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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine ansteuerbare elektromechanische Einrichtung
zur Feststellung eines Kolbens in einem Zylindergehäuse
entsprechend den gattungsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
eine mit einer derartigen Einrichtung ausgestattete Fahrzeugbremsanlage
nach Anspruch 9.
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Eine
ansteuerbare elektromechanische Einrichtung zur Feststellung eines
Kolbens in einem Zylindergehäuse wurde bereits unter dem
Aktenzeichen
DE 10 2007
053 278.6 von der Anmelderin beim DPMA angemeldet. Diese
elektromechanische Einrichtung weist eine Spindel auf, die in einem
Bremssattelgehäuse einer Radbremse ortsfest drehbar gelagert
und von einem Antriebsmotor rotatorisch antreibbar ist. Auf dieser
Spindel ist eine Spindelmutter angeordnet. Eine Kupplungseinrichtung
steuert eine mechanische Wechselwirkung der Spindelmutter mit der
Spindel bzw. mit einem Bremskolben. Letzterer ist als einseitig
geschlossener Hohlkolben ausgeführt und nimmt in seinem
Inneren die Spindel, die Spindelmutter und die Kupplungseinrichtung
auf. Die Kupplungseinrichtung nimmt eine geschlossene Stellung ein,
wenn die Spindelmutter in einer ersten Endposition gegen das geschlossene
Ende des Hohlkolbens drückt und damit den Bremskolben über
einen ihm zugeordneten Bremsbelag gegen eine Außenseite
einer Bremsscheibe presst oder wenn die Spindelmutter durch den
Antrieb der Spindel von einer ersten Endposition in eine zweite
Endposition überführt wird. Bei geschlossener
Kupplungseinrichtung ist die Spindelmutter drehfest im Inneren des
Bremskolbens geführt und kann dadurch lediglich Linearbewegungen
ausführen.
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Die
Kupplungseinrichtung öffnet selbsttätig, sobald
die Spindelmutter ihre zweite Endposition erreicht hat und gegen
einen vorgesehen mechanischen Anschlag anschlägt. Mit einem Öffnen
der Kupplungseinrichtung wird die drehfeste Verankerung der Spindelmutter
auf der Spindel aufgehoben, sodass diese nunmehr zusammen mit der
rotierenden Spindel umlaufen kann. Durch das Öffnen der Kupplungseinrichtung
wird vermieden, dass sich die Spindelmutter mit der Spindel verklemmt
bzw. dass der zweite Endanschlag zu hohen mechanischen Belastungen
ausgesetzt wird und verschleißt. Weiterhin wird verhindert,
dass die Rotationsbewegung der Spindel über die Kupplungseinrichtung
auf den Bremskolben übertragen wird. Schutzkappen und Dichtungen
einer Radbremse werden dadurch lediglich mit Axialkräften
belastet und können vor Beschädigungen hervorrufenden
Radialkräften wirksam geschützt werden.
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Die
bekannte Kupplungseinrichtung umfasst ein drehfest im Inneren des
Bremskolbens angeordnetes Füllstück und eine damit
zusammenwirkende Spiralfeder. Letztere ist mit einem Ende am Füllstück festgelegt,
während das zweite Federende mit seinen spiralförmigen
Wicklungen die Spindelmutter an ihrem Außenumfang unter
Vorspannung umschlingt und damit eine kraftschlüssige Verbindung
mit der Spindelmutter herstellt. Diese bekannte Kupplungseinrichtung
ist relativ aufwändig zu montieren. Insbesondere aufgrund
der Fertigungstoleranzen der Spiralfeder und der jeweils vorherrschenden
Umgebungsbedingungen variiert das Öffnungsverhalten der
bekannten Kupplungseinrichtung.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Kupplungseinrichtung ist einfach
im Aufbau und besteht aus wenigen kostengünstig herstellbaren
Einzelteilen. Sie wirkt zuverlässig einer mechanischen Überlastung
der zusammenwirkenden Komponenten entgegen und verhindert gleichzeitig
die Übertragung einer Rotationsbewegung auf den Kolben.
