Elektrisch betätigbare Kraftfahrzeug-Scheibenbremse
Beschreibung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrisch betätigbare Kraftfahrzeug-Scheibenbremse. Insbesondere handelt es sich bei der Erfindung um eine Scheibenbremse, die den Aufbau eines sog. trockenen Bremssystems ermöglicht, also ohne Hydraulik- oder Bremsflüssigkeit, die durch einen Hauptbremszylinder bei einer Bremspedalbetätigung durch den Fahrer über ein Bremsflüssigkeitsleitungssystem in eine Zylinder/Kolbenanordnung gepreßt wird. Vielmehr dient bei der Erfindung ein elektrischer Antrieb dazu, die Bremsbeläge mit der Bremsscheibe in Reibungseingriff zu bringen.
Stand der Technik
Derartige Scheibenbremsenanordnungen sind im Stand der Technik in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. So gibt es zum Beispiel den Vorschlag, mittels piezoelektrischer Linearantriebe über ein entspechendes Getriebe eine Zustellbewegung auf die beiderseits einer Bremsscheibe angeordneter Bremsbeläge auszuüben. Ein anderer Vorschlag sieht die Verwendung von linear wirkenden Elektromagneten zum Erzeugen entsprechender Zustellbewegungen der Bremsbeläge vor. Diesen Vorschlägen ist jedoch aufgrund ihrer erheblicher Probleme bei der Umsetzung in ein sicheres und massenfertigbares Produkt bisher der Erfolg versagt geblieben.
Weitere nachstehend genannte Dokumente zum Stand der Technik zeigen - ohne Anspruch auf Vollständigkeit - die Verwendung von Elektromotoren als Antriebselemente, welche über geeignete Drehmoment-umsetzende Getriebe auf die Bremsbeläge wirken. Allerdings sind auch die aus den Dokumenten DE 195 43 098 C2 , DE 195 11 287 AI, WO 89/03490, WO 97/11287, WO 97/ 17533, US 4,865,162, DE 34 10 006 AI, DE 42 29 042 AI, EP 0394 238 Bl bekannten Anordnungen nicht geeignet, die erforderlichen
Kräfte bei entsprechendem geringem Bauraum mit der geforderten Dynamik und Ausfallsicherheit zu den für ein Massenprodukt erforderlichen niedrigen Kosten darzustellen.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine elektrisch betätigbare Kraftfahrzeug-Scheibenbremse bereitzustellen, die insbesondere den geringen, in modernen Personen- Kraftfahrzeugen zur Verfügung stehenden Einbauraum für Rad- bremsen effizient nutzt, die hohe Ausf llsicherheit von herkömmlichen Hydraulikbremsen erreicht und den notwendigen Anpreßdruck für die Bremsbeläge an der Bremsschreibe mit der erforderlichen Schnelligkeit bereitstellt.
Erfindungsgemäße Lösung
Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß eine elektrisch betätigbare Kraftfahrzeug-Scheibenbremse bereitgestellt, mit einem Bremssattel sowie einer am Bremssattel angeordneten Betätigungseinheit. Die Betätigungseinheit ist mit zwei mit je einer Seitenfläche einer Bremsscheibe zusammenwirkenden und im Bremssattel begrenzt verschiebbar angeordneten Reibbelägen gekoppelt, wobei einer der Reibbeläge durch die Betätigungseinheit direkt und der andere Reibbelag durch die Wirkung einer vom Bremssattel aufgebrachten Reaktions- kraft mit der Bremsscheibe in Reibungseingriff bringbar ist. Die Betätigungseinheit hat einen Elektromotor sowie eine wirkungsmäßig zwischen dem Elektromotor und einem Reibbelag angeordnete Getriebeeinheit zur Umsetzung der Rotationsbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung für die Reib- beläge. Der Elektromotor hat einen Stator mit wenigstens einer ringförmigen Statorwicklung, an deren beiden Stirnseiten jeweils ein Kranz aus Polschuhen angeordnet ist, wobei die radial innenliegenden Enden der Polschuhe eines Kranzes miteinander verbunden sind und die radial außenliegenden Endes der Polschuhe beider Kränze sich jeweils seitlich überragen. Weiterhin hat der Elektromotor einen den Stator zumindest teilweise umgreifenden Rotor, der mit der Eingangsseite der
Getriebeeinheit gekoppelt ist und Magnete trägt, die den Polschuhen des Stators gegenüberliegend angeordnet sind.
Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungs emäßen Lösung Durch diese Anordnung wird ein Transversalflußmotor gebildet, mit dem eine besonders hohe Leistungsdichte realisierbar ist. Insbesondere kann auf diese Weise ein bei bekannten Anordnungen (zum Beispiel EP 394 238 Bl oder DE 42 29 042 AI) erforderliches Planetengetriebe eingespart werden, was sowohl Bau- räum als auch Herstellungsaufwand und -kosten reduziert.
Weiterhin erlaubt dieses Konzept die Ausgestaltung des Elektromotors sowohl als Außenläufer als auch als Innenläufer. Dabei ist wegen der möglichen größeren Flächen der Magnete und des größeren Hebelarms (aufgrund des größeren Durchmessers des Rotors) der Außenläufervariante der Vorzug zu geben. Dennoch erfaßt die Erfindung beide Ausführungsformen.
Da die ringförmige Statorwicklung keine Wicklungsköpfe auf- weist (wie zum Beispiel der Motor aus der WO 97/17553), ist der Wirkungsgrad erheblich verbessert. Außerdem erlaubt die ringförmige Statorwicklung einen sehr hohen Füllfaktor der Wicklung (Verhältnis des Wicklungsdrahtvolumens zum Gesamtvolumen der Wicklungskammer) , da einerseits die Wicklungsform sehr einfach ist und andererseits auch im Querschnitt rechteckiger Draht oder ein Kupferband verwendet werden kann. Weiterhin erfordert diese sehr einfach herzustellende Statorwicklung auch nur eine sehr dünne Isolation des dafür verwendeten Drahtes, da die einzelnen Windungen gegeneinander le- diglich eine sehr geringe Spannungsdifferenz in der Größenordnung von einem bis wenige Volt haben. Auch diese Umstände erhöhen den Wirkungsgrad gegenüber bekannten Anordnungen.
Schließlich ist diese Kraftfahrzeug-Scheibenbremse im Aufbau äußerst kompakt und sehr einfach herzustellen.
Mit einer derartigen elektrisch betätigbaren Kraftfahrzeug- Scheibenbremse kann der erforderliche Anpreßdruck mit der für eine entsprechend komfortable Regelung des Bremsverhaltens notwendigen Dynamik sicher realisiert werden.
Damit die von dem Rotor erzeugte Drehbewegung in eine Translationsbewegung für die Reibbeläge umgesetzt wird, ist eine Getriebeeinheit vorgesehen, die vorzugsweise als Spindel- /Mutteranordnung oder als Spindel-/Kugelumlaufbüchsenanord- nung ausgestaltet ist. Der Rotor des Elektromotors ist dabei mit der Mutter bzw. der Kugelumlaufbüchse als Eingangsseite der Getriebeeinheit drehfest verbunden und die Spindel wirkt translatorisch auf einen Bremsbelag.
Um den Elektromotor mehrphasig zu gestalten sind wenigstens zwei koaxial nebeneinander angeordnete ringförmige Statorwicklungen vorgesehen, wobei die an den Stirnseiten einer Statorwicklung angeordneten Polschuhe gegenüber den Polschu- hen einer benachbarten Statorwicklung in Umfangsrichtung ver- setzt sind. Bei dieser Ausgestaltung sind der Phasenzahl entsprechend Statorwicklungen und diese umgreifende Polschuh- Ringe vorzusehen. Um die unterschiedlichen Phasen zu realisieren, kann dabei die Positionierung der Polschuhe einer Statorwicklung gegenüber den Polschuhen der benachbarten Sta- torwicklung(en) in Umfangsrichtung versetzt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, die einer Statorwicklung zugeordneten Magnete gegenüber den Magneten der benachbarten Statorwicklung(en) in Umfangsrichtung zu versetzen.
Für eine besonders einfache Fertigung und Montage ist es zweckmäßig, einen oder mehrere zwischen zwei Statorwicklungen anzuordnende, in axialer Richtung benachbarte (mit ihren freien Enden entgegengesetzt orientierte) Polschuhe als ein Teil zu fertigen und dann zu einem Kranz zu montieren, an den die beiden Statorwicklungen seitlich darangeschoben oder -gesteckt werden. Damit ist es möglich, die Montage des mehrphasigen Motors besonders effizient zu gestalten.
