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Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung für ein selbstfahrendes Fahrzeug, aufweisend ein erstes und ein zweites Bremselement, ein Sperrmittel und einen Aktuator. Die Erfindung betrifft ferner ein Bremsverfahren, ein Antriebs- oder Radmodul und ein selbstfahrendes Fahrzeug.
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Selbstfahrende Fahrzeuge, wie sie beispielsweise in industriellen Anwendungen in Form von Agrarrobotern oder Flurförderfahrzeugen eingesetzt werden, weisen in der Regel eine hohe Antriebsübersetzung zwischen Rad und Elektromotor auf, so dass sich alleine durch die Kraftwirkung des Motors ein beträchtliches Bremsmoment erzielen lässt. Da die Fahrzeuge, bzw. deren Nutzlast, jedoch üblicherweise eine hohe Massenträgheit aufweisen und beispielsweise auch auf einer geneigten Fahrbahn vollständig zum Stillstand gebracht werden müssen, ist zusätzlich zu der Bremswirkung des Motors eine mechanische Bremse notwendig. Hierzu verfügen die Fahrzeuge über reibschlüssige Bremsen wie beispielsweise Scheibenbremsen, deren Bremsmoment sich durch Aktuatoren modulieren lässt. Gegebenenfalls sind darüber hinaus Parksperren nötig, die das Fahrzeug im Stillstand gegen Wegrollen absichern.
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Aus dem Stand der Technik sind in diesem Zusammenhang Federspeicher- oder Magnetbremsen bekannt, die so entworfen sind, dass sie ohne Strombeaufschlagung geschlossen sind und im Fahrbetrieb durch Stromfluss offen gehalten werden. Dieses Konzept entspricht dem Fail-Safe-Prinzip, das bei selbstfahrenden Fahrzeugen aus Sicherheitsgründen von großer Wichtigkeit ist. Diese Bremsen können direkt am Rad oder - falls vorhanden - auch vor dem Getriebe auf der Motorseite angeordnet sein. In diesem Fall kann die Bremse kleiner dimensioniert werden und weist einen geringeren Energiebedarf auf. Jedoch sind diese Einheiten in der Herstellung relativ kostenintensiv und erhöhen durch die erforderlichen Halteströme den Energieverbrauch während des Fahrzeugbetriebs.
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Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine vereinfachte und kostengünstige Bremsvorrichtung für ein selbstfahrendes Fahrzeug zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bremsvorrichtung für ein selbstfahrendes Fahrzeug, aufweisend ein erstes und ein zweites Bremselement, ein Sperrmittel und einen Aktuator, wobei zwischen den beiden Bremselementen ein Kopplungsmittel angeordnet ist, wobei das erste Bremselement fest mit einer Fahrzeugwelle des Fahrzeugs verbunden ist und über das Kopplungsmittel elastisch an das zweite Bremselement gekoppelt ist, wobei der Aktuator dazu konfiguriert ist, das Sperrmittel von einer Freigabestellung in eine Sperrstellung zu überführen und das zweite Bremselement dazu konfiguriert ist, in der Freigabestellung des Sperrmittels mit dem ersten Bremselement und der Fahrzeugwelle mitzudrehen, wobei das Sperrmittel in der Sperrstellung derart in einem formschlüssigen Eingriff mit dem zweiten Bremselement steht, dass eine Drehung des zweiten Bremselements blockiert ist und durch eine elastische Deformation des Kopplungsmittels ein abbremsendes Drehmoment auf die Fahrzeugwelle wirkt..
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Das Grundkonzept der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung beruht auf einer endanschlagsgedämpften Formschlusssperre, wobei die Bremsenanordnung direkt an die Antriebs- oder Rotorwelle angreift. Das Kopplungsmittel dient dabei als Feder-/Dämpfungselement, durch das der feste Schlag des Formschlusses abgebremst und gedämpft wird, so dass die Bewegungsenergie durch die elastische Verformung des Kopplungsmittels über einen gewissen Drehwinkel abgebaut werden kann (ähnlich dem Prinzip einer Zweimassenschwungradkupplung). Das zweite Bremselement ist dabei drehbar gegenüber dem ersten Bremselement gelagert, welches wiederum drehfest mit der Fahrzeugwelle verbunden ist. Solange sich das Sperrmittel in der Freigabestellung befindet, rotieren beide Bremselemente durch die Kopplung zunächst mit derselben Geschwindigkeit. Wird das Sperrmittel durch den Aktuator in die Sperrstellung überführt, kommt das zweite Bremselement zum Stillstand, wobei das mit der Welle verbundene erste Bremselement zunächst ein Stück weit weiterrotiert und sich dabei gegenüber dem stehenden zweiten Bremselement verdreht. Durch das Kopplungsmittel wird bei dieser Relativdrehung ein Bremsmoment von dem stehenden auf das rotierende Bremselement und damit auf die Fahrzeugwelle übertragen, so dass das Fahrzeug schließlich zum Stillstand kommt. Auf diese Weise lässt sich durch eine vergleichsweise einfache Anordnung ein effizienter und robuster Bremsmechanismus realisieren, der besonders für passagierlose Fahrzeuge wie autonom fahrende Arbeitsmaschinen, Transportfahrzeuge oder mobile Roboter geeignet ist. Durch die Vereinfachung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Bremsvorrichtungen ergibt sich zwar eine reduzierte Modulier- und Regelbarkeit der Bremswirkung, die jedoch nicht weiter ins Gewicht fällt, da sich bei diesen Fahrzeugen keine der bei der Personenbeförderung bestehenden Komfortanforderungen ergeben.