Die Funktionseigenschaften einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Kupplungseinrichtung sind durch konstruktiv einfach durchführbare Änderungen
beeinflussbar und unterliegen im Betrieb relativ geringen Schwankungen.
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Weitere
Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind der
Beschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ein
vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in
der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
detailliert erläutert. Die Zeichnung umfasst insgesamt
5 Figuren, wobei die 1 den Zusammenbau eines Bremssattels
einer Scheibenbremse im Längsschnitt zeigt. Dieser Bremssattel
ist mit einer erfindungsgemäßen ansteuerbaren
elektromechanischen Feststelleinrichtung ausgestattet. Die 2 und 3 zeigen
den Bremskolben dieses Bremssattels als Einzelteil im Längs-
und im Querschnitt. 4 stellt eine mit einem Kupplungselement
ausgestattete Spindelmutter im Längsschnitt dar und 5 zeigt
einen Querschnitt durch einen Bremskolben mit eingebauter Spindelmutter
und Kupplungselement.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der
in 1 abgebildete Bremssattel 10 hat ein
U-förmiges Bremssattelgehäuse 12, welches quer
zu einer nicht gezeigten Bremsscheibe an einer Karosserie eines
Kraftfahrzeugs anbringbar ist. Es ist davon auszugehen, dass der
Bremssattel 10 die Bremsscheibe abschnittsweise an ihrem
Außenumfang übergreift und sich zu beiden Seiten
dieser Bremsscheibe erstreckt. Diesseits und jenseits der Bremsscheibe
sind Bremsbeläge (nicht gezeigt) am Bremssattelgehäuse 12 verschieblich
angeordnet. Zum Andrücken dieser Bremsbeläge gegen
die Bremsscheibe sind im Bremssattelgehäuse 12 ein Bremszylinder 14 und
ein darin verschiebbar geführter Bremskolben 16 vorhanden.
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Der
Bremskolben 16 ist als einseitig geschlossener Hohlkolben
ausgeführt, der mit seinem geschlossenen Ende aus dem Bremssattelgehäuse 12 vorsteht
um einen der Bremsbeläge unmittelbar zu beaufschlagen.
Sobald sich dieser eine Bremsbelag an der ihm zugewandten Außenseiten
der Bremsscheibe anlegt, bewegt sich das Bremssattelgehäuse 12 aufgrund
einer schwimmenden Anordnung an der Fahrzeugkarosserie entgegen
der Betätigungsrichtung dieses Bremsbelags und legt dadurch
auch den zweiten Bremsbelag an der gegenüberliegenden Außenseite
der Bremsscheibe an. Die jeweilige Andruckkraft der Bremsbeläge
an die Bremsscheibe ist von der auf den Bremskolben 16 einwirkenden
Betätigungskraft abhängig. Diese Betätigungskraft
wird durch einen Druckaufbau im Bremszylinder 14 erzeugt.
Der Druckaufbau kann vom Fahrer per Muskelkraft und/oder von einer
Fremdkraft betätigenden Druckquelle vorgenommen werden.
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Das
Innere des Bremszylinders 14 ist mittels einer Kolbendichtung 18 zur
Umgebung hin abgedichtet. Eine Führung des Bremskolbens 16 im Bremssattelgehäuse 12 wird
durch eine Staubschutzkappe (nicht dargestellt) vor eindringendem Schmutz
oder Staub geschützt. Sowohl die Kolbendichtung 18,
als auch die Staubschutzkappe sind für Linearbewegungen
des Bremskolbens 16 ausgelegt und wirken Rotationsbewegungen
entgegen. Dennoch auftretende Rotationsbewegungen können
Beschädigungen an der Kolbendichtung 18 und/oder
an der Staubschutzkappe bewirken.
