-
Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugbremsanlage
mit selbstverstärkenden
elektromechanischen Radbremsen und eine selbstverstärkende elektromechanische
Radbremse für
eine solche Kraftfahrzeugbremsanlage.
-
Selbstverstärkende elektromechanische Radbremsen
an sich sind bekannt, beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
DE 198 19 564 C2 . Eine
elektromechanische Radbremse mit Selbstverstärkung umfasst einen elektrischen
Aktuator, der eine Betätigungskraft
erzeugt und über
eine Selbstverstärkungseinrichtung
auf ein Reibglied überträgt, um das
Reibglied gegen ein drehbares, abzubremsendes Bauteil der Radbremse
zu drücken.
Die Selbstverstärkungseinrichtung
weist ein keilförmiges Element
mit einer Keilfläche
auf, die unter einem Steigungswinkel α angeordnet ist. Eine korrespondierende
reibgliedseitige Keilfläche,
die beispielsweise am Reibbelagträger ausgebildet ist, wirkt
mit der Keilfläche
des Keilelementes zusammen, indem das sich drehende, abzubremsende
Bauteil der Radbremse das Reibglied, welches beim Bremsvorgang gegen
das abzubremsende Bauteil gedrückt
wird, etwas in Drehrichtung mitnimmt, wodurch die beiden Keilflächen sich
relativ zueinander bewegen und das Reibglied noch stärker gegen
das abzubremsende Bauteil der Radbremse gedrückt wird, ohne dass hierzu
eine Erhöhung
der vom Aktuator gelieferten Betätigungskraft
erforderlich ist. Der Steigungswinkel α der Keilflächen kann dabei so gewählt werden, dass
bei normalen Bremsvorgängen
vom Aktuator eine Betätigungskraft
nur anfänglich
aufgebracht werden muss, um das Reibglied gegen das abzubremsende
Bremsenbauteil zu drücken,
und dass im weiteren Verlauf der Bremsung keine oder jedenfalls nur
geringfügige
Aktuatorkräfte
erforderlich sind.
-
Aufgrund der in der Selbstverstärkungseinrichtung
liegenden Besonderheit selbstverstärkender elektromechanischer
Bremsen können
von direkt betätigten
elektromechanischen Radbremsen bekannte Konzepte zur Erzielung einer
Parkbremsfunktion nicht übernommen
werden.
-
Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 100 56 451 A1 ist
eine elektromechanische Scheibenbremse bekannt, die zur Erzielung
einer Selbstverstärkung mit
zwei einander entgegengesetzt schräg zur Bremsscheibe verlaufenden
Abstützungen
für einen Reibbremsbelag
ausgebildet ist. Ein Reibbelagträger kann
mittels eines Kugelgewindetriebes normal zur Bremsscheibenoberfläche hin-
und herbewegt werden. Mittels dieses Kugelgewindetriebes ist es
auch möglich,
den Reibbelag bei stillstehendem Fahrzeug gegen die Bremsscheibe
zu fahren. Jedoch ist es nicht möglich,
den Reibbelagträger
gezielt gegen die eine oder andere Keilfläche vorzuspannen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
einer selbstverstärkende
elektromechanische Radbremsen verwendenden Kraftfahrzeugbremsanlage
eine Parkbremsfunktion bereitzustellen und eine für eine solche
Kraftfahrzeugbremsanlage geeignete selbstverstärkende elektromechanische Radbremse anzugeben.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer
Kraftfahrzeugbremsanlage gelöst,
die die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmaie aufweist.
-
Demnach hat zur Realisierung einer
Parkbremsfunktion die Selbstverstärkungseinrichtung mindestens
einer ersten Radbremse wenigstens eine Keilfläche, die zur Kraftverstärkung bei
Bremsungen in Vorwärtsfahrt
dient, während
die Selbstverstärkungseinrichtung
mindestens einer zweiten Radbremse wenigstens eine Keilfläche hat,
die zur Kraftverstärkung
bei Bremsungen in Rückwärtsfahrt
dient. Der Steigungswinkel der genannten Keilflächen ist derart gewählt, dass
die Radbremsen jedenfalls bei normalerweise vorherrschenden Reibungskoeffizienten
zwischen dem Reibglied und dem abzubremsenden Bauteil der Radbremse
selbsthemmend sind.
-
In der Parkbremsfunktion sind die
Reibglieder der ersten Radbremse unter Benutzung der zur Kraftverstärkung bei
Bremsungen in Vorwärtsfahrt dienenden
Keilfläche
gegen das abzubremsende Bauteil der Radbremse gespannt, und die
Reibglieder der zweiten Radbremse sind unter Benutzung der zur Kraftverstärkung bei
Bremsungen in Rückwärtsfahrt
dienenden Keilfläche
gegen das abzubremsende Bauteil der Radbremse gespannt. Auf diese
Weise ist sichergestellt, dass ein mit der Parkbremsfunktion der
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
gesichertes Fahrzeug sich weder in Vorwärtsrichtung noch in Rückwärtsrichtung
bewegen kann. Eine das Fahrzeug in Vorwärtsrichtung drängende Kraft
würde nämlich eine
selbsttätige
stärkere
Zuspannung der ersten Radbremse zur Folge, während umgekehrt eine das Fahrzeug
in Rückwärtsrichtung drängende Kraft
zu einer stärkeren
Zuspannung der zweiten Radbremse führen würde. Alternativ können bei
Radbremsen mit einem Steigungswinkel der Keilflächen, bei dem sich keine Selbsthemmung
mehr ergibt, die zugehörigen
Reibglieder auch in Richtung des abzubremsenden Bauteils vorgespannt
sein, beispielsweise mittels federnd elastischer Mittel.
