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Die
Erfindung betrifft eine Fahrzeugbremse mit einem elektromagnetischen
Betätigungsmechanismus
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Bekannte
Fahrzeugbremsen umfassen einen Reibbelag, der mittels eines Aktuators
gegen die Reibfläche
eines abzubremsenden Elements, wie z. B. einer Bremsscheibe, gedrückt werden
kann. Um den beim Bremsen auftretenden Verschleiß der Bremsbeläge zu kompensieren,
sind Bremsen mit Bremsbelag-Nachstelleinrichtungen
bekannt.
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Darüber hinaus
sind aus dem Stand der Technik Bremsen bekannt, die eine Notlösefunktion aufweisen.
Insbesondere bei selbst verstärkenden Keilbremsen
kann es dazu kommen, dass der aktive Bremskeil vom abzubremsenden
Element zu stark mitgenommen wird und die Bremse dadurch blockiert.
Um dies zu verhindern, werden Radbremsen mit integrierter Notlösevorrichtung
gebaut, mittels derer sich der aktive Keil schlagartig von der Bremsscheibe
lösen lässt.
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Aus
dem Stand der Technik sind ferner Fahrzeugbremsen mit einer Parkbremsfunktion
bekannt. Dadurch kann das Fahrzeug mit gespannter Bremse energielos
gehalten werden.
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Jede
der vorstehend genannten Zusatzfunktionen (Nachstell-, Notlöse- und
Parkbremsfunktion) benötigt
in der Regel einen eigenen Aktuator und eigene mechanische Komponenten.
Eine Fahrzeugbremse, die sämtliche
der genannten Funktionen umfasst, ist daher relativ komplex aufgebaut
und entsprechend teuer.
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fahrzeugbremse
zu schaffen, die sämtliche
der genannten Funk tionen bietet, jedoch wesentlich einfacher und
kostengünstiger
herstellbar ist. Diese Bremse sollte dabei insbesondere mit einem
einzigen Elektromotor auskommen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Fahrzeugbremse
mit einem elektromagnetischen Betätigungsmechanismus zu schaffen,
der eine Spindel umfasst, die wahlweise translatorisch (in Axialrichtung)
oder rein rotatorisch bewegbar ist und mit einem Reibglied der Bremse
kraftschlüssig
verkoppelt ist. Die Spindel wird von einem Elektromotor über ein
Getriebe angetrieben. Dadurch lassen sich die verschiedenen Zusatzfunktionen
mit nur einem einzigen Elektromotor realisieren.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung kann die Bremse z. B. ein im Pfad der Bremskraft angeordnetes
Keilelement umfassen, das gleichzeitig als Stellglied für die Nachstellfunktion, die
Notlösefunktion
als auch die Parkbremsfunktion dient. In diesem Fall ist die Spindel
vorzugsweise über
ein Gewinde mit dem Keilelement verbunden. Das Keilelement dient
im Wesentlichen dazu, die auf den Betätigungsmechanismus bzw. die
Spindel wirkende Kraft zu verringern. Wahlweise kann der Betätigungsmechanismus
auch direkt im Haupt-Kraftflusspfad der Bremskraft angeordnet sein.
In diesem Fall wirkt die gesamte Bremskraft auf die Spindel.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung umfasst der Betätigungsmechanismus außerdem ein
Zahnrad mit einem Innengewinde, das am Außenumfang der Spindel angeordnet
ist und ein Reibelement aufweist, das zur Erhöhung der Reibung zwischen Spindel
und Zahnrad dient, und einen Anker, der mit der Spindel drehfest,
aber in Axialrichtung beweglich verbunden ist. Die Spindel kann
somit relativ zum Anker in Axialrichtung bewegt werden. Das Zahnrad
ist ein Teil des Getrie bes und wird vom Elektromotor angetrieben.
Ferner ist eine elektrische Spule vorgesehen, die mit dem Anker
zusammen wirkt und den Anker wahlweise festhalten oder freigeben
kann. Um die gewünschten
Zusatzfunktionen, d. h. die Nachstell-, Notlöse- oder Parkbremsfunktion auszuführen, werden
der Elektromotor und die elektrische Spule je nach Situation unterschiedlich
betrieben, wie nachstehend noch erläutert werden wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Anker scheibenförmig gebildet. Die Spule, welche
mit dem Anker zusammen wirkt, ist vorzugsweise im oder nahe am Bremssattel
angeordnet. Im Normalbetrieb liegt der Anker vorzugsweise rückseitig
am Bremssattel an und kann mittels der Spule fixiert oder frei gegeben
werden.
