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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Scheibenbremse gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Solche
Scheibenbremsen mit einer Selbstverstärkungseinrichtung, die insbesondere
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, sind bekannt,
beispielsweise aus der
DE
101 56 348 C1 .
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Bei
Scheibenbremsen der genannten Art stellt mechanisches Spiel im Betätigungsstrang
ein Problem dar, weil Reibwertänderungen,
die im Betrieb der Bremse zwischen einem Reibbelag der Bremse und
der Bremsscheibe beispielsweise durch die stark schwankenden Temperaturen
auftreten, Betriebszustände
nach sich ziehen können,
in denen das im Betätigungsstrang
vorhandene mechanische Spiel durchlaufen wird. Funktioniert die
Selbstverstärkungseinrichtung
nach dem Keilprinzip, dann kann aufgrund der genannten Reibwertschwankungen
ein Keil der Selbstverstärkungseinrichtung manchmal
als Druckkeil und manchmal als Zugkeil wirken, d.h. in manchen Betriebszuständen muss
der Keil vom Aktuator gedrückt
werden, um eine gewünschte
Bremswirkung zu erzielen, während
der Keil in anderen Betriebszuständen,
d.h. bei anderen vorherrschenden Reibwerten zwischen Reibbelag und
Bremsscheibe, unter Umständen
von alleine versucht, eine Position einzunehmen, die zu einer höheren als
der gewünschten
Bremskraft führen
würde, weshalb
der Aktuator den Keil durch Aufbringen einer Zugkraft auf den Keil
daran hindern muss, eine solche Position tatsächlich einzunehmen. In jedem
Fall führt
das Durchlaufen eines im Betätigungsstrang
der Bremse vorhandenen mechanischen Spiels zu undefinierten Zuständen der
Bremse, die sich regelungstechnisch nicht vernünftig beherrschen lassen. Eine vermeintlich
auf der Hand liegende Lösung
des Problems ist eine äußerst präzise Herstellung
aller mechanischen Komponenten des Betätigungsstrangs. In der Praxis
allerdings scheidet eine solche Lösung aufgrund zu hoher Herstellungskosten
aus.
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In
der
DE 103 56 936
A1 wird eine selbstverstärkende elektromechanische Fahrzeugbremse
offenbart, bei der eine Entkopplung des Keils vom Reibbremsbelag
in einer Drehrichtung der Bremsscheibe bewirkt wird. Die Entkopplung
wirkt nur in die Drehrichtung der Bremsscheibe, bei der aufgrund
der Keilgeometrie eine Selbstschwächung der Betätigungskraft
auftreten würde.
In Verstärkungsrichtung überträgt der Reibbelag
die Mitnahmekräfte
unmittelbar auf den Keilmechanismus.
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Das
eingangs genannte deutsche Patent schlägt zur Lösung des genannten Problems
einen Aktuator mit zwei Motoren vor, von denen einer im Druck- und
der andere im Zugbetrieb arbeitet, um auf diese Weise immer eine
Spielfreiheit zu gewährleisten.
Eine solche Lösung
setzt allerdings den Bauraum zur Anordnung von zwei Elektromotoren
voraus und ist aufgrund der zwei Elektromotoren zwangsläufig mit
höheren
Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine Scheibenbremse der eingangs
genannten Art eine Lösung
anzugeben, die undefinierte Betriebszustände, welche sich aus einem
Durchlaufen von Spiel im Betätigungsstrang
der Bremse ergeben, auf einfache Art und Weise vermeidet.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer
Scheibenbremse gelöst,
die die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Erfindungsgemäß ist zudem
vorgesehen, dass eine hier als zweite Verbindung bezeichnete Verbindung
zwischen einem ersten Reibbelag, der vom Aktuator unter Zwischenschaltung
der Selbstverstärkungseinrichtung
betätigt
wird, und der Selbstverstärkungseinrichtung
eine Übertragung
parallel zur Bremsscheibe gerichteter Kräfte von einer Übertragung
solcher Kräfte
zumindest teilweise zu entkoppeln vermag, die normal zur Bremsscheibe
gerichtet sind, und zwar unabhängig
von der Drehrichtung der Bremsscheibe. Damit ist gemeint, dass diese
zweite Verbindung normal zur Bremsscheibe gerichtete Kräfte in jedem
Fall zu übertragen
vermag, dass jedoch parallel zur Bremsscheibe gerichtete Kräfte, die auf
den ersten Reibbelag wirken, von dieser zweiten Verbindung – unabhängig von
der Drehrichtung der Bremsscheibe – nicht oder jedenfalls nicht
vollständig
auf die Selbstverstärkungseinrichtung übertragen werden.
