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Die
Erfindung betrifft ein Bremssystem mit einer Reibungsbremse und
einem elektrischen Aktuator zum Übertragen einer Kraft
zum Zuziehen und Öffnen der Reibungsbremse.
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Herkömmliche
Bremsen basieren darauf, dass die Kraft zum Anziehen der Bremse
auf hydraulische oder pneumatische Weise übertragen wird. Elektromechanische
Bremsen unterscheiden sich hiervon dadurch, dass die Bremsbestätigungskraft von
einem Elektromotor aufgebracht wird.
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Zur
Realisierung einer elektromechanischen Bremse ist es denkbar, mit
dem Elektromotor auf einen mit dem Bremsbelag verbundenen Bestandteil einzuwirken,
wodurch der Bremsbelag gegen den abzubremsenden bewegten Bremskörper
gedrückt wird. Hierbei wird die gesamte Betätigungskraft
von dem Elektromotor aufgebracht. Nachteilig hierbei ist, dass unter
Umständen sehr große, leistungsstarke Elektromotoren
benötigt werden.
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Weiterhin
existieren selbstverstärkende elektromechanische Bremsen,
beispielsweise die Keilbremse (englisch: EWB, electronic wedge brake). Hierbei
wird lediglich ein kleiner elektrischer Aktuator benötigt,
da der Großteil der erforderlichen Betätigungskraft
aus der kinetischen Energie des sich bewegenden abzubremsenden Bremsköpers
gewonnen wird, beispielsweise aus einer sich im Betrieb eines Fahrzeugs
drehenden Bremsscheibe. Die grundsätzliche Funktionsweise
solcher selbstverstärkenden Bremsen ist beispielsweise
in dem Dokument
DE 198
19 564 C2 beschrieben.
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Grundsätzlich
besteht bei elektromechanischen Bremsen der Wunsch, eine Bauart
zu finden, bei welcher ein recht kleiner Elektromotor ausreichend
ist; ferner ist es wünschenswert, dass auch bei zeitweise
ausbleibender Energieversorgung des Elektromotors, z. B. aufgrund
eines Schadensfalls oder bei be wusstem Abschalten des Elektromotors, eine
Betätigung der Bremse möglich ist. Beides trifft sowohl
auf selbstverstärkende als auch auf andersartige elektromechanische
Bremsen zu. Bei selbstverstärkenden Bremsen ist es ferner
vorteilhaft, wenn eine Bremsbetätigung sowohl bei Bewegung als
auch bei Stillstand des Bremskörpers möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Bremssystem
aufzuzeigen, welches einen elektrischen Aktuator aufweist. Dieses
Bremssystem soll es insbesondere ermöglichen, dass der elektrische
Aktuator klein sein kann und nicht sehr leistungsstark sein muss.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Bremssystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Bremssystem umfasst eine Reibungsbremse,
einen elektrischen Aktuator zum Übertragen einer Kraft
zum Zuziehen und Öffnen der Reibungsbremse, sowie einen
mit der Reibungsbremse verbundenen Kraftspeicher, welcher bei Zuziehen
der Reibungsbremse entladen und bei Öffnen der Reibungsbremse
aufgeladen wird. Der Kraftspeicher ist an einem gegenüber
der Reibungsbremse beweglichen Lager befestigt.
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Ist
die Reibungsbremse zugezogen, findet eine Bremsung aufgrund einer
Reibung zwischen zumindest zwei sich im zugezogenen Zustand berührenden
Bestanteilen der Reibungsbremse statt. Im geöffneten Zustand
hingegen tritt keine Reibung zwischen diesen Bestandteilen auf,
so dass keine Bremswirkung der Reibungsbremse vorhanden ist. Für
das Zuziehen der Reibungsbremse stehen grundsätzlich zwei
Einrichtungen zur Verfügung: der elektrische Aktuator,
z. B. ein Elektromotor, und der Kraftspeicher. Letzterer entlädt
sich bei Zuziehen der Reibungsbremse, so dass hierbei zumindest
eine den Aktuator unterstützende Mitwirkung beim Zuziehen
der Reibungsbremse erfolgt. Die Anteile, welche der elektrische
Aktuator und der Kraftspeicher am Zuziehen der Reibungsbremse haben,
hängt von dem konkreten Aufbau des Bremssystems ab. Insofern
ist auch ein Zuziehen der Reibungsbremse unter alleiniger Verwendung
von Aktuator und/oder Kraftspeicher möglich.
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Bei
dem Kraftspeicher handelt es sich insofern um einen reversiblen
Kraftspeicher, als durch Öffnen der Reibungsbremse der
Kraftspeicher aufgeladen wird. Durch wiederholtes Zuziehen und Öffnen der
Reibungsbremse wird der Kraftspeicher somit abwechselnd entladen
und wieder aufgeladen. Bei dem Kraftspeicher kann es sich z. B.
um eine Druckfeder handeln.
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Der
Kraftspeicher ist einerseits mit der Reibungsbremse verbunden. Hierdurch
ist es möglich, dass das Zuziehen der Reibungsbremse mit
einem Entladen des Kraftspeichers und das Öffnen der Reibungsbremse
mit einem Aufladen des Kraftspeichers einhergeht. Die Verbindung
zwischen Reibungsbremse und Kraftspeicher kann auf verschiedene
Arten erfolgen; insbesondere können Kraft- der Drehmomenübertragungsbestandteile
vorgesehen zwischen dem Kraftspeicher und der Reibungsbremse vorgesehen
sein.