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An
der Spindel ist vorzugsweise ein axialer Anschlag ausgebildet, der
in der Arbeitsposition am Anker zu liegen kommt. Wenn die Spindel
am Anker anliegt, werden axiale Kräfte, die auf die Spindel wirken,
auf den Anker übertragen.
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Auf
der dem Keilelement bzw. Reibglied abgewandten Seite (Rückseite)
des Zahnrades ist vorzugsweise ein Widerlager vorgesehen, gegen
das das Zahnrad bewegt werden kann. Bei dem Widerlager kann es sich
entweder um einen festen Anschlag oder um ein elastisches Widerlager
handeln, das z. B. eine Feder aufweist.
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Zur
Ausübung
der Parkbremsfunktion wird das Zahnrad mittels des Elektromotors
gegen das Widerlager bewegt. Der Anker wird dabei von der Spule
bzw. deren Feld fest gehalten, so dass die Spindel nicht rotieren
kann. Sobald das Zahnrad am Widerlager anliegt, wird eine Kraft
in Vorwärtsrichtung
auf die Spindel und den Keil bzw. das Reibglied der Bremse ausgeübt. Die
Bremse kann somit gespannt und in der gespannten Position gehalten
werden. Wegen der elastischen Eigenschaften der Feder ist diese
für die
Durchführung
der Parkbremsfunktion besser geeignet.
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Die
Bremse kann notausgelöst
werden, wenn der Stromfluss durch die Spule bei belasteter Bremse
unterbrochen wird. Die Unterbrechung kann entweder aktiv gesteuert
werden oder passiv, z. B. wegen eines Stromausfalls, entstehen.
Im Falle der aktiven Auslösung
ist vorzugsweise ein Schalter, wie z. B. ein Transistor, im Stromkreis
der Spule vorgesehen. Bei Unterbrechung des Stromkreises wird der Anker
frei gegeben, der dann unter der Last der Spindel nach hinten ausweicht.
Die Bremse wird somit schlagartig gelöst. Bei einem Stromausfall
erfolgt die gleiche Reaktion automatisch.
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Zur
Durchführung
der Parkbremsfunktion wird das Zahnrad wiederum mittels des Elektromotors
angetrieben. Im Unterschied zur Nachstellfunktion wird die Spule
des Ankers dabei nicht bestromt; der Anker kann sich somit in Rotationsrichtung
bewegen. Durch den Antrieb des Zahnrades wird die Spindel in Rotationsrichtung
mitgenommen und rotiert ebenfalls. Das System ist dabei so ausgelegt,
dass die Reibung zwischen Zahnrad und Spindel wegen des Reibelements
größer ist
als zwischen Anker und einem benachbarten Element (z. B. dem Bremssattel).
Durch die Rotation der Spindel wird das Keilelement bzw. das Reibglied
nach vorne oder hinten bewegt. Die Bremse kann somit gespannt, gehalten
und danach wieder gelöst
werden.
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Auf
der dem Keilelement bzw. Reibglied zugewandten Seite (Vorderseite)
des Zahnrades ist vorzugsweise ein Lager vorgesehen, das einen axialen
Anschlag für
das Zahnrad bildet. Dieses Lager verhindert insbesondere, dass sich
der Mechanismus zu weit nach vorne bewegt und die Bremse blockiert.
Zur Verringerung der Reibung zwischen diesem Axiallager und dem
Zahnrad kann beispielsweise ein Kugellager vorgesehen sein.
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Die
Spindel ist vorzugsweise an wenigstens einem Abschnitt in einem
Gleitlager gelagert, das eine translatorische Bewegung der Spindel
in Axialrichtung erlaubt. Im Bereich des Gleitlagers ist die Spindel
vorzugsweise gewindelos. Dadurch wird die Reibung bei einer translatorischen
Bewegung verringert.
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Das
genannte Gleitlager ist vorzugsweise im Bremssattel der Bremse ausgebildet.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform der
Erfindung ist auf der Rückseite
des Ankers ein zusätzliches
Axiallager vorgesehen, an dem sich der Anker abstützen kann.
