Elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse
Die Erfindung betrifft eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse für Kraftfahrzeuge mit einem Bremssattel, sowie einer am Bremssattel angeordneten Betätigungseinheit, mit zwei mit je einer Seitenfläche einer Bremsscheibe zusammenwirkenden, im Bremssattel begrenzt verschiebbar angeordneten Reibbelägen, wobei einer der Reibbeläge mittels eines Betätigungselementes durch die Betätigungseinheit direkt und der andere Reibbelag durch die Wirkung einer vom Bremssattel aufgebrachten Reaktionskraft mit der Bremsscheibe in Eingriff bringbar ist, und wobei die Betätigungseinheit einen koaxial zum Betätigungselement angeordneten Elektromotor sowie ein wirkungsmäßig zwischen ihm und dem Betätigungselement angeordnetes Untersetzungsgetriebe aufweist, wobei der Rotor des Elektromotors ringförmig ausgebildet ist und das Untersetzungsgetriebe radial umgreift.
Eine derartige elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse ist z.B. aus der DE-A-195 11 287.3 bekannt. Die Betätigungseinheit der bekannten Scheibenbremse besteht aus einem Elektromotor, dessen Rotor mittels eines Rollengewindetriebs bzw. eines Planetengetriebes eine Gewindemutter antreibt. Die Drehbewegung der Gewindemutter wird auf eine Betätigungshülse übertragen bzw. bewirkt deren Axialverschiebung, durch die der der Betätigungseinheit zugeordnete Reibbelag in Eingriff mit der Bremsscheibe gebracht wird. Der Rollengewindetrieb wird dabei vorzugsweise vom Rotor des Elektromotors radial umgriffen. Als nachteilig werden bei
der bekannten elektromechanisch betätigbaren Scheibenbremse insbesondere der verhältnismäßig beträchtliche Verbrauch elektrischer Energie sowie eine starke Erwärmung des Elektromotors empfunden, die insbesondere dann auftreten, wenn hohe Spannkräfte über einen längeren Zeitraum aufgebracht werden müssen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse der eingangs genannten Gattung vorzuschlagen, die nach dem Aufbringen hoher Spannkräfte diese mit sehr geringen elektrischen Leistungen aufrechterhalten kann. Außerdem soll die Erwärmung des Elektromotors minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind, die nach dem Betätigen des Elektromotors ein Rückdrehen seines Rotors bei anschließender Abschaltung des dem Elektromotor zugeführten Stroms verhindern.
Zur Konkretisierung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Mittel durch einen Elektromagneten gebildet sind, dessen Anker rotatorisch, längsverschiebbar an den Rotor gekoppelt ist. Die Besonderheit eines derartigen Aktuators liegt in der Ausnutzung kleiner Luftspalte mit dem Resultat sehr hoher Anzugskräfte.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes steht der Anker in kraftübertragender Verbindung mit der Gewindemutter. Die Ankoppelung des Ankers an die Gewindemutter kann beispielsweise mittels einer formschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung erfolgen. Die formschlüssige Verbindung wird dabei vorzugsweise durch am Anker angeformte bzw. ausgebildete radiale Vorsprünge gebildet, die
von in der Gewindemutter vorgesehenen Nuten aufgenommen werden. Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Anker und Gewindemutter erfolgt dagegen mittels Biegeblechstreifen, die eine begrenzte Relativverschiebung der beiden Teile zueinander in axialer Richtung ermöglichen. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß bei einem Energieausfall in der Bremsanlage der Elektromagnet - und damit die Haltefunktion der Bremse - immer den sicheren Zustand erreicht, so daß ein Blockieren der Bremse bei einem Energieausfall ausgeschlossen ist.
Eine Minimierung der dem Elektromagneten zugeführten elektrischen Leistung wird nach einem weiteren vorteilhaften Erfindungsmerkmal dadurch erreicht, daß die Wicklung der Elektromagnetenspule hochohmig ausgeführt ist.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Ausführung der erfindungsgemäßen, elektromechanisch betätigbaren Scheibenbremse im Axialschnitt;
Fig. 2 eine erste Ausführung der Verbindung zwischen der Gewindemutter und dem Anker, und
Fig. 3 eine zweite Ausführung der Verbindung zwischen der Gewindemutter und dem Anker,
Fig. 4 das Flußdiagramm der Funktion der erfindungsgemäßen Scheibenbremse .
Die in der Zeichnung dargestellte, elektromechanisch betätigbare Scheibenbremse nach der Erfindung, die im gezeigten Beispiel als eine Schwimmsattel-Scheibenbremse ausgebildet ist, besteht im wesentlichen aus einem in einem nicht gezeigten feststehenden Halter verschiebbar gelagerten Bremssattel 1 sowie einer Betätigungseinheit 2, deren Gehäuse 8 mittels nicht gezeigter Befestigungselemente am Bremssattel 1 befestigt ist. Ein Paar von Reibbelägen 4 und 5 ist im Bremssattel 1 derart angeordnet, daß sie der linken und der rechten Seitenfläche einer Bremsscheibe 3 zugewandt sind.