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Im
Inneren des Bremskolbens 16 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete
Feststelleinrichtung 20 untergebracht. Diese besteht aus
einer ortsfest im Bremssattelgehäuse 12 angeordneten,
drehbar gelagerten Spindel 22, einer auf der Spindel 22 angeordneten
Spindelmutter 24 und einem Kupplungselement 16,
welches eine Wechselwirkung der Spindelmutter 24 mit der
Spindel 22 bzw. mit dem Bremskolben 16 steuert.
Die Feststelleinrichtung 20 hat die Aufgabe, den Bremskolben 16 in
einer ersten Endposition festzulegen. In dieser ersten Endposition
werden die Bremsbeläge vom Bremskolben 16 mechanisch
gegen die Außenseiten der Bremsscheibe gedrückt,
ohne dass im Inneren des Bremszylinders 14 ein Bremsdruck
vorherrscht. Dies tritt beispielsweise in einer Parkbremssituation
auf oder wenn ein Fahrzeug ohne Betätigung der Betriebsbremsen
an einer Steigung oder einem Gefälle gehalten werden soll. Die
Darstellung nach 1 zeigt die Feststelleinrichtung 20 im
verriegelten Zustand.
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Die
Spindel 22 ist in mehrere Abschnitte gegliedert. Ein erster,
die Spindelmutter 24 tragender Abschnitt 22a ist
mit einem Außengewinde versehen. An den ersten Abschnitt 22a schließt
sich in Längsachsenrichtung der Spindel 22 ein
zweiter scheibenförmiger Abschnitt 22b an. Dieser
bildet einen Axialanschlag für die Spindelmutter 24 und
definiert deren zweite Endposition. Der Abschnitt 22b dient
des Weiteren als Axiallager für die Spindel 22.
Dieses Axiallager ist wirksam, sobald elektromechanisch eine Klemmkraft
erzeugt wird. An den zweiten Abschnitt 22b schließt
sich ein dritter Abschnitt 22c an, durch welchen die Spindel 22 drehbar
im Bremssattelgehäuse 12 aufgenommen ist. Die
Spindel 22 endet in einem vierten Abschnitt 22d,
welcher dem Antrieb der Spindel 22 dient. An diesem vierten
Abschnitt 22d ist die Spindel 22 beispielsweise
mit einem Innenvielzahnprofil 22e versehen, in das eine
Abtriebswelle eines nicht dargestellten Antriebsmotors formschlüssig
eingreifen kann, um der Spindel 22 bei Bedarf eine Rotationsbewegung
in die eine oder andere Drehrichtung aufzuzwingen.
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Die
Spindelmutter 24 ist hülsenförmig ausgeführt
und ist mit einem Innengewinde versehen, welches in das Außengewinde
der Spindel 22 eingreift. Das dem geschlossenen Ende des
Bremskolbens 16 zugewandte Ende der Spindelmutter 24 bildet
einen im Außendurchmesser verdickten Spindelmutterkopf 24a aus.
Dieser liegt in 1 an einer Innenflanke 16a des
Bremskolbens 16 an. Axial schließt sich an den
Spindelmutterkopf 24a ein zylindrisch ausgebildeter Spindelmutterschaft 24b an.
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Vom
Kupplungselement 26 ist in 1 lediglich
ein Flügelelement 40 zu erkennen. Dieses ist am Spindelmutterkopf 24a ortsfest
angeordnet, steht radial von diesem ab und greift mit seinem abstehenden
Ende in eine nutförmige Ausnehmung 30 am Bremskolben 16 ein.
