FR3145528A1

FR3145528A1 - Procédé de commande électrique d’un frein de parking avec estimation du refroidissement

Info

Publication number: FR3145528A1
Application number: FR2301186A
Authority: FR
Inventors: Julien SASSO; Weiqiao WANG; Alex Patrao Carqueijo; Maxime DEMANDRE
Original assignee: Hitachi Astemo Heilbronn GmbH; Hitachi Astemo France SAS
Current assignee: Hitachi Astemo Heilbronn GmbH; Hitachi Astemo France SAS
Priority date: 2023-02-08
Filing date: 2023-02-08
Publication date: 2024-08-09
Anticipated expiration: 2043-02-08
Also published as: FR3145528B1; WO2024165415A1

Abstract

L’invention se rapporte à un procédé de commande électrique d’un frein de parking pour véhicule automobile, le frein comprenant au moins un moyen de friction relié à un actionneur électromécanique apte à déplacer le moyen de friction en direction d’un organe de freinage, dans lequel on réalise les étapes suivantes : on définit une force de serrage pour une immobilisation du véhicule ;on estime une variation de température de l’organe de freinage à partir d’un modèle de transfert thermique par convection en négligeant des phénomènes de transfert thermique par conduction et rayonnement ;on définit, à partir de l’estimation de la variation de température, une correction d’un serrage à effectuer pour conserver la force de serrage définie ;on applique la force de serrage avec correction du serrage via l’actionneur. Figure pour l’abrégé : figure 1

Description

Procédé de commande électrique d’un frein de parking avec estimation du refroidissement

L’invention se rapporte à un procédé de commande électrique d’un frein de parking, aussi appelé frein de stationnement, pour véhicule automobile.

On connait de l’art antérieur des freins de type à disque ou à tambour. Un frein comprend en général des moyens de friction reliés à un organe d’actionnement, également appelé actionneur, apte à déplacer les moyens de friction en direction d’un organe de freinage fixé à une roue du véhicule. Cela a pour but de mettre les moyens de frictions, par exemple des garnitures ou plaquettes de frein, en contact avec l’organe de freinage pour freiner le véhicule par friction ou de les écarter de l’organe de freinage dans le but de cesser le freinage. Lorsque le système de freinage est un frein à disque, l’organe de freinage est formé par un disque solidaire en rotation de la roue. Dans le cas d’un frein à tambour, l’organe de freinage est formé par un tambour solidaire en rotation de la roue.

Un même frein peut comprendre plusieurs actionneurs. Par exemple, il peut comprendre un actionneur hydraulique utilisé pour le freinage de service et un actionneur électrique pour les freinages de parking et de secours. Dans ces derniers cas, on parle également de frein de parking à commande électrique ou frein de parking électrique. Le frein de parking électrique est de plus en plus utilisé en remplacement des freins de parking manuel. L’utilisation d’un frein de parking électrique est plus simple pour l’utilisateur du véhicule et présente un encombrement réduit. Lorsqu’un utilisateur souhaite faire quitter son stationnement au véhicule, il lui suffit d’appuyer sur un bouton permettant de desserrer le frein de parking électrique, attendre, le cas échéant, qu’un signal lui indique que le frein de parking électrique a effectivement été desserré, puis accélérer.

Toutefois, l’utilisation d’un frein engendre un échauffement de l’organe de freinage, le disque lorsque le frein est un frein à disque, ou le tambour lorsque le frein est un frein à tambour.

Lorsqu’une stratégie de serrage de frein de stationnement est définie, il est nécessaire de prendre en compte cet échauffement, car une fois en stationnement, l’organe de freinage va se refroidir, et ce refroidissement va engendrer un desserrement du frein, ou un surserrage du frein. Par exemple, lorsque le disque se refroidit, sa dilatation diminue, et donc le contact avec les moyens de friction (plaquette ou mâchoire) est impacté, au point de réduire la force de serrage. La diminution de la force de serrage peut alors entrainer une mise en mouvement du véhicule.

Ainsi, l'estimation du refroidissement de l’organe de freinage est indispensable pour définir une stratégie de force de serrage efficace.

Il est connu d’estimer le refroidissement de l’organe de freinage au moyen de modèles prenant en compte trois phénomènes de transfert thermique : convection, conduction et rayonnement.

Afin d'estimer ces trois phénomènes, de nombreux paramètres sont nécessaires. Ces paramètres ne peuvent être déterminés que par des essais sur véhicules. Il faut alors réaliser les étapes suivantes :

implémenter des équations avec des paramètres génériques ;
exécuter des tests sur différentes conditions de route avec un capteur de température ;
exécuter un programme (script Matlab® par exemple) afin de trouver les meilleurs paramètres pour avoir le moins d'erreur entre l'estimation et la température réelle ;
implémenter de nouveaux paramètres dans les équations logicielles ;
exécuter de nouveaux tests sur différentes conditions de route pour valider l'estimation de la température.