Nachstehend wird der in der Zeichnung rechts gezeigte Reibbelag 4 als erster Reibbelag und der andere, mit 5 bezeichnete Reibbelag als zweiter Reibbelag bezeichnet.
Während der erste Reibbelag 4 mittels eines Betätigungselements 30 durch die Betätigungseinheit 2 direkt mit der Bremsscheibe 3 in Eingriff bringbar ist, wird der zweite Reibbelag 5 durch die Wirkung einer bei der Betätigung der Anordnung vom Bremssattel 1 aufgebrachten Reaktionskraft gegen die gegenüberliegende Seitenfläche der Bremsscheibe 3 gedrückt.
Die vorhin erwähnte Betätigungseinheit 2 besteht aus einem Elektromotor 6, der im dargestellten Beispiel als ein permanentmagneterregter, elektronisch kommutierbarer (Torque-) Motor, dessen Stator 9 unbeweglich im Gehäuse 8 angeordnet ist und dessen als eine Hohlwelle ausgebildeter Rotor 10 durch einen rohrförmigen Träger 28 gebildet ist, der mehrere Permanentmagnetsegmente 29 trägt. Zwischen dem Torque-Motor 6 und dem vorhin erwähnten, vorzugsweise koaxial zum Motor 6
angeordneten Betätigungselement 30 ist wirkungsmäßig ein Untersetzungsgetriebe 7 angeordnet, das im gezeigten Beispiel als ein Rollengewindetrieb 11 bis 14 ausgebildet ist. Der Rollengewindetrieb besteht dabei aus einer Gewindemutter 11 sowie einer das vorhin erwähnte Betätigungselement bildenden Gewindespindel 14, wobei in der Gewindemutter 11 achsparallel Gewinderollen 12,13 angeordnet sind, die bei einer Rotationsbewegung der Gewindemutter 11 sich ohne axiale Verschiebung planetenartig drehen und die Gewindespindel 14 in eine axiale Bewegung versetzen. Für eine radiale Führung der Gewinderollen 12,13 sorgen zwei an deren Enden angeordnete Führungsscheiben 40 und nicht gezeigte Zahnkränze.
Die Anordnung ist dabei vorzugsweise derart getroffen, daß der Rotor 10 des Torque-Motors 6 drehfest, beispielsweise mittels einer Paßfeder 39, mit der Gewindemutter 11 verbunden ist, während die Gewindespindel 14 unter Zwischenschaltung einer Kraftübertragungsplatte 24 den ersten Reibbelag 4 betätigt. Zwischen der Kraftübertragungsplatte 24 und dem ersten Reibbelag 4 ist vorzugsweise eine Verdrehsicherung 25 vorgesehen, die durch einen im Reibbelag 4 eingepreßten Stift gebildet ist, der von einer in der Kraftübertragungsplatte 24 ausgebildeten Ausnehmung aufgenommen wird. Der Führung sowohl des Untersetzungsgetriebes 7 als auch der Hohlwelle bzw. des Rotors 10 dient ein am Bremssattel 1 sich abstützendes Radiallager, im gezeigten Beispiel ein Kreuzrollenlager 16, das aus einem mit dem Bremssattel 1 zusammenwirkenden, in Fig. 1 geteilt ausgeführten Lageraußenring 18, einem auf einer kragenförmigen radialen Erweiterung 15 der Gewindemutter 11 angeordneten Lagerinnenring 17 sowie mehreren, zwischen den beiden Lagerringen 17,18 angeordneten Zylinderrollen 19 besteht. Die Lagerringe 17,18 bilden vier rechtwinklig zueinander angeordnete Laufbahnen, die um 45° zur Lagerebene geneigt sind, bzw. zwei um 90° versetzte Lauf-
bahnpaare, auf denen die Zylinderrollen 19 (in X-Anordnung) abwechselnd in einem der beiden Laufbahnpaaren abwälzen. Da das verwendete Kreuzrollenlager 16 jede beliebige Kombination von Axial-, Radial- sowie Kippmomentbelastungen aufnehmen kann, kann auf ein zweites Lager verzichtet werden. Statt eines Kreuzrollenlagers kann auch ein Vierpunktlager Verwendung finden.
Um die Drehbewegung des Rotors 9 jederzeit verhindern sowie Steuersignale für eine Unterbrechung der Stromzufuhr zum Torque-Motor 6 gewinnen zu können, sind im Gehäuse 8 der Betätigungseinheit 2 elektromechanische Mittel 20 vorgesehen, die durch einen Elektromagneten gebildet sind. Der Elektromagnet 20 besteht seinerseits aus einer im Gehäuse 8 unbeweglich angeordneten Wicklung 21 sowie einem Anker 22, der rotatorisch an den Rotor 9 bzw. die Gewindemutter 11 so angekoppelt ist, daß er eine begrenzte Längsverschiebung in axialer Richtung durchführen kann.
