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Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Bremse mit einem elektrischen Motor, der eine Motorwelle mit einem Ritzel in Rotation versetzt, und einem mit der Motorwelle gekoppelten Kraftstrang, der das Drehmoment des Motors auf einen Aktuator überträgt, welcher eine rotatorische Bewegung einer in einer Spindelmutter drehbar gelagerten Spindel in eine translatorische Bewegung eines mit der Spindelmutter gekoppelten Bremselementes umwandelt, wobei zum Druckaufbau der Motor in Druckaufbaurichtung dreht und dadurch das Bremselement gegen einen Bremskörper drückt, und mit einem Gehäuse. Sie betrifft weiterhin ein zugehöriges Betriebsverfahren.
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Elektromechanisch betätigbare Bremsen bzw. elektromechanische Bremsen (EMB) erlauben im Gegensatz zu bekannten hydraulischen Bremsen schnellen Druckaufbau und Druckabbau mit hohen Zuspannkräften, dies kann voll variabel für jede Bremseinheit separat geschehen. Dies wird ermöglicht durch einen von einem elektrischen Motor angetriebenen Aktuator, welcher die rotatorische Bewegung einer mit der Motorwelle – über ein Getriebe – gekoppelten Spindel in eine translatorische Bewegung einer Spindelmutter bzw. eines Bremskolbens umwandelt, welcher dann einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe drückt. Die Zuspannkräfte werden also im Wesentlichen durch die Ansteuerung des elektrischen Motors erzeugt, welcher elektrisch über eine Steuer- und Regeleinheit angesteuert wird. Die Bremse ist auf diese Weise dem unmittelbaren Einfluss des Fahrers bzw. der unmittelbaren Betätigung durch den Fahrer entzogen. Gewöhnlich werden EMB in Brake-by-Wire-Bremssystemen eingesetzt, bei denen der Bremswunsch des Fahrers in einer Pedaleinheit, beispielsweise über einen Pedalwegsensor ermittelt wird, und dann elektronisch („by wire“) der Steuer- und Regeleinheit übermittelt wird, die dann aus dem Bremswunsch ein Sollbremsmoment ermittelt und entsprechend den Bremsdruck in den Bremsen aufbaut. Auf diese Weise können die elektromechanischen Bremsen als Betriebsbremsen eingesetzt werden.
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Neben Betriebsbremsen weisen Kraftfahrzeuge noch Feststellbremsen oder eine Feststellbremsfunktionalität auf, die es erlaubt, das Kraftfahrzeug sicher auch auf abschüssigem Gelände abzustellen. Das Kraftfahrzeug wird durch die Feststellbremse somit am Wegrollen gehindert. Diese Feststellbremsfunktionalität lässt sich in elektromechanischen Bremsen dadurch realisieren, dass in abgestelltem Zustand die Bewegung der Motorwelle gehemmt wird, so dass auch beim Abstellen und Verlassen des Fahrzeuges die Bremse im zugespannten Zustand verharrt und der Bremsbelag weiterhin mit einer vorgegebenen Kraft gegen die Bremsscheibe drückt.
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Eine derartige Feststellbremsfunktionalität wird bei bekannten Systemen beispielsweise durch einen EPB-(Electronic-Parking-Brake)Hubmagnet realisiert. Durch einen solchen Hubmagneten wird im Feststellzustand die Motorwelle in ihrer Bewegung gehemmt bzw. eingefroren, so dass die Zuspannkraft der Bremse im abgestellten Zustand des Fahrzeuges erhalten bleibt. Um diese Aufgabe zu erfüllen, muss der Hubmagnet eine entsprechend starke Magnetkraft aufweisen und aus diesem Grunde groß und schwer dimensioniert werden. Beispielsweise wird durch den Hubmagneten eine Klinke verschoben, die die Bewegung der Motorwelle bzw. des Aktuators hemmt. Ein derartiger Mechanismus ist nur auf aufwändige Weise derart zu verwirklichen, dass die erforderlichen Sicherheitsstandards erfüllt werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine kosteneffizient gestaltbare Feststellbremsfunktionalität zur Fixierung der Bremskolbenposition, insbesondere im Fall einer zugespannten Bremse, für eine elektromechanisch betätigbare Bremse zu realisieren. Weiterhin soll ein zugehöriges Betriebsverfahren angegeben werden.