Ferner wird erfindungsgemäß gefordert, dass
eine parallel zur Bremsscheibe auf den ersten Reibbelag einwirkende
Kraft mittels eines Mechanismus und unter Benutzung einer ersten
Verbindung, die zwischen der Selbstverstärkungseinrichtung und dem Aktuator
besteht, auf ein Element der Selbstverstärkungseinrichtung übertragen
wird, das diese Kraft wenigstens teilweise in eine auf den ersten Reibbelag wirkende
Normalkraft umsetzt, welche über
die zweite Verbindung diesen Reibbelag gegen die Bremsscheibe presst.
Auf diese Weise kommt es zu einer Selbstverstärkung der vom Aktuator aufgebrachten
Betätigungskraft,
wobei wie beschrieben eine die Selbstverstärkung hervorrufende Kraft indirekt über den
Mechanismus und die erste Verbindung zum ersten Reibbelag rückgeführt wird.
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Bei
der herkömmlichen
Lösung
hingegen ist die direkte Verbindung zwischen dem Reibbelag und der
Selbstverstärkungseinrichtung
eine starre Verbindung, über
die die zur Selbstverstärkung
führende Kraft
unmittelbar vom Reibbelag auf ein Element der Selbstverstärkungseinrichtung übertragen
wird. Eine Entkoppelung normal zur Bremsscheibe gerichteter Kräfte von
parallel zur Bremsscheibe gerichteten Kräften im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist bei der herkömmlichen
Lösung
deshalb nicht möglich.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, dass aufgrund der beschriebenen Entkoppelung der Kräfte an der
zweiten Verbindung die bei einem Bremsvorgang parallel zur Bremsscheibe auf
den ersten Reibbelag wirkende Kraft als Vorspannkraft benutzt werden
kann, um alle Teile des Betätigungsstrangs,
die ein mechanisches Spiel aufweisen, in wohldefinierter Richtung
vorzuspannen, wodurch eventuell vorhandenes mechanisches Spiel im
Betätigungsstrang
sich nicht mehr negativ auswirken kann. Ein zweiter Elektromotor
zur Erzielung einer spielfreien Betätigung der Bremse ist somit
nicht mehr notwendig, was den für
die Bremse erforderlichen Bauraum sowie die Herstellungskosten tendenziell
verringert und Regelungsaufwand einspart.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Scheibenbremse
wird die genannte Entkopplung der Kräfte an der zweiten Verbindung dadurch
erreicht, dass diese Verbindung zwischen dem ersten Reibbelag und
der Selbstverstärkungseinrichtung
eine gleitende Verbindung ist. Alternativ kann diese Verbindung
auch eine rollende Verbindung sein oder eine Ver bindung, die in
einer Richtung parallel zur Bremsscheibe elastisch ist. Während die beiden
erstgenannten Verbindungsarten parallel zur Bremsscheibe gerichtete
Kräfte
nicht mittels der zweiten Verbindung von dem ersten Reibbelag auf die
Selbstverstärkungseinrichtung übertragen
können,
findet bei der letztgenannten Verbindungsart (elastische Verbindung)
in Abhängigkeit
der Elastizität
der Verbindung eine teilweise Übertragung
der genannten Kräfte
statt.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Scheibenbremse
ist das Element der Selbstverstärkungseinrichtung,
auf welches die Selbstverstärkungskraft übertragen
wird, ein Keil, der sich unter einem vorgegebenen Keilwinkel an
einem Widerlager abstützt.
Alternativ kann das Element der Selbstverstärkungseinrichtung, auf welches
die Selbstverstärkungskraft übertragen
wird, auch ein Stößel sein,
der schwenkbar an einem Exzenter abgestützt ist. Die Verhältnisse,
insbesondere der Keilwinkel, werden vorzugsweise so gewählt, dass
bei allen Betriebszuständen
der Bremse vom Aktuator über
die erste Verbindung eine Druckkraft auf den Keil oder den Stößel zur
Betätigung
der Bremse übertragen
wird.
