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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Betriebs- und Feststellbremse, insbesondere
für Kraftfahrzeuge,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine
Betriebs- und Feststellbremse ist aus der WO 2004/041 608 bekannt.
Die bekannte Betriebs- und Feststellbremse ist eine hydraulische Kraftfahrzeugbremse
in Bauform einer Scheibenbremse. Sie weist einen hydraulisch beaufschlagbaren
Bremskolben auf, mit dem ein Reibbremsbelag zum Bremsen gegen eine
Bremsscheibe drückbar ist.
Allgemeiner ausgedrückt
bildet die Bremsscheibe einen drehbaren und zu bremsenden Bremskörper. Eine
Betriebsbremsung erfolgt in üblicher
Weise durch hydraulische Beaufschlagung des Bremskolbens.
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Zur
Feststellung weist die bekannte Betriebs- und Feststellbremse ein
Schraubgetriebe in Bauform eines Spindeltriebs auf, dessen Mutter
am Bremskolben angebracht ist und dessen Spindel drehbar und axial
fest in einem Bremssattel abgestützt
ist. Das Schraubgetriebe weist ein nicht selbsthemmendes Gewinde
auf, so dass die Mutter bei einer Bremsbetätigung die Spindel in Drehung
versetzt. Die Spindel ist mit einem Zahnrad versehen, das mit einem
Arretierstift feststellbar ist. Der Arretierstift wird mit einem
Elektromagneten betätigt,
der zusammen mit dem Arretierstift und dem Zahnrad eine Arretierungseinrichtung
für die
Spin del und das Schraubgetriebe bildet. Zur Betätigung als Feststellbremse
wird die bekannte Betriebs- und Feststellbremse betätigt und
in betätigtem
Zustand arretiert.
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Die
bekannte Betriebs- und Feststellbremse weist ein Tellerfederpaket
auf, das einen Feder- oder Energiespeicher bildet. Das Tellerfederpaket
beaufschlagt die axiale Abstützung
der Spindel des Schraubgetriebes oder es ist zwischen dem Bremskolben
und dem Reibbremsbelag angeordnet. Zu einer Feststellbremsung wird
das Tellerfederpaket durch Betätigung
der Betriebs- und Feststellbremse vorgespannt, bevor die Spindel
des Schraubgetriebes mit der Arretierungseinrichtung festgestellt
wird. Eine Federkraft des vorgespannten Tellerfederpakets drückt den
Reibbremsbelag auch bei druckloser Betriebs- und Feststellbremse
gegen den Reibbremsbelag und hält
dadurch die aufgebaute Bremskraft als Feststellbremskraft aufrecht.
Das Tellerfederpaket gleicht thermische Längenänderungen der bekannten Betriebs-
und Feststellbremse aus, die beim Abkühlen der Betriebs- und Feststellbremse
nach Abstellen eines Fahrzeugs auftreten und ohne das Tellerfederpaket
zu einem Abbau der Feststellbremskraft führen können. Das Tellerfederpaket
stellt eine ausreichende Feststellbremskraft bei Abkühlen der Betriebs-
und Feststellbremse sicher.
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Das
Tellerfederpaket der bekannten Betriebs- und Feststellbremse ist
im Ausgangszustand, d. h. bei unbetätigter Bremse, so stark vorgespannt, dass
es während
einer Betriebsbremsung nicht verformt wird. Dadurch ist bei einer
Betriebsbremsung kein Hydraulikvolumen zur Verformung des Tellerfederpakets
notwendig. Allerdings muss für
eine Feststellbremsung das Tellerfederpaket mit einem Hydraulikdruck
beaufschlagt werden, der höher
als der maximale Hydraulikdruck während einer Betriebsbremsung
ist, um das Tellerfederpaket für
die Feststellbremsung vorzuspannen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Betriebs-
und Feststellbremse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist wie
die bekannte Betriebs- und Feststellbremse einen Energiespeicher
auf, der den Reibbremsbelag im Sinne einer Bremsbetätigung beaufschlagt.