-
In der Regel, insbesondere bei zweiachsigen Fahrzeugen,
wird die erste Radbremse eine vordere Radbremse und die zweite Radbremse
eine hintere Radbremse sein. Jedoch können die erste und die zweite
Radbremse auch an ein und derselben Achse eines Fahrzeuges angeordnet
sein, beispielsweise an einer Antriebsachse einer Zugmaschine.
-
Prinzipiell reicht es zur Erzielung
der Parkbremsfunktion bereits aus, wenn jeweils eine erste und eine
zweite Radbremse, die sich vorzugsweise am Fahrzeug diagonal gegenüber liegen,
in der genannten Weise zugespannt sind. Zur Erhöhung der in der Parkbremsstellung
erzielten Bremskraft werden normalerweise jedoch zwei erste Radbremsen
und zwei zweite Radbremsen, vorzugsweise zwei vordere und zwei hintere
Radbremsen, wie beschrieben zugespannt sein. Alternativ ist es auch
möglich,
in der Parkbremsstellung die Radbremsen achsweise so zuzuspannen,
dass die eine Radbremse die zur Kraftverstärkung in Vorwärtsfahrt
und die andere Radbremse die zur Kraftverstärkung in Rückwärtsfahrt dienende Keilfläche in der
Parkbremsfunktion benutzt. Dies setzt allerdings voraus, dass alle
Radbremsen jeweils mit Keilflä chen
sowohl zur Kraftverstärkung
bei Bremsungen in Vorwärtsfahrt
als auch zur Kraftverstärkung
bei Bremsungen in Rückwärtsfahrt
ausgestattet sind. Weist das Kraftfahrzeug mehrere Hinterachsen
auf, können
die Radbremsen von allen Hinterachsen oder nur von einem Teil der
Hinterachsen zur Realisierung der Parkbremsfunktion herangezogen
werden.
-
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass die erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbremsanlage
in erster Linie zur Ausführung
von Betriebsbremsungen gedacht ist, und dass die erfindungsgemäß realisierte
Parkbremsfunktion eine zusätzliche
Funktion der Bremsanlage ist. Da die vorderen Radbremsen bei normalen
Betriebsbremsungen bis zu 80% der Bremskraft aufbringen müssen, können bei
einfachen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
die hinteren Radbremsen so ausgeführt sein, dass sie an Vorwärtsbremsungen
nicht teilnehmen, d.h. jede hintere Radbremse weist nur eine Keilfläche auf,
die zur Kraftverstärkung
bei Bremsungen in Rückwärtsfahrt dient.
-
Da bei Rückwärtsfahrt die Maximalgeschwindigkeit
eines Fahrzeuges begrenzt ist, können des
weiteren bei einer solchen einfachen Ausführungsform die vorderen Radbremsen
so ausgeführt sein,
dass sie an einer Bremsung eines sich rückwärts bewegenden Fahrzeuges nicht
teilnehmen, d.h. die vorderen Radbremsen weisen nur solche Keilflächen auf,
die zur Kraftverstärkung
bei Bremsungen in Vorwärtsfahrt
dienen.
-
Muss eine Kraftfahrzeugbremsanlage
höhere
Ansprüche
erfüllen,
beispielsweise bei einem Einsatz in schnellen und/oder schweren
Fahrzeugen, dann werden üblicherweise
zumindest die hinteren selbstverstärkenden elektromechanischen
Radbremsen so ausgeführt
sein, dass sie in beiden Fahrtrichtungen bremsen können, d.h.
diese Radbremsen weisen Keilflächen
für Vorwärtsfahrt
und Rückwärtsfahrt
auf. Weil die vorderen Radbremsen aufgrund der im normalen Fahrbetrieb
(Vorwärtsfahrt)
auftretenden dynamischen Achslastverlagerung ohnehin für die Bewältigung
größerer Bremskräfte ausgelegt
sind, ist auch die von einer solchen Bremse entgegen der Keilrichtung,
d.h. in Rückwärtsfahrt
erzeugbare Bremskraft zumeist ausreichend, insbesondere deshalb,
da die bei einer Bremsung in Rückwärtsfahrt
auftretende dynamische Achslastverlagerung die Vorderachse entlastet
und den Aufbau größerer Bremskräfte verhindert.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage erfolgt
zur Erzielung der Parkbremsfunktion zunächst eine weggesteuerte Zuspannung
jeder an der Parkbremsfunktion teilnehmenden Radbremse. Mit dem Begriff "weggesteuerte Zuspannung" ist hier gemeint, dass
zur Erzielung der Parkbremsfunktion jede Radbremse zunächst einen
vorbestimmten Zustellweg durchläuft,
um damit ein gewünschtes
vorgegebenes Maß an
Haltekraft zu erzielen. Der vorbe stimmte Zustellweg darf nicht zu
groß gewählt werden,
um ein zu starkes Zuspannen der Radbremse zu vermeiden, zu dem es
beispielsweise bei einer aufgrund vieler vorhergehender Betriebsbremsungen
sehr heissen Bremse kommen könnte.
-
Auf die weggesteuerte Zuspannung
jeder Radbremse folgt eine als "kraftlose" Nachführung bezeichnete
weitere Betätigung
des Aktuators der Bremse mit nur geringer Kraft, um im Anschluss
an die Zuspannung der Bremse ein gewisses Betätigungsspiel bezüglich des
Keils der Selbstverstärkungseinrichtung
wieder herzustellen, das es dem Keil ermöglicht, bei auf das Fahrzeug
wirkenden äußeren Kräften, die
das Fahrzeug zu verschieben trachten, die Radbremse noch fester
zuzuspannen. Der Begriff "kraftlos" meint hier eine
im Vergleich zur zuvor stattfindenden Zuspannung vernachlässigbar geringe
Kraft.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage erfolgt
die weggesteuerte Zuspannung über
einen vorbestimmten Zustellweg bis zu einer vorbestimmten Zuspannkraft
und wird dann beendet, wenn entweder der vorbestimmte Zustellweg
oder die vorbestimmte Zuspannkraft erreicht ist. Damit wird sicher verhindert,
dass eine durch den vorhergehenden Betrieb sehr heiße Radbremse
zu fest zugespannt wird. Weil sich bei einer heißen Radbremse die zum Bremsvorgang
beitragenden Bauteile ausdehnen, würde eine ausschließlich weggesteuerte
Zuspannung zu einer deutlich zu hohen Zuspannkraft führen.
