DE102006002254B3

DE102006002254B3 - Selbstverstärkende Bremse mit Nockenelement

Info

Publication number: DE102006002254B3
Application number: DE200610002254
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Baier-Welt; Lars Emmel; Stefan Pfeiffer; Hendrik Powileit; Marcel Rigorth; Gerhard Schmitt; Mathias WÜRGES; Heinrich Zuber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2026-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremse (1), insbesondere für Fahrzeuge. Erfindungsgemäß ist ein drehbares Nockenelement (6) vorgesehen, das sich einerseits reibschlüssig und/oder formschlüssig ein einem Kontaktpunkt (15) an einem Reibglied (4) und andererseits an einem Widerlager abstützt. Das Nockenelement (6) ist derart ausgeformt, dass das Reibglied (4) bei Rotation des Nockenelements (6) sowohl in Richtung abzubremsendem Bauteil (2) als auch parallel hierzu verstellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstverstärkende Bremse, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß den Patentansprüchen 1 und 2.
Selbstverstärkende Bremsen umfassen üblicherweise einen elektrisch betätigten Aktuator, der ein Reibglied mit Reibbelag gegen ein abzubremsendes Element, wie z. B. eine Bremsscheibe drückt bzw. davon löst. Dabei wird das Reibglied durch die kinetische Energie des abzubremsenden Elements mitgenommen und verstärkt die Bremswirkung selbsttätig (Selbstverstärkung).

Selbstverstärkende Bremsen sind üblicherweise als Keilbremsen mit einem Keilelement realisiert. Eine solche Keilbremse ist z. B. in der DE 198 19 564 C2 beschrieben. Das Keilelement ist in der Regel so dimensioniert, dass der Tangens des Keilwinkels α etwa einem zu erwartenden Reibwert μ_opt zwischen Reibglied und abzubremsendem Element entspricht, also die Bedingung μ_opt. = tan(α) zumindest näherungsweise erfüllt ist. In diesem Idealfall ist nämlich die vom Aktuator aufzubringende Kraft gleich Null.

Der Reibwert zwischen Reibglied und abzubremsendem Element ist jedoch nicht konstant, sondern abhängig von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie z. B. Nässe, Schmutz, Rost, Temperatur (sog. Fading), etc.. In der Praxis sind daher bei sehr kleinen oder sehr großen Reibwerten verhältnismäßig hohe Aktuatorkräfte notwendig, um das Keilelement zu verstellen.

Die DE 101 54 178 84 beschreibt eine verbesserte Keilbremse, bei der die Keilfläche des Keilelements in mindestens zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei der Keilwinkel α zu Beginn der Bremsbetätigung, also in einem ersten Abschnitt der Keilfläche größer ist als in einem zweiten Abschnitt. Hierdurch ist die Selbstverstärkung im zweiten Abschnitt der Keilfläche höher als im ersten Abschnitt, so dass insbesondere bei niedrigem Reibwert höhere Bremskräfte erzielt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Bauform einer selbstverstärkenden Bremse vorzuschlagen, bei der sich der Grad der Selbstverstärkung während der Betätigung der Bremse verändert.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, das Reibglied mittels eines drehbaren Elements, das am Reibglied angreift, entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zu führen, wobei das Reibglied bei einer Drehung des drehbaren Elements sowohl senkrecht als auch parallel zum abzubremsenden Bauteil verstellt wird. Die dabei auftretenden Kräfte werden vorzugsweise von einem Widerlager aufgenommen, an dem sich das drehbare Element abstützt. Eine solche Bremse mit drehbarem Element hat den wesentlichen Vorteil, dass auch bei extrem niedrigen oder hohen Reibwerten verhältnismäßig kleine Aktuatorkräfte erforderlich sind, um das Reibglied zu verstellen.

Das drehbare Element kann beispielsweise als ein schwenkbarer Arm ausgebildet sein, der am Reibglied befestigt ist und das Reibglied entlang einer kreisförmigen Bewegungsbahn um eine Drehachse des Arms mitnimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das drehbare Element ein Nockenelement, insbesondere ein Exzenter, das bzw. der auf einer korrespondierenden Abrollfläche des Reibglieds abrollt. Die Form des Nockenelements, insbesondere die Krümmung der Umfangskontur, sowie die Form der Abrollfläche bestimmen dabei die Verstärkungs-Charakteristik und die Dynamik der Bremse. Beide Parameter können applikationsspezifisch nach Wunsch ausgewählt werden.

Die Umfangskontur des Nockenelements ist vorzugsweise symmetrisch ausgebildet.