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In Bezug auf die elektromechanische Bremse wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kraftstrang, der Aktuator, die Motorwelle oder das Ritzel durch eine rheologische Feststellkupplung mit dem Gehäuse gekoppelt ist, so dass bei vollständiger Ankopplung die translatorische Bewegung des Bremselementes blockiert ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Realisierung einer Feststellbremsfunktionalität in einer elektromechanischen Bremse aus sicherheitstechnischen Gründen zur Fixierung bzw. zur Hemmung des Aktuators möglichst wenig, günstigstenfalls keine zusätzlichen Bauteile wie beispielsweise Motorritzelklinken verwendet werden sollten. Aus bautechnischen und gewichtstechnischen Gründen sollte auf den Einsatz großer Hubmagnete, welche als ungefederte Massen an der Radaufhängung wirken, möglichst verzichtet werden. Die Hemmung des Aktuators sollte vielmehr möglichst direkt und unmittelbar realisiert werden und dabei das Erfordernis der stromlosen Geschlossenheit erfüllen. Das heißt, im stromlosen Fall muss die Feststellbremse schließen und das Kraftfahrzeug in einem sicher abgestellten Zustand belassen. Ein ungewollt stromloser Zustand kann beispielsweise bei Ausfall des Bordnetzes oder bei einer Unterbrechung der Stromversorgung der elektromechanischen Bremse geschehen.
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Wie nunmehr erkannt wurde, lässt sich eine derartige direkte Hemmung des Aktuators erreichen, indem Komponenten der elektromechanischen Bremse wie der Kraftstrang, welcher auch das Getriebe umfasst, der Aktuator, die Motorwelle oder das Ritzel durch eine Kupplung mit dem Gehäuse der elektromechanischen Bremse gekoppelt werden. Außer der Kupplung sind auf diese Weise keine externen Bauteile bzw. Baugruppen notwendig. Die Kupplung muss dabei aber derart ausgestaltet sein, dass sie im stromlosen Fall die Bewegung des Bremskolbens hemmt.
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Wie nun weiterhin erkannt wurde, lässt sich eine derartige Funktionalität durch eine rheologische Feststellkupplung bzw. Kupplung realisieren, in der ein magnetorheologisches (oder auch elektrorheologisches) Material verwendet wird. Derartige Materialien ändern ihren Aggregatzustand von flüssig nach fest in Abhängigkeit von der Stärke eines angelegten magnetischen bzw. elektrischen Feldes. Die Kupplung sollte nun so beschaffen sein, dass bei Vorliegen des festen Aggregatzustands des rheologischen Materials eine feste Kopplung zwischen Kraftstrang, Aktuator, Motorwelle oder Ritzel und der Umgebung, d. h. dem Gehäuse, realisiert ist, und dass bei flüssigem Aggregatzustand des rheologischen Materials die Bewegungsfreiheit des Aktuators und der damit gekoppelten Komponenten nicht eingeschränkt ist.
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Etwaige, zu einem gewissen Zeitpunkt eingestellte/eingeregelte Spannkräfte (korrespondierend mit der Bremskolbenposition) können erfindungsgemäß durch gezielte Ansteuerung einer Kupplungsmimik, welche elektrisch bzw. elektromechanisch arbeitet und im Betriebsmodus zwischen stromlos offen und stromlos geschlossen in analoger Weise, d.h. kontinuierlich, veränderbar ist, dadurch gehalten werden, dass entlang des Kraftflusspfades (Motorwelle → Getriebe → Aktuator: Spindel/Spindelmutter → Bremskolben) eine oder mehrere Abschnitte dreh- oder verfahrunfähig gemacht werden, wodurch die Veränderung der Kolbenposition und ein damit einhergehender Verlust von Spannkraft verhindert werden können.
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Bei einer derartigen Konzeption wird der bei bekannten Systemen zur Fixierung der Motorrotorlage angewandte Hubmagnet überflüssig. Wie oben bereits dargelegt, hat eine derartig realisierte Feststellbremse aus sicherheitstechnischen Gründen „stromlos zu“ bzw. „stromlos geschlossen“ zu sein. Mit anderen Worten, das mechanische Auskuppeln muss anhand aktiver Ansteuerung hardware- und oder softwaremäßig erfolgen. Da das System stromlos geschlossen ist, wird also Strom bzw. eine elektrische Versorgung benötigt, um die Feststellbremse wieder zu lösen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kraftstrang ein Getriebe mit einer Mehrzahl von Zahnrädern auf, wobei wenigstens ein Zahnrad durch die Feststellkupplung mit dem Gehäuse gekoppelt ist. Im stromlosen Fall wird also die Bewegung des Bremskolbens bereits in der Getriebestufe gehemmt. Alternativ dazu kann die rheologische Feststellkupplung an anderen Stellen im Kraftstrang angebracht sein bzw. kann direkt Komponenten des Aktuators wie die Spindelmutter oder die Motorwelle oder das auf der Motorwelle sitzende Ritzel mit der Umgebung bzw. dem Gehäuse der EMB koppeln. Diese verschiedenen Varianten können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann an zwei verschiedenen Stellen eine entsprechende (redundante) Feststellkupplung vorgesehen sein.
