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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Aktuator zur Wandlung einer rotierenden
Antriebsbewegung in eine translatorische Ausgangsbewegung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der Antrieb ist mit einem Elektromotor
vorgesehen, der Aktuator ist zur Betätigung einer elektromechanischen
Reibungsbremse, d. h. zum Andrücken eines Reibbremsbelags
der Reibungsbremse gegen einen drehbaren Bremskörper vorgesehen.
Im Falle einer Trommelbremse ist der Bremskörper eine Bremstrommel,
im Falle einer Scheibenbremse ist der Bremskörper eine
Bremsscheibe. Die Erfindung ist nicht auf diese beiden Bremsenbauformen
beschränkt. Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektromechanische
Reibungsbremse mit einem derartigen Aktuator mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 4.
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Elektromechanische
Reibungsbremsen sind als Radbremsen für Kraftfahrzeuge
in großer Anzahl bekannt. Beispielhaft wird die Offenlegungsschrift
DE 42 29 042 A1 genannt.
Diese offenbart eine elektromechanische Reibungsbremse in Bauform
einer Scheibenbremse mit einem Elektromotor, der über ein
Zahnraduntersetzungsgetriebe ein Schraubgetriebe in Bauform eines
Spindel triebs antreibt. Das Schraubgetriebe wandelt eine rotatorische
Antriebsbewegung des Elektromotors in eine translatorische Ausgangsbewegung
zum Drücken eines Reibbremsbelags gegen eine Bremsscheibe.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Aktuator mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 weist außer einem Schraubgetriebe zum Wandeln
einer rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung einen
Keilmechanismus und einen Spreizmechanismus auf. Der Keilmechanismus
weist einen Keil auf, der quer oder schräg zum Schraubgetriebe
in einen Keilspalt zwischen einem Widerlager, das den Keil abstützt,
und einem Ausgangselement, das durch Verschiebung des Keils in den
enger werdenden Keilspalt vom Widerlager abgedrückt wird,
verschiebbar ist. Das Ausgangselement muss nicht Teil des Aktuators
sein, sondern kann Element einer Vorrichtung sein, die mit dem Aktuator
antreibbar ist. Keilspalt bedeutet allgemein einen in einer Richtung
enger werdenden Spalt oder Zwischenraum, vorzugsweise verengt sich
der Keilspalt von einer Mitte des Aktuators weg nach außen.
Der Spreizmechanismus weist einen konischen oder keilförmigen
Keilschieber auf, der mit dem Schraubgetriebe verschiebbar ist und der
den Keil in den enger werdenden Keilspalt verschiebt.
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Das
Schraubgetriebe des erfindungsgemäßen Aktuators
wandelt wie bereits gesagt eine rotierende Antriebsbewegung in eine
translatorische Bewegung, die den Keilschieber des Spreizmechanismus
verschiebt. Der konische oder keilförmige Keilschieber
verschiebt seinerseits den Keil in den enger werdenden Keilspalt
zwischen dem Widerlager und dem Ausgangselement, wodurch der Keil
das Ausgangselement vom Widerlager abdrückt, d. h. der Keil
verschiebt das Ausgangselement vom Widerlager weg. Die Verschiebung
des Ausgangselements ist die translatorische Ausgangsbewegung des
erfindungsgemäßen Aktuators zum Antrieb oder zur
Betätigung einer Vorrichtung, beispielsweise zum Andrücken
eines Reibbremsbelags einer Reibungsbremse gegen einen drehbaren
Bremskörper.
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Der
Keilmechanismus und der Spreizmechanismus bilden ein mechanisches
Getriebe, das einen Weg des Schraubgetriebes untersetzt und eine
Kraft des Schraubgetriebes übersetzt. Die Mechanismen sind
robust und einfach im Aufbau und benötigen keine oder wenig
Wartung. Der Keilmechanismus und der Spreizmechanismus lassen sich
mit großen Anlageflächen der gegeneinander beweglichen
Teile ausbilden, so dass eine niedrige Flächenpressung
möglich ist, die eine große Ausgangskraft des
Aktuators ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist die Möglichkeit, das Über- bzw. Untersetzungsverhältnis durch
die Wahl der Keilwinkel und der Winkel von Schrägflächen
in einem großen Bereich zu wählen; es lässt
sich eine große Kraftübersetzung erzielen. Die
Erfindung ermöglicht einen kompakten Aktuator.
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Die
Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.
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Vorzugsweise
weist der Keilmechanismus des erfindungsgemäßen
Aktuators zwei einander gegenüber oder mehr als zwei, sternförmig
angeordnete Keile auf, zwischen denen der Keilschieber angeordnet
ist und die vom Keilschieber auseinandergedrückt werden.
