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JP6659821B2 - インピーダンス測定によって車両内のカーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗を決定するための方法及び装置 - Google Patents

インピーダンス測定によって車両内のカーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗を決定するための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、車両内のカーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗を決定するための方法、並びに、この方法を実施するための装置及びこのような装置を伴う車両に関する。
「カーボンセラミック製ブレーキディスク」は、カーボンセラミック材料を含み、カーボンセラミック材料がセラミックマトリックス及びマトリックス内に埋込まれた炭素繊維を含んでいる、ブレーキディスクである。
このようなカーボンセラミック製ブレーキディスクにおいては、高い作動温度に起因して、炭素繊維の酸化、ひいては摩耗が発生する。この摩耗は、単なる光学検査では高い信頼性で認識することができない。摩耗認識の改善は、誘導測定方法によって達成される。このタイプの測定において使用される原理は、渦電流減衰に基づいており、連続的に作動する2つのコイルを用いる(欧州特許第1387166号(EP1387166))、又は、パルス作動で1つ又は2つのコイルを用いる(独国特許第102008051802号(DE102008051802))。これらの文書では、摩耗の重量測定と誘導測定との間の優れた相関関係が開示されている。従来取引されているプロフォメータ(www.proceq.com)が測定用装置として使用される。このタイプの技術を使用すると、測定のためにブレーキディスクを分解する必要はない。
米国特許出願公開第2013/0015849号(US2013/0015849)は、カーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗を測定するための方法において、複数のコイルを保持するハウジングがブレーキディスクに対して保持されている方法について説明している。
ブレーキディスクのインダクタンスに依存する品質値の決定に基づいているこれらの技術は全て、測定用装置が車両内に恒久的に組込まれていないオフライン測定向け、例えば車両が休止中である場合のガレージにおける測定又は車両の外部でのブレーキディスクの測定向けに設計されている。測定用装置はブレーキディスクと物理的に接触させられ、コイルのインピーダンスに応じたパラメータが測定される。
このタイプの測定用装置は、車両内の恒久的設備とするのには適していない。
本発明が解決すべき課題は、車両内に恒久的に設置される装置と共に使用されるのにより適した上述のタイプの方法、及び、このタイプの測定を提供することにある。
この課題は、独立クレームの方法及び装置によって解決される。したがって、ブレーキディスクの伝導率sに応じて品質値を得ることによって車両内のカーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗を決定するための方法及び装置が提示される。
本発明によると、典型的には好適なハードウェア及びファームウェアを格納する装置の制御ユニットによって、以下のステップが講じられる:
− インピーダンスZを有する(電磁)コイルが前記ブレーキディスクから距離dのところにある状態で、前記コイルに電圧を印加するステップ;
− コイルのインピーダンスZ、コイルとブレーキディスクとの間の距離d及びブレーキディスクの伝導率sの関数であるパラメータPの測定を行なうステップ。これらの測定を用いて、前記パラメータPの値PiがN個の周波数fiにおいて測定され、ここでi=1〜Nであり、N>1である。周波数fiは、コイルに印加される電圧の周波数又は周波数成分であり、これらは互いに異なっている。
− 距離d及び伝導率sを変動させることによって、周波数fi、距離d及び前記伝導率sの関数として前記パラメータPを記述する数学モデルを前記測定にフィッティングさせるステップ。これに関連して、「フィッティング」なる用語は、測定によって作成されたPについての方程式系を少なくとも近似的に解く任意のアルゴリズム又は方法を記述する。
− 数学モデルのフィッティングから得られる前記伝導率の値から品質値Mを導出するステップ。
本発明は、特に以下のもののような、幾つかの見識に基づいている:
− 第1に、コイルとブレーキディスクとの間の距離dがコイルのインピーダンスZに強く影響することが発見された。
− 第2に、この距離dを確実に一定に保ちかつ/又は公知であるようにする試みは、車両内に恒久的に設置される装置の場合困難であることが発見された。
− 第3に、本発明は、インピーダンスが距離の関数であるのみならず印加された電圧の周波数fの関数でもあること、並びに、距離d及び周波数fに対するパラメータPの依存関係が異なるため、異なる周波数での測定を数値的に及び/又は数学的に組合わせることにより距離dに対する測定の依存関係を除去すること(又は少なくとも大幅に減少させること)が可能になること、という理解に基づいている。
有利な実施形態において、この方法は、周波数fiで前記電圧を前記コイルに印加し、i=1〜Nについての前記パラメータの前記値Piを測定する少なくともN個の後続するステップを含む。代替的には、周波数fiにおけるスペクトル成分を含む電圧パルスがコイルに適用され、例えばスペクトル分析などを用いてコイルの応答が分析されて、値Piが決定される。
