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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Radbremse für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektromechanische Radbremsen sind in vielfältigen Varianten im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die
DE 10 2010 040 426 A1 eine elektromechanische Radbremse mit einem Bremssattelgehäuse und einem in dem Bremssattelgehäuse entlang einer Zuspannrichtung verschiebbaren Druckkolben. Die Radbremse weist dabei eine angetriebene Gewindespindel und eine auf der Gewindespindel angeordnete und um die Längsachse der Gewindespindel drehfest gelagerte Spindelmutter auf. Die Spindelmutter ist wiederum an dem Druckkolben angeordnet, wobei sich die Gewindespindel entgegen der Zuspannrichtung in axialer Richtung an einem Wälzlager abstützt, das sich wiederum an dem Bremssattelgehäuse abstützt.
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Über das Wälzlager wird die Gewindespindel entgegen einer Kraft abgestützt, die infolge einer Beaufschlagung des Druckkolbens mit einer Spannkraft in Zuspannrichtung der Bremse auf die Gewindespindel wirkt. Folglich wird die gesamte Spannkraft der Radbremse ausschließlich über das Axiallager abgestützt, womit dem Axiallager eine sehr Bedeutung hinsichtlich Lebensdauer und Wirkungsgrad der Radbremse zukommt.
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Bei im Stand der Technik bekannten Anordnungen besteht das Wälzlager üblicherweise aus einer Reihe von Wälzkörpern, die auf einer Kreisbahn angeordnet sind. Insbesondere bei Wälzkörpern, die eine sich in radialer Richtung des Wälzlagers erstreckende Kontaktfläche aufweisen, entsteht zwischen den Kontaktpunkten der Kontaktfläche, die sich radial innen befinden und den Kontaktpunkten der Kontaktfläche, die sich radial außen im Axiallager befinden, eine Geschwindigkeitsdifferenz. Da jedoch die Wälzkörper mit derselben Umlauffrequenz in dem Axiallager umlaufen, entsteht aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen inneren und äußeren Kontaktpunkten eine Schlupfbewegung an den Wälzkörpern, die den Wirkungsgrad des Axiallagers verschlechtert.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde einer elektromechanische Radbremse anzugeben, die die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere ein Axiallager mit einem verbesserten Wirkungsgrad beinhaltet.
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Diese Aufgabe wird mit der Radbremse gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Radbremse für ein Kraftfahrzeug mit einem Bremssattelgehäuse und einem in dem Bremssattelgehäuse entlang einer Zuspannrichtung verschiebbaren Druckkolben. Die Radbremse weist einen elektromotorischen Antrieb und eine von dem Antrieb angetriebene Gewindespindel auf, wobei auf der Gewindespindel eine um die Längsachse der Gewindespindel drehfest gelagerte Spindelmutter angeordnet ist. Die Spindelmutter ist dabei an dem Druckkolben angeordnet ist, und die Gewindespindel stützt sich entgegen der Zuspannrichtung in axialer Richtung an einem Wälzlager ab, wobei sich das Wälzlager an dem Bremssattelgehäuse abstützt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Wälzlager wenigstens zwei ringförmige Anordnungen von Wälzkörpern aufweist, wobei eine äußere ringförmige Anordnung aus Wälzkörpern einen größeren Durchmesser hat, als eine innere ringförmige Anordnung aus Wälzkörpern.
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Die Verwendung eines mehrreihigen, insbesondere zweireihigen Axiallagers hat dabei den Vorteil, dass die axial wirkende Kraft auf einer größeren Fläche abgestützt werden kann. Gleichzeitig können sich die beiden ringförmigen Anordnungen aus Wälzkörpern unabhängig voneinander bewegen, sodass insbesondere die Umfanggeschwindigkeit der Wälzkörper mit steigendem Abstand der entsprechenden ringförmigen Anordnung vom Zentrum des Axiallagers zunehmen kann. Auf diese Weise können Reibungsverluste und Verschleiß aufgrund von Schlupf der Wälzkörper vermieden werden, sodass ein effizienter und langlebiger Betrieb der Radbremse erzielt werden kann.
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Bei der Radbremse kann es sich insbesondere um eine Schwimmsattelbremse handeln, sodass infolge eines Zuspannens der Radbremse, also einer Bewegung des Druckkolbens in Richtung einer Bremsscheibe zunächst ein auf dem Druckkolben angeordneter Reibbelag in Kontakt mit der Bremsscheibe gebracht wird. Wird der Druckkolben dann weiterhin mit einer Kraft in Zuspannrichtung beaufschlagt, wird durch eine Verschiebung des schwimmend gelagerten Sattelteils entgegen der Zuspannrichtung ein zweiter Reibbelag in Kontakt mit der Bremsscheibe gebracht, sodass die Bremsscheibe zwischen den Reibbelägen eingespannt ist und folglich mit einem Bremsmoment beaufschlagt werden kann.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei ferner vorgesehen, dass an der Gewindespindel eine Axiallagerscheibe angeordnet ist, wobei sich die Gewindespindel über die Axiallagerscheibe in axialer Richtung an dem Wälzlager abstützt.