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Aus der obigen Diskussion der Anforderungen an eine derartige Systemauslegung (stromlos geschlossen) ist ersichtlich, dass die Aktivierung der Feststellkupplung, d. h. die Realisierung des festen Zustandes eines magnetorheologischen Materials, über einen oder mehrere Permanentmagnete zu bewerkstelligen ist. Bei Einsatz eines oder mehrerer Elektromagneten würde nämlich das Feld im stromlosen Zustand zusammenbrechen und das Material flüssig werden.
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Zur Realisierung der Kupplung sollten Federn, Klauen, etc. aus Gründen der Absicherung bzw. im Hinblick auf eine FMEA-(Failure Modes and Effects Analysis)Betrachtung vermieden werden. Gleichermaßen soll der Einsatz von klassischen Reibkupplungen (Lamellen), Reibscheiben oder Kupplungen, die auf einer Verschränkung von Zahnrädern (Ineinandergreifen der Zähne zweier Stufen während eines oder beide Zahnräder axial verfahren werden) nicht zum Einsatz kommen, da derartige Systeme einen vergleichsweise hohen Verschleiß und eine damit verbundene Fehlerhaftigkeit aufweisen und Wartung benötigen.
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Die erfindungsgemäße elektromechanische Bremse lässt sich auf unterschiedliche Arten realisieren. Ihnen allen ist gemein, dass bei aktivierter Feststellbremse ein Permanentmagnet derart in die Nähe der Feststellkupplung gebracht wird, dass das rheologische Material durch sein magnetisches Feld einen festen Aggregatszustand annimmt. Die Kupplung sollte also so beschaffen sein, dass im stromlos geschlossenen Zustand bzw. stromlos selbsthaltenden Zustand ein Magnetfeld den festen Aggregatszustand herbeiführt. Im normalen Betriebszustand (Feststellbremse nicht aktiviert) sollte der Permanentmagnet hingegen aktiv verfahren oder sein Feld auf andere Weise neutralisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der elektromechanischen Bremse ist im Bereich der rheologischen Kupplung ein Permanentmagnet vorgesehen, wobei zwischen Kupplung und Permanentmagnet ein verfahrbarer oder verschiebbarer Schlitten vorgesehen ist, welcher eine Aussparung aufweist und zwischen drei Positionen, nämlich einer stabilen Feststellposition, einer stabilen Löseposition und einer metastabilen Adjustierungsposition verfahrbar oder verschiebbar ist, wobei in der Feststellposition die Aussparung zwischen Feststellkupplung und Permanentmagnet angeordnet ist.
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Dieses System ist also derart konfiguriert, dass das rheologische Material durch das Magnetfeld des Permanentmagneten nur dann den festen Aggregatzustand annimmt, wenn die Aussparung des Schlittens zwischen der Feststellkupplung und dem Permanentmagneten angeordnet ist. Ist dies nicht der Fall und ist der Schlitten zwischen Feststellkupplung und Permanentmagnet angeordnet, ohne dass die Aussparung dazwischen liegt, soll dabei das Feld des Permanentmagneten im Wesentlichen vollständig geschwächt sein bzw. der Permanentmagnet „magnetisch kurzgeschlossen sein“, so dass das rheologische Material den flüssigen Aggregatzustand annimmt und der Aktuator bzw. die damit gekoppelten Komponenten im Wesentlichen frei beweglich sind. Der Schlitten ist dabei vorzugsweise aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, wobei das Material eine geringe Remanenz aufweisen sollte und deshalb bevorzugt weichmagnetische Eigenschaften hat. Als Material kann beispielsweise Eisen oder ein Permalloy verwendet werden.
