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Die
Erfindung betrifft eine Bolzenlagerung für einen um seine
Längsachse drehbaren, an seinem einen Ende mit einem Kugelzapfen
versehenen Bolzen, mit einer den Kugelzapfen in einer sphärischen
Pfanne aufnehmenden Lagerschale und einem dem Bolzen abgewandt festlegbaren
Topf, in dessen Einsenkung die Lagerschale sitzt und in Längsrichtung
gesichert ist.
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Auf
vielen technischen Gebieten werden Reibungssysteme eingesetzt, bei
denen sich zumindest einer der beteiligten Reibpartner mehr und
mehr abnutzt. Die Abnutzung hat eine Änderung in der gegenseitigen
Stellung der Reibpartner zur Folge. Um den nötigen Reibschluss
gleichwohl aufrechtzuerhalten, werden so genannte Nachstelleinrichtungen
eingesetzt. Ein häufiges und daher wichtiges Einsatzgebiet
derartiger Nachstelleinrichtungen ist der Ausgleich des Bremsbelagverschleißes
bei Fahrzeugbremsen.
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Eine
in eine Radbremse integrierte Nachstelleinrichtung ist aus der PCT
WO 2006/111136 A1 bekannt.
Die Nachstellung erfolgt mittels zweier zueinander schraubbarer
und koaxial zueinander angeordneter Gewindeelemente. Die Verschraubung
arbeitet mit einem axialen Spiel, dessen Größe
die Nachstellung bestimmt. Weitere Elemente der Nachstelleinrichtung
sind eine Drehmoment- bzw. Überlastkupplung sowie eine
Einwegekupplung. Das innenliegende der beiden Gewindeelemente ist
ein Bolzen, an dessen einem Ende sich das Nachstellgewinde befindet,
und an dessen anderem Ende ein Kugelzapfen angeformt ist. Zur Erzielung
einer ausschließlich drehbaren Lagerung des zentralen Bolzens
sitzt der Kugelzapfen in einer Lagerschale, welcher eine der Kontur
des Kugelzapfens entsprechende, sphärische Kugelpfanne
aufweist. Die Lagerschale wiederum befindet sich in einem topfförmigen
Bauteil, welches an dem Gehäuse oder dem Bremsträger
der Bremse befestigt ist. Zu diesem Zweck sitzt die Lagerschale in
der Einsenkung des topfförmigen Bauteils und ist darin
in Längsrichtung formschlüssig gesichert.
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Zur
Sicherstellung einer zuverlässigen Nachstellung ist zwar
der Kugelzapfen des Bolzens in der Kugelpfanne der Lagerschale drehbar,
jedoch erfolgt die Drehung mit einem gewissen Reibmoment. Die Größe
der Reibung und damit der Widerstand beim Drehen des Bolzens erfordert
eine genaue Tolerierung, welche bei der Konstruktion nach der PCT
WO 2006/111136 A1 noch
nicht überzeugend erreicht wird. Der Drehwiderstand des
Bolzens zeigt eine unerwünscht starke Abhängigkeit
von dem auf den Bolzen ausgeübten axialen Druck.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bolzenlagerung
für einen um seine Längsachse drehbaren, an seinem
einen Ende mit einem Kugelzapfen versehenen Bolzen zu schaffen, bei
welcher der Drehwiderstand des Bolzens eine verringerte Abhängigkeit
von dem auf den Bolzen ausgeübten axialen Druck aufweist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Bolzenlagerung mit
den eingangs angegebenen Merkmalen vorgeschlagen, dass die Lagerschale, dem
Bolzen abgewandt, mit einem Stützring versehen ist, und
dass sich die Lagerschale mit dem Stützring gegen den Boden
der Einsenkung abstützt.
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Der
Grundgedanke dieser Bolzenlagerung besteht darin, dass die gehäuseseitige
Abstützung der das Bolzenende umschließenden Lagerschale nicht
auf der Drehachse erfolgt, sondern auf einem Ring um die Drehachse
herum. Diese Bauweise ermöglicht eine genaue Einstellung
der Reibverhältnisse zwischen Kugelzapfen und Kugelpfanne.