Ce type de méthode nécessite donc la gestion de paramètres abstraits, de nombreux paramètres dépendants du type de véhicule, et de nombreux tests couteux. Ceci conduit à une estimation coûteuse, notamment en temps, et peu précise en pratique, pouvant conduire à une surestimation du serrage pouvant réduire la durée de vie du frein, ou à une sous-estimation pouvant conduire à une mise en mouvement inopinée du véhicule. L’erreur maximale d'estimation de la température est prise en compte dans la stratégie de serrage : on choisit la stratégie de serrage correspondant à une température égale à une estimation de la température à laquelle est additionnée une erreur maximale d'estimation de la température.

L'invention a notamment pour but de résoudre ce problème, en proposant un procédé de commande électrique d’un frein de parking pour véhicule automobile, à partir d’une estimation du refroidissement de l’organe de freinage basé sur un modèle de refroidissement dans lequel on néglige les phénomènes de conduction et de rayonnement et on utilise uniquement un modèle de transfert thermique par convection.

À cet effet l’invention a pour objet un procédé de commande électrique d’un frein de parking pour véhicule automobile, le frein comprenant au moins un moyen de friction (plaquette/garniture de mâchoire) relié à un actionneur électromécanique apte à déplacer le moyen de friction en direction d’un organe de freinage (disque/tambour) pour freiner, dans lequel on réalise les étapes suivantes :

on définit une force de serrage du frein pour une immobilisation du véhicule ;
on estime une variation de température de l’organe de freinage à partir d’un modèle de transfert thermique par convection en négligeant des phénomènes de transfert thermique par conduction et rayonnement ;
on définit, à partir de l’estimation de la variation de température, une correction d’un serrage à effectuer pour conserver la force de serrage définie ;
on applique la force de serrage avec correction du serrage via l’actionneur.

Un tel modèle de transfert thermique par convection comporte peu de paramètres, et ces paramètres dépendent essentiellement des caractéristiques mécaniques du frein, et sont donc parfaitement connus. Il n’est pas nécessaire de réaliser une calibration des paramètres. Un tel modèle conduit à une meilleure précision de l’estimation du refroidissement, et donc de la température réelle de l’organe de freinage.

Par ailleurs, cette estimation du refroidissement étant fiable, l’ECU du véhicule peut être éteint plus rapidement. L’ECU définit une première force de serrage en fonction de la pente, puis ajuste le serrage/desserrage en fonction de la température. En d’autres termes, la stratégie de serrage sera adaptée à la température réelle et donc on pourra éviter un surdimensionnement du frein. On pourra en outre réduire le temps pendant lequel l’ECU restera allumé après le serrage car dans ce cas le resserrage n’est pas nécessaire.

Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé prises seules ou en combinaison :

le modèle de transfert thermique par convection comporte les paramètres suivants :

h : coefficient de transfert thermique par convection de l’air ;
m : masse de l’organe de freinage ;
c_p: capacité calorifique du matériau de l’organe de freinage ;
A_s: surface de contact entre l’air et l’organe de freinage ;

le modèle de transfert thermique s’écrit :

où dT_convest la variation de température due au phénomène de transfert thermique par convection, T_discest la température de l’organe de freinage, T_ambest la température de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage, et v est la vitesse de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage ;

le coefficient h de transfert thermique par convection est déterminé au moyen d’un modèle, tel que le modèle Jürges ;
la variation de masse de l’organe de freinage au cours du temps est prise en compte dans le modèle de transfert thermique par convection ;
la force de serrage du frein est définie en fonction de la pente sur laquelle repose le véhicule et de la masse du véhicule ;
la correction de serrage est effectuée par une réduction du serrage ;
la correction de serrage est effectuée par une augmentation du serrage ;
le frein est un frein à tambour, l’organe de freinage est un tambour, l’organe de friction est une mâchoire munie de garnissage ;
le frein est un frein à disque, l’organe de freinage est un disque, l’organe de friction est une plaquette de frein.

L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant une unité de contrôle électronique configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

Brève description des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

est une représentation schématique des étapes d’un exemple de procédé de commande électrique selon l’invention ;

illustre l’évolution réelle de la température d’un disque au cours du temps, ainsi que deux courbes d’estimation avec deux modèles différents.

Description détaillée

La représente schématiquement les étapes d’un exemple de procédé de commande électrique d’un frein de parking pour véhicule automobile selon l’invention.

Le frein de parking comprend au moins un moyen de friction relié à un actionneur électromécanique apte à déplacer le moyen de friction en direction d’un organe de freinage pour freiner.