本発明は同様に、このような装置を含む車両、及び、装置により監視される少なくとも1つのブレーキディスクにも関する。
本発明は、それについての以下の詳細な説明を考慮した場合により良く理解され、上述のもの以外の目的も明らかになるものである。本説明は、添付図面を参照して行うものである。
ブレーキディスクを監視するための装置を伴う車両の概略的上面図を示す。 ブレーキディスク及びその付随する測定用装置を示す。 コイル及びブレーキディスクの断面図である。 測定用装置のブロック回路図である。 周波数の関数としてのさまざまな条件におけるコイルの抵抗及びインダクタンスを示す。
図1は、4つの車輪1を伴う自動車などの車両を概略的に示している。各車輪にはブレーキディスク2が備わっている。ブレーキディスクは、カーボンセラミック製ブレーキディスクである。
測定用装置3が各ブレーキディスク2に位置設定されている。その目的は、ブレーキディスクの品質、詳細には、ブレーキディスク内の材料の伝導率に依存する品質値Mを測定することにある。この品質値は、以上で説明されているように、セラミックマトリックス内の炭素繊維の分解状態を査定することを可能にする。
全ての測定用装置3は、例えば、車両のダッシュボード上に状態メッセージを示すように適応させることができる、共通中央監視ユニット4に接続されている。
図2は、その付随する測定用装置3を伴う単一のブレーキディスク2の図を示している。図を見れば分かるように、ブレーキディスク2は車軸5上に組付けられている。
測定用装置3は、内部に構成部品を収容するハウジング8を含む。これに関連して、「ハウジング」なる用語は、測定用装置の物理的外部表面として広義に解釈されるべきである。ハウジング8は、ディスクの回転中に測定用装置とディスクとの間の物理的接触を回避するために、ブレーキディスク2から距離dのところに位置設定される。距離dは、有利には軸方向7に沿って少なくとも5mmであるが、有利には20mm以下でなければならない。
測定用装置3はコイル10を含む。図2に示された実施形態において、コイル10は、ブレーキディスク2に面する側であるハウジング8の第1の側面9に直接位置設定されている。コイル10は、ブレーキディスク2から距離dのところに位置付けされている。すなわち、ブレーキディスク2とコイル10との間には、少なくともこの距離dの間隔が存在する。
図3は、コイル10及びその隣接するブレーキディスク2の断面図を示す。コイル10は、コイル軸12の周りに巻回されたワイヤで構成されるコイル本体11を含み、コイル軸12は、ブレーキディスク2の表面に対し垂直に、かつ軸方向7に対して平行に延在している。
図3の実施形態において、コイル本体11は(任意には)フェライト体13の中に埋込まれている。フェライト体13は、ハウジング8の第1の側面9から遠ざかる方を向くコイル11の側面全体にわたって延在する背面板15を形成する。フェライト体13はさらに、コイル本体11を通って軸方向に延在する中央コア16、及び、コイル本体11の半径方向外側に位置設定された環状シールド17を形成する。
フェライト体13は、第1の側面9においてコイル10をカバーしていない。フェライト体15のこの設計は、第1の側面9とは反対であるコイル10の側の磁力線を空間的に制限する一方で、力線がブレーキディスク2に向かって自由に延在できるようにする。
図4は、測定用装置の一実施形態の概略的ブロック図を示す。
図を見れば分かるように、装置は信号発生器16を含む。ここで示された実施形態においては、信号発生器16は、VCO(電圧制御発振機)であり、その周波数は制御ユニット17によって制御される。代替的には、信号発生器16は、例えばソフトウェア設計の信号発生器であり得る。
制御ユニット17は、例えば、少なくとも部分的に測定用装置3のハウジング8内に位置設定され得、かつ/又は、少なくとも部分的に中央監視ユニット4内に位置設定され得る。
信号発生器16によって生成された電圧U0は、コイル10の1つの端子に供給され、一方もう1つの端子は抵抗器Rを介してアース線又は基準電位に接続されている。
抵抗器R上の電圧は増幅器18によって増幅されフィルタリングされ、ハードウェア及び/又はソフトウェアの形で実装され得る制御ユニット17の分析用区分19に供給される。
抵抗器R上の電圧降下U1は、コイル10のインピーダンスZに依存し、このことはすなわち、インピーダンスZ又はそれに依存するパラメータP、詳細にはそれに直線的に依存するパラメータを、分析用区分19により測定することができることを意味している。
インピーダンスZ、ひいてはパラメータPは、以下の値の関数である:
− コイル10とブレーキディスク2との間の距離d、
− ブレーキディスク2の厚みD、
− ブレーキディスク2の伝導率s、及び
− コイル10上の電圧の周波数f。
インピーダンスZひいてはパラメータPは、本事例においては公知であること及び/又は測定間で変化しないことを理由として関心の対象となっていないコイル幾何形状などのさらなるパラメータに依存している。
フェライト体の無いコイルについてのインピーダンスZ(d、D、s、f)の分析公式は、以下の参考文献の中に見出すことができる:
− 参考文献1:Dodd,C.V.;Deeds,W.E.,「Analytical Solutions to Eddy−Current Probe−Coil Problems」,Journal of Applied Physics,vol.39,no.6,pp.2829−2838,May 1968.
