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Die Erfindung betrifft eine Getriebeeinheit eines Kraftfahrzeugaktuators, insbesondere einer elektrischen Feststellbremse.
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Eine elektrische Feststellbremse ersetzt einen Handbremshebel eines Kraftfahrzeugs. Die Feststellbremse erlaubt das Aufbringen einer definierten Kraft, beispielsweise auf einen Bremszug oder ein Bremsseil. Dabei kann sichergestellt werden, dass eine definierte Mindestkraft aufgebracht wird, wobei eine ebenfalls definierte Höchstkraft nicht überschritten wird. Dies ist notwendig, um einerseits eine sichere Bremswirkung zu erzielen und andererseits zu verhindern, dass kraftübertragende Bauteile zerstört werden.
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Üblicherweise umfasst die Feststellbremse einen Elektromotor, der über ein Getriebe auf weitere Komponenten der Feststellbremse zur Aufbringung der Kraft wirkt. Der Elektromotor ist hierbei geeigneterweise derart ausgelegt, dass die definierte Mindestkraft bei einer Motorauslastung von in etwa 40% erreicht ist. Bei einer derartigen Wahl des Elektromotors sind einerseits ausreichend Kraftreserven vorhanden und andererseits ein genügend schnelles Aufbringen der Kraft sichergestellt. Nachteilig hierbei ist, dass für jede vorgesehenen Anwendung ein bestimmter Elektromotorentyp mit auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestellten Motorleistung vorgehalten werden muss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Getriebeeinheit anzugeben, die insbesondere in einer Vielzahl von Aktuatoren mit unterschiedlich stark wirkenden Kräften einsetzbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders geeignete elektronische Feststellbremse anzugeben, die vorteilhafterweise bei einer Vielzahl unterschiedlicher Kraftfahrzeugtypen einsetzbar ist.
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Hinsichtlich der Getriebeeinheit wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf bezogenen Unteransprüche.
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Die Getriebeeinheit ist Bestandteil eines Aktuators eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. einer Sitzverstellung, eines elektrischen Fensterhebers oder eines Automatikgetriebes. Besonders bevorzugt ist der Kraftfahrzeugaktuator aber Bestandteil einer Feststellbremse, mittels derer das Kraftfahrzeug gegen eine Bewegung entlang des Untergrunds gesichert wird. Mittels des Kraftfahrzeugaktuators wird im Betrieb insbesondere eine Kraft ausgeübt, die oberhalb einer bestimmten Mindestkraft und unterhalb einer Maximalkraft ist.
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Die Getriebeeinheit umfasst ein Gehäuse, das insbesondere geschlossen oder verschließbar ist. Hierfür weist das Getriebegehäuse einen Gehäusekörper und einen Gehäusedeckel auf, die im Montagezustand aneinander festgelegt sind. Beispielsweise sind die beiden Teile miteinander verklebt, verschraubt oder verschweißt. Vorteilhafterweise besteht das Gehäuse aus einem Kunststoff.
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Innerhalb des Gehäuses sind eine erste und eine zweite Welle angeordnet, von denen jede jeweils ein Zahnrad trägt, die beispielsweise senkrecht zu der jeweiligen Welle angeordnet sind. Das der ersten Welle zugeordnete Zahnrad wird als erstes Zahnrad und das der zweiten Welle zugeordnete Zahnrad als zweites Zahnrad bezeichnet. Unter Zahnrad wird insbesondere eine runde Scheibe verstanden, die bei einer Rotationsbewegung ein mit diesem in Eingriff stehendes weiteres Zahnrad antreibt und somit in Rotation versetzt. Hierfür weist das Zahnrad in geeigneter Weise eine Anzahl von umfangsseitig angeordneten Zähnen auf. Ebenso möglich ist es, dass die Oberfläche des Zahnrads lediglich aufgeraut ist, mittels derer das Zahnrad mit dem weiteren Zahnrad in Verbindung steht, so dass der Reibkoeffizient erhöht ist.
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Die erste und die zweite Welle weisen jeweils eine Rotationsachse auf, die ortsfest ist. Mit anderen Worten ist der Abstand der beiden Rotationsachsen zueinander konstant und die Position jeder Rotationsachse bezüglich des Gehäuses fest.
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Die Wellen erstrecken sich hierbei insbesondere längs der jeweiligen Rotationsachsen, die geeigneterweise parallel zueinander sind.
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Vorteilhafterweise sind die Wellen ebenfalls ortsfest. Alternativ hierzu ist eine Bewegung zumindest einer der Wellen entlang der Rotationsachse während des Betriebs der Getriebeeinheit vorgesehen oder möglich. Der Abstand der beiden Rotationsachsen ist dabei größer als Null (0), und insbesondere größer als die Summe aus dem Radius des ersten Zahnrads und dem Radius des zweiten Zahnrads. Folglich steht das erste Zahnrad nicht in direktem mechanischem Kontakt zu dem zweiten Zahnrad.
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Vielmehr stehen das erste und das zweite Zahnrad über ein drittes Zahnrad miteinander in Kontakt. Mit anderen Worten erfolgt eine Kraftübertragung von der ersten Welle auf die zweite Welle mittels des dritten Zahnrades. Geeigneterweise stehen hierfür das erste und das zweite Zahnrad in direktem mechanischem Kontakt mit dem dritten Zahnrad. Alternativ hierzu erfolgt der Kraftübertrag über weitere Komponenten, wie z. B. weitere Zahnräder. Insbesondere ist mittels des dritten Zahnrads ein Kraftschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Zahnrad hergestellt.