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Der
die Selbstverstärkungskraft
auf das Element der Selbstverstärkungseinrichtung übertragende
Mechanismus ist vorzugsweise ein Getriebe, beispielsweise ein Zahnrad-
und/oder Hebelgetriebe. Vorzugsweise ist dann die genannte erste
Verbindung eine mechanische Verbindung von dem Getriebe zum Element
der Selbstverstärkungseinrichtung. Darüber hinaus
ist immer eine weitere mechanische Verbindung zwischen dem Getriebe
und dem ersten Reibbelag vorhanden. Bei einer solchen Ausführungsform übt bei einem
Bremsvorgang der erste Reibbelag eine Zugkraft auf die weitere mechanische Verbindung
aus, die von dem Getriebe in eine über die erste Verbindung auf
das Element der Selbstverstärkungseinrichtung
wirkende Druckkraft umgesetzt wird. Auf diese Weise liegen im gesamten
Betätigungsstrang
der Bremse während
aller Betriebsbedingungen definierte Kraftverhältnisse vor, d.h. die Kraftrichtung
der von dem ersten Reibbelag über
das Getriebe und die zwischengeschalte ten mechanischen Verbindungen
auf das Element der Selbstverstärkungseinrichtung übertragenen
Kraft bleibt unter allen Betriebsbedingungen gleich. Es kann deshalb zu
keinem unerwünschten
Durchlaufen von vorhandenem mechanischem Spiel kommen. Unkontrollierte
Bremskraftänderungen
aufgrund mechanischen Spiels im Betätigungsstrang treten nicht
mehr auf.
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Bei
allen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Scheibenbremse
ist vorteilhaft der Aktuator, der vorzugsweise ein elektrischer
Aktuator ist, Teil des Mechanismus, der die parallel zur Bremsscheibe
auf den ersten Reibbelag einwirkende Kraft auf die Selbstverstärkungseinrichtung überträgt. Die Selbstverstärkungseinrichtung
setzt diese Kraft dann zumindest teilweise in eine normal zur Bremsscheibenoberfläche gerichtete
Kraft um, die dazu verwendet wird, zusammen mit der Aktuatorkraft
den ersten Reibbelag gegen die Bremsscheibe zu pressen.
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Neben
den bereits genannten Vorteilen der erfindungsgemäßen Scheibenbremse
ist ein weiterer Vorteil die einfache Messbarkeit einer zum jeweils
aktuellen Bremsmoment proportionalen Größe. Weil die erfindungsgemäße Scheibenbremse
aufgrund der beschriebenen, im Bereich der zweiten Verbindung erfolgenden
Entkopplung von Kräften
eine Reihe von Bauteilen hat, über
die während
einer Bremsung lediglich auf den ersten Reibbelag ausgeübte Tangentialkräfte, d.h.
Kräfte
parallel zur Bremsscheibenoberfläche, übertragen
werden, und weil diese Bauteile eine relativ geringe Masse aufweisen,
was bei einer Schwingungsanregung dieser Teile hervorgerufen beispielsweise
durch Fahrbahnunebenheiten zu entsprechend geringen Störungen (aufgrund
der geringen Trägheitskräfte, die
diese Bauteile geringer Masse ausüben können) des erfassten Signals
führt, lässt sich
im Betätigungsstrang
der Bremse an verschiedenen Stellen eine Messgröße abgreifen, die proportional
zur jeweils wirkenden Bremskraft bzw. zum jeweils wirkenden Bremsmoment
ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Scheibenbrem
se wird im Folgenden anhand der beigefügten schematischen Figur näher erläutert, die
den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Scheibenbremse zeigt, deren
Selbstverstärkungseinrichtung
einen Keil verwendet.
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In
der einzigen Figur ist schematisch eine allgemein mit 10 bezeichnete
Scheibenbremse für
ein Kraftfahrzeug dargestellt. Die Scheibenbremse 10 hat
eine drehbare Bremsscheibe 12, die sich bei Vorwärtsfahrt
des Fahrzeuges in der mit einem Pfeil P angegebenen Richtung dreht,
einen die Bremsscheibe 12 überspannenden Bremssattel 14 und
einen ersten Reibbelag 16 sowie einen zweiten Reibbelag 18 auf
unterschiedlichen Seiten der Bremsscheibe 12, die bei einem
Bremsvorgang gegen die ihnen jeweils zugewandte Oberfläche der
Bremsscheibe 12 gepresst werden können.
