带功能监控的执行器.pdf

本发明涉及一种执行器(10)，尤其是用于汽车驻车制动器的制动执行器，它具有驱动元件(20，200)、通过至少一个弹性元件(40，42，44，46，400)与驱动元件(20，200)联接的从动元件(30，32，300)、用于检测驱动元件(20，200)位置变化的第一传感器(60，600)和用于检测从动元件(30，32，300)位置变化的第二传感器(62，620)。此外本发明还涉及对执行器进行功能监控的方法以及实施该方法的计算机程序和计算机程序产品。

1.  用于汽车驻车制动器的执行器，该执行器具有：
-驱动元件(20，200)，
-通过至少一个弹性元件(40，42，44，46，400)与驱动元件(20，200)联接的从动元件(30，32，300)，
-用于检测驱动元件(20，200)位置变化的第一传感器(60，600)，和
-用于检测从动元件(30，32，300)位置变化的第二传感器(62，620)。

2.  按权利要求1所述的执行器，它还包括至少一个牵引元件(50，54，500)，所述至少一个牵引元件(50，54，500)与从动元件(30，32，300)相连。

3.  按权利要求1或2所述的执行器，其中，驱动元件(20，200)和从动元件(30，32，300)设置成可旋转运动。

4.  按权利要求2或3所述的执行器，其中，所述至少一个牵引元件(50，54，500)是丝杠(50，54)。

5.  按权利要求1至4之一所述的执行器，其中，从动元件(30，32，300)是丝杠螺母(32)，从动齿轮(30)安装在丝杠螺母(32)上。

6.  按权利要求5所述的执行器，其中，丝杠螺母(32)和从动齿轮(30)一体地构造。

7.  按权利要求5或6所述的执行器，其中，驱动元件(20，200)是借助至少一个同步凸块(80，82，84)并通过至少一个弹性元件(40，42，44，46，400)与从动齿轮(30)同步连接的驱动齿轮(20)。

8.  按权利要求7所述的执行器，其中，驱动齿轮(20)可转动地支承在丝杠螺母(32)上。

9.  按权利要求7或8所述的执行器，其中，弹性元件(40，42，44，46，400)是弹性材料构件。

10.  按权利要求7或8所述的执行器，其中，弹性元件(40，42，44，46，400)由设置在圆周线上的拉压弹簧(40，42，44)构成。

11.  按权利要求7或8所述的执行器，其中，弹性元件(40，42，44，46，400)由盘簧(46)构成。

12.  按权利要求5至11之一所述的执行器，其中，丝杠螺母(32)分段设有反向的螺纹，且丝杠螺母(32)的各个端部上设有带制动索(52，56)的丝杠(50，54)。

13.  按权利要求1或2所述的执行器，其中，驱动元件(20，200)和从动元件(30，32，300)设置成可平移运动。

14.  按权利要求1、2或13所述的执行器，其中，从动元件(30，32，300)是可直线运动地支承的从动滑块(300)，从动滑块(300)与制动索(500)相连。

15.  按权利要求1、2、13或14所述的执行器，其中，驱动元件(20，200)是可直线运动地支承的驱动滑块(200)，其中驱动滑块(200)和从动滑块(300)借助弹性元件(40，42，44，46，400)相互拉紧。

16.  按权利要求15所述的执行器，其中，弹性元件(40，42，44，46，400)是拉压弹簧(400)。

17.  按权利要求15或16所述的执行器，其中，驱动滑块(200)与驱动丝杠(700)相连，驱动丝杠(700)与驱动丝杠螺母(720)啮合，驱动丝杠螺母(720)与驱动齿轮联接。

18.  按权利要求15至17之一所述的执行器，其中，驱动滑块(200)和从动滑块(300)沿其各自的纵向延伸都设有相应的外齿(240，340)。

19.  按权利要求5或15所述的执行器，其中，所述驱动齿轮由电动机驱动。

20.  按前述权利要求之一所述的执行器，其中，第一传感器(60，600)和第二传感器(62，620)是霍尔传感器，并且第一传感器(60，600)被设置在驱动元件(20，200)的外齿(24，240)对面，第二传感器(62，620)被设置在从动元件(30，32，300)的外齿(34，340)对面。