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Der Schlitten wird vorteilhafterweise mit Hilfe einer Mimik aus zwei oder drei separat bestrombaren Spulen zwischen der Feststellposition, Löseposition und Adjustierungsposition verschoben. Diese Anordnung ist dabei so konfiguriert, dass im stromlosen Fall der Schlitten automatisch in die Feststellposition fährt bzw. rutscht. Die Adjustierungsposition ist metastabil in dem Sinne, dass sie in einem gezielt eingeschalteten Betriebsmodus aktiv aufrechterhalten wird, so dass im Bordnetzausfall im stromlosen Zustand automatisch, also ohne Fremdeinwirkung und nur aufgrund der mechanischen Konstruktion, die Feststellposition angefahren wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Feder realisiert werden, die beim (aktiven) Verfahren des Schlittens in die Adjustierungsposition gespannt wird und im stromlosen Fall durch ihre Entspannung den Schlitten in die Feststellposition zurückzieht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Permanentmagnet vorgesehen, welcher vorzugsweise hufeisenförmig ist, wobei im Wesentlichen zwischen den beiden Polstücken des Permanentmagneten ein drehbar gelagerter Revolver mit einem Hohlraum vorgesehen ist, in welchem die Feststellkupplung angeordnet ist, wobei der Revolver ein erstes und ein zweites (jeweils bevorzugt abstehendes) Ende aufweist und wobei an einem Teilbereich des Revolvers ein Elektromagnet angeordnet ist, und wobei der Revolver eine Aussparung aufweist, wobei der Revolver durch Bestromung des Elektromagneten in eine stabile Löseposition, eine stabile Feststellposition und eine instabile Adjustierungsposition gedreht wird, und wobei in der Feststellposition das erste Ende an einem Polstück des Magneten anliegt und die Aussparung zwischen diesem Polstück und der Feststellkupplung liegt und wobei in der Löseposition das zweite Ende an einem Polstück des Magneten anliegt.
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Ähnlich wie im oben beschriebenen Fall mit dem Schlitten soll der Schlitten aus der Adjustierungsposition im stromlosen Fall in die Feststellposition automatisch fahren. Dazu kann beispielsweise eine Wickelfeder verwendet werden, die beim Drehen des Revolvers in die Adjustierungsposition Energie aufnimmt und im stromlosen Fall den Revolver in die Feststellposition zurückdreht.
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Die Adjustierungsposition wird bevorzugt angefahren, wenn das Kraftfahrzeug abgestellt wurde und nachgespannt werden muss. Während der Nachspannung muss die Feststellbremse gelöst werden und es ist aus sicherheitstechnischen Gründen notwendig, dass ein Ausfall des Bordnetzes während der gelösten Feststellbremse nicht dazu führt, dass sich das Kraftfahrzeug unkontrolliert in Bewegung setzen kann. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, dass bei einem Ausfall der Energieversorgung nur aufgrund der Konstruktion wieder die Feststellposition erreicht wird.
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Das heißt, bei Bestromung des Elektromagneten dreht sich der Revolver, wobei in der Feststellposition die Aussparung zwischen der Feststellkupplung und dem Polstück zu einem Übergang des rheologischen Materials zum Aggregatszustand fest bzw. „solid“ führt.
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In alternativer Ausgestaltung kann ein Permanentmagnet vorgesehen sein und ein drehbar gelagerter Drehkörper zwischen der Feststellkupplung und dem Permanentmagneten angeordnet sein, der eine Aussparung aufweist, wobei durch Drehen des Drehkörpers die Aussparung zwischen Feststellkupplung und Permanentmagnet liegt. Der Drehkörper kann insbesondere als Schreibe mit Sektoren, d. h. mit Schlitzen, ausgebildet sein.
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Weiterhin kann die elektromechanische Bremse mittels einer Dreh- und/oder Neigevorrichtung realisiert sein, durch welche der Abstand eines Permanentmagneten zu der Feststellkupplung und seine Orientierung in Bezug auf die Feststellkupplung eingestellt werden können.