Um das durch die/jede Statorwicklung erzeugte Magnetfeld in die Polschuhe bzw. deren den Magneten zugewandte Enden einleiten zu können, ist die/ ede Statorwicklung auf einem Ring 5 aus Eisenblech angeordnet. Dieser Ring aus Eisenblech kommt bei der Montage der Polschuhe in axialer Richtung mit deren radial innen__liegenden Enden in (magnetischen) Kontakt.
Weiterhin ist jeder der an dem Rotor angeordneten Magnete so 0 dimensioniert und positioniertt, daß er - in einer vorbestimmten Ruhelage - mit einem Polschuh des Stators fluchtet. Bei den Magneten handelt es sich vorzugsweise um Seltenerden- Magnete (zum Beispiel Samarium/Cobalt oder dergl . ) .
5 Dabei sind die Magnete mit ihrer radial außen liegenden Seite an einem Ring aus Eisenblech angeordnet, das als magnetischer Rückschluß des Rotors dient.
Mit den Polschuhen eines Stators fluchtende Magnete, die in »0 Umfangsrichtung benachbart zueinander an dem Rotor angeordnet sind, haben eine abwechselnde magnetische Orientierung.
Die Polschuhe können entweder aus Eisenpulver hergestellt sein, dessen Körner gegeneinander elektrisch oder magnetisch
.5 isoliert sind, oder die Polschuhe sind aus gestapeltem, gegeneinander isoliertem Eisenblech hergestellt. Die aus Eisenpulver gepreßte oder gesinterte Variante ist als Massenprodukt leichter herstellbar, hat aber gegenüber der geblechten Variante ggf. geringfügig ungünstigere magnetische Eigen- 0 schaften.
Um die Montage zu vereinfachen bilden zwei oder mehr Polschuhe ein gemeinsam verbaubares Segment des Kranzes, um mit der Statorwicklung zusammengeschoben zu werden.
Dazu sind die Polschuhe und die Statorwicklung so gestaltet, daß sie durch koaxiales Aneinanderstecken miteinander verbindbar sind.
Im übrigen ist der Elektromotor ein von der vorstehend beschriebenen Anwendung der elektrisch betätigbaren Kraftfahrzeug-Scheibenbremse unabhängig nutzbarer Antrieb.
Weitere Einzelheiten und Abwandlungen der Erfindung sind un- ter Bezugnahme auf die Zeichnung nachstehend erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrisch betätigbaren Kraftfahrzeug-Scheibenbremse im Längsschnitt.
Fig. 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Segment eines Stators mit zwei Statorwicklungen in einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Segment eines Stators mit zwei Statorwicklungen in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausfϋhrungsform Fig. 1 zeigt eine elektrisch betätigbare Kraftfahrzeug- Scheibenbremse, die einen im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Bremssattel 10 sowie eine am Bremssattel 10 angeordnete elektromechanische Betätigungseinheit 12 aufweist. In dem Bremssattel 10 sind an dessen beiden Schenkeln 10', 10" zwei (in nicht weiter veranschaulichten Führungen aufgenommene) Reibbeläge 14, 14' angeordnet. Die beiden Reibbeläge 14, 14' sind zu beiden Seiten einer durch den Bremssattel 10 übergriffenen Bremsscheibe 16 angeordnet und wirken mit jeweils einer Seitenfläche 16', 16" der Bremsscheibe 16 zusam- men, die drehfest mit einem lediglich teilweise gezeigten
Achsstummel 18 verbunden ist. Die Reibbeläge 14, 14' sind im Bremssattel 10 auf die Bremsscheibe 16 hin bzw. von ihr weg
verschiebbar angeordnet. Dabei handelt es sich in der gezeigten Ausführungsform um eine Schwimmsattelanordnung, bei der einer der Reibbeläge 14 durch die Betätigungseinheit 12 direkt und der andere Reibbelag 14 ' durch die Wirkung einer vom Bremssattel 10 aufgebrachten Reaktionskraft mit der Bremsscheibe 16 in Reibungseingriff bringbar ist.
Die Betätigungseinheit 12 ist seitlich an dem Bremssattel 10 angesetzt und weist einen Elektromotor 20 sowie ein zwischen dem Elektromotor 20 und einem Reibbelag 14 angeordnetes Getriebe in Form einer Mutter/Spindelanordung 22 auf. Dieses Getriebe 22 dient dazu, die Drehbewegung des Elektromotors 20 in eine Längsbewegung für die Reibbeläge 14, 14' umzusetzen.