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Das dritte Zahnrad wird mittels einer Lagerstelle gehalten, die beispielsweise eine Lagerbuchse umfasst, und aufgrund derer das dritte Zahnrad rotierbar ist. Das Gehäuse weist eine Anzahl derartiger Lagerstellen auf, also insbesondere mindestens zwei, die sich räumlich unterscheiden. Alternativ hierzu ist die Lagerstelle verschiebbar, und beispielsweise an mindestens zwei Positionen fixierbar. Insbesondere werden die beiden, sich räumlich unterscheidenden Lagerstellen mittels einer verschiebbaren Lagerstelle realisiert.
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Vorzugsweise unterscheiden sich die jeweiligen Lagerstellen durch den Abstand zu mindestens einer der beiden Rotationsachsen. Beispielsweise ist der Abstand der Lagerstelle des dritten Zahnrads zu einer der beiden Rotationsachsen konstant, liegt folglich auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse. Der Abstand zu der zweiten Rotationsachse hingegen ist zwischen zumindest zwei der Lagerstellen unterschiedlich.
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Mittels der Wahl bzw. Positionierung der Lagerstelle wird ein Übersetzungsverhältnis zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle einstellbar, wobei die erste Welle angetrieben wird, beispielsweise mittels eines Elektromotor, und mit der zweiten Welle insbesondere weitere Bauteile in Wirkverbindung stehen. Unter Übersetzungsverhältnis wird hierbei die Anzahl der Rotationen der zweiten Achse bezeichnet, die bei einem Kraftübertrag von einer Rotation der ersten Welle um ihre Rotationsachse um 360° entspricht. Geeigneterweise wird der Radius zumindest eines der Zahnräder angepasst, um weiterhin einen Kraftübertrag zwischen den beiden Wellen zu ermöglichen. Alternativ hierzu wird ein weiteres Zahnrad zur Herstellung der Kraftübertragung verwendet.
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Aufgrund der Getriebeeinheit ist es ermöglicht, den Kraftfahrzeugaktuator für eine Vielzahl unterschiedlicher Kraftfahrzeuge und Kraftfahrzeugtypen einzusetzen, ohne konstruktive Veränderungen an dem Aktuator vornehmen zu müssen. Dabei können die gleichen Bauelemente auch bei den verschiedenen Typen zum Einsatz kommen. Die Anpassung des Aktuators erfolgt vielmehr mittels der Wahl der Lagerstelle des dritten Zahnrads, die eine unterschiedliche Übersetzung zwischen dem Antriebs- und dem Abtriebszahnrad über deren Durchmesser und Zähnezahl ermöglicht.
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Vorteilhafterweise liegen die Lagerstellen entlang einer Geraden, die nachfolgend als Einstellungsgerade bezeichnet ist. Beispielsweise sind die Lagerstellen diskrete Punkte entlang der Einstellungsgeraden, oder die Lagerstellen können im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Einstellungsgeraden gewählt werden. Folglich ist die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses bei der Montage vergleichsweise einfach, da die Abstände der Lagerstelle zu den Rotationsachsen vergleichsweise einfach bestimmt werden kann, die in direktem Zusammenhang zu dem Übersetzungsverhältnis stehen. Besonders bevorzugt liegen die Rotationsachsen auf der Einstellungsgeraden. Auf diese Weise ist die Bestimmung des Abstandes der Lagerstelle zu den beiden Rotationsachsen vereinfacht, sowie deren Verhältnis zueinander. Auch ist der Platzbedarf der Getriebeeinheit vergleichsweise gering.
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Zweckmäßigerweise weist die Lagerstelle des dritten Zahnrads einen beweglichen Schieber auf, in den insbesondere eine Öffnung eingebracht ist. Zweckmäßigerweise erfolgt die Lagerung des dritten Zahnrads mittels eines Achszapfens, der einerseits an dem dritten Zahnrad befestigt ist, wie beispielsweise angeformt, und andererseits durch die Öffnung des Schiebers gesteckt ist. Auf diese Weise ist sowohl die Montage vereinfacht als auch die Fertigungskosten reduziert. Geeigneterweise ist der Querschnitt der Öffnung im Wesentlichen gleich dem Querschnitt des Achszapfens und insbesondere kreisrund. Mit anderen Worten liegt der Achszapfen im Montagezustand formschlüssig in der Öffnung, wobei eine Rotationsbewegung des Achszapfens in der Öffnung ohne eine vergleichsweise große Reibung möglich ist. Der Achszapfen ist also mit Spielpassung in der Öffnung angeordnet.
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Beispielsweise wird der Schieber bei der Montage an die entsprechende Position bewegt und dort fixiert, wie verschraubt oder verklebt. Alternativ hierzu ist der Schieber auch im Montagezustand beweglich und wird lediglich mittels des mit dem ersten und zweiten Zahnrad in Eingriff stehenden dritten Zahnrads in Position gehalten. Auf diese Weise ist auch eine nachträgliche Veränderung des Übersetzungsverhältnisses der Getriebeeinheit möglich. Sofern die Lagerstellen auf der Einstellungsgeraden liegen, ist der Schieber entlang dieser Geraden verschiebbar. Hierdurch ist im Wesentlichen jeder Punkt entlang der Einstellungsgeraden als Position der Lagerstelle des dritten Zahnrads wählbar.