Der Einfluss des auf den Bolzen ausgeübten axialen Drucks auf
dessen Drehwiderstand reduziert sich. Insbesondere kommt es aufgrund
axialer Kräfte nicht zu einem starken Ansteigen der Reibung
zwischen Kugelzapfen und Kugelpfanne. Stattdessen wird ein beträchtlicher
Anteil der in Längsrichtung wirkenden Kräfte in der
Ringzone übertragen, womit insgesamt die Tolerierung der
Reibung des Bolzens in seiner Lagerung vereinfacht wird.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Bolzenlagerung ist durch ein Druckelement
gekennzeichnet, welche den Kugelzapfen mit einer zentrisch auf den Kugelzapfen
wirkenden Federkraft beaufschlagt. Vorteilhaft daran ist die weitgehende
Unabhängigkeit von den axialen Druckverhältnissen
zwischen Bolzen und Lagerschale. Besonders vorteilhaft ist eine
Ausgestaltung, bei der das Druckelement ein zentral innerhalb des
Stützrings angeordneter, federelastischer Bereich der Lagerschale
ist. Wiederum bevorzugt wird, dass dieser federelastische Bereich
eine gewölbte Wandung der Lagerschale ist, wobei die Wölbung
im Abstand zu dem Boden des Topfes verläuft. Des Weiteren
ist von Vorteil, wenn die Wölbung dem Kugelzapfen zugewandt
konvex gestaltet ist und sich gegen eine Stirnfläche des
Kugelkopfes abstützt.
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Mit
einer weiteren Ausgestaltung der Bolzenlagerung wird vorgeschlagen,
dass die Lagerschale, in welcher der Kugelzapfen sitzt, mit Längsschlitzen versehen
ist, die sich vom offenen Ende der Lagerschale mindestens bis zur Äquatorebene
der sphärischen Pfanne der Lagerschale erstrecken. Vorzugsweise
sind die Längsschlitze in einem ersten Längsabschnitt
der Lagerschale angeordnet, dessen Außenfläche
sich zu dem offenen Ende der Lagerschale hin konisch erweitert.
An diesen ersten Längsabschnitt schließt sich
ein zweiter Längsabschnitt an, der sich bis zu dem Stützring
erstreckt, und dessen Außenfläche entweder zylindrisch
oder aber weniger stark konisch als die Außenfläche
des ersten Langabschnitts ist. Entsprechend dieser Gestaltung der Lagerschale
weist auch die Einsenkung des Topfes entlang des ersten Langabschnitts
eine konische Innenwandung auf und entlang des zweiten Längsabschnitts
eine zylindrische Innenwandung bzw. eine konische Innenwandung,
die weniger stark konisch als die Innenwandung entlang des ersten
Längsabschnitts ist.
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Zur
Sicherung der Lagerschale in Längsrichtung wird mit einer
weiteren Ausgestaltung vorgeschlagen, dass der Topf an seinem dem
Bolzen zugewandten Ende mit mindestens einem nach radial innen gerichteten
Vorsprung versehen ist, hinter dem ein Formschlusselement der Lagerschale
verriegelt. Bei diesem Formschlusselement kann es sich z. B. um
den Abschlussrand der Lagerschale handeln.
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Im
folgendem wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnungen beschrieben und es werden weitere Vorteile der Erfindung
angegeben. Auf der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1 In
einer teilweise geschnitten Darstellung eine Nachstelleinrichtung,
wie sie z. B. in einer Fahrzeug-Scheibenbremse zum Einsatz kommt;
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2 in
einer Schnittdarstellung einige Elemente der Nachstelleinrichtung
nach 1, nämlich ein zentraler und in einem
Kugelzapfen endender Bolzen, eine den Kugelzapfen aufnehmende Lagerschale,
sowie ein Topf, in dessen Einsenkung die Lagerschale sitzt;
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3a die
Lagerschale in einer Schnittdarstellung;
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3b die
Lagerschale in einer Seitenansicht;
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3c die
Lagerschale in einer perspektivischen Ansicht;
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4a den
Topf in einem Längsschnitt und
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4b in
vergrößerter Darstellung das Detail IV b der 4a.