21.  对具有按权利要求1至21之一所述执行器(10，100)的驻车制动器进行功能监控的方法，该方法包括下列步骤：
-借助第一传感器(60，600)获知驱动元件(20，200)的位置变化，
-借助第二传感器(62，620)获知从动元件(30，32，300)的位置变化，
-算出位置变化的差值，
-从位置变化的差值和已知的弹性元件(40，42，44，46，400)弹簧力-弹簧行程特性曲线中算出制动力，
-通过对由所获得和/或所算出的值构成的数值组合与储存的预定数值组合进行比较来确定驻车制动器(10，100)的工作能力。

22.  具有程序代码工具的计算机程序，用于当计算机程序在计算机上运行时实施按权利要求21所述方法的所有步骤。

23.  一种计算机程序产品，其具有当计算机程序在计算机上运行时实施按权利要求22所述方法的所有步骤的程序代码工具。

带功能监控的执行器
技术领域
本发明涉及一种执行器、尤其是用于驻车制动器的制动执行器以及一种对执行器进行功能监控的方法和用于实施该方法的计算机程序及计算机程序产品。
背景技术
在使用电机地或电动地运行的执行器来操作汽车中的驻车制动器时，出于安全技术上的理由，需要监控执行器的功能是否正常。
现有技术公开的常见驻车制动装置通常由汽车两个后轮上各一个车轮制动器、拉索机构和用于通过汽车驾驶员操作的可调手柄组成。
在电机操作的驻车制动装置中，手柄被用电机驱动的调节装置替代，所述调节装置由驾驶员根据行驶情况通过操作按钮使用或通过上一级的控制单元使用。然后通过调节装置，必要时根据当前的汽车和运行参数如驾驶员的意愿、行驶速度、车重、汽车倾斜度、驱动扭矩、传动机构位置等，电子地控制或调节驻车和释放过程。
之后由控制或调节单元从测得的汽车和运行数据中获知要产生的制动力的额定值，并对驱动装置如下地控制，即，在传输装置功能正常的前提下让额定制动力到达车轮制动器。但是当额定值相同时，因为环境参数如温度、湿度等的变化以及磨损现象，使到达的制动力的值发生了变化，所以需要通过在制动装置的合适位置上测量合适的参数来监控制动力的值是否已到达额定值，并通过将这些值反馈给控制或调节单元并对它们进行处理来安排调节，其中，测得的实际制动力通过调节参数的相应变化不断地接近额定值，并最终确保到达额定值。
如果使用电动机作为驱动装置，那么例如利用调节参数如电流强度、工作电压和脉冲宽度调制就能对产生的驱动扭矩施加影响。
原则上，所有沿着力传递机构可测量的调节力都充当已获得实际制动力的衡量标准。然而，此时当测量部位在力通中距离车轮制动单元越远，对车轮制动器和测量位置间的传递装置产生影响的干扰量所带来的影响就越大，因而使测量值不可靠。
对此的例子比如是对在制动索中产生的拉力进行测量，此时拉力测量部位位于面朝调节装置的绳索端部。当绳索拉力在测量部位和车轮制动器之间的部段上例如由于低温时的冰冻而受到阻碍时，即使想测量制动力，此时车轮制动器上也不会产生任何制动力。可靠的测量必须尽可能直接地在各车轮制动单元中进行。
从另一方面来说，这种设计方案在结构和安装技术上都十分费力、昂贵并且还因为信号传输行程长而易受干扰。从这个角度来说，让额定制动力的检测尽可能位于中心、即尽可能靠近控制单元是值得去做的，其中，控制单元直接设置在执行器或调节装置的外壳上或设置在该外壳之内。
这种目标冲突通过下述内容得以解决，即，当在接近调节装置处或甚至在调节装置内进行主要的测量以用于核实制动力测量值时测出至少一个与制动力相关的第二调节参数。这个调节参数在这里是车轮制动单元内的制动元件如制动颚板的调节行程。它也沿着传递机构例如制动索或制动杆被传往调节装置并于那里在中心且靠近控制单元的地方被测得。
