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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 gemäß
DE 10 2007 053 278 A1 wurde bereits 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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Die
DE 10 2006 033 333 A1 offenbart eine hydraulische Fahrzeugbremse mit integrierter elektromechanisch betätigbarer Feststellbremse, die in einem Bremszylinder einen Bremskolben sowie eine drehbar gelagerte, rotatorisch antreibbare Spindel aufweist, auf der eine Gewindemutter angeordnet ist. Die Spindel wird von einem Elektromotor angetrieben. An der Gewindemutter ist ein Federelement befestigt, das die Funktion einer elastischen Kupplung zwischen Gewindemutter und einem Mitnahmeelement ausübt und ein Drehmoment übertragen kann, wobei das Mitnahmeelement die gleiche Bewegung ausführt wie die Gewindemutter, solange das Drehmoment zwischen den beiden Bauteilen die Torsionssteifigkeit des Federelements nicht übersteigt.
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Die
DE 102 39 793 A1 zeigt eine Bremsvorrichtung mit einem elektrischen Bremsmechanismus, der eine elektrisch angetriebene Welle mit einer darauf verschraubten Mutter aufweist, an deren Umfang eine Schraubenfeder angreift. Dadurch wird die Mutter im Leerlauf gegenüber einem Kolben verdreht, um zu verhindern, dass die Betätigungswelle übermäßig in die Mutter eingreift.
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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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Figurenliste
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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 Lüftspiel 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. Voraussetzung 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.