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Neben der Feststellbremsfunktionalität kann in der elektromagnetischen Bremse in einer weiteren bevorzugten Ausführungsart auch eine rheologische Triebkupplung vorgesehen sein. Während eine derartige Triebkupplung beispielsweise ein Ritzel mit der Motorwelle koppelt, wird durch die oben dargestellte Parkbrems- bzw. Feststellfunktionalität ein Ritzel zur starren Umgebung (Getriebeträger bzw. Getriebegehäuse) der Bremse gekoppelt. Eine derartige Triebkopplung, die auf der Verwendung eines rheologischen Materials basiert, muss die Anforderung stromlos offen erfüllen, so dass bei Ausfall der Stromversorgung während eines Bremsvorganges die Bremse gelöst wird und das Fahrzeug manövrierfähig bleibt. Mit anderen Worten: Bei einem Spannungsausfall während der Fahrt soll die Triebkupplung stromlos offen sein, während bei einem Spannungsausfall bei abgestelltem Fahrzeug bzw. bei einem Nachspannen der Bremse die Feststellkupplung stromlos geschlossen sein sollte. Das heißt, eine derartige Kupplungsmimik sollte bei der Feststellbremsfunktionalität eine umschaltbare Vorzugsstellung für den Stromlosfall bieten.
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Vorzugsweise sind Feststellkupplung und Triebkupplung als Baueinheit realisiert, d. h. in einem gemeinsamen Modul angeordnet.
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In Bezug auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe gelöst, indem zum Feststellen der Bremse die Feststellkupplung gelöst wird, durch den Aktuator ein vorgegebener Druck aufgebaut wird und dann die Feststellkupplung vollständig eingekuppelt wird. Zum Nachspannen der Bremse wird vorteilhafterweise die Feststellkupplung ausgekuppelt, die Bremse weiter zugespannt und dann die Feststellkupplung vollständig eingekuppelt.
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Die oben geschilderte Auslösung des Systems ist für derartige Nachspannvorgänge unter Wahrung sicherheitsrelevanter Gesichtspunkte optimal geeignet. Auf Grund der stromlosen Geschlossenheit der Feststellkupplung wird nämlich sichergestellt, dass das Fahrzeug bei einem Stromausfall während des Nachspannens nicht wegrollen kann. Wurde das Fahrzeug abgestellt und die Feststellkupplung aktiviert, liegt das rheologische Material im soliden bzw. festen Aggregatzustand vor und das Fahrzeug kann sich nicht in Bewegung setzen. Zum Nachspannen wird nun, beispielsweise durch eine der oben genannten Ausführungsformen, das rheologische Material einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt und dadurch flüssig gemacht. Im Wesentlichen zeitgleich wird der Motor in Zuspannrichtung gedreht, so dass der Aktuator nachspannen kann bzw. eine vorgegebene Zuspannkraft realisieren kann. Fällt während dieses Vorgangs des Nachspannens nun das Bordnetz bzw. die Stromversorgung aus, wird auf Grund der stromlos geschlossenen Funktionalität das rheologische Material fest und blockiert den Aktuator in der gegenwärtigen Position. Das Fahrzeug kann sich also bei einem Stromausfall während des Nachspannvorgangs nicht unkontrolliert in Bewegung setzen.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch eine rheologische Feststellkupplung, durch die der Kraftstrang oder damit verbundene Komponenten im stromlosen Fall mit dem Gehäuse fixiert bzw. fest verbunden und somit fest gekoppelt werden, eine Parkbremsfunktionalität ohne zusätzliche Komponenten realisiert wird, die höchsten Anforderungen an die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer genügt. Eine derartige Feststellkupplung hat auch den Vorteil, dass die EMB nachspannen darf, auch wenn der Fahrer nicht anwesend ist. Dies ist deshalb der Fall, da das Einkuppeln und damit Fixieren der Motorrotorlage im Versagensfall des Bordnetzes in Echtzeit (wenige Millisekunden) stromlos geschieht und damit kein signifikanter Spannkraftverlust verbunden ist.