-
Die zusätzliche Überwachung der beim Zuspannvorgang
erreichten Zuspannkraft verhindert dies, indem der Zuspannvorgang
abgebrochen wird, wenn die vorbestimmte Zuspannkraft erreicht ist, auch
wenn der vorbestimmte Zustellweg noch nicht durchlaufen worden ist.
Bei einer solchen Ausführungsform
erfolgt die kraftlose Nachführung
des Aktuators der Bremse nur dann, wenn der vorbestimmte Zustellweg
erreicht worden ist. Ist der Zuspannvorgang durch Erreichen der
vorbestimmten Zuspannkraft abgebrochen worden, kann mit einer "kraftlosen" Nachführung des
Aktuators nämlich
kein Betätigungsspiel
am Keil wiederhergestellt werden.
-
Die zuvor erwähnte, vorbestimmte Zuspannkraft
ist vorteilhaft ein Bruchteil der maximalen Aktuatorkraft, sie beträgt beispielsweise
30% der maximal vom Aktuator erzeugbaren Kraft.
-
Zur Erhaltung der Parkbremsfunktion
erfolgt vorteilhaft nach einer vorbestimmten Zeitspanne und/oder
in Abhängigkeit
der Temperatur von für
die Zuspannung relevanten Bremsenbauteilen eine weitere Zuspannung
der Radbremse bis zu einer vorbestimmten Zuspannkraft, die dieselbe
wie die zuvor erwähnte
vorbestimmte Zuspannkraft sein kann. Die vorbestimmte Zeitspanne
wird beispielsweise so ge wählt,
dass eine zunächst
heisse Bremse abkühlen kann
und die kraftgesteuerte Zuspannung dann quasi ein Nachspannen bewirkt.
-
Alternativ oder zusätzlich kann
die kraftgesteuerte Zuspannung temperaturabhängig erfolgen, beispielsweise
in Abhängigkeit
der Temperatur einer Bremsscheibe, eines Bremssattels oder ähnlicher, für die Zuspannung
der Bremse relevanter Bremsenbauteile. Da eine zunächst eingestellte
Zuspannkraft mit sinkender Temperatur der Bremse abnimmt, ist auf
diese Weise gewährleistet,
dass eine gewünschte
Haltekraft auch über
lange Zeiträume
sicher aufrechterhalten wird. Die weitere Zuspannung der Radbremse
kann einen oder auch mehrere Zuspannvorgänge umfassen.
-
Es wurde bereits erwähnt, dass
bei einer selbstverstärkenden
elektromechanischen Radbremse äußere auf
das Fahrzeug wirkende Kräfte
in der Parkbremsstellung eine selbsttätige weitere Zuspannung der
Radbremse bewirken können.
Dies ist möglich,
weil die zur Selbstverstärkung
verwendete Keilanordnung, auf die der Aktuator der Bremse wirkt,
ein gewisses Spiel zwischen dem Betätigungselement des Aktuators
und dem Keil aufweist, auf den das Betätigungselement des Aktuators
einwirkt. Eine selbsttätige
weitere Zuspannung der Radbremse in Parkbremsstellung kann deshalb
so weit erfolgen, bis das erwähnte
Spiel aufgebraucht ist. Um nach dem Einwirken äußerer Kräfte auf ein mittels der Parkbremsfunktion
der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
gesichertes Fahrzeug wieder einen Zustand herzustellen, in dem eine
weitere selbsttätige
Zuspannung der Radbremsen aufgrund äußerer Kräfte möglich ist, erfolgt gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung eine kraftlose Nachführung des Aktuators jeder an
der Parkbremsfunktion teilnehmenden Radbremse dann, wenn das zwischen
dem Aktuator und dem Keil vorhandene Spiel in Feststellrichtung
aufgebraucht ist. Die kraftlose Nachführung soll also nur das erwähnte Spiel
wieder herstellen, nicht jedoch eine zusätzliche Feststellkraft aufbringen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
erfolgt an Steigungen eine Aktivierung der Parkbremsfunktion automatisch
nach Erreichen des Fahrzeugstillstandes aus einer Vorwärtsfahrt.
Auf diese Weise wird ein ungewolltes Zurückrollen des Fahrzeuges weitgehend
verhindert. Damit die Kraftfahrzeugbremsanlage erkennen kann, ob
das Fahrzeug eine Steigung hinauf fährt, kann entweder ein geeigneter
Sensor vorgesehen sein, beispielsweise ein Neigungssensor, oder
es kann die Information eines anderen Fahrzeugssystems ausgenutzt
werden, das einen Sensor umfasst, der Neigungen des Fahrzeugs erkennen
kann. Beispielsweise sind moderne Diebstahlwarnanlagen häufig mit
einem Neigungssensor ausgerüstet.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der soeben erwähnten
Ausführungsform
erfolgt die Aktivierung der Parkbremsfunktion erst, wenn die Betriebsbremse
gelöst
wird. Dem liegt die Überlegung
zugrunde, dass ein Zurückrollen
des Fahrzeuges nicht auftreten kann, solange die Betriebsbremse
betätigt ist,
so dass durch diese Ausgestaltung unnötige Aktivierungen der Parkbremsfunktion
vermieden werden. Gemäß einer
noch weitergebildeten Ausgestaltung erfolgt die Aktivierung der
Parkbremsfunktion erst eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Lösen der Betriebsbremse.
