw. Druckstab ist vorzugsweise am Widerlager und am quer verlaufenden Stab gelenkig befestigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stabanordnung derart ausgelegt, dass sie mit der Bremseneinheit und dem Widerlager ein Viergelenk bildet. Die quer zu den Druck- bzw. Zugstäben verlaufenden Stäbe sind im Falle einer Scheibenbremse vorzugsweise in radialer Richtung angeordnet. Die Stabanordnung hat somit einen Momentanpol, der auf oder in der Nähe des Radmittelspunkts liegt.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stabanordnung sowohl einen Druckstab als auch einen Zugstab, die bezüglich einer Mittelachse der Bremseneinheit symmetrisch angeordnet sind. Die bei einem Bremsvorgang auftretenden Reib- bzw. Bremskräfte werden somit auf zwei Stäbe gleichmäßig verteilt.

Der bzw. die Zug- oder Druckstäbe der Stabanordnung sind vorzugsweise in einer zur Reibfläche des gebremsten Elements parallelen Ebene angeordnet. Sie nehmen somit nur die Bremskräfte, aber nicht die senkrecht zur Reibfläche wirkenden Kräfte (Normalkräfte) der Bremse auf.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist das Widerlager in einer zur Reibfläche parallelen Schnittebene betrachtet einen Vorsprung auf, der sich in Richtung der Bremseneinheit erstreckt und an dem wenigstens ein Druck- bzw. Zugstab befestigt ist.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung umfasst vorzugsweise zusätzlich eine zweite Stabanordnung, die zwischen der Bremseneinheit und dem Widerlager angeordnet ist und die so ausgelegt ist, dass sie die in Normalrichtung der Reibfläche wirkenden Kräfte aufnimmt. Bei einer Scheibenbremse mit Schwimmsattel ist dies beispielsweise die resultierende Klemmkraft der Bremse, die durch Reibung des Schwimmsattels in den Führungen entsteht.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung umfasst eine Sensorik, mittels der die Verformung der Druck- bzw. Zugstäbe gemessen werden kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen (DMS) oder dergleichen, oder auch eine Sensorik zur Wegmessung oder Positionsmessung eingesetzt werden. Zusammen mit den geometrischen Größen der Bremse lässt sich daraus die Bremskraft bzw. das Bremsmoment einfach berechnen. Die Auswertung der Sensorsignale wird von einer Elektronik, wie z.B. einem Steuergerät durchgeführt.

Bei einer Fahrt über eine unebene Fahrbahn werden die Räder üblicherweise stoßartig beschleunigt oder verzögert. Wegen der Massenträgheit der Bremseinheit kommt es dabei ebenfalls zu einer Verformung der Druck- oder Zugstäbe der Sensorik und somit zu Signalstörungen im Messsignal. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bremsvorrichtung daher einen Beschleunigungssensor, der vorzugsweise ebenfalls am Rad angeordnet ist und der zur Kompensation von Signalstörungen der Sensorsignale genutzt wird.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Stabanordnung in Form einer Platte gebildet, die zwei relativ zueinander bewegliche Abschnitte aufweist, die über wenigstens einen Druck- oder Zugstab miteinander verbunden sind, wobei der eine Abschnitt mit der Bremseneinheit und der andere Abschnitt mit dem Widerlager verbunden ist. Diese Anordnung ist besonders einfach herzustellen und kostengünstig zu montieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf eine Scheibenbremse mit einer Sensorik zur Messung eines Bremsmoments;
2 eine Seitenansicht auf die Scheibenbremse von 1 in Richtung der Pfeile II;
3 eine Aufsicht auf eine plattenförmige Sensorik zur Messung eines Bremsmoments; und
4 eine Seitenansicht der Anordnung von 3.
1 zeigt eine Aufsicht auf eine Scheibenbremse, die z.B. nach dem Schwimmsattelprinzip aufgebaut ist. Dabei kann es sich im Grunde um jeden beliebigen Bremsentyp, wie z.B. eine elektromechanische oder elektrohydraulische Bremse, eine Keilbremse, pneumatische Bremse, etc. handeln. Die Scheibenbremse umfasst eine Bremseneinheit 25, die sich aus der eigentlichen Bremse 1 mit dem Reibglied sowie einem Trägerelement 3 zusammensetzt. Der gesamte konstruktive Aufbau der Bremse 1 einschließlich Bremssattel, Reibglied, Mechanik, etc. ist dabei als ein Block 1 dargestellt. Das Trägerelement 3 der Bremse 1 ist über eine Stabanordnung 4, die zur Messung des Bremsmoments bzw. der Bremskraft F_R dient, mit einem Widerlager 7 verbunden ist. Das Widerlager 7 ist üblicherweise ein Achsschenkel einer Fahrzeugachse oder ein Querlenker.
