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Die Erfindung betrifft Betriebsbremsen für Fahrzeugräder mit elektromechanischen
Bremsbetätigungen und mindestens einem mitgeführten Speicher für elektrische
Energie.
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Elemente dieser Erfindung sind aus der EP 0 458 005 A1 bekannt. Hier sind
Generatoren an einer einkuppelbaren, vom Fahrzeugmotor angetriebenen und parallel
zur Antriebswelle liegenden Welle angeordnet, um die kinetische Energie des
Fahrzeuges in elektrische Energie umzuwandeln. Hierbei wird die Kupplung erst bei
gleichmäßiger Fahrt des Fahrzeuges eingekuppelt und damit die Energieumwandlung
gestartet. Die elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert und wird bei hohem
Energiebedarf, wie z. B. beim Einschalten des Fernlichtes, zur Verfügung gestellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, Betriebsbremsen für
Fahrzeugräder mit elektromechanischen Bremsbetätigungen zu schaffen, die auch bei
Ausfall der Hauptbatterie des Fahrzeuges ein sicheres Funktionieren der Bremsen und
anderer sicherheitsrelevanter Baugruppen gewährleistet.
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Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu sind
im Bereich der Fahrzeugräder und/oder im Bereich des Antriebsstranges Generatoren
angeordnet. Die Generatoren sind unter Zwischenschaltung mindestens einer
elektrischen Baugruppe mit den radseitigen elektromechanischen Bremsbetätigungen
und anderen Energieverbrauchern verbunden.
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Beim Rollen des Fahrzeuges wird in den Generatoren Strom induziert, der z. B. in einem
Akkumulator gespeichert wird. Bei Ausfall der Hauptstromversorgung, z. B. durch
Versagen der Hauptbatterie, der Lichtmaschine, des Fahrzeugmotors, etc. übernimmt
dieser Akkumulator die Stromversorgung der jeweiligen elektromechanischen
Bremsbetätigung und weiterer Verbraucher. Das mit einer elektromechanischen Bremse
ausgerüstete Fahrzeug kann bis zum Stillstand abgebremst werden. Hiermit ist diese
sicherheitsrelevante Funktion auch bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung
gewährleistet.
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Zur Speicherung der Energie ist ein Akkumulator mit nur geringer Kapazität erforderlich,
denn der während des Rollens des Fahrzeuges induzierte Strom kann direkt zur
Betätigung der Bremse und der anderen z. B. sicherheitsrelevanten Funktionen wie z. B.
der Lenkkraftunterstützung verwendet werden. Das System ist zuverlässig, da während
des Rotation der Räder oder der Antriebswelle immer Energie zur Verfügung gestellt
wird. Somit ist der für das Bordnetz erforderliche Aufwand gering. Das Bordnetz kann
z. B. auch mit einer Spannung betrieben werden, die höher ist als die Ausgangsspannung
des Akkumulators.
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Werden mehrere Generatoren und/oder Akkumulatoren am Fahrzeug angeordnet,
können diese untereinander redundant sein. So kann zum Beispiel ein Generator mit
einer elektrischen Baugruppe pro Rad angeordnet sein, wobei die elektrischen
Baugruppen miteinander gekoppelt sind. Beim Ausfall eines Generators wird dann die
Stromversorgung z. B. der Bremsbetätigung durch einen anderen Generator
gewährleistet.
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Ist der Akkumulator aufgeladen, wird dieser bei weiterer Strominduktion nur gepuffert
und die überschüssige Energie z. B. in Wärme umgewandelt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der
nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.
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Fig. 1 Rad mit einer elektromechanischer Betriebsbremse und einem Generator.
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Die Fig. 1 zeigt ein angetriebenes Fahrzeugrad (1) mit einer elektromechanisch
betätigten Scheibenbremse (10), deren Bremsscheibe (12) zusätzlich die Funktion des
Rotors eines stromerzeugenden Generators (60) hat.
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Das Fahrzeugrad (1) ist über einen Radträger (5) am - nicht dargestellten -
Fahrzeugaufbau gelagert und geführt. Im Zentrum des Radträgers (5) sitzt eine z. B.
mittels eines Patronenlagers (7) gelagerte Radnabe (6). Am Flansch der Radnabe (6)
sind die Bremsscheibe (12) und eine einen Reifen (2) tragende Felge (3) befestigt.
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Am Radträger (5) ist eine Betätigungsvorrichtung (20) der Scheibenbremse (10) sowie
der Stator (64) des Generators (60) angeordnet. Die Betätigungsvorrichtung (20) der
Scheibenbremse (10) ist in der oberen Hälfte der Fig. 1 dargestellt, der Generator (60)
ist in der unteren Hälfte der Fig. 1 zu sehen.