Auf diese Weise soll ermöglicht
werden, dass der Fahrer eines Fahrzeugs nach dem erreichten Fahrzeugstillstand
einen normalen Anfahrvorgang ausführen kann, etwa durch Einlegen
des ersten Gangs und anschließendes
Einkuppeln, ohne dass die Parkbremsfunktion schon aktiviert wird.
Erst nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die beispielsweise so gewählt sein
kann, dass ein normaler Anfahrvorgang abgeschlossen sein muss, erfolgt
gegebenenfalls, d.h. wenn das Fahrzeug zurückrollt, die Aktivierung der
Parkbremsfunktion. Ein länger
andauerndes, ungewolltes Zurückrollen
des Fahrzeuges wird so verhindert.
-
Zusätzlich zum Auslösen der
Parkbremsfunktion nach Erreichen des Fahrzeugstillstandes aus einer
Vorwärtsfahrt
kann bei abgewandelten Ausführungsformen
der zuvor beschriebenen Kraftfahrzeugbremsanlage auch eine Aktivierung
der Parkbremsfunktion automatisch nach Erreichen des Fahrzeugstillstandes
aus einer Rückwärtsfahrt
erfolgen. Damit ein gewolltes Rückwärtsfahren
möglich ist,
erfolgt diese automatische Aktivierung der Parkbremsfunktion vorzugsweise
nur dann, wenn kein Gang des Fahrzeuggetriebes eingelegt ist. Mit "Gang" sind hier insbesondere
der Rückwärtsgang und/oder
der erste Gang gemeint.
-
Gemäß einer weiteren Abwandlung
der zuvor diskutierten Kraftfahrzeugbremsanlage, bei der die Aktivierung
der Parkbremsfunktion an Steigungen automatisch zumindest nach Erreichen
des Fahrzeugstillstandes aus einer Vorwärtsfahrt erfolgt, erfolgt diese
Aktivierung ferner nur dann, wenn ein vorbestimmtes Reibmoment in
Rückwärtsrollrichtung überschritten
ist. Zu einer automatischen Aktivierung der Parkbremsfunktion kommt
es demnach nur dann, wenn trotz betätigter Betriebsbremse ein Zurückrollen
des Fahrzeuges auftritt. Es wird dann angenommen, dass ein solches
Zurückrollen
ungewollt stattfindet, und die dann zur Wirkung kommende Parkbremsfunktion
verhindert ein weiteres Zurückrollen. Das
Reibmoment in Rückwärtsrollrichtung
kann beispielsweise mit Hilfe von Sensoren ermittelt werden, die
an der selbstverstärkenden
elektromechanischen Radbremse zur Reibmomentregelung während einer Betriebsbremsung
ohnehin vorhanden sind.
-
Alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
sind vorzugsweise so ausgestaltet, dass eine Aktivierung der Parkbremsfunktion
automatisch mit dem Abstellen des Kraftfahrzeugmotors erfolgt. Ausgegangen
wird hierbei von der Überlegung,
dass nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugmotors keine Bewegung des
Fahrzeuges mehr erwünscht
ist. Für
besondere Situationen, beispielsweise um das Schieben, oder Abschleppen
eines defekten Fahrzeuges zu ermöglichen,
ist dann vorzugsweise ein Schalter vorhanden, der die Aufhebung
der automatischen Aktivierung bewirkt.
-
Die vorliegende Erfindung stellt
auch eine elektromechanische Radbremse zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbremsanlage
bereit, die einen elektrischen Aktuator zur Erzeugung einer Betätigungskraft
und eine Selbstverstärkungseinrichtung
zur Selbstverstärkung
der vom Aktuator erzeugten Betätigungskraft
umfasst, um ein Reibglied gegen ein drehbares, abzubremsendes Bauteil
der Bremse zu drücken,
beispielsweise gegen eine Bremsscheibe. Die Selbstverstärkungseinrichtung
weist einen sich an einem zugehörigen
Widerlager abstützenden
Keil mit wenigstens einer Keilfläche
auf, die unter einem Steigungswinkel angeordnet ist, der so ausgewählt ist,
dass die Radbremse jedenfalls bei normalerweise vorherrschenden
Reibungskoeffizienten zwischen Reibglied und Bremsscheibe selbsthemmend
ist. Der Aktuator hat zwei Antriebe, die so ausgestaltet sind, dass
sie gleich- oder gegensinnig auf den Keil wirken können, um
bei Betriebsbremsungen eine spielfreie Betätigung des Keils zu ermöglichen,
und um ferner in einer Parkbremsstellung der Bremse dem Keil ein
Spiel geben zu können,
das eine selbsttätige
weitere Zuspannung der Radbremse durch äußere auf das Fahrzeug wirkende
Kräfte
ermöglicht.
-
Vorzugsweise ist das oder jedes Reibglied mit
einem Reibbelag versehen, der einen großen Haftwertsprung zwischen
Haft- und Gleitreibung aufweist. Bei herkömmlichen Bremsen ist ein großer Haftwertsprung
zwischen Haft- und Gleitreibung nicht gewünscht, vielmehr soll dieser
Haftwertsprung dort möglichst
klein sein, um einen möglichst
ruckfreien Bremsvorgang bis zum Fahrzeugstillstand zu erreichen.