Der Elektromotor 20 hat einen Stator 24 mit zwei ringförmigen Statorwicklungen 26, 26'. An den beiden Stirnseiten jeder Statorwicklung 26, 26' ist jeweils ein Kranz aus in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Polschuhen 28a, 28b; 28a' 28b' angeordnet (siehe auch Fig. 2a) , die die äußere Mantel- fläche der jeweiligen Statorwicklung 26, 26' mit ihren freien Enden 30a, 30b, 30a', 30b1 teilweise übergreifen. Die radial innenliegenden Enden der Polschuhe 32a, 32b; 32a', 32b' eines Kranzes sind miteinander durch einen magnetisch leitenden einstückig angeformten Ring (nicht weiter bezeichnet) verbun- den.
Die radial außenliegenden (freien) Enden der Polschuhe 30a, 30b, 30a', 30b' zweier an einer Statorwicklung 26, 26' angeordneter Kränze greifen entlang des Umfangs der jeweiligen Statorwicklung 26, 26' abwechselnd ineinander und überragen sich jeweils seitlich. Zur vereinfachten Herstellung sind die beiden aneinander angrenzenden, zwischen den beiden Statorwicklungen 26, 26' angeordneten Kränze aus Polschuhen 28b, 28a' als einheitliche Bauteile ausgestaltet, die eine im we- sentlichen T-förmige Gestalt (siehe Fig. 1 unten) haben. Jede Statorwicklung 26, 26' ist auf einem Ring 34, 34' aus Eisenblech angeordnet, der als magnetischer Rückschluß dient.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Polschuhe aus gesintertem Eisenpulver hergestellt, dessen Körner durch einen Kunststoff-Überzug gegeneinander elektrisch und magnetisch isoliert sind.
Der Elektromotor 20 hat außerdem einen Rotor 40 in Form eines Ringzylinders 40a, an dessen dem Bremssattel 10 abgewandten Seite eine Stirnwand 40b angeformt ist. Der Rotor 40 mit sei- nem Ringzylinder 40a umgreift die Statorwicklungen 26, 26' in radialer und in axialer Richtung. Die Stirnwand 40b des Rotors 40- ist mit der Eingangsseite der Getriebeeinheit 22 in der Weise gekoppelt, daß die Stirnwand 40b drehfest (verschweißt oder formschlüssig) mit der Mutter 22a der Mutter/ Spindelanordung 22 drehfest verbunden ist. An der Innenwand des Ringzylinders 40a des Rotors 40 sind den freien Enden der Polschuhe 28a, 28b; 28a' 28b' gegenüberliegend unter Bildung eines Luftspaltes 42 Seltenerden-Magnete 44, 44' mit ihrer radial außen liegenden Seite jeweils an einem Ring 46, 46' aus Eisenblech angeordnet. Dabei sind die Magnete 44, 44' so dimensioniert und angeordnet, daß sie mit einem Polschuh 28a, 28b; 28a' 28b" fluchten.
Die mit den eine Statorwicklung umgebenden Polschuhen fluch- tende Magnete, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander an dem Rotor angeordnet sind, haben eine abwechselnde magnetische Orientierung.
Die Mutter 22a der Mutter/Spindelanordung 22 ist in einem an dem Schenkel 10' des Bremssattels 10 angeformten Flansch 48 drehbar aber in axialer Richtung unverschiebbar gelagert. Über Kugeln 22b ist die Mutter 22a mit der Spindel 22c gekoppelt, wobei die Spindel 22c sich bei einer Drehung der Mutter 22a in Längsrichtung bewegt und dabei über eine Druckplatte 52 den Bremsbelag 14 in Richtung auf die Bremsscheibe 16 bzw. von ihr wegschiebt.
Die Erfindung ist mit 1-, 2-, oder 3-Phasenmotoren realisierbar, wobei für Mehrphasenmotoren - wie in Fig. 2b für einen 2-Phasenmotor gezeigt - zwei koaxial nebeneinander angeordnete ringförmige Statorwicklungen vorgesehen sind. Hierbei sind die an den Stirnseiten einer Statorwicklung angeordneten Polschuhe gegenüber den Polschuhen einer benachbarten Statorwicklung in Umfangsrichtung versetzt angeordnet und die Magnete einer Statorwicklung sind entlang des Umfangs des Rotors an der selben Position (also nicht zueinander versetzt) ange- ordnet. Anstatt die Polschuhe in Umfangsrichtung zu versetzen, können auch die Magnete versetzt werden und die Polschuhe benachbarter Statorwicklungen haben die gleiche Position entlang des Umfangs des Stators.