Erfindungsgemäß ist der
Energiespeicher zu- und abschaltbar. Zur Betriebsbremsung wird bzw.
ist der Energiespeicher der erfindungsgemäßen Betriebs- und Feststellbremse
abgeschaltet, die Betriebsbremsung wird nicht vom Energiespeicher
beeinflusst. Für
die Feststellbremsung wird oder ist der Energiespeicher zugeschaltet
und bewirkt eine Feststellbremskraft. Der zugeschaltete Energiespeicher
verhindert ein Lösen
der Betriebs- und Feststellbremse beispielsweise durch Abkühlen nach
Abstellen eines Fahrzeugs.
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Vorteil
der Erfindung ist, dass der Energiespeicher dadurch, dass er zu-
und abschaltbar ist, nur mit der Energie oder Vorspannung beaufschlagt werden
muss, die zur Feststellbremsung notwendig ist. Eine Energieeinspeicherung
oder Vorspannung, die über
die maximale Betriebsbremskraft hinausgeht, ist nicht notwendig.
Trotzdem beeinflusst der Energiespeicher, weil er abschaltbar ist,
nicht eine Betriebsbremsung, während
einer Betriebsbremsung wird bei abgeschaltetem Energiespeicher keine
Energie ein- oder ausgespeichert.
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Die
erfindungsgemäße Betriebs-
und Feststellbremse ist insbesondere als elektromechanische Bremse
und/oder in Bauform einer Scheibenbremse vorgesehen. Elektromechanisch
bedeutet, sie weist eine elektromechanische Betätigungseinrichtung auf. Auch
andere Bauformen als Scheibenbremsen, beispielsweise eine Trommelbremse,
sind möglich.
Die erfindungsgemäße Betriebs-
und Feststellbremse kann eine Selbstverstärkungseinrichtung aufweisen. Es
sind beispielsweise mechanische Selbstverstärkungseinrichtungen mit einem
Keil- oder Rampenmechanismus bekannt. Auch beispielsweise eine hydraulische
Selbstverstärkungseinrichtung
ist möglich.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch
1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsformen
näher erläutert. Die
beiden Figuren zeigen Schaltbilder zweier Ausführungsformen der Erfindung.
Die Zeichnungen sind als vereinfachte Darstellungen zum Verständnis und
zur Erläuterung
der Erfindung zu verstehen.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in 1 dargestellte erfindungsgemäße Betriebs- und Feststellbremse 1 ist
als Scheibenbremse mit einem quer zu einer Bremsscheibe 2 verschieblichen,
in der Zeichnung nicht dargestellten Bremssattel (sog. Schwimmsattel)
ausgebildet. Sie weist einen Reibbremsbelag 3 auf, der
zum Bremsen gegen die Bremsscheibe 2 drückbar ist. Eine Reaktionskraft
verschiebt den nicht dargestellten Bremssattel quer zur Bremsscheibe 2 und
drückt
dadurch einen ebenfalls nicht dargestellten zweiten Reibbremsbelag,
der auf der gegenüberliegenden
Seite der Bremsscheibe 2 im Bremssattel angeordnet ist,
gegen die gegenüberliegende
Seite der Bremsscheibe 2. Dies ist dem Fachmann geläufig und
braucht deswegen hier nicht näher
erläutert
werden.
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Der
Reibbremsbelag 3 ist an einem Belagträger 4 angebracht,
der mit einem Schraubgetriebe 5 quer zur Bremsscheibe 2 beweglich
ist. In der dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist das Schraubgetriebe 5 ein Spindeltrieb
mit einer drehfest und axial verschieblichen Mutter 6 und
einer drehend antreibbaren Spindel 7. Es ist auch eine
Umkehrung mit einer drehend antreibbaren Mutter und einer dadurch
axial verschieblichen Spindel möglich
(nicht dargestellt). Durch drehenden Antrieb der Spindel 7 wird
die Mutter 6 und mit ihr der Belagträger 4 und der Reibbremsbelag 3 quer
zur Bremsscheibe 2 verschoben. Auf diese Weise ist der
Reibbremsbelag 3 gegen die Bremsscheibe 2 drückbar, die
dadurch gebremst wird.
