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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur Wandlung einer rotierenden Antriebsbewegung in eine translatorische Ausgangsbewegung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Antrieb ist mit einem Elektromotor vorgesehen, der Aktuator ist zur Betätigung einer elektromechanischen Reibungsbremse, d.h. zum Andrücken eines Reibbremsbelags der Reibungsbremse gegen einen drehbaren Bremskörper vorgesehen. Im Falle einer Trommelbremse ist der Bremskörper eine Bremstrommel, im Falle einer Scheibenbremse ist der Bremskörper eine Bremsscheibe. Die Erfindung ist nicht auf diese beiden Bremsenbauformen beschränkt. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektromechanische Reibungsbremse mit einem derartigen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4.
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Elektromechanische Reibungsbremsen sind als Radbremsen für Kraftfahrzeuge in großer Anzahl bekannt. Beispielhaft wird die Offenlegungsschrift
DE 42 29 042 A1 genannt. Diese offenbart eine elektromechanische Reibungsbremse in Bauform einer Scheibenbremse mit einem Elektromotor, der über ein Zahnraduntersetzungsgetriebe ein Schraubgetriebe in Bauform eines Spindeltriebs antreibt. Das Schraubgetriebe wandelt eine rotatorische Antriebsbewegung des Elektromotors in eine translatorische Ausgangsbewegung zum Drücken eines Reibbremsbelags gegen eine Bremsscheibe.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2006 047 408 A1 offenbart eine selbstverstärkende, elektromechanische Scheibenbremse mit einem Doppelkeilmechanismus, der in einem Schwimmsattel angeordnet ist. Ein erster Keil, der entlang eines Widerlagers im Bremssattel, das schräg in einem spitzen Winkel zu einer Bremsscheibe verläuft, verschiebbar ist, stützt einen zweiten Keil ab, der einen Reibbremsbelag trägt. Der erste Keil ist mit einem Gewindetrieb, der mit einem Elektromotor antreibbar ist, entlang des Widerlagers im Bremssattel verschiebbar und wird zur Betätigung der Scheibenbremse in den enger werdenden Keilspalt zwischen dem Widerlager und dem zweiten Keil verschoben, so dass er über den zweiten Keil den Reibbremsbelag gegen die Bremsscheibe drückt. Die drehende Bremsscheibe beaufschlagt den gegen sie gedrückten Reibbremsbelag mit dem zweiten Keil in einen enger werdenden Keilspalt zwischen dem ersten Keil und der Bremsscheibe, wodurch der Reibbremsbelag stärker gegen die Bremsscheibe gedrückt und die Bremskraft verstärkt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist außer einem Schraubgetriebe zum Wandeln einer rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung einen Keilmechanismus und einen Spreizmechanismus auf. Der Keilmechanismus weist einen Keil auf, der quer oder schräg zum Schraubgetriebe in einen Keilspalt zwischen einem Widerlager, das den Keil abstützt, und einem Ausgangselement, das durch Verschiebung des Keils in den enger werdenden Keilspalt vom Widerlager abgedrückt wird, verschiebbar ist. Das Ausgangselement muss nicht Teil des Aktuators sein, sondern kann Element einer Vorrichtung sein, die mit dem Aktuator antreibbar ist. Keilspalt bedeutet allgemein einen in einer Richtung enger werdenden Spalt oder Zwischenraum, vorzugsweise verengt sich der Keilspalt von einer Mitte des Aktuators weg nach au-ßen. Der Spreizmechanismus weist einen konischen oder keilförmigen Keilschieber auf, der mit dem Schraubgetriebe verschiebbar ist und der den Keil in den enger werdenden Keilspalt verschiebt.
