DE19958903A1 - Aktorintegrierter Kraftsensor - Google Patents

Abstract

Zur genauen und eindeutigen Erfassung von Bremskräften muß möglichst nahe an der Stelle gemessen werden, wo die Kraft auf den Bremsbelag unmittelbar eingeleitet wird. Es wird vorgeschlagen, die Durchbiegung DELTAZ eines Aktorbodens 2 als Meßgröße für die Bremskraft zu nutzen und diesen dafür entsprechend zu gestalten. Der Auflagering 2 des Aktors 1 liegt ringförmig an den Bremsbelag 18 an. Die Bremskraft F wird zentrisch auf den Aktorboden 2 aufgebracht. Um Temperatureinflüsse sowie Hysterese-Effekte bei der Umsetzung der Bremskraft F in eine proportionale Verformung DELTAZ möglichst weitgehend zu eliminieren, werden verschiedene Maßnahmen ergriffen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, der in einen Aktor zur Erzeugung bzw. Übertragung einer Kraft im Kraftfluß inte­ griert ist und quer zum Kraftfluß einen Aktorboden aufweist.

Heute wird bei Kraftfahrzeugen die Bremsfunktion durch hy­ draulisch betätigte Aktoren realisiert. Bei dem als "Brake- by-Wire" bezeichneten Verfahren handelt es sich um elektrisch betriebene Bremsvorrichtungen. Darin werden Aktoren, d. h. Elemente, in denen die Bremskraft erzeugt wird, und mittels der die Bremskraft übertragen wird, über elektromotorische Untersetzungsantriebe betätigt. Die daraus resultierenden Vorteile liegen in der individuellen und variablen Gestaltung des Bremsprozesses sowie in der gleichzeitigen Wahrnehmung anderer Funktionen, wie beispielsweise der ABS-Funktion (An­ ti-Blockier-System). Da ein elektromechanisches Bremssystem in der Regel bremskraftgeregelt arbeiten wird, stellt die präzise Bremskraftmessung eine wesentliche Grundlage für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems dar. An die Genauigkeit des Systems werden dabei aufgrund des Gleichlaufes hohe An­ forderungen gestellt. Beispielsweise sollen Fehlertoleranzen < 1% sein, auch wenn die Bremskraft beispielsweise 5 t be­ trägt. Die Meßaufgabe wird ferner durch die eingeschränkte Zugänglichkeit relevanter Meßorte, durch den geringen Frei­ raum in Kraftrichtung sowie den extrem hohen räumlichen sowie zeitlichen Temperaturgradienten erheblich erschwert. Diese Aspekte schließen die Verwendung von bekannten Kraftsensoren, wie z. B. Dehnungsmeßstreifen weitgehend aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genaue und eindeutige Erfassung von Bremskräften möglichst nahe am Wir­ kungsort der Bremskraft zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi­ nation entsprechend Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Kraftsensor in einfacher Weise in einem Aktor integrierbar ist. Die Durchbiegung eines Aktorbodens bzw. eines Bremskol­ benbodens (eine Bezeichnung in Anlehnung an hydraulische Sy­ steme) kann als Meßgröße für die Bremskraft genutzt werden. Der Aktorboden wird dazu entsprechend ausgestaltet. Der Aktor ist in der Regel hohlzylinderförmig aufgebaut, weist einen Aktorboden auf und enthält weiterhin einen Auflagering mit dem er am Bremsbelag einer Bremse direkt oder mittelbar an­ liegt. Die Bremskraft wird zentrisch erzeugt und auf den Ak­ torboden eingeleitet.

In vorteilhafter Weise wird die Verformung des Aktorbodens mittels verschiedener Meßverfahren ermittelt. Ein serientaug­ liches Verfahren ist das kapazitive Meßverfahren, wobei der Aktorboden eine Elektrode eines Kondensators darstellt, des­ sen mit der Verformung veränderte Kapazität ermittelt wird. Der Kondensator wird also in der Regel ein Plattenkondensator sein, wobei die dem Aktorboden gegenüberliegende Elektrode plattenförmig ausgebildet und federunterstützt an eine Aufla­ ge angedrückt wird, so daß durch die hohen Temperaturgradien­ ten keine mechanischen Spannungen in den Isolator der Elek­ trode übertragen werden und demnach ein definierter Elektro­ denabstand sichergestellt ist, wie es beispielsweise in der Europäischen Patentschrift EP 0 849 576 B1 beschrieben wird.