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Die
Spindel 7 stützt
sich mit einem Axiallager 8 drehbar im nicht dargestellten
Bremssattel ab. Das Schraubgetriebe 5, das Teil einer noch
zu erläuternden
Be tätigungseinrichtung
der Betriebs- und Feststellbremse 1 ist, ist auf diese
Weise direkt gegen die Andruckkraft des Reibbremsbelags 3 gegen
die Bremsscheibe 2 im Bremssattel abgestützt. Weitere, noch
zu erläuternde
Teile der Betriebs- und Feststellbremse werden auf diese Weise nicht
von der zum Bremsen aufgebrachten Andruckkraft des Reibbremsbelags 3 gegen
die Bremsscheibe 2 beaufschlagt.
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Der
drehende Antrieb der Spindel 7 erfolgt mittels eines Elektromotors 9,
der ein Tellerrad 10 eines Tellerradgetriebes 11 antreibt.
Das Tellerrad 10 ist drehfest mit einem Differenzial 12,
das mit dem Tellerrad 10 drehend antreibbar ist. Das Tellerrad 10 und
das Differenzial 12 sind koaxial zur Spindel 7 des Schraubgetriebes 5 angeordnet.
Ein zur Spindel 7 koaxialer Abtrieb 13 des Differenzials 12 durchsetzt das
Tellerrad 10 koaxial und ist drehfest mit der Spindel 7.
Zu einer Betriebsbremsung wird mit dem Elektromotor 9 das
Tellerrad 10 und mit diesem das Differenzial 12 und
die Spindel 7 drehend angetrieben und dadurch der Reibbremsbelag 3 quer
zur Bremsscheibe 2 verschoben und gegen diese gedrückt. Der Elektromotor 9,
das Tellerradgetriebe 11 mit dem Tellerrad 10,
das Differenzial 12 und das Schraubgetriebe 5 bilden
eine elektromechanische Betätigungseinrichtung 5, 9, 10, 11, 12 der
erfindungsgemäßen Betriebs-
und Feststellbremse 1.
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Koaxial
zum Abtrieb 13 und diesem gegenüber weist das Differenzial 12 einen
weiteren An- und Abtrieb 14 auf. Der zusätzliche
An- und Abtrieb 14 ist mit einer Bremse feststellbar. Für die dargestellte Ausführungsform
der Erfindung ist eine (Elektro-)Magnetbremse 15 gewählt worden.
Die Magnetbremse 15 kann monostabil oder bistabil sein.
Monostabil bedeutet, sie ist stromlos entweder betätigt oder
gelöst und
wird in der jeweils anderen Stellung durch Bestromung ihres Elektromagneten
gehalten. Bistabil bedeutet, dass die Magnetbremse 15 stromlos
sowohl in der betätigten
als auch der gelösten
Stellung bleibt und nur zum Umschalten bestromt wird, wobei die
Bestromung zum Betätigen
und zum Lösen
umgekehrt wird. Derartige Magnetbremsen 15 sind bekannt
und brauchen des wegen an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
Konstruktiv können
sie wie Magnetkupplungen ausgeführt
sein.
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Der
weitere An- und Abtrieb 14 des Differenzials 12 ist
mit einem zweiten Schraubgetriebe 16 verbunden, das eine
Spindel 17 und eine Mutter 18 aufweist. Ein Gewinde
des zweiten Schraubgetriebes 16 weist eine große Gewindesteigung
auf und ist nicht selbsthemmend, so dass durch eine Axialbewegung
der Mutter 18 die Spindel 17 in Drehung versetzt
werden kann. Die Mutter 18 ist axial verschieblich und
drehfest gehalten. Sie wird axial von einem Tellerfederpaket 19 beaufschlagt,
das allgemein auch als Federelement bezeichnet werden kann. Anstelle
des dargestellten Tellerfederpakets 19 ist beispielsweise
auch eine Schraubendruck- oder -zugfeder möglich (nicht dargestellt).