− 参考文献2:Dodd.C.V.;Deeds.W.E.;Luquire J.W.;Spoeri W.G.,「Some eddy−current problems and their integral solutions」,ORNL−4384; ORNL,Oak Ridge National Laboratory,April 1969.
Z(d、D、s、f)の一例が、参考文献2の方程式3.49中に示されている。
他のコイル幾何形状について、例えばフェライトコアを伴うコイルについて、インピーダンスZは同様に、同じパラメータd、D、s、fの関数であり、Zは有限要素法(FEM)に基づくシミュレーションを使用することによってこれらのパラメータから計算可能である。同様にして、制御ユニット17により測定されるパラメータPも同様に、パラメータd、D、s、fの関数である。
制御ユニット17は、U0が信号発生器16の出力端における公知の電圧でありU1が増幅器18の入力端における電圧であり、その両方が周波数fにおける正弦波電圧についての(電圧の位相シフトをエンコードするための)複素数値であるものとして、以下の式
Figure 0006659821
を用いることで直接パラメータZを測定するように適応され得る。
より一般的な事例において、例えば増幅器18の増幅係数が正確に分かっていない場合、測定されたパラメータPはインピーダンスZに等しくなく、その単調な関数であり、有利にはそれに正比例する。
P(d、D、s、f)中の対象パラメータは、以上で論述したようにブレーキディスクの品質についての情報を提供することから、ブレーキディスク2の伝導率sである。ブレーキディスク2の厚みD及び周波数fは周知である。しかしながら、コイル10とブレーキディスク2との間の距離dは、特に車両のシャーシとブレーキディスク2の位置との間には、典型的には軸方向7に沿って実質的な位置付け許容誤差が存在することを理由として、高い精度では分かっていない。
参考文献2の方程式3.49から分かるように、コイル10のインピーダンスは、異なる形で距離d及び伝導率sに依存している。したがって、少なくとも第1の周波数f1におけるパラメータPの第1の値P1及び第2の周波数f2におけるパラメータPの第2の値P2を測定することによって、
Figure 0006659821
という方程式系が得られ、この方程式系は、たとえ距離dが正確に分かっていなくても、未知の伝導率sについて解くことができる。
方程式(2)中の関数Pは、距離d、伝導率s及び周波数fiの関数としてパラメータPを記述する数学モデルである。これは、少なくとも近似的に分析により知ることができ、又は、例えば有限要素フィールド計算から数値形式で得ることができる。
方程式(2)は、(P(d、D、s、f)が分析形で公知であり、方程式系が分析形で解ける場合)分析的に解いてよく、又は、より典型的には、方程式(2)は、例えば求根アルゴリズムを用いて数値的に解いてよい。
ただし、有利には、3つ以上の異なる周波数についての3つ以上の測定が行なわれる。したがってより一般的な形態において、i=1...N、N>1、特にN>2として、一連の測定、
Figure 0006659821
が行なわれる。通常過剰決定される方程式系(3)は、フィッティング技術、特に最小化手法及び/又は回帰分析を用いて解くことができる。このような技術は、当業者にとって公知であり、例えばPressら,「Numerical Recipes 3rd Edition:The Art of Scientific Computing」,ISBN−13:978−0521880688,Section15中に記載されている。
図5は、周波数fの関数としてのコイル(フェライトコア無し)のインピーダンスZの実数部及び虚数部R及びLを示す。コイル近くにブレーキディスクの無いセットアップ(「air」)について及びコイルがブレーキディスクに近いセットアップ(「dut」)について、測定が行なわれた。両方の場合について、測定値と共に、理論上の抵抗及び誘導率値(参考文献1及び2の中の公式から得られるもの)がプロットされている。これを見れば分かるように、曲線は、コイルの共振周波数より充分に低い周波数について良好に整合する。
この時点で、ブレーキディスク2の品質を査定するために伝導率sの正確で絶対的な知識は全く必要とされないことを指摘しておかなければならない。むしろ、伝導率sに依存する(有利にはそれに単調に依存、特にそれに正比例する)任意の品質値Mを使用することができる。例えば、品質値Mは、伝導率sに等しいか又は伝導率sに正比例し得る。すなわち、
Figure 0006659821
で、式中kはゼロではなく、例えば1である。
したがって、より一般的に言うと、該方法は、以下のステップを含む:
− 距離d及び伝導率sの関数としてパラメータPを記述する数学モデルを提供するステップ。すなわち、上述の通り、これは、例えば、上述の参考文献1及び2に記載のものなどの分析モデルであり得る。これは同様に、例えば公知の周波数f、伝導率s及び距離dについての一連のキャリブレーション測定又は有限要素演算に基づくことのできる数値モデルであってもよい。数値モデルは、例えば多次元ルックアップテーブルとして制御ユニット17内に記憶され、補間アルゴリズムを用いてアクセスされ得る。
− 距離d及び伝導率sを変動させることによって、測定されたパラメータ値P1、P2又はより一般的にPiに対しモデルをフィッティングするステップ。換言すると、それぞれ方程式(2)又は(3)の「最良の解」(例えば最小二乗偏差の最小和の意味合いで)を提供する距離d及び伝導率sの値が検索される。
− モデルのフィッティングから伝導率sの値の関数として品質値Mを導出するステップ。したがって、品質値Mは、例えば伝導率sに等しいか、方程式(4)により記述されるように伝導率sに正比例するか、又は、異なる形で、詳細には単調な形で伝導率sに依存することができる。
方程式(2)又は(3)を解くことによって、未知の距離dに対する依存度がはるかに低い品質値Mを得ることができる。距離dの変動又は誤差に対する品質値Mのロバスト性は、比率RMにより表現することができる:
Figure 0006659821
距離dの誤差に対してロバストである品質値Mを得るためには、RMは有利には0.1未満である。
方程式(3)で使用されたモデルの品質が完璧である場合、比率RMはゼロであるはずである。しかしながら、大部分の場合において、モデルは近似であり、したがって比率RMはゼロより大きい可能性がある。
注記
以上の実施形態において、測定は以下の後続ステップを含む:
− コイル10に対し第1の周波数f1を有する電圧を印加し、パラメータPの第1の値P1を測定するステップ、及び
− コイル10に対し第2の周波数f2の電圧を印加し、パラメータPの第2の値P2を測定するステップ。
N個の周波数全てについてこれを続行する。換言すると、測定は周波数領域内で実施される。
代替的には、測定を時間領域で実施することができる。この場合、対象の周波数f1、f2(又はさらに一般的なi=1...Nについてのfi)全てにおいてスペクトル成分を有する電圧パルスを生成するために、信号発生器16を適応させることができる。この電圧パルスは、コイル10に印加され、時間の関数として、コイル10を通る電流(又は同等に、抵抗器R上の電圧)が測定される。当業者にとって公知であるように、これにより、FFT技術などのスペクトル分析を用いてコイル10のインピーダンスZの周波数成分を決定することが可能になる。
参考文献1及び2に提供されているようなコイル10のインピーダンスZについて示された公式は、ブレーキディスク2が休止している場合に当てはまる。しかしながら、ブレーキディスク2が回転する場合、追加の渦電流がブレーキディスク2の材料中で生成され、これが理論からの逸脱を導く。
したがって、有利な実施形態において、測定は、ブレーキディスク2が休止している間、すなわちブレーキディスク2の運動によってひき起こされる(測定された伝導率sと理論的モデルから得られる伝導率の間の)偏差が無視できる程度のものである場合に実施される。
代替的には、ブレーキディスクの回転を考慮に入れたインピーダンスZ又はパラメータPについてのモデルを使用することができ、これにより車両の高速移動中に測定を行なうことが可能になる。
測定において使用すべき周波数fiは、有利には少なくとも0.5MHzである、何故ならば、より低い周波数は、ブレーキディスク2を超えて延在する傾向をもつ磁場を導き、これにより、測定上の品質値Mがディスクの背後の構成部品にさらに依存するものとなるからである。
一方で、以上で言及した理由で、周波数fiは、典型的なコイルについては15MHz以上であるコイルの共振周波数よりも低いものでなければならない。したがって、周波数fiは有利には15MHzより小さい。
さらに、周波数fiは、バルク特性を測定するために磁場がブレーキディスク2内の奥深くに入ることが望まれる場合のものよりも、さらに小さくなるように、選択されなければならない。少なくとも1cm前後の侵入深さを得るためには、周波数fiは3MHzより小さくなければならない。
ここで説明された装置は、車両内に固定して設置され、車両の運用中そこにとどまることができる。前述のように、測定は、車両が停止している間だけでなく(インピーダンスに好適なモデルが使用されている場合には)車両が走行しているときにも実施可能である。
車両は、例えば乗用車、特定用途車、又は、自動二輪車であり得る。この種の車両については概してそうであるように2基以上のブレーキディスクを有している場合、そのブレーキディスクの各々に対し少なくとも1つの測定用装置を割り当てて、それら全てを監視することができる。