这两个参数间、即调节力和调节行程相互间的关系很明确，这种关系虽然遭受某些变动、如在传递装置内由温度引起的长度变化或因老化或磨损带来的影响，但不会遭受任何跳跃式的改变，因而能简单地被追踪和检测。
功能正常时，为确定的调节行程清楚地配设确定的调节力。调节力关于调节行程的变化曲线可作为比较曲线储存在控制单元中。现在，在每个调节过程中，即在制动器的每次拉紧或释放中，可将当前测得的调节力/调节行程曲线与储存在控制单元中的额定曲线进行比较。此时，当传递机构受到阻碍时，测得的调节力在一段基本上较短的调节行程后会上升，或在传递装置断裂的情况下在基本上较长的调节行程上测不到调节力的上升。以这种方式就能可靠地检测到制动单元的故障并采取相应的安全措施。
迄今为止，在测量这两个调节参数时存在不同的解决方案。所以在EP 0 966 376 B1公开的解决方案中，在制动索内或制动索上测量调节力。如在EP 0 988 203 B1和DE 101 02 685 B4中提到的那样，到目前为止，仅用弹簧行程测量元件来测量调节力。其中利用距离传感器来检测设置在力通中的弹簧的直线长度变化，并借助弹性常数从距离变化中获知调节力。
制动元件的调节行程或冲程长度同样在制动索上检测，为此，这里也需要一个测量单元来检测直线冲程长度。在汽车内的其它调节装置中，例如在车窗玻璃升降器驱动装置中，通过电动机驱动轴的转速来检测车窗玻璃的调节行程。US 5,180,038已经公开了借助驱动轮的转速来检测汽车驻车制动器调节装置中的冲程长度。
现有技术公开了用机械式、磁性或光学传感器装置来测量轴的转速的不同可能性。例如，可借助霍尔传感器和相应的发送单元在轴上以简单、耐用和可靠的方式进行转速的检测。为此例如在轴上设置一个部分被反向磁化的传感轮，它的磁性部分在轴转动时移动经过设置在传感轮对面的被动式霍尔传感器并交替地对其进行激励。同样可使用具有简单金属齿的被动式传感轮和主动式霍尔传感器。传感轮和传感器单元布置的精确度在此不是很重要，因为只需测量传感器单元激励的变化，这种变化确保在较大的布置公差范围内。
为获知调节力所需的距离测量也可借助霍尔传感器来完成。然而在这里为了达到所需的精确度，前提是传感器单元和发送单元要得到准确定位。但这在设计、安装和可能进行的调整方面都需要较高的开支。相应地，这种测量方式对构件公差和环境影响也较为敏感，尤其是在汽车通常所处的特别恶劣和变化多端的环境下使用时无法保证不会有问题出现。
因此存在对这样一种执行器的需求，即，它有尽可能简单、耐用和不易受干扰的装置来测量调节力和调节行程，该装置在成本低廉的情况下一样能确保高精确度。此外，该执行器还应当有尽可能紧凑的构造，且传感器相互间的布置十分紧密。这种执行器应尤其适合作为用于驻车制动器的制动执行器。
发明内容
为此公开了按权利要求1所述的执行器、按权利要求22所述对该执行器进行功能监控的方法、按权利要求23所述的电脑程序和按权利要求24所述的电脑程序产品。有利的设计方案由从属权利要求和下面的说明中得出。
其中，执行器包括驱动元件、与驱动元件通过至少一个弹性元件联接的从动元件、用于检测驱动元件位置变化的第一传感器和用于检测从动元件位置变化的第二传感器。
公开的解决方案规定，无论是调节力还是调节行程都借助行程差的测量来获知。为此可以测量两个设置在力通内并通过弹性元件联接的元件(驱动和从动元件)相对于固定环境的冲程长度或转动行程。驱动和从动元件也可以转动或平移地设置。其中，冲程长度和转动行程可通过简单的脉冲发送单元来测量。
驱动元件在此可由来自驱动端的例如电动机来驱动。驱动运动通过弹性元件传递到与传动单元的从动端固定联接的从动元件上。可设置至少一个与从动元件连接的牵引元件。
按一种实施形式，运行的执行器可设计成用于汽车驻车制动器的制动执行器。下文将阐述这一点：
