DE102015203440A1

DE102015203440A1 - Bremseinheit

Info

Publication number: DE102015203440A1
Application number: DE102015203440.2A
Authority: DE
Inventors: Olaf Drewes
Original assignee: SAF Holland GmbH
Current assignee: SAF Holland GmbH
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2016-09-01
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: EP3262314A1; US10677302B2; CN107250590B; MX2017010839A; WO2016134983A1; US20190107161A1; DE102015203440B4; CN107250590A

Abstract

Betrifft eine Bremseinheit, insbesondere zum Einsatz in Nutzfahrzeugen, umfassend ein Betätigungselement und ein Kolbenelement, wobei das Betätigungselement längs einer Betätigungsachse verlagerbar ist, wobei das Kolbenelement längs einer Kolbenachse verlagerbar und gegen Verlagerung quer zur Kolbenachse gesichert ist, wobei die Betätigungsachse und die Kolbenachse im Wesentlichen quer zueinander stehen, wobei das Betätigungselement eine Betätigungsfläche aufweist und wobei das Kolbenelement eine Kolbenfläche aufweist, wobei zwischen der Betätigungsfläche und der Kolbenfläche eine Vielzahl von Wälzkörpern zur Übertragung einer Stellkraft zwischen dem Betätigungselement und dem Kolbenelement angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremseinheit insbesondere zum Einsatz in Nutzfahrzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Bremseinheiten bekannt, in welchen eine Spreizkeileinheit verwendet wird, um zwei Bremsbacken oder Bremsbeläge derart relativ zueinander zu bewegen, dass diese in Eingriff mit einer Bremsscheibe oder einer Bremstrommel gelangen. Dabei sind insbesondere die kraftübertragenden Teile in der Spreizkeileinheit hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, wobei durch die unter Gleitreibung stattfindenden Relativbewegungen verschiedener Bauteile zueinander oft ein hoher Verschleiß und auch ein hoher Kraftbedarf für die Betätigungseinheit auftreten. Es hat sich bewährt, zwischen den zueinander beweglichen Teilen der Spreizkeileinheit Wälzkörper einzusetzen, welche anstatt einer gleitenden Bewegung der Bauteile eine Rollbewegung ermöglichen und somit den Verschleiß der kraftübertragenden Flächen reduzieren. Dabei hat sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen aber das Problem ergeben, dass an den einzelnen Wälzkörpern sehr hohe Flächenpressungen auftreten und somit Oberflächenschäden an den kraftübertragenden Flächen der zueinander beweglichen Bauteile resultieren. Weiterhin hat es sich als problematisch herausgestellt, dass bei einer Verschwenkung des Spreizkeils im Betrieb einer Bremse relativ zu den Kolbenelementen, welche die Bremsbacken mit einer Kraft beaufschlagen, hohe Spannungsspitzen auftreten, welche wiederum einen erhöhten Materialverschleiß und eine geringe Lebensdauer der aus dem Stand der Technik bekannten Spreizkeileinheiten verursachen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Bremseinheit, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile beseitigt und dabei dennoch eine leichte und platzsparende Bauweise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Bremseinheit gemäß Anspruch 1. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß umfasst die Bremseinheit ein Betätigungselement und ein Kolbenelement, wobei das Betätigungselement längs einer Betätigungsachse verlagerbar ist, wobei das Kolbenelement längs einer Kolbenachse verlagerbar und gegen Verlagerung quer zur Kolbenachse gesichert ist, wobei die Betätigungsachse und die Kolbenachse im Wesentlichen quer zueinander stehen, wobei das Betätigungselement eine Betätigungsfläche aufweist und wobei das Kolbenelement eine Kolbenfläche aufweist, wobei zwischen der Betätigungsfläche und der Kolbenfläche eine Vielzahl von Wälzkörpern zur Übertragung einer Stellkraft zwischen dem Betätigungselement und dem Kolbenelement angeordnet sind. Das Betätigungselement ist mit Vorteil der Spreizkeil einer Spreizkeilbremsanlage, welcher einen stangenförmigen Abschnitt aufweist, über welchen eine Kraft eines Bremskraftsystems, wie beispielsweise eines Bremszylinders, aufgenommen wird. Weiterhin weist das Betätigungselement einen keilförmigen