Da die Verbindungsstelle zwischen Aktorboden und dem in der Regel zylindrisch ausgeführten rückwärtigen Teil des Aktors einerseits und andererseits dem Auflagering relativ starr ausgebildet ist, können durch die Bremskraft an dieser Stelle Drehmomente auf den Auflagering übertragen werden, welche durch Reibungseffekte zu einem hysteresebehafteten Messen führen. Deshalb wird der Materialquerschnitt an dieser Ver­ bindungsstelle in vorteilhafter Weise durch eine innen umlau­ fende Nut, eine außen umlaufende Nut oder durch eine Kombina­ tion daraus verringert, so daß nur minimale Drehmomente über­ tragen werden.

Die für eine minimierte Hysterese vorgesehenen Maßnahmen sind ebenso dazu geeignet, in axialer Richtung einen Temperatur­ gradienten im Aktorboden durch weitgehend radiale Wärmeein­ leitung zu unterdrücken. Axiale Temperaturgradienten hätten eine Verwölbung des Aktorbodens in Richtung der zu messenden Kraft und dadurch ein Fehlmessung zur Folge.

Im folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt einen Aktorboden mit Auflagering, wobei Iso­ thermen und Wärmefluß eingetragen sind,

Fig. 2 zeigt einen Aktorboden im Ruhezustand, sowie im ver­ formten Zustand,

Fig. 3 zeigt einen Aktor mit innen und außen umlaufend ange­ brachten Nuten zur Verringerung des Materialquer­ schnittes zwischen Aktorboden und Auflagering,

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Darstellung entsprechend Fig. 2, jedoch mit hysteresefreiem Verformungsweg des Aktor­ bodens,

Fig. 5 zeigt einen Aktor mit Meßelementen für die Verformung Δz,

Fig. 6 zeigt einen Aktor mit kapazitiver Meßeinrichtung für die Verformung Δz,

Fig. 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Kraftfahrzeug-Bremssystemes mit im Kraftschluß und im Aktor integrierten Sensor.

Ein wesentliches Element der Erfindung besteht in der Inte­ gration des Kraftsensors im Aktor, wobei der Aktorboden als Meßelement herangezogen wird. Die elastische Deformation des Aktorbodens bei entsprechender Aufbringung einer Kraft ist somit die Meßgröße an diesem Verformungselement. Von der Ver­ formung kann auf die Größe der Kraft geschlossen werden.

Zur Verhinderung einer temperaturbedingten Verformung am Ak­ torboden in Meßrichtung, d. h. in Kraftrichtung, wird dafür gesorgt, daß an der Verbindungsstelle Aktorboden-Auflagering die Temperatureinleitung bzw. der Wärmeeinfluß derart gestal­ tet ist, daß Temperaturgradienten in Kraftrichtung minimiert werden, was gleichbedeutend mit einem annähernd axialen in Kraftrichtung ausgebildeten Verlauf der Isothermen. Somit wird der Wärmefluß fast ausschließlich in radialer Richtung nach innen laufen.