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Geeigneterweise ist das erste Zahnrad an der ersten Welle angeformt. Aufgrund dessen ist die Lebensdauer der Getriebeeinheit erhöht, da zwischen der ersten Welle, die angetrieben ist, und dem ersten Zahnrad, das die aufgebrachte Kraft auf die weiteren Teile der Getriebeeinheit überträgt, eine vergleichsweise stabile Verbindung besteht. Insbesondere ist der Außendurchmesser des Zahnrads kleiner oder gleich dem Durchmesser der ersten Welle. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die erste Welle durch eine Aussparung in die Getriebeeinheit einzuführen, die als Lager für die erste Welle fungiert. Auch bei einer anderweitigen Lagerung ist es ermöglicht, die Aussparung mit vergleichsweise geringen Abmessungen zu fertigen, was ein Eindringen von Partikeln in das Gehäuse verringert.
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Ebenfalls ist es ermöglicht, die erste Welle mit weiteren Bauteilen zu verbinden. Beispielsweise ist die erste Welle die Motorwelle eines Elektromotors, und an der ersten Welle sind Komponenten des Elektromotors angeordnet. Folglich ist es ermöglicht, den Elektromotor in einem ersten Arbeitsschritt zu fertigen und in einem weiteren Arbeitsschritt an der Getriebeeinheit zu befestigen. Vorteilhafterweise wird bei der Montage das an der Motorwelle angeformte erste Zahnrad, die als erste Welle fungiert, durch die vergleichsweise kleine Aussparung der Getriebeeinheit gesteckt, wo es in Eingriff mit dem dritten Zahnrad gelangt.
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Beispielsweise weist die zweite Welle einen Zapfen auf, auf den das zweite Zahnrad gesteckt wird. Beispielsweise ist der Querschnitt des Zapfens parallel zu dem zweiten Zahnrad ein Dreieck, Viereck oder Sechseck. Alternativ hierzu ist der Querschnitt sternförmig. Zweckmäßigerweise umfasst das zweite Zahnrad eine zu dem Querschnitt des Zapfens korrespondierende zentrale Öffnung. Auf diese Weise ist eine verdrehsichere Montage des zweiten Zahnrads auf der zweiten Welle ermöglicht. Die zweite Welle selbst ist beispielsweise selbst mittig ausgespart und nimmt weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugaktuators auf.
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Besonders bevorzugt sind die Zahnräder zueinander parallel und beispielsweise liegen zumindest zwei der Zahnräder in einer Ebene. Sofern alle Zahnräder im Wesentlichen in einer Ebene liegen, ist der Bauraum des Getriebegehäuses entlang der Rotationsachse vergleichsweise gering. Besonders bevorzugt sind die Zahnräder schräg verzahnt. Mit anderen Worten weist der Verlauf der die Zähne bildenden Rillen jedes Zahnrads eine radiale Komponente auf. Aufgrund dessen ist die der Kraftübertragung dienende Fläche vergrößert, was die Stabilität erhöht.
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Ferner ist auch eine Reibung zwischen den Zahnrädern im unangetriebenen Zustand erhöht. Beispielsweise ist die Getriebeeinheit selbsthemmend ausgelegt und weist folglich einen Wirkungsgrad unter 50 Prozent auf. Auf diese Weise ist bei einer Krafteinwirkung auf die zweite Welle das Getriebe gesperrt und eine Rotationsbewegung der einzelnen Wellen und Zahnräder unterbleibt. Somit hat die Krafteinwirkung auf die zweite Welle im Wesentlichen keinen Einfluss. Folglich wird ein Verstellteil, das mit der zweiten Welle verbunden ist, lediglich bei angetriebener erster Welle bewegt.
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Hinsichtlich einer elektrischen Feststellbremse wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.
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Die elektrische Feststellbremse dient dem Sichern eines Kraftfahrzeugs gegen eine Bewegung. Hierfür umfasst die Feststellbremse einen Aktuator zur Erzeugung einer Kraft auf ein Bauteil, insbesondere ein Zugelement, in einer ersten Richtung, beispielsweise zur Erzeugung einer Kraft auf einen Bremszug der Feststellbremse, der in diesem Zusammenhang das Zugelement bildet, auf das die Kraft ausgeübt wird. Die elektrische Feststellbremse umfasst sowohl eine Spindel mit einer Spindelmutter, die an einer begrenzt federnd nachgiebigen Abstützeinrichtung abgestützt ist, als auch wenigstens zwei, in der Kette einer Kraftübertragung in Reihe hintereinander angeordnete, im Zuge der Kraftübertragung spannbare Federelemente.
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Dabei ist ein erstes Federelement weniger steif ausgebildet als ein zweites Federelement, wobei das erste Federelement unter der Wirkung einer ersten Abstützkraft auf einem ersten Federweg spannbar ist. Zudem sind ein über den ersten Federweg hinausgehender Federweg und eine über die erste Abstützkraft hinausgehende Kraftaufnahme des ersten Federelementes durch erste mechanische Eingriffsmittel verhindert. Des Weiteren ist das zweite Federelement durch ein Federmodul gebildet, in dem eine zweite Feder durch zweite mechanische Eingriffsmittel mit einer zweiten Abstützkraft vorgespannt derart ist, dass die zweite Feder erst bei Überschreitung der zweiten Abstützkraft weiter spannbar ist. Ferner ist ein Wegsensor zur mittelbaren oder unmittelbaren Erfassung einer Verschiebung des Krafterzeugungselementes vorgesehen.