Dans une première variante de réalisation, le frein est un frein à tambour, l’organe de freinage étant un tambour, et l’organe de friction étant une mâchoire munie de garnissage.

Dans une deuxième variante de réalisation, le frein est également un frein à disque, l’organe de freinage étant un disque, et l’organe de friction étant une plaquette de frein.

Le procédé comporte les étapes suivantes :

on définit une force de serrage du frein FS (étape 0) pour une immobilisation du véhicule ;
on estime (étape 1) une variation de température de l’organe de freinage (échauffement et refroidissement) à partir d’un modèle de transfert thermique par convection en négligeant des phénomènes de transfert thermique par conduction et rayonnement ;
on définit (étape 2), à partir de l’estimation de la variation de température ci-dessus, une correction d’un serrage à effectuer pour conserver la force de serrage du frein FS définie ;
on applique (étape 3) la force de serrage du frein FS avec correction du serrage via l’actionneur.

En particulier, selon le procédé, une force de serrage FS du frein est définie en fonction de la pente sur laquelle repose le véhicule et de la masse du véhicule (étape 0). Cette force de serrage est déterminée en appliquant l’équation suivante :

Avec :

m : la masse du véhicule ;
g : la constante de gravité ;
µ : la perte de chaleur ;
« slope » : pente de la route ;
« static wheel radius » : rayon de la roue ; et
« effective wheel radius » : point où la force est appliquée (centre du piston qui est au centre de la roue).

On estime ensuite une variation de température de l’organe de freinage à partir d’un modèle de transfert thermique par convection en négligeant des phénomènes de transfert thermique par conduction et rayonnement (étape 1).

L’estimation de cette variation de température de l’organe de freinage, étant une résultante d’un échauffement et d’un refroidissement au cours du temps (plutôt un refroidissement lors de l’immobilisation par utilisation d’un frein parking), permet de déterminer l’évolution de la force de serrage.

Par exemple, lorsque le frein est un frein à disque, une diminution de la température de l’organe de freinage conduit à une diminution de la dilatation de l’organe de freinage et donc à un éloignement entre les plaquettes et le disque. La force de serrage va donc diminuer. Le phénomène est inverse pour un frein à tambour, dans lequel la diminution de la dilatation conduit à un rapprochement du tambour et des mâchoires, et donc à une augmentation de la force de serrage. Dans les deux cas, la force de serrage en temps réel s’éloigne de la force de serrage FS définie auparavant.

Suite à l’estimation de variation de température de freinage, on définit, à partir de cette dernière, une correction d’un serrage à effectuer pour conserver la force de serrage définie (étape 2). Comme expliqué plus haut, la variation de température conduit à une variation de la force de serrage s’éloignant de la force de serrage FS. La quantification de la variation de température permet de quantifier la variation de la force de serrage, et donc d’estimer la correction de serrage à effectuer pour revenir à la force de serrage FS.

Par exemple, lorsque le frein est un frein à disque, on estime le refroidissement du disque. La correction de serrage correspond à une augmentation du serrage (des plaquettes sur le disque) pour compenser l’éloignement (par diminution de la dilatation) du disque par rapport aux plaquettes et ainsi réatteindre la force de serrage définie initialement.

Lorsque le frein est un frein à tambour, on estime le refroidissement du tambour. La correction de serrage correspond à une réduction du serrage (des mâchoires sur le tambour) pour compenser le rapprochement (par diminution de la dilatation) du tambour par rapport aux mâchoires et ainsi réatteindre la force de serrage définie initialement.

Enfin, on applique la force de serrage avec correction du serrage via l’actionneur (étape 3). On obtient donc une immobilisation optimale du véhicule par application de la force de serrage FS, mais cette dernière est obtenue par application d’un serrage différent que celui qui aurait été appliqué sans estimation de la variation de température, et qui n’aurait pas permis d’obtenir la force serrage FS, mais une force de serrage plus ou moins importante que cette dernière, en fonction notamment du type d’organe de freinage.

Concernant le modèle de transfert thermique par convection utilisé à l’étape 1, ce dernier comporte les paramètres suivants :

h : coefficient de transfert thermique par convection de l’air ;
m : masse de l’organe de freinage ;
c_p: capacité calorifique du matériau de l’organe de freinage ;
A_s: surface de contact entre l’air et l’organe de freinage.

Selon un exemple de réalisation préféré, le modèle de transfert thermique s’écrit :

Avec :

dT_conv: la variation de température due au phénomène de transfert thermique par convection ;
T_disc: la température de l’organe de freinage ;
T_amb: la température de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage ; et
v : la vitesse de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage.