在拉紧制动器时，驱动元件和从动元件统一运动，直至制动元件接触到车轮制动器。其中，驱动元件和从动元件经过的调节行程可相互独立地被检测。一旦制动元件接触到车轮制动器，从动元件的运动就会中止。如果驱动装置继续被驱动，那么驱动元件就会克服弹性元件的弹力相对于当前已停止的从动元件继续运动。从而调节力对应于弹簧单元的弹性常数不断提高，驱动元件的调节行程相应增大并继续被连续地检测。因此驱动元件的调节行程总体上要大于从动元件的调节行程。在可设置在执行器内部或外部的控制单元中比较驱动元件和从动元件的调节行程，从而得到调节行程差，该调节行程差充当已建立的调节力的衡量标准。调节行程差由控制单元连续地获取，且驱动装置继续被驱动，直至到达与调节力额定值对应的调节行程差。
受构造所限，驱动构件和从动构件直接相邻布置，这也实现了传感器在周围外壳中例如在共同的支架单元上的紧密并排布置。
在本发明的一种实施形式中可以规定，至少一个牵引元件是丝杠。
此外还可以规定，从动元件是丝杠螺母，从动齿轮安装在该丝杠螺母上。
另外，丝杠螺母和从动齿轮优选彼此一体地构成。
驱动元件可以是驱动齿轮，它借助至少一个同步凸块或其它合适构造的同步元件并通过至少一个弹性元件与从动齿轮同步连接。
驱动齿轮可转动地支承在丝杠螺母上。
弹性元件可以由多个单独的压力弹簧或拉力弹簧组成，它们例如布置在驱动轮和从动轮之间的圆周线上。不过弹性元件也可以由同心布置的盘簧、弹性材料构件或其它以适当方式布置的弹性构件组成。
执行器可以设计成所谓的“180°双索牵引器”。此时，丝杠螺母分段具有反向的螺纹，并且在丝杠螺母的每个端部设置带制动索的丝杠。
在本发明另一种实施形式中，驱动元件和从动元件设置成能平移运动。
在此，从动元件可以是可直线运动地支承的从动滑块，它与制动索相连。
此外，驱动元件可以是可直线运动地支承的驱动滑块，其中，驱动滑块和从动滑块借助弹性元件相互拉紧。
弹性元件在该实施形式中可以优选为拉压弹簧。
驱动滑块可与驱动丝杠相连，驱动丝杠与驱动丝杠螺母啮合，驱动丝杠螺母则与驱动齿轮联接。
无论是驱动滑块还是从动滑块，沿它们各自的纵向延伸都设有相应的外齿。
用于检测执行器工作能力的测量装置可以设置在丝杠和与丝杠通过测量装置联接的拉索之间。
一般来说，驱动齿轮由电动机驱动。如上所述，电动机例如通过蜗杆与齿轮啮合，齿轮驱动丝杠螺母。所以电动机的旋转运动被转变为平移运动。由此得出已提及的可能性，也就是说，用于检测位置变化的测量装置要么在力通中这样设置，即，对旋转的位置变化进行测量，要么在其它位置这样设置，即对平移的位置变化进行测量。
通常可以只设置单个牵引元件。执行器因而也可设计为所谓的“单索牵引器”。
第一传感器和第二传感器可以是霍尔传感器，其中优选将第一传感器设置在驱动元件的外齿对面并将第二传感器设置在从动元件的外齿对面。
如上所述便可以特别简单且不易受干扰地检测位置的变化。
用于监控执行器功能的相应方法包括的步骤有：借助第一传感器确定驱动元件的位置变化；借助第二传感器确定从动元件的位置变化；算出位置变化的差值；从算得的差值和已知的弹性元件弹簧力-弹簧行程特性曲线中获知制动力；以及通过对由确定的位置变化以及有可能额外考虑的已获知的制动力构成的两个值或三个值与已知的两个或三个参考值进行比较来确定驻车制动器的工作能力。
可以将例如从动元件没有发生位置变化、驱动元件任意的位置变化和从中得出的差作为三个参考值存储起来。这样的三个值可以例如表述卡紧的制动装置。
用于调节上述方法的计算机程序具有程序代码工具，以便当计算机程序在计算机上、尤其在执行器配备的控制单元上运行时实施所有按本发明方法的步骤。
计算机程序产品包括可存储在计算机可读的数据载体如硬盘、磁盘、CD-ROM、DVD等上的程序代码工具，以便当计算机程序在计算机上、尤其在执行器配备的控制单元上运行时实施上述方法的所有步骤。