Das Tellerfederpaket 19 und das zweite Schraubgetriebe 16 bilden
einen Energiespeicher 20, der wegen der Verwendung des Federelements
bzw. Tellerfederpakets 19 auch als Federspeicher bezeichnet
werden kann. Grundsätzlich
sind auch andere Energiespeicher, beispielsweise ein Gasdruckspeicher,
möglich,
der ebenfalls als Federspeicher aufgefasst werden kann (nicht dargestellt).
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Das
Einspeichern von Energie in den Energiespeicher 20 erfolgt
durch Vorspannen des Tellerfederpakets 19 mittels des Elektromotors 9.
Der Elektromotor 9 wird bestromt und treibt wie bereits
beschrieben über
das Tellerradgetriebe 11 das Differenzial 12 und über dieses
die Spindel 7 des ersten Schraubgetriebes 5 an,
so dass der Reibbremsbelag 3 gegen die Bremsscheibe 2 gedrückt wird.
Lässt sich
die Mutter 6 des ersten Schraubgetriebes 5 wegen
der Anlage des Reibbremsbelags 3 an der Bremsscheibe 2 nicht
weiter verschieben, hält
sie die Spindel 7 und mit ihr den Abtrieb 13 des
Differenzials 12 an. Das Differenzial 12 wird
weiterhin über
das Tellerradgetriebe 11 mit dem Elektromotor 9 drehend angetrieben. Über den
An- und Abtrieb 14 wird bei gelöster Magnetbremse 15 die
Spindel 17 des zweiten Schraubgetriebes 16 in
Drehung versetzt und verschiebt die Mutter 18, die das
Tellerfederpaket 19 vorspannt. Nach dem Einspeichern von
Energie in den Energiespeicher 20 durch Vorspannen des
Tellerfederpakets 19 wird die Magnetbremse 15 betätigt und
dadurch die Spindel 17 des zweiten Schraubgetriebes 16 sowie
der An- und Abtrieb 14 des Differenzials 12 drehfest
gehalten, d. h. festgestellt. Die Scheibenbremse 1 wird
gelöst
indem der Elektromotor 9 mit umgekehrter Drehrichtung angetrieben
wird. Das Einspeichern von Energie in den Energiespeicher 20 erfolgt
bei stehendem Fahrzeug.
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Die
erfindungsgemäße Betriebs-
und Feststellbremse 1 wird wie bereits beschrieben mit
der elektromechanischen Betätigungseinrichtung,
die den Elektromotor 9, das Tellerradgetriebe 11,
das Differenzial 12 und das erste Schraubgetriebe 5 umfasst,
als Betriebsbremse betätigt.
Der Energiespeicher 20 ist durch die betätigte Magnetbremse 15 abgeschaltet.
Die Magnetbremse 15 bildet eine Arretierungseinrichtung
zum Feststellen des Energiespeichers 20 zum Zwecke des
Abschaltens des Energiespeichers 20.
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Zur
Verwendung als Feststellbremse wird die Betriebs- und Feststellbremse 1 wie
beschrieben betätigt
und bei betätigter
Bremse wird die Magnetbremse 15 gelöst. Dadurch wird der Energiespeicher 20 zugeschaltet.
Das vorgespannte Tellerfederpaket 19 beaufschlagt die Mutter 18 des
zweiten Schraubgetriebes 16 axial. Die axial verschiebliche
und drehfeste Mutter 18 bewirkt über das nicht selbsthemmende
Gewinde des zweiten Schraubgetriebes 16 ein Drehmoment
an dessen Spindel 17, das sich über das Differenzial auf die
Spindel 7 des ersten Schraubgetriebes 5 fortsetzt.