Les paramètres v et T_ambsont issus de capteurs, et leurs valeurs sont donc obtenues immédiatement.

Le paramètre T_disccorrespond à une estimation de la température de l’organe de freinage (somme du refroidissement et de l’échauffement).

Les paramètres m, c_pet A_s sont des caractéristiques mécaniques, et sont donc connues.

A titre d’exemple, le tableau ci-dessous donne des caractéristiques d’un disque pour trois type de frein.

[Tab. 1]

	Type 1	Type 2	Type 3
Diamètre (m)	0.295	0.295	0.33
Epaisseur que (m)	0.011	0.012	0.022
S urface (m ² )	0.0683	0.0683	0.0855
Masse (kg)	5.9	7.39	5.08
Matériau	Fonte	Fonte	Aluminium
C _p (J Kg ^-1 K ^-1 )	450	450	900

Concernant le paramètre h, le coefficient de transfert thermique par convection de l’air, il doit être estimé en fonction de la vitesse v de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage.

Selon un mode de réalisation particulier, un modèle de Jürges est utilisé :

Si v ≤ 5 m/s alors : h = 4×v+5.6

Si v > 5 m/s alors : h = 7.1×v^(0.78)

Ainsi, l’estimation de la variation de température de l’organe de freinage, est avantageusement réalisée de façon simple, immédiate et précise, comme illustrée sur la . Cette dernière illustre l’évolution de la température (°C) d’un disque au cours du temps (s). On observe donc le refroidissement. La comporte trois courbes :

estimation par un modèle de transfert thermique prenant en compte les transferts thermiques par convection, conduction et rayonnement ;
estimation par un modèle de transfert thermique selon l’invention ;
la température réelle, mesurée.

On constate que :

la différence moyenne entre la courbe estimée et la courbe réelle est de 21,39°C pour la courbe a, et de seulement 14,15°C pour la courbe b ;
la différence maximale entre la courbe estimée et la courbe réelle est de 46,65°C pour la courbe a, et de seulement 36,7°C pour la courbe b.

Selon un mode particulier de réalisation, la variation de masse de l’organe de freinage au cours du temps est prise en compte dans le modèle de transfert thermique par convection. En effet, l’utilisation des freins engendre au fil du temps, une usure, notamment de l’organe de freinage : ce dernier, par frottement et corrosion perd de la matière, et donc sa masse diminue.

Le paramètre m dans le modèle de transfert thermique par convection devient donc un paramètre qui est fonction du temps : m(t). Ce paramètre peut alors être évalué, comme pour le paramètre h, par un modèle prédictif de l’usure du disque.

L’invention concerne également un véhicule automobile comprenant une unité de contrôle électronique configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention.

Claims

Procédé de commande électrique d’un frein de parking pour véhicule automobile, le frein comprenant au moins un moyen de friction relié à un actionneur électromécanique apte à déplacer le moyen de friction en direction d’un organe de freinage pour freiner, caractérisé en ce que l’on réalise les étapes suivantes :
on définit une force de serrage pour une immobilisation du véhicule ;

on estime une variation de température de l’organe de freinage à partir d’un modèle de transfert thermique par convection en négligeant des phénomènes de transfert thermique par conduction et rayonnement ;

on définit, à partir de l’estimation de la variation de température, une correction d’un serrage à effectuer pour conserver la force de serrage définie ;

on applique la force de serrage avec correction du serrage via l’actionneur.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel le modèle de transfert thermique par convection comporte les paramètres suivants :
h : coefficient de transfert thermique par convection de l’air ;

m : masse de l’organe de freinage ;

c_p: capacité calorifique du matériau de l’organe de freinage ;

A_s: surface de contact entre l’air et l’organe de freinage.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le modèle de transfert thermique s’écrit :

où dT_convest la variation de température due au phénomène de transfert thermique par convection, T_discest la température de l’organe de freinage, T_ambest la température de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage, et v est la vitesse de l’air au niveau de la surface de contact entre l’air et l’organe de freinage.
Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le coefficient h de transfert thermique par convection est déterminé au moyen d’un modèle, tel que le modèle Jürges.
Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel la variation de masse de l’organe de freinage au cours du temps est prise en compte dans le modèle de transfert thermique par convection.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une force de serrage du frein est définie en fonction de la pente sur laquelle repose le véhicule et de la masse du véhicule.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la correction de serrage est effectuée par une réduction du serrage.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la correction de serrage est effectuée par une augmentation du serrage.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le frein est un frein à tambour, l’organe de freinage est un tambour, l’organe de friction est une mâchoire munie de garnissage.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le frein est un frein à disque, l’organe de freinage est un disque, l’organe de friction est une plaquette de frein.
Véhicule automobile comprenant une unité de contrôle électronique configurée pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.