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Die Erfindung betrifft Betriebsbremsen für Fahrzeugräder mit elektromechanischen Bremsbetätigungen und mindestens einem mitgeführten Speicher für elektrische Energie.
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Elemente dieser Erfindung sind aus der
EP 0 458 005 A1 bekannt. Hier sind Generatoren an einer einkuppelbaren, vom Fahrzeugmotor angetriebenen und parallel zur Antriebswelle liegenden Welle angeordnet, um die kinetische Energie des Fahrzeuges in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei wird die Kupplung erst bei gleichmäßiger Fahrt des Fahrzeuges eingekuppelt und damit die Energieumwandlung gestartet. Die elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert und wird bei hohem Energiebedarf, wie z. B. beim Einschalten des Fernlichtes, zur Verfügung gestellt.
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Des Weiteren zeigt die
DE 42 35 502 A1 eine Betriebsbremse, die elektrisch betätigbar ist. Für die Betätigung der Bremse ist ein elektrisches Betätigungselement mit dem Bremspedal über eine Regeleinrichtung gekoppelt.
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In der
DE 199 17 297 A1 wird ebenfalls eine elektrisch betätigbare Betriebsbremse beschrieben. An der Bremse ein Generator angeordnet, der die kinetische Energie der Bremsscheibe in elektrische Energie umwandelt und der Batterie bzw. dem Bordnetz des Fahrzeugs zuführt.
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Die
DE 100 20 302 A1 offenbart ein Bordnetz für ein Fahrzeug mit einer Batterie und einem Generator. Um die erforderlichen. Peakströme für die Bremse oder Lenkung zu generieren, ist ein Kurzzeit-Energiespeicher vorgesehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, Betriebsbremsen für Fahrzeugräder mit elektromechanischen. Bremsbetätigungen zu schaffen, die auch bei Ausfall der Hauptbatterie des Fahrzeuges ein sicheres Funktionieren der Bremsen und anderer sicherheitsrelevanter Baugruppen gewährleistet.
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Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu sind im Bereich der Fahrzeugräder und/oder im Bereich des Antriebsstranges Generatoren angeordnet. Die Generatoren sind unter Zwischenschaltung mindestens einer elektrischen Baugruppe mit den radseitigen elektromechanischen Bremsbetätigungen und anderen Energieverbrauchern verbunden.
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Beim Rollen des Fahrzeuges wird in den Generatoren Strom induziert, der z. B. in einem Akkumulator gespeichert wird. Bei Ausfall der Hauptstromversorgung, z. B. durch Versagen der Hauptbatterie, der Lichtmaschine, des Fahrzeugmotors, etc. übernimmt dieser Akkumulator die Stromversorgung der jeweiligen elektromechanischen Bremsbetätigung und weiterer Verbraucher. Das mit einer elektromechanischen Bremse ausgerüstete Fahrzeug kann bis zum Stillstand abgebremst werden. Hiermit ist diese sicherheitsrelevante Funktion auch bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung gewährleistet.
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Zur Speicherung der Energie ist ein Akkumulator mit nur geringer Kapazität erforderlich, denn der während des Rollens des Fahrzeuges induzierte Strom kann direkt zur Betätigung der Bremse und der anderen z. B. sicherheitsrelevanten Funktionen wie z. B. der Lenkkraftunterstützung verwendet werden. Das System ist zuverlässig, da während des Rotation der Räder oder der Antriebswelle immer Energie zur Verfügung gestellt wird. Somit ist der für das Bordnetz erforderliche Aufwand gering. Das Bordnetz kann z. B. auch mit einer Spannung betrieben werden, die höher ist als die Ausgangsspannung des Akkumulators.
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Werden mehrere Generatoren und/oder Akkumulatoren am Fahrzeug angeordnet, können diese untereinander redundant sein. So kann zum Beispiel ein Generator mit einer elektrischen Baugruppe pro Rad angeordnet sein, wobei die elektrischen Baugruppen miteinander gekoppelt sind. Beim Ausfall eines Generators wird dann die Stromversorgung z. B. der Bremsbetätigung durch einen anderen Generator gewährleistet.
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Ist der Akkumulator aufgeladen, wird dieser bei weiterer Strominduktion nur gepuffert und die überschüssige Energie z. B. in Wärme umgewandelt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
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1: Rad mit einer elektromechanischer Betriebsbremse und einem Generator.
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Die 1 zeigt ein angetriebenes Fahrzeugrad (1) mit einer elektromechanisch betätigten Scheibenbremse (10), deren Bremsscheibe (12) zusätzlich die Funktion des Rotors eines stromerzeugenden Generators (60) hat.
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Das Fahrzeugrad (1) ist über einen Radträger (5) am – nicht dargestellten – Fahrzeugaufbau gelagert und geführt. Im Zentrum des Radträgers (5) sitzt eine z. B. mittels eines Patronenlagers (7) gelagerte Radnabe (6). Am Flansch der Radnabe (6) sind die Bremsscheibe (12) und eine einen Reifen (2) tragende Felge (3) befestigt.