Die Ausnehmung 30 ist an der Innenwand des hohlen Bremskolbens 16 ausgebildet,
erstreckt sich von seinem offenen Ende her bis auf Höhe
der Innenflanke 16a und verläuft parallel zur Längsachsenrichtung
des Bremskolbens 16. Da in der gezeigten ersten Endposition
der Bremskolben 16 durch das Andrücken der Bremsbeläge
an die Bremsscheibe am Rotieren gehindert ist, weil ferner der Spindelmutterkopf 24a gegen
die Innenflanke 16a drückt und weil das Flügelelement 40 des
Kupplungselements 26 in die nutförmige Ausnehmung 30 des
Bremskolbens 16 eingreift, ist die Einrichtung derart verblockt,
dass die Spindelmutter 24 nicht gemeinsam mit der angetriebenen
Spindel 22 umlaufen kann. Das Kupplungselement 26 nimmt
also in dieser ersten Endposition eine geschlossene Stellung ein, wodurch
das von der Spindel 22 übertragene Antriebsmoment
in eine Andruckkraft wandelbar ist, mit der die Bremsbeläge
gegen die Bremsscheibe gepresst werden.
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In
den 2 und 3 ist zu erkennen, dass der
Bremskolben 16 in seinem Inneren mit einer Vielzahl von
nutförmigen Ausnehmungen 30 versehen ist. Diese
sind in regelmäßigen Abständen entlang
des Innenumfangs des Bremskolbens 16 verteilt angeordnet.
Die Ausnehmungen 30 haben exemplarisch einen halbkreisförmigen
Querschnitt (3) und erstrecken sich von der
offenen Seite des Bremskolbens 16 bis zu seinem geschlossenen
Ende. Die Ausnehmungen 30 sind in ihren Querschnittsabmessungen
und in ihrer Anzahl derart aufeinander abgestimmt, dass sich auf
der Innenseite des Bremskolbens 16 ein Wellenprofil mit
Stegen 32 zwischen den Ausnehmungen 30 ausbildet,
die sich in radialer Richtung nach innen verjüngen. Weiterhin
ist das geschlossene Ende des Bremskolbens 16 auf seiner
Innenseite mit einem Verzahnungsprofil 34 versehen, welches
sich wenigstens über einen radial äußeren
Teil der Kolbenquerschnittsfläche erstreckt.
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Der 4 ist
die Ausbildung des Kupplungselements 26 zu entnehmen. Die
Spindelmutter 24 ist in schematisch vereinfachter Weise
in Form einer zylindrischen Hülse ausgeführt,
welche entgegen der Darstellung in 1 ohne verdickten
Spindelmutterkopf auskommt. Am Außenumfang der Spindelmutter 24 sind
scheibenförmig ausgebildete Flügelelemente 40 angeordnet.
Diese können einteilig mit der Spindelmutter 24 ausgebildet
oder als separate Anbauteile ortsfest mit der Spindelmutter 24 verbunden
sein. Als Materialien für die Flügelelemente 40 eigenen sich
bremsflüssigkeitsbeständige elastische Kunststoffe
oder Metalle, vorzugsweise Federstahl. Die Flügelelemente 40 erstrecken
sich parallel zur Achsrichtung der Spindelmutter 24. Sie
stehen radial nach außen ab und sind etwas kürzer
als die Spindelmutter 24 ausgeführt. Die Flügelelemente 40 haben
beispielhaft eine rechteckige Außenkontur. Mehrere derartig
ausgebildete Flügelelemente 40 sind vorzugsweise
in gleichmäßigen Winkelabständen über
den Außenumfang der Spindelmutter 24 verteilt
angeordnet.
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Wenigstens
eines der beiden Stirnenden der Spindelmutter 24 ist mit
einem Verzahnungsprofil 42 versehen, wobei die Geometrie
dieses Verzahnungsprofils 42 abgestimmt ist auf das am
geschlossenen Ende des Bremskolbens 16 ausgebildete Verzahnungsprofil 34.
Die Anordnung der Spindelmutter 24 auf der Spindel 22 ist
derart, dass die mit der Verzahnung 42 versehene Stirnseite
diesem geschlossenen Ende des Bremskolbens 16 zugewandt
liegt.