Bei einer erfindungsgemäßen Radbremse hingegen
ist ein großer
Haftwertsprung insbesondere für
die Parkbremsfunktion vorteilhaft, denn dadurch wird nach dem ersten
wegkontrollierten Zuspannen jeder Radbremse in der Parkfunktion
vermieden, dass bereits kleine äußere auf
das stillstehende Fahrzeug wirkende Kräfte ein "Durchrutschen" der Radbremsen und damit eine Bewegung
des Fahrzeugs verursachen. Des weiteren stellt die im Vergleich
zur Gleitreibung deutlich größere Haftreibung sicher,
dass in der Parkbremsfunktion die selbsttätige weitere Zuspannung der
Radbremsen aufgrund äußerer, auf
das Fahrzeug wirkender Kräfte
erfolgt.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen selbstverstärkenden
elektromechanischen Radbremse ist zum Lösen der Radbremse aus der Parkbremsstellung
unter ungünstigen
Betriebsbedingungen, beispielsweise nach langen Stillstandsperioden,
ein zusätzlicher
separater Antrieb vorhanden. Dieser Antrieb umfasst vorzugsweise
ein untersetzendes Schneckengetriebe, damit der Antrieb klein gehalten
werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind das Schneckengetriebe
und der separate Antrieb Bestandteile einer Nachstelleinrichtung
der Radbremse zum Ausgleich von Reibbelagverschleiß.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremse
wird im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Figuren
näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine
als Scheibenbremse ausgeführte erfindungsgemäße elektromechanische
Bremse von der Seite,
-
2 eine
räumliche
Ansicht der erfindungsgemäßen Bremse
von schräg
unten,
-
3 die
Ansicht aus 2 ohne Nachstellvorrichtung
und Widerlager,
-
4 den
Schnitt II-II aus 1,
-
5 den
Schnitt III-III aus 1,
-
6 den
Schnitt IV-IV aus 4,
-
7 eine
Schnittansicht gemäß 4, die den betätigten Zustand
der erfindungsgemäßen Bremse
bei Vorwärtsfahrt
darstellt,
-
8 die
Schnittansicht aus 7,
nun jedoch für
einen betätigten
Zustand der Bremse bei Rückwärtsfahrt,
-
9 den
Schnitt V-V aus 4,
-
10 die
Schnittansicht aus 4 mit
weitgehend abgenutzten Reibbelägen,
und
-
11 ein
die grundsätzliche
Funktion der erfindungsgemäßen Bremse
illustrierendes Schaubild.
-
Die 1 und 2 zeigen eine als Scheibenbremse
ausgebildete elektromechanische Bremse 10 mit einem Gehäuse 12 und
einer um eine Achse A drehbaren Bremsscheibe 14.
-
Wie besser aus den 3, 4 und 5 ersichtlich, wist die Bremse 10 einen
ersten Reibbelag 16 auf, der mit der Vorderseite eines
als Belagträger
dienenden Keiles 18 fest verbunden ist, beispielsweise durch
Kleben. Auf seiner Rückseite
hat der Keil 18 für jede
Drehrichtung der Bremsscheibe 14 eine Keilfläche 20 bzw. 20', die beide
unter einem Steigungswinkel α zur
Bremsscheibe 15 angeordnet sind und sich an komplementären Keilflächen 21, 21' eines blockförmigen Widerlagers 22 abstützen.
-
Das Widerlager 22 stützt sich über vier
Gewindebolzen 24 an einem Bremssattel 26 (siehe 2 und 5) ab, der die Bremsscheibe 14 überspannt
und einen zur Drehachse A hin gerichteten Arm 28 aufweist.
Der Arm 28 dient zur Abstützung eines zweiten Reibbelages 30,
der in üblicher
Weise auf einer Belagträgerplatte 32 befestigt
ist, die an der der Bremsscheibe 14 zugewandten Innenseite
des Armes 28 anliegt.
-
Die Betätigungskraft der Bremse 10 wird
von einem elektrischen Aktuator erzeugt, der zwei hier als Linearaktuatoren
ausgeführte
Antriebe 34 und 34' umfasst.
Jeder Antrieb 34, 34' umfasst einen Elektromotor 36, 36' und eine von
ihm angetriebene Schubstange 38, 38', die mit dem Keil 18 in
Wirkverbindung steht. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder Elektromotor 36, 36' eine integrierte
Spindelmutter (nicht dargestellt) und die Schubstangen 38, 38' sind jeweils
als mit der Spindelmutter zusammenwirkende Spindel ausgebildet.
Ein ebenfalls nicht dargestellter Drehwinkelgeber in jedem Elektromotor 36, 36' ermöglicht die
Bestimmung der genauen Position der zugehörigen Schubstange 38, 38' basierend auf
den vom Elektromotor 36 oder 36' ausgeführten Umdrehungen und der Steigung
des Spindeltriebes.
-
Der Keil 18 und das Widerlager 22 sind
Teil einer Selbstverstärkungseinrichtung
zur Verstärkung der
von den Antrieben 34, 34' erzeugten Betätigungskraft. Hierzu sind die
freien Enden der Schubstangen 38 und 38' in einer auf
der Rückseite
des Keiles 18 vorhandenen Aufnahme 40 so gelagert, dass
eine Translationsbewegung der Schubstangen 38, 38' zu einer entsprechenden
Verschiebung des Keiles 18 nach links oder rechts führt (siehe 3, 4 und 6).