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1 zeigt
eine Nachstelleinrichtung, welche in einer Fahrzeug-Scheibenbremse
zum Ausgleich des Bremsbelagverschleisses zum Einsatz kommt. Der
konstruktive Aufbau sowie die Funktion dieser Nachstelleinrichtung
ist in allen Einzelheiten in der PCT
WO 2006/111136 A1 beschrieben.
Auf die Offenbarung in dieser Druckschrift wird daher ausdrücklich
Bezug genommen.
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Insbesondere
besteht die Nachstelleinrichtung aus einem Nachstellelement 3,
welches über ein Gewinde 3a mit dem nicht gezeigten
Druckstempel der Scheibenbremse in Schraubverbindung steht. Weitere
Bestandteile der Nachstelleinrichtung sind ein erstes Gewindeelement 4 und
ein zweites Gewindeelement 5. Das erste Gewindeelement 4 ist
eine Druckplatte, welche durch die pneumatisch oder hydraulisch
angetriebene Zuspanneinrichtung der Fahrzeugbremse vorangetrieben
wird, was in 1 durch die Kraftpfeile F illustriert
ist. Das erste Gewindeelement 4 ist in Längsrichtung
beweglich, aber unverdrehbar in dem Bremsgehäuse der Scheibenbremse
angeordnet. In dem ersten Gewindeelement 4 befindet sich
ein Innengewinde 4a mit großer Gewindesteigung.
Ein hierzu korrespondierendes Außengewinde 5a mit
ebenfalls großer Gewindesteigung ist an dem zweiten Gewindeelement 5 ausgebildet.
Dieses zweite Gewindeelement ist ein zentraler Gewindebolzen 5,
an dessen einem Ende das bereits genannte Außengewinde 5a ausgebildet
ist, wohingegen an dem anderen Ende des Bolzens 5 ein Kugelzapfen 8 angeformt
ist. Der Bolzen 5 ist zwar drehbar gelagert, ihm ist jedoch
in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Längsachse
A, keine nennenswerte Bewegung möglich. Zu diesem Zweck
ist der Bolzen 5 in einer Bolzenlagerung 15 axial
abgestützt.
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Zwischen
dem Innengewinde 4a der Druckplatte und dem Außengewinde 5a des
Bolzens besteht ein konstruktiv vorgegebenes axiales Spiel. Dieses
Spiel führt dazu, dass bei einer Längsbewegung
der Druckplatte 4 in Richtung der Kraftpfeile F erst nach Überwindung
dieses Spiels eine Drehung des Bolzens 5 erfolgt. Das so
zwischen den Gewinden 4a, 5a eingestellte Spiel
bestimmt daher die Nachstellung der Fahrzeugbremse.
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Weitere
Bestandteile der Nachstelleinrichtung sind eine Einwegkupplung 6,
eine Drehmomentkupplung 7 sowie eine Druckfeder 9,
welche die Rückstellung der Bremse bei unbetätigter
Zuspannung bewirkt. Die als erstes Gewindeelement dienende Druckplatte 4 stützt
sich unter Zwischenlage einer reibungsarmen Scheibe 13 gegen
das Nachstellelement 3 ab, so dass das Nachstellelement 3 zwar
in Bezug auf die Druckplatte 4 drehbar ist, jedoch Nachstellelement 3 und
Druckplatte 4 in axialer Richtung, d. h. in Richtung der
zentralen Achse A, keine Relativbewegungen zueinander durchführen.
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Der
Kugelzapfen 8 des zentralen Bolzens 5 stützt
sich über eine aus Kunststoff bestehende Lagerschale 12 in
einem Topf 11 ab. Der Topf 11 ist, seiner Einsenkung 20 abgewandt,
fest mit einem Deckel 10 verbunden, wobei dieser Deckel 10 starrer
Bestandteil des Bremsgehäuses oder auch des Bremsträgers
der Scheibenbremse ist. Die Aufgabe des Deckels 10 ist
es, den Topf 11 und die Feder 9 abzustützen.