Abschnitt auf, an welchem eine Betätigungsfläche vorgesehen ist. Die Betätigungsfläche dient der mittelbaren oder unmittelbaren Kraftübertragung von dem Betätigungselement an die Vielzahl von Wälzkörpern. Als Vielzahl von Wälzkörpern wird in diesem Zusammenhang definiert, dass zumindest zwei Wälzkörper vorhanden sind. Die Wälzkörper stehen in direktem oder indirektem Eingriff mit dem Betätigungselement. Die Wälzkörper übertragen die vom Betätigungselement aufgenommene Kraft an das Kolbenelement und dabei insbesondere an eine Kolbenfläche des Kolbenelements. Mit Vorteil sind die Betätigungsfläche und die Kolbenfläche derart zueinander ausgerichtet, dass die auf das Kolbenelement übertragene resultierende Kraft im Wesentlichen längs der Kolbenachse wirkt. Mit anderen Worten weist die von den Wälzkörpern direkt oder indirekt auf das Kolbenelement übertragene Kraft vorzugsweise ihre größte Kraftkomponente parallel zur Kolbenachse auf, vorzugsweise in dem Zustand der Bremseinheit, in dem diese die höchste Bremskraft aufbringt. Mit Hilfe der Vielzahl zwischen dem Kolbenelement und dem Betätigungselement wirkenden Wälzkörper lässt sich die an den entsprechenden Rollflächen des Betätigungselements und/oder des Kolbenelements auftretende Hertz‘sche Flächenpressung reduzieren. Hierdurch kann weiterhin der Oberflächenverschleiß, wie beispielsweise durch den Verschleißmechanismus Fressen oder Pitting, deutlich reduziert werden. Gleichzeitig ermöglicht der Einsatz einer Vielzahl, vorzugsweise von zumindest zwei Wälzkörpern, dass sich der Bauraumbedarf der Bremseinheit trotz der deutlich reduzierten Hertz‘schen Flächenpressung nicht vergrößert, sondern sogar verringert werden kann. Die Vielzahl von Wälzkörpern wird vorzugsweise anstelle eines einzelnen Wälzkörpers mit größerem Radius verwendet, welcher zwar ebenfalls eine reduzierte Flächenpressung ermöglicht, gleichzeitig aber einen deutlich gesteigerten Bauraumbedarf verursacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform rollen die Wälzkörper auf einer ersten Lauffläche und einer zweiten Lauffläche ab, wobei die Laufflächenebenen symmetrisch zueinander bezogen auf eine Mittelebene ausgebildet und angeordnet sind, wobei die Drehachsen der Wälzkörper in der Mittelebene liegen. Zumindest eine der Laufflächen ist dabei vorzugsweise an der Betätigungsfläche oder an der Kolbenfläche vorgesehen, wobei die andere vorzugsweise an einem weiteren Bauteil oder alternativ dazu an einer der Flächen, Betätigungsfläche oder Kolbenfläche, welche nicht bereits die erste Lauffläche aufweist. Zwischen den Laufflächen sind die Wälzkörper angeordnet, wobei die Drehachsen der Wälzkörper in einer Mittelebene liegen. Für den Fall, dass die Wälzkörper sich entlang einer gekrümmten Bahn bewegen, kann die Mittelebene auch als gekrümmte Fläche ausgebildet sein, entlang derer sich die Drehachsen der Wälzkörper bewegen. Vorzugsweise sind in jeder Konfiguration der Laufflächen und der Mittelebene die Laufflächen ebenensymmetrisch zueinander bezogen auf die Mittelebene ausgebildet, d.h. mit anderen Worten, dass ein erster orthogonal zur Mittelebene stehender und diese kreuzender Vektor eine bestimmte Länge bis zu seinem Schnittpunkt mit der ersten Lauffläche aufweist, wobei das Reziproke dieses Vektors auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der Mittelebene bis zu dessen Schnittpunkt mit der zweiten Lauffläche exakt den gleichen Betrag wie der erste Vektor aufweist. Mit anderen Worten weisen zwei sich in Bezug auf die Mittelebene orthogonal gegenüberliegende Punkte auf der ersten und auf der zweiten Lauffläche den gleichen Abstand von der Mittelebene auf. Durch diese Ausbildung der ersten Lauffläche und der zweiten Lauffläche ist es möglich, dass stets alle zwischen den Laufflächen angeordneten Wälzkörper bei der Kraftübertragung zwischen dem Betätigungselement und dem Kolbenelement beteiligt sind. Auf diese Weise lässt sich mit Vorteil die auf einen einzelnen Wälzkörper einwirkende Kraft reduzieren und es kann somit auch die vom Wälzkörper auf die jeweilige Lauffläche ausgeübte Flächenpressung verringert werden.