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Die Fahrzeugwelle rotiert relativ zu einem Fahrzeuggestell und überträgt dadurch insbesondere ein von einem Antriebsmotor erzeugtes Drehmoment auf ein oder mehrere Fahrzeugräder oder auf ein, mit dem Rad oder den Rädern verbundenes Getriebe. Bei dem Antriebsmotor handelt es sich vorzugsweise um einen, mit einer Antriebsbatterie verbundenen Elektromotor. Die Längsrichtung der Fahrzeugwelle entspricht der Richtung der Drehachse und wird im Folgenden als Axialrichtung bezeichnet. Das erste und das zweite Bremselement sind vorzugsweise jeweils als eine konzentrisch um die Fahrzeugwelle angeordnete Scheibe, insbesondere eine Kreisscheibe, ausgebildet und sind insbesondere bezüglich der Axialrichtung nebeneinander angeordnet. Vorzugsweise stehen die beiden Bremselemente, beispielsweise an ihren Seitenflächen, in mechanischem Kontakt, wobei die Seitenflächen bei einer Relativdrehung aneinander gleiten. Das erste Bremselement kann beispielsweise kraft- oder formschlüssig mit der Fahrzeugwelle oder einer an der Fahrzeugwelle angeordneten Nabe verbunden sein. Das zweite Bremselement kann in seinem Mittelpunkt eine Öffnung aufweisen, das von der Fahrzeugwelle durchragt wird, ohne dass die Welle dabei in mechanischem Kontakt mit dem zweiten Bremselement steht. Die Bremselemente sind relativ zueinander drehbar gelagert, wobei die elastische Kopplung ein rückstellendes Drehmoment der Relativdrehung bewirkt. Vorzugsweise sind mindestens zwei, drei, vier oder mehr Kopplungsmittel zwischen den Bremselementen angeordnet, die insbesondere bezüglich der Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sein können. Sofern sich die Beschreibungen im Folgenden auf ein einzelnes Kopplungsmittel beziehen, übertragen sich die entsprechenden Gestaltungsmöglichkeiten analog auf eine Mehrzahl von Kopplungsmitteln. Insbesondere kann es sich bei dem Kopplungsmittel um eine Feder, beispielsweise eine Dreh- oder Torsionsfeder handeln oder das Kopplungsmittel weist eine solche Feder auf. Das Kopplungsmittel kann auch eine oder mehrere Druckfedern oder auch verformbare Körper aus einem Elastomer wie z.B. Gummi aufweisen, die die beiden Bremselemente in Umfangsrichtung gegeneinander abstützen. Vorzugsweise ist das Kopplungsmittel derart am ersten und/oder am zweiten Bremselement angeordnet, dass es quer zur Deformationsrichtung in Reibungskontakt mit einem oder beiden Bremselementen steht. Das Kopplungsmittel kann insbesondere von der Fahrzeugwelle in radialer Richtung beabstandet sein und im Falle mehrerer Kopplungsmittel können die Kopplungsmittel beispielsweise gleichen Abstand zur Fahrzeugwelle aufweisen. Die Deformationsrichtung des Kopplungsmittels ist vorzugsweise in Umfangrichtung orientiert, so dass eine elastische Deformation des Kopplungsmittels eine Kraft in Umfangsrichtung erzeugt und auf diese Weise ein Drehmoment zwischen den Bremselementen wirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sperrmittel eine fest mit einem Fahrzeuggestell verbundene Klinke und/oder das zweite Bremselement umfasst ein Zahnrad mit einer Außenverzahnung, in die das Sperrmittel in der Sperrstellung eingreift, wobei die Außenverzahnung und/oder die Klinke vorzugsweise sichernd ausgebildet sind. Insbesondere ist die Klinke drehbar an einer gestellfesten Klinkenlagerung angeordnet und weist einen als Klinkenzahn ausgebildeten Sperrer auf. Das Zahnrad ist insbesondere fest mit dem zweiten Bremselement verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet. Vorzugsweise sind die Zahnlücken des Zahnrads breiter ausgebildet als der Klinkenzahn, um auch bei höheren Drehzahlen einen sicheren Eingriff zu gewährleisten. Die Außenverzahnung und/oder der Klinkenzahn sind vorzugsweise sichernd ausgebildet und weisen insbesondere einen Hinterschnitt auf, so dass die der Formschluss zwischen Klinke und Außenverzahnung nicht aufgehoben werden kann, solange das erste Bremselement nicht zum Stillstand gekommen ist. Vorzugsweise sind der Klinkenzahn und/oder die Außenverzahnung so gestaltet, dass eine Drehung des zweiten Bremselements bezüglich beider Drehrichtungen blockiert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und