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Andererseits
ist der Kraftspeicher an einem Lager befestigt. Das Lager stellt
hierbei eine Abstützung für den Kraftspeicher
dar. Das Lager ist nicht ortsfest angebracht, sondern beweglich.
Auf diese Weise lassen sich verschiedene geometrische Verhältnisse
zwischen dem Kraftspeicher und der Reibungsbremse einstellen. Diese
verschiedenen geometrischen Verhältnisse können
Aufteilungen der Arbeitslast zwischen elektrischem Aktuator und
Kraftspeicher beim Zuziehen der Bremse zur Folge haben. Die Beweglichkeit
des Lagers ist auf die Reibungsbremse bezogen, d. h. die Position
des Lagers ist gegenüber der Reibungsbremse veränderbar.
Alternativ kann die Beweglichkeit des Lagers auf andere Teile des
Bremssystems, wie z. B. auf den elektrischen Aktuator, bezogen sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Lager derart beweglich, dass
durch eine Bewegung des Lagers die Richtung der von dem Kraftspeicher
abgegebenen Kraft geändert wird. Eine Änderung
der Kraftrichtung resultiert auch bei ungeändertem Ladungszustand
des Kraftspeichers in einem veränderten Drehmoment in Bezug
auf den Befestigungspunkt des Kraftspeichers an der Reibungsbremse.
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Das
Lager kann derart beweglich sein, dass es um eine gegenüber
der Reibungsbremse feste Achse rotierbar ist. Dies eignet sich insbesondere
zur Veränderung der Kraftrichtung des Kraftspeichers.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Lager derart beweglich, dass
durch eine Bewegung des Lagers der Ladungszustand des Kraftspeichers
geändert wird. Somit kann durch eine Bewegung des Lagers
der Kraftspeicher mehr aufgeladen oder mehr entladen werden.
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Das
Lager kann derart beweglich ausgestaltet sein, dass seine Entfernung
von der Reibungsbremse veränderbar ist. Insbesondere ist
es möglich, dass durch eine Änderung der Entfernung
des Lagers von der Reibungsbremse der Ladungszustand des Kraftspeichers
modifiziert werden. Die Änderung der Entfernung kann als
reine Linearbewegung bzw. Translation ausgeführt werden;
auch eine Kombination von Rotation und Linearbewegung ist möglich.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist eine erste Position des Lagers vorgesehen
für Betriebsbremsungen und eine zweite Position des Lagers
für Parkbremsungen. Eine Position entspricht hierbei einer bestimmten
Stellung des Lagers. Für sie können z. B. bestimmte
Fixierungen vorgesehen sein, so dass das Lager in einer bestimmten
Position haltbar ist. Durch eine Bewegung des Lagers ist ein Wechsel
von einer in eine andere Position möglich. Es sind zumindest zwei
Positionen vorgesehen, wobei die erste für Betriebsbremsungen
geeignet ist, d. h. für Bremsungen bei bewegtem abzubremsendem
Teil der Reibungsbremse, und die zweite für Parkbremsungen,
d. h. für das Halten des unbewegten abzubremsenden Teils der
Reibungsbremse.
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Einer
Ausgestaltung der Erfindung gemäß wirkt bei der
ersten Position des Lagers der Kraftspeicher bei geöffneter
Reibungsbremse gegen ein Zuziehen der Reibungsbremse. Hierbei ist
es möglich, dass diese Wirkung des Kraftspeichers nur bei
völlig geöffneter oder leicht zugezogener Bremse
vorhanden ist, während bei einer mehr als leicht zugezogenen
Bremse diese Wirkung nicht mehr vorhanden ist. Dies hat den Vorteil,
dass die geöffnete Bremse in einem stabilen Zustand gehalten
werden kann. Ferner kann ein weiterer Kraftspeicher vorhanden sein,
welcher bei der ersten Position des Lagers bei geöffneter Reibungsbremse
entgegen dem Kraftspeicher in Richtung des Zuziehens der Reibungsbremse
wirkt. Hierdurch wird die Wirkung des Kraftspeichers bei geöffneter
Bremse abgeschwächt, so dass ein leichteres Zuziehen der
Reibungsbremse möglich ist. In diesem Fall wirkt der weitere
Kraftspeicher als Unterstützung für den elektrischen
Aktuator.
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Vorteilhaft
ist es, wenn bei der ersten Position des Lagers der Kraftspeicher
bei fortschreitendem Zuziehen der Reibungsbremse das Zuziehen der Reibungsbremse
zunehmend unterstützt. Hierdurch wird der elektrische Aktuator
effizient entlastet, wobei die Entlastung zunimmt, je mehr die Reibungsbremse
bereits zugezogen ist.
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Es
ist möglich, dass bei der zweiten Position des Lagers der
Kraftspeicher bei zugezogener Reibungsbremse den zugezogenen Zustand
ohne Unterstützung durch den elektrischen Aktuator aufrecht erhält.