Besonders bevorzugt ist die erste Lauffläche an einem Zwischenelement ausgebildet, wobei die zweite Lauffläche an einem der Elemente, Betätigungselement oder Kolbenelement, ausgebildet ist. Das Zwischenelement ist mit Vorteil ein von dem Kolbenelement und dem Betätigungselement separat hergestelltes und ausgebildetes Bauteil. Besonders bevorzugt kann das Zwischenelement aus gehärtetem Material, welches insbesondere bevorzugt härter ist als das Material des Kolbenelements und des Betätigungselements, ausgebildet sein, wodurch sich der Verschleiß zwischen dem Wälzkörper und der mit Vorteil an dem Zwischenelement vorgesehenen ersten Lauffläche deutlich reduzieren lässt. Das Zwischenelement ist insbesondere dafür ausgelegt, die erste Lauffläche in jedem Zustand der Bremseinheit ebenensymmetrisch zur zweiten Lauffläche anzuordnen, auch wenn durch die in der Bremseinheit wirkenden Kräfte Verformungen am Betätigungselement oder an dem Kolbenelement auftreten. Dies verbessert insbesondere die Wirkung der Vielzahl von Wälzkörpern, durch die Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Wälzkörper, möglichst gleichmäßig, die Hertz’sche Flächenpressung an der ersten Lauffläche und der zweiten Lauffläche zu reduzieren.
Besonders bevorzugt weist das Zwischenelement auf seiner der ersten Lauffläche gegenüberliegenden Seite eine Ausgleichsfläche auf, wobei die Ausgleichsfläche zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist. Die Ausgleichsfläche des Zwischenelements ist vorzugsweise die Fläche, mit welcher das Zwischenelement entweder an dem Kolbenelement oder an dem Betätigungselement anliegt. Die Ausgleichsfläche ist dabei gleichzeitig auch eine Fläche, mit welcher das Zwischenelement eine Kraft an das Kolbenelement überträgt oder von dem Betätigungselement aufnimmt. Die bereichsweise Krümmung der Ausgleichsfläche erlaubt eine Verschwenkung des Zwischenelements relativ zu dem Element, welches an der Ausgleichsfläche anliegt. Dabei ist der Krümmungsradius der Ausgleichsfläche vorzugsweise ein Vielfaches des Krümmungsradius‘ der Wälzkörper. Auf diese Weise kann die Hertz’sche Flächenpressung und daraus resultierende Oberflächenschäden im Bereich des Kontakts zwischen der Ausgleichsfläche und dem Kolbenelement oder dem Betätigungselement auf ein Minimum reduziert werden.
Ferner bevorzugt weist das Zwischenelement eine Erstreckung quer zur Kolbenachse auf, wobei die Ausgleichsfläche einen mittleren Krümmungsradius aufweist, wobei das Verhältnis der Erstreckung des Zwischenelements zum mittleren Radius der Ausgleichsfläche im Bereich von 0,03 bis 0,3, vorzugsweise von 0,04 bis 0,25 und besonders bevorzugt bei ca. 0,04 bis 0,09 liegt. Mit anderen Worten ist insbesondere bevorzugt der Krümmungsradius der Ausgleichsfläche ein Vielfaches der Erstreckung des Zwischenelements quer zur Kolbenachse. Dieser große Radius verringert insbesondere bevorzugt die Hertz’sche Flächenpressung zwischen dem Zwischenelement und dem entsprechend anliegenden Kolbenelement oder Betätigungselement. Weiterhin ermöglicht die Krümmung der Ausgleichsfläche mit einem mittleren Krümmungsradius eine Schwenkbarkeit des Zwischenelements durch Abrollen über die Ausgleichsfläche, insbesondere um Fertigungstoleranzen und eine Verschwenkung des Betätigungselements relativ zum Kolbenelement auszugleichen.