Das zusätzliche
Axiallager ist vorzugsweise beweglich ausgebildet, so dass es im Falle
einer Notauslösung,
bei der sich der Anker zurückbewegt,
dem Anker ausweichen kann. Zur Betätigung des zusätzlichen
Axiallagers ist vorzugsweise eine weitere Spule bzw. ein Elektromagnet
vorgesehen, der das zusätzliche
Axiallager im Normalbetrieb gegen den Anker drückt. Bei einem Stromausfall
bzw. durch aktive Unterbrechung des Stromkreises kann sich das Axiallager
unter der Wirkung des Ankers zurück
bewegen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Fahrzeugbremse mit einem Betätigungsmechanismus
zur Ausführung
einer Nachstell-, Notlöse-
und Parkbremsfunktion;
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2 eine
seitliche Schnittansicht des Betätigungsmechanismus
in der Arbeitsposition; und
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3 eine
seitliche Schnittansicht des Betätigungsmechanismus
von 2 in der Parkbremsposition.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Fahrzeugbremse, die hier als
selbst verstärkende
Keilbremse realisiert ist. Die Keilbremse umfasst in bekannter Weise
eine bewegliche Keilplatte 24 mit einem Bremsbelag 7,
der mittels eines Aktuators (nicht gezeigt) gegen die Reibfläche einer
Bremsscheibe 8 gedrückt
bzw. von dieser gelöst
werden kann. Wenn die bewegliche Keilplatte 24 betätigt wird,
bewegt sie sich parallel und aufgrund der an ihrer Rückseite
befindlichen Keilflächen 25 gleichzeitig auch
in Richtung der Bremsscheibe 8 bzw. von dieser weg bewegt.
Die dabei auftretenden Bremskräfte werden
von einem Widerlager 5b aufgenommen, das korrespondierende
Keilflächen 27 aufweist.
Zwischen den Keilflächen 25 und 27 sind
mehrere Wälzkörper 26 angeordnet,
die im Wesentlichen zur Verringerung der Gleitreibung dienen. Der
gesamte Keilmechanismus 6 ist in einem Bremssattel 2 angeordnet,
der die Bremskräfte
aufnimmt.
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Die
Fahrzeugbremse umfasst ein weiteres Keilelement 1, das
im Hauptpfad der Bremskraft FB, in einem
mittleren Abschnitt des Widerlagers 5a, 5b angeordnet
ist. Bei Betätigung
des Keilelements 1 in Richtung des Pfeils A (nach links
oder rechts) kann die Bremse weiter gespannt bzw. gelöst werden.
Somit lassen sich in einfacher Weise verschiedene Zusatzfunktionen,
wie beispielsweise eine Belagverschleiß-Nachstellfunktion, eine Notlösefunktion
oder eine Parkbremsfunktion realisieren.
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Zur
Betätigung
des Keilelements 1 und Durchführung der genannten Funktionen
ist ein Betätigungsmechanismus 23 vorgesehen,
der in den 2 und 3 genauer
dargestellt ist.
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2 zeigt
einen Keil-Betätigungsmechanismus 23 für eine Fahrzeugbremse,
der zur Durchführung
einer Nachstell-, Notlöse-
und Parkbremsfunktion ausgelegt ist. Der Betätigungsmechanismus 23 umfasst
eine Spindel 15, die an einem vorderen Abschnitt 29 ein
Außengewinde 21 aufweist,
das mit einem korrespondierenden Innengewinde des Keilelements 1 zusammen
wirkt. Die Spindel 15 kann sowohl rotatorisch, in Richtung
des Pfeils B, als auch translatorisch, in Axialrichtung A bewegt
werden. Dabei ist nur ein einziger Elektromotor 13 vorgesehen, um
die Spindel 15 wahlweise rotatorisch oder translatorisch
zu betätigen.
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Der
Betätigungsmechanismus 23 umfasst ein
am Außenumfang
der Spindel angeordnetes Zahnrad 16 mit einem Innengewinde,
das mit dem Außengewinde 21 der
Spindel 15 zusammen wirkt. Das Zahnrad 16 umfasst
einen Reibring 11, der zur Erhöhung der Reibung zwischen Zahnrad 16 und Spindel 15 dient.
Das Zahnrad 16 wird von einem Elektromotor 13 über ein
Ritzel 12 angetrieben, welches am Außenumfang des Zahnrades 16 eingreift.