Zum Betätigen
der Bremse 10 wird also der Keil 18 mit dem an
ihm befestigten Reibbelag 16 in Drehrichtung der Bremsscheibe 14 verschoben
(siehe 7 und 8), und zwar durch eine Translationsbewegung
der beiden Schubstangen 38 und 38'. Dabei stützt sich der Keil 18 über seine
eine Keilfläche 20 oder 20' an der zugehörigen, komplementären Keilfläche 21 oder 21' des Widerlagers 22 ab
und bewegt sich nicht nur nach links oder rechts, sondern auch auf
die Bremsscheibe 14 zu. Sobald der erste Reibbelag 16 in
Kontakt mit der Bremsscheibe 14 kommt, entsteht eine Reaktionskraft,
die von dem Reibbelag 16 über den Keil 18 und
das Widerlager 22 auf den Bremssattel 26 übertragen
wird. Letzterer ist schwimmend auf dem Gehäuse 12 der Bremse 10 gelagert und
wird von der genannten Reaktionskraft solange verschoben, bis sich
der zweite Reibbelag 30 ebenfalls an die Bremsscheibe 14 anlegt
(Schwimmsattelprinzip). Jede weitere translatorische Verschiebung des
Keiles 18 in Betätigungsrichtung
führt nun
zu einem stärkeren
Anpressen der beiden Reibbeläge 16 und 30 an
die Bremsscheibe 14 und damit zum gewünschten Bremsvorgang. Ein Lösen der
Bremse erfolgt durch Rückverschiebung
des Keiles 18 in seine in 4 wiedergegebene
Ausgangsstellung. Zur Reibungsminderung können die Keilflächen 20, 20' und/oder die
Widerlagerflächen 21, 21' beispielsweise
mit Wälzkörpern (nicht
dargestellt) versehen sein. Wie dargestellt, ist die Aufnahme 40 so
ausgebildet, dass der Keil 18 sich in Richtung auf die
Bremsscheibe 14 und von ihr weg bewegen kann, ohne dass
die Schubstangen 38, 38' diese Bewegung mitmachen.
-
Wie 6 erkennen
lässt,
liegen die die freien Enden der Schubstangen 38 und 38' bildenden Köpfe 39 und 39' in Betätigungsrichtung
an entsprechenden Flächen
der Aufnahme 40 an. Die Abmessungen der Schubstangenköpfe 39, 39' sind so gewählt, dass
in der Aufnahme 40 auf der der Betätigungsrichtung abgewandten
Seite jedes Kopfes 39, 39' ein Spiel s vorhanden ist. Dieses
Spiel s ermöglicht
es, nach einer zur Erzielung einer Parkbremsfunktion erfolgten Zuspannung
der Bremse, dass äußere auf
ein Fahrzeug wirkende Kräfte,
die es zu verschieben trachten, eine selbsttätige weitere Zuspannung der
Bremse bewirken, wodurch eine unerwünschte Bewegung des Fahrzeuges
verhindert wird. Bei einer aufgrund auf das Fahrzeug wirkender äußerer Kräfte erfolgenden
selbsttätigen
weiteren Zuspannung wird das Spiel s aufgebraucht, d.h. eine selbsttätige weitere
Zuspannung der Bremse kann nur solange erfolgen, bis die Aufnahme 40 mit
ihren ursprünglich
nicht in Kontakt mit den Köpfen 39 und 39' befindlichen
Flächen
gegen die Köpfe 39, 39' stößt. Das
Spiel s hat sich dann auf die jeweils andere Seite der Köpfe 39, 39' verlagert.
Durch eine praktisch kraftlose Nachführung der Schubstangenköpfe 39 und 39' kann der ursprünglich vorhandene
Zustand wieder hergestellt werden, d.h. das Spiel s auf die in 6 dargestellte Seite der
Köpfe 39, 39' zurückverlagert
werden. Ist auf diese Weise das ursprüngliche Spiel s wieder hergestellt,
steht einer weiteren selbsttätigen
Zuspannung der Bremse nichts mehr im Wege.
-
Die "kraftlose" Nachführung der Schubstangenköpfe 39, 39' oder allgemeiner
ausgedrückt
des elektrischen Aktuators erfolgt im Anschluss an eine weggesteuerte
Zuspannung, die zu Beginn einer Parkbremsfunktion durchgeführt wird,
um die Reibbeläge
an die Bremsscheibe 14 anzulegen und eine gewisse Mindestzuspannkraft
zu erzielen. Weil die Nachführung
mit einer vernachlässigbar
geringen Kraft erfolgt, werden die Schubstangenköpfe 39, 39' nur dann tatsächlich bewegt,
wenn das ursprünglich vorhandene
Spiel s bereits aufgebraucht ist, beispielsweise weil das Fahrzeug
auf einer schrägen Fläche parkt
und die auf das Fahrzeug wirkende Hangabtriebskraft unmittelbar
im Anschluss an die anfänglich
durchgeführte
weggesteuerte Zuspannung zu einer selbsttätigen weiteren Zuspannung der Bremse
geführt
hat. Ist dagegen das ursprüngliche Spiel
s hoch vorhanden, führt
die "kraftlose" Nachführung zu
keiner Änderung
der Verhältnisse
und wird nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne abgebrochen.
-
Damit die Bremse 10 einen
sich abnutzenden Reibbelag 16 ausgleichen kann, ist eine
allgemein mit 42 bezeichnete Nachstelleinrichtung vorhanden (siehe 2). Diese besteht (siehe 4, 5 und 9)
aus einem Motor 44, der eine Schneckenwelle 46 treibt,
die mit vier Zahnrädern 48 in
Eingriff steht. Die Zahnräder 48 sind
im Bremssattel 26 gelagert und weisen jeweils ein Innengewinde
auf, das mit einem zugehörigen
der Gewindebolzen 24 in Eingriff steht, welche mit dem
Widerlager 22 fest verbunden sind (siehe 5). Die Zahnräder 48 fungieren demnach
als Spindelmuttern eines Spindeltriebes, während die Gewindebolzen 24 die
Spindelstangen darstellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Gewindebolzen 24 vorhanden,
von denen aufgrund des unterschiedlichen Drehsinnes der Zahnräder 48 zwei
Gewindebolzen 24 ein Linksgewinde und die anderen beiden
Gewindebolzen 24 ein Rechtsgewinde aufweisen. Mittels des
Motors 44 kann die Nachstelleinrichtung 42 somit
den Abstand des Widerlagers 22 vom Bremssattel 26 vergrößern, d.h, das
Widerlager 22 in Richtung auf die Bremsscheibe 14 bewegen.