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Die Scheibenbremse (10) umfasst u. a. eine Antriebseinheit (22), eine
Bremssattelfaust (41), ein Druckstück (31), zwei Rückenplatten (35, 45) sowie zwei
Bremsbeläge (36, 46). Hierbei sind die Bremsbeläge (36, 46) einander gegenüberliegend
an den beiden axialen Seiten der Bremsscheibe (12) angeordnet. Sie stützen sich über je
eine Rückenplatte (35, 45) an der Bremssattelfaust (41) bzw. am Druckstück (31) ab.
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Die Bremssattelfaust (41) ist am Radträger (5) befestigt und umgreift die
Bremsscheibe (12). In der Bremssattelfaust (41) ist die Antriebseinheit (22) angeordnet.
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Die Antriebseinheit (22) umfasst u. a. einen hier nicht dargestellten Elektromotor, der über
ein zweistufiges Getriebe das Druckstück (31) verstellt. Die erste Getriebestufe ist ein
Schneckenradgetriebe (23, 24), die zweite Stufe ein Gewindespindeltrieb (25, 31).
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Der Elektromotor treibt die Schnecke (23) des Schneckenradgetriebes (23, 24) an. Das
Schneckenrad (24) sitzt auf der Gewindespindel (25) des Gewindespindeltriebes (25,
31). Die Gewindespindel (25) trägt ein Außengewinde, das über ein Innengewinde des
Druckstücks (31) dieses antreibt.
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Die Gewindespindel (25) ist in zwei Wälzlagern (26, 27) gelagert, die auf beiden Seiten
des Schneckenrades (24) angeordnet sind. Die Außenringe der Wälzlager (26, 27) sitzen
in einem Antriebsgehäuse (49). Letzteres ist am Radträger (5) befestigt und umgibt das
Schneckenradgetriebe (23, 24).
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Das in der Bremssattelfaust (41) geführte Druckstück (31) hat an seiner Außenseite eine
Führungsnase (33), mit der es in einer an der Bremssattelfaust (41) angeordneten
Führungsnut (43) in Querrichtung zur Bremsscheibe (12) geführt wird.
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Bei Betätigung der Scheibenbremse (10) dreht der Elektromotor über das
Schneckenradgetriebe (23, 24) die Gewindespindel (25). Hierdurch wird das
Druckstück (31) beispielsweise nach links verschoben und die Bremsbeläge (36, 46)
kommen zur Anlage an der Bremsscheibe (12).
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Zum Lösen der Scheibenbremse (10) dreht der Elektromotor in die Gegenrichtung. Das
Druckstück (31) wird beispielsweise nach rechts geschraubt und die Bremsbeläge (36,
46) lösen sich von der Bremsscheibe (12).
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Der Generator (60) umfasst mehrere beispielsweise am Umfang der Bremsscheibe (12)
angeordnete Permanentmagnete und mindestens eine durch einen Spalt (65) hiervon
getrennte nicht rotierende Spule (63) sowie hier nicht dargestellte elektrische Leitungen
und weitere elektrische Baugruppen. Die Permanentmagnete sind beispielsweise in der
Bremsscheibe (12) integriert und stehen seitlich nicht über diese über. Am Umfang der
Bremsscheibe (12) wechseln sich beispielsweise positive und negative Pole der
Permanentmagneten ab. Die Permanentmagnete können z. B. außerhalb der Zone der
Bremsscheibe (12) angeordnet sein, die beim Bremsen von den Bremsbelägen (36, 46)
kontaktiert wird.
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Die beispielsweise in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Spule (63) ist am Stator (64) im
Radträger (5) angeordnet. Sie umgreift beispielsweise den Rand der Bremsscheibe (12)
im Bereich der Permanentmagneten. Im Bereich radial zur Bremsscheibe (12) liegt die
Spule (63) beispielsweise in Nuten des Stators (64).
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An die Spulen (63) sind die elektrischen Leitungen angeschlossen. Diese verbinden die
Spulen (63), ggf. unter Zwischenschaltung elektrischer Bauelemente, mit einem
Stromspeicher, beispielsweise einer Batterie oder einem Akkumulator.
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Bei der Rotation des Rades (1) mit der Bremsscheibe (12) rotieren die auf der
Bremsscheibe (12) angeordneten Permanentmagneten mit der Drehzahl des Rades (1).
In der einzelnen Spule (63) ändert sich hierbei die Richtung und die Stärke des die
Spule (63) durchdringenden Magnetfeldes. In der Spule (63) wird ein Strom induziert, der
über die elektrischen Leiter abgeleitet wird. Beispielsweise über eine
Gleichrichterschaltung lädt dieser Strom als Ladestrom einen mit dem Fahrzeug
mitgeführten Speicher, z. B. einen Akkumulator. Selbst bei niedriger Raddrehzahl
entsteht so ein Ladestrom für den Akkumulator.