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Gemäß 5 sind
bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel insgesamt vier
Flügelelemente 40 vorhanden. Diese sind einander
jeweils paarweise gegenüber liegend an der Spindelmutter 24 angeordnet.
Die Flügelelemente 40 sind im Querschnitt rechteckig
ausgeführt. Ihre Abmessungen sowie das Material, aus dem
sie hergestellt sind, sind derart gewählt, dass die Flügelelemente 40 in
beide Drehrichtungen der Spindelmutter 24 elastisch verbiegbar sind,
sofern sie mit einem Drehmoment belastet werden, das einen vorbestimmten
Mindestwert überschreitet. Gemäß 5 greifen
die Flügelelemente 40 mit ihren von der Spindelmutter 24 entfernt
liegenden Enden in zugeordnete nutförmige Ausnehmungen 30 am
Innenumfang des Bremskolbens 16 ein.
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Funktionsweise der Erfindung:
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Zur
Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung ist davon
auszugehen, dass sich die Spindelmutter 24 mit ihren daran
befestigten Flügelelementen 40 in einer Position
zwischen ihren beiden Endpositionen befindet. Erfolgt aufgrund einer
fahrbetriebsbedingten Bremsenbetätigung ein Druckaufbau im
Bremszylinder 14, so kann sich der Bremskolben 16 linear
ungehindert relativ zur Spindelmutter 24 bewegen. Die vorhandenen
Bremsbeläge lassen sich dadurch bekanntermaßen gegen
eine Bremsscheibe pressen, um eine gewünschte Fahrzeugverzögerung zu
erreichen.
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Soll
nun ein mit dem Bremssattel 10 nach 1 ausgerüstetes
Fahrzeug mechanisch festgestellt werden, erfolgt dies durch elektronische
Ansteuerung der Feststelleinrichtung 20. Dabei wird die Spindel 22 von
einem Antriebsmotor beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn angetrieben.
Die auf der Spindel 22 angeordnete Spindelmutter 24 steht durch
ihre Flügelelemente 40 mit dem Bremskolben 16 in
Wirkverbindung, wobei der Bremskolben 16 aufgrund seiner
Abdichtung im Bremszylindergehäuse 12 am Rotieren
gehindert wird. Folglich wird die Rotationsbewegung der Spindel 22 in
eine Linearbewegung der Spindelmutter 24 in Richtung des
geschlossenen Endes des Bremskolbens 16 gewandelt, sofern
nicht das der Spindel 22 erteilte Antriebsmoment einen
Grenzwert überschreitet, welcher ein Verbiegen der Flügelelemente 40 entgegen
der Drehrichtung der Spindel 22 bewirkt.
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Mit
dem Anschlagen der Spindelmutter 24 an der Innenflanke 16a des
Bremskolbens 16 greift die stirnseitige Verzahnung 42 der
Spindelmutter 24 in die Verzahnung 34 des Bremskolbens 16 ein
und stellt zwischen beiden Bauteilen einen Formschluss her. Der
Bremskolben 16 folgt darauf hin der Linearbewegung der
Spindelmutter 24, so dass ein eventuell vorhandenes Luftspiel überwunden
werden kann. Liegt der Bremskolben 16 schließlich
mit dem ihm zugeordneten Bremsbelag an der Bremsscheibe an, wird
das Antriebsmoment der Spindel 22 in eine Anpresskraft
für die Bremsbeläge umgewandelt. Das Kupplungselement 26 rutscht
dabei aufgrund des bestehenden Formschlusses zwischen dem Bremskolben 16 und
der Spindelmutter 24 nicht durch und kann deshalb ein relativ
großes Antriebsmoment übertragen. Mit einem Erreichen
einer für den Feststellbremsvorgang notwendigen Vorspannkraft
wird der Antrieb der Spindel 22 abgeschaltet. Die Spindelmutter 24 befindet
sich nun in ihrer in 1 gezeigten ersten Endposition.