Ferner verhindert der Deckel 10 ein Eindringen von Schmutz
und Bremsstaub in den Bereich der Nachstelleinrichtung. Zur Festlegung
des Topfes 11 an dem Deckel 10 des Bremsgehäuses
kann der Topf 11 z. B. mit dem Deckel 10 verschweißt
sein. Der Boden des Topfes 11 ist, der Einsenkung 20 abgewandt, flach
kegelförmig gestaltet. Dies führt zu einer Kegelfläche,
welche eine gute Verbindung und insbesondere Schweißverbindung
mit dem Deckel 10 des Bremsgehäuses ermöglicht.
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Die
in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 15 versehene
Lagerung des Bolzens gegenüber dem Bremsgehäuse
bzw. dem Deckel des Bremsgehäuses wird im Folgenden anhand
der 2 bis 4b im Einzelnen erläutert.
Hierbei zeigt die 2 den Topf einschließlich
der Lagerschale und dem Bolzen, wohingegen die 3a bis 3c nur
die Lagerschale, und die 4a und 4b nur den
Topf illustrieren.
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Gemäß 2 weist
der aus Metall bestehende Topf 11 eine tiefe Einsenkung 20 auf,
welche nicht nur den Kugelzapfen 8 des Bolzens 5,
sondern auch die aus Kunststoff bestehende Lagerschale 12 vollständig
aufnimmt. Sowohl der Kugelzapfen 8 als auch die Lagerschale 12 sind
vollständig, d. h. auf ihrer ganzen Länge, von
der Einsenkung 20 des Metalltopfes 11 umgeben.
Um die Lagerschale 12 gegen ein Herausziehen aus dem Topf 11 in
Richtung R zu sichern, ist der Topf 11 an seinem dem Bolzen
zugewandten Ende mit einem radial nach innen gerichteten, umlaufenden
Vorsprung 21 versehen, hinter dem ein Formschlusselement 22 der
Lagerschale 12 formschlüssig verriegelt. Diese
Verriegelung der Lagerschale 12 führt auch zu
einer axialen Fixierung des Bolzens 5 innerhalb des Metalltopfes 11,
so dass auch der Bolzen 5 nicht in Richtung R aus dem Metalltopf 11 herausgezogen
werden kann.
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Der
umlaufende Vorsprung 21 des Topfes 11 erstreckt
sich so weit radial nach innen, dass gegenüber dem Bolzen 5 lediglich
ein schmaler Ringspalt S verbleibt. Dieser ist so groß,
dass ein ungehindertes Drehen des Bolzens 5 um seine Achse
A innerhalb des Topfes 11 sichergestellt ist.
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Die
Einsenkung 20 des Topfes gliedert sich in mehrere Längsabschnitte.
Auf dem äußersten, zugleich die Öffnung 26 der
Einsenkung 20 aufweisenden Längsabschnitt, befindet
sich der umlaufende radiale Vorsprung 21. Daran schließt
sich auf einem ersten Längsabschnitt eine konische Innenwandung 27 an,
welche sich in Richtung zu dem Boden 30 der Einsenkung 20 hin
verjüngt. Auf einem zweiten Längsabschnitt ist
die Einsenkung als zylindrische Innenwandung 29 gestaltet.
Der Übergang von der konischen Innenwandung 27 zu
der im Vergleich kürzeren zylindrischen Innenwandung 29 ist
winklig, aber ohne Stufe. Den Abschluss des zweiten Längsabschnitts
mit der zylindrischen Innenwandung 29 bildet der flache
Boden 30 der Einsenkung.
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Die 4b lässt
noch einmal in vergrößerter Darstellung jene Hinterschneidung 28 der
Einsenkung 20 erkennen, welche sich im Übergang
zwischen der konischen Innenwandung 27 und dem radial nach
innen vorspringenden Bund 21 einstellt.
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Die
aus elastisch verformbarem Kunststoff bestehende Lagerschale ist
in den 3a, 3b und 3c dargestellt.