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Die Axiallagerscheibe ist dabei bevorzugt konzentrisch mit der Gewindespindel angeordnet. Insbesondere kann die Axiallagerscheibe über einen Formschluss an der Gewindespindel gegen eine Rotation der Axiallagerscheibe relativ zur Gewindespindel gesichert sein. Die Verwendung einer solchen Axiallagerscheibe erlaubt es beispielsweise, ein Material für die Axiallagerscheibe und mithin zur Kraftübertragung auf das Axiallager zu verwenden, das sich vom Material der Gewindespindel unterscheidet. Ferner kann insbesondere die konkrete Bauform der Axiallagerscheibe besser an die Erfordernisse einer optimierten Kraftübertragung auf das Axiallager angepasst werden, als dies bei einer direkten Kraftübertragung von der Gewindespindel auf das Axiallager der Fall wäre.
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Der Wirkungsgrad der Radbremse kann nach einer weiteren Ausgestaltung ferner dadurch verbessert werden, dass die Wälzkörper der inneren ringförmigen Anordnung einen kleineren oder größeren Durchmesser in Zuspannrichtung aufweisen als die Wälzkörper der äußeren ringförmigen Anordnung. Bevorzugt sind dabei dir Wälzkörper der inneren ringförmigen Anordnung in ihrem Durchmesser kleiner als die Wälzkörper der äußeren ringförmigen Anordnung.
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In diesem Fall steht bei geringen abzustützenden Kräften in axialer Richtung der Gewindespindel die Gewindespindel oder nach einer entsprechenden Ausgestaltung die Axiallagerscheibe nur mit einer ringförmigen Anordnung aus Wälzkörpern in Kontakt. Folglich ist bei geringen abzustützenden Kräften die Reibung des Wälzlagers reduziert. Mit einer Zunahme der abzustützenden Kraft in axialer Richtung kann sich dabei eine zunehmende Verformung der Kontaktflächen zwischen Gewindespindel und Wälzkörpern bzw. Axiallagerscheibe und Wälzkörpern einstellen. Diese Verformung endet bevorzugt erst, wenn die Kontaktflächen zwischen Gewindespindel und Wälzkörpern bzw. Axiallagerscheibe und Wälzkörpern auf allen ringförmigen Anordnungen aus Wälzkörpern aufliegt. Auf diese Weise werden hohe Zuspannkräfte ab einer gewissen Schwelle durch mehrere Reihen von Wälzkörpern abgestützt, sodass die abzustützende Kraft von einer größeren Zahl von Wälzkörpern aufgenommen werden kann, bzw. die Tragzahl des Lagers zunimmt.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass es sich bei dem Wälzlager um ein Nadellager handelt.
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Bei Ausgestaltung des Wälzlagers als Nadellager ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass die Wälzkörper des Nadellagers in ihrem Querschnitt senkrecht zur Zuspannrichtung tonnenförmig ausgebildet sind. Unter einen „Tonnenform“ ist dabei eine zylinderähnliche Form zu verstehen, bei der jeweils die Übergänge zwischen Deckelfläche der Zylinderform und Mantelfläche der Zylinderform abgerundet sind.
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Eine Tonnenform der Wälzkörper hat dabei den Vorteil, dass auch bei einer Verkippung der Kontaktfläche zwischen Gewindespindel und Wälzkörper relativ zur Bewegungsebene der Wälzkörper ein hinreichend großer Kontaktbereich zwischen den Wälzkörpern und der Gewindespindel bzw. der Axiallagerscheibe verbleibt, sodass eine sichere und verschleißarme Kraftübertragung möglich wird.
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Gleichzeitig ist auch im Betrieb mit geringer abzustützender Zuspannkraft der Kontaktbereich zwischen den Wälzkörpern und der Gewindespindel bzw. der Axiallagerscheibe nicht zu groß, sodass keine unnötig großen Reibungsverluste entstehen. Idealerweise ist die Tonnenform dabei so angepasst, dass für jede auftretende Zuspannkraft und mithin jede entsprechende Verkippung der Kontaktfläche stets ein vergleichbar großer Kontaktbereich zwischen den Wälzkörpern und der Gewindespindel bzw. der Axiallagerscheibe besteht.