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Das Schraubgetriebe des erfindungsgemäßen Aktuators wandelt wie bereits gesagt eine rotierende Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung, die den Keilschieber des Spreizmechanismus verschiebt. Der konische oder keilförmige Keilschieber verschiebt seinerseits den Keil in den enger werdenden Keilspalt zwischen dem Widerlager und dem Ausgangselement, wodurch der Keil das Ausgangselement vom Widerlager abdrückt, d.h. der Keil verschiebt das Ausgangselement vom Widerlager weg. Die Verschiebung des Ausgangselements ist die translatorische Ausgangsbewegung des erfindungsgemäßen Aktuators zum Antrieb oder zur Betätigung einer Vorrichtung, beispielsweise zum Andrücken eines Reibbremsbelags einer Reibungsbremse gegen einen drehbaren Bremskörper.
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Der Keilmechanismus und der Spreizmechanismus bilden ein mechanisches Getriebe, das einen Weg des Schraubgetriebes untersetzt und eine Kraft des Schraubgetriebes übersetzt. Die Mechanismen sind robust und einfach im Aufbau und benötigen keine oder wenig Wartung. Der Keilmechanismus und der Spreizmechanismus lassen sich mit großen Anlageflächen der gegeneinander beweglichen Teile ausbilden, so dass eine niedrige Flächenpressung möglich ist, die eine große Ausgangskraft des Aktuators ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das Über - bzw. Untersetzungsverhältnis durch die Wahl der Keilwinkel und der Winkel von Schrägflächen in einem großen Bereich zu wählen; es lässt sich eine große Kraftübersetzung erzielen. Die Erfindung ermöglicht einen kompakten Aktuator.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.
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Vorzugsweise weist der Keilmechanismus des erfindungsgemäßen Aktuators zwei einander gegenüber oder mehr als zwei, sternförmig angeordnete Keile auf, zwischen denen der Keilschieber angeordnet ist und die vom Keilschieber auseinandergedrückt werden.
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Für die Verwirklichung der Erfindung kommt es weniger auf die Form als vielmehr auf die Funktion der Elemente an. So ist es denkbar, beispielsweise Kugeln, die ringförmig um den Keilschieber angeordnet sind, anstelle von Keilen in einen enger werdenden Keilspalt zu verschieben. In diesem Fall ist der Keilschieber nicht unbedingt konisch oder keilförmig und kann treffender als Verdränger bezeichnet werden, der die Kugeln nach außen drückt, wenn er zwischen sie geschoben wird.
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Die erfindungsgemäße elektromechanische Reibungsbremse mit den Merkmalen des Anspruchs 4 weist einen Aktuator der vorstehend erläuterten Art auf, der mit einem Elektromotor antreibbar ist und der bei einer Betätigung der Bremse den Reibbremsbelag gegen einen drehbaren, zu bremsenden Bremskörper, beispielsweise eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel drückt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die einzige Figur zeigt eine elektromechanische Scheibenbremse mit einem Aktuator im Achsschnitt gemäß der Erfindung. Die Zeichnung ist als vereinfachte und schematisierte Darstellung zur Erläuterung und zum Verständnis der Erfindung zu verstehen.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die in der Zeichnung dargestellte elektromechanische Reibungsbremse 1 gemäß der Erfindung weist die Bauform einer Scheibenbremse auf und ist als Radbremse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Reibungsbremse 1 weist einen Bremssattel 2 auf, der als sog. Schwimmsattel quer zu einer Bremsscheibe 3 verschiebbar ist. Rechtwinklig zur Bremsscheibe 3 ist ein erfindungsgemäßer Aktuator 4 im Bremssattel 2 befestigt. Der Aktuator 4 weist ein zylindrisches Gehäuse 5 mit einem durchgehenden, durchmessergestuften Axialloch 6 auf. Das Gehäuse 5 ist mit einem Außengewinde an seinem Außenumfang versehen, mit dem der Aktuator 4 in ein Gegengewinde des Bremssattels 2 geschraubt ist. Das Außengewinde des Aktuators 4 wird nachfolgend als Zustellgewinde 7 bezeichnet.