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Die Spindelmutter ist geeigneterweise in Axialrichtung abgestützt, vorteilhaft mittels eines als Wälzlager ausgebildeten Axiallagers gegenüber der Abstützeinrichtung, das beispielsweise als Nadellager oder als Kugellager ausgebildet ist. Geeigneterweise ist die Spindelmutter in Umfangsrichtung antreibbar, während die Spindel in deren Axialrichtung durch Drehen der Spindelmutter verschiebbar ist, um einen an ihr befestigten Bremszug zu lösen oder anzuziehen.
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Die Spindelmutter ist in Axialrichtung an der Abstützeinrichtung abgestützt, die unter der Wirkung der erzeugten Kraft teilweise elastisch nachgibt und zwei spannbare Federelemente aufweist. Jedes der Federelemente weist eine Feder auf, so dass insgesamt eine erste Feder des ersten Federelementes und eine zweite Feder des zweiten Federelementes vorgesehen sind. Die erste Feder, die beispielsweise an einem Gehäuse abgestützt ist, ist im Wesentlichen entspannt, wenn keine Zugkraft auf das Zugelement aufgebracht wird.
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Diese erste Feder ist die schwächere der beiden Federn und wird zu Beginn der Krafterzeugung beispielsweise im Kraftbereich zwischen 100 N und 150 N durch den durch die Spindelmutter ausgeübten Druck unter Zurücklegung eines ersten Federweges gespannt, beispielsweise komprimiert. Dieser erste Federweg kann beispielsweise 2 mm betragen. Gemäß der Erfindung schlägt nach Zurücklegen dieses Weges beispielhaft die Spindelmutter oder ein mit ihr verbundenes weiteres Element an einem festen Anschlag an. Die erste Feder ist dann vorgespannt und nimmt einen Teil der Axialkraft auf, ist jedoch nicht weiter spannbar, so dass darüber hinaus auftretende Kräfte durch den entsprechenden Anschlag, der die ersten mechanischen Eingriffsmittel bildet, aufgenommen werden. Der zurückgelegte erste Federweg, z. B. 2 mm, kann beispielsweise durch einen Schalter am Wegsensor detektiert werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass nur das Zurücklegen dieses ersten Federweges insgesamt als Tatsache detektiert und signalisiert werden muss. Mit anderen Worten ist keine kontinuierliche Wegerfassung während des ersten Federweges notwendig.
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Wächst die mittels der Spindelmutter erzeugte Kraft weiter an, so wird ein verstärkter Zug auf das Zugelement ausgeübt. Jedoch bewegt sich wegen der Festigkeit der in der Abstützeinrichtung vorhandenen Elemente dort zunächst kein Bauteil oder dergleichen, so dass auch die Spindelmutter selbst gegenüber der Abstützeinrichtung ortsfest verbleibt.
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Das zweite Federelement weist eine vorgespannte zweite Feder auf, die durch die erhöhte Abstützkraft der Spindelmutter zunächst bis zu demjenigen Punkt nicht weiter spannbar ist, an dem die Abstützkraft das Niveau der zweiten Abstützkraft erreicht, das seinerseits der Vorspannkraft des zweiten Federelementes entspricht, also derjenigen Kraft, mit der die zweite Feder in dem zweiten Federelement vorgespannt ist. Bei Überschreiten dieses Kraftniveaus kann die zweite Feder weiter gespannt werden, so dass bei einer weiteren Erhöhung der Kraft, beispielsweise zwischen 1.425 N und 1.575 N ein weiterer Federweg am zweiten Federelement zurückgelegt wird, also die Abstützeinrichtung um diesen weiteren Federweg nachgibt und die Spindelmutter sich um diesen entsprechenden Federweg weiter bewegt.
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Durch den Wegsensor kann dieser zweite Weg der Spindelmutter detektiert werden. Dabei muss auch in diesem Falle lediglich die Tatsache, dass dieser Weg zurückgelegt worden ist, detektiert und signalisiert werden, so dass auch diese Detektion durch einen einfachen Schalter bewerkstelligt werden kann. Es kann anstelle der Schalter für die Detektion des ersten und zweiten Federwegs auch eine kontinuierliche Wegmessung eingesetzt werden, jedoch stellt die Ausrüstung des Wegsensors mit zwei einfachen Schaltern die wirtschaftlich günstigste Ausführungsform dar. Die entsprechenden Signale des Wegsensors können beispielsweise dafür genutzt werden, dass bei Überschreiten des zweiten Abstützkraftniveaus der Antrieb der Spindelmutter abgeschaltet wird (da das gewollte Kraftniveau des Bremszuges erreicht ist), und dass beim Lösen der Bremse der Antrieb der Spindelmutter gestoppt werden kann, wenn das Zugkraftniveau auf einem Bereich um 100 N gesunken ist und die erste Feder entspannt wird. Hierdurch ist eine Steuerung des Antriebes der Spindelmutter besonders einfach.
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Mit anderen Worten sind bei einem mittleren ausgeübten Kraftniveau der Spindelmutter in der Abstützeinrichtung zwei vorgespannte Federn vorgesehen sind, von denen jeweils eine bei Erreichen eines unteren oder oberen Kraftschwellwertes einen begrenzten Federweg zurücklegt, der über jeweils einen Näherungsschalter detektierbar ist.
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Die Schalter können beispielsweise als Hallsensoren ausgebildet sein, die die Relativbewegung eines Magneten detektieren. Es können jedoch auch optische Schalter, beispielsweise in Form von Lichtschranken oder lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen vorgesehen sein, die bewegte, verschieden helle oder verschieden transparente Skalenbereiche detektieren.