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Die Montage des Axiallagers in der Radbremse bzw. in dem Bremssattelgehäuse wird dabei nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch vereinfacht, dass das Axiallager in einem Lagertopf angeordnet ist, wobei der Lagertopf am Bremssattelgehäuse angeordnet ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass die Wälzkörper der äußeren ringförmigen Anordnung und die Wälzkörper der inneren ringförmigen Anordnung jeweils in einem Wälzkörperkäfig angeordnet sind, der dazu ausgebildet ist, die Wälzkörper entlang der jeweiligen ringförmigen Anordnung äquidistant zu halten, wobei der Wälzkörperkäfig der inneren ringförmigen Anordnung unabhängig von dem Wälzkörperkäfig der äußeren ringförmigen Anordnung um die Rotationsachse des Wälzlagers rotieren kann. So können sich für die ringförmigen Anordnungen aus Wälzkörpern unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten einstellen, die der Position der Anordnungen in radialer Richtung des Wälzlagers entsprechen, was Schlupf der Wälzkörper und mithin einen ineffizienten Betrieb der Reibungsbremse vermeidet.
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Der Wirkungsgrad der Radbremse kann nach einer weiteren Ausgestaltung ferner dadurch verbessert werden, dass die Gewindespindel mit der Spindelmutter einen Kugel-Gewindetrieb ausbildet.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 perspektivische Darstellungen einer beispielhaften Radbremse,
- 2 eine Schnittansicht eines Teilbereichs einer beispielhaften Radbremse,
- 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften zweireihigen Nadellagers,
- 4 eine schematische Darstellung der in der Radbremse nach 2 wirkenden Kräfte und
- 5 eine schematische Darstellung der in dem zweireihigen Nadellager der 3 wirkenden Kräfte.
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Im Folgenden werden einander ähnliche oder identische Merkmale mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt zwei perspektivische Darstellungen einer beispielhaften Radbremse 100. Dabei handelt es sich um eine elektromechanisch betätigte Schwimmsattelbremse, mit einem feststehenden Bremssattelhalter 102 und einem in dem Bremssattelhalter 102 verschiebbar gelagerten Bremssattelgehäuse 104. Die Radbremse weist ferner einen Elektromotor 106 auf, der über ein Getriebe 108 mit einem in dem Bremssattelgehäuse 104 Rotations-Translations-Getriebe verbunden ist, das eine durch den Elektromotor 106 angetriebene Rotation einer Antriebswelle in eine Translation eines in dem Bremssattelgehäuse 104 entlang einer Zuspannrichtung 114 verschiebbar gelagerten Druckkolbens 110 umsetzt. Auf dem Druckkolben 110 ist dabei ein erster Reibbelag 112 angeordnet, der bei einer Verschiebung des Druckkolbens in Zuspannrichtung 114 zunächst mit einer Bremsscheibe 116 in Kontakt gebracht wird.
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Bei einer weiteren Beaufschlagung des Druckkolbens 110 mit einer Kraft in Zuspannrichtung 114 wird anschließend ein zweiter Reibbelag 118 entgegen der Zuspannrichtung 114, also in Richtung der Bremsscheibe 116 verschoben, bis auch der zweite Reibbelag 118 auf der Bremsscheibe 116 aufliegt. Wird ab diesem Punkt der Druckkolben 110 durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 106 weiterhin mit einer Kraft in Zuspannrichtung 114 beaufschlagt, werden die Reibbeläge 112 und 118 mit einer entsprechenden Spannkraft auf die Bremsscheibe 116 gepresst und bewirken somit ein Bremsmoment, das eine Rotation der Bremsscheibe 116 verzögert. Die dabei auf die Bremsscheibe 116 wirkende Spannkraft muss im Wesentlichen durch die Lagerung des Druckkolbens 110 in dem Bremssattelgehäuse 104 und das den Druckkolben 110 antreibende Rotations-Translations-Getriebe abgestützt werden.
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Hierzu ist in der 2 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt, wie der Druckkolben 110 innerhalb des Bremssattelgehäuses 104 geführt ist und wie sich der Druckkolben 110 an dem Rotations-Translations-Getriebe abstützt. Das Rotations-Translations-Getriebe 120 wird dabei durch eine Gewindespindel 122 und eine auf der Gewindespindel angeordnete Spindelmutter 124 gebildet. Die Gewindespindel 122 ist dabei über das Getriebe 108 mit einer Antriebswelle des Elektromotors 106 so verbunden, dass durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors 106 die Gewindespindel 122 mit einem Drehmoment um ihre Längsachse L beaufschlagt werden kann.