Hierdurch kann bei einer Parkbremsung der elektrische Aktuator ausgeschaltet
werden, so dass die Bremse ausschließlich von dem Kraftspeicher
zugehalten wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist eine instabile Position des Lagers
vorgesehen, aus welcher sich das Lager bei Eintritt einer bestimmten
Bedingung in eine stabile Position bewegt. Diese Bewegung in die
stabile Position erfolgt vorzugsweise automatisch bei Eintritt der
bestimmten Bedingung. Die bestimmte Bedingung kann z. B. ein Ausbleiben
elektrischer Versorgung umfassen. Diese elektrische Versorgung kann
das gesamte Bremssystem betreffen, so dass in diesem Fall auch der
elektrische Aktuator von dem Ausbleiben betroffen ist. Die stabile
Position des Lagers kann ein Zuziehen oder Öffnen der Reibungsbremse
durch den Kraftspeicher bewirkt. Dies entspricht einer Notschließ-
bzw. einer Notöffnefunktion.
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Es
kann eine Betätigungseinheit vorhanden sein, deren Betätigung
eine Bewegung des Lagers bewirkt. Bei dieser Betätigungseinheit
kann es sich um eine von einer Person bedienbare Einheit, wie z. B.
einen Schalter oder Knopf, handeln, oder auch um eine Kontrolleinrichtung,
welche bestimmte Parameter auswertet und daraufhin entscheidet,
dass eine Bewegung des Lagers erfolgen soll.
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Es
können Haltemittel vorgesehen sein zum Halten des Lagers
in einer oder mehreren bestimmten Positionen. Hierbei kann für
jede Position eine Fixierung vorhanden sein, oder auch nur für
eine oder manche Positionen. Sollte eine instabile Position des Lagers
verwendet werden, so bietet es sich an, für diese Position
keine Haltemittel vorzusehen.
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Es
ist möglich, Führungsmittel einzusetzen zum Ermöglichen
einer Bewegung des Lagers zwischen zumindest zwei Positionen. Durch
die Führungsmittel kann die Beweglichkeit des Lagers eingeschränkt
werden auf einen oder mehrere bestimmte Freiheitsgrade. So können
z. B. Führungsmittel vorgesehen sein, welche eine Translation
des Lagers in eine oder mehrere bestimmte Richtungen ermöglichen
und/oder Führungsmittel, welche eine Rotation des Lagers
um eine oder mehrere bestimmte Achsen ermöglichen.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist ein rotierbarer Körper
vorhanden, an welchem der elektrische Aktuator und der Kraftspeicher
jeweils exzentrisch angreifen. Der rotierbare Körper dient
der Kraftübertragung auf die Reibungsbremse. Dies ermöglicht
ein besonders effizientes Zusammenspiel von elektrischem Aktuator
und Kraftspeicher.
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Die
Reibungsbremse kann selbstverstärkend ausgelegt sein; die
Erfindung ist jedoch auch auf nicht selbstverstärkende
Bremsen anwendbar.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei zeigen:
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1:
eine geöffnete Bremse mit einem ersten Zustand des Kraftspeichers,
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2:
die Bremse der 1 im angezogenen Zustand,
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3:
die Bremse der 1 im angezogenen Zustand mit
einem zweiten Zustand des Kraftspeichers,
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4:
eine Bremse mit zwei Kraftspeichern,
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5:
eine alternative Ausführung einer Bremse mit Kraftspeicher.
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Im
folgenden wird eine Bremse mit einem elektromechanischen Aktuator,
z. B. einem Elektromotor, vorgestellt. Bei derartigen Bremsen ist
es vorteilhaft, einen reversiblen Kraftspeicher zur Unterstützung
des elektromechanischen Aktuators einzusetzen. Der reversible Kraftspeicher,
z. B. eine Feder, gibt beim Anziehen der Bremse gespeicherte Energie
ab. Hierdurch wird das vom elektromechanischen Aktuator zum Zustellen
der Bremse benötigte Drehmoment um das vom Kraftspeicher
eingebrachte reduziert. Beim Öffnen der Bremse wird der
Kraftspeicher wieder aufgeladen, insbesondere durch die bremseninhärente
Rückstellkraft. Auf diese Weise wird auch beim Öffnen
der Bremse der elektromechanische Aktuator durch das Vorhandensein
des Kraftspeichers entlastet. Der Vorteil der Verwendung eines derartigen
reversiblen Kraftspeichers ist es somit, dass die elektronische
Betätigungseinheit nur sehr geringe Kräfte aufbringen
muss, was z. B. mit geringem Stromverbrauch und kleiner Baugröße
des elektromechanisches Aktua tors einhergeht. Eine derartige Bremse
ist z. B. in
DE
10 2005 048 884 B3 beschrieben, deren Inhalt hiermit in
die Beschreibung aufgenommen wird.
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Anhand
der 1 und 2 wird der Aufbau einer Bremse
mit elektromechanischem Aktuator und reversiblem Kraftspeicher erläutert.
Um einen bewegbaren Bremskörper 1, bei einer Fahrzeugbremse üblicherweise
als Bremsscheibe ausgebildet, abzubremsen, wird ein aktiv verstellbarer
Reibbelag 2, der an einem Belaghalter 4 fest montiert
ist, gegen den Bremskörper 1 gedrückt,
so dass durch die sich hieraus ergebende Reibkraft zwischen Reibbelag 2 und
Bremskörper 1 letzterer verzögert, d.
h. abgebremst wird. 1 zeigt die Bremse im geöffneten, 2 im
angezogenen Zustand.