Vorzugsweise liegt das Zwischenelement an der Betätigungsfläche oder an der Kolbenfläche derart an und ist derart ausgebildet, dass es eine Pendel- oder Schwenkbewegung des Betätigungselements relativ zur Kolbenachse mit einem Pendelwinkel von 1° bis 8°, vorzugsweise von 2° bis 6° und besonders bevorzugt von ca. 2° bis 4° ermöglicht. Insbesondere bei den hohen in der Bremseinheit auftretenden Kräften kann es zu elastischen Materialverformungen an dem Betätigungselement oder an den Kolbenelementen sowie an dem die Kolbenelemente in ihrer Position quer zur Kolbenachse haltenden Bereichen des Gehäuses der Bremseinheit kommen. Um diese Schwenkbewegungen ausgleichen zu können, ist es bevorzugt, dass das Zwischenelement eine Schwenkbewegung des Betätigungselements relativ zur Kolbenachse im Bereich von ±1° bis ±8° zulässt und dabei die Laufflächen der Wälzkörper ebenensymmetrisch zueinander oder bevorzugt parallel zueinander hält. Es versteht sich in diesem Zusammenhang, dass der Pendelwinkel sowohl in einer Richtung als auch mit dem gleichen Betrag in der entgegengesetzt dazu verlaufenden Richtung aufgetragen werden kann. Der Bereich des Pendelwinkels von ±1° bis ±8° erlaubt dabei auch bei besonders hohen in der Bremseinheit auftretenden Kräften und Verformungen einen optimalen Lauf der Wälzkörper an den Laufflächen. Bevorzugt ist der Pendelwinkel nicht größer als 8° ausgelegt, da um diesen zu erreichen wiederum der mittlere Krümmungsradius der Ausgleichsfläche kleiner gewählt werden müsste, wodurch wiederum die Hertz’sche Flächenpressung im Bereich der Ausgleichsfläche vergrößert würde. Der besonders bevorzugte Bereich des Pendelwinkels von 2° bis 4° hat sich insbesondere im Bereich von Trommelbremsen für Nutzfahrzeuge bewährt, da sämtliche der in diesen auftretenden Schwenk- oder Pendelbewegungen des Betätigungselements durch ein derart ausgebildetes Zwischenelement ausgeglichen werden können.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die erste Lauffläche am Zwischenelement und die zweite Lauffläche am Betätigungselement vorgesehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass das Zwischenelement an dem Kolbenelement festlegbar ist und somit das Betätigungselement, unabhängig von dem Verbund aus Zwischenelement und Kolbenelement bleibt und vorzugsweise ein integraler Bestandteil eines Bremszylinders sein kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Lauffläche am Zwischenelement und die zweite Lauffläche am Kolbenelement vorgesehen. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da das Zwischenelement und das Betätigungselement vormontiert werden können um anschließend in die Betätigungseinheit eingesetzt zu werden. Hierdurch lässt sich der Montageaufwand für die Bremseinheit verringern.
Insbesondere bevorzugt weisen die zwei am weitesten voneinander entfernten und mit beiden Laufflächen in Eingriff stehenden Wälzkörper einen Drehachsenabstand auf, wobei das Zwischenelement an seiner der ersten Lauffläche gegenüberliegenden Seite einen Kraftübertragungsbereich mit einem mittleren Kraftübertragungspunkt aufweist, wobei ein zwischen dem Drehachsenabstand und dem mittleren Kraftübertragungspunkt aufgespanntes Dreieck spitzwinklig ist. Mit anderen Worten ist ein zwischen den Drehachsen der beiden Wälzkörper, die mit beiden Laufflächen in Eingriff stehen und am weitesten voneinander entfernt sind, und einem mittleren Kraftübertragungspunkt aufgespanntes Dreieck derart ausgebildet, dass keiner der Innenwinkel größer als 90° ist. Durch diese Anordnung des Kraftübertragungsbereiches relativ zu den kraftübertragenden Wälzkörpern ist es möglich, eine besonders gute Lastverteilung auf die einzelnen Wälzkörper zu erreichen. Im Optimalfall ist der Kraftübertragungspunkt relativ zu der Anordnung von Wälzkörpern derart ausgerichtet, dass alle Wälzkörper im Wesentlichen die gleiche Kraft übertragen. Dieser Zustand sollte mit Vorteil in dem Zustand der Bremseinheit erreicht werden, in welchem die maximale Betätigungskraft von dem Betätigungselement auf das Kolbenelement übertragen wird und gleichzeitig die maximale Bremswirkung an der Bremse erzielt wird. Auf diese Weise lassen sich bei diesem Kraftmaximum die durch die einzelnen Wälzkörper übertragenen Kräfte möglichst gleichmäßig verteilen und es kann auf diese Weise sowohl der Verschleiß der Wälzkörper als auch der Verschleiß der Laufflächen minimiert werden. Mit Vorteil ist das zwischen den Drehachsen und dem mittleren Kraftübertragungspunkt aufgespannte Dreieck somit ein gleichschenkliges Dreieck, wobei die gleichen Schenkel des Dreiecks jeweils zwischen einer Drehachse bzw. einem Ende des Drehachsenabstandes und dem mittleren Kraftübertragungspunkt verlaufen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Wälzkörper in einem Käfig gehalten. Auf diese Weise wird die Positionierung und gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper zwischen den Laufflächen verbessert. Außerdem wird erreicht, dass selbst wenn einzelne Wälzkörper in bestimmten Zuständen der Bremseinheit nicht zwischen den Laufflächen angeordnet sind, diese nicht verlorengehen, sondern durch den Käfig in ihrer Position gehalten werden.