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Ein
als Elektromotor ausgebildeter Aktuator 20 treibt über ein
an ihm befestigtes Antriebsritzel 22 ein Zahnrad 24 an,
an dem ein Ende eines Übertragungshebels 26 drehbar
angebracht ist, dessen anderes Ende gelenkig mit einem Keil 28 verbunden
ist. Der Keil 28 ist ein Element einer Selbstverstärkungseinrichtung 30,
deren Funktion und Aufgabe später noch
näher erläutert werden.
Der Keil 28 stützt
sich unter einem Keilwinkel α verschieblich
an einem Widerlager 32 ab und kann somit bei einer Betätigung des
Aktuators 20 in Abhängigkeit
der Drehrichtung des Antriebsritzels 22 hin und her verschoben
werden, um die Bremse 10 zu betätigen, d.h. den ersten Reibbelag 16 in
Kontakt mit der Bremsscheibe 12 zu bringen, oder die Bremse 10 zu
lösen.
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Weil
bei der gezeigten Bremsenkonstruktion der Aktuator 20 zunächst auf
den ersten Reibbelag 16 wirkt, wird dieser Reibbelag häufig auch
als direkt betätigter
Reibbelag bezeichnet. Hingegen wird der zweite Reibbelag 18 dann,
wenn der Bremssattel 14 wie hier dargestellt als Schwimmsattel
ausgebildet ist, erst durch über
den Bremssattel 14 zum zweiten Reibbelag 18 übertragene
Reaktionskräfte
gegen die Bremsscheibe 12 ge drückt, die entstehen, wenn der erste
Reibbelag 16 in Kontakt mit der Bremsscheibe 12 gerät. Der zweite
Reibbelag 18 wird bei solchen Konstruktionen deshalb häufig auch
als indirekt betätigter
Reibbelag bezeichnet.
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Aus
Gründen
der Einfachheit werden im Folgenden das Zahnrad 24 und
der Übertragungshebel 26 als
erste Verbindung 34 bezeichnet, die die Selbstverstärkungseinrichtung 30 – genauer
den Keil 28 – mit
dem Aktuator 20 verbindet.
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Zwischen
dem Keil 28 und dem ersten Reibbelag 16, genauer
zwischen dem Keil 28 und einer Trägerplatte 36, auf
der der erste Reibbelag 16 befestigt ist, besteht eine
zweite Verbindung 38, die so ausgestaltet ist, dass sie
Kräfte
in einer Richtung normal zur Bremsscheibe 12 immer übertragen
kann, parallel zur Oberfläche
der Bremsscheibe 12 gerichtete Kräfte jedoch nicht oder nur teilweise überträgt. Diese
zweite Verbindung 38, die in 1 symbolisch durch
Walzen dargestellt ist, kann eine auf Roll- oder Gleitreibung basierende
Verbindung sein, beispielsweise nach Art eines Kugellagers, Rollenlagers
oder Gleitlagers, sie kann aber auch eine parallel zur Oberfläche der
Bremsscheibe 12 elastische Verbindung sein, die beispielsweise
durch einen in der gewünschten
Richtung nachgiebigen Polymerwerkstoff gebildet ist. Wichtig ist
lediglich, dass die bei einer starren Verbindung zwischen dem Keil
und dem ersten Reibbelag 16 bzw. seiner Trägerplatte 36 gegebene
Kopplung von Kräften
wie angegeben entkoppelt wird.
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Die
Trägerplatte 36 des
ersten Reibbelags 16 ist gelenkig mit einem Ende eines
weiteren Übertragungshebels 40 verbunden,
dessen anderes Ende schwenkbar und exzentrisch auf einem weiteren Zahnrad 42 angebracht
ist. Dieses weitere Zahnrad 42 kämmt ebenso wie das Zahnrad 24 mit
dem Antriebsritzel 22 des Aktuators 20. Aus Gründen einer einfacheren
Funktionsbeschreibung wird im Folgenden die aus dem Übertragungshebel 40 und
dem Zahnrad 42 bestehende mechanische Verbindung zwischen
dem ersten Reibbelag 16 bzw. dessen Trägerplatte 36 und dem
Aktuator 20 als weitere Verbindung 44 bezeichnet.