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Für
die Verwirklichung der Erfindung kommt es weniger auf die Form als
vielmehr auf die Funktion der Elemente an. So ist es denkbar, beispielsweise Kugeln,
die ringförmig um den Keilschieber angeordnet sind, anstelle
von Keilen in einen enger werdenden Keilspalt zu verschieben. In
diesem Fall ist der Keilschieber nicht unbedingt konisch oder keilförmig und
kann treffender als Verdränger bezeichnet werden, der die
Kugeln nach außen drückt, wenn er zwischen sie
geschoben wird.
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Die
erfindungsgemäße elektromechanische Reibungsbremse
mit den Merkmalen des Anspruchs 4 weist einen Aktuator der vorstehend
erläuterten Art auf, der mit einem Elektromotor antreibbar
ist und der bei einer Betätigung der Bremse den Reibbremsbelag
gegen einen drehbaren, zu bremsenden Bremskörper, beispielsweise
eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel drückt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
einzige Figur zeigt eine elektromechanische Scheibenbremse mit einem
Aktuator im Achsschnitt gemäß der Erfindung. Die
Zeichnung ist als vereinfachte und schematisierte Darstellung zur
Erläuterung und zum Verständnis der Erfindung
zu verstehen.
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Ausführungsform der
Erfindung
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Die
in der Zeichnung dargestellte elektromechanische Reibungsbremse 1 gemäß der
Erfindung weist die Bauform einer Scheibenbremse auf und ist als
Radbremse eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Reibungsbremse 1 weist
einen Bremssattel 2 auf, der als sog. Schwimmsattel quer
zu einer Bremsscheibe 3 verschiebbar ist. Rechtwinklig
zur Bremsscheibe 3 ist ein erfindungsgemäßer
Aktuator 4 im Bremssattel 2 befestigt. Der Aktuator 4 weist
ein zylindrisches Gehäuse 5 mit einem durchgehenden, durchmessergestuften
Axialloch 6 auf. Das Gehäuse 5 ist mit
einem Außengewinde an seinem Außenumfang versehen,
mit dem der Aktuator 4 in ein Gegengewinde des Bremssattels 2 geschraubt
ist. Das Außengewinde des Aktuators 4 wird nachfolgend
als Zustellgewinde 7 bezeichnet.
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An
einem der Bremsscheibe 3 fernen Bereich des Axiallochs 6 im
Gehäuse 5 des Aktuators 4 ist eine Spindel 8 angeordnet,
deren Spindelgewinde 9 in Eingriff mit einem Innengewinde 10 des
Gehäuses 5 steht. Durch rotierenden Antrieb wird
die Spindel 8 axial im Gehäuse 5 des
Aktuators 4 verschoben, die Spindel 8 im Gehäuse 5 bildet
einen Spindeltrieb 11 des Aktuators 4, das allgemein
auch als Schraubgetriebe aufgefasst werden kann.
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Ein
Ende der Spindel 8 steht auf einer der Bremsscheibe 3 abgewandten
Seite aus dem Gehäuse 5 des Aktuators 4 vor
und weist eine Verzahnung 12 auf, mit der ein Ritzel 13 eines
Elektromotors 14 kämmt, der in einem Gehäuse 15 untergebracht und
befestigt ist, das am Bremssattel 2 befestigt ist. Der
Elektromotor 14 weist einen Motorlagesensor 16 auf,
mit dem eine Motordrehung messbar ist.
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Auf
ihrer der Bremsscheibe 3 zugewandten Seite weist die Spindel 8 einen
Keilschieber 17 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiels
kegelförmig ist und sich in Richtung der Bremsscheibe 3 verjüngt.
Der Keilschieber 17 ragt zwischen Keile 18, die in
Draufsicht, also axial zum Aktuator 4 gesehen, die Form
von Kreissektoren aufweisen und auf einem gedachten Kreis um den
Keilschieber 17 herum angeordnet sind. Dem Keilschieber 17 zugewandte
Rückenflächen 19 der Keile 18 sind
passend zur Kegelform des Keilschiebers 17 hohlrund gewölbt
und schräg zu einer gedachten Mittelachse verlaufend angeordnet.
Der Keilschieber 17 kann auch eine Pyramidenform aufweisen,
wodurch ebene Rückenflächen 19 der Keile 18 möglich
sind. In diesem Fall muss der Keilschieber 17 drehbar gegenüber
der Spindel 8 sein. Auch ist eine Ausgestaltung mit zwei Keilen 18 möglich,
die einander gegenüberliegend auf beiden Seiten des Keilschiebers 17 angeordnet sind,
der in diesem Fall ein Keil ist und wie der pyramidenförmige
Keilschieber 17 gegenüber der Spindel 8 drehbar
sein muss.