zweite Bremselement jeweils mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, insbesondere als Durchgangsöffnungen ausgebildete Ausnehmungen aufweisen, wobei in jeder der Ausnehmungen ein Kopplungsmittel derart angeordnet ist, dass durch eine relative Drehung zwischen den beiden Bremselementen eine erste Stirnfläche des Kopplungsmittels mit dem ersten Bremselement in Kontakt bringbar ist und eine zweite Stirnfläche des Kopplungsmittels mit dem zweiten Bremselement in Kontakt bringbar ist. Insbesondere kann auf diese Weise durch die Bremselemente eine Kraft auf die Stirnflächen des Kopplungsmittels ausgeübt werden, so dass sich dieses elastisch verformt und ein, der Relativdrehung entgegengesetzt gerichtetes Drehmoment zwischen den beiden Bremselementen erzeugt. Insbesondere sind die Stirnflächen mit einer Innenfläche der Ausnehmung des jeweiligen Bremselements in Kontakt bringbar. Vorzugsweise weisen alle Ausnehmungen eine identische Form auf. Insbesondere können sich die Ausnehmungen bezüglich der Umfangrichtung über gleich große und gleichmäßig zueinander beabstandete Winkelbereiche erstrecken und/oder in Radialrichtung eine konstante Ausdehnung aufweisen. Die Ausnehmungen des ersten Bremselements können durch die identische Gestaltung mit den Ausnehmungen des zweiten Bremselements in Deckung gebracht werden. Bei einer relativen Drehung der Bremselemente werden die Ausnehmungen außer Deckung gebracht, wobei sich bezüglich der Umfangsrichtung ein Abstand zwischen einer Innenfläche der Ausnehmung des ersten Bremselements und einer Innenfläche der Ausnehmung des zweiten Bremselements verringert und das Kopplungsmittel durch die beiden Innenflächen in Umfangrichtung zusammengepresst wird. Die Kopplungsmittel sind in den Ausnehmungen insbesondere so angeordnet, dass sie sich in Axialrichtung jeweils über die gesamte Dicke der Bremselemente erstrecken und mit ihren in Umfangrichtung weisenden Stirnflächen sowohl mit einer Innenfläche der Ausnehmung des ersten Bremselements, als auch mit einer Innenfläche der Ausnehmung des zweiten Bremselements in Kontakt bringbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Kopplungsmittel ein erstes und zweites Teilelement auf, wobei zwischen den beiden Teilelementen eine Feder angeordnet ist und das erste Teilelement eine Stirnfläche aufweist, die durch eine Kompression der Feder mit einer Stirnfläche des zweiten Teilelements in Kontakt bringbar ist. Insbesondere ist zwischen den, einander zugewandten Enden des ersten und zweiten Teilelements eine Feder angeordnet, deren Federkraft bei einer Kompression des Kopplungsmittels die beiden Teilelemente auseinanderdrückt. An dem, dem jeweils anderen Teilelement zugewandten Ende weist jedes der beiden Teilelemente vorzugsweise zwei Schenkel auf, zwischen denen die Feder angeordnet ist. Die Stirnflächen der Schenkel des ersten Teilelements liegen dabei den Stirnflächen der Schenkel des zweiten Teilelements so gegenüber, dass sie bei einer starken Kompression der Feder in mechanischen Kontakt kommen und damit eine maximale elastische Deformation des Kopplungsmittels festlegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen das erste und/oder das zweite Bremselement ein Führungsmittel auf, wobei das Kopplungsmittel in Umfangsrichtung relativ zum ersten/oder zweiten Bremselement bewegbar und durch das Führungsmittel geführt ist. Insbesondere sind das Kopplungsmittel und das Führungsmittel derart komplementär ausgestaltet, dass das Kopplungsmittel spielfrei am Führungsmittel gleiten kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Führungsmittel um einen Stift oder Vorsprung handeln, der von einer Ausnehmung des Kopplungsmittels aufgenommen ist. Das Führungsmittel kann auch aus zwei Stiften oder Vorsprüngen bestehen, die von, an entgegengesetzten Enden des Kopplungsmittels angeordneten Ausnehmungen aufgenommen werden. Bei einer Ausgestaltung, bei der das Kopplungsmittel zwei Teilelemente aufweist, kann insbesondere jedes Teilelement eine Ausnehmung zur Aufnahme des Führungsmittels aufweisen. Insbesondere ist das Kopplungsmittel auf diese Weise in der oben beschriebenen Ausnehmungen bewegbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Aktuator ein bistabiler Hubmagnet und/oder das Sperrmittel ist gegen das zweite Bremselement vorgespannt, wobei der Aktuator und/oder das Sperrmittel insbesondere derart ausgebildet ist, dass der Aktuator und/oder das Sperrmittel in der Freigabestellung und in der Sperrstellung selbsthemmend arretiert. Insbesondere ist der Hubmagnet so ausgebildet, dass das Sperrmittel durch eine Bestromung des Hubmagneten zwischen der Freigabe- und der Sperrstellung bewegt werden kann und nach der Überführung auch ohne Bestromung des Hubmagneten in der jeweiligen Stellung verbleibt. Die Vorspannung kann beispielsweise durch eine Feder erzeugt werden, die insbesondere die Klinke in der Sperrstellung in eine Zahnlücke der Außenverzahnung drückt. Bei Zahn-auf-Zahn-Stellung wird die Feder komprimiert, so dass die Klinke in die Verzahnung eingreifen kann, sobald der Klinkenzahn durch die Rotation des Zahnrads auf eine Zahnlücke trifft. Somit kann der Aktor sehr einfach gestaltet werden, da er prinzipiell nur zwei Stellungen anfahren muss und der Vorschub des Aktuators auf diese Weise keine zusätzliche Sensorik oder Regelung benötigt. Vorzugsweise wird das Sperrmittel stromlos über die Feder in die Sperrstellung gedrückt, wobei der Aktuator zur Überführung in die Freigabestellung insbesondere aufbringen muss, die größer ist als die Federkraft der Feder. Im Fahrbetrieb öffnet der Aktuator gegen die Feder das Sperrmittel vom Eingriff in das zweite Bremselement. Durch die Selbsthemmung des Aktuators und/oder des Sperrmittels ist sowohl während des regulären Fahrbetriebs des Fahrzeugs (Sperrmittel in Freigabestellung) als auch während des Stillstands (Sperrmittel in Sperrstellung) keine Energie notwendig, um die Bremse im jeweiligen Zustand zu halten. Die erfindungsgemäße Bremsenanordnung kann damit auch als Parksperre dienen, da das Rad durch die Selbsthemmung stromlos im gesperrten Zustand verbleibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Bremsvorrichtung zusätzlich eine Reibbremse auf, wobei die Reibbremse durch einen weiteren Aktuator in Reibungskontakt mit dem ersten oder dem zweiten Bremselement bringbar ist, wobei die Reibbremse insbesondere einen Bremsklotz oder zwei Bremsbacken aufweist. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Bremsvorrichtung also aus einer Parallelschaltung der zusätzlichen Reibbremse und der, durch das Sperrmittel und die beiden Bremselemente gebildeten, endanschlagsgedämpften Formschlusssperre. Vorzugsweise ist die Reibbremse dazu konfiguriert, ein variables Bremsmoment auf das erste oder zweite Bremselement auszuüben. Die Reibbremse wird durch einen weiteren Aktuator, insbesondere einen Hubmagnet, aktuiert, wobei der Bremsklotz oder die Bremsbacken axial oder radial auf das erste oder zweite Bremselement einwirken. Dabei können eine oder mehrere Reibungsflächen der Reibbremse in Kontakt mit der Umfangsfläche oder der Seitenfläche des ersten, bzw. zweiten Bremselements gebracht werden. Als Aktuator kommt, je nach erforderlicher Bremskraft, ein Hubmagnet oder auch ein Getriebetrieb in Frage.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reibbremse eine Scheren-Bremshebelanordnung mit zwei Bremsbacken aufweist, die einen radialen Randbereich des ersten oder des zweiten Bremselements umgreifen, wobei die Scheren-Bremshebelanordnung insbesondere ein wälzgelagertes Rollensystem aufweist, das auf einer Rampenkontur der Scheren-Bremshebelanordnung abrollbar ist. Die Bremskraft der Scheren-Hebelanordnung wird dabei insbesondere entweder über den Aktuator oder über vorgespannte Federn aufgebracht. Wird die Bremskraft über Federn erzeugt, muss der weitere Aktuator die Reibbremse im Fahrbetrieb gegen die Federkraft offen halten. Wird die Bremskraft aktiv über die Bestromung des weiteren Aktuator erzeugt, so kann die Bremskraft insbesondere dosiert moduliert werden. Durch die Rampenkontur kann die aufgebrachte Bremskraft entsprechend verstärkt werden. Als Kraftübertragungsglied dient ein wälzgelagertes Rollensystem, wobei einem Bremshebel mindestens eine Rolle zugeordnet ist. Vorzugsweise weist die Scheren-Bremshebelanordnung zwei Rampenkonturen auf, wobei jedem