Mit Vorteil bilden die Wälzkörper ein Nadellager, wobei vorzugsweise zumindest vier Wälzkörper, besonders bevorzugt ca. sieben bis fünfzehn Wälzkörper vorgesehen sind. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, dass je größer der Verlagerungsweg des Betätigungselements längs der Betätigungsachse im Betrieb der Bremseinheit ist, desto mehr Wälzkörper mit Vorteil zum Einsatz gelangen, um ein Nadellager zu bilden. Auf diese Weise kann auch über die gesamte Verlagerungsbewegung des Betätigungselements hinweg immer eine gleichmäßig hohe Anzahl an Wälzkörpern zwischen der ersten Lauffläche und der zweiten Lauffläche angeordnet sein, um gleichmäßig eine Kraft von dem Betätigungselement auf das Kolbenelement zu übertragen. Gleichzeitig hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, für ein Nadellager zumindest vier Wälzkörper einzusetzen, wobei durch dieses minimal ausgebildete Nadellager besonders das Gewicht der Bremseinheit gering gehalten wird.
Besonders bevorzugt weist die von den Wälzkörpern übertragene Stellkraft ihre größte Kraftkomponente längs der oder parallel zur Kolbenachse auf. Es kann auf diese Weise der Verschleiß im Bereich der Führung des Kolbenelements minimiert werden. Mit Vorteil ist das Kolbenelement in einer Aussparung des Gehäuses der Bremseinheit, welche vorzugsweise als Spreizkeileinheit ausgebildet ist, geführt. Um diese Führung des Kolbenelements mit einer nur möglichst geringen Querkraft zu beaufschlagen, ist es bevorzugt, dass die größte Kraftkomponente der von den Wälzkörpern übertragenen Stellkraft im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse wirkt.
Besonders bevorzugt steht die Betätigungsachse im Wesentlichen quer zur Kolbenachse. Im Wesentlichen quer zur Kolbenachse bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass kleinere Verschwenkungen im Bereich bis zu ±10°, vorzugsweise bis zu ±5° und besonders vorzugsweise bis zu ±3° des Betätigungselements relativ zur Kolbenachse beinhaltet sind. In einem besonders bevorzugten Fall steht die Betätigungsachse senkrecht zur Kolbenachse.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Laufflächen zur Führung von kugel- oder tonnenförmigen Wälzkörpern gekrümmt ausgebildet. Diese Krümmung der Laufflächen ist dabei vorzugsweise konstant über den gesamten Laufweg bzw. Rollweg der Wälzkörper entlang der Laufflächen, um insbesondere zu verhindern, dass lokale Oberflächenunebenheiten Spannungsspitzen bei der Kraftübertragung vom Wälzkörper auf die entsprechende Lauffläche verursachen. Gleichzeitig ermöglichen die gekrümmten Laufflächen eine Führung und Stabilisierung der Wälzkörper gegen Verlagerung längs ihrer Drehachsen.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Laufflächen parallel zueinander ausgerichtet und vorzugsweise eben ausgebildet. Insbesondere beim Einsatz von zylinderförmigen Nadeln eines Nadelrollenlagers als Wälzkörper sind die Laufflächen als einfache ebene Flächen ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass derartige Flächen viel leichter herzustellen sind als gekrümmte Flächen.
