DE19819564C2 - Elektromechanische Bremse mit Selbstverstärkung - Google Patents
Elektromechanische Bremse mit SelbstverstärkungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische
Bremse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektromechanische Bremsen an sich sind bekannt. Die DE 195 43
098 C2 beschreibt eine als Scheibenbremse ausgebildete, elek
trisch betätigbare Fahrzeugbremse, deren Bremsbeläge mit Hilfe
eines Elektromotors gegen die Bremsscheibe gepreßt werden
können. Der Elektromotor überträgt seine Betätigungskraft über
eine sogenannte Planeten-Wälz-Gewindespindel auf einen axial
verschiebbar gelagerten Kolben, der mit dem Bremsbelag zusam
menwirkt.
Aus der WO 96/03301 A1 ist eine weitere, ebenfalls als Scheiben
bremse ausgebildete, elektrisch betätigbare Fahrzeugbremse
bekannt, deren Bremsbeläge wiederum mittels eines als Aktuator
dienenden Elektromotors an die Bremsscheibe andrückbar sind.
Der Elektromotor umschließt ein Spindelgetriebe und ist in
Verschieberichtung der Bremsbeläge mittels eines Spindelelemen
tes, das von unterschiedlicher Ausführung sein kann, mit einem
auf einen Bremsbelag einwirkenden, axial verschiebbaren Kolben
verbunden. Optional ist in der dieser Druckschrift die Verwen
dung eines zusätzlichen Getriebes zur Drehmoment- und Drehzahl
wandlung vorgesehen. Eine weitere elektrisch betätigbare
Scheibenbremse ist aus der DE 196 29 936 C1 bekannt.
Aus der DE 38 10 012 A1, der DE 33 04 431 A1 und der GB 2 034
834 A sind selbstverstärkende elektrisch betätigbare Scheiben
bremsen bekannt, bei denen aus der Aktuatorkraft nicht auf die
erzeugte Reibkraft zurückgeschlossen werden kann. Keine der in
diesen Dokumenten beschriebenen Bremsen weist eine Reibkraftre
geleinrichtung auf.
Die DE 195 39 012 A1 offenbart eine mechanisch betätigte Fahr
zeugtrommelbremse mit Selbstverstärkung, bei der sich das Maß
der Selbstverstärkung mit zunehmender Abnutzung der Reibbeläge
verändert. Zur Regelung des Maßes der Selbstverstärkung ist ein
elektrischer Stellmotor vorgesehen, der den Abstützpunkt jedes
Bremsbackens verstellen kann.
Ein Hauptproblem herkömmlicher Bremsen mit einem elektrischen
Aktuator liegt in der hohen Aktuatorkraft, die zum Erzielen
einer ausreichenden Bremswirkung aufgebracht werden muß. Die
erforderliche, hohe Aktuatorkraft und der daraus resultierende,
hohe Leistungsbedarf des Aktuators bringt es mit sich, daß als
Antriebsquelle sehr große, drehmomentstarke und damit auch
schwere und teure Antriebseinheiten, die üblicherweise Elektro
motoren sind, eingesetzt werden müssen. Dies hat dazu geführt,
daß elektromechanische Bremsen beispielsweise als Fahrzeugbrem
sen bisher keine Verbreitung gefunden haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromechani
sche Bremse bereitzustellen, deren elektrischer Aktuator eine
gegenüber herkömmlichen Bremsen dieser Bauart erheblich gerin
gere Betätigungskraft aufbringen muß, so daß die erfindungsge
mäße Bremse beispielsweise für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen
oder auch in Schienenfahrzeugen geeignet ist. Die erfindungsge
mäße Bremse soll darüber hinaus ein sehr gutes Regelverhalten
aufweisen, wobei in diesem Zusammenhang insbesondere eine hohe
Dynamik wichtig ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer elektromechanischen
Bremse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß eine Einrichtung zum Verglei
chen eines Sollwertes der Reibkraft mit dem Istwert der Reib
kraft vorhanden ist, die bei einer Abweichung des Istwertes vom
Sollwert den elektrischen Aktuator zum entsprechenden Erhöhen
oder Verringern der erzeugten Betätigungskraft ansteuert und so
den Istwert dem Sollwert der Reibkraft angleicht.
Durch die erfindungsgemäß eingesetzte Selbstverstärkungsanord
nung, die die vom elektrischen Aktuator erzeugte Betätigungs
kraft ohne eine Einleitung von Hilfskräften auf rein
mechanischem Wege verstärkt, ist der Anteil der Aktuatorkraft,
der zum Hervorrufen einer gewünschten Reibkraft erforderlich
ist und der bei herkömmlichen elektromechanischen Bremsen 100%
beträgt, drastisch verringert. Der größte Teil der erforderli
chen Kraft wird erfindungsgemäß von der Selbstverstärkungsan
ordnung aufgebracht, so daß es beispielsweise ohne weiteres
möglich ist, die vom Aktuator zu erzeugende Betätigungskraft im
Normalbetrieb der Bremse auf etwa 2% des bisher üblichen
Wertes zu drücken. Im selben Maße sinkt der Energiebedarf einer
erfindungsgemäßen Bremse. Es können somit deutlich kleinere und
damit leichtere und auch billigere Elektromotoren als Aktuator
eingesetzt werden, die zudem den Vorteil einer gesteigerten
Dynamik aufweisen.