der beiden Bremshebel jeweils eine Rolle zugeordnet ist, die auf einer der beiden Rampenkonturen abrollt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Bremsverfahren für ein selbstfahrendes Fahrzeug, wobei das Fahrzeug einen Antriebsmotor und eine Bremsvorrichtung mit einer Reibkupplung, einem Sperrmittel und einem Aktuator aufweist, wobei ein erstes Bremselement der Reibkupplung fest mit einer Fahrzeugwelle des Fahrzeugs verbunden ist und sich mit einem zweiten Bremselement der Reibkupplung in Reibungskontakt befindet, wobei sich das Sperrmittel zu Beginn des Verfahrens in einer Freigabestellung befindet und das zweite Bremselement sich mit dem ersten Bremselement und der Fahrzeugwelle mitdreht, wobei der Aktuator das Sperrmittel von der Freigabestellung in eine Sperrstellung überführt und das Sperrmittel dabei derart in einen formschlüssigen Eingriff mit dem zweiten Bremselement bringt, dass eine Drehung des zweiten Bremselements blockiert wird und durch ein Reibmoment zwischen den beiden Bremselementen ein abbremsendes Drehmoment auf die Fahrzeugwelle übertragen wird. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung dazu konfiguriert, das erfindungsgemäße Bremsverfahren auszuführen. Insbesondere wird das Verfahren vollständig automatisiert durchgeführt, beispielsweise indem der Aktuator durch eine Kontrolleinheit des Fahrzeugs gesteuert wird. Alle in Bezug auf die Bremsvorrichtung beschriebenen Ausgestaltungen und Vorteile übertragen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bremsverfahrens wird durch den Antriebsmotor ein zusätzliches abbremsendes Drehmoment auf die Fahrzeugwelle übertragen und parallel dazu das Sperrmittel von der Freigabestellung in die Sperrstellung überführt. Insbesondere wird hierzu der Antriebsmotor generatorisch betrieben und die dabei gewonnene elektrische Energie in die Energiespeichereinheit eingespeist. Der Bremsvorgang erfolgt dabei dadurch, dass zunächst das (maximal mögliche) Bremsmoment des Antriebsmotors auf die Fahrzeugwelle wirkt. Zusätzlich wird das Sperrmittel aktiviert, so dass durch die Reibkupplung ein mechanisch erzeugtes Bremsmoment auf die Fahrzeugwelle ausgeübt wird. Auf diese Weise wird die Fahrzeugwelle solange abgebremst, bis das Fahrzeug zum Stillstand kommt bzw. der Aktuator das Sperrmittel wieder freigibt, so dass dieses aufgrund der abweisenden Zahngeometrie ausspurt und die Reibkupplung als Block mit dem Rad frei umlaufen kann.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist Antriebs- oder Radmodul für ein selbstfahrendes Fahrzeug, aufweisend eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung. Vorzugsweise umfasst das Antriebsmodul neben der Bremsvorrichtung eine Fahrzeugwelle, einen Antriebsmotor und besonders bevorzugt ein Getriebe. Das Radmodul umfasst vorzugsweise neben der Bremsvorrichtung eine Fahrzeugwelle, einen Antriebsmotor, mindestens ein Rad und besonders bevorzugt ein Getriebe. Das Radmodul kann dabei insbesondere eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsmoduls umfassen. Das Radmodul kann zusätzlich ein weiteres Antriebsmodul aufweisen, über das das Drehmoment für die Lenkbewegungen des Rads erzeugt wird. Das weitere Antriebsmodul kann insbesondere baugleich zum Antriebsmodul ausgeführt sein.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein selbstfahrendes Fahrzeug, aufweisend eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung. Insbesondere kann das Fahrzeug mindestens eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsmoduls oder des erfindungsgemäßen Radmoduls aufweisen. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um eine autonom fahrende Arbeitsmaschine, ein Förderfahrzeug, insbesondere ein Flurförderfahrzeug, oder einen mobilen Roboter, insbesondere einen Agrarroboter handeln.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radmoduls;
- 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebsmoduls in einem Längsschnitt;
- 3 zeigt eine Ansicht auf die Bremsvorrichtung des Antriebmoduls;
- 4 zeigt verschiedene Schnittdarstellungen der Bremsvorrichtung;
- 5 zeigt das Antriebmodul in einer Schnittdarstellung;
- 6 zeigt die Scheren-Bremshebelanordnung des Antriebmoduls.
