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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen linearen mechanischen Aktuator
für die
Bremsvorrichtung eines motorisierten Fahrzeuges.
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Es
sind Bremsvorrichtungen bekannt, die mit linearen elektromechanischen
Aktuatoren ausgerüstet
sind, wobei diese Aktuatoren einen elektrischen Motor und eine Getriebeanordnung
umfassen, die die Drehbewegung des Rotors des elektrischen Motors
in eine lineare Bewegung eines Ausgangselements umwandeln, das eine
Bremskraft auf eine Bremszange ausübt. In manchen Fällen werden
zu diesem Zweck Kugelgewindegetriebe verwendet, die dazu geeignet
sind, hohe Bremskräfte
zu generierend, weil sie hohe Leistungen anbieten.
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Diese
Kugelgewindegetriebe sind jedoch nicht dazu geeignet, die Feststellbremse
bzw. die Handbremse zu betätigen.
Für die
Feststellbremsen ist in der Tat notwendig, dass der Aktuator arretierbar bzw.
feststellbar ist, d. h. dazu geeignet, die Bremskraft solange auszuüben, bis
der Aktuator in die Gegenrichtung betätigt wird, um die Bremsen loszulassen.
Zu diesem Zweck werden Schrauben mit Reiberschluss verwendet (auch
bekannt unter dem englischen Begriff "friction screws"). Das Dokument WO-A-00/070237 betrifft
eine verstellbare Bremse, die durch einen Aktuator betätigt wird,
der eine Schraube mit Reiberschluss umfasst, die eine Schraube und
eine Mutter enthält,
die dazu geeignet sind, relativ zueinander gedreht zu werden, um
damit die Abnutzung der Bremsbeläge
auszugleichen.
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Da
die "friction screws" wegen ihrer hohen Reibung
eine niedrige Leistung aufweisen, sind diese nicht dazu geeignet,
hohe Bremskräfte
zu generieren, um die Bremsfunktion auszuüben.
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Deswegen
ist es zur Zeit vorgesehen, den Bremsen eines Fahrzeuges zwei verschiedene
Aktuatoren zuzuführen,
von denen einer für
die normale Bremsfunktion vorgesehen ist, während der andere für die Feststellbremse
vorgesehen ist.
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Ein
allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen einzelnen
elektromechanischen Aktuator zu schaffen, dessen Maß kompakt
ist und der dazu geeignet ist, sowohl die normale Bremsfunktion
als auch die Funktion einer Feststellbremse zu gewährleisten.
Insbesondere ist es gewünscht,
einen Aktuator zu schaffen,
- – der vollständig reversibel
für die
normale Bremsfunktion ist, d. h. der dazu geeignet ist, unmittelbar zurück in eine
passive Stellung zu gehen, in der keine Bremskraft ausgeübt wird,
und zwar sobald keine Bremsfunktion mehr benötigt ist;
- – der
Aktuator soll aber auch arretierbar für die Feststellbremse sein,
d. h. er muss dazu geeignet sein, die Bremskraft solange auszuüben, bis
die Bremse losgelassen wird.
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Ein
weiteres besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen
elektromechanischen Aktuator zu schaffen, der dazu geeignet ist,
sich selbst zu verstellen, um die zunehmende Abnutzung der Bremsbeläge auszugleichen,
so dass, bei Bedarf, die höchste
Bremskraft ausgeübt
wird, unabhängig
von der Abnutzung der Bremsbeläge.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile, die im Folgenden besser erläutert werden,
werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch einen elektromechanischen Aktuator erreicht, der
die in den Ansprüchen
definierten Merkmale aufweist.
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Im
Folgenden werden die strukturellen und funktionellen Merkmale einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert,
wobei die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene bevorzugte
Ausführungsform
beschränkt ist.
Es wird Bezug auf die beigefügten
Figuren genommen; insbesondere zeigt in den Figuren:
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1 und 2 zwei
Längsschnitte
eines erfindungsgemäßen Aktuators
in jeweils zwei unterschiedlichen Betriebsstellungen;
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Schraubvorrichtung des in den 1 und 2 dargestellten
Aktuators;
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4 einen
Längsschnitt
der in 3 dargestellten Schraubvorrichtung;
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines Details von 4;
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6A und 6B zwei
schematische Querschnitte gemäß der Ebene
VI von 5 in jeweils zwei unterschiedlichen Betriebsstellungen
der Schraubvorrichtung.