Bevorzugt ist das Zwischenelement gegen Verlagerung längs der Betätigungsachse relativ zum Kolbenelement oder relativ zum Betätigungselement gesichert. Das Zwischenelement ist somit vorzugsweise entweder am Betätigungselement oder am Kolbenelement schwenkbar, aber gegen Verlagerung gesichert festgelegt. Hierfür eignet sich besonders bevorzugt ein formschlüssiger Eingriff zwischen einer entsprechenden Befestigungsgeometrie am Kolbenelement oder am Betätigungselement, in welcher das Zwischenelement eingreift. Der Vorteil dieses Merkmals ist, dass das Kolbenelement und das Zwischenelement oder das Betätigungselement und das Zwischenelement als Baugruppe vormontiert werden können um anschließend in die Bremseinheit eingebaut zu werden. Gleichzeitig gewährleistet die Festlegung des Zwischenelements am Betätigungselement oder am Kolbenelement, dass das Zwischenelement im Betrieb der Bremseinheit stets an seinem vorgesehenen Platz zwischen dem Betätigungselement und dem Kolbenelement bleibt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass einzelne in nur einzelnen Ausführungsformen gezeigte Merkmale auch in anderen Ausführungsformen zum Einsatz gelangen sollen, sofern dies nicht explizit ausgeschlossen wird oder sich aufgrund technischer Gegebenheiten verbietet. Es zeigen:
1 eine Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit,
2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit,
3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit,
4 eine Ansicht der bereits in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit,
5 eine Detailansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit und
6 eine Schnittansicht der in 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit.
Die Bremseinheit in 1 weist ein Betätigungselement 2 und ein Kolbenelement 4 auf. In der Figur sind getrennt durch die mittig angeordnete Betätigungsachse B zwei Zustände der bevorzugten Ausführungsform des Bremssystems dargestellt. Der oberhalb der Betätigungsachse B dargestellte Zustand der Bremseinheit ist der Zustand, in welchem das Betätigungselement 2 so weit in die Bremseinheit eingefahren ist, dass seine keilförmige Geometrie im in der Figur links gezeigten Abschnitt das Kolbenelement 4 maximal von der Betätigungsachse B entfernt. Dieser Zustand ist insbesondere der Zustand bei Anliegen der maximalen Bremskraft, bei welchem die vorzugsweise zwei Kolbenelemente 4 maximal gespreizt sind. Der in 1 unterhalb der Betätigungsachse B gezeigte Zustand der Bremseinheit ist dabei der Zustand bei Beginn eines Bremsvorganges, bei welchem das Betätigungselement 2 nur minimal in die Spreizkeileinheit hineinverlagert ist. Diese Darstellung der Bremseinheit wurde auch in den 2 und 3 gewählt. Es sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass einzelne technische Merkmale in den Figuren aus Platzgründen entweder an Teilen des oberhalb der Betätigungsachse B gezeigten Zustandes oder an Teilen im unterhalb der Betätigungsachse B gezeigten Zustand eingetragen sind. Dies betrifft insbesondere den mittleren Krümmungsradius R und die Erstreckung L₅ des Zwischenelements 5 quer zur Kolbenachse K, den Drehachsenabstand A und die Mittelebene D, welche verständlicherweise sowohl in der oberen als auch in der unteren Bildhälfte der jeweiligen Figur vorhanden sind. Ebenso weist auch das in der unteren Bildhälfte gezeigte Zwischenelement 5 einen Kraftübertragungsbereich 52 und einen mittleren Kraftübertragungspunkt 53 auf. Das Betätigungselement 2 weist eine Betätigungsfläche 21 auf, welche bevorzugt zugleich auch die zweite Lauffläche 72 ist. An der zweiten Lauffläche 72 stützen sich Wälzkörper 6 ab, welche im vorliegenden Fall vorzugsweise ein Nadellager bilden. Zur Kraftübertragung vom Betätigungselement 2 an das Kolbenelement 4 über die Wälzkörper ist vorzugsweise ein Zwischenelement 5 vorgesehen, welches eine erste Lauffläche 71 aufweist. An der ersten Lauffläche 71 übertragen die Wälzkörper 6 eine Kraft vom Betätigungselement 2 an das Zwischenelement 5 und umgekehrt. Weiterhin weist das Zwischenelement 5 an seiner der ersten Lauffläche 71 abgewandten Seite eine Ausgleichsfläche 51 auf. Die Ausgleichsfläche 51 ist vorzugsweise mit einem mittleren Krümmungsradius R gekrümmt ausgebildet. Der Krümmungsradius R ist dabei wesentlich größer als die Erstreckung L₅ des Zwischenelements 5 quer zur Kolbenachse K. Mit Vorteil weist das Zwischenelement 5 an der Ausgleichsfläche 51 einen Kraftübertragungsbereich 52 mit einem mittleren Kraftübertragungspunkt 53 auf. Der mittlere Kraftübertragungspunkt 53 ist dabei als mathematische Hilfsgröße zu verstehen. Da 1 eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform der Bremseinheit zeigt, ist verständlicherweise der mittlere Kraftübertragungspunkt 53 bezogen auf die räumliche Ausbildung der Bremseinheit vorzugsweise eine Gerade. Vorzugsweise liegen die Drehachsen der Wälzkörper 6 in Mittelebene D, wobei die erste Lauffläche 71 und die zweite Lauffläche 72 mit Vorteil ebenensymmetrisch zueinander bezogen auf die Mittelebene D ausgebildet sind.