Sogenannte selbstverstärkende Bremsen sind von früher her
insbesondere aus dem Bereich der Trommelbremsen für Kraftfahr
zeuge bekannt. Selbstverstärkende Bremsen haben allerdings den
Nachteil, daß ihr Reibwert mit zunehmender Aktuatorkraft über
proportional zunimmt. Da bei herkömmlichen hydraulischen Brems
systemen die Verteilung der Bremskraft an den einzelnen
Radbremszylindern durch den Druck in den Bremsleitungen und die
Fläche der Hydraulikkolben festgelegt ist, führen die in der
Realität vorhandenen unterschiedlichen Reibwerte zwischen den
Reibbelägen der Bremse und der abzubremsenden Bremsscheibe oder
Bremstrommel beim Einsatz selbstverstärkender Bremsen zwangs
läufig zu stark unterschiedlichen Bremskräften an den einzelnen
Rädern eines Fahrzeugs. Der Fahrzeugführer bemerkt dies durch
ein beim Bremsen schief ziehendes, d. h. seine Fahrtrichtung
ungewollt veränderndes Fahrzeug. Insbesondere auf rutschiger
Fahrbahnoberfläche kann dies dazu führen, daß das betreffende
Fahrzeug ins Schleudern gerät. Selbstverstärkende Bremsen
werden wegen dieser mit ihnen verbundenen Nachteile deshalb
schon seit längerer Zeit im Kraftfahrzeugbereich als Betriebs
bremse nicht mehr eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung überwindet das im Laufe der Zeit
herausgebildete Vorurteil der Fachwelt und macht sich den
Umstand zunutze, daß bei elektromechanischen Bremsen aufgrund
ihres mehrgliedrigen, relativ komplexen Antriebsstranges, der
einen Motor und nachgeschaltete Übertragungselemente ein
schließlich der zugehörigen Lager sowie eventuell zusätzlich
ein Getriebe umfaßt, im allgemeinen eine Sensorik zur Kraft-
bzw. Momentenmessung und/oder zur Positionsmessung vorhanden
ist, um eine gewünschte Bremskraftverteilung zu erreichen.
Diese bereits vorhandene Sensorik kann erfindungsgemäß ohne
Änderungen dazu verwendet werden, den bereits genannten
Soll-/Istwertvergleich bezüglich der Reibkraft durchzuführen,
um bei einer entsprechenden Differenz, die beispielsweise von
einem mit der Sensorik gekoppelten elektronischen Steuergerät
erkannt wird, den elektrischen Aktuator im Sinne einer Anglei
chung des Istwertes an den Sollwert der Reibkraft anzusteuern.
Die Ermittlung des Istwertes der Reibkraft kann dabei in be
kannter Weise durch direkte oder indirekte Messung erfolgen.
Die erfindungsgemäße elektromechanische Bremse ermöglicht es
aufgrund ihres gegenüber herkömmlichen elektromechanischen
Bremsen deutlich verbesserten dynamischen Verhaltens, das aus
den erheblich niedrigeren aufzubringenden Aktuatorkräften
resultiert, den Vorteil einer Selbstverstärkungsanordnung ohne
den bisher damit verbundenen Nachteil zu nutzen, indem Reib
wertschwankungen zwischen einem Reibglied und dem abzubremsen
den Bauteil der Bremse so schnell ausgeregelt werden, daß sie
beispielsweise das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges nicht
nachteilig beeinflussen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bremse
weist die Selbstverstärkungsanordnung wenigstens einen Keil mit
einem Steigungswinkel α auf, der sich gleitend oder rollend an
einem zugehörigen Widerlager abstützt. Gemäß einer Ausführungs
form wird der Steigungswinkel α derart festgelegt, daß eine
mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsan
ordnung eingeleitete Eingangskraft unabhängig von einem sich
ändernden Reibwert zwischen dem Reibglied und dem abzubremsen
den Bauteil bezogen auf die üblicherweise vorherrschende Dreh
richtung des abzubremsenden Bauteiles stets positiv ist. Man
spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Druckkeil, denn
das Maß der Selbstverstärkung ist durch die Wahl des Steigungs
winkels α nur so groß bemessen, daß unabhängig von einem ich
ändernden Reibwert µ in allen Betriebszuständen der Bremse eine
Druckkraft auf den Keil ausgeübt werden muß, um die gewünschte
Reibkraft zu erzielen. Die Druckkraft wird dabei von dem elek
trischen Aktuator aufgebracht. Beim Einsatz einer solchen
Druckkeilanordnung kann der Energiebedarf einer erfindungsgemä
ßen elektromechanischen Bremse je nach Ausführung, d. h. je nach
Wahl des Steigungswinkels α, im Normalbetrieb auf bis zu 2%
und im Fadingbetrieb auf etwa 17% des Energiebedarfes einer
herkömmlichen elektromechanischen Bremse ohne Selbstverstär
kungsanordnung gesenkt werden.