Auf diese Weise kann das Lüftspiel
der Bremse 10, d.h. der bei gelöster Bremse vorhandene Abstand
zwischen der Bremsscheibe 14 und der Reibbelagoberfläche, konstant
gehalten werden. Die 10 zeigt
dies in einer Ansicht entsprechend 4,
jedoch mit weitgehend abgenutzten Reibbelägen 16, 30.
-
Üblicherweise
wird die Bremse 10 so ausgeführt sein, dass dann, wenn bei
einer Bremsung ein zu großes
Lüftspiel
erkannt wird, eine Regelung die Nachstelleinrichtung 42 bei
gelöster
Bremse aktiviert, um das Lüftspiel
wieder auf den konstruktiv vorgegebenen Wert zu verkleinern. Die
Nachstelleinrichtung 42 ist vorzugsweise selbsthemmend
ausgebildet, um eine unbeabsichtigte Verstellung des Lüftspieles
zu verhindern.
-
Die hier beschriebene Nachstelleinrichtung 42 stellt
eine Möglichkeit
dar, den Reibbelagverschleiß auszugleichen.
Andere Ausführungsformen der
Bremse 10 können
statt des genannten Elektromotors 44 einen Ultraschallmotor,
ein Schrittschaltwerk, einen Schrittmotor oder einen anderen Antrieb aufweisen.
Auch das Getriebe der Nachstelleinrichtung 42 kann abweichend
ausgeführt
sein, beispielsweise als Harmonikdrive-Getriebe. Des weiteren müssen nicht
wie dargestellt, vier Gewindebolzen 24 vorhanden sein,
sondern es können
mehr oder weniger Gewindebolzen sein und es sind schließlich auch andere
Mittel als Gewindebolzen denkbar, um die beschriebene Relativverschiebung
des Widerlagers 22 zu erreichen.
-
Im folgenden wird die Funktion der
elektromechanischen Bremse 10 und insbesondere der Selbstverstärkungseinrichtung
anhand der 11 näher erläutert. Es
wurde bereits erwähnt,
dass die Selbstverstärkungseinrichtung
für jede
Drehrichtung der Bremsscheibe 14 eine Keilfläche 20 bzw. 20' aufweist, die
sich an einer komplementär
ausgebildeten Fläche 21 bzw. 21' des Widerlagers 22 abstützt. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist jede Keilfläche 20, 20' bezüglich der
Bremsscheibe 14 unter einem wirksamen Keilwinkel α angeordnet.
Dies muß jedoch
nicht so sein, stattdessen kann der wirksame Keilwinkel für die eine
Drehrichtung sich vom wirksamen Keilwinkel für die andere Drehrichtung unterscheiden.
In 11 sind mit Pfeilen
die Kräfte
angegeben, die auf den Keil 18 wirken.
-
Es sind dies
FA die
in den Keil 18 eingeleitete Eingangskraft,
FR die sich bei einer Bremsung ergebende,
vom Widerlager 22 abzustützende Auflagerkraft, die sich
in eine der Eingangskraft FA entgegengesetzte
Kraft FRx und eine senkrecht zur Bremsscheibe
stehende Druckkraft FRy aufteilen läßt,
FN die der Kraft FRy entgegengerichtete
Normalkraft an der Bremsscheibe, und
FF die
am Keil bzw. am Reibglied entstehende Reibkraft.
-
Gemäß diesem Kräftegleichgewicht hängt die
Reibkraft bzw. das Reibmoment an der Bremsscheibe
14 entsprechend
der Beziehung
lediglich vom Steigungswinkel α, dem eine
Störgröße darstellenden
Reibungskoeffizient μ und
der Eingangskraft F
A ab.
-
Die Eingangskraft FA,
die gemäß 11 bei einer Bremsbetätigung auf
den Keil 18 wirkt, wird von den beiden Antrieben 34, 34' erzeugt. Bei
gegebenem Reibungskoeffizienten μ hängt das
Maß der Selbstverstärkung der
eingeleiteten Kraft FA nur vom Steigungswinkel α ab: Im Gleichgewichtszustand, d.h.
wenn der Wert des Reibungskoeffizienten μ gleich dem Tangens des Steigungswinkels α ist, braucht
die Bremse 10 – wenn
der Reibbelag 16 in Kontakt mit der Bremsscheibe 14 ist – zur weiteren Bremsung
keine Eingangskraft FA mehr. Dieser Gleichgewichtszustand
wird deshalb auch als der Punkt der optimalen Selbstverstärkung bezeichnet. Ist μ kleiner
als tan α,
muß eine
Eingangskraft FA vorhanden sein, um eine
Bremsung aufrechtzuerhalten. Ist hingegen μ größer als tan α, läuft die
Bremse von alleine zu, d.h. die Bremskraft verstärkt sich ohne Vorhandensein
einer Eingangskraft FA immer mehr bis zum
Blockieren der Bremse. Soll dieser Blockierzustand vermieden bzw.
eine gewünschte
Bremskraft aufrechterhalten werden, muss eine negative Eingangskraft
FA, d.h. eine in entgegengesetzter Richtung
wirkende Eingangskraft FA auf den Keil 18 aufgebracht
werden.
-
Damit die Eingangskraft FA klein sein kann, ist man bestrebt, die
Bremse 10 in einem Bereich zu betreiben, in dem der Reibungskoeffizient μ zumindest
ungefähr
gleich dem Tangens des Steigungswinkels α ist. In diesem Bereich geringer
Betätigungskräfte arbeiten
die beiden Antriebe 34 und 34' gegeneinander, d.h. die beiden
Antriebe 34, 34' leiten über die
Schubstangen 38, 38' einander
entgegengerichtete Kräfte
in den Keil 18 ein. Die entgegengerichteten Kräfte sind
dabei so bemessen, dass ein Kraftüberschuss in der Richtung resultiert,
in die der Keil 18 bei einer Betätigung verschoben werden soll.