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In
den Figuren ist eine elektromechanische Bremse ohne Selbstverstärkung
dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch auf selbstverstärkende
Bremsen anwendbar. Hierzu kann die Kraftübersetzungseinheit 11 auf
eine Selbstverstärkungsvorrichtung einwirken.
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Zur
Betätigung der Bremse wird der Elektromotor 8 angesteuert.
Der Motor 8 wird über eine Stromquelle 9 mit
elektrischer Energie versorgt. Die Ansteuerbefehle zur Regelung
des Antriebs bzw. Motors 8 können über
eine Kontrolleinrichtung (englisch: ECU, Electronic Control Unit) 10 generiert
werden. Üblicherweise ist die Kontrolleinrichtung 10 mit
einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, z. B. einem Bremspedal, verbunden, über
welche ein Bediener, wie der Lenker eines Fahrzeugs, Ansteuerbefehle
zur Regulierung der Bremskraft vorgeben kann.
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Wird
der Motor 8 angesteuert, so treibt dieser die Kraftübersetzungseinheit 11,
z. B. eine Exzenter-Scheibe, an. Die Verbindung zwischen Motor 8 und
Kraftübersetzungseinheit 11 kann z. B. als Getriebe
ausgeführt sein, wobei der Motor 8 über
ein Ritzel die Kraftübersetzungseinheit 11 antreibt.
Dabei dreht sich die Kraftübersetzungseinheit 11 um
ihren fixen Drehpunkt 12.
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Auf
der Kraftübersetzungseinheit 11 sind in voneinander
verschiedenen Abständen zum fixen Drehpunkt 12 die
beiden Aufnehmer 15 und 17 angebracht. Durch Bewegen
der Kraftübersetzungseinheit 11 in Zustellrichtung,
entsprechend einer Drehung um den Drehpunkt 12 in Richtung
des auf der Kraftübersetzungseinheit 11 eingezeichneten
Pfeils in 1, wirkt der Aufnehmer 15 wie
ein Exzenter und drückt gegen den Kolben 6. Vorteilhafterweise
ist der Aufnehmer 15 in seinem bezüglich der Kraftübersetzungseinheit 11 fixen
Drehpunkt 14 drehbar gelagert, so dass der Aufnehmer 15 auf
dem Kolben 6 reibungsarm abrollen kann. Der Kolben 6 leitet
die von dem Aufnehmer 15 aufgebrachte Kraft auf den Belagträger 4 und
den damit verbundenen Reibbelag 2 weiter. Hierbei wirkt
entsprechend der Verdrehung der Kraftübersetzungseinheit 11 eine
Bremskraft auf den Bremskörper 1. Der Kolben 6 und/oder
der Belagträger 4 können dabei in einer
Lagerung 7 geführt werden.
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Um
den Motor 8 bei der Betätigung der Bremse zu entlasten,
verfügt die Bremse über einen reversiblen Kraftspeicher
in Form einer Feder 16, welche an dem zweiten auf der Kraftübersetzungseinheit 11 fest
angebrachten Aufnehmer 17 angreift. Im in 1 dargestellten
unbetätigten Zustand der Bremse ist der Kraftspeicher 16 nahezu
vollständig aufgeladen: die Feder 16 ist fast
komplett gespannt. Vorteilhafterweise übt der Kraftspeicher 16 in
diesem Zustand ein kleines Drehmoment auf die Kraftübersetzungseinheit 11 aus,
welches gegen die Zustellrichtung der Bremse wirkt. Auf diese Weise
kann eine sichere Stellung der Bremse im geöffneten Zustand aufrecht
erhalten werden, ohne dass der Motor 8 dauerhaft betätigt
werden muss. Dies wird dadurch ermöglicht, dass bei geöffneter
Bremse 16 der Mittelpunkt des Aufnehmers 17, an
dem der Kraftspeiche an der Kraftübersetzungseinheit 11 angreift,
unterhalb des Drehpunktes der Kraftübersetzungseinheit 11 liegt,
so dass die Federkraft der Feder 16 ein Drehmoment entgegen
der Zustellrichtung erzeugt.
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An
seinem nicht an der Kraftübersetzungseinheit 11 befestigten
Ende, d. h. in den Figuren am rechten Ende der Feder 16,
ist der Kraftspeicher 16 an dem Lager 18 befestigt.
Die Befestigung der Feder 16 an dem Lager 18 ist
hierbei drehbar um den Aufnehmer 19, so dass die Kraftrichtung
der Feder 16 nicht fest ist, sondern der jeweiligen Stellung
der Kraftübersetzungseinheit 11 entspricht.
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Wird
die Kraftübersetzungseinheit 11 zur Betätigung
der Bremse mittels des Motors 8 in Zustellrichtung verstellt,
verschiebt sich der Mittelpunkt des Aufnehmers 17, an dem
der Kraftvektor des Kraftspeichers 16 angreift, an eine
Position oberhalb des Drehpunktes 12 der Kraftübersetzungseinheit 11.
Infolge dessen versucht sich der Kraftspeicher 16 zu entladen,
d. h. die Feder 16 zu entspannen, und erzeugt ein Drehmoment
in Zustellrichtung der Kraftübersetzungseinheit 11,
die aufgrund der exzentrischen Anordnung wie ein Hebelgetriebe wirkt.