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Die
Keile 18 befinden sich in einem Keilspalt 20 zwischen
einem Widerlager 21 und einem zylindrischen Ausgangselement 22,
das axial verschiebbar im Axialloch 6 des Gehäuses 5 aufgenommen
ist. Das Widerlager 21 ist ein rohrförmiges Teil,
das den Keilschieber 17 umschließt und sich an
einer Ringstufe 23 des Axiallochs 6 im Gehäuse 5 des
Aktuators 4 abstützt. Eine den Keilen 18 und
dem Ausgangselement 22 zugewandte Widerlagerfläche 24 des
Widerlagers 21 ist eine zum Aktuator 4 koaxiale Hohlkegelfläche
mit einem stumpfen Kegelwinkel. Die Keile 18 weisen komplementäre
Kegelflächen auf, mit denen sie an der Widerlagerfläche 24 anliegen.
Eine dem Widerlager 21 zugewandte Stirnfläche 25 des
Ausgangselements 22 ist eben, sie begrenzt zusammen mit
der Widerlagerfläche 24 den Keilspalt 20.
Der Keilspalt ist kreisringförmig und verengt sich radial
nach außen. Die Keile 18 sind im Keilspalt 20 radial
nach außen verschiebbar, an ihnen liegt das Ausgangselement 22 an.
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Das
Ausgangselement 22 ist von einem gummielastischen, rohrförmigen
Rückstell- und Dichtelement 26 umschlossen, das
einen flanschartigen Dichtfuß 27 aufweist, mit
dem es das Ausgangselement 22 im Gehäuse 5 des
Aktuators 4 abdichtet und gegen Verschmutzung schützt.
Das Rückstell- und Dichtelement 26 stützt
sich auf der Seite der Bremsscheibe 3 an einem Sprengring 28 ab,
der in eine umlaufende Innennut im Gehäuse 5 eingesetzt
ist. Das Rückstell- und Dichtelement 26 beaufschlagt
das Ausgangselement 22 an einem Flansch 29 in
Richtung der Spindel 8. Es sind auch Ausgestaltungen möglich,
bei denen die Keile 18 zwangläufig durch Rückziehen
des Keilscheibers 17 rückgestellt werden, beispielsweise
durch formschlüssige Schiebeführungen mit hinterschnittenen
Nuten, beispielsweise T-Nuten.
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Die
Keile 18 bilden mit dem Widerlager 21 und dem
Ausgangselement 22 einen Keilmechanismus 30. Der
Keilschieber 17 bildet mit den Keilen 18 einen
Spreizmechanismus 31.
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Im
Gehäuse 15 ist ein Drehsensor 32, beispielsweise
ein Hall-Sensor angeordnet, mit dem eine Drehung des Gehäuses 5 des
Aktuators 4 messbar ist. Des weiteren ist im Gehäuse 15 eine
Sperrklinke 33 angeordnet, die in eine Verzahnung 34 eingreift,
die umlaufend außen an einem der Bremsscheibe 3 fernen
Ende des Gehäuses 5 angebracht ist. Die Sperrklinke 33 ist
mit einem Elektromagneten 35 außer Eingriff von
der Verzahnung 34 klinkbar.
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Zu
einer Bremsbetätigung wird über ein nicht dargestelltes
elektronisches Steuergerät der Elektromotor 14 bestromt
und treibt über sein Ritzel 13 die Spindel 8 rotierend
an. Die Rotation verschiebt die Spindel 8, deren Spindelgewinde 9 mit
dem Innengewinde 10 des Gehäuses 5 des
Aktuators 4 in Eingriff steht, axial in Richtung der Bremsscheibe 3.
Dabei verschiebt die Spindel 8 den Keilschieber 17 in
Richtung der Bremsscheibe 3 und zwischen die Keile 18. Der
Keilschieber 17 drückt die Keile 18 radial
auseinander in den nach außen enger werdenden Keilspalt 20 zwischen
dem Widerlager 21 und dem Ausgangselement 22.
Die Keile 18, die sich an der Widerlagerfläche 24 des
Widerlagers 21 abstützen, drü cken das Ausgangselement 22 zur
Bremsscheibe 3. Ein Reibbremsbelag 36, der am
Ausgangselement 22 angeordnet ist, wird gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt. Dadurch
verschiebt sich der als Schwimmsattel ausgebildete Bremssattel 2 quer
zur Bremsscheibe 3 und drückt einen auf der gegenüberliegenden
Seite der Bremsscheibe 3 angeordneten Reibbremsbelag 37 gegen
die andere Seite der Bremsscheibe 3, die dadurch gebremst
wird.
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Der
Spreizmechanismus 31 und der Keilmechanismus 30 bilden
ein mechanisches Getriebe, das einen Weg der Spindel 8 untersetzt
und eine Kraft der Spindel 8 übersetzt. Das Über-
bzw. Untersetzungsverhältnis lässt sich durch
Wahl des Konuswinkels des Keilschiebers 17 und des Keilwinkels
der Keile 18 und des Keilspalts 20 in einem großen
Bereich wählen, es ist insbesondere eine hohe Kraftübersetzung
möglich. Es erfolgt keine Richtungsumlenkung und kein Versatz,
das Ausgangselement 22 wird gleichachsig mit der Spindel 8 verschoben.