Die beiden von den Antrieben 34, 34' in den Keil 18 eingeleiteten
Kräfte
können
beide Druckkräfte
oder auch beide Zugkräfte
sein, wichtig ist lediglich, dass ein Kraftüberschuss in der gewünschten
Richtung resultiert.
-
Durch das gegensinnige Arbeiten der
beiden Antriebe 34, 34' ist die Betätigung des Keiles 18 spielfrei.
Diese Spielfreiheit ist für
den Betrieb der Bremse 10 im Bereich der optimalen Selbstverstärkung wichtig,
denn in diesem Bereich kann es aufgrund des sich während des
Betriebes der Bremse ändernden
Reibungskoeffizienten μ zu
einem schnellen Wechsel zwischen Zuständen, in denen μ kleiner tan α ist, und
Zuständen
kommen, in denen μ größer tan α ist. Mit
anderen Worten, in dem Bereich um den Punkt der optimalen Selbstverstärkung herum
kann es einen schnellen Wechsel zwischen Zuständen geben, in denen eine positive
Eingangskraft FA gefordert ist, und Zuständen, in
denen eine negative Eingangskraft FA notwendig
ist, um eine bestimmte, gewünschte
Bremskraft aufrechtzuerhalten. Wäre
der Aktuator nicht spielfrei, würde
bei jedem Vorzeichenwechsel der Eingangskraft FA das
im Aktuator vorhandene Spiel durchlaufen werden, was zu undefinierten
Zuständen
und damit zu einer schlechten Regelbarkeit der Bremse führen würde. Die
spielfreie Betätigung
mittels der beiden im Normalfall gegensinnig arbeitenden Antriebe 34, 34' vermeidet dieses Problem
wirkungsvoll.
-
In Betriebszuständen, in denen sich der Wert des
Reibungskoeffizienten μ stark
vom Tangens des Steigungswinkels α unterscheidet,
sind größere Eingangskräfte FA erforderlich, um eine gewünschte Bremswirkung
zu erzielen. In solchen Betriebszuständen arbeiten die beiden Antriebe 34, 34' miteinander,
d.h. sie erzeugen gleichgerichtete Kräfte, indem einer der Antriebe
auf den Keil 18 drückt
und der andere Antrieb am Keil 18 zieht. Damit ein solches gleichsinniges
Wirken der Antriebe möglich
ist, sind beide Antriebe 34, 34' umsteuerbar ausgeführt, d.h. ihre
Betätigungsrichtung
lässt sich
umkehren. Im gleichsinnigen Betrieb der Antriebe 34, 34' arbeitet der
Aktuator der Bremse 10 nicht mehr spielfrei. Dies ist in
der Praxis jedoch vernachlässigbar,
da Betriebszustände,
in denen erhöhte
Eingangskräfte
FA erforderlich sind, nur selten auftreten
und darüber
hinaus in solchen Betriebszuständen
ein eventuelles Überfahren
des Aktuatorspiels tolerierbar ist.
-
Wie bereits kurz angedeutet wurde,
kann sich der Reibungskoeffizient μ in Abhängigkeit der Belastung der
Bremse relativ stark ändern.
Jede Reibwertänderung
während
eines Bremsvorgangs führt
jedoch zu einer Änderung
der Reibkraft FF und somit zu einer sich ändernden
Verzögerung
des abzubremsenden Bauteiles der Bremse, welches vorliegend durch
die Bremsscheibe 14 gebildet ist. Um diese unerwünschten
Reibwertänderungen
auszuregeln, ist die dargestellte Scheibenbremse 10 mit
einer nicht gezeigten Sensorik versehen, die eine ständige Messung
der Reibkraft gestattet. Diese an sich bekannte Sensorik ist mit
einem ebenfalls nicht dargestellten, elektronischen Steuergerät verbunden, das
die erhaltenen Signale auswertet und insbesondere einen Vergleich
zwischen einem vorgegebenen Sollwert der Reibkraft und dem tatsächlichen
Istwert der Reibkraft vornimmt. Entsprechend dieser Auswertung der
Signale werden die Antriebe 34, 34' von dem Steuergerät so angesteuert,
dass durch Verschieben des Keiles 18 in oder entgegen der
Drehrichtung der Bremsscheibe 14 eine Erhöhung oder Erniedrigung
des Istwertes der Reibkraft erreicht wird, um den Reibkraft-Istwert
an den Reibkraft-Sollwert heranzuführen.
-
Die Reibkraftregelung der Bremse 10 wird
im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Positionsregelung des Keiles 18 erreicht. Regelungstechnisch
ist dies vorteilhaft, da zwischen der Keilposition und dem Reibungskoeffizienten μ lediglich
ein linearer Zusammenhang besteht, der sich einfach, schnell, und
zuverlässig
regeln lässt,
beispielsweise mit einer Kaskadenregelung, die einen äußeren Regelkreis
und einen inneren Regelkreis umfasst. Im äußeren Regelkreis ist das (gewünschte)
Bremsmoment die Regelgröße, während die
Keilposition die Stellgröße ist.
Im inneren Regelkreis ist die Keilposition die Regelgröße, während die
Stellgröße der Motorstrom
oder auch die Motorspannung der Elektromotoren 36, 36' der Antriebe 34, 34' ist. Die Position des
Keiles 18 läßt sich
aufgrund der im Normalfall spielfreien Betätigung des Keiles 18 präzise durch die
genannten Drehwinkelgeber bestimmen, die in den Elektromotoren 36, 36' enthalten sind.
-
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Steigungswinkel α über den
Zustellweg der Bremse 10, genauer des Keiles 18,
konstant. Bei nicht dargestellten Ausführungsformen ist der Steigungswinkel α degressiv,
d.h. er nimmt mit fortschreitendem Zustellweg ab.