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Im
Folgenden wird die Funktion der Scheibenbremse 10 näher beschrieben:
Zum
Einleiten einer Bremsung wird der Aktuator 20 derart betätigt, dass
sich sein Antriebsritzel 22 gegen den Uhrzeigersinn dreht.
Diese Drehbewegung wird mittels der ersten Verbindung 34 auf
den Keil 28 übertragen,
d.h. es wird eine Druckkraft auf den Keil 28 ausgeübt, die
ihn relativ zum ortsfesten Widerlager 32 in 1 nach
links verschiebt, wodurch der über
die zweite Verbindung 38 in Verbindung mit dem Keil 28 stehende
erste Reibbelag 16 zur Bremsscheibe 12 hin bewegt
wird. Sobald der erste Reibbelag 16 die sich drehende Bremsscheibe 12 berührt, wird
von Letzterer eine parallel zur Oberfläche der Bremsscheibe 12 gerichtete
Kraft auf den ersten Reibbelag 16 übertragen, d.h. die sich drehende
Bremsscheibe 12 versucht, den ersten Reibbelag 16 mitzunehmen. Zugleich
bewirkt eine normal zur Oberfläche
der Bremsscheibe 12 entstehende Reaktionskraft, dass der
hier als Schwimmsattel ausgebildete Bremssattel 14 sich
parallel zu einer Drehachse (nicht gezeigt) der Bremsscheibe 12 verschiebt,
wodurch auch der zweite Reibbelag 18 in Kontakt mit der
sich drehenden Bremsscheibe 12 gerät.
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Die
von der sich drehenden Bremsscheibe 12 auf den ersten Reibbelag 16 ausgeübte Kraft
parallel zur Bremsscheibe 12 wird über die zweite Verbindung 38 zum
Aktuator 20 geführt
und erzeugt dort eine Kraft, die das Antriebsritzel 22 des
Aktuators 20 im Gegenuhrzeigersinn drehen möchte. Da
das Antriebsritzel 22 nach wie vor über die erste Verbindung 34 mit
dem Keil 28 verbunden ist, wird die vorgenannte Kraft als
Druckkraft auf den Keil 28 übertragen. Aufgrund des Keilwinkels α setzt der
Keil 28 die in ihn eingeleitete Druckkraft um in einen
Normalkraftanteil FN, der über die
zweite Verbindung 38 den ersten Reibbelag 16 gegen
die Bremsscheibe 12 presst, und einen dazu rechtwinkligen
Kraftanteil FP, der parallel zur Oberfläche der
Bremsscheibe 12 gerichtet ist und versucht, den Keil 28 aus
der erreichten Betätigungsstellung zurück in die
anfänglich
eingenommene, unbetätigte
Ausgangsstellung zu drücken.
Bei geeigneter Wahl des Keilwinkels α stammt dabei der größte Teil
des Normalkraftanteils FN aus der über die
weitere Verbindung 44, den Aktuator 20 und die
erste Verbindung 34 rückgeführten Kraft,
die die sich drehende Bremsscheibe 12 auf den ersten Reibbelag 16 ausübt. Diesen
Kraftanteil muss der Aktuator 20 nicht selbst aufbringen,
weshalb diese Kraft auch als Selbstverstärkungskraft bezeichnet wird.
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Die
beschriebenen Kraftverhältnisse
führen dazu,
dass in dem aus erster Verbindung 34, weiterer Verbindung 44 und
Aktuator 20 bestehenden Getriebe und auch zwischen diesem
Getriebe und dem Keil 28 und dem ersten Reibbelag 16 alle
spielbehafteten Flächen
immer so vorgespannt sind, dass ein vorhandenes mechanisches Spiel
nicht zum Tragen kommt. Aufgrund der im Bremsbetrieb über die
weitere Verbindung 44 ständig ausgeübten Zugkraft und die über die
erste Verbindung 34 ständig
ausgeübte Druckkraft
kann es im gesamten Betätigungsstrang der
Bremse 10 zu keiner Spielbewegung kommen.
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Zum
Lösen der
Bremse 10 braucht lediglich die den Aktuator 20 in
Betätigungsrichtung
drehende Kraft zurückgenommen
zu werden, woraufhin der Kraftanteil FP den
Keil 28 selbsttätig
in 1 nach rechts und damit zurück in eine Ausgangsstellung drückt, in
der beide Reibbeläge 16, 18 keinen
Kontakt mehr mit der Bremsscheibe 12 haben.