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Die Verwendung einer rheologischen Kupplung ermöglicht das analoge, d. h. kontinuierliche Ansteuern der Kupplung und damit des Kopplungsgrades zwischen vollständig eingekuppelt (solid) und ausgekuppelt (fluid). Dieser Vorgang ist absolut reversibel auf typischen Zeitskalen von 15 Jahren der Lebensdauer einer derartigen Bremse. Die Veränderung des Aggregatszustandes in Abhängigkeit von der magnetischen Erregung vollzieht sich beispielhaft durch in Hydrocarbon gelagerte, mikroskopisch kleine Ferrite (1 bis 20 µ), die bei Anlegen eines magnetischen Feldes die Werkstoffstruktur des rheologischen Werkstoffes in Echtzeit von Fluid zu Solid verändern.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
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1 eine elektromechanische Bremse mit einem elektrischen Motor, einer Motorwelle, einem Getriebe, einem Aktuator und einer Feststellkupplung in einer bevorzugten Ausführungsform,
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2 eine Feststellkupplung für eine elektromechanische Bremse in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, und
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3 eine aus einer Welle, einem Ritzel und einem magnetorheologischen Fluid bestehende Komponente einer Feststellkupplung nach einer der vorherigen Figuren.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte elektromechanische Bremse 2 weist einen elektrischen Motor 8 auf, der eine Motorwelle 14 antreibt. Die rotatorische Bewegung der Motorwelle 14 wird in einem Getriebe 20 mit einem Zahnrad 22 auf die Bewegung einer Spindel 24 eines Aktuators 26 übersetzt. Der Aktuator 26 wandelt die rotatorische Bewegung der Spindel 24 in eine translatorische Bewegung eines Bremskolbens 28 um, welcher beim Zuspannen der Bremse einen Bremsbelag 32 gegen eine Bremsscheibe (nicht dargestellt) drückt. Die elektromechanische Bremse 2 weist weiterhin ein diese Komponenten umgebendes Gehäuse 38 auf.
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Die elektromechanische Bremse 2 weist zur Realisierung einer Feststellbremsfunktionalität eine Feststellkupplung 44 auf, durch die im vollständig eingekoppelten Zustand eine kraftschlüssige Verbindung zwischen einer Welle 46 und einem mit dem Gehäuse 38 fest verbundenen Kolben 48 hergestellt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Welle 46 und Kolben 48 in der Feststellkupplung 44 ineinander geführt werden, eine derartige Ausbildung der Feststellkupplung wird im Zusammenhang mit 3 besprochen. Alternativ dazu können auch Welle 46 und Kolben 48 jeweils mit gegeneinander laufenden Scheiben versehen sein, wobei der Raum zwischen den Schreiben flüssigkeitsmäßig abgedichtet ist und mit einem magnetorheologischen Material gefüllt ist.
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In der räumlichen Nähe der Feststellkupplung 44 ist ein Permanentmagnet 50 montiert und beispielsweise mit dem Gehäuse fest verbunden. Zwischen Feststellkupplung 44 und Permanentmagnet 50 ist ein in eine Verfahrrichtung 54 verfahrbarer Schlitten 56 dargestellt. Der Schlitten 56 ist dabei zwischen zwei Positionen, eine Feststellposition und eine Löseposition, verschiebbar.
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In 1 ist der Schlitten 56 in der Feststellposition dargestellt. In dieser Position ist eine Aussparung 62 des Schlittens 56 zwischen dem Permanentmagneten 50 und dem Schlitten 56 angeordnet. Dadurch wirkt das Magnetfeld des Permanentmagneten 50 auf die Feststellkupplung 44 bzw. das darin verwendete rheologische Material, wodurch dieses Material solid wird. Die Stärke des Magnetfeldes des Permanentmagneten 50 sowie seine Position sind entsprechend so abgestimmt, dass in dieser gezeigten Feststellposition eine feste kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mit dem Gehäuse 38 fest verbundenen Kolben 48 und der Welle 46 erreicht wird. An dem Schlitten 56 sind noch zwei Platten 68 zur Vermeidung von ungewollten Magnetfeldeffekten angebracht, wobei dieser Platten 68 im Wesentlichen senkrecht zu dem Schlitten 56 angeordnet sind.
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Die Feststellposition entspricht der Situation eines abgestellten bzw. geparkten Fahrzeuges, wobei durch die Feststellkupplung 44 die Bewegung bzw. Drehung der Welle 46 gehemmt wird, wodurch wiederum die Position des Bremskolbens 28 eingefroren wird. In der Löseposition ist der Schlitten 56 derart in der Abbildung in 1 nach links in Verfahrrichtung 54 versetzt, dass der Bereich 70 des Schlittens 56 zwischen Permanentmagnet 50 und Feststellkupplung 44 angeordnet ist. Dadurch wird gewissermaßen das Magnetfeld des Permanentmagneten 50 kurzgeschlossen, so dass die Feststellkupplung 44 bzw. das darin verwendete magnetorheologische Material im Wesentlichen vollständig von dem Magnetfeld abgeschirmt ist. Das rheologische Material in der Feststellkupplung ist dabei flüssig und erlaubt eine freie bzw. ungehemmte Bewegung der Welle 46 und damit auch des Bremskolbens 28.