Dabei ist die Bremszange geschlossen und ein selbsttätiges
Anrollen des Fahrzeugs wird vermieden. Vorraussetzung hierfür
ist allerdings, dass die Verzahnung zwischen der Spindel 22 und
der Spindelmutter 24 selbsthemmend ausgelegt ist, damit
sich die Spindelmutter 24 nicht selbsttätig, d.
h. ohne Antrieb der Spindel 22, in Öffnungsrichtung
bewegen kann.
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Zum
Lösen der Feststelleinrichtung 20 wird die Spindel 22 vom
Antriebsmotor in entgegen gesetzter Drehrichtung als beim Schließen
der Radbremse, beispielsweise im Uhrzeigersinn, angetrieben. Die
auf der Spindel 22 angeordnete Spindelmutter 24 bewegt
sich daraufhin linear von der ersten Endposition in Richtung ihrer
zweiten Endposition, da der Bremskolben 16 nach wie vor
durch seine Abdichtung im Bremssattelgehäuse 12 verdrehfest
gehalten ist und ein durch das Kupplungselement 26 bewirkter
Formschluss zwischen der Spindelmutter 24 und dem Bremskolben 16 besteht.
Die zweite Endposition ist erreicht, wenn die Spindelmutter 24 mit
der Stirnfläche des Schaftabschnitts 24b am spindelseitigen
Axialanschlag (Abschnitt 22b der Spindel 22) zur
Anlage kommt und damit eine weitere Linearbewegung der Spindelmutter 24 auf
der Spindel 22 unmöglich ist. Das dabei von der
Spindel 22 übertragene Antriebsmoment bewirkt,
dass das zwischen der Spindelmutter 24 und dem Bremskolben 16 vorhandene
Kupplungselement 26 öffnet und durchrutscht. Dieses
Durchrutschen des Kupplungselements 26 wird dadurch erreicht,
dass sich die Flügelelemente 40 aufgrund des vorherrschenden
Antriebsmoments entgegen der Drehrichtung der Spindel 22 derart
stark verbiegen, dass ihre äußeren Enden aus den
nutförmigen Ausnehmungen 30 am Innenumfang des
Bremskolbens 16 austreten. Der bislang zwischen dem Bremskolben 16 und
der Spindelmutter 24 bestehende Formschluss wird demnach aufgehoben,
so dass die Spindelmutter 24 gemeinsam mit der angetriebenen
Spindel 22 umlaufen kann. Der Bremskolben 16 wird
somit nicht weiter von in Umfangsrichtung wirkenden Kräften
belastet und sowohl die Kolbendichtung 18, als auch die Staubschutzkappe
sind dadurch vor Beschädigungen geschützt.
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Weiterhin
kann durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kupplungselement 26 verhindert
werden, dass die Spindelmutter 24 beim Erreichen ihrer zweiten
Endposition mit der Spindel 22 derart verklemmt, dass in
einem eventuell nachfolgenden Betätigungsvorgang diese
beiden Bauteile nicht wieder voneinander gelöst werden
können. Auch die mechanische Belastung des Axialanschlags
beim Anschlagen der Spindelmutter 24 ist durch die Auslegung des Kupplungselements 26 steuerbar,
so dass ein Verschleißen dieses Anschlags vermeidbar ist.
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Ein
Anfahren der zweiten Endposition der Feststelleinrichtung ist beispielsweise
dann notwendig, wenn die Bremsbeläge im Servicefall ausgetauscht
werden müssen oder wenn eine definierte Ausgangsstellung
der Bremsbeläge, eventuell zur Messung eines vorhandenen
Belagverschleißes angefahren werden muss.
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Selbstverständlich
sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen
Ausführungsbeispiel denkbar, ohne vom Grundgedanken der
Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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