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An einem der Bremsscheibe 3 fernen Bereich des Axiallochs 6 im Gehäuse 5 des Aktuators 4 ist eine Spindel 8 angeordnet, deren Spindelgewinde 9 in Eingriff mit einem Innengewinde 10 des Gehäuses 5 steht. Durch rotierenden Antrieb wird die Spindel 8 axial im Gehäuse 5 des Aktuators 4 verschoben, die Spindel 8 im Gehäuse 5 bildet einen Spindeltrieb 11 des Aktuators 4, das allgemein auch als Schraubgetriebe aufgefasst werden kann.
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Ein Ende der Spindel 8 steht auf einer der Bremsscheibe 3 abgewandten Seite aus dem Gehäuse 5 des Aktuators 4 vor und weist eine Verzahnung 12 auf, mit der ein Ritzel 13 eines Elektromotors 14 kämmt, der in einem Gehäuse 15 untergebracht und befestigt ist, das am Bremssattel 2 befestigt ist. Der Elektromotor 14 weist einen Motorlagesensor 16 auf, mit dem eine Motordrehung messbar ist.
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Auf ihrer der Bremsscheibe 3 zugewandten Seite weist die Spindel 8 einen Keilschieber 17 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiels kegelförmig ist und sich in Richtung der Bremsscheibe 3 verjüngt. Der Keilschieber 17 ragt zwischen Keile 18, die in Draufsicht, also axial zum Aktuator 4 gesehen, die Form von Kreissektoren aufweisen und auf einem gedachten Kreis um den Keilschieber 17 herum angeordnet sind. Dem Keilschieber 17 zugewandte Rückenflächen 19 der Keile 18 sind passend zur Kegelform des Keilschiebers 17 hohlrund gewölbt und schräg zu einer gedachten Mittelachse verlaufend angeordnet. Der Keilschieber 17 kann auch eine Pyramidenform aufweisen, wodurch ebene Rückenflächen 19 der Keile 18 möglich sind. In diesem Fall muss der Keilschieber 17 drehbar gegenüber der Spindel 8 sein. Auch ist eine Ausgestaltung mit zwei Keilen 18 möglich, die einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Keilschiebers 17 angeordnet sind, der in diesem Fall ein Keil ist und wie der pyramidenförmige Keilschieber 17 gegenüber der Spindel 8 drehbar sein muss.
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Die Keile 18 befinden sich in einem Keilspalt 20 zwischen einem Widerlager 21 und einem zylindrischen Ausgangselement 22, das axial verschiebbar im Axialloch 6 des Gehäuses 5 aufgenommen ist. Das Widerlager 21 ist ein rohrförmiges Teil, das den Keilschieber 17 umschließt und sich an einer Ringstufe 23 des Axiallochs 6 im Gehäuse 5 des Aktuators 4 abstützt. Eine den Keilen 18 und dem Ausgangselement 22 zugewandte Widerlagerfläche 24 des Widerlagers 21 ist eine zum Aktuator 4 koaxiale Hohlkegelfläche mit einem stumpfen Kegelwinkel. Die Keile 18 weisen komplementäre Kegelflächen auf, mit denen sie an der Widerlagerfläche 24 anliegen. Eine dem Widerlager 21 zugewandte Stirnfläche 25 des Ausgangselements 22 ist eben, sie begrenzt zusammen mit der Widerlagerfläche 24 den Keilspalt 20. Der Keilspalt ist kreisringförmig und verengt sich radial nach außen. Die Keile 18 sind im Keilspalt 20 radial nach außen verschiebbar, an ihnen liegt das Ausgangselement 22 an.