Mit Fadingbetrieb ist hier derjenige Zustand gemeint, in den
eine Bremse gerät, wenn es bei extrem starker Bremskraft durch
temperaturbedingte Ausgasungen der Bremsbeläge zu einem Absin
ken des Reibwertes kommt. Das sogenannte Bremsfading tritt bei
Kraftfahrzeugbremsen insbesondere nach mehrmaligem aufeinander
folgenden Abbremsen aus hoher Geschwindigkeit oder bei längeren
Paßabfahrten im Gebirge auf.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bremse ist der Steigungswinkel α derart gewählt, daß eine
mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsan
ordnung eingeleitete Eingangskraft unabhängig von einem sich
ändernden Reibwert zwischen dem Reibglied und dem abzubremsen
den Bauteil, wiederum bezogen auf die üblicherweise vorherr
schende Drehrichtung des abzubremsenden Bauteiles, stets
negativ ist, wobei bei dieser Ausführungsform der gesamte
Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Aktuator und der
Selbstverstärkungsanordnung in Richtung der negativen Eingangs
kraft vorgespannt ist. Im Gegensatz zur soeben erläuterten
Druckkeilanordnung spricht man bei einer stets negativen Ein
gangskraft von einer Zugkeilanordnung, d. h. es muß auf den Keil
in jedem Betriebszustand der Bremse eine Zugkraft ausgeübt
werden. Erreicht wird dies durch eine entsprechende Wahl des
Steigungswinkels α, der gegenüber einer Druckkeilanordnung
kleiner ist. Der Vorteil einer Zugkeilanordnung liegt in einer
verbesserten Regelbarkeit der Bremse im Normalbetrieb, da die
Bremse sich in diesem Zustand durch den geringeren Verstär
kungsfaktor stabiler verhält. Erkauft wird dieser Vorteil
allerdings durch einen im Verhältnis zur Druckkeilanordnung
relativ hohen Energiebedarf im Normalbetrieb.
Im Fadingbetrieb sinkt bei einer Zugkeilanordnung aufgrund des
durch den absinkenden Reibwert µ ansteigenden Verstärkungsfak
tors die aufzubringende Zugkraft stark ab und es wird in diesem
Zustand somit nur sehr wenig Aktuatorkraft benötigt, um die
erforderliche Reibkraft zu erzeugen.
Sowohl die Druckkeilanordnung als auch die Zugkeilanordnung
haben den Vorteil, daß im gesamten Betriebsbereich der Bremse
ein Lastwechsel im Antriebsstrang ausgeschlossen ist. Bei der
Zugkeilanordnung ist es zur Vermeidung jeglichen Lastwechsels
im Antriebsstrang jedoch zusätzlich notwendig, den Antriebs
strang wie angegeben vorzuspannen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Bremse ist das abzubremsende Bauteil eine Bremsscheibe und die
Selbstverstärkungsanordnung weist einen Trägerring auf, der
parallel und koaxial mit Abstand zur Bremsscheibe angeordnet
ist. Dieser Trägerring ist auf seiner von der Bremsscheibe
abgewandten Seite mit einer Reihe von Keilen versehen, die
jeder eine erste Fläche mit einem Steigungswinkel α zum Ab
stützen an je einem drehbar gelagerten Bolzen definieren.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Bremse sind alle Bolzen in
einem koaxial zum Trägerring angeordneten, ringförmigen Bolzen
träger gelagert, wobei die Drehachsen aller Bolzen rechtwinklig
zur Drehachse der Bremsscheibe ausgerichtet sind und wobei der
Trägerring und der Bolzenträger relativ zueinander um die
Drehachse der Bremsscheibe verdrehbar sind. Durch Verdrehen des
Bolzenträgers und des Trägerringes relativ zueinander laufen
Keile und Bolzen aneinander auf, so daß der axiale Abstand
zwischen dem Trägerring und dem Bolzenträger sich in Abhängig
keit der vorgenommenen Relativverdrehung und des Steigungswin
kels α vergrößert.
In vorteilhafter Weise ist der genannte Trägerring an seinem
Innenumfang durch eine Verzahnung als Hohlrad ausgebildet. Die
Verbindung zwischen dem elektrischen Aktuator und diesem Hohl
rad wird dann bevorzugt durch ein in Eingriff mit der genannten
Verzahnung stehendes Abtriebsritzel hergestellt, das von dem
elektrischen Aktuator antreibbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen, als Schei
benbremse ausgebildeten erfindungsgemäßen Bremse ist der ring
förmige Bolzenträger drehfest angeordnet und der als Hohlrad
ausgebildete Trägerring läßt sich mittels des elektrischen
Aktuators gegenüber dem Bolzenträger um die Drehachse der
Bremsscheibe verdrehen. Alternativ kann aber auch der Träger
ring drehfest und der Bolzenträger verdrehbar ausgebildet sein.
Bei einer einen Trägerring umfassenden erfindungsgemäßen Bremse
sind auf der der Bremsscheibe zugewandten Seite des Trägerrings
vorzugsweise mehrere Reibglieder angeordnet, die mittels der
auf der anderen Seite des Trägerrings vorhandenen Keile axial
gegen die Bremsscheibe gepreßt werden können. Aus thermischen
Gründen sind mehrere, in Umfangsrichtung des Trägerrings mit
Abstand voneinander angeordnete Reibglieder zwar bevorzugt, es
ist jedoch auch möglich, ein einziges durchgehendes, ringförmi
ges Reibglied auf dem Trägerring anzuordnen, falls eine größere
Reibbelagfläche benötigt wird. Die Reibglieder können entweder
unmittelbar mit dem Trägerring verbunden sein, beispielsweise
durch Aufkleben, sie können jedoch auch auf separaten Träger
platten befestigt sein, die dann vorzugsweise leicht auswech
selbar an dem Trägerring anbringbar sind.