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Bezugnehmend
zuerst auf die 1 und 2 zeigt
Bezugnummer 10 im Allgemeinen einen elektromechanischen
Aktuator gemäß der vorliegenden
Erfindung, der dazu dient, eine Bremszange (in den Figuren nicht
gezeigt) eines motorisierten Fahrzeugs zu betätigen. Der Aktuator 10 umfasst
einen einzigen elektrischen Motor, der einen Stator 11 und einen
Rotor 12 aufweist, wobei der Rotor dazu dient, eine rohrförmige Manschette 14 einer
Schraubvorrichtung mittels einer Getriebeanordnung zu drehen, wobei
diese Schraubvorrichtung mit der Bezugnummer 15 gezeigt
ist. Die Schraubvorrichtung wandelt die Drehbewegung des Rotors 12 des
elektrischen Motors in eine lineare Verschiebungsbewegung von zwei
sich aus dem Aktuator ausstreckenden Ausgangselementen 16 und 17 um,
wie es im Folgenden näher
erläutert
wird. In dem in den Figuren dargestellten Beispiel umfasst die Getriebeanordnung 13 Planetenräder 18,
die drehbar auf axialen Stiften 19 angebracht sind, wobei
diese Stifte 19 von einem Satellitenträger 20 gehalten werden,
der zusammen mit dem Rotor 12 drehbar ist; die Planetenräder 18 greifen
in ein festes Zahnrad 21 und in einen Zahnflansch 22 ein,
der auf der rohrförmigen
Manschette 14 verkeilt ist.
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Die
Schraubvorrichtung 15 umfasst eine Einheit mit Kugelgewindetrieb,
der dazu dient, die Bremse für
die normale Bremsfunktion zu betätigen,
sowie eine Vorrichtung mit Reibeschluss (oder "friction screw"), die dazu dient, die Feststellbremse
zu betätigen.
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Die
Einheit mit Kugelgewindetrieb besteht aus der Manschette 14,
der rohrförmigen,
koaxial um die Manschette 14 angebrachten Mutter 23 und
aus Kugeln 24, die zwischen der Manschette 14 und
der Mutter 23 angeordnet sind. Die Mutter 23 wird
von einer Büchse 25 des
Gehäuses
des Aktuators axial verschiebbar gehalten und weist eine in Axialrichtung orientierte
Rille auf (in den Figuren nicht gezeigt), in den ein Vorsprung (in
den Figuren nicht gezeigt) des Gehäuses eingreift, um somit die
Drehung der Mutter um ihre eigene Verschiebungsachse X zu vermeiden. Ein
Abschnitt der in axialer Richtung orientierten Aussparung der Mutter 23 weist
eine schraubenförmige Rille 26 auf,
die als äußere radiale
Aufnahme für
die Kugeln 24 des Kugelgewindetriebs dient; im Gegensatz
dazu besteht die innere radiale Aufnahme für die Kugeln aus einer entsprechenden
schraubenförmigen
Rille 27, die in der äußeren Fläche der
Manschette 14 angefertigt ist.
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Die
Schraube mit Reibeschluss besteht aus derselben Manschette 14 und
aus einer Reibeschraube 17, die koaxial innerhalb der Manschette aufgenommen
und mit dieser durch ein Gewinde mit sägenzahnförmigen Gewindegängen gekoppelt
ist, wobei dieses Gewinde gegensinnig zu dem der Einheit mit Kugelgewindetrieb
ausgebildet ist. Die Schraube 17 weist einen verbreiterten
Kopf 17a und einen Schaft auf, der in zwei Teile 17b und 17c durch einen
axialen Einschnitt 17d geteilt ist (siehe 4). Wie
in den 6A und 6B dargestellt
ist, ist das Quermaß der
Schraube auf den gegenüberliegenden Seiten,
auf denen der Einschnitt 17d axial geöffnet ist, geringer; das kann
z. B. durch zwei gegenüberliegende
und parallel verlaufende ebene Flächen verwirklicht sein. Wie
es im Folgenden näher
erläutert wird,
sind die zwei Teile 17b und 17c elastisch verbiegbar,
und zwar auf eine bezüglich
dem Einschnitt 17d senkrecht liegenden Ebene, um sich somit
in Richtung der Achse X einander anzunähern.