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Beispielsweise sind das erste und das zweite Federelement als Druckfederelemente ausgeführt. Dadurch erzielte Vorteile bestehen insbesondere darin, dass nur mit geringen Setzerscheinungen in der mechanischen Kraftübertragungskette zu rechnen ist, und dass die Federelemente auch unter widrigen Umwelteinflüssen, wie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, über eine sehr lange Zeitdauer zuverlässig funktionieren.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass das erste und das zweite Federelement als Zugfederelemente ausgeführt sind. Dies kann z. B. sinnvoll sein, wenn die Feststellbremse anstelle eines Zuges mittels eines Druckelementes betätigt wird. Die Funktion der Federelemente ist dann im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Variante mit Druckfederelementen.
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Vorteilhaft sind die erste und die zweite Feder jeweils als Schraubenfedern ausgebildet. Es ist jedoch auch die Verwendung von Spiralfedern oder andersartigen Federelementen, wie beispielsweise Blattfedern, Tellerfedern oder auch blockförmigen, elastomeren Federelementen denkbar.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die ersten mechanischen Eingriffsmittel durch einen Anschlag gebildet sind, an dem ein in der Kette der Kraftübertragung zwischen dem Krafterzeugungselement und dem ersten Federelement angeordnetes Element nach Zurücklegen des ersten Federweges anschlägt. Dies hat zur Folge, dass bei Erhöhen der durch das Krafterzeugungselement erzeugten Kraft zunächst die erste Feder gespannt wird und dass nach Zurücklegen des ersten Federweges wegen des Anschlagens des der ersten Feder benachbarten Elementes an den festen Anschlag ein weiteres Spannen der ersten Feder nicht möglich ist. Jede darüber hinausgehende Kraft wird nicht durch die erste Feder, sondern durch den Anschlag aufgenommen, so dass die erste Feder und der Anschlag mechanisch zueinander parallel geschaltet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Federelement eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder aufweist, die zwischen zwei stirnseitigen Halteelementen vorgespannt ist. Dabei sind die beiden stirnseitigen Halteelemente gegeneinander gegen die Kraft der zweiten Feder nach Überschreiten der zweiten Abstützkraft verschiebbar.
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Die zweite Feder ist wesentlich stärker und steifer ausgebildet als die erste Feder. Das zweite Federelement wirkt als Federmodul zunächst in der Kette der Kraftübertragung innerhalb der Abstützeinrichtung als fester, unnachgiebiger Block, bis das Kraftniveau der Vorspannkraft – auch als zweite Abstützkraft bezeichnet – erreicht ist. Überschreitet die Abstützkraft dieses Niveau, so wird die zweite Feder weiter gespannt, also bei einer komprimierbaren Feder weiter komprimiert und bei einer vorgespannten Zugfeder weiter expandiert.
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Ist das zweite Federelement unter Verwendung einer als Druckfeder ausgebildeten Schraubenfeder ausgestaltet, so ist typischerweise die zweite Feder auf einem Federdorn oder in einer Federhülse zwischen zwei Endanschlägen vorgespannt. Dabei sind die Endanschläge bei Überschreiten der zweiten Abstützkraft gegeneinander in Axialrichtung der Schraubenfeder verschiebbar. Beispielsweise kann ein Anschlagring oder eine stirnseitige Anschlagplatte in einer Federhülse oder auf einem Federdorn axial beweglich geführt und einseitig in der Bewegung durch einen festen Anschlag begrenzt sein. Die Federhülse oder der Federdorn der zweiten Feder kann mit einer stirnseitigen Endplatte innerhalb der Abstützeinrichtung direkt und unmittelbar an der ersten Feder abgestützt sein.
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Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Abstützeinrichtung an einem Widerlager angeordnet ist, das insbesondere durch ein die Abstützeinrichtung aufnehmendes Gehäuse gebildet und an dem das erste Federelement und bei Überschreiten der ersten Abstützkraft auch das zweite Federelement abgestützt ist. Ein derartiges Gehäuse kann beispielsweise als Metallgussgehäuse oder als kräftig ausgebildetes Blechgehäuse ausgebildet sein: Es kann zusätzlich zur Spindelmutter und zur Abstützeinrichtung auch eine Antriebseinrichtung für die Spindelmutter beherbergen.
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Die Spindelmutter wird über eine Getriebeeinheit mittels eines Elektromotors angetrieben. Hierfür steht die Spindelmutter in Wirkverbindung mit einer zweiten Welle, die in einem Getriebegehäuse der Getriebeeinheit ortsfest angeordnet ist. Beispielsweise bildet die Spindel oder die Spindelmutter zumindest teilweise die zweite Welle. An der zweiten Welle ist ein zweites Zahnrad angebracht, das in Eingriff mit einem dritten Zahnrad steht. Das dritte Zahnrad wird mittels eines ersten Zahnrads angetrieben, das an einer ersten Welle angebunden ist, deren Rotationsachse ebenfalls ortsfest in dem Getriebegehäuse ist. Die erste Welle ist beispielweise die Rotorwelle des Elektromotors.