Korrespondierend zu der Einsenkung des Topfes weist auch die Lagerschale 12 einen
ersten und einen zweiten Längsabschnitt auf. Im ersten
Längsabschnitt ist die Außenfläche 32 der Lagerschale
konisch, auf dem zweiten Längsabschnitt ist die Außenfläche 33 zylindrisch.
Wiederum erfolgt der Übergang zwischen den Außenflächen 32, 33 winklig,
jedoch ohne Stufe. Wird die Lagerschale 12 vollständig
in den Topf 11 eingesetzt, so liegt die konische Außenfläche 32 an
der konischen Innenwandung 27 der Einsenkung, und die zylindrische Außenfläche 33 an
der zylindrischen Innenwandung 29 der Einsenkung an. Letztere
bilden gemeinsam eine Presspassung. Der Abschlussrand 34 der
Lagerschale liegt in der Hinterschneidung 28 (4b), wodurch
die Lagerschale 12 in Längsrichtung in dem Topf 11 formschlüssig
verriegelt ist.
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Mit
seinem anderen, dem Bolzen abgewandten Ende stützt sich
die Lagerschale 12 gegen den kreisförmigen Boden 30 (4a)
der Einsenkung ab. Diese Abstützung erfolgt nicht zentral,
d. h. auf der Achse A, sondern auf einer Ringfläche mit
dem Durchmesser D, welche die Achse A koaxial umgibt. Um diese Ringfläche
zu erhalten, ist die Lagerschale 12, dem Bolzen abgewandt,
mit einem einstückig angeformten Stützring 40 versehen.
Ausschließlich mit diesem Stützring 40,
jedoch nicht mit dem Bereich innerhalb dieses Stützrings,
stützt sich die Lagerschale 12 gegen die ebene
Fläche des Bodens 30 (4a) ab.
Um eine andere Abstützung als die über den Stützring 40 zu
vermeiden, ist der innerhalb des Stützring angeordnete
Bereich der Lagerschale 12 als eine zu dem Kugelzapfen 8 hin
gewölbte Wandung gestaltet, wodurch die Wölbung 41 einen
Abstand zu dem ebenen Boden 30 des Topfes herstellt.
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Diese
Wölbung 41 der Rückseite der Lagerschale
führt in Verbindung mit dem verwendeten Kunststoffmaterials
ferner zu einer gewissen Federelastizität dieses Materialbereichs.
Das Material der Lagerschale 12 wirkt im Bereich der Wölbung 41 als Druckelement,
welches den Kugelzapfen 8 des Bolzens mit einer genau dosierten,
zentrisch auf den Kugelzapfen wirkenden Federkraft beaufschlagt.
Alternativ ist es auch möglich, im Bereich der Wölbung 41 ein
separates Federelement anzuordnen, welches den Kugelzapfen 8 mit
einer zentrisch auf den Kugelzapfen wirkenden Federkraft beaufschlagt.
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Dem
Kugelzapfen 8 zugewandt kann die Wölbung 41 mit
einer konvexen Parallelwölbung versehen sein. Diese stützt
sich in einer ebenen Stirnfläche 45 des Kugelzapfens 8 ab.
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Zur
Erzielung einer ausreichenden Flexibilität beim Einsetzen
der Lagerschale in den Topf ist die Lagerschale 12 mit
mehreren Längsschlitzen 47 versehen. Beim Ausführungsbeispiel
beträgt die Anzahl dieser Längsschlitze 47 vier.
Jeder Längsschlitz 47 erstreckt sich vom offenen
Ende 48 der Lagerschale bis zur Äquatorebene AE
der Kugelpfanne 49 und noch etwas darüber hinaus.
Die Kugelpfanne 49 ist, ebenso wie der Kugelzapfen 8,
sphärisch gestaltet, und sie umschließt den Kugelzapfen 8 über
einen Winkel von deutlich mehr als 180°, vorzugsweise über
270°. An die Kugelpfanne 49 schließt
sich zu dem offenen Ende 48 der Lagerschale hin eine sich konisch
erweiternde Innenwandung 51 an. Diese konische Innenwandung 51 verläuft
in etwa parallel zu der konischen Außenfläche 32.