Die Höhe jedes auf dem Trägerring vorhandenen Keiles in einer
Richtung senkrecht zum Trägerring entspricht mit Vorteil zumin
dest dem gewünschten Zustellhub der Scheibenbremse, d. h. minde
stens dem maximal zulässigen Verschleiß der Reibglieder
zuzüglich eines Verformungsweges, der an den die Reibglieder
tragenden Bremsenbauteilen bei maximaler Beanspruchung auftre
ten kann. Der Zustellhub kann dann ausschließlich durch die
Keilanordnung aufgebracht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bremse mit einem Trägerring ist in Umfangsrichtung desselben
jeder Keil unmittelbar anschließend an den vorhergehenden Keil
angeordnet. Auf diese Weise sind Leerwege minimiert und es
eröffnet sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, an jedem
Keil eine zweite Fläche zum Abstützen an je einem der drehbar
gelagerten Bolzen vorzusehen, die entgegengesetzt zur ersten
Fläche geneigt ist und einen Steigungswinkel β aufweist, der
vorzugsweise größer als der Steigungswinkel α ist. Während bei
einer solchen Anordnung die Flächen mit dem Steigungswinkel α
beim Abbremsen eines sich in Vorwärtsrichtung bewegenden Fahr
zeuges benutzt werden, sind die unter dem Steigungswinkel β
geneigten zweiten Flächen zum Abbremsen des Fahrzeuges bei
Rückwärtsfahrt gedacht. Ein gegenüber dem Steigungswinkel α
größerer Steigungswinkel β verkürzt in platzsparender Weise die
Baulänge jedes Keiles und ist bei Rückwärtsfahrt nicht von
Nachteil, da die hier benötigte Bremskraft in aller Regel
deutlich unterhalb der für Bremsungen in Vorwärtsfahrt benötig
ten Bremskraft liegt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bremse
ist der elektrische Aktuator ein Elektromotor, es sind jedoch
auch andere Antriebseinheiten möglich.
Ein Ausführungsbeispiel einer als Scheibenbremse ausgestalteten
erfindungsgemäßen elektromechanischen Bremse wird im folgenden
anhand der beigefügten, schematischen Figuren, näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine als Scheibenbremse ausgestaltete, erfindungsgemä
ße elektromechanische Bremse in räumlicher Darstel
lung, und
Fig. 2 ein Diagramm, welches die Kräfte darstellt, die an
Keilen der in Fig. 1 dargestellten Bremse wirken.
Fig. 1 zeigt in räumlicher Darstellung eine Scheibenbremse 10
mit einer hier innenbelüfteten Bremsscheibe 12, die um eine
Achse A drehbar ist.
In einem gewissen axialen Abstand von der Bremsscheibe 12 ist
parallel zu ihr und koaxial zur Achse A ein erster Trägerring
14 angeordnet, auf dessen der Bremsscheibe 12 zugewandten Seite
mehrere Reibglieder 16 befestigt sind, die in einer im folgen
den noch näher erläuterten Weise an die Bremsscheibe 12 anleg
bar sind, um die zum Abbremsen der Bremsscheibe 12 erforderli
che Reibkraft zu erzeugen. Auf der gegenüberliegenden, von der
Bremsscheibe 12 abgewandten Seite des ersten Trägerrings 14
sind eine Reihe von Keilen 18 fest angebracht, von denen jeder
eine erste Fläche 20 mit einem Steigungswinkel α und eine
zweite Fläche 22 mit einem Steigungswinkel β definiert. Bezüg
lich einer Draufsicht auf den ersten Trägerring 14 erstrecken
sich beide Flächen 20, 22 unmittelbar aneinander anschließend
im wesentlichen in Umfangsrichtung des Trägerrings 14. Gemäß
einer abgewandelten, hier nicht dargestellten Ausführungsform
stoßen die beiden Flächen 20, 22 nicht wie in Fig. 1 darge
stellt an einer gemeinsamen Kante 24 aneinander, sondern haben
zwischen sich einen Abschnitt, der sich parallel zum Trägerring
14 erstreckt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die beiden Flächen 20, 22
entgegengesetzt zueinander geneigt, wobei der Steigungswinkel β
der zweiten Fläche 22 deutlich größer als der Steigungswinkel
α der ersten Fläche 20 ist. Die Keile 18, von denen in Fig. 1
der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einige dargestellt
sind, folgen in Umfangsrichtung des Trägerrings 14 gesehen
unmittelbar aufeinander, so daß die gesamte axial äußere Fläche
des ersten Trägerrings 14 mit Keilen 18 bedeckt ist. Bei ande
ren Ausführungsformen, die hier nicht dargestellt sind, kann
jedoch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Keilen 18 in Umfangs
richtung ein gewisser Abstand bestehen, ebenso braucht nicht
die gesamte axial äußere Fläche des Trägerrings 14 von Keilen
18 bedeckt zu sein, sondern die Keile 18 können beispielsweise
in Gruppen angeordnet sein, wobei zwischen zwei in Umfangsrich
tung aufeinanderfolgenden Gruppen von Keilen ein größerer
Abstand besteht. Die Keile 18 können einstückig mit dem ersten
Trägerring 14 ausgebildet sein, sie können allerdings auch als
separate Teile gefertigt und dann fest mit dem Trägerring 14
verbunden werden.