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Zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle, also des Verhältnisses der Rotationsgeschwindigkeiten der beiden Wellen bei betriebenem Elektromotor, weist das Getriebegehäuse eine Anzahl von räumlich versetzten Lagerstellen für das dritte Zahnrad auf, insbesondere zwei oder mehr. Je nach gewünschtem Übersetzungsverhältnis werden die Lagerstelle und insbesondere auch der Radius und die Zähneanzahl des dritten Zahnrads gewählt. Auf diese Weise ist es möglich, stets den gleichen Aktuator für eine Vielzahl von unterschiedlichen Kraftfahrzeugtypen zu verwenden. Lediglich das Übersetzungsverhältnis wird mittels einer geeigneten Wahl auf den jeweiligen Kraftfahrzeugtyp eingestellt, im Speziellen auf dessen Gewicht. Zweckmäßigerweise werden zudem andere Federn verwendet oder deren Federkonstante angepasst. Dahingegen wird der gleiche Elektromotor verwendet, ohne dass dieser auf den Kraftfahrzeugtyp angepasst wird, was zu einer verringerten Lagerhaltung führt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wegsensor wenigstens ein Sensorelement und wenigstens ein Geberelement aufweist, die gegeneinander bewegbar sind und von denen eines mittelbar oder unmittelbar mit dem Krafterzeugungselement verbunden ist, während das jeweils andere mit dem Widerlager verbunden ist. Es kann somit mittels des Wegsensors die Relativbewegung zwischen der Spindelmutter und dem Widerlager detektiert werden, die ein Maß für die Spannung der Abstützeinrichtung und des ersten und zweiten Federelementes und damit für die erzeugte Kraft ist.
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Durch das Grundkonzept der Erfindung ist es im Zusammenhang mit einem derartigen Wegsensor möglich, lediglich in einem definierten, einer geringen erzeugten Kraft entsprechenden Bereich das Passieren einer Wegmarke zu detektieren und/oder in einem zweiten Kraftbereich, der einer größeren Kraft – und zwar vorteilhaft dem mittels der Spindelmutter maximal zu erzeugenden Kraftniveau – entspricht. Besonders vorteilhaft sind entweder zwei Geberelemente oder ein Sensorelement oder zwei Sensorelemente und ein Geberelement vorgesehen, so dass sowohl das Erreichen des niedrigen Kraftniveaus (erste Abstützkraft) als auch das Erreichen des zweiten Kraftniveaus (zweite Abstützkraft) jeweils für sich detektierbar ist.
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Insofern ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Wegsensor zur Abgabe eines ersten Signals bei Zurücklegen des ersten Federweges durch das Krafterzeugungselement und zur Abgabe eines zweiten Signals bei Zurücklegen eines weiteren Weges durch das Krafterzeugungselement nach Erreichen der zweiten Abstützkraft vorgesehen ist.
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Im Bereich zwischen der Überschreitung des Niveaus der ersten Abstützkraft und dem Erreichen der zweiten Abstützkraft sind weitere Bewegungen der Abstützeinrichtung praktisch vernachlässigbar. Die Spindelmutter bewegt sich demnach in diesem Kraftbereich trotz Erhöhung der erzeugten Kraft vernachlässigbar wenig.
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Dadurch, dass im Wegsensor nicht kontinuierlich Daten über die Bewegung der Spindelmutter, beispielsweise anhand verschiedener gemessener Magnetfeldstärken, erfasst und ausgewertet werden müssen, sondern im Minimalfall nur ein erstes Signal bei Erreichen des ersten Abstützkraftniveaus und ein zweites Signal bei Erreichen des zweiten Abstützkraftniveaus ausgegeben wird, ist die Verarbeitung der Wegsignale und damit der Informationen über die erzeugte Kraft derart vereinfacht, dass diese nicht am Wegsensor über einen gesonderten Mikrocontroller oder Mikroprozessor vorgenommen werden muss. Vielmehr können die wenigen anfallenden Daten durch eine lokal von der der Krafterzeugung dienenden Spindel und der Spindelmutter getrennten Einheit mit einem eigenen Prozessor oder Mikrocontroller mit übernommen werden. Die Daten können zwischen der Einrichtung zur Krafterzeugung und der Datenverarbeitungseinrichtung über elektrische oder optische Datenleitungen transportiert werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 in einer Schnittansicht eine elektrische Feststellbremse,
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2 perspektivisch eine Getriebeeinheit mit entferntem dritten Zahnrad,
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3 die Getriebeeinheit in einer Draufsicht, und
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4 die Getriebeeinheit gemäß 3 mit geändertem Übersetzungsverhältnis.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer seitlichen Schnittansicht eine elektrische Feststellbremse 2 eines Kraftfahrzeugs, mit einer Spindelmutter 4, die als Krafterzeugungselement mit einer Spindel 6 zusammenwirkt. Die Spindelmutter 4 ist drehbar gelagert und auf einem Axiallager 8 abgestützt. Die Spindelmutter 4 trägt auf ihrer Außenseite ein schräg verzahntes zweites Zahnrad 10 einer Getriebeeinheit 12. Mit anderen Worten bildet die Spindelmutter 4 eine zweite Welle 14, an der das zweite Zahnrad 10 angebracht ist. Das zweite Zahnrad 10 weist mittig eine zum Querschnitt der Spindelmutter 4 korrespondierende Öffnung 16 auf, innerhalb der die Spindelmutter 4 nach Art eines Zapfens formschlüssig und verdrehsicher angeordnet ist.
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Die Spindelmutter 4 ist über ein drittes Zahnrad 18 von einer ersten Welle 20 antreibbar, die die Rotorwelle eines Elektromotors 22 ist. Das Freiende der Rotorwelle 20 ist hierbei zur Formung eines ersten Zahnrads 24 spiralförmig entlang von zur Rotationsachse 26 verlaufender Rillen 28 ausgespart. Mit anderen Worten ist das erste Zahnrad 24 einstückig mit der ersten Welle 20, und der Außendurchmesser des ersten Zahnrads 24 ist gleich dem Durchmesser der ersten Welle 20 ausgebildet.