Zur Verhinderung von Hysterese-Effekten während verschiedener Lastwechsel, in denen die Kraft auf- und abgefahren wird, wird die Entstehung von Drehmomenten bzw. deren Übertragung auf den Auflagering gezielt minimiert. Dies führt zu einer gelenkähnlichen Ausführung der Verbindungsstelle zwischen Ak­ torboden und Auflagering. Da der Aktorboden als membranarti­ ger Verformungskörper dient, wird bei Kraftbeaufschlagung an der Verbindungsstelle zwischen Aktorboden und äußerem Zylin­ der bzw. Auflagering ein Drehmoment entstehen, dessen Dreh­ punkt innerhalb dieser T-Verbindung positioniert ist. Dies führt zu einem radialen Auswandern der Auflagefläche des Auf­ lageringes auf dem Bremsbelag. Durch an der Auflagestelle vorhandene Reibungskräfte wird beim Zurückfahren der Last die ursprüngliche Auflageposition nicht mehr erreicht, so daß Hy­ sterese-Effekte auftauchen, die reproduzierbare Messungen verhindern. Durch entsprechend eingebrachte Nuten, die umlau­ fend ausgebildet sind, wird die Übertragung von Drehmomenten an der angesprochenen Stelle verhindert.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch einen Aktor 1, wobei der Ak­ torboden 2 senkrecht zur Kraftrichtung angeordnet ist. Die Kraftrichtung wird in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 1 sind weiterhin eine Sockelebene 12 als Angriffspunkt für die Kraft, ein Auflagering 3, ein Bremsbelag 18 sowie die Rich­ tung des Wärmeflusses eingezeichnet. Der Aktor 1 ist insge­ samt zylinderförmig, größtenteils hohlzylinderförmig, ausge­ bildet. Dabei ist in Kraftrichtung hinter dem Aktorboden 2 der Auflagering 3 im Bereich des äußeren Umfanges des Aktor­ bodens 2 angeordnet. Zur Führung des Aktorbodens ist gegen­ überliegend vom Auflagering 3 die hohlzylinderförmige Ausbil­ dung über den Aktorboden 2 hinaus entgegen der Kraftrichtung verlängert. Weiterhin sind im Aktorboden 2 Isothermen 11 ein­ getragen, die verschiedene Temperaturen T₁ bis T₄ kennzeich­ nen. Die Ausführung entsprechend Fig. 1 enthält keinerlei Sensorelemente und weist keine Merkmale auf, die Temperatur- bzw. Hysterese-Effekte verhindern können. Wesentlich in Fig. 1 ist, daß der Wärmefluß Q, ausgehend von dem Bremssystem mit dem Bremsbelag 18, auf dem der Auflagering 3 aufliegt, in ei­ ner Art und Weise in den Aktorboden 2 eingeleitet wird, daß im Aktorboden 2 Temperaturgradienten in Kraftrichtung auftre­ ten. Dies führt zu temperaturbedingten Verformungen des Ak­ torbodens, welche eine fehlerhafte Kraftmessung zur Folge hat.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1, wobei die Kraft F, die Bremskraft, schematisch angetragen ist sowie die Verformung des Aktorbodens 2 in Form des durchgebogenen Aktorbodens 2. Die maximale Durchbiegung ΔZ wird in der Mitte des meist radialsymmetrischen Bauteiles auftreten. Die einge­ zeichnete Verformung wird an der Verbindungsstelle zwischen Aktorboden 2 und Auflagering 3 ein Drehmoment erzeugen, des­ sen Drehpunkt 10 markiert ist. Durch dieses Drehmoment wird bei Kraftbeaufschlagung die auf dem Bremsbelag 18 aufliegende Fläche des Auflageringes 3 nach außen versetzen. Die Drehmo­ mente M sind schematisch angetragen.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1, wobei durch eine innen umlaufende Nut 8 und eine außen umlaufende Nut 9 die Einleitung des Wärmeflusses in den Aktorboden 2 an­ nähernd senkrecht zur Kraftrichtung, d. h. radial von außen nach innen, geschieht. Dies führt zu annähernd kraftparalle­ len Isothermen 11. Durch diese Maßnahme werden keine tempera­ turbedingten Verformungen auftreten.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung entsprechend Fig. 2, wobei ebenfalls durch umlaufende Nuten 8 und 9 zwischen Aktorboden 2 und Auflagering 3 Maßnahmen ergriffen wurden, um bei Kraft­ einwirkung auftretende Drehmomente M zu eliminieren. Somit kann sich der Aktorboden 2 um einen maximalen Betrag von AZ durchbiegen, ohne daß an seinen äußeren Rändern Drehmomente auf den Auflagering 3 wirken, die dessen Auflagefläche auf den Bremsbelag 18 nach außen auswandern lassen. Durch die Nu­ ten 8 und 9 ist der Materialquerschnitt entsprechend verrin­ gert, so daß eine gelenkartige Ausbildung erreicht wird.

Fig. 5 zeigt eine Aktoranordnung mit einer Messung der Ak­ torbodendurchbiegung ΔZ mit unterschiedlichen Sensoren. Zum einen kann die Durchbiegung des Aktorbodens 2 mit einem be­ rührungslosen Abstandssensor 13 induktiv oder optisch gemes­ sen werden. Dieser berührungslose Sensor ist dazu auf der senkrecht zur Kraftrichtung ausgerichteten Sockelebene 12 montiert und wird somit entsprechend dem zentralen Bereich des Aktorbodens 2 um ΔZ versetzt. Diese Versetzung wird be­ rührungslos durch Annäherung des Sensors an den Aktorboden 2 durchgeführt.