Axial außerhalb des ersten Trägerrings 14 ist ein ringförmiger
Bolzenträger 26 mit etwa U-förmigem Querschnitt angeordnet, der
einen ringförmigen und zum Trägerring 14 hin offenen Hohlraum
28 definiert, in den die Keile 18 hineinragen. In diesem ring
förmigen Hohlraum 28 ist eine der Anzahl der Keile 18 entspre
chende Anzahl von Bolzen 30 drehbar gelagert, von denen in
Fig. 1 nur zwei dargestellt sind. Die Drehachsen der zum
Zusammenwirken mit den Keilen 18 vorgesehenen Bolzen 30 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel normal zur Achse A ausgerichtet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder
Bolzen 30 durch eine Hülse gebildet, die drehbar auf einer
drehfest im Bolzenträger 26 angeordneten Achse angeordnet ist.
An der radial inneren Umfangsfläche des Bolzenträgers 26 ist
ein Elektromotor 32 befestigt, der als elektrischer Aktuator
der Scheibenbremse 10 dient und der ein Abtriebsritzel 34
aufweist, das mit einer am radial inneren Umfang des ersten
Trägerrings 14 ausgebildeten Verzahnung 36 in Eingriff ist.
Falls erforderlich, kann zwischen dem Elektromotor 32 und dem
Abtriebsritzel 34 ein hier nicht dargestelltes Getriebe ange
ordnet sein.
Auf der dem ersten Trägerring 14 gegenüberliegenden Seite der
Bremsscheibe 12 ist mit axialem Abstand zu dieser ein zweiter
Trägerring 38 ebenfalls parallel zur Bremsscheibe 12 und koa
xial zur Achse A angeordnet. Dieser zweite Trägerring 38 ist
auf seiner der Bremsscheibe 12 zugewandten Seite mit Reibglie
dern 16' versehen, die an mit den Reibgliedern 16 zumindest im
wesentlichen übereinstimmenden Stellen am zweiten Trägerring 38
befestigt sind und die sich beim Bremsvorgang ebenfalls an die
Bremsscheibe 12 anlegen.
In einem radial äußeren Bereich der Scheibenbremse 10 sind
mehrere (hier drei) Sättel 40 angeordnet, die den Bolzenträger
26, den ersten Trägerring 14, die Bremsscheibe 12 und den
zweiten Trägerring 38 übergreifen und sich mit radial nach
innen ragenden Armen 42 einerseits an der axial äußeren Stirn
fläche des Bolzenträgers 26 und andererseits an der axial
äußeren Stirnfläche des zweiten Trägerrings 38 oder einem damit
verbundenen Glied abstützen.
Es wird nun die Funktion der dargestellten Scheibenbremse 10
erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß sich die Brems
scheibe 12 in Richtung des Pfeils ω dreht. Diese Drehrichtung
entspricht bei einer in ein Fahrzeug eingebauten Scheibenbremse
10 einer Vorwärtsfahrt. Zum Einleiten einer Bremsung wird der
Elektromotor 32 bestromt und treibt daraufhin das Abtriebsrit
zel 34 derart an, daß sich der erste Trägerring 14 um einen
Winkel ϕ in Drehrichtung ω gegenüber dem drehfesten Bolzenträ
ger 26 verdreht. Dies führt dazu, daß die ersten Flächen 20 der
Keile 18 auf die zugehörigen Bolzen 30 auflaufen, wodurch der
erste Trägerring 14 axial zur Bremsscheibe 12 hin verschoben
wird, so daß die Reibglieder 16 sich an die Bremsscheibe 12
anlegen. Das Maß s der Axialverschiebung des Trägerrings 14
bestimmt sich dabei nach der Formel
s = ϕ /(2π . P)
wobei ϕ der Drehwinkel und P die sich aus dem Steigungs
winkel α ergebende Steigung der ersten Fläche 20 ist.
Nachdem sich die Reibglieder 16 an die Bremsscheibe 12 angelegt
haben, bewirkt die entstehende Reaktionskraft über die Reib
glieder 16, den ersten Trägerring 14, den Bolzenträger 26 und
die Sättel 40 auch eine Axialverschiebung des zweiten Träger
rings 38 zur Bremsscheibe 12 hin, so daß sich die Reibglieder
16' nahezu ohne Verzögerung ebenfalls an die Bremsscheibe 12
anlegen (Schwimmsattelprinzip).
Die mit den Bolzen 30 zusammenwirkenden Keile 18 stellen eine
Selbstverstärkungsanordnung dar, d. h. die vom Elektromotor 32
über das Abtriebsritzel 34 in die Scheibenbremse 10 eingeleite
te Betätigungskraft wird selbsttätig und ohne weitere, von
außen einzubringende Kräfte verstärkt. Zur Erläuterung der
selbstverstärkenden Wirkung ist in Fig. 2 das Kräftegleichge
wicht an einem schematisch dargestellten Keil 18 wiedergegeben.