D. h. der Kraftspeicher 16 kann mit zunehmender Betätigung,
d. h. zunehmender Bewegung der Kraftübersetzungseinheit 11 in
Zuspannrichtung, ein größer werdendes Drehmoment
zur Verfügung stellen. Vorteilhafterweise ist die Bremse
hierbei so ausgelegt, dass die zum Zuspannen der Bremse notwendige Kraft
nahezu ausschließlich durch den Kraftspeicher 16 aufgebracht
wird, und der Motor 8 lediglich zur Feinregulierung der
Bremskraft dient.
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Wie
bei Fahrzeugbremsen üblich weist die Bremse einen in 1 strichliert
eingezeichneten Bremssattel BS auf, an welchem auf der anderen Seite
des Bremskörpers 1, d. h. dem aktiv verstellbaren
Reibbelag 2 gegenüber liegend, ein weiterer, passiver
Reibbelag 3 mittels eines Belaghalters 5 fest montiert
ist. Da die Zuspanneinheit und der Bremskörper 1 innerhalb
des Bremssattels angeordnet sind, stützt sich bei einer
Betätigung der Bremse die Zuspannkraft der Bremse an dem
Bremssattel BS ab. Durch diese Abstützung wird der Bremssat tel
BS aufgespannt, wobei neben dem aktiven Reibbelag 2 auch
der passive Reibbelag 3 gegen den Bremskörper 1 gedrückt
wird. Mögliche Bauformen von Bremssätteln sind
der Festsattel oder der Schwimmsattel, welche sich nach der Art
ihrer Lagerung unterscheiden. Wie in 1 angedeutet,
kann bei einer Schwimmsattellagerung die Kraftübersetzungseinheit 11 im
bzw. am Bremssattel BS drehbar gelagert sein.
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Um
den Kraftspeicher 16 beim Entspannen der Bremse wieder
aufzuladen, kann die in der Aufweitung des Bremssattels BS enthaltene
Kraft, welche gemäß dem Grundsatz actio=reactio
der Zuspannkraft entgegen wirkt, genutzt werden. Der Aufnehmer 14,
gegen den der Kolben 6 drückt, übt ein Drehmoment
entgegen der Zustellrichtung auf die Kraftübersetzungseinheit 11 aus,
so dass beim Zurückdrehen der Kraftübersetzungseinheit 11 der Kraftspeicher 16 wieder
aufgeladen, d. h. die Feder wieder gespannt wird. Auch hierbei kann
durch eine günstige Auslegung der Bremse erreicht werden, dass
vom Motor 8 nur sehr kleine Drehmomente zur Aufladung des
Kraftspeichers 16 aufgebracht werden müssen.
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Auf
die beschriebene Weise eignet sich die Bremse, um Betriebsbremsungen,
d. h. Abbremsungen des sich bewegenden Bremskörpers 1,
vorzunehmen. Im folgenden wird beschrieben, wie eine Parkbremsfunktion
realisiert werden kann, bei welcher die Bremse im stromlosen Zustand,
d. h. bei nicht betätigtem oder ausgeschaltetem Motor 8,
dauerhaft zugespannt bleiben kann. Hierzu ist das Lager 18,
mit welchem das rechte Ende der Feder 16 verbunden ist,
nicht fest, sondern beweglich gelagert. Durch eine Bewegung des
Lagers 18 kann die Richtung und/oder der Betrag des Kraftvektors
des Kraftspeichers 16 verändert und somit gezielt
eingestellt werden.
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In
den 1 bis 3 ist das Lager 18 insofern
beweglich ausgeführt, als es um die feste Drehachse 20 rotieren
kann. Hierdurch lässt sich die Position des Aufnehmers 19 verstellen,
wodurch gleichzeitig der Kraftvektor des Kraftspeichers 16 verändert wird.
Die Richtung des Kraftvektors entspricht in den 1 bis 3 dem
durch die Feder 16 gezeichneten Strich. Eine Veränderung
des Kraftvektors bedeutet, wie aus einem Vergleich der 2 und 3 hervorgeht,
dass bei unveränderter Stellung der Kraftübersetzungseinheit 11 die
Ausrichtung bzw. Längsachsenrichtung der Feder 16 sich ändert.
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Durch
die Rotation des Lagers 18 von der Stellung der 2 in
diejenige der 3 wird das Drehmoment (berechnet über
die Formel M → = F → × α → mit M dem Drehmoment, F der Kraft, und
a dem Hebelarm) erhöht, das von dem Kraftspeicher 16 im
angespannten Zustand der Bremse auf die Kraftübersetzungseinheit 11 aufgebracht
wird, da sich bei nur geringer Veränderung der Federkraft
die Hebelarmwirkung zwischen dem Aufnehmer 17 und der Drehachse 12 der
Kraftübersetzungseinheit 11 stark vergrößert.
D. h. das kleine Drehmoment, welches benötigt wird, um
die Bremse im geschlossenen Zustand zu halten, und welches bei einer
Positionierung des Lagers 18 gemäß den 1 und 2 größtenteils vom
Motor 8 aufgebracht wird, kann bei einer Positionierung
des Lagers 18 gemäß der 3 von
dem Kraftspeicher 16 aufgebracht werden. Hierdurch kann
der Motor 8 bei angezogener Bremse abgeschaltet werden,
ohne dass sich die Bremse selbsttätig öffnet.