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Der
Kopf 17a ist koaxial verschiebbar in einem becherförmigen Teil 16 aufgenommen,
der entweder fest verbunden oder einstückig mit der Mutter 23 ausgebildet
ist. Weiterhin sind Antidrehungsmittel vorgesehen, wie z. B. in
axialer Richtung orientierte Rillen, die zwischen dem Kopf 17a und
dem Teil 27 angefertigt sind, um somit Drehungen der Schraube 17 zu
vermeiden.
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Um
die normale Bremsfunktion auszuüben, funktioniert
der Aktuator wie folgt. Wenn die Bremse betätigt wird (durch Drücken des
Bremspedals) dreht der elektrische Motor die Schraubvorrichtung 15 mittels
der Getriebeanordnung 13. Die Manschette 14 wird
in die in 1 durch den Pfeil A gezeigte
Drehrichtung gedreht und schiebt somit durch den Kugelgewindetrieb
die Mutter 23 nach außen,
wie es durch die Pfeile B gezeigt ist. Der becherförmige Teil 16 wirkt
auf die Bremszange ein und betätigt
diese auf eine an sich bekannten Weise mit einer hohen Bremskraft,
die auf die hohe Leistung des Kugelgewindetriebs zurückzuführen ist.
Die innere Reibeschraube 17 bewegt sich gleichzeitig in
die Gegenrichtung, weil ihr Gewinde gegensinnig zu dem des Kugelgewindetriebs
ausgebildet ist, und zieht sich zurück in den Aktuator hinein (siehe
Pfeil C). Sobald das Bremspedal losgelassen wird, geht der Aktuator automatisch
in seine Ausgangsposition zurück
und zwar wegen der elastischen Energie, die sowohl in der Bremszange
als auch in den anderen Teilen des Aktuators gespeichert wurde,
und auch wegen der niedrigen Reibungskraft des Kugelgewindetriebs. Während des
Bremsens bleiben die Verluste, die auf die Reibungskraft der Schraube 17 zurückzuführen sind,
unerheblich, weil es keine Belastung gibt, die in axialer Richtung
auf die Schraube ausgeübt
wird.
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Wenn
die Feststellbremse betätigt
wird, aktiviert der elektrische Motor die Schraubvorrichtung 15 und
zwar in Gegenrichtung (siehe 2). Die
Drehung der Manschette 14 in die durch den Pfeil D gezeigte
Drehrichtung bewirkt ein Zurückziehen
der Mutter 23 nach innen (siehe Pfeile E). Gleichzeitig bewegt
sich die Reibeschraube 17 nach außen (siehe Pfeil F), um somit
die Bremse zu betätigen.
Aufgrund des hohen Reibungskoeffizienten (z. B. ungefähr 0,16)
ist die Bewegung der Reibeschraube 17 nicht reversibel.
Nachdem die Feststellbremse betätigt
wurde, wird die Bremskraft weiter ausgeübt und zwar auch, wenn der
elektrische Motor nicht mit Strom versorgt wird. Es ist zu beachten,
dass die Strecke der Kraftwirkung durch den Aktuator minimal ist
und nur die Schraubvorrichtung 15 und ein axiales Kugellager 28 betrifft.
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In 4 ist
die Null-Position bzw. die Ausgangsposition der Schraubvorrichtung 15 dargestellt, wenn
die Bremsen losgelassen werden.
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Um
die Bremsbeläge
wirksam zu betätigten, ist
es notwendig, dass das Ausgangselement des Aktuators, in diesem
Fall bestehend aus der Mutter 23 mit dem becherförmigen Teil 16 und
aus der Schraube mit Reibeschluss 17, entlang einer in
axialer Richtung orientierten Strecke bewegt wird, die ungefähr 2 mm
lang ist.
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Um
eine wirksame Bremsfunktion trotz der zunehmenden Abnutzung der
Bremsbeläge
zu gewährleisten,
ist es notwendig, diese Abnutzung auszugleichen, indem die Mutter
und die Schraube mit Reibeschluss auf eine in axialer Richtung entferntere Stelle
verschoben werden. Wie es bekannt ist, muss die Position der maximalen
Erstreckung dieser Betätigungselemente
der Position entsprechen, in der die maximale Bremskraft ausgeübt wird.