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Die Spindelmutter 124 ist in dem Druckkolben 110 angeordnet und durch den Druckkolben 110 bzw. die Befestigung in dem Druckkolben 110 gegen eine Drehung um die Längsachse L der Gewindespindel 122 gesichert. Folglich führt eine Rotation der Gewindespindel 122 um ihre Längsachse L zu einer Translation der Spindelmutter 124 und mithin des Druckkolbens 110 entlang der Gewindespindel 122 und mithin in oder entgegen der Zuspannrichtung 114 der Radbremse 100. Bevorzugt bildet dabei die Gewindespindel 122 mit der Spindelmutter 124 einen reibungsarmen Kugelgewindetrieb aus.
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Das beschriebene Rotations-Translations-Getriebe 120 bewirkt demnach eine Umsetzung eines auf die Gewindespindel 122 wirkenden Drehmoments in eine auf die Spindelmutter 124 und mithin den Druckkolben 110 wirkende Kraft entlang der Gewindespindel 122. Diese Kraft wird in der dargestellten Ausführung der Radbremse 100 dadurch abgestützt, dass um die Gewindespindel 122 ein Axiallager 126 in einem Lagertopf 128 angeordnet ist, an dem sich die Gewindespindel 122 in Axialrichtung abstützt. Das Axiallager 126 ist dabei als Nadellager ausgebildet, wobei an der Gewindespindel 122 eine Axiallagerscheibe 130 zur Übertragung der Kraft von der Gewindespindel 122 auf das Axiallager 126 angeordnet ist. Dabei ist die Axiallagerscheibe 130 bevorzugt formschlüssig mit der Gewindespindel 122 verbunden.
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Der Lagertopf 128 ist wiederum an dem, hier nur schematisch angedeuteten, Bremssattelgehäuse 104 entgegen der Zuspannrichtung 114 abgestützt.
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In der 2 ist ferner ein vergrößerter Teilausschnitt dargestellt, der im Wesentlichen die Lagerung der Gewindespindel 122 über die Axiallagerscheibe 130 an dem Axiallager 126 zeigt. Dabei ist gut erkennbar, dass das Axiallager 126 zwei Reihen von nadel- bzw. zylinderförmigen Wälzkörpern 132 aufweist. Im Folgenden wird nun mit Bezug auf die 3 der konkrete Aufbau des Axiallagers 126 erläutert.
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Dabei zeigt die 3 a) eine Draufsicht auf das Axiallager 126, während die 3 b) eine seitliche Schnittansicht des Axiallagers 126 in der Rotationsebene der Wälzkörper 132 zeigt. Wie in der 3 a) gut erkennbar ist, weist das Axiallager zwei ringförmige Anordnungen 134 und 136 von Wälzkörpern 132 auf. Dabei laufen die Wälzkörper 132 einer inneren ringförmigen Anordnung 134 auf einer Kreisbahn mit einem kleineren Durchmesser als die Wälzkörper 132 einer äußeren ringförmigen Anordnung 136.
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Da die Umlauffrequenz beider Anordnungen 134 und 136 im Wirkbetrieb der Radbremse 100 gleich ist, stellen sich je nach Abstand der Wälzkörper 132 von der Mittelachse 138 des Axiallagers 126 unterschiedliche Bahngeschwindigkeiten und mithin unterschiedliche Abrollgeschwindigkeiten der Wälzkörper 132 ein. Durch die Aufteilung der Wälzkörper auf zwei unabhängige Anordnungen 134 und 136 wird dabei ein Schlupf der Wälzkörper 132 aufgrund dieser unterschiedlichen Abrollgeschwindigkeiten reduziert, da die Wälzkörper 132 mit der für ihren Abstand von der Mittelachse L des Wälzlagers 126 passenden Geschwindigkeit abrollen können. Dabei sind die Wälzkörper 132 der äußeren Anordnung 136 in einem ersten Wälzkörperkäfig angeordnet, der sich unabhängig von einem zweiten Wälzkörperkäfig bewegen kann, in dem die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 angeordnet sind.
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Die 3 b) zeigt nochmals die zweireihige Anordnung der Wälzkörper 132 in einer seitlichen Schnittansicht. Dabei wird auch deutlich, dass die Wälzkörper 132 der inneren ringförmigen Anordnung 134 in Zuspannrichtung 114, also entlang der Rotationsachse L einen kleineren Durchmesser aufweisen, als die Wälzkörper 132 der äußeren ringförmigen Anordnung 136. Zudem weisen die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 und der äußeren Anordnung 136 jeweils eine Tonnenform auf. Das bedeutet, dass die Wälzkörper 132 in ihrer Geometrie insoweit von einer Zylinderform abweichen, dass die Übergänge von den seitlichen Mantelflächen 138 zu den Deckelflächen 140 abgerundet sind. Dabei kann je nach Ausgestaltung eben diese Abrundung auch so gestaltet sein, dass die Mantelflächen 138 in sich leicht nach außen gewölbt sind, also eine nach außen gerichtete Bombierung aufweisen.