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Zum
Lösen der Reibungsbremse 1 wird der Elektromotor 14 mit
umgekehrter Drehrichtung betrieben, so dass sich die Spindel 8 zurückverschiebt, d.
h. von der Bremsscheibe 3 entfernt. Das Dichtungs- und
Rückstellelement 26 drückt das Ausgangselement 22 von
der Bremsscheibe 3 ab und das Ausgangselement 22 bewegt
die Keile 18 und ggf. den Keilschieber 17 zurück
in ihre Ausgangsstellungen.
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Der
Spindeltrieb 11 und damit der Aktuator 4 insgesamt
ist selbsthemmend, d. h. er lässt sich nicht durch Druck
gegen das Ausgangselement 22 in seine Ausgangsstellung
zurückbewegen, sondern nur durch Drehantrieb mit dem Elektromotor 14.
Dadurch bleibt eine aufgebrachte Bremskraft auch bei unbestromtem
Elektromotor 14 bestehen. Die Reibungsbremse 1 ist
deswegen außer als Betriebsbremse auch als Park- und Feststellbremse
verwendbar.
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Eine
Verschleißnachstellung der Reibungsbremse 1 erfolgt,
indem die Sperrklinke 33 außer Eingriff von der
Verzahnung 34 des Gehäuses 5 des Aktuators 4 gebracht
wird, so dass das Gehäuse 4 im Bremssattel 2 drehbar
ist. Es erfolgt ein Drehantrieb der Spindel 8 mit dem Elektromotor 14.
Zusammen mit einer Reibung des Keilmechanismus 30 und des Spreizmechanismus 31 ist
eine Reibung der Spindel 8 im Gehäuse 5 größer
als die Reibung des Gehäuses 5 im Bremssattel 2,
so dass der Elektromotor 14 bei entriegeltem und drehbarem
Gehäuse 5 dieses drehend antreibt. Das Gehäuse 5 und
damit der Aktuator 4 verschieben sich durch den Drehantrieb
des Gehäuses 5 axial im Bremssattel 2,
weil das Gehäuse 5 mit seinem Zustellgewinde 7 in
das Gegengewinde des Bremssattels 2 geschraubt ist. Die
Drehung des Gehäuses 5 wird mit dem Drehsensor 32 gemessen.
Nach Abschluss der Verschleißnachstellung wird der Elektromagnet 35 ausgeschaltet,
so dass die Sperrklinke 33 federbeaufschlagt wieder in Eingriff
mit der Verzahnung 34 des Gehäuses 5 gelangt
und das Gehäuse 5 drehfest hält.
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Ist
die Mechanik im Aktuator 4 blockiert, lässt sich
die Reibungsbremse 1 nach Entriegeln der Sperrklinke 33 mit
dem Elektromotor 14 lösen. Bei Ausfall des Elektromotors 14 ist
ein Lösen der Reibungsbremse 1 möglich,
indem die Sperrklinke 33 außer Eingriff gebracht
wird, so dass das Gehäuse 5 im Bremssattel 2 drehbar
ist. Eine Spannkraft, mit der die Reibbremsbeläge 36, 37 bei
betätigter Reibungsbremse 1 an der Bremsscheibe 3 anliegen,
baut sich ab, so dass die Reibbremsbeläge 36, 37 nur
noch mit einer niedrigen Restkraft an der Bremsscheibe 3 anliegen.
Voraussetzung dafür ist eine nicht selbsthemmende Ausbildung
des Zustellgewindes 7, also eine ausreichend große
Steigung des Zustellgewindes 7.
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Ist
der Keilmechanismus 30 oder der Spreizmechanismus 31 blockiert,
lassen sich der Aktuator 4 und die Reibungsbremse 1 mit
dem Elektromotor 14 nach Rückziehen der Sperrklinke 33 aus
der Verzahnung 34 betätigen. Der Elektromotor 14 treibt über sein
Ritzel 13 und die Verzahnung 12 das Gehäuse 5 des
Aktuators 4 drehend an, das sich durch die Drehung im Zustellgewinde 7 im
Bremssattel 2 axial verschiebt. Dadurch sind die Reibbremsbeläge 36, 37 an
die Bremsscheibe 3 andrückbar und von ihr lösbar.
Die Spannkraft, mit der die Reibbremsbeläge 36, 37 gegen
die Bremsscheibe 3 drückbar sind, ist bei dieser
Art der Bremsbetätigung niedriger als bei der vorgesehenen
Bremsbetätigung mit funktionierendem Keilmechanismus 30 und
Spreizmechanismus 31.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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