Das Nockenelement kann reibschlüssig, ist aber vorzugsweise formschlüssig, z. B. mittels einer Verzahnung, mit dem Reibglied verbunden. Während einer Zuspannbewegung rollt das Nockenelement auf einer Abrollfläche des Reibglieds ab, wobei sich das Nockenelement und die Abrollfläche an einem in Richtung der Drehachse wandernden Kontaktpunkt berühren.

Der Aktuator ist bevorzugt elektrisch betätigt. Er kann grundsätzlich entweder am Reibglied oder am drehbaren Element angreifen. Vorzugsweise ist die Bremse so ausgelegt, dass der Aktuator am Reiblied angreift und dieses etwa parallel zum abzubremsenden Bauteil verstellt. Das drehbare Element wird in diesem Fall vorzugsweise nicht separat angetrieben.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, mehrere Nockenelemente in einer Bremse vorzusehen, die auf dasselbe oder mehrere Reibglieder wirken. Vorzugsweise sind unterschiedliche Nockenbremsen zum Bremsen des abzubremsenden Elements bei einer Bewegung in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung vorgesehen. Die Nockenbremsen können auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Seiten des abzubremsenden Elements angeordnet sein.

Das Nockenelement ist bevorzugt derart ausgelegt, dass eine Drehung des Nockenelements um einen vorgegebenen Winkel am Anfang des Bremsvorgangs einen größeren Verstellhub des Reibglieds in Zuspannrichtung bewirkt als am Ende des Bremsvorgangs. Dadurch kann das Lüftspiel zwischen Reibglied und abzubremsendem Bauteil am Anfang des Bremsvorgangs schneller überwunden werden. Die Dynamik der Bremse kann, wie erwähnt, durch spezielle Auswahl der Form des Nockenelements sowie der Form bzw. Ausrichtung der Abrollfläche bestimmt werden.

Ein Kontaktpunkt zwischen dem drehbaren Element und dem Reibglied liegt zu Beginn eines Bremsvorgangs vorzugsweise unter einem Winkel α von etwa 20°-25°, und gegen Ende des Bremsvorgangs unter einem Winkel von etwa 10°-18° gegenüber einer senkrecht auf die Reibfläche des abzubremsenden Elements stehenden Normalen.

Das Nockenelement hat vorzugsweise eine von einer Kreisform abweichende, insbesondere elliptische, Umfangskontur. Das Nockenelement muss nicht, kann jedoch exzentrisch drehbar gelagert werden. Im Falle eines Exzenters ist dessen Umfangskontur vorzugsweise kreisförmig.

Es ist auch denkbar, dass das Nockenelement keinen stetigen Umfangskonturverlauf aufweist, sondern beispielsweise an einer Stelle abgewinkelt ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung des Nockenelements kann zur Realisierung einer Notbremsfunktion eingesetzt werden, bei der sich der Winkel α schlagartig ändert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Drehachse des Nockenelements gleichzeitig ein Widerlager, das die beim Bremsen wirkenden Kräfte aufnimmt. Wahlweise könnte auch eine Abstützfläche vorgesehen sein, an der sich das Nockenelement auf der dem Reibglied gegenüberliegenden Seite abstützt. Das Nockenelement rollt bei einer derart ausgestalteten Bremse sowohl auf der Abrollfläche des Reibglieds als auch auf der Abstützfläche des Widerlagers ab. Bevorzugt ist auch zwischen Abstützfläche und Nockenelement eine formschlüssige Verbindung vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Bremse umfasst vorzugsweise eine Belagverschleiß-Nachstelleinrichtung, mit der das Reibglied in Richtung des abzubremsenden Elements verstellt werden kann. Eine bevorzugte Nachstelleinrichtung kann beispielsweise einen Aktuator umfassen, der die Achse des drehbaren Elements in Richtung des abzubremsenden Bauteils (Normalrichtung) ver stellt. Verschiedenste andere Nachstelleinrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Reibglied einen Reibbelag und eine Druckplatte mit Abrollfläche, an der das Nockenelement angreift. Der Reibbelag ist vorzugsweise auswechselbar an der Druckplatte befestigt.