Vorteihafterweise ist der durch die Bewegung des Lagers 18 erzielte
Drehmomentgewinn so groß, dass sich die Bremse auch bei
leicht veränderten Bedingungen wie z. B. aufgrund von Erschütterungen,
veränderten Temperaturbedingungen und damit einhergehendem
Abkühlen und Zusammenziehen von Reibbelägen 2, 3 und
Bremskörper 1, oder Eindringen von Feuchtigkeit
nicht öffnet.
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Zusätzlich
oder alternativ zur Rotation des Lagers 18, durch welche
die Kraftrichtung des Kraftspeichers 16 modifiziert wird,
kann zur Realisierung der Parkbremsfunktion das Lager 18 derart
beweglich ausgebildet sein, dass durch die Verstellung des Lagers 18 der
Kraftspeicher 16 stärker aufgeladen, d. h. die
Feder 16 stärker zusammengedrückt wird. Hierzu
kann neben der in 3 gezeigten Ausführung
des um die Achse 20 schwenkbaren Lagers 18 auch
eine Linearführung oder andere Lagerführungen
verwendet werden. Die für die Bewegung des La gers 18 benötigten
Führungen hängen davon ab, welche Art der Bewegung
des Lagers 18 bzw. welche Art der Modifikation von Kraftrichtung
und/oder Aufladungszustand des Kraftspeichers 16 erwünscht
ist.
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Die
Bewegungsfreiheit des Lagers 18 kann durch Anschläge 20 und 21 begrenzt
werden, innerhalb derer das Lager 18 verstellt werden kann.
Insbesondere können die Anschläge 20, 21 dazu
dienen, das Lager 18 in eine stabile Lage zu versetzen.
Wie in den 1 und 2 gezeigt,
bewirkt der Kraftspeicher 16 ein Drehmoment auf das Lager 18,
welches das Lager 18 gegen den Anschlag 21 drückt, unabhängig
davon, ob die Bremse geöffnet oder angezogen ist. Es wird
somit der Kraftspeicher 16 durch den Anschlag 21 abgestützt,
ohne dass das Lager 18 instabil wird. Analog hierzu hält
der Anschlag 22 das Lager 18 in der Stellung der 3.
Somit wird durch den Anschlag 22 verhindert, dass die Bremse
ungewollt in den Zustand der 1 und 2 wechselt. Neben
den beiden in den Figuren dargestellten Anschlägen 21 und 22 können
auch Arretierungen für Zwischenpositionen des Lagers 18 vorgesehen
sein.
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Als
weitere – nicht dargestellte – Sicherungsmaßnahmen
kann eine Arretierung, Einrastung, Zug- oder Druckelement für
das Lager 18 vorgesehen sein, welches das Lager 18 in
einer bestimmten Position hält. Eine Arretierung kann z.
B. schaltbar über einen Aktuator wie einen Elektromagneten
betätigt werden, um die Arretierung lösen bzw.
sperren zu können.
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Zusätzlich
oder alternativ zu einer Arretierung des Lagers 18 kann
eine die Kraftübersetzungseinheit 11 und/oder
der Motor 8 arretiert oder blockiert werden.
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Zur
Verstellung des Lagers 18 von der Position der 1 und 2 in
diejenige der 3 kann ein – nicht
dargestelltes – manuelles Betätigungselement vorgesehen
sein, wie z. B. ein Handhebel, Seilzug, Gestänge oder dergleichen.
Außer der Möglichkeit der manuellen Verstellung
kann die Verstellung mittels eines hierfür vorgesehenen
Aktuators, z. B. eines Elekt romotors, erfolgen. Hierbei kann dieser
Aktuator mittels eines Bedienelementes, z. B. eines Betätigungsschalters
für die Parkbremse, angesteuert werden. Entsprechend dieser
Betätigungsvorgabe kann der Aktuator dann das Lager 18 verstellen.
Um den Einsatz kleiner Aktuatoren zu ermöglichen, kann zwischen
dem Lager 18 und dem Aktuator ein Getriebe zwischengeschaltet
werden, welches das Ausgangsmoment des Aktuators geeignet wandelt. Gleichsam
kann auch eine Regelung eingesetzt werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich, bewirkt der Kraftspeicher 16 im
geöffneten Zustand der Bremse ein negatives Drehmoment,
das der Zustellrichtung – diese entspricht dem Pfeil in 1 – entgegenwirkt. Auf
diese Weise wird die geöffnete Bremse in einem stabilen
Zustand gehalten. Folglich muss der Motor 8, um die Bremse
aus dem geöffneten Zustand heraus betätigen bzw.
die Kraftübersetzungseinheit 11 in Zustellrichtung
verstellen zu können, ein Gegenmoment erzeugen, welches
dem von dem Kraftspeicher erzeugten Drehmoment entgegenwirkt, bis
der Aufnehmer 17 so weit verschoben ist, dass der Kraftvektor
des Kraftspeichers 16 über dem Drehpunkt 12 der Kraftübersetzungseinheit 11 verläuft.
Um den Motor 8 zu Beginn der Bremsung zu unterstützen,
kann wie in 4 gezeigt ein weiterer – insbesondere
kleinerer – Kraftspeicher 23 an dem Aufnehmer 17 angreifen,
welcher das von dem Hauptkraftspeicher 16 erzeugte negative
Drehmoment reduziert.