Dabei ist
FEin die in den Keil 18 eingeleitete Eingangskraft,
FB die sich bei einer Bremsung ergebende, vom Bolzen 30 abzustützende Auflagerkraft, die sich in eine der Eingangskraft FEin entgegengesetzte Kraft FBx und ei ne senkrecht zur Bremsscheibe stehende Druckkraft FBy aufteilen läßt,
FN die der Kraft FBy entgegengerichtete Normalkraft an der Bremsscheibe, und
FR die am Keil bzw. am Reibglied entstehende Reibkraft.
FB die sich bei einer Bremsung ergebende, vom Bolzen 30 abzustützende Auflagerkraft, die sich in eine der Eingangskraft FEin entgegengesetzte Kraft FBx und ei ne senkrecht zur Bremsscheibe stehende Druckkraft FBy aufteilen läßt,
FN die der Kraft FBy entgegengerichtete Normalkraft an der Bremsscheibe, und
FR die am Keil bzw. am Reibglied entstehende Reibkraft.
Gemäß diesem Kräftegleichgewicht hängt die Reibkraft bzw. das
Reibmoment an der Bremsscheibe entsprechend der Beziehung
lediglich vom Steigungswinkel α, dem eine Störgröße darstel
lenden Reibwert µ und der Eingangskraft FEin ab.
Der Reibwert µ kann sich in Abhängigkeit der Belastung der
Bremse relativ stark ändern. Jede Reibwertänderung während
eines Bremsvorgangs führt jedoch zu einer Änderung der Reib
kraft FR und somit zu einer sich ändernden Verzögerung des
abzubremsenden Bauteiles der Bremse, welches vorliegend durch
die Bremsscheibe 12 gebildet ist. Um diese unerwünschten Reib
wertänderungen auszuregeln, ist die dargestellte Scheibenbremse
10 mit einer nicht gezeigten Sensorik versehen, die eine stän
dige Messung der Reibkraft gestattet. Diese an sich bekannte
Sensorik ist mit einem 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 Reib
kraft vornimmt. Entsprechend dieser Auswertung der Signale wird
der Elektromotor 32 von dem Steuergerät so angesteuert, daß
durch Verdrehen des ersten Trägerrings 14 in oder entgegen der
Drehrichtung ω eine Erhöhung oder Erniedrigung des Istwertes
der Reibkraft erreicht wird, um den Istwert an den Sollwert
heranzuführen.
Entscheidend für eine gute Regelbarkeit des Systems ist, daß
die Steigung P der ersten Flächen 20 der Keile 18 so gewählt
wird, daß im Kraftfluß zwischen dem Elektromotor 32 und den
Keilen 18 kein Lastwechsel auftreten kann, und zwar weder beim
Beginn einer Bremsung noch beim Übergang der Bremse in einen
sogenannten Fadingbetrieb, der bei hoher Bremsbelastung und
entsprechend heißer Bremsscheibe 12 und heißen Reibgliedern 16,
16' auftritt.
Die Forderung der Lastwechselfreiheit wird erreicht, indem der
Steigungswinkel α so gewählt wird, daß über den gesamten Be
triebsbereich zwischen dem Motor 32 und dem Trägerring 14
hinsichtlich der Eingangskraft FEin entweder nur Zugkräfte oder
nur Druckkräfte auftreten, d. h. daß die Eingangskraft FEin im
gesamten Betriebsbereich entweder positiv oder aber negativ
bleibt. Aufgrund des sich ändernden Reibwertes µ wäre bei
bestimmten Steigungswinkeln α nämlich ein Vorzeichenwechsel
der Eingangskraft FEin möglich, der zu unerwünschten Bewegungen
im Antriebsstrang führt, weil dann das im Antriebsstrang vor
handene Spiel durchfahren wird und hierdurch nur schwer zu
regelnde Kraftsprünge auftreten können.
Um einen Lastwechsel im Antriebsstrang auszuschließen, muß
sichergestellt sein, daß im gesamten Betriebsbereich entweder
gilt, was zu einer im gesamten Betriebsbereich positiven Ein
gangskraft FEin führt, weshalb eine solche Anordnung auch als
Druckkeilanordnung bezeichnet wird, oder daß im gesamten Be
triebsbereich gilt
was zu einer im gesamten Betriebsbereich negativen Eingangs
kraft FEin führt, weshalb eine solche Anordnung auch als Zug
keilanordnung bezeichnet wird.
Wird der Steigungswinkel α so gewählt, daß die Eingangskraft
FEin stets negativ ist (Zugkeilanordnung; FBy < FR), so hat dies
folgende Konsequenzen:
- 1. Bei normalem Reibwert µ der Reibglieder ist die vom Elek tromotor 32 aufzubringende Eingangskraft FEin relativ hoch, so daß entsprechend der Energiebedarf des Elektromotors 32 im Normalbetrieb relativ hoch ist. Dennoch ist auch dann der Energiebedarf des Elektromotors 32 gegenüber einer her kömmlichen elektromechanisch betätigten Scheibenbremse um bis zu 80% und mehr vermindert.