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Der Elektromotor 22 ist stirnseitig an einem Getriebegehäuse 30 befestigt, innerhalb dessen sich die Zahnräder 10, 18, 24 befinden, und das in ein Spindelgehäuse 32 ragt, in dem die Spindelmutter 4, die Spindel 6 und das Axiallager 8 angeordnet sind. Das Axiallager 8 ist typischerweise als Wälzlager ausgeführt und auf einem zweiten Federelement 34 abgestützt, das seinerseits in dargestelltem Zustand auf einem ersten Federelement 36 in Axialrichtung 38 abgestützt ist. Das erste Federelement 36 ist als Schraubenfeder ausgebildet, die die Spindel 6 bzw. ihren Verschiebungsweg bei Drehung der Spindelmutter 4 koaxial umgibt.
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Mit 40 ist eine Hülse bezeichnet, die im Bereich der Federelemente die Spindel 6 umgibt und schützt. An dem der Hülse 40 zugewandten Ende der Spindel 6 ist eine Bowdenzugaufnahme 42 angebracht, an der ein nicht dargestellter Bowdenzug zur Betätigung von auf eine Bremsscheibe wirkenden Bremsbacken eingehängt ist, mittels derer eine Bewegung des Kraftfahrzeugs unterbunden wird.
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Bewegt sich die Spindel 6 in Richtung des Pfeils 38, so wird an dem Bowdenzug gezogen, bzw. die Zugkraft verstärkt. Auf die Spindel 6 und die Spindelmutter 4 wirkt in diesem Fall eine Kraft in Richtung des Pfeils 44. Bei einer Bewegung der Spindel 6 in Richtung des Pfeils 44 wird der Zug gelöst und die Zugkraft verringert.
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Im Zuge der Krafterzeugung stützt sich die Spindelmutter 4 auf dem ersten Federelement 36 und dem zweiten Federelement 34 ab. Das erste Federelement 36 ist als eine Feder ausgebildet, die gegenüber der Feder des zweiten Federelementes 34 weicher, mit einer geringeren Federkonstanten ausgebildet ist, so dass die erste Feder 36 zuerst und in größerem Maß als die Feder des zweiten Federelementes 34 komprimiert wird. Die erste Feder 36 ist an einem ersten Anschlag 46 abgestützt, der mittels einer Stufe des Spindelgehäuses 32 gebildet ist.
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Bei einer geringen Zugkrafterzeugung und einer entsprechend aufgebrachten Abstützkraft durch die erste Feder 36 wird diese ein Stück weit komprimiert, indem das zweite Federelement in sich unverformt auf die erste Feder 36 zu bewegt wird. Ist der erste Federweg zurückgelegt, so stößt ein erstes stirnseitiges Halteelement 48 des zweiten Federelementes 34 gegen einen ortsfesten zweiten Anschlag 50. Bis zu diesem Zeitpunkt bewegt sich auch ein zweites stirnseitiges Halteelement 52 des zweiten Federelementes 34 in Richtung des Pfeils 44, ohne dass das zweite Federelement 34 in Axialrichtung der Feder komprimiert oder expandiert wird.
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Entsprechend bewegt sich das Axiallager 8 ein Stück weit, typischerweise in der Größenordnung von 2 mm in Richtung des Pfeils 44, so dass auch die Spindelmutter 4 diese Bewegung mit vollzieht. Die Verzahnung des zweiten und des dritten Zahnrads 10, 18 lässt eine derartige Relativbewegung in Axialrichtung 44 der beiden Zahnräder gegeneinander zu.
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Wird die Zugkraft durch weitere Drehung der Spindelmutter 4 erhöht, so wird die erste Feder 36 nicht weiter komprimiert, da das erste stirnseitige Halteelement 48, das zusammen mit dem zweiten mechanischen Anschlag 50 erste mechanische Eingriffsmittel bildet, einen festen Anschlag findet. Die erste Feder 36 nimmt über die entsprechende Teilkompression hinaus keine weiteren Kräfte auf.
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Eine weitere Bewegung in Axialrichtung ergibt sich bei weiterer Steigerung der Zugkraft bzw. der Abstützkraft erst dann, wenn bei Erreichen des Niveaus der zweiten Abstützkraft das zweite Federelement 34 in Axialrichtung 44 komprimiert wird.
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In 2 ist perspektivisch die Getriebeeinheit 12 dargestellt, wobei das dritte Zahnrad 18 sowie ein Deckel des Getriebegehäuses 30 entfernt sind. Sowohl die Rotationsachse 26 der ersten Welle 20 als auch eine Rotationsachse 54 der zweiten Welle 14 verlaufen parallel durch den schachtelförmigen Grundkörper des Getriebegehäuses 30 und sind sowohl senkrecht zu dessen Boden als auch ortsfest. In den Boden ist ferner ein beweglicher Schieber 56 eingebracht, der eine Öffnung 58 aufweist. Die Ausbreitungsebene der vorzugsweise kreisrunden Öffnung 58 ist hierbei im Wesentlichen parallel zu der Ausbreitungsebene des zweiten Zahnrads 10 und senkrecht zu den Rotationsachsen 26, 54. Der Schieber 56 ist längs einer Einstellungsgeraden 60 zwischen der ersten Welle 20 und der zweiten Welle 14 verschiebbar, wobei sich der Mittelpunkt der kreisrunden Öffnung 58 auf der Einstellungsgeraden 60 befindet. Die Einstellungsgerade 60 ist ferner senkrecht zu den Rotationsachsen 26, 54 und schneidet diese.