Die Schraubvorrichtung 15 verstellt automatisch die Position
der Mutter 23 und der Schraube mit Reibeschluss 17 in Abhängigkeit
der Abnutzung der Bremsen; die Art und Weise wie das geschieht,
wird im Folgenden näher
erläutert.
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Sobald
die Bremse bis zum Ende betätigt wird,
bewegt sich die Mutter 23 nach außen, während die Schraube 17 sich
zurück
nach innen zieht (siehe 1). Der verbreiterte Kopf 17a der
Schraube kommt zum Anschlag gegen einen in radialer Richtung orientierten
Schulterteil 23a (in den 2 und 4 dargestellt)
der Mutter. Aufgrund der zunehmenden Abnutzung der Bremsbeläge wird
es irgendwann passieren, dass die maximale Bremskraft nicht mehr
ausgeübt
wird, obwohl die Mutter 23 maximal verschoben ist (sie he 1).
Die Mutter verschiebt sich weiter, um die Bremsbeläge komplett
gegen die Bremsscheibe zu drücken
und, aufgrund des Anschlags der Flächen 17a und 23a,
bewegt bzw. zieht sie die Schraube 17 mit, um damit diese
tendenziell aus der Manschette 14 herauszuziehen. Aufgrund sowohl
der Orientierung des Gewindes mit sägezahnförmigen Gewindegängen als
auch der Biegsamkeit der Teile oder Arme 17b, 17c,
und auch aufgrund der Bewegung der Schraube 17 entlang
der am wenigsten geneigten Seiten des Gewindes, biegen sich die
zwei Arme 17b, 17c und nähern sich aneinander an, wie
es in den 5 und 6B durch die
Pfeile G gezeigt ist. Sobald die gegenseitige in axialer Richtung
orientierte Bewegung größer als
die Steigung des Gewindes wird, verschiebt sich in axialer Richtung
die gegenseitige Position der Teile mit Gewinde, und zwar so, dass
die Positionsverschiebung der Steigung in einem einzelnen Gewindegang entspricht.
Demzufolge erreichen die Mutter 23 und die Schraube 17 Ausgangspositionen,
die in axialer Richtung weiter nach außen versetzt sind oder sich weiter
vorne gegenüber
der Manschette 14 befinden, so dass diese in der Lage sind,
entsprechende Positionen zu erreichen, in denen diese vollständig verschoben
sind und in denen die maximale Bremskraft ausgeübt wird.
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Es
ist zu beachten, dass die Orientierung des Gewindes mit sägenzahnförmigen Gewindegängen dazu
dient, die Schraube 17 nicht gleiten zu lassen, weil sonst
diese in die Manschette 14 wieder hineingehen würde. Das
Funktionsprinzip ist ähnlich
wie das einer Sperrklinke, mit der eine Rückverschiebung (nach innen)
vermieden wird, während
eine Verschiebung nach außen
ermöglicht
wird. Die in den 6A und 6B dargestellten
seitlich angeordneten ebenen Flächen
dienen dazu, die Bereiche mit Gewinden der Arme 17b und 17c aus
dem inneren Gewinde der Manschette 14 herauszulösen, und zwar
wenn die Schraubvorrichtung die oben genannte automatische Verstellung
durchführt.
Aus demselben Grund weist der Abschnitt des Schafts der Schraube 17,
der sich nahe an dem Ausgangsbereich des Aktuators befindet, kein
Gewinde auf (siehe 4).
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Zu
beachten ist, dass der Aktuator gemäß der vorliegenden Erfindung
es erlaubt, die in der Einführung
der Beschreibung erwähnten
Ziele zu erreichen und nutzt außerdem
die Kraft des eigenen elektrischen Motors in beide Drehrichtungen:
in einer Drehrichtung wird der normale Bremsevorgang durchgeführt (siehe
Pfeil A in 1), während in der Gegendrehrichtung
der Feststellbremsvorgang durchgeführt wird (siehe Pfeil D in 2).
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Es
muss beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die
mit Bezug auf die Figuren beschriebene Ausführungsform beschränkt ist, die
im Gegenteil nur als Beispiel des Aktuators zu betrachten ist; vielmehr
sind Änderungen
möglich,
die z. B. die Form und die Anordnung von Bestandteilen wie auch
Konstruktion und Funktionsdetails betreffen, wie dies dem Fachmann
klar sein wird.