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Die
Spindel 15 ist an einem vorderen Abschnitt 28,
der zwischen den Abschnitten 29 und 30 liegt,
und an einem hinteren Abschnitt 22 jeweils in einem Gleitlager 10 gelagert.
Eines der Gleitlager 10 ist dabei im Bremssattel 2 und
das andere in einem zusätzlichen
Axiallager 14 ausgebildet. Die Spindel 15 hat
an den Abschnitten 22 und 28 eine glatte Oberfläche, um
mit möglichst
geringer Reibung in Axialrichtung A gleiten zu können.
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An
einem hinteren Abschnitt 9 der Spindel 15 ist
ein scheiben- bzw. ringförmiger
Anker 3 vorgesehen, der drehfest mit der Spindel 15 verbunden
ist. Spindel 15 und Anker 3 können sich jedoch in Axialrichtung
A relativ zueinander bewegen.
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Der
Anker wirkt mit einer Spule 4 zusammen und kann von dieser
angezogen oder frei gegeben werden. Im bestromten Zustand erzeugt
die Spule 4 ein magnetisches Feld, das den der Anker 3 anzieht und
gegen die Rückseite
des Bremssattels 2 presst. Der Anker 3 ist in
diesem Zustand fixiert. Im stromlosen Zustand kann sich der Anker 3 in
Rotationsrichtung B als auch in Axialrichtung A (nach hinten) frei bewegen.
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Auf
der dem Keilelement 1 abgewandten Seite des Zahnrades 16 ist
eine Feder 17 vorgesehen, die koaxial um die Spindel 15 herum
angeordnet ist und sich am Bremssattel 2 abstützt. Anstelle
der Feder 17 kann auch ein festes Widerlager 18 vorgesehen
sein, das hier gestrichelt dargestellt ist.
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Im
Folgenden werden die Funktionen der Bremse im Einzelnen näher erläutert:
Zum
Nachstellen der Bremsbeläge 7 wird
die Spindel 15 vom Elektromotor 13 rotatorisch
angetrieben. Die Spule 4 ist in diesem Zustand stromlos
geschaltet, so dass sich der Anker 3 zusammen mit der Spindel 15 frei
drehen lässt.
Aufgrund des Reibrings 11 kann das Zahnrad 16 ein
Drehmoment auf die Spindel ausüben,
das größer ist
als die Reibmomente zwischen Anker 3 und Bremssattel 2,
sowie zwischen Spindel 15 und Keil 1. Die Spindel 15 kann
somit rotierend angetrieben und das Keilelement 1 nach
vorne verstellt werden. Die vordere Position ist in gestrichelten Linien
dargestellt. Mit zunehmendem Weg des Keilelements 1 werden
die beiden Abschnitte 5a, 5b des Widerlagers (siehe 1)
auseinander gespreizt und der Bremsbelag 7 näher an die
Bremsscheibe 8 geführt.
Die Nachstellung erfolgt vorzugsweise im gelösten Zustand der Bremse, wenn
keine Bremskräfte
auf das Keilelement 1 und die Spindel 15 wirken.
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Durch
das Auseinanderspreizen der Abschnitte 5a, 5b entsteht
eine rückwärts gerichtete Kraft,
die von der Spindel 15 auf den Anker 3 und weiter
auf ein Axiallager 19 übertragen
wird. Die Spindel 15 hat am Übergang zum hinteren Abschnitt 9 einen Anschlag,
der sich am Anker 3 abstützt. Die rückwärts gerichtete Kraft wird daher
von der Spindel 15 auf den Anker 3 und das Axiallager 19 übertragen. Der
Anker 3 wird dabei vom Axiallager 19 gehalten, so
dass er nicht nach hinten ausweichen kann. Sobald die endgültige Position
des Keilelements 1 erreicht ist, kann die Fahrzeugbremse
wieder betätigt werden.
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Zur
Durchführung
einer Notlösefunktion
wird der Stromkreis der Spule 4 z. B. mittels eines Schalters
unterbrochen und somit der Anker 3 freigegeben. Der Anker 3 wird
aufgrund der Bremskraft FB, die über das
Keilelement 1 auf die Spindel 15 umgelenkt wird,
nach hinten getrieben. Um die Bewegung des Ankers 3 nicht
zu behindern, wird auch der Stromkreis einer Spule 31 unterbrochen,
die mit dem Axiallager 19 zusammen wirkt. Dadurch wird
das Axiallager 19 frei gegeben. Der gesamte Mechanismus
aus Anker 3, Spindel 15 und Keilelement 1 kann
sich somit nach hinten (in der Figur nach links) bewegen und die
Bremse frei geben.