Die Abrollfläche des Reibglieds erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Reibfläche des abzubremsenden Elements. Es ist jedoch auch möglich, die Abrollfläche nicht-parallel, beispielsweise schräg in Bezug auf das abzubremsende Bauteil anzuordnen, oder die Abrollfläche gekrümmt auszubilden. Dadurch können die Brems-Charakteristik und die Dynamik der Bremse – ebenso wie durch die Gestalt des Nockenelements – beeinflusst werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bremse mit Exzenter in einer gelösten Position:
2 die Bremse gemäß 1, wobei das Reibglied an der Bremsscheibe anliegt,
3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Bremse mit einem elliptischen Nockenelement, wobei die Bremse geöffnet ist;
4 die Bremse gemäß 3 im zugespannten Zustand und
5 den Verlauf der Aktuatorkraft F über dem Stellhub für eine herkömmliche Keilbremse sowie für eine erfindungsgemäße Bremse mit Nockenelement bei unterschiedlichen Reibwerten.
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 und 2 zeigt eine Exzenter-Scheibenbremse 1 für ein Kraftfahrzeug, wobei sich die Bremse 1 in 1 in der geöffneten und in 2 in der zugespannten Position befindet. Die Bremse 1 umfasst ein Reibglied 4, das in einer Normalrichtung 5, senkrecht zu einer Bremsscheibe 2 verstellbar ist. Die Bewegungsrichtung der Bremsscheibe 2 ist durch den Pfeil 3 symbolisiert.
Die Bremse 1 umfasst ferner ein Nockenelement 6, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel als kreiszylinderförmiger Exzenter ausgebildet ist, der um eine exzentrisch angeordnete Achse 12 drehbar ist. An seinem Außenumfang ist das Nockenelement 6 mit einer Verzahnung 7 versehen, die mit einer komplementären Verzahnung 8 des Reibgliedes 4 zusammenwirkt. Bei einer Drehung des Nockenelements 6 rollt dieses auf der Abrollfläche 9 des Reibglieds 4 ab. Das Reibglied 4 bewegt sich dabei sowohl in Zustellrichtung 5 als auch parallel zur Bremsscheibe 2 in einer Stellrichtung 18.
Zur Betätigung der Bremse 1 kann entweder das Nockenelement 6 oder das Reibglied 4 angetrieben werden. Als Stellantrieb ist vorzugsweise ein Elektromotor (nicht gezeigt) vorgesehen. Die bei einem Bremsvorgang wirkenden Kräfte sind mit F_spann für die Normalkraft und F_reib für die Reibkraft bezeichnet.
Kraftverstärkung und Dynamik der Bremse 1 sind bei der gegebenen Anordnung abhängig von der Position des Nockenelements 6 bzw. dem Winkel α zwischen einer Normalen 17 und einer Geraden 16, die die Drehachse 12 und einen Kontaktpunkt 15 schneidet. Dabei gilt prinzipiell: je kleiner der Winkel α, desto größer die Verstärkung der Bremse 1. Der Winkel α ist hier vergleichbar mit dem Keilwinkel einer Keilbremse (Keilprinzip). Zusätzlich zu „Keilverstärkung" kommt noch die Selbstverstärkung der Bremse 1 aufgrund des Eingangs beschriebenen Mitnahmeeffekts hinzu.
Das Nockenelement 6 bzw. dessen Drehachse 12 ist an einem Widerlager 14 gelagert, das hier symbolisch dargestellt ist.
Das Reibglied 4 umfasst eine Druckplatte 10, an der ein Reibbelag 11 befestigt ist, der die Bremsscheibe 2 abbremst. Auf der dem Reibglied 4 gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 2 kann ein weiteres Reibglied vorgesehen werden. Die Reibglieder sind vorzugsweise Teil eines Bremssattels (nicht gezeigt).
2 zeigt einen Zustand, in dem die Bremse 1 zugespannt ist und das Reibglied 4 mit dem Bremsbelag 11 an der Bremsscheibe 2 anliegt. Der Exzenter 6 hat sich dabei ausgehend von 1 um einen vorgegebenen Winkel gedreht und der Kontaktpunkt 15 gleichzeitig in Richtung der Normalen 17 bewegt, wie am kleineren Winkel α zu erkennen ist.
In den 3 und 4 ist eine alternative Bauform einer Bremse 1 gezeigt, wobei sich die Bremse 1 in 3 wiederum in der geöffneten und in 4 in der zugespannten Position befindet. Das Nockenelement 6 ist hier in Form einer symmetrischen Ellipse gebildet, die an ihrem Außenumfang eine Verzahnung 7 aufweist. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 und 2 stützt sich das Nockenelement 6 an einer der Bremsscheibe 2 gegenüberliegenden verzahnten (21) Fläche 20 ab, die in diesem Fall das Widerlager bildet.
Bei einer Drehbewegung um die Drehachse 12 rollt das Nockenelement 6 auf der Abstützfläche 20 und der Abrollfläche 9 ab. Dabei stellt sich das Nockenelement 6 auf, wodurch der Reibbelag 11 an die Bremsscheibe 2 gedrückt und von dieser mitgenommen wird. Mit zunehmender Drehbewegung verkleinert sich wiederum der Winkel α, wodurch die Kraftverstärkung zunimmt.
In 5 ist die Betätigungskraft F des Aktuators über dem Zustellhub s für unterschiedliche Reibwerte μ in Form eines Diagramms dargestellt. Die Geraden-Kennlinien beziehen sich dabei auf eine bekannte Keilbremse und die gekrümmten Kennlinien auf eine Bremse mit Nockenelement (Nockenbremse), wie sie in den 1-4 beispielhaft dargestellt ist. Die Kennlinien der Keilbremse sind außerdem mit dem Zusatz „keil" und die Kennlinien der Nockenbremse mit dem Zusatz „exc" Versehen. Die Indizes „min", „ist", „max" beziehen sich auf den Reibwert μ zwischen Reibbelag 11 und dem abzubremsenden Bauteil 2, der bei Betrieb der Bremse zwischen diesen Werten schwanken kann. Dabei entspricht μ_min einem niedrigen Reibwert, μ_ist einem durchschnittlich zu erwartenden Reibwert und μ_max einem hohen Reibwert.
Wie aus dem Verlauf der Kennlinien zu entnehmen ist, hat die Nockenbremse gegenüber der bekannten Keilbremse folgende Vorteile: Die Nockenbremse zeigt insbesondere zu Beginn einer Bremsbetätigung (kleine Werte s) eine höhere Dynamik (schnelleres Ansprechverhalten) als die Keilbremse. Dies ergibt sich aus der größeren Steigung der Kennlinien bei kleinen Werten s. Darüber hinaus benötigt die Nockenbremse im Bereich großer Verstellwege s (Vollbremsung) kleinere Betätigungskräfte F als die Keilbremse. Insbesondere sind bei extremen Reibwerten μ_max, μ_min und großem Verstellhub s betragsmäßig wesentlich kleinere Betätigungskräfte F erforderlich als bei der herkömmlichen Keilbremse. Dadurch können schwächer ausgelegte und somit kleinere Aktuatoren verwendet werden.