2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit, wobei im Unterschied zu 1 die zweite Lauffläche 72 an der Kolbenfläche 41 vorgesehen ist. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel verlagert sich das Zwischenelement 5 gemeinsam mit dem Betätigungselement 2 längs der Betätigungsachse unter dem Kolben 4 hinweg, wobei durch die Schrägstellung der Kolbenfläche 41, bzw. der zweiten Lauffläche 72, eine Verlagerung des Betätigungselements 2 längs der Betätigungsachse B eine Verlagerung des Kolbenelements 4 längs der Kolbenachse K verursacht. In der unteren Bildhälfte ist dabei das bevorzugte spitzwinklige Dreieck zwischen einem mittleren Kraftübertragungspunkt 53 und einem Drehachsenabstand A gekennzeichnet. Dabei ist auch erkennbar, dass in dem unterhalb der Betätigungsachse B gezeigten Zustand der Bremseinheit bei Einleiten des Bremsvorganges und entsprechend nur geringen zwischen dem Betätigungselement 2 und dem Kolbenelement 4 wirkenden Kräften, insgesamt vier der Wälzkörper 6 nicht zwischen den Laufflächen 71, 72 angeordnet sind. Diese Wälzkörper 6 tragen in diesem Zustand nicht zur Kraftübertragung bei und sind in einem Käfig gehalten. Der zweite Wälzkörper 6 von rechts in der Figur überträgt in diesem Zustand der Bremseinheit eine höhere Kraft als die links von ihm liegenden Wälzkörper 6. Bei dem in der Figur oben gezeigten Zustand der Bremseinheit, welche bevorzugt bei einer wesentlich höheren Bremskraft als im in der Figur unten gezeigten Zustand vorliegt, sind mit Vorteil sämtliche der Wälzkörper 6 zur Kraftübertragung zwischen den Laufflächen 71 und 72 angeordnet, wobei ein zwischen dem mittleren Kraftübertragungspunkt 53 und dem Drehachsenabstand A aufgetragenes Dreieck in diesem Zustand vorzugsweise annähernd gleichschenklig ist. Es kann somit eine besonders gleichmäßige Kraftverteilung auf die Wälzkörper 6 erreicht werden. Die Querschnitte des Betätigungselements 2 des Zwischenelements 5 und des Kolbenelements 4 sowie der Wälzkörper 6 sind dabei im Wesentlichen gleich zu den Querschnitten der korrespondierenden Bauteile in der in 1 gezeigten Ausführungsform.
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, welche im Wesentlichen auf der in 1 gezeigten Ausführungsform basiert, wobei die als Nadellager ausgebildete Wälzkörperanordnung 6 durch zwei Wälzkörper 6 mit größerem Radius als in 1 und 2 ersetzt wurde. Der Vorteil der Ausbildung der Bremseinheit mit nur zwei Wälzkörpern 6 liegt darin, dass die Montage der Wälzkörper einfacher gestaltet werden kann und durch die größeren Durchmesser der Wälzkörper 6 (im Vergleich zu den Nadeln in 