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Ist die Feststellbremsfunktionalität aktiviert und befindet sich der Schlitten 56 in der Feststellposition, wie in 1 gezeigt, kann es, nachdem der Fahrer das Fahrzeug bereits verlassen hat, notwendig werden, die elektromechanische Bremse 2 nachzuspannen. Dies wird beispielsweise dann erforderlich, wenn beim Abstellen des Fahrzeuges die Bremsscheibe bzw. Bremsscheiben stark erhitzt war bzw. waren und nun abgekühlt sind. Zum Nachspannen wird der Schlitten 56 in die Löseposition verfahren, so dass der elektrische Motor 8 die Motorwelle 14 in Zuspannrichtung drehen kann und damit den Bremsdruck vergrößern kann. In einer solchen Nachspannsituation ist es nun wichtig, dass bei einem Ausfall der Stromversorgung bzw. des Bordnetzes des Kraftfahrzeuges die Feststellbremsfunktionalität innerhalb von kürzester Zeit wieder gewährleistet wird. Der Schlitten 56 ist daher derart konfiguriert, dass er im stromlosen Zustand automatisch die Feststellposition einnimmt, in der durch das in der Feststellkupplung 44 verwendete rheologische Material die Bewegung des Bremskolbens 28 gehemmt wird.
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Das Auslegungskriterium hierbei ist also, dass der Schlitten aktiv, beispielsweise mit Hilfe einer Mimik aus zwei oder drei separat bestrombaren Spulen, aus der Feststellposition in die Löseposition geschoben werden muss. Dies kann beispielsweise gegen den Widerstand einer Feder oder Ähnlichen geschehen, so dass im stromlosen Zustand der Schlitten in die Feststellposition 56 verfährt.
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In 1 sind im gestrichelten Bereich 74 die Komponenten eingezeichnet, die die Feststellbremsfunktionalität gewährleisten. Die elektromechanische Bremse 2 weist zusätzliche, im gestrichelten Bereich 80 eingezeichnete Komponenten auf, die eine Kupplung realisieren, die im stromlosen Fall öffnet. Dazu ist eine Triebkupplung 86 vorgesehen, welche als magnetorheologische Kupplung ausgestaltet ist, wobei das rheologische Material durch einen Elektromagneten 92, der bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein magnetisches Feld erzeugt, in einem festen bzw. soliden Zustand versetzt wird. Das heißt, während des normalen Betriebszustandes des Fahrzeuges erzeugt der Elektromagnet 92 ein Magnetfeld, so dass durch die Triebkupplung 86 eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Motorwelle 14 und Welle 46 gegeben ist. Bei einem Ausfall der Stromversorgung bricht das magnetische Feld des Elektromagneten 92 zusammen und das magnetorheologische Material verflüssigt sich, so dass verhindert wird, dass die elektromechanische Bremse 2 blockiert. Das Auslegungsziel stromlos offen der Triebkupplung 86 ist also auf Grund des unterschiedlichen Einsatzbereiches gerade umgekehrt zu der stromlosen Geschlossenheit der Feststellkupplung 44.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Feststellkupplung 44 und der zugeordneten Komponenten einer elektromechanischen Bremse 2. Die Feststellkupplung 44 ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform in einem drehbar gelagerten Revolver 94 angeordnet. Die bevorzugte Materialwahl für den Revolver entspricht der für den Schlitten.
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Der Revolver 94 wiederum ist zwischen den Polstücken 98, 100 eines Permanentmagneten 96 angeordnet. Er weist zwei Aussparungen 62 auf, durch die in der gezeigten Feststellposition das Magnetfeld des Permanentmagneten 96 auf die rheologische Kupplung 44 und das darin verwendete rheologische Material 120 wirkt. Die Feststellkupplung 44 koppelt im in 2 gezeigten Fall eine Welle 108 mit einem Ritzel 114. Die Ausbildung dieser Feststellkupplung 44 wird unten im Zusammenhang mit 3 noch genauer besprochen.