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In 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radmoduls 40 abgebildet. Das Radmodul 40 ist hier mit einer Platte verbunden, die stellvertretend für das selbstfahrende Fahrzeug steht. Das Radmodul 40 weist ein, mit einem Rad 42 verbundenes Antriebsmodul 20 auf, das das Antriebsmoment für das Rad 42 erzeugt und die weiter unten beschriebene Bremsvorrichtung 10 enthält. Das Antriebsmodul 20 weist an seiner, dem Rad 42 abgewandten Seite 41 einen Deckel 41, der in den nachfolgenden Abbildungen nicht mit dargestellt ist, um die im Inneren des Antriebsmoduls 20 angeordneten Elemente sichtbar zu machen. Zusätzlich zu dem, mit dem Rad 42 verbundenen Antriebsmodul 20 weist das Radmodul zusätzlich ein weiteres Antriebsmodul 43 auf, über das das Drehmoment für die Lenkbewegung des Rads 42 erzeugt wird.
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In 2 ist das Antriebsmodul 20 aus 1 in einem Längsschnitt abgebildet. Das Antriebsmodul 20 umfasst einen, als Scheibenläufer ausgebildeten Antriebsmotor 11, der auf die Fahrzeugwelle 6 ein antreibendes Drehmoment ausübt, das wiederum von der Welle 6 auf das, mit einem Rad 42 verbindbare Getriebe 25 übertragen wird. An der Welle 6 ist drehfest das, als Scheibe ausgebildete erste Bremselement 1 angeordnet. Wie nachfolgend genauer beschrieben wird, ist das erste Bremselement 1 an das zweite, ebenfalls als Scheibe ausgebildete zweite Bremselement 2 gekoppelt, das wiederum durch das Sperrmittel 3 blockiert werden kann, so dass ein abbremsendes Drehmoment vom zweiten auf das erste Bremselement 2, 1 und damit auf die Fahrzeugwelle 6 wirkt. Das Antriebsmodul 20 weist neben der Bremsvorrichtung 10 zusätzlich eine Reibbremse 30 auf, die in 6 im Detail dargestellt ist.
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In 3 ist das Antriebsmodul ohne Deckel abgebildet, so dass die verschiedenen Teile der Bremsvorrichtung 10 sichtbar sind. Die Bremsvorrichtung 10 umfasst zwei hintereinander angeordnete, scheibenförmige Bremselemente 1, 2, wobei das erste Bremselement 1 (in der Abbildung hinter dem zweiten Bremselement 2 angeordnet) fest mit der Fahrzeugwelle 6 verbunden ist und mit dem zweiten Bremselement 2 über die Kopplungsmittel 5 elastisch gekoppelt ist. Das zweite Bremselement 2 ist als Zahnrad ausgebildet, das beim Bremsvorgang mit einer gestellfesten, drehbar gelagerten Klinke 3 in Eingriff gebracht wird. Das Zahnrad 2 weist dazu eine Außenverzahnung 12 auf, in die der Klinkenzahn 13 der Klinke 3 in der Sperrstellung formschlüssig eingreift. Die Außenverzahnung 12 und der Klinkenzahn 13 sind dabei sichernd ausgebildet und weisen beide einen Hinterschnitt auf, so dass der sperrende Formschluss nicht aufgehoben werden, solange das erste Bremselement 1 nicht zum Stillstand gekommen ist, bzw. bis das erste Bremselement 1 in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden kann, um den Klinkenzahn 13 aus der Außenverzahnung 12 zu lösen. Die Zähne 12, 13 sind dabei so gestaltet, dass eine Drehung des zweiten Bremselements 2 bezüglich beider Drehrichtungen gesperrt werden kann.
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In der Sperrstellung wird das zweite Bremselement 2 durch den Formschluss zwischen dem Sperrmittel 3 und der Außenverzahnung 12 zum Stillstand gebracht und durch das Kopplungsmittel 5 ein abbremsendes Drehmoment auf das erste Bremselement 1 und damit auf die mit diesem verbundene Welle 6 ausgeübt. Die Kopplungsmittel 5 bestehen jeweils aus zwei Teilelementen 16, 17, die durch eine Feder 15 verbunden sind. In dieser und allen folgenden Figuren sind von den Federn 15 jeweils nur die, mit den Teilelementen 16, 17 verbundenen Endstücke dargestellt, während das Mittelstück der jeweiligen Feder 15 nicht abgebildet ist. Die Bremselemente 1, 2 und die Kopplungsmittel 5 sind in 4 dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
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In 4 sind verschiedene Schnittdarstellungen des ersten und zweiten Bremselements 1, 2 dargestellt. In 4a ist zunächst ein Tangentialschnitt abgebildet, während 4b einen Schnitt durch das erste Bremselement 1 zeigt. 4c zeigt schließlich eine Sicht auf beide Bremselemente 1, 2. Die Bremselemente 1, 2 werden durch kreisförmige Scheiben 1, 2 gebildet, die konzentrisch um die Welle 6 (vgl. 2) angeordnet sind. Die beiden Scheiben 1,2 sind in Axialrichtung hintereinander angeordnet, wobei eine Seitenfläche des ersten Bremselements 1 mit einer Seitenfläche des zweiten Bremselements 2 in mechanischen Kontakt steht. Das erste Bremselement 1 ist fest mit der Nabe 7 verbunden, die wiederum formschlüssig auf die Welle 6 aufgesetzt wird, so dass das erste Bremselement 1 starr mit der Welle 6 verbunden ist und bei deren Drehung mitrotiert. Das zweite Bremselement 2 weist in seinem Mittelpunkt eine Öffnung auf, in der sich die Welle 6 frei dreht, ohne sich mit dem zweiten Bremselement 2 in direktem mechanischen Kontakt zu befinden. Die Welle 6 und das zweite Bremselement 2 sind jedoch über das erste Bremselement 1 und die, zwischen den Bremselementen 1, 2 angeordneten Kopplungsmittel 5 elastisch gekoppelt, so dass über diesen Weg ein Drehmoment zwischen der Welle 6 und dem zweiten Bremselement 2 übertragen wird und das zweite Bremselement 2 im ungesperrten Zustand ebenfalls mit der Welle 6 mitrotiert. Dieser Übertragungsweg wird beim Bremsen in umgekehrter Richtung genutzt, indem die Drehung des zweiten Bremselements 2 blockiert wird und über die Kopplungsmittel 5 ein Bremsmoment auf das erste Bremselement 1 und damit auf die Welle 6 wirkt.