Der sicheren Erkennung einer Berührung zwischen den Reibbelägen 4,5 mit der Bremsscheibe 3 sind die Reibbeläge 4,5 mit Kontaktstiften 26 versehen. Der Innenraum des Gehäuses 8 wird einerseits durch einen im Bereich des Elektromagneten 20 am Gehäuse 8 angebrachten, die Wicklung 21 aufnehmenden Deckel 23 und andererseits durch eine elastische, membranartige Dichtung 27 vor Verunreinigungen, beispielsweise Spritzwasser, geschützt. Die Dichtung 27 ist dabei vorzugsweise zwischen dem Betätigungselement 30 bzw. der Gewindespindel 14 und einem am Lageraußenring 18 axial anliegenden Haltering 32 eingespannt.
Um schließlich die im Betrieb des Torque-Motors 6 entstehende Wärme wirksam an die Umgebung weiterleiten zu können, ist das Gehäuse 8 mit großflächigen Kühlrippen 33 versehen.
Fig. 2 zeigt die vorhin erwähnte rotatorische Ankoppelung des Ankers 22 an die Gewindemutter 11, die vorzugsweise durch eine formschlüssige Verbindung der beiden Teile erfolgt. Zu diesem Zweck ist der Anker 22 mit zwei radial gegenüberliegend ausgebildeten Vorsprüngen 31 mit trapezförmigem Querschnitt versehen, die von zwei in der Wandung der zylindrischen Bohrung der Gewindemutter 11 entsprechend ausgebildeten Nuten 34 aufgenommen werden.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung erfolgt die Ankoppelung des Ankers 22 an die Gewindemutter 11 mittels einer kraftschlüssigen Verbindung, die im dargestellten Beispiel durch vier am Umfang gleichmäßig verteilte Biegeblechstrei- fen 35 gebildet ist, die über geeignete Befestigungsmittel an den vorhin erwähnten Teilen 11, 22 befestigt sind. Der für die Betätigung des Elektromagneten 20 erforderliche axiale Hub des Ankers 22 ist dabei durch die Elastizität der Blechstreifen 35 begrenzt.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Scheibenbremse ist dem in Fig. 4 dargestellten Flußdiagramm zu entnehmen.
Die Betätigung der Bremse wird mit dem Schritt 40 "Start" eingeleitet, in dem ein nicht gezeigtes Bremspedal betätigt wird. Ein ebenso nicht gezeigter, den Bremswunsch erfassender Sensor, beispielsweise ein Bremslichtschalter, erzeugt ein Steuersignal, das einer den Elektromotor 6 aktivierenden Elektronik zugeführt wird.
Im Schritt 41 erzeugt der durch die Elektronik angesteuerte Elektromotor 6 eine Spannkraft gemäß dem Bremswunsch, mit der ein Anlegen bzw. Andrücken der Beläge 4 , 5 an die Bremsscheibe 3 erfolgt.
Im Schritt 42 "Bremswunschänderung?" wird abgefragt, ob nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit eine Bremswunschänderung stattgefunden hat oder nicht. Ist dies nicht der Fall, so wird der Elektromagnet 20 im Schritt 43 "Motorbremse aktivieren" aktiviert und im Schritt 44 "Motorstromzufuhr unterbrechen" anschließend die Stromzufuhr zum Elektromotor 6 unterbrochen, so daß die am Anfang der Bremsung eingesteuerte Spannkraft aufrechterhalten wird.
Bei einer Änderung des Bremswunsches, beispielsweise einem Lösen der Bremse oder einer Erhöhung der Bremskraft, erfolgt im Schritt 45 "Motorbremse deaktivieren" ein Abschalten des dem Elektromagneten 20 zugeführten Stroms, so daß die Gewindemutter 11 freigegeben wird und eine Drehbewegung ausführen kann, die ein Verstellen der Gewindespindel 14 im gewünschten Sinne zur Folge hat.
Bezugs zeichen liste
1 Bremssattel
2 Betätigungseinheit
3 Bremsscheibe
4 Reibbelag
5 Reibbelag
6 Elektromotor
7 Untersetzungsgetriebe
8 Gehäuse
9 Stator
10 Rotor
11 Gewindemutter
12 Gewinderolle
13 Gewinderolle
14 Spindel
15 Erweiterung
16 Radiallager
17 Lagerinnenring
18 Lageraußenring
19 Zylinderrolle
20 Elektromagnet
21 Wicklung
22 Anker 3 Deckel 4 Kraftübertragungsplatte 5 Verdrehsicherung 6 Kontaktstift 7 Dichtung 8 Träger 9 Permanentmagnetsegment 0 Betätigungselement 1 Vorsprung 2 Haltering
Kühlrippe
Nut
Biegeblechstreifen
Schritt
Schritt
Schritt
Schritt
Schritt
Schritt