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Der nicht dargestellte Deckel des Getriebegehäuses 30 weist ebenfalls einen derartigen Schieber 56 auf, wie in 3 dargestellt. Hier ist die Getriebeeinheit 12 in einer Frontalansicht mit montiertem drittem Zahnrad 18 gezeigt, das parallel zu dem zweiten Zahnrad 10 ist, wobei von dem Deckel des Getriebegehäuses 30 lediglich der Schieber 56 gezeigt ist. Das dritte Zahnrad 18 weist zwei axial verlaufende Achszapfen 62 auf (vgl. 1), von denen jeweils einer durch die Öffnung 58 des jeweiligen Schiebers 56 gesteckt ist. Folglich ist das dritte Zahnrad 18 zwischen den beiden Schiebern 56 angeordnet, die im Wesentlichen parallel zu dem dritten Zahnrad 18 sind. Die beiden Schieber 56 und deren Öffnungen 58, deren Querschnitt dem des jeweiligen Achszapfens 62 entspricht, bilden somit eine Lagerstelle 64 für das dritte Zahnrad 18. Aufgrund der Beweglichkeit der Schieber 56 entlang der jeweiligen Einstellungsgeraden 60 ist es ermöglicht, die Lagerstelle 64 zwischen den beiden Rotationsachsen 26, 54 zu bewegen.
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Die Position der Lagerstelle 64 und der Radius der Zahnräder 10, 24 bestimmen hierbei ein Übersetzungsverhältnis 66 zwischen der ersten Welle 20 und der zweiten Welle 14, wobei in 3 ein erstes Übersetzungsverhältnis 66 und in 4 ein weiteres Übersetzungsverhältnis 66 gezeigt ist. Zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses 66 wird in einem ersten Schritt der Deckel der Getriebeeinheit 12 entfernt und das dritte Zahnrad 18 entnommen. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine freiendseitig an der Spindel 6 befestigte Flügelmutter 68 entfernt, die im Normalbetrieb ein Abdrehen der Spindelmutter 4 von der Spindel 6 verhindert, vgl. 1. In einem weiteren Arbeitsschritt wird das zweite Zahnrad 10 aus der Getriebeeinheit 12 entnommen und durch ein neues zweites Zahnrad 10 ersetz. Zur Einstellung wird die Lagerstelle 64 derart verschoben, dass die Rotationsachse des dritten Zahnrads 18 mittig zwischen dem ersten Zahnrad 24 und dem nunmehr neuen zweiten Zahnrad 10 liegt. Dies erfolgt mittels einer Positionierung der beiden Schieber 56. In einem weiteren Schritt wird ein neues drittes Zahnrad 18 eingesetzt und das Getriebegehäuse 30 geschlossen.
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Das in 3 gezeigte Übersetzungsverhältnis 66 ist derart, dass eine Rotationsbewegung der ersten Welle 24 zu einer vergleichsweise langsamen Rotationsbewegung der zweiten Welle 14 führt. Dahingegen ist bei dem in 4 dargestellten Übersetzungsverhältnis 66 bei einer gleichartigen Rotationsbewegung der ersten Welle 24 die Rotationsgeschwindigkeit der zweiten Welle 14 erhöht. Dies wird erreicht durch den verkleinerten Radius des zweiten Zahnrads 10 sowie des vergrößerten Radius des dritten Zahnrads 18. Das bedingt, dass die Lagerstelle 64 bei der in 4 gezeigten Getriebeeinheit 12 in Richtung der zweiten Welle 14 versetzt ist.
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Anstatt das Übersetzungsverhältnis 66 nach bereits erfolgter Montage zu verändern, wird dies beispielsweise bereits bei der Erstmontage berücksichtigt und ein geeignetes zweites und drittes Zahnrad 10, 18 gewählt. Aufgrund des unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisses 66 wird mittels der in 3 gezeigten Getriebeeinheit 12 eine vergleichsweise große Kraft übertragen, so dass mittels der elektrischen Feststellbremse 2 auch ein Kraftfahrzeug mit einem vergleichsweise hohen Gewicht gesichert werden kann. Bei einem Kraftfahrzeug mit einem vergleichsweise geringen Gewicht ist eine in 4 gezeigte Getriebeeinheit 12 ausreichend. Mittels dieser ist, sofern der gleiche Elektromotor 22 mit der gleichen Ansteuerung verwendet wird, die Kraftausübung auf den Bowdenzug schneller, so dass das Kraftfahrzeug mittels der Feststellbremse 2 bereits zeitlich früher gesichert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektrische Feststellbremse
- 4
- Spindelmutter
- 6
- Spindel
- 8
- Axiallager
- 10
- zweites Zahnrad
- 12
- Getriebeeinheit
- 14
- zweite Welle
- 16
- Öffnung
- 18
- drittes Zahnrad
- 20
- erste Welle
- 22
- Elektromotor
- 24
- erstes Zahnrad
- 26
- Rotationsachse
- 28
- Rille
- 30
- Getriebegehäuse
- 32
- Spindelgehäuse
- 34
- zweites Federelement
- 36
- erstes Federelement
- 38
- Axialrichtung
- 40
- Hülse
- 42
- Bowdenzugaufnahme
- 44
- Kraftrichtung
- 46
- erster Anschlag
- 48
- erstes Halteelement
- 50
- zweiter Anschlag
- 52
- zweites Halteelement
- 54
- Rotationsachse
- 56
- Schieber
- 58
- Öffnung
- 60
- Einstellungsgerade
- 62
- Achszapfen
- 64
- Lagerstelle
- 66
- Übersetzungsverhältnis
- 68
- Flügelmutter