Auf diese Weise bewirkt der Energiespeicher 20 ein Drehmoment
in Zuspannrichtung am ersten Schraubgetriebe 5 in Betätigungsrichtung
der Betriebs- und Feststellbremse 1, das den Reibbremsbelag 3 gegen
die Bremsscheibe 2 drückt
und bei stromlosem Elektromotor 9 hält. Der Energiespeicher 20 verhindert,
dass sich die Betriebs- und Feststellbremse 1 beispielsweise
bei Abkühlung
nach Abstellen eines Fahrzeugs durch thermische Längenänderungen
entspannt und löst.
Der Energiespeicher 20 hält die Feststellbremskraft
aufrecht.
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Das
Differenzial 12 bildet ein Verteilergetriebe, das ein Antriebsmoment
des Elektromotors 9 auf das erste Schraubgetriebe 5 zur
Betätigung
der Betriebs- und Feststellbremse 1 und auf den Energiespeicher 20 zum
Speichern von Energie durch Vorspannen des Tellerfederpakets 19 verteilt. Über das das
Verteilergetrie be bildende Differenzial 12 ist der Energiespeicher 20 zum
Speichern von Energie und zum Aufrechterhalten oder Erzeugen der
Feststellbremskraft zu- und abschaltbar. Anstelle des Differenzials 12 ist
beispielsweise auch ein nicht dargestelltes Planetengetriebe als
Verteilergetriebe verwendbar. Auch ein schaltbares Verteilergetriebe
ist anstelle des Differenzials 12 verwendbar (nicht dargestellt).
Solche Verteilergetriebe sind dem Fachmann an sich bekannt und brauchen
deswegen hier nicht erläutert
werden. Energie ist wie beschrieben mit dem Elektromotor 9,
dem Tellerradgetriebe 11 und dem das Verteilergetriebe
bildenden Differenzial 12 der elektromechanischen Betätigungseinrichtung der
Betriebs- und Feststellbremse 1 in den Energiespeicher 20 speicherbar.
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Eine Überwachung
des Energiespeichers 20 ist durch Messung der Stromaufnahme
des Elektromotors 9 beim Speichern von Energie in den Energiespeicher 20,
wahlweise durch eine direkte oder indirekte Längenmessung des Tellerfederpakets 19 oder eine
Rotationsmessung der Spindel 17 möglich. Solange sich die Teile
des Energiespeichers 20 nicht bewegen, ist die zuvor eingespeicherte
Energie noch gespeichert.
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Die
in 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Betriebs- und Feststellbremse 21 ist
ebenfalls als Scheibenbremse ausgebildet. Sie weist einen Kugelrampenmechanismus 22 zum
Drücken
eines Reibbremsbelags 23 gegen eine Bremsscheibe 24 auf.
Der Kugelrampenmechanismus 22 weist zwei koaxial und parallel
zueinander sowie mit geringem Abstand voneinander angeordnete kreisförmige Scheiben 25 auf,
in deren einander zugewandten Stirnflächen Kugelrinnen 26 angebracht
sind. Die Kugelrinnen 26 verlaufen in Umfangsrichtung und
weisen eine Steigung in einer Umfangsrichtung auf, d. h. die Kugelrinnen 26 werden
in der einen Umfangsrichtung flacher. Die Kugelrinnen 26 erstrecken
sich über
ein Bruchteil einer vollen Umdrehung in Umfangsrichtung. In den
Kugelrinnen 26 sind Kugeln 27 als Wälzkörper aufgenommen, über die
sich die Scheiben 25 des Kugelrampenmechanismus 22 axial
gegeneinander abstützen.
Werden die beiden Scheiben 25 gegeneinander verdreht, wälzen die
Kugeln 27 in den Kugelrinnen 26 und drücken die beiden
Scheiben 25 dadurch axial auseinander. Auf diese Weise
wird der Reibbremsbelag 23 zur Betätigung der Betriebs- und Feststellbremse 21 gegen
die Bremsscheibe 24 gedrückt.