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Jedes der beiden Bremselemente 1, 2 weist drei identisch geformte Ausnehmungen 18, 19 auf, die sich jeweils bezüglich der Umfangrichtung über gleich große und gleichmäßig zueinander beabstandete Winkelbereiche erstrecken und in Radialrichtung eine konstante Ausdehnung aufweisen. Die Ausnehmungen 18 des ersten Bremselements 1 sind bezüglich der Form und Positionierung identisch mit den Ausnehmungen 19 des zweiten Bremselements 2 und sind bei der in 4a dargestellten Konfiguration bezüglich der Axialrichtung in Deckung. Durch eine relative Drehung zwischen den beiden Bremselementen 1, 2 können die Ausnehmungen 18 des ersten Bremselements 1 und die Ausnehmungen 19 des zweiten Bremselements 2 außer Deckung gebracht werden und durch die Innenflächen der Ausnehmungen 18, 19 eine Kraft auf das jeweilige Kopplungsmittel 5 ausgeübt werden. Bei den Kopplungsmitteln 5 handelt es sich jeweils um zwei, durch eine Feder 15 miteinander verbundene Teilelemente 16, 17, wobei in jeder der drei Ausnehmungen 18, 19 jeweils ein Kopplungsmittel 5 angeordnet ist. Die Kopplungsmittel 5 sind in den Ausnehmungen so angeordnet, dass sie sich in Axialrichtung jeweils über die gesamte Dicke der Scheiben 1, 2 erstrecken und mit ihren in Umfangrichtung weisenden Stirnflächen 21, 22 sowohl mit einer Innenfläche der Ausnehmung 18 des ersten Bremselements 1, als auch mit einer Innenfläche der Ausnehmung 19 des zweiten Bremselements 2 in Kontakt gebracht werden können. Zwischen den, einander zugewandten Enden des ersten und zweiten Teilelements 16, 17 ist eine Feder angeordnet, deren Federkraft bei einer Kompression des Kopplungsmittels 5 die beiden Teilelemente 16, 17 auseinanderdrückt. An dem, dem jeweils anderen Teilelement 16, 17 zugewandten Ende weist jedes der beiden Teilelemente 16, 17 zwei Schenkel auf, zwischen denen die Feder 15 angeordnet ist. Die Stirnflächen 23 der Schenkel des ersten Teilelements 16 liegen denen des zweiten Teilelements 17 so gegenüber, dass sie bei einer starken Kompression der Feder 15 in mechanischen Kontakt kommen und damit eine maximale elastische Deformation des Kopplungsmittels 5 festlegen. Zusätzlich weist jedes Teilelement 16, 17 in der nach außen gerichteten Stirnfläche 21, 22 eine Ausnehmung auf, die einen stiftförmigen Vorsprung 24 des ersten und/oder des zweiten Bremselements 1, 2 aufnimmt, der als Führung für die Teilelemente 16, 17 dient, um ein störungsfreies Gleiten der Kopplungsmittel 5 in Umfangrichtung der Ausnehmungen 18, 19 zu gewährleisten.