- 2. Im Fadingbetrieb, d. h. bei absinkendem Reibwert µ, sinkt gemäß den obenstehenden Beziehungen die vom Elektromotor 32 aufzubringende Zugkraft stark ab und es wird demzufolge sehr wenig Motorleistung und Motormoment benötigt, um die erforderliche Reibkraft FR zu erzeugen. Gegenüber einer herkömmlichen Anordnung ist somit der Energiebedarf des Elektromotors 32 je nach Wahl des Steigungswinkels α um mehr als 95% reduziert.
Der Vorteil einer Zugkeilanordnung ist in der verbesserten
Regelbarkeit der Bremse im Normalbetrieb zu sehen, weil sich
das System aufgrund des dann geringeren Verstärkungsfaktors
stabiler verhält. Erkauft wird dieser Vorteil mit einem etwas
höheren Energiebedarf im Normalbetrieb der Bremse.
Wird der Steigungswinkel α hingegen so gewählt, daß die Ein
gangskraft FEin stets positiv ist (Druckkeilanordnung;
FBy < FR), ergibt sich folgendes:
- 1. Bei normalem Reibwert der Reibglieder ist die vom Elektro motor 32 aufzubringende Druckkraft FEin theoretisch belie big gering. In der Praxis kann allerdings aus Gründen der Regelbarkeit (zu hoher Verstärkungsfaktor, Einfluß von Störgrößen usw.) diese Druckkraft nicht zu gering gewählt werden. Dennoch ist im Normalbetrieb der Bremse die vom Elektromotor 32 benötigte Energie gegenüber einer herkömm lichen elektromechanischen Bremse ohne Selbstverstärkungs anordnung um 90, 95 und mehr Prozent vermindert.
- 2. Im Fadingbetrieb steigt die vom Elektromotor 32 aufzubrin gende Druckkraft FEin an und es wird demzufolge mehr Motor leistung und Motormoment benötigt, um die erforderliche Reibkraft FR zu erzeugen.
Der Vorteil einer solchen Druckkeilanordnung ist darin zu
sehen, daß der Elektromotor 32, der für den höheren Kraftbedarf
des Fadingbetriebes ausgelegt sein muß, im Normalbetrieb erheb
liche Drehmoment- und Kraftreserven aufweist, woraus sich im
Normalbetrieb hervorragende dynamische Eigenschaften ergeben.
Bei der Erläuterung des weiter oben beschrieben Bremsvorganges
mittels der dargestellten Scheibenbremse 10 wurde von einer
Druckkeilanordnung ausgegangen, d. h. die Keile 18 drücken
aufgrund einer entsprechenden Verdrehung des ersten Trägerrings
14 gegen die Bolzen 30. Bei einer Zugkeilanordnung, vorgegeben
durch die entsprechende Wahl des Steigungswinkels α, müßte der
Elektromotor 32 in entgegengesetzter Richtung drehen. Die bei
einer Zugkeilanordnung zum Vorspannen des Antriebsstranges
notwendige Einrichtung ist in Fig. 1 nicht dargestellt.
Zum Beenden einer eingeleiteten Bremsung wird der Elektromotor
32 derart angesteuert, daß sich das Abtriebsritzel 34 entgegen
der Drehrichtung beim Betätigen dreht, sodaß der erste Träger
ring 14 wieder in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird,
d. h. die ersten Flächen 20 der Keile 18 laufen an den Bolzen 30
herunter und der Trägerring 14 bewegt sich axial von der Brems
scheibe 12 weg.
Zum Abbremsen beispielsweise eines Fahrzeuges auch in Rück
wärtsfahrt besitzen die Keile 18 die zweite Fläche 22 mit dem
Steigungswinkel β. Der Steigungswinkel β dieser Flächen 22 kann
deutlich größer als der Steigungswinkel α der ersten Flächen
20 gewählt werden, da bei Rückwärtsfahrt üblicherweise keine so
hohen Reibkräfte benötigt werden. Zwar hat der gegenüber dem
Steigungswinkel α größere Steigungswinkel β bei Bremsungen in
Rückwärtsfahrt einen erhöhten Energiebedarf des Elektromotors
32 zur Folge, jedoch wirkt sich dieser Umstand wegen der norma
lerweise nur geringen erforderlichen Bremskraft bei Bremsungen
in Rückwärtsfahrt nicht nachteilig aus.
Dreht sich also die Bremsscheibe 12 entgegen des Pfeiles ω
(Rückwärtsfahrt), wobei der Drehrichtungswechsel beispielsweise
durch die Sensorik einer heutzutage meistens vorhandenen ABS-
Anlage erkannt werden kann, wird der erste Trägerring 14 mit
Hilfe des Elektromotors 32 so verdreht, daß die zweiten Flächen
22 auf den Bolzen 30 auflaufen. Der Bremsvorgang läuft dann wie
zuvor beschrieben ab.
Alternativ ist es auch möglich, die Bremsung bei Rückwärtsfahrt
mittels der ersten Flächen 20 auszuführen. Hierzu muß der
Elektromotor 32 jedoch ausreichende Kraft- bzw. Drehmomentre
serven besitzen (insbesondere bei einer Druckkeilanordnung,
d. h. bei großem Steigungswinkel α), da die Anordnung aus Kei
len 18 und Bolzen 30 dann selbstschwächend wirkt, so daß der
Elektromotor 32 die erforderliche Reibkraft vollständig selbst
aufbringen muß.