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Die Wirkung dieser geometrischen Auslegung der Wälzkörper 132 wird im Folgenden mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. Dabei zeigt die 4 im Wesentlichen nochmals die Ansicht der 2, allerdings mit einer Skizzierung den im Betrieb der Radbremse 100 wirkenden Kräfte. Dabei wird von einem Betriebszustand ausgegangen, in dem der Elektromotor 106 der Radbremse 100 so bestromt wird, dass auf die Gewindespindel 122 ein Drehmoment wirkt, das durch das Rotations-Translations-Getriebe 120 in eine Kraft 142 in Zuspannrichtung 114 umgewandelt wird, die auf den Druckkolben 110 wirkt. Mit eben dieser Kraft 142, die auch als Zuspannkraft bezeichnet wird, wird dann ein auf dem Druckkolben 110 angeordneter Reibbelag 112 auf eine Bremsscheibe 116 gepresst.
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Die dabei wirkende Zuspannkraft 142 muss gleichzeitig auch entgegen der Zuspannrichtung 114 durch eine entsprechende Kraft 144 abgestützt werden. Diese Kraft wirkt zunächst im Wesentlichen auf die Gewindespindel 122 und wird über die Axiallagerscheibe 130 auf das Axiallager 126 übertragen. Innerhalb des Axiallagers 126 wird dann die abzustützende Kraft 144 zu einem Großteil 146 durch die Wälzkörper 132 der äußeren Anordnung 136 auf den Lagertopf 128 und mithin auf das Bremssattelgehäuse 104 übertragen, während nur ein kleinerer Teil 148 der abzustützenden Kraft 144 durch die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 abgestützt wird. Der Grund hierfür wird insbesondere aus der Ansicht der 5 deutlich.
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Die 5 zeigt zwei unterschiedliche Belastungszustände des Axiallagers 126 in einer seitlichen Schnittansicht. Dabei wirkt in der Darstellung der 5 a) nur eine geringe abzustützende Kraft 144 auf die Axiallagerscheibe 130 und mithin auf das Axiallager 126. Aufgrund des größeren Durchmessers der Wälzkörper 132 der äußeren Anordnung 136 liegt dabei die Axiallagerscheibe 130 nur auf den Wälzkörpern 132 der äußeren Anordnung 136 auf, während zwischen der Axiallagerscheibe 130 und den Wälzkörpern 132 der inneren Anordnung 134 ein Spalt verbleibt, dessen Breite d durch die Differenz der Durchmesser der Wälzkörper 132 gegeben ist. Folglich wird in dieser Situation die gesamte Kraft 144 vollständig durch eine über die Wälzkörper 132 der äußeren Anordnung 136 wirkenden Gegenkraft 146 abgestützt. Die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 tragen dabei nicht zur Gesamtreibung des Wälzlagers 126 bei, sodass bei geringer Belastung die Reibung des Wälzlagers 126 reduziert ist. Vielmehr können die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 bei Betrieb der Radbremse 100 in diesem Zustand spielbehaftet und lastfrei mitlaufen.
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In der in 5 b) dargestellten Situation wirkt nun eine Kraft auf die Axiallagerscheibe 130, die so groß ist, dass sich die Axiallagerscheibe 130 in Richtung der inneren Anordnung 134 durchgebogen wird. Ab einer bestimmten Stärke der abzustützenden Kraft 144 wird demnach ein Teil 148 der abzustützenden Kraft 144 auch durch die Wälzkörper 132 der inneren Anordnung 134 abgestützt, da sich situativ ab einer bestimmten abzustützenden Kraft 144 die Tragzahl des Axiallagers 126 erhöht. Dabei ermöglicht die Tonnenform der Wälzkörper 132 eine bessere Auflage der Axiallagerscheibe 130 auf dem Axiallager, da auch bei nicht horizontaler Ausrichtung der Axiallagerscheibe 130 eine entsprechend ausgerichtete Kontaktfläche zu den Wälzkörpern 132 zur Verfügung steht. Gleichzeitig wird durch eine Bombierung der Mantelflächen 138 der Wälzkörper 132 die Reibung der Wälzkörper 132 reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040426 A1 [0002]