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Bei
einem Stromausfall läuft
dieser Prozess automatisch ab, da die Spulen 4 und 20 nicht
mehr bestromt werden.
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3 zeigt
den Mechanismus von 2 in der Parkbremsposition.
Das Keilelement 1 befindet sich dabei in einer vorderen
Position, in der die Bremse gespannt ist und energielos gehalten
wird.
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Zur
Ausführung
der Parkbremsfunktion wird das Zahnrad 16, nach dem Erkennen
einer Parkbrems-Anforderung, mittels des Elektromotors 13 rotierend
angetrieben. Im Unterschied zur Nachstellprozedur bleibt die Spule 4 in
diesem Fall bestromt, so dass der Anker 3 festgehalten
wird. Die Spindel 15 rotiert daher nicht. Das Zahnrad 16 bewegt
sich entlang des Gewindes 21 nach hinten in Richtung Anker 3.
Wenn das Zahnrad 16 gegen die Feder 17 stößt, wird
diese zusammengedrückt
und gespannt. Dadurch wird eine axiale Kraft erzeugt, die Spindel 15 und
Keilelement 1 gemeinsam nach vorne drückt und die Bremse spannt.
Die Spindel 15 bewegt sich dabei nur in Axialrichtung A
nach vorne.
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Durch
die Federkraft bleibt die Bremse auch nach dem Ausschalten der Zündung, und
damit auch des Spulenstroms, gespannt. Zum Lösen der Bremse ist es nur erforderlich,
das Zahnrad 16 zurück
in die Arbeitsposition zu bringen.
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Anstelle
der Feder 17 könnte
beispielsweise auch ein feststehendes Lager 18 vorgesehen
sein, wie es gestrichelt dargestellt ist. Aufgrund der Elastizität der Feder 17 ist
diese jedoch für
die Realisierung der Parkbremsfunktion wesentlich besser geeignet.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellte Bremse umfasst
ein Keilelement 1, das im Pfad der Bremskraft FB angeordnet ist und einen Teil der gesamten
Bremskraft FB auf die Spindel 15 und
den Betätigungsmechanismus 23 ableitet.
Dies dient im Wesentlichen dazu, die von der Spule 4 aufzubringende Kraft
zu reduzieren. Alternativ könnte
der Betätigungsmechanismus 23 auch
direkt im Haupt-Kraftflusspfad, d. h. im Prinzip um 90° nach oben
gekippt, angeordnet sein. In diesem Fall wäre kein Keilelement 1 vorhanden,
und die Spindel 15 würde
direkt (bzw. über
ein Zwischenteil) auf das Reibglied 7 der Bremse wirken.
In diesem Fall wären
jedoch wesentlich höhere
Kräfte
von der Spule 4 aufzubringen.
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- 1
- Keilelement
- 2
- Bremssattel
- 3
- Anker
- 4
- Spule
des Ankers
- 5a,
5b
- Widerlager
- 6
- Keilbremse
- 7
- Bremsbelag
- 8
- Bremsscheibe
- 9
- hinterer
Abschnitt der Spindel
- 10
- Gleitlager
- 11
- Reibring
- 12
- Ritzel
- 13
- Elektromotor
- 14
- vorderes
Axiallager
- 15
- Spindel
- 16
- Zahnrad
- 17
- Feder
- 18
- hinteres
Axiallager
- 19
- drittes
Axiallager
- 20
- Hubmagnet
- 21
- Gewinde
- 22
- hinterer,
gewindefreier Abschnitt
- 23
- Betätigungsmechanismus
- 24
- aktive
Keilplatte
- 25
- Keilflächen der
aktiven Keilplatte
- 26
- Wälzkörper
- 27
- Keilflächen des
Widerlagers 5
- 28
- vorderer,
gewindefreier Abschnitt
- 29
- vorderer
Gewindeabschnitt
- 30
- mittlerer
Gewindeabschnitt
- 31
- Spule
des Hubmagneten
- A
- Axialrichtung
- FB
- Bremskraft
- FQ
- Querkraft