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Das Ausgangselement 22 ist von einem gummielastischen, rohrförmigen Rückstell- und Dichtelement 26 umschlossen, das einen flanschartigen Dichtfuß 27 aufweist, mit dem es das Ausgangselement 22 im Gehäuse 5 des Aktuators 4 abdichtet und gegen Verschmutzung schützt. Das Rückstell- und Dichtelement 26 stützt sich auf der Seite der Bremsscheibe 3 an einem Sprengring 28 ab, der in eine umlaufende Innennut im Gehäuse 5 eingesetzt ist. Das Rückstell- und Dichtelement 26 beaufschlagt das Ausgangselement 22 an einem Flansch 29 in Richtung der Spindel 8. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen die Keile 18 zwangläufig durch Rückziehen des Keilscheibers 17 rückgestellt werden, beispielsweise durch formschlüssige Schiebeführungen mit hinterschnittenen Nuten, beispielsweise T-Nuten.
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Die Keile 18 bilden mit dem Widerlager 21 und dem Ausgangselement 22 einen Keilmechanismus 30. Der Keilschieber 17 bildet mit den Keilen 18 einen Spreizmechanismus 31.
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Im Gehäuse 15 ist ein Drehsensor 32, beispielsweise ein Hall-Sensor angeordnet, mit dem eine Drehung des Gehäuses 5 des Aktuators 4 messbar ist. Des weiteren ist im Gehäuse 15 eine Sperrklinke 33 angeordnet, die in eine Verzahnung 34 eingreift, die umlaufend außen an einem der Bremsscheibe 3 fernen Ende des Gehäuses 5 angebracht ist. Die Sperrklinke 33 ist mit einem Elektromagneten 35 außer Eingriff von der Verzahnung 34 klinkbar.
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Zu einer Bremsbetätigung wird über ein nicht dargestelltes elektronisches Steuergerät der Elektromotor 14 bestromt und treibt über sein Ritzel 13 die Spindel 8 rotierend an. Die Rotation verschiebt die Spindel 8, deren Spindelgewinde 9 mit dem Innengewinde 10 des Gehäuses 5 des Aktuators 4 in Eingriff steht, axial in Richtung der Bremsscheibe 3. Dabei verschiebt die Spindel 8 den Keilschieber 17 in Richtung der Bremsscheibe 3 und zwischen die Keile 18. Der Keilschieber 17 drückt die Keile 18 radial auseinander in den nach außen enger werdenden Keilspalt 20 zwischen dem Widerlager 21 und dem Ausgangselement 22. Die Keile 18, die sich an der Widerlagerfläche 24 des Widerlagers 21 abstützen, drücken das Ausgangselement 22 zur Bremsscheibe 3. Ein Reibbremsbelag 36, der am Ausgangselement 22 angeordnet ist, wird gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt. Dadurch verschiebt sich der als Schwimmsattel ausgebildete Bremssattel 2 quer zur Bremsscheibe 3 und drückt einen auf der gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 3 angeordneten Reibbremsbelag 37 gegen die andere Seite der Bremsscheibe 3, die dadurch gebremst wird.
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Der Spreizmechanismus 31 und der Keilmechanismus 30 bilden ein mechanisches Getriebe, das einen Weg der Spindel 8 untersetzt und eine Kraft der Spindel 8 übersetzt. Das Über- bzw. Untersetzungsverhältnis lässt sich durch Wahl des Konuswinkels des Keilschiebers 17 und des Keilwinkels der Keile 18 und des Keilspalts 20 in einem großen Bereich wählen, es ist insbesondere eine hohe Kraftübersetzung möglich. Es erfolgt keine Richtungsumlenkung und kein Versatz, das Ausgangselement 22 wird gleichachsig mit der Spindel 8 verschoben.
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Zum Lösen der Reibungsbremse 1 wird der Elektromotor 14 mit umgekehrter Drehrichtung betrieben, so dass sich die Spindel 8 zurückverschiebt, d.h. von der Bremsscheibe 3 entfernt. Das Dichtungs- und Rückstellelement 26 drückt das Ausgangselement 22 von der Bremsscheibe 3 ab und das Ausgangselement 22 bewegt die Keile 18 und ggf. den Keilschieber 17 zurück in ihre Ausgangsstellungen.