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Der
Drehantrieb des Kugelrampenmechanismus 22 erfolgt mittels
eines Elektromotors 28, an den ein nicht dargestelltes
Untersetzungsgetriebe angeflanscht sein kann. Der Elektromotor 28 und
der Kugelrampenmechanismus 22 bilden eine elektromechanische
Betätigungseinrichtung
der Betriebs- und Feststellbremse 21.
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Zwischen
dem Elektromotor 28 und dem Kugelrampenmechanismus 22 ist
eine Magnetkupplung 29 angeordnet, die zur Betätigung der
Betriebs- und Feststellbremse 21 als Betriebsbremse eingerückt ist.
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Auf
einer Welle 30, die den Elektromotor 28 und die
Magnetkupplung 29 verbindet, ist eine Torsionsfeder 31 angeordnet.
Ein Ende der Torsionsfeder 31 ist fest mit der Welle 30 verbunden,
das andere Ende der Torsionsfeder 31 ist fest mit einem
Kupplungsausgang 32 der Magnetkupplung 29 verbunden.
Der Kupplungsausgang 32 ist fest oder jedenfalls drehfest
mit einem Eingang des Kugelrampenmechanismus 22 verbunden.
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Zum
Vorspannen der Torsionsfeder 31 wird die Magnetkupplung 29 gelöst und die
Betriebs- und Feststellbremse 21 mit dem Elektromotor 28 in
Löserichtung
beaufschlagt. Da ein Drehwinkel des Kugelrampenmechanismus 22 begrenzt
ist, dreht sich der mit dem Kugelrampenmechanismus 22 drehfeste Kupplungsausgang 32 nicht
mit, sondern hält
das an ihm angebrachte Ende der Torsionsfeder 31 drehfest. Die
Drehung des Elektromotors 28 spannt die Torsionsfeder 31 vor.
Ist die Torsionsfeder 31 ausreichend vorgespannt, wird
die Magnetkupplung 29 eingerückt und dadurch die Welle 30 drehfest
mit dem Kupplungsausgang 32 verbunden. Die Vorspannung
der Torsionsfeder 31 wird dadurch aufrecht erhalten. Die Torsionsfeder 31 bildet
einen Energiespeicher der Betriebs- und Feststellbremse 21.
Die Magnetkupplung 29 bildet eine Arretierungseinrichtung
zum Feststellen des Energiespeichers.
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Zur
Betätigung
als Feststellbremse wird die Betriebs- und Feststellbremse 21 wie
beschrieben mittels des Elektromotors 28 betätigt. In
betätigtem Zustand
wird die Magnetkupplung 29 ausgerückt, so dass das Federmoment
der Torsionsfeder 31 den Kupplungsausgang 32 und
mit diesem den Kugelrampenmechanismus 22 in Betätigungsrichtung
der Betriebs- und Feststellbremse 21 beaufschlagt. Die Torsionsfeder 31 erhält die Feststellbremskraft
der Betriebs- und Feststellbremse 21 aufrecht und verhindert,
dass sich die Betriebs- und Feststellbremse 21 beispielsweise
in Folge von thermischen Längenänderungen
bei Abkühlung
nach Abstellen eines Fahrzeugs entspannt und löst. Mit der Magnetkupplung 29 lässt sich
die Torsionsfeder 31, die den Energiespeicher der Betriebs-
und Feststellbremse 21 bildet, zu- und abschalten. Ist
die Magnetkupplung 29 eingerückt und der von der Torsionsfeder 31 gebildete
Energiespeicher somit abgeschaltet, beeinflusst die Torsionsfeder 31 nicht
die Betriebsbremsung. Die Energie wird bei der Betriebs- und Feststellbremse 21 aus 2 ebenso
wie bei der Betriebs- und
Feststellbremse 1 aus 1 mittels
des Elektromotors 28 durch Vorspannen der Torsionsfeder 31 bzw.
des Tellerfederpakets 19 gespeichert. Eine Überwachung der
Energiespeicherung kann außer
durch eine Messung der Stromaufnahme des Elektromotors 28 beim Vorspannen
der Torsionsfeder 31 durch eine Rotationsmessung erfolgen
(nicht dargestellt).