図1の実施形態においては、各ブレーキディスクに対して1つの測定用装置が割り当てられている。しかしながら、所与の車両では、ブレーキディスク数よりも少ない数の測定用装置、例えば、車両1台あたり1基だけの測定用装置、又は、車軸1本あたり1基だけの測定用装置、が存在してもよく、その場合、1台の車両中又は1本の車軸上の全てのブレーキディスクが、同程度の摩耗及び経年劣化を受けると仮定し、ブレーキディスクの1サブセットのみが監視される。
本明細書中に記載の方法を実施するための全てのステップは、装置の制御ユニット17内のハードウェア及びソフトウェアによって制御され、その中で実行され得る。
本発明の現在の好ましい実施形態が示され説明されているものの、本発明がそれに限定されず、以下の特許請求の範囲の範囲内で他の形でさまざまに具体化され実践され得ることをはっきりと理解すべきである。

Claims (13)

  1. 車両内のカーボンセラミック製ブレーキディスクの摩耗依存の品質値Mを決定するための方法であって、前記品質値Mが、前記ブレーキディスク(2)の伝導率Sに単調に依存し、
    − インピーダンスZを有するコイル(10)が前記ブレーキディスク(2)から距離dのところにある状態で、前記コイル(10)に電圧を印加するステップと、
    − 前記インピーダンスZ、前記距離d及び前記伝導率sの関数であるパラメータPの測定を行なうステップであって、前記パラメータPの値PiがN個の異なる周波数fiにおいて測定され、ここでi=1〜Nであり、N>1である、ステップと、
    − 前記距離d及び前記伝導率sを変動させることによって、前記周波数fi、前記距離d及び前記伝導率sの関数として前記パラメータPを記述する数学モデルを前記測定にフィッティングさせるステップと、
    − 前記数学モデルのフィッティングから得られる前記伝導率sの値から前記品質値Mを導出するステップと、
    を含む方法。
  2. Figure 0006659821
    によって定義される、距離dの誤差又は変動に対する前記品質値Mのロバスト性Rが、0.1よりも小さい、請求項1に記載の方法。
  3. 前記コイル(10)がハウジング(8)内に配置され、前記ブレーキディスク(2)からの前記ハウジング(8)の距離が少なくとも5mm、特に5〜20mmである、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 周波数fiで前記電圧を前記コイル(10)に印加し、i=1〜Nについての前記パラメータの前記値Piを測定する少なくともN個の後続するステップを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. − i=1〜Nについての前記周波数fi全てにおいてスペクトル成分を有する電圧パルスを適用するステップと、
    − 時間の関数としての前記コイル(10)の、特に前記コイルを通る電流の、応答を測定するステップと、
    − 前記コイル(10)の前記応答から、前記パラメータの1番目の値及び値Piを決定するステップと、
    を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記ブレーキディスク(2)の休止中に前記測定が実施される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記ブレーキディスク(2)の回転中に前記測定が実施される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記周波数が0.5MHzより大きくかつ/又は15MHz未満である、特に3MHz未満である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. N>2である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置において、
    − インピーダンスZを有するコイル(10)と、
    − 制御ユニット(17)と、
    を含む装置であって、前記制御ユニットは、請求項1〜9のいずれか一項に記載の前記方法を実施するように構成され適合されている、装置。
  11. フェライト体(13)をさらに含み、前記装置が、前記ブレーキディスク(2)に面して位置設定されるべき第1の側面(9)を含み、前記フェライト体(13)が、前記第1の側面(9)とは反対の前記コイル(10)の側面全体にわたって延在しているが、前記第1の側面(9)では前記コイル(10)を覆っていない、請求項10に記載の装置。
  12. 少なくとも1つのブレーキディスク(2)と、前記ブレーキディスク(2)を監視するための請求項10又は11のいずれか1項に記載の少なくとも1つの装置(3)と、を含む車両。
  13. 複数のブレーキディスク(2)と、各ブレーキディスク(2)に割当てられた少なくとも1つの前記装置(3)と、を有する、請求項12に記載の車両。
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