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Der
weitere Kraftspeicher 23 kann auch dazu genutzt werden,
die Parkbremsfunktion zu unterstützen. Hierzu kann er abstufbar
oder schaltbar betätigbar sein, damit er weder den stabilen
Zustand der geöffneten Bremse aufhebt, noch die Betätigungseinheit
in sonst irgendeiner störenden Weise beeinträchtigt.
Der weitere Kraftspeicher 23 kann wie auch der Hauptkraftspeicher 16 als
Federspeicher ausgeführt sein, z. B. als Druckfeder oder
Drehfeder.
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In
einer alternativen Ausführungsform kann der Kolben 6 durch
einen Hebel oder Pleuel ersetzt werden, wie in 5 darge stellt.
Wie auch der Kolben der 1 bis 3 leitet
der Hebel oder Pleuel 6 die Betätigungskraft der
Kraftübersetzungseinheit 11 weiter. Auf diese
Weise kann zwischen den einzelnen Zuspannelementen eine verbundene
Einheit hergestellt werden. Zudem kann der reibungsbehaftete Übergang
zwischen dem Aufnehmer 15 und dem Kolben 6 vermieden
werden.
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Vorangehend
wurde erläutert, wie ein Verstellen des Lagers 18 dazu
genutzt werden kann, eine Parkbremsfunktion zu realisieren. Wie
beschrieben, kann hierbei durch eine Rotation der Kraftvektor und
zusätzlich oder alternativ durch eine Translation der Ladungszustand
des Kraftspeichers 16 verändert werden. Neben
dieser Möglichkeit der Nutzung der Änderung der
Position des Lagers 18 existieren weitere Anwendungsfälle,
von welchem im folgenden einige beispielhaft erläutert
werden:
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Feinkorrekturfunktion
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Während
des Bremsbetriebs können sich Parameter der Bremse ändern,
welche das Kräftegleichgewicht der an der Kraftübersetzungseinheit 11 angreifenden
Kräfte dahingehend modifizieren, dass sich diejenige Kraft,
welche von dem Motor 8 aufgebracht werden muss, erhöht.
Derartige Änderungen können z. B. durch Dickenschwankungen
der Reibbeläge 2 und 3 und des Bremskörpers 1 aufgrund
der vorherrschenden Temperaturverhältnisse hervorgerufen
werden.
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Um
das Kräftegleichgewicht nach einer solchen Veränderung
wieder hinsichtlich der von dem Motor 8 aufzubringenden
Kraft zu optimieren, kann das Lager 18 als Ausgleichselement
eingesetzt werden. Durch eine Feinjustierung der Position des Lagers 18 kann
der zuvor erhöhte Bedarf an Kraft des Motors 8 reduziert
werden. Dies wird durch eine derartige Bewegung des Lagers 18 bewirkt,
aufgrund welcher der Kraftspeicher 16 eine zur Aufrechterhaltung
des Drehmomentgleichgewichts an der Kraftübersetzungseinheit 11 entsprechend
größere Kraft abgibt.
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Sicherheitsschalter-
bzw. Fail-Safe-Schalter-Funktion Das Lager 18 kann als
Schalter genutzt werden, gemäß dessen Schalterposition
die Bremse einen bestimmten Zustand einnimmt. Dies eignet sich insbesondere
als Fail-Safe-Schalter, bei welchem die Bremse im Falle einer Störung,
wie z. B. bei einem Stromausfall, in einen der vorgewählten Schalterstellung
entsprechenden Sicherheitszustand übergeht. Dieser Sicherheitszustand
kann die Bremse im Falle einer Störung z. B. entweder automatisch öffnen,
um ein ungewolltes Bremsen oder gar Blockieren der Bremse zu verhindern
(im folgenden als fail-open Fall bezeichnet), oder automatisch schließen,
um den Bremskörper 1 aus Sicherheitsgründen abzubremsen
(im folgenden als fail-close Fall bezeichnet).
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Zur
Realisierung der Sicherheitsschalterfunktion wird das Lager 18 während
des störungsfreien Betriebs der Bremse vorteilhafterweise
mithilfe eines Aktuators in einem instabilen Zustand gehalten, so
z. B. in einer Position zwischen den beiden Anschlägen 21 und 22.
Tritt nun eine Störung wie eine Stromunterbrechung ein,
wird neben dem Elektromotor 8 auch der Aktuator für
den instabilen Zustand nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt,
so dass er das Lager 18 nicht mehr im instabilen Zustand
halten kann, so dass das Lager 18, je nachdem, ob von dem
Kraftspeicher 16 auf das Lager 18 ein positives oder
negatives Drehmoment wirkt, automatisch in den einen oder anderen
stabilen Zustand übergeht, d. h. entweder eine Bewegung
bis zum Anschlag 21 oder bis zum Anschlag 22 durchführt.
Folglich übt der Kraftspeicher 16 entsprechend
dem neu eingenommenen Zustand des Lagers 18 auf die Kraftübersetzungseinheit 11 eine
Kraft auf, welche die Bremse schließt (fail-close Fall),
oder keine bzw. eine nur sehr geringe Kraft, so dass sich die Bremse
lockert oder öffnet (fail-open Fall).