Obwohl die zuvor näher erläuterte Bremse als Scheibenbremse
ausgestaltet ist, ist auch eine Ausführung als Trommelbremse
möglich, wobei die Keile 18 dann beispielsweise auf der radial
inneren Seite der Trommelbremsbacken angeordnet sein können.
Des weiteren kann die selbstverstärkende Wirkung auf andere
Weise als mit Keilen erzielt werden, beispielsweise mit Vierge
lenken.
Claims (14)
1. Elektromechanische Bremse, insbesondere für Fahrzeuge, mit
einem elektrischen Aktuator, der eine Betätigungskraft erzeugt
und auf zumindest ein Reibglied wirkt, um dieses zum Hervorru
fen einer Reibkraft gegen ein drehbares, abzubremsendes Bauteil
der Bremse zu drücken,
wobei zwischen dem abzubremsenden Bauteil
und dem elektrischen Aktuator eine rein mechanische Anordnung vorhanden ist, die
zur Selbstverstärkung der vom elektrischen Aktuator erzeugten
Betätigungskraft führt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Verglei
chen eines Sollwertes der Reibkraft mit dem Istwert der Reib
kraft vorhanden, ist, die bei einer Abweichung des Istwertes vom
Sollwert den elektrischen Aktuator zum entsprechenden Erhöhen
oder Verringern der erzeugten Betätigungskraft ansteuert und so
den Istwert dem Sollwert der Reibkraft angleicht.
2. Bremse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstverstärkungsanordnung
wenigstens einen Keil mit einem Steigungswinkel α aufweist,
der sich gleitend oder rollend an einem zugehörigen Widerlager
abstützt.
3. Bremse nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel α derart ge
wählt ist, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die
Selbstverstärkungsanordnung eingeleitete Eingangskraft FEin
unabhängig von einem sich ändernden Reibwert µ zwischen dem
Reibglied und dem abzubremsenden Bauteil - bezogen auf die
üblicherweise vorherrschende Drehrichtung des abzubremsenden
Bauteiles - stets positiv ist.
4. Bremse nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel α derart ge
wählt ist, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die
Selbstverstärkungsanordnung eingeleitete Eingangskraft FEin
unabhängig von einem sich ändernden Reibwert µ zwischen dem
Reibglied und dem abzubremsenden Bauteil - bezogen auf die
üblicherweise vorherrschende Drehrichtung des abzubremsenden
Bauteiles - stets negativ ist, und daß der gesamte Antriebs
strang zwischen dem elektrischen Aktuator und der Selbstver
stärkungsanordnung in Richtung der negativen Eingangskraft FEin
vorgespannt ist.
5. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das abzubremsende Bauteil eine
Bremsscheibe (12) ist, und daß die Selbstverstärkungsanordnung
einen Trägerring (14) aufweist, der parallel und koaxial zur
Bremsscheibe (12) angeordnet ist und auf seiner von der Brems
scheibe (12) abgewandten Seite mit einer Reihe von Keilen (18)
versehen ist, die jeder eine erste Fläche (20) mit einem Stei
gungswinkel α zum Abstützen an je einem drehbar gelagerten
Bolzen (30) definieren.
6. Bremse nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Bolzen (30) in einem koaxial
zum Trägerring (14) angeordneten, ringförmigen Bolzenträger
(26) gelagert sind, wobei die Drehachsen aller Bolzen (30)
rechtwinklig zur Drehachse der Bremsscheibe (12) ausgerichtet
sind und wobei der Trägerring (14) und der Bolzenträger (26)
relativ zueinander um die Drehachse der Bremsscheibe (12)
verdrehbar sind.
7. Bremse nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (14) an seinem
Innenumfang mittels einer Verzahnung (36) als Hohlrad ausgebil
det ist.
8. Bremse nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem elektrischen Aktuator
angetriebenes Abtriebsritzel (34) im Eingriff mit der Verzah
nung (36) ist.
9. Bremse nach Anspruch 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (14) mittels des
elektrischen Aktuators gegenüber dem ringförmigen Bolzenträger
(26) um die Drehachse der Bremsscheibe (12) verdrehbar ist.
10. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Bremsscheibe (12)
zugewandten Seite des Trägerrings (14) vorzugsweise mehrere
Reibglieder (16) angeordnet sind.
11. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jedes Keiles (18) senk
recht zum Trägerring (14) zumindest dem gewünschten Zustellhub
einer die Bremsscheibe (12) umfassenden Scheibenbremse (10)
entspricht.
12. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung des Trägerrings
(14) jeder Keil (18) unmittelbar auf den vorhergehenden
Keil (18) folgt.
13. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Keil (18) eine zweite Fläche
(22) zum Abstützen an je einem der drehbar gelagerten Bolzen
(30) definiert, die entgegengesetzt zur ersten Fläche (20)
geneigt ist und einen Steigungswinkel β aufweist, der vorzugs
weise größer als der Steigungswinkel α ist.
14. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Aktuator ein
Elektromotor (32) ist.
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