Claims

Selbstverstärkende Bremse (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Reibglied (4), das mittels eines Aktuators gegen die Reibfläche eines abzubremsenden Elements (2) gedrückt bzw. davon gelöst werden kann, wobei die Bremse (1) ein drehbares Element (6) in Form eines Exzenters umfasst, das am Reibglied (4) angreift und dieses während einer Drehbewegung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn, parallel (18) und senkrecht (5) zur Reibfläche des abzubremsenden Elements (2) führt, und ein Widerlager (14, 20) vorgesehen ist, an dem sich das drehbare Element (6) abstützt, wobei das Widerlager (14) von der Drehachse (12) des drehbaren Elements (6) gebildet wird.
Selbstverstärkende Bremse (1), insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Reibglied (4), das mittels eines Aktuators gegen die Reibfläche eines abzubremsenden Elements (2) gedrückt bzw. davon gelöst werden kann, wobei die Bremse (1) ein drehbares Element (6) in Form einer Ellipse umfasst, das am Reibglied (4) angreift und dieses während einer Drehbewegung entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn, parallel (18) und senkrecht (5) zur Reibfläche des abzubremsenden Elements (2) führt, und ein Widerlager (14, 20) vorgesehen ist, an dem sich das drehbare Element (6) abstützt, wobei das Widerlager (20) von einer auf der dem Reibglied (4) gegenüberliegenden Seite angeordneten Abstützfläche (20) gebildet wird.
Selbstverstärkende Bremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (6) ein Nockenelement ist.
Selbstverstärkende Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibglied (4) auf seiner dem drehbaren Element (6) zugewandten Seite eine Abrollfläche (9) aufweist, auf der das Element (6) während einer Drehbewegung abrollt.
Selbstverstärkende Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (6) formschlüssig mit dem Reibglied (4) verbunden ist.
Selbstverstärkende Bremse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (6) und das Reibglied (4) jeweils eine Verzahnung (7, 8) aufweisen, die ineinander greifen.
Selbstverstärkende Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Element (6) und das Reibglied (4) derart ausgelegt und angeordnet sind, das ein Winkel (α) zwischen einer Normalen (17) und einer Geraden (16), die eine Drehachse (12) des drehbaren Elements (6) und einen Kontaktpunkt (15) mit dem Reibglied (4) schneidet, bei einer Zuspann-Bewegung der Bremse (1) kleiner wird.
Selbstverstärkende Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Belagverschleiß-Nachstelleinrichtung vorgesehen ist.
Selbstverstärkende Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibglied (4) einen Reibbelag (11) und eine dem drehbaren Element (6) zugewandte Druckplatte (10) aufweist, wobei auf der Druckplatte (10) eine Abrollfläche (8) vorgesehen ist.