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Für
eine Notschließfunktion (fail-close) kann im Falle einer
Störung der Bremse, insbesondere bei einem Stromausfall
oder einem andersartig bedingten Ausfall des Motors 8,
die der Parkbremsstellung entsprechende Positionierung des Lagers 18 genutzt werden,
um die Bremse zu betätigen. Hierzu wird das Lager 18 in
die entsprechende Stellung versetzt, z. B. gemäß 3.
Insofern kann die Parkbremsfunktion als redundante Betätigungsfunktion
der Bremse genutzt werden.
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Für
eine Notlösefunktion (fail-open) kann im Falle einer Störung
der Bremse, insbesondere bei ungewolltem Bremsen oder Blockieren
der Bremse, das ungewollte Bremsen oder Blockieren aufgehoben werden.
Ein Blockieren der Bremse kann z. B. bei einer selbstverstärkenden
Bremse im Falle der Unterbrechung der Energieversorgung des Motors 8 auftreten.
Um ein ungewolltes Bremsen aufzuheben, kann die Bewegbarkeit des
Lagers 18 folgendermaßen genutzt werden: da die
Betätigungskraft fast ausschließlich durch den
Kraftspeicher 16 erzeugt wird, ist es im Rahmen der Notlösefunktion
sinnvoll, durch eine Verstellung des Lagers 18 eine teilweise
oder vollständige Entladung des Kraftspeichers 16 zu
bewirken. Denn sofern an der Kraftübersetzungseinheit 11 kein
wesentliches Drehmoment in Zustellrichtung mehr anliegt, wobei die
Betätigungskraft des Motors 8 zur Feinregulierung
der Betätigungskraft vernachlässigt werden kann,
wird sich aufgrund der bremseninhärenten Rückstellkraft
das Zuspannsystem, insbesondere die mit Zuspannkräften
beaufschlagten Teile wie der Bremssattel BS und die Reibbeläge 2, 3 mit dem
Kolben 6, entspannen. Die Reibbeläge 2, 3 schleifen
in diesem entspannten Zustand allenfalls noch leicht an dem Bremskörper 1;
jedoch wirken keine großen Zuspannkräfte mehr,
welche den Bremskörper nennenswert verzögern.
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Die Öffnung
der Bremse kann erreicht werden, indem beispielsweise die Achse 20,
um welche das Lager 18 rotieren kann, nicht als fixer Drehpunkt ausgebildet
ist, sondern als eine frei verschiebbare oder frei lösbare
Abstützung. Hierdurch kann bei einem Verschieben oder Lösen
der Abstützung 20 das Lager 18 keine
Auflagekraft des Kraftspeichers 16 mehr aufnehmen, so dass
sich der Kraftspeicher 16 vollständig ent lädt.
Hierbei sind, wie bereits obenstehend in Bezug auf die Parkbremsfunktion
erläutert, verschiedenste Arretier- und/oder Führungsmöglichkeiten
für das Lager 18 bzw. für die Abstützung 20 denkbar.
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Es
sind aktive oder passive Notöffnemechanismen realisierbar:
aktive Mechanismen werden durch einen Aktuator gesteuert; passive
Mechanismen lösen nach der Freigabe die Abstützung 20 selbsttätig,
indem das Lager 18 von der auf den Aufnehmer 19 angreifenden
Abstützkraft des Kraftspeichers 16 verdrängt
wird und somit eine Entspannung des Kraftspeichers 16 veranlasst.
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Anstatt
einer verschiebbaren Achse 20 kann einer oder beide der
Anschlage 21, 22 lösbar ausgebildet sein,
so dass sich nach einem Lösen der Anschläge 21, 22 das
Lager 18 nicht mehr daran abstützen kann und somit
der Kraftspeicher 16 entspannt. Eine weitere Möglichkeit
ist, das Lager 18 seitlich auslenkbar auszubilden, so dass
durch ein seitliches Auslenken des Lagers in z-Richtung der Kraftspeicher 16 zu
entladen kann.
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Für
fail-close und fail-open ist es möglich, die vorgewählte
Schalterstellung des Lagers 18 im instabilen Zustand in
Abhängigkeit bestimmter Parameter zu ändern. Hierzu
kann eine Steuerlogik eingesetzt werden, welche gemäß bestimmter
Eingangsparameter, die z. B. über Sensoren ermittelbar
sind, entscheidet, welcher Sicherheitszustand sich im Falle eines
auftretenden Fehlers bzw. einer Störung der Bremsanlage
günstiger auswirken würde. Z. B. kann bei einer
Fahrzeugbremse mithilfe einer Fahrdynamikregelung ermittelt werden,
ob es aus fahrdynamischer Sicht günstiger wäre,
im Falle eines plötzlichen Fehlers die Fahrzeugbremse zu öffnen
oder anzuziehen. Tritt dann ein Fehler ein, geht die Bremse automatisch
in den von der Schaltfunktion vorgewählten Zustand über.
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Ferner
ist es möglich, eine der beiden fail-safe-Funktionen, d.
h. die fail-close-Funktion oder die fail-open-Funktion, direkt auszuwählen
oder anzusteuern. Hierdurch können die fail-safe-Funktionen unabhängig
von der erläuterten fail-safe-Schalterfunktion realisiert
werden. Zudem kann auch nur eine der beiden Funktionen umgesetzt
werden.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen
und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der
Erfindung verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19819564
C2 [0004]
- - DE 102005048884 B3 [0033]