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Der Spindeltrieb 11 und damit der Aktuator 4 insgesamt ist selbsthemmend, d.h. er lässt sich nicht durch Druck gegen das Ausgangselement 22 in seine Ausgangsstellung zurückbewegen, sondern nur durch Drehantrieb mit dem Elektromotor 14. Dadurch bleibt eine aufgebrachte Bremskraft auch bei unbestromtem Elektromotor 14 bestehen. Die Reibungsbremse 1 ist deswegen außer als Betriebsbremse auch als Park- und Feststellbremse verwendbar.
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Eine Verschleißnachstellung der Reibungsbremse 1 erfolgt, indem die Sperrklinke 33 außer Eingriff von der Verzahnung 34 des Gehäuses 5 des Aktuators 4 gebracht wird, so dass das Gehäuse 4 im Bremssattel 2 drehbar ist. Es erfolgt ein Drehantrieb der Spindel 8 mit dem Elektromotor 14. Zusammen mit einer Reibung des Keilmechanismus 30 und des Spreizmechanismus 31 ist eine Reibung der Spindel 8 im Gehäuse 5 größer als die Reibung des Gehäuses 5 im Bremssattel 2, so dass der Elektromotor 14 bei entriegeltem und drehbarem Gehäuse 5 dieses drehend antreibt. Das Gehäuse 5 und damit der Aktuator 4 verschieben sich durch den Drehantrieb des Gehäuses 5 axial im Bremssattel 2, weil das Gehäuse 5 mit seinem Zustellgewinde 7 in das Gegengewinde des Bremssattels 2 geschraubt ist. Die Drehung des Gehäuses 5 wird mit dem Drehsensor 32 gemessen. Nach Abschluss der Verschleißnachstellung wird der Elektromagnet 35 ausgeschaltet, so dass die Sperrklinke 33 federbeaufschlagt wieder in Eingriff mit der Verzahnung 34 des Gehäuses 5 gelangt und das Gehäuse 5 drehfest hält.
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Ist die Mechanik im Aktuator 4 blockiert, lässt sich die Reibungsbremse 1 nach Entriegeln der Sperrklinke 33 mit dem Elektromotor 14 lösen. Bei Ausfall des Elektromotors 14 ist ein Lösen der Reibungsbremse 1 möglich, indem die Sperrklinke 33 außer Eingriff gebracht wird, so dass das Gehäuse 5 im Bremssattel 2 drehbar ist. Eine Spannkraft, mit der die Reibbremsbeläge 36, 37 bei betätigter Reibungsbremse 1 an der Bremsscheibe 3 anliegen, baut sich ab, so dass die Reibbremsbeläge 36, 37 nur noch mit einer niedrigen Restkraft an der Bremsscheibe 3 anliegen. Voraussetzung dafür ist eine nicht selbsthemmende Ausbildung des Zustellgewindes 7, also eine ausreichend große Steigung des Zustellgewindes 7.
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Ist der Keilmechanismus 30 oder der Spreizmechanismus 31 blockiert, lassen sich der Aktuator 4 und die Reibungsbremse 1 mit dem Elektromotor 14 nach Rückziehen der Sperrklinke 33 aus der Verzahnung 34 betätigen. Der Elektromotor 14 treibt über sein Ritzel 13 und die Verzahnung 12 das Gehäuse 5 des Aktuators 4 drehend an, das sich durch die Drehung im Zustellgewinde 7 im Bremssattel 2 axial verschiebt. Dadurch sind die Reibbremsbeläge 36, 37 an die Bremsscheibe 3 andrückbar und von ihr lösbar. Die Spannkraft, mit der die Reibbremsbeläge 36, 37 gegen die Bremsscheibe 3 drückbar sind, ist bei dieser Art der Bremsbetätigung niedriger als bei der vorgesehenen Bremsbetätigung mit funktionierendem Keilmechanismus 30 und Spreizmechanismus 31.