Bei einer Bremsbetätigung wird das Reibglied 9 (siehe 2) mittels eines Aktuators (nicht gezeigt) gegen die Bremsscheibe 2 gedrückt bzw. von dieser gelöst. Dabei entstehen verschiede Kräfte und Momente, die in Block 1 schematisch dargestellt sind. Durch das Zuspannen der Bremse 1 entstehen auf beiden Seiten der Bremsscheibe Normalkräfte, die senkrecht auf die Reibfläche 11 der Bremsscheibe 2 wirken. Die Normalkräfte heben sich im Idealfall auf, wegen der Reibung des Schwimmsattels in seiner Führung entsteht aber üblicherweise eine resultierende Normal- bzw. Querkraft, die hier mit F_Q bezeichnet ist. Die in Umfangsrichtung wirkenden Reib- bzw. Bremskräfte sind mit F_R bezeichnet (für Vorwärts- und Rückwartsrichtung). Bei schräg abgefahrenen Bremsbelägen 9 ent steht außerdem ein Kippmoment M_K um eine Längsachse des Bremsbelags 9. Darüber hinaus entsteht wegen des axialen Versatzes zwischen der Bremskraft F_R und der Befestigung der Bremseneinheit 25 am Achsschenkel 7 ein Moment M_H um die Hochachse.
Sämtliche Kräfte F und Momente M werden von der Stabanordnung 4 und der senkrecht dazu angeordneten zweiten Stabanordnung 13 (siehe 2) aufgenommen und in den Achsschenkel 7 geleitet. Die erste Stabanordnung 4 ist hier so ausgelegt, dass sie Kräfte und Momente aufnimmt, die etwa parallel zur Reibfläche 11 der Bremsscheibe 2 wirken. Die zweite Stabanordnung 13 ist dagegen so ausgelegt, dass sie Kräfte und Momente aufnimmt, die senkrecht auf die Reibfläche 11 der Bremsscheibe 2 wirken.
Die Stabanordnung 4 von 1 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Druck- bzw. Zugstäbe 6a, 6b und zwei quer dazu verlaufende Stützstäbe 5a, 5b, die auf beiden Seiten eines Vorsprungs 8 des Achsschenkels 7 symmetrisch angeordnet sind. Die Zug- bzw. Druckstäbe 6a, 6b erstrecken sich dabei tangential bezüglich einer Bewegungsrichtung A, und die Stützstäbe 5a, 5b in radialer Richtung der Bremsscheibe 2. Die Stabanordnung 4 hat somit einen Momentanpol 12, der auf oder in der Nähe eines Radmittelpunkts liegt. (Die Stützstäbe 5a, 5b könnten alternativ z.B. auch parallel angeordnet sein).
Die Druck- bzw. Zugstäbe 6a, 6b sind an ihren Enden jeweils mit dem Vorsprung 8 und dem zugehörigen Stützstab 5a, 5b gelenkig verbunden. Die einzelnen Gelenke sind mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Die Stützstäbe 5a, 5b sind an der Bremseneinheit 25 bzw. dem Trägerelement 3 und am Achsschenkel 7 gelenkig befestigt. Dadurch entsteht eine sehr steife Konstruktion, die lediglich eine minimale Bewegung der Bremseneinheit 25 von wenigen zehntel Millimetern bei mehreren tausend Nm Belastung zulässt.
Bei einem Bremsvorgang wird eine der Stangen (z.B. 6a) gestaucht und die andere der Stangen (z.B. 6b) gelängt. Dies kann z.B. mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) oder einer Sensorik zur Positions- oder Winkelmessung gemessen werden. Geeignete Messverfahren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Stabanordnung 4 ermöglicht somit eine besonders einfache, kostengünstige und genaue Bremsmomentenmessung.
2 zeigt eine Seitenansicht der Scheibenbremse von 1 in Richtung der Pfeile II-II. In dieser Ansicht ist insbesondere die zweite Stabanordnung 13 gut zu erkennen, die vor allem in Normalrichtung wirkende Kräfte und Momente aufnimmt. Diese zweite Stabanordnung 13 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Stäbe 10 (von denen hier nur die beiden Vorderen 10a, 10b zu sehen sind), die ebenfalls zwischen dem Trägerelement 3 und dem Widerlager 7 angeordnet und mit den genannten Elementen gelenkig verbunden sind. Die einzelnen Stäbe erstrecken sich dabei im Wesentlichen in Normalrichtung.
3 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Stabanordnung 4 von 1, in der die Stabanordnung 4 in Form einer Platte (Sensorplatte 16) gebildet ist, aus der die beiden Druck- bzw. Zugstäbe 6a, 6b und die beiden Stützstäbe 5a, 5b heraus gearbeitet sind. Die Sensorplatte 16 umfasst zwei Abschnitte 18, 19, die relativ zueinander in Richtung des Pfeils C beweglich sind. Der in der Fig. oben dargestellte Abschnitt 18 wird im montierten Zustand mit dem Trägerelement 3, und der in der Fig. unten dargestellte Abschnitt 19 mit dem Achsschenkel 7 verbunden, z.B. verschraubt. Hierzu sind entsprechende Bohrungen 20a, 20b und 21a, 21b vorgesehen. Zur Aufnahme der Stäbe 10a-10d der zweiten Stabanordnung 14 sind entsprechende Bohrungen 22a-22d im ersten Abschnitt 18 vorgesehen.