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Am Radträger (5) ist eine Betätigungsvorrichtung (20) der Scheibenbremse (10) sowie der Stator (64) des Generators (60) angeordnet. Die Betätigungsvorrichtung (20) der Scheibenbremse (10) ist in der oberen Hälfte der 1 dargestellt, der Generator (60) ist in der unteren Hälfte der 1 zu sehen.
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Die Scheibenbremse (10) umfasst u. a. eine Antriebseinheit (22), eine Bremssattelfaust (41), ein Druckstück (31), zwei Rückenplatten (35, 45) sowie zwei Bremsbeläge (36, 46). Hierbei sind die Bremsbeläge (36, 46) einander gegenüberliegend an den beiden axialen Seiten der Bremsscheibe (12) angeordnet. Sie stützen sich über je eine Rückenplatte (35, 45) an der Bremssattelfaust (41) bzw. am Druckstück (31) ab.
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Die Bremssattelfaust (41) ist am Radträger (5) befestigt und umgreift die Bremsscheibe (12). In der Bremssattelfaust (41) ist die Antriebseinheit (22) angeordnet.
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Die Antriebseinheit (22) umfasst u. a. einen hier nicht dargestellten Elektromotor, der über ein zweistufiges Getriebe das Druckstück (31) verstellt. Die erste Getriebestufe ist ein Schneckenradgetriebe (23, 24), die zweite Stufe ein Gewindespindeltrieb (25, 31).
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Der Elektromotor treibt die Schnecke (23) des Schneckenradgetriebes (23, 24) an. Das Schneckenrad (24) sitzt auf der Gewindespindel (25) des Gewindespindeltriebes (25, 31). Die Gewindespindel (25) trägt ein Außengewinde, das über ein Innengewinde des Druckstücks (31) dieses antreibt.
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Die Gewindespindel (25) ist in zwei Wälzlagern (26, 27) gelagert, die auf beiden Seiten des Schneckenrades (24) angeordnet sind. Die Außenringe der Wälzlager (26, 27) sitzen in einem Antriebsgehäuse (49). Letzteres ist am Radträger (5) befestigt und umgibt das Schneckenradgetriebe (23, 24).
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Das in der Bremssattelfaust (41) geführte Druckstück (31) hat an seiner Außenseite eine Führungsnase (33), mit der es in einer an der Bremssattelfaust (41) angeordneten Führungsnut (43) in Querrichtung zur Bremsscheibe (12) geführt wird.
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Bei Betätigung der Scheibenbremse (10) dreht der Elektromotor über das Schneckenradgetriebe (23, 24) die Gewindespindel (25). Hierdurch wird das Druckstück (31) beispielsweise nach links verschoben und die Bremsbeläge (36, 46) kommen zur Anlage an der Bremsscheibe (12). Zum Lösen der Scheibenbremse (10) dreht der Elektromotor in die Gegenrichtung. Das Druckstück (31) wird beispielsweise nach rechts geschraubt und die Bremsbeläge (36, 46) lösen sich von der Bremsscheibe (12).
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Der Generator (60) umfasst mehrere beispielsweise am Umfang der Bremsscheibe (12) angeordnete Permanentmagnete und mindestens eine durch einen Spalt (65) hiervon getrennte nicht rotierende Spule (63) sowie hier nicht dargestellte elektrische Leitungen und weitere elektrische Baugruppen. Die Permanentmagnete sind beispielsweise in der Bremsscheibe (12) integriert und stehen seitlich nicht über diese über. Am Umfang der Bremsscheibe (12) wechseln sich beispielsweise positive und negative Pole der Permanentmagneten ab. Die Permanentmagnete können z. B. außerhalb der Zone der Bremsscheibe (12) angeordnet sein, die beim Bremsen von den Bremsbelägen (36, 46) kontaktiert wird.
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Die beispielsweise in 1 im Schnitt dargestellte Spule (63) ist am Stator (64) im Radträger (5) angeordnet. Sie umgreift beispielsweise den Rand der Bremsscheibe (12) im Bereich der Permanentmagneten. Im Bereich radial zur Bremsscheibe (12) liegt die Spule (63) beispielsweise in Nuten des Stators (64).
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An die Spulen (63) sind die elektrischen Leitungen angeschlossen. Diese verbinden die Spulen (63), ggf. unter Zwischenschaltung elektrischer Bauelemente, mit einem Stromspeicher, beispielsweise einer Batterie oder einem Akkumulator.
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Bei der Rotation des Rades (1) mit der Bremsscheibe (12) rotieren die auf der Bremsscheibe (12) angeordneten Permanentmagneten mit der Drehzahl des Rades (1). In der einzelnen Spule (63) ändert sich hierbei die Richtung und die Stärke des die Spule (63) durchdringenden Magnetfeldes. In der Spule (63) wird ein Strom induziert, der über die elektrischen Leiter abgeleitet wird. Beispielsweise über eine Gleichrichterschaltung lädt dieser Strom als Ladestrom einen mit dem Fahrzeug mitgeführten Speicher, z. B. einen Akkumulator. Selbst bei niedriger Raddrehzahl entsteht so ein Ladestrom für den Akkumulator.