本发明的其它优点和设计方案由说明书和附图得出。
不言而喻的是，前面提到的和下文将要阐述的特征不仅可以以已经给出的组合、还可以以其它组合或单独地使用而不会脱离本发明的范畴。
附图说明
下面借助附图所示实施例示意性地示出本发明并结合附图对本发明加以详细说明。
图1是执行器的第一种实施形式的横截面视图；
图2示出了沿图1中线段A-A所示的、本发明第一种实施形式的弹性元件的第一种设计方案；
图3示出了沿图1中线段A-A所示的、本发明第一种实施形式的弹性元件的第二种设计方案；
图4是第二种实施形式中按本发明的执行器的一个区域的横截面视图；
图5以步骤S1至S6给出了对驻车制动器进行功能监视的方法的简化流程图。
具体实施方式
图1、2和3示出了按照第一种实施形式的执行器10。执行器10在本例中用于操作汽车中的驻车制动器。
在这种执行器10中，使用带驱动蜗杆74的常规电动机(未示出)作为驱动单元。由驱动齿轮20、从动齿轮30和丝杠螺母32构成的丝杠传动机构用于将电动机(未示出)的旋转运动转化为往复直线运动。
从动齿轮30与丝杠螺母32一体构造并通过同步凸块80、82、84和至少一个弹性元件40、42、44、46与驱动齿轮20同步连接，驱动齿轮20借助轴承93可转动地支承在丝杠螺母32上。
如图2所示，弹性元件可以是布置在圆周线上的拉压弹簧40、42、44。当然也能如图3所示设置盘簧46。
丝杠螺母32借助两个轴承90、92可转动地支承在外壳94中。驱动齿轮20与由电动机驱动的驱动蜗杆74啮合。图1所示的执行器设计成所谓的“180°双索牵引器”，因而丝杠螺母32设有反向的螺纹并且设置了两个反向的丝杠50、54。丝杠50、54与丝杠螺母32啮合，并确保它们相对外壳94直线运动而不发生扭转。丝杠50、54上分别固定了制动索52、56，对应丝杠50、54的直线运动传递到制动索52、56上。
驱动齿轮20具有外齿24。从动齿轮30具有外齿34。在驱动齿轮20和从动齿轮30的外齿24、34区域内分别布置有一主动式霍尔传感器60、62。各霍尔传感器60、62通过驱动齿轮20或从动齿轮30的相应外齿24、34获得激励。当驱动齿轮20或从动齿轮30旋转时，外齿24、34移动经过霍尔传感器60、62，此时每个齿产生一个脉冲。通过对脉冲计数就能获知驱动齿轮20和从动齿轮30各自的旋转角。通过预定的丝杠传动机构传动比就能由从动轮的脉冲数获知丝杠的并因而也是制动索的直线冲程长度。由驱动齿轮20和从动齿轮30的脉冲数差值可以获知驱动齿轮和从动齿轮间的差动旋转角和通过弹性元件40、42、44、46传递的扭矩，该扭矩又与调节力成比例。
已得到的测量数据被传输给控制或调节单元(未示出)，它对测量数据进行评估并相应地控制电动机。
这种方案的特别优点在于，构造简单，并且元件被布置在中央且在空间上紧密相邻。另一优点则在于，这种整合了调节行程-调节力测量的执行器10同样可以设计成“单索牵引器”或“180°双索牵引器”。
图4示出了按照第二种实施形式的执行器100。在该实施形式中，对应的制动索500通过测量装置与丝杠700相连。与第一种实施形式相似，丝杠700的运动通过丝杠传动机构和电动机产生，其中，丝杠螺母720显然不具有图中所示测量装置的中间连接，而是直接通过驱动齿轮与电动机相连。
第二种实施形式中的测量装置由与丝杠700联接的驱动滑块200以及与制动索500联接的从动滑块300组成。这两个滑块200、300支承在外壳940内并能相互独立地直线运动。驱动滑块200和从动滑块300之间设置有压簧400，它用作本发明的弹性元件并将这两个滑块200、300相互拉紧。在操作执行器时，驱动滑块200的拉力通过压簧400传递到从动滑块300上。