Eine weitere Meßmethode beinhaltet den Einsatz von Dehnungs­ sensoren 6, die für höhere Temperaturen geeignet sind. Diese Sensoren messen entsprechend ihrer Bezeichnung eine Dehnung s, die auftritt, wenn eine Kraft F auf den Aktorboden 2 wirkt. Als Dehnungssensoren können metallische, Halbleiter- oder piezoresistive Dehnungsmeßstreifen, sowie kapazitive Dehnungssensoren in Silizium-Oberflächenmikromechanik verwen­ det werden. Wie bisher sind die umlaufenden Nuten 8 und 9 in Fig. 5 dargestellt sowie die Auflage des Auflageringes 3 auf dem Bremsbelag 18.

Fig. 6 zeigt den Aktor 1 mit einer kapazitiven Meßanordnung. Gemessen wird wiederum ΔZ. Die kapazitive Meßanordnung bein­ haltet eine auf einer Elektrodenhalterung 7 angebrachte Elek­ trode 5. Die Elektrodenhalterung ist in ihrem äußeren Bereich auf einer Auflage 14 federunterstützt angedrückt. Die Auflage 14 wird, auch bei Krafteinwirkung, ortsfest bleiben. Die Fe­ derunterstützung wird durch die Feder 15 bewerkstelligt, die sich an einem rückwärtigen Deckel 4 abstützt. Somit ist ge­ währleistet, daß die Elektrode 5 in Ruhestellung annähernd planparallel zum Aktorboden 2 ausgerichtet ist. Der Aktorbo­ den 2 stellt somit die Gegenelektrode zur Elektrode 5 dar. Eine Veränderung des Abstandes dieser beiden Elektroden er­ zeugt ein zu ΔZ proportionales Signal.

Fig. 7 zeigt die gesamte Anordnung eines Bremssystemes, das an einer Bremsscheibe 17 angreift. Die durch den Bremssattel 16 zusammengehaltenen Bremsbeläge 18 werden beiderseitig an die Bremsscheibe 17 angedrückt, wenn über den Motor 19 eine Spindel 20 elektromotorisch eine Bremskraft auf den Aktor 1 ausübt. Der elektromotorische Antrieb ist meist mit einer Un­ tersetzung verbunden. Die Spindel 20 überträgt die Bremskraft zentral auf den Aktorboden 2, wobei sich der Motor 19 rück­ wärtig an einem Teil des Bremssattels 16 abstützt. Weiterhin ist der kapazitive Sensor 22 schematisch eingetragen. In der Darstellung entsprechend Fig. 7 läßt sich der Wärmefluß ver­ deutlichen, der ausgehend von den Kontaktflächen zwischen Bremsscheibe 17 und Bremsbelag 18 über den Bremsbelag nach hinten in den Auflagering 3 und über diesen in den Aktorboden 2 eingeleitet wird. Nachdem hier Temperaturunterschiede von mehreren 100°C auftreten können, wird deutlich, daß tempera­ turbedingte Verformungen reproduzierbare Messungen verhindern können.

In Bezug auf Temperatureinfluß und Hysterese ist weiterhin folgendes anzumerken. Der Temperatureinfluß an einer Bremse kann enorm sein, da beim Bremsvorgang in wenigen Sekunden ei­ ne erhebliche Erwärmung des Aktors 1 geschieht. Der Wärmefluß Q geschieht dabei ausschließlich über den Auflagering 3 und verteilt sich dann in den Aktorboden 2. Dabei treten erhebli­ che axiale Temperaturgradienten im Aktorboden auf, was in Fig. 1 dargestellt ist. Dies führt zu einer temperaturabhängi­ gen Verwölbung ΔZ des Aktorbodens 3 und damit zu einer Fehl­ messung. Bringt man jedoch im Innenraum des Auflageringes 3 eine Eindrehung in Form einer umlaufenden Nut 8 an, so wird der Wärmestrom nahezu radial in den Aktorboden 3 eingeleitet und damit eine temperaturbedingte axiale Verwölbung ΔZ ausge­ schlossen.