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Im Fahrzeug ist der Elektromotor der Bremsbetätigung (20) der einzelnen Scheibenbremse (10) beispielsweise sowohl an die Fahrzeugbatterie als auch diesen Akkumulator angeschlossen.
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Beim Betrieb des Fahrzeuges bewirkt beispielsweise ein Druck auf das Bremspedal ein z. B. pedalwegproportionales oder progressives Verfahren des Druckstückes (31). Der Elektromotor dreht die Schnecke (23) so lange, bis das Druckstück (31) seine vorgesehene Lage zum Erzielen einer bestimmten Bremsverzögerung erreicht hat. Der Elektromotor bleibt stehen und dreht die Schnecke (23) erst wieder bei einer Änderung der Stellung des Bremspedals. Im Normalbetrieb wird hierbei der Elektromotor von der Fahrzeugbatterie gespeist.
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Bei Ausfall der Fahrzeugbatterie oder beispielsweise bei nicht eingeschalteter Zündung erfolgt die Stromversorgung des Elektromotors vom Akkumulator bzw. direkt vom Generator (60) aus. Der Akkumulator dient hierbei als eine Art Notspeicher. Da die zur Betätigung der Bremse erforderliche Energie gering ist, wird daher nur ein Akkumulator geringer Kapazität benötigt.
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So kann das Fahrzeug in einem solchen Fall trotz Ausfall der Bordstromversorgung bis zum Stillstand abgebremst werden. Ggf. kann das Bremsen durch den Generator (60) unterstützt werden, indem beispielsweise an die Spule (63) eine äußere Spannung, z. B. die Ausgangsspannung des Akkumulators angelegt wird.
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Der bei einem geladenen Akkumulator weiterhin durch den Generator (60) induzierte Strom wird beispielsweise an einem Widerstand oder an einer Gruppe von Widerständen in Wärme umgewandelt.
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Die Scheibenbremse (10) kann z. B. innenbelüftet sein. Hiermit wird ein Wärmestau an der Bremsscheibe (12) vermieden, was u. a. die Lebensdauer der Permanentmagnete des Generators (60) erhöht.
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Ein einzelner Generator (60) kann an jedem Rad (1) angeordnet sein, es können aber auch Generatoren (60) achsweise betrieben werden. Auch können diese zwischen anderen rotierenden und nichtrotierenden Bauteilen des Fahrzeuges angeordnet sein, z. B. an einer Antriebswelle des Fahrzeuges und hier z. B. am Getriebeausgang. Auch Kombinationen der verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten sind denkbar.
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Hierbei können sowohl die Magneten, die z. B. als Elektromagnete ausgeführt sind, rotieren und die Spulen (63) nicht rotierend angeordnet sein, als auch die Spulen (63) rotierend und die Magnete nicht rotierend sein.
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Das Laden des Akkumulators kann sowohl ständig als auch intermittierend erfolgen, z. B. sobald die Kapazität des Akkumulators unter einen Schwellenwert abgefallen ist. Hierfür können z. B. statt der Permanentmagnete Spulen als Elektromagnete eingesetzt werden, die nur bei Bedarf von einem Gleichstrom durchflossen werden und dann als Magnete wirken.
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Das beschriebene System kann auch bei einer elektrohydraulischen Bremse eingesetzt werden, deren Hydraulikkolben mit Hilfe von Drucköl verstellt wird, das mittels eines Elektromotors gefördert wird.
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Die Bremsbetätigung (20) ist nicht auf den Typ der Scheibenbremse beschränkt, sondern kann auch bei anderen Bremsentypen eingesetzt werden.
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Die Bremsbetätigung (20) kann mit verschiedenen Elektromotor-Getriebekombinationen ausgeführt sein. Auch der Einsatz eines Linearantriebes ist denkbar.
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An den Akkumulator können auch andere Energieverbraucher, wie z. B. ein elektrischer Antrieb für die Lenkkraftunterstützung, ein Retarder, die Warnblinkanlage, etc. angeschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rad, Fahrzeugrad
- 2
- Reifen
- 3
- Felgen
- 4
- Felgenschüssel
- 5
- Radträger
- 6
- Radnabe
- 7
- Patronenlager
- 10
- Scheibenbremse
- 12
- Bremsscheibe
- 20
- Betätigungsvorrichtung, Bremsbetätigung
- 22
- Antriebseinheit
- 23
- Schnecke
- 24
- Schneckenrad
- 25
- Gewindespindel
- 26
- Wälzlager
- 27
- Wälzlager
- 31
- Druckstück
- 33
- Führungsnase
- 35
- Rückenplatte
- 36
- Bremsbelag
- 41
- Bremssattelfaust
- 43
- Führungsnut
- 45
- Rückenplatte
- 46
- Bremsbelag
- 49
- Antriebsgehäuse
- 60
- Generator
- 63
- Spule
- 64
- Stator
- 65
- Spalt