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Bei einer relativen Verdrehung der beiden Scheiben 1, 2 geraten die beiden ersten Stirnflächen 21, 22 des Kopplungsmittels 5 in mechanischen Kontakt mit der Innenwand der Ausnehmung 18, 19 und die beiden Teilelemente 16, 17 werden aufeinander zu geschoben, so dass die dazwischen angeordnete Feder 15 zusammengepresst wird. Die beiden Bremselemente 1, 2 sind auf diese Weise bezüglich einer relativen Verdrehung elastisch gekoppelt, so dass in der Sperrstellung ein hemmendes Drehmoment vom stehenden zweiten Bremselement 2 auf das zunächst weiterrotierende erste Bremselement 1 ausgeübt wird. Reicht die Federkraft der Kopplungsmittel 5 nicht aus, um das erste Bremselement vorher zum Stillstand zu bringen, kommen bei einer maximalen Verdrehung die Stirnflächen 23 der Kopplungsmittel 5 in Kontakt, so dass die weitere Drehung des ersten Bremselements 1 blockiert wird.
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In 5 ist das gesamte Antriebsmodul 20 mit Sicht auf den Rastmechanismus und den zugehörigen Aktuator 4 abgebildet. Bei dem Aktuator 4 handelt es sich um einen Hubmagnet 4, der durch eine elektrisch aktivierte Linearbewegung die, um den Punkt 9 drehbar gelagerte Klinke 3 aus dem Eingriffsbereich des Zahnrads 2 herausbewegt. Die Klinke 3 wird durch eine Feder 8 gegen das Zahnrad 2 vorgespannt, so dass der Rastmechanismus ohne einen Stromfluss, d.h. bei einem deaktivierten Hubmagneten 4, in der Sperrstellung gehalten wird. Das Zahnrad 2 ist, wie oben beschrieben, durch das Kopplungselement 5 elastisch an das erste Bremselement 1 gekoppelt, so dass sich bei einer Sperrung des Zahnrads 2 eine abbremsende Wirkung auf das erste Bremselement 1 und die damit verbundene Fahrzeugwelle 6 ergibt. Das Antriebsmodul 20 enthält neben der Bremsvorrichtung 10 zusätzlich eine Reibbremse 30 auf, die nachfolgend näher beschrieben wird.
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In 6 ist die Reibbremse 30 des Antriebmoduls 20 dargestellt. Die Bremswirkung wird durch zwei, den radial außen liegenden Randbereich des zweiten Bremselements 2 umgreifende Bremsbacken 31 einer Scheren-Hebelanordnung 32 ausgeübt, die wiederum durch einen, als Hubmagnet ausgebildeten Aktuator 34 aktiviert werden. Zusätzlich weist die die Scheren-Bremshebelanordnung 32 ein wälzgelagertes Rollensystem 35 auf, das auf einer Rampenkontur 36 der Scheren-Bremshebelanordnung 32 abrollbar ist. Die Bremskraft der Scheren-Hebelanordnung 32 wird durch vorgespannte Federn 33 aufgebracht, wobei der Hubmagnet 34 dabei die Scheren-Hebelanordnung 32 im Fahrbetrieb gegen die Federkraft offen hält. Durch die Rampenkontur 36 kann die Kraft entsprechend verstärkt werden. Als Kraftübertragungsglied dient dabei ein wälzgelagertes Rollensystem 35, wobei einem Bremshebel mindestens eine Rolle 35 zugeordnet ist, die auf der Kontur 36 abrollt. Vorzugsweise weist die Scheren-Bremshebelanordnung 32 zwei Rampenkonturen 36 auf, wobei jedem der beiden Bremshebel jeweils eine Rolle 35 zugeordnet ist, die auf einer der beiden Rampenkonturen 36 abrollt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bremselement
- 2
- zweites Bremselement
- 3
- Sperrmittel, Klinke
- 4
- Aktuator
- 5
- Kopplungsmittel
- 6
- Fahrzeugwelle
- 7
- Nabe
- 8
- Feder des Sperrmittels
- 9
- Lagerungspunkt des Sperrmittels
- 10
- Bremsvorrichtung
- 11
- Antriebsmotor
- 12
- Außenverzahnung
- 13
- Sperrer, Klinkenzahn
- 15
- Feder des Kopplungsmittels
- 16
- erstes Teilelement
- 17
- zweites Teilelement
- 18
- Ausnehmung des ersten Bremselements
- 19
- Ausnehmung des zweiten Bremselements
- 20
- Antriebsmodul
- 21
- erste Stirnfläche des Kopplungsmittels
- 22
- zweite Stirnfläche des Kopplungsmittels
- 23
- einander zugewandte Stirnflächen der Teilelemente
- 24
- stiftförmiger Vorsprung
- 25
- Getriebe
- 30
- Reibbremse
- 31
- Bremsbacken
- 32
- Scheren-Hebelanordnung
- 33
- Feder der Reibbremse
- 34
- weiterer Aktuator
- 35
- wälzgelagertes Rollensystem
- 36
- Rampenkontur
- 40
- Radmodul
- 41
- Deckel des Antriebsmoduls
- 42
- Rad
- 43
- weiteres Antriebsmodul