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Zur
Montage der Bolzenlagerung wird zunächst die Kunststoff-Lagerschale 12 auf
den Kugelzapfen 8 des Bolzens 5 axial aufgesetzt,
bis die Pfanne 49 den Kugelzapfen vollständig
umschließt. Da der Durchmesser des Kugelzapfens den Durchmesser
der Innenwandung 51 der Lagerschale übersteigt,
müssen sich zu diesem Zweck die Segmente der Lagerschale 12 flexibel
aufweiten, was infolge der Längsschlitze 47 zwischen
den Segmenten problemlos möglich ist. Die so zusammengesetzte
Einheit aus Bolzen bzw. Kugelzapfen und Lagerschale 12 wird
sodann in den starr am Bremsgehäuse befestigten Metalltopf 11 eingesetzt.
Da der Durchmesser der Lagerschale 12 im Bereich ihres
Abschlussrandes 34 größer ist, als der
Durchtritt durch den Topf 11 im Bereich des Bundes 21,
federn beim axialen Einsetzen die durch die Längsschlitze 47 unterteilte
Segmente der Lagerschale 12 nach innen, bis sie, bei vollständig
eingesetzter Lagerschale, in der bereits beschriebenen Weise in
der Hinterschneidung 28 nach außen zurückspringen
und so die Lagerschale 12 im Topf verriegeln. Zugleich
stützt sich die Lagerschale 12 ausschließlich
im Bereich ihres angeformten Stützrings 40 gegen
den Boden 30 des Topfes 11 ab.
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Die
beschriebene Bolzenlagerung ermöglicht ein Drehen des Bolzens 5 um
seine Achse A mit geringem, aber genau definiertem Drehwiderstand. Hingegen
ist der Bolzen in Axialrichtung im Wesentlichen unbeweglich. Wegen
des federelastischen Verhaltens im Bereich der Wölbung 41,
sowie wegen der axialen Abstützung der Lagerschale 12 ausschließlich
im Bereich ihres Stützrings 40, führt
eine erhöhte Axialkraft F1 auf den Bolzen 5 zu
keiner nennenswerten Erhöhung der Reibung zwischen Kugelzapfen 8 und
Lagerschale 12. Denn im Bereich innerhalb des Stützrings 40 kann
es zu keiner Druckübertragung zwischen Topf 11 und
Lagerschale 12 kommen. Stattdessen wird ein beträchtlicher
Anteil der in Längsrichtung wirkenden Kräfte in
einer Ringzone übertragen, womit insgesamt die Tolerierung
der Reibung des Bolzens in seiner Lagerung vereinfacht wird.
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- 3
- Nachstellelement
- 3a
- Gewinde
- 4
- Druckplatte,
erstes Gewindeelement
- 4a
- Innengewinde
- 5
- Bolzen,
zweites Gewindeelement
- 55
- Außengewinde
- 6
- Einwegkupplung
- 7
- Drehmomentkupplung
- 8
- Kugelzapfen
- 9
- Druckfeder
- 10
- Deckel
des Bremsgehäuses
- 11
- Topf
- 12
- Lagerschale
- 13
- Scheibe
- 15
- Bolzenlagerung
- 20
- Einsenkung
- 21
- Vorsprung,
Bund
- 22
- Formschlusselement
- 25
- Abstützfläche
des Topfes
- 26
- Öffnung
- 27
- konische
Innenwandung
- 28
- Hinterschneidung
- 29
- zylindrische
Innenwandung
- 30
- Boden
- 32
- Außenfläche
konisch
- 33
- Außenfläche
zylindrisch
- 34
- Abschlussrand
- 40
- Stützring
- 41
- Wölbung
- 45
- Stirnfläche
- 47
- Längsschlitz
- 48
- offenes
Ende
- 49
- Pfanne
- 51
- Innenwandung
- A
- Achse
- AE
- Äquator
- D
- Durchmesser
der Abstützung
- F
- Kraftpfeil
- F1
- Axialkraft
- R
- Richtung
- S
- Ringspalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/111136
A1 [0003, 0004, 0019]