Die Hysterese-Erscheinungen an dem beschriebenen Aktor treten aufgrund der relativ starren Verbindung des Aktorbodens 2 mit dem Auflagering 3 auf. Die zentrisch eingeleitete Bremskraft verursacht nicht nur eine Durchbiegung ΔZ am Aktorboden 2, sondern erzeugt auch ein Drehmoment M entsprechend Fig. 2. Dieses Drehmoment sorgt für ein radiales Auswandern der Auf­ lagefläche des Auflageringes 3. Bei Entlastung tritt jedoch dann aufgrund der beträchtlichen Reibungskräfte eine erhebli­ che Hysterese auf, die ein der Kraft F proportionales Zurück­ gehen der Verformung ΔZ zu einem gewissen Teil verhindert. Erfindungsgemäß wird die Hysterese dadurch vermieden, daß die starre Verbindung zwischen Aktorboden 2 und Auflagering er­ heblich im Querschnitt geschwächt wird. Weiterhin wird die Verbindung zwischen diesen beiden Teilen in etwa mittig zur Auflagefläche angeordnet, wie in Fig. 4 dargestellt. Darüber hinaus wird zur Herstellung des Sensors ein hysteresearmer Werkstoff verwendet. Vorzugsweise werden hier ausscheidungs­ härtbare rostfreie Edelstähle, beispielsweise vom Typ 17-4PH eingesetzt. Die Messung der Bremskraft proportionalen Verfor­ mung ΔZ wird zweckmäßigerweise relativ zum Rand des Aktors durchgeführt. Hierfür können induktive sowie optische Metho­ den verwendet werden. Besonders geeignet sind aufgrund der hohen Temperaturen auch kapazitive Meßprinzipien wie es in Fig. 6 dargestellt wird. Die entsprechende Kapazitätsände­ rung entsteht durch eine bremskraftabhängige Änderung des Elektrodenabstandes zum Aktorboden 2. Ein zur Verformung ΔZ und damit zur Bremskraft F proportionales Meßsignal ergibt sich auch aus der radialen Dehnung ε des Aktorbodens 2. Als Dehnungssensoren kommen in diesem Fall Hochtemperatur- Meßstreifen, piezoresistive Sensoren oder kapazitive mikrome­ chanische Dehnungssensoren in Frage.

Die Erfindung basiert auf der Nutzung des bereits vorhandenen Aktorbodens 2 als Verformungskörper für eine direkte Brems­ kraftmessung sowie in dessen geometrische Gestaltung hin­ sichtlich einer weitgehend temperaturunabhängigen und hyste­ resefreien Kraftmessung.

Claims (8)

1. Aktorintegrierter Kraftsensor zur Kraftmessung im Kraft­ fluß mit einem quer zum Kraftfluß ausgebildeten Aktorboden (2), auf den die Kraft (F) zentral einwirkt und einem am Aktorbodenaußenrand in Kraftrichtung umlaufend angeordne­ ten Auflagering (3) zur Weiterleitung der Kraft (F), wobei der mit der Kraft (F) verformbare Aktorboden (2) Teil des Kraftsensors ist und dessen detektierbare Verformung ein Maß für die Kraft (F) darstellt.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, wobei die Verformung mittels induktiver oder optischer Meßverfahren oder mit metalli­ schen, piezoresistiven oder Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen oder mit Dehnungssensoren in Silizium- Oberflächenmikromechanik detektierbar ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1, wobei die Verformung mittels kapazitiver Meßverfahren detektierbar ist.

4. Kraftsensor nach Anspruch 3, wobei eine zentrale Durchbie­ gung (Δz) des Aktorbodens (2) relativ zum Aktorrand mit­ tels einer Plattenkondensatoranordnung, bestehend aus ei­ ner auf einer federunterstützt an eine Auflage (14) ange­ drückten Elektrodenhalterung (7) aufgebrachten Elektrode (5) und einer durch den Aktorboden (2) dargestellten Ge­ genelektrode, detektierbar ist.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der Verbindung zwischen Aktorboden (2) und Auflagering (3) mittels einer inneren umlaufenden Nut (8) verringert ist, so dass im Aktorboden minimierte Tempera­ turgradienten in Kraftrichtung auftreten.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, wobei zur verminderten mecha­ nischen Kopplung zwischen Aktorboden (2) und Auflagering (3) eine Verringerung im Materialquerschnitt vorgesehen ist, so dass eine Momentenübertragung vom Aktorboden auf den Auflagering minimiert ist.

7. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auflagering (3) mindestens eine Öffnung aufweist.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, wobei mehrere Öffnungen gleichmäßig über den Umfang des Auflageringes (3) verteilt sind.