Um eine zu starke Beanspruchung der Zug- bzw. Druckstäbe 6a, 6b zu verhindern, ist in der Sensorplatte 16 ein Überlastanschlag 23 vorgesehen. Dieser besteht aus einem Vorsprung des zweiten Abschnitts 19, der in eine entsprechende Ausnehmung des ersten Abschnitts 18 hinein ragt.
An den beiden Druck- bzw. Zugstäben 6a, 6b ist jeweils ein Dehnungsmessstreifen 15a, 15b zur Messung der Bremskraft bzw. des Bremsmoments befestigt. Das Messsignal der DMS 15a, 15b wird vorzugsweise per Funk an ein im Fahrzeug befindliches Steuergerät übertragen, das die Signale auswertet.
Die Sensorplatte 16 umfasst ferner einen Beschleunigungssensor 14, der hier im Abschnitt 19 angeordnet ist. Der Beschleunigungssensor 14 dient dazu, Störanteile im Messsignal der Dehnungsmessstreifen 15a, 15b zu kompensieren, die beispielsweise durch Straßenunebenheiten erzeugt werden.
4 zeigt eine Seitenansicht der zweiten Stabanordnung 13 mit vier Stützstäben 10a-10d vorgesehen. Die Stützstäbe sind an ihren Enden jeweils mit einer Sensorplatte 16 aus 3 verbunden. Bei einem Bremsvorgang kann sich die Stabanordnung 13 geringfügig verwinden, wie durch gestrichelte Linien dargestellt ist.

Claims

Bremsvorrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend – eine Bremseneinheit (25) mit einem Reibglied (9), das mittels eines Aktuators gegen ein abzubremsendes Element (2) gedrückt bzw. davon gelöst werden kann, und – ein Widerlager (7), an dem die Bremseneinheit (25) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bremseneinheit (25) und Widerlager (7) eine Stabanordnung (4), die wenigstens einen Druck- oder Zugstab (6a, 6b) umfasst, der bei Belastung gestreckt oder gestaucht wird, und eine Sensorik (15a, 15b) vorgesehen sind, die das Bremsmoment (F_R) oder eine dazu proportionale Größe auf Grundlage einer Verformung des Druck- oder Zugstabs (6a, 6b) misst.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Zug- oder Druckstab (6a, 6b) in einer Bewegungsrichtung (A) des abzubremsenden Elements (2) angeordnet ist.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabanordnung (4) wenigstens einen Zug- oder Druckstab (6a, 6b), der in Bewegungsrichtung (A) des abzubremsenden Elements (2) angeordnet ist, und wenigstens einen quer dazu verlaufenden Stützstab (5a, 5b) umfasst, der mit dem Zug- oder Druckstab (6a, 6b) gelenkig verbunden ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabanordnung (4) einen Druck- und einen Zugstab (6a, 6b) umfasst, die bezüglich einer Mittelachse der Bremseneinheit (25) symmetrisch angeordnet sind.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Druck- oder Zugstab (6a, 6b) in einer zur Reibfläche (11) des abzubremsenden Elements (2) parallelen Ebene angeordnet ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (7) in einer zur Reibfläche (11) parallelen Schnittebene betrachtet einen Vorsprung (8) in Richtung der Bremseneinheit (1, 3) aufweist, an dem wenigsten ein Druck- oder Zugstab (6a, 6b) befestigt ist.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der quer verlaufende Stab (5a, 5b) im Falle einer Scheibenbremse in radialer Richtung der Bremsscheibe (2) angeordnet ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Bremseneinheit (1, 3) und dem Widerlager (7) eine zweite Stabanordnung (13) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, in Normalrichtung der Bremsscheibe (2) wirkende Kräfte (F_Q) aufzunehmen.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stabanordnung (13) mehrere Stäbe (10a, 10b) umfasst, die im Wesentlichen in der Normalrichtung der Reibfläche (11) verlaufen.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung einen am Rad angeordneten Beschleunigungssensor (14) umfasst, der zur Kompensation von Signal störungen bei der Messung des Bremsmoments aufgrund externer Einflüsse genutzt wird.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabanordnung (4) in Form einer Platte (16) gebildet ist, die zwei relativ zueinander bewegliche Abschnitte (16a, 16b) umfasst, die über wenigstens einen Druck- oder Zugstab (6a, 6b) miteinander verbunden sind, wobei der eine Abschnitt (16a) mit der Bremseneinheit (25) und der andere Abschnitt (16b) mit dem Widerlager (7) verbindbar ist.