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In der gezeigten Feststellposition liegt ein erstes Ende 126 des Revolvers 94 an dem Polstück 100 (im gezeigten Beispiel der magnetische Nordpol) an. In einer zweiten Position, der Löseposition, liegt das zweite Ende 132 an dem Polstück 100 an. Zur Veränderung der Lage des Revolvers 94 ist ein Elektromagnet 102 vorgesehen. Bei Anlegen einer Spannung an den Elektromagneten 102 führt das entsprechende generierte Feld dazu, dass der Revolver 94 sich in die Löseposition dreht, bei der das zweite Ende 132 an dem Polstück 100 anliegt. Das heißt, wie in dem oben im Zusammenhang mit 1 besprochenen Ausführungsbeispiel wird hier durch aktive Mittel der Lösezustand realisiert. Der Revolver 94 kann durch eine entsprechende Umpolung des Elektromagneten 102 aktiv in die Feststellposition gedreht werden, begibt sich in diese Position aber auch im stromlosen Fall von selbst bzw. automatisch. Dies kann derart realisiert werden, dass der Revolver bei aktiver Drehung in die Löseposition Arbeit gegen eine stauchbare (Spiral-)Feder oder Wickelfeder verrichtet, so dass im stromlosen Fall die Feder den Revolver 94 in die Feststellposition zurück dreht.
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Die Feststellkupplung 44 aus 2 ist in 3 noch einmal detaillierter dargestellt. Zwischen der Welle 108 und dem Ritzel 114 ist ein Spiel 118, d. h. ein Zwischenraum von definiertem Volumen vorgesehen. Dieser Zwischenraum bzw. dieses Spiel 118 ist flüssigkeitsdicht verschlossen und mit einem magnetorheologischen Material gefüllt. Das Ritzel 114 weist in dem der Welle zugewandten Bereich eine sägezahnartige Kontur auf, die eine Entsprechung in der Welle 108 findet. Bei dem Anlegen eines elektromagnetischen Feldes geeigneter Feldstärke wird das im Spiel 118 befindliche rheologische Material 120 fest und führt zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Welle 108 und dem Ritzel 114, die durch die gezeigte Kontur noch verstärkt wird. Im feldlosen Fall wird das magnetorheologische Material 120 flüssig, so dass sich Welle 108 und Ritzel 114 gegeneinander im Wesentlichen frei drehen können (die dann im Spiel 118 vorliegende Flüssigkeit führt nur zu äußerst geringen Reibungsverlusten).
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Ein magnetorheologisches Material erlaubt den Einsatz in einem Temperaturbereich von –40 °C bis 180 °C. Der Wechsel des rheologischen Materials von einem Fluid zu einem Solid (Solid zu einem Fluid) kann bei Erreichen von mehr als 70 % Schubspannung (Unterschreiten einer bestimmten maximalen Viskosität) in weniger als 5 ms erfolgen. Das rheologische Material führt eine Veränderung des Aggregatzustandes von einem Fluid zu einem Solid in nahezu vollständig reversibler Weise durch. Diese Reversibilität ist von so hoher Güte, dass während der normalen Lebenszeit einer elektromechanischen Bremse 2 von 15 Jahren ein Wechsel des Materials nicht notwendig wird.
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Ein geeignetes magnetorheologisches Material ist beispielsweise das MR-Fluid Basonetic® 5030 von der BASF mit einer Dichte von 4,1 g/cm3 bei 25 °C. Andere geeignete magnetorheologische Fluide sind MRF-122EG, MRF-132DG und MRF-140CG der Lord Corporation mit den Viskositäten 0,06 Pas, 0,09 Pas und 0,3 Pas. Zum Vergleich: Wasser hat bei 5 °C, 20 °C und 25 °C jeweils die Viskosität 1,5 mPas, 1 mPas und 0,89 mPas.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektromechanische Bremse
- 8
- elektrischer Motor
- 14
- Motorwelle
- 20
- Getriebe
- 22
- Zahnrad
- 24
- Spindel
- 26
- Aktuator
- 28
- Bremskolben
- 32
- Bremsbelag
- 38
- Gehäuse
- 44
- Feststellkupplung
- 46
- Welle
- 48
- Kolben
- 50
- Permanentmagnet
- 54
- Verfahrrichtung
- 56
- Schlitten
- 62
- Aussparung
- 68
- Platte
- 70
- Bereich
- 74
- gestrichelter Bereich
- 80
- gestrichelter Bereich
- 86
- Triebkupplung
- 92
- Elektromagnet
- 94
- Revolver
- 96
- Permanentmagnet
- 98
- Polstück
- 100
- Polstück
- 102
- Elektromagnet
- 108
- Welle
- 114
- Ritzel
- 118
- Spiel
- 120
- magnetorheologisches Material
- 126
- erstes Ende
- 132
- zweites Ende