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Im Fahrzeug ist der Elektromotor der Bremsbetätigung (20) der einzelnen
Scheibenbremse (10) beispielsweise sowohl an die Fahrzeugbatterie als auch diesen
Akkumulator angeschlossen.
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Beim Betrieb des Fahrzeuges bewirkt beispielsweise ein Druck auf das Bremspedal ein
z. B. pedalwegproportionales oder progressives Verfahren des Druckstückes (31). Der
Elektromotor dreht die Schnecke (23) so lange, bis das Druckstück (31) seine
vorgesehene Lage zum Erzielen einer bestimmten Bremsverzögerung erreicht hat. Der
Elektromotor bleibt stehen und dreht die Schnecke (23) erst wieder bei einer Änderung
der Stellung des Bremspedals. Im Normalbetrieb wird hierbei der Elektromotor von der
Fahrzeugbatterie gespeist.
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Bei Ausfall der Fahrzeugbatterie oder beispielsweise bei nicht eingeschalteter Zündung
erfolgt die Stromversorgung des Elektromotors vom Akkumulator bzw. direkt vom
Generator (60) aus. Der Akkumulator dient hierbei als eine Art Notspeicher. Da die zur
Betätigung der Bremse erforderliche Energie gering ist, wird daher nur ein Akkumulator
geringer Kapazität benötigt.
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So kann das Fahrzeug in einem solchen Fall trotz Ausfall der Bordstromversorgung bis
zum Stillstand abgebremst werden. Ggf. kann das Bremsen durch den Generator (60)
unterstützt werden, indem beispielsweise an die Spule (63) eine äußere Spannung, z. B.
die Ausgangsspannung des Akkumulators angelegt wird.
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Der bei einem geladenen Akkumulator weiterhin durch den Generator (60) induzierte
Strom wird beispielsweise an einem Widerstand oder an einer Gruppe von Widerständen
in Wärme umgewandelt.
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Die Scheibenbremse (10) kann z. B. innenbelüftet sein. Hiermit wird ein Wärmestau an
der Bremsscheibe (12) vermieden, was u. a. die Lebensdauer der Permanentmagnete
des Generators (60) erhöht.
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Ein einzelner Generator (60) kann an jedem Rad (1) angeordnet sein, es können aber
auch Generatoren (60) achsweise betrieben werden. Auch können diese zwischen
anderen rotierenden und nichtrotierenden Bauteilen des Fahrzeuges angeordnet sein,
z. B. an einer Antriebswelle des Fahrzeuges und hier z. B. am Getriebeausgang. Auch
Kombinationen der verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten sind denkbar.
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Hierbei können sowohl die Magneten, die z. B. als Elektromagnete ausgeführt sind,
rotieren und die Spulen (63) nicht rotierend angeordnet sein, als auch die Spulen (63)
rotierend und die Magnete nicht rotierend sein.
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Das Laden des Akkumulators kann sowohl ständig als auch intermittierend erfolgen, z. B.
sobald die Kapazität des Akkumulators unter einen Schwellenwert abgefallen ist. Hierfür
können z. B. statt der Permanentmagnete Spulen als Elektromagnete eingesetzt werden,
die nur bei Bedarf von einem Gleichstrom durchflossen werden und dann als Magnete
wirken.
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Das beschriebene System kann auch bei einer elektrohydraulischen Bremse eingesetzt
werden, deren Hydraulikkolben mit Hilfe von Drucköl verstellt wird, das mittels eines
Elektromotors gefördert wird.
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Die Bremsbetätigung (20) ist nicht auf den Typ der Scheibenbremse beschränkt, sondern
kann auch bei anderen Bremsentypen eingesetzt werden.
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Die Bremsbetätigung (20) kann mit verschiedenen Elektromotor-Getriebekombinationen
ausgeführt sein. Auch der Einsatz eines Linearantriebes ist denkbar.
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An den Akkumulator können auch andere Energieverbraucher, wie z. B. ein elektrischer
Antrieb für die Lenkkraftunterstützung, ein Retarder, die Warnblinkanlage, etc.
angeschlossen werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Rad, Fahrzeugrad
2 Reifen
3 Felgen
4 Felgenschüssel
5 Radträger
6 Radnabe
7 Patronenlager
10 Scheibenbremse
12 Bremsscheibe
20 Betätigungsvorrichtung, Bremsbetätigung
22 Antriebseinheit
23 Schnecke
24 Schneckenrad
25 Gewindespindel
26 Wälzlager
27 Wälzlager
31 Druckstück
33 Führungsnase
35 Rückenplatte
36 Bremsbelag
41 Bremssattelfaust
43 Führungsnut
45 Rückenplatte
46 Bremsbelag
49 Antriebsgehäuse
60 Generator
63 Spule
64 Stator
65 Spalt