各滑块200、300在外侧都具有沿直线设置的齿部240、340。在各齿部的对面设置了被单个的齿激励的霍尔传感器600、620。
在操作执行器或拉紧制动器时，两滑块200、300统一移动直至接触到车轮制动器(未示出)的制动元件。由此使从动滑块300的移动中止。如果继续进行驱动，那么驱动滑块200进一步沿拉紧方向(在图4中是向右)移动，直至达到所希望的制动力。
两滑块200、300作直线运动时，沿直线的齿部240、340的单个齿移动经过霍尔传感器600、620并产生相应的脉冲。调节行程差是制动索500中拉力的衡量标准。通过对脉冲计数就能确定驱动滑块200和从动滑块300各自相对固定外壳940的调节行程以及调节行程差。
这种实施形式尤其适用于所谓的单索牵引器，其优点在于，在此可以直接地、也就是说不受传动比影响地测量制动索500内的拉力。使用双索牵引器时，必要时也可以在每个拉索内设置单独的测量装置。此外，优点还在于，霍尔传感器600、620可以以空间紧凑的布置方式安装在外壳940内的指定位置上，必要时安装在共同的支承元件例如设计为印制电路板的电路载体上。
在这两种实施形式中使用霍尔传感器60、62、600、620尤其有利，因为它们相对于探测元件和发送单元的错误定位而言具有相对较大的公差。因此就能省略在安装时繁复的调整工作。此外，安装时无需直接顾及发送单元或外齿24、34、240、340以及随后测量值的校准就能实现传感器60、62、600、620在外壳94、940中的定位。
因此能特别简单快捷并因而成本低廉地安装执行器。
图5示出了用于对具有执行器的驻车制动器进行功能监控的简化流程图。该方法包括图5中用S1至S6标识的步骤：
步骤S1：借助第一传感器60、600获知驱动元件20、200的位置变化。
步骤S2：借助第二传感器62、620获知从动元件30、32、300的位置变化。
步骤S1和S2中，值的获知在时间上是平行进行的。
步骤S3：算出位置变化的差值。
步骤S4：由位置变化的差值和已知的弹性元件40、42、44、46、400弹簧力-弹簧行程特性曲线算出制动力，必要时还可参考其它与弹簧力-弹簧行程特性曲线一起在存储器SK中提供的、系统特有的特征值。
步骤S5：通过对由获知和/或算出的值构成的数值组合与存储在存储器WK中的预定的数值组合进行比较来确定驻车制动器10、100的工作能力。
如果在步骤S5中确认了驻车制动器的功能正常，那么就在分支步骤V中调节子分支步骤S6。
步骤S6：向执行器的控制单元和或操作者给出信号以确认功能。
如果在步骤S5中确认了驻车制动器的功能有误，那么就在分支步骤V中调节子分支步骤S7。
步骤S7：给出信号，以便在控制单元中将紧急情况例行程序初始化并产生提示操作者功能有误的指示信号。
10         制动执行器
20         驱动齿轮
24         外齿
30         从动齿轮
32         丝杠螺母
34         外齿
40，42，44 拉压弹簧
46         盘簧
50，54     丝杠
52，56     制动索
60，62     霍尔传感器
74         驱动蜗杆
80，82，84 同步凸块
90，92，93 轴承
94         外壳
100        制动执行器
200        驱动滑块
240        外齿
300        从动滑块
340        外齿
400        拉压弹簧
500        制动索
600，620   霍尔传感器
700        驱动丝杠
720        驱动丝杠螺母
940        外壳
SK         存储器
WK         存储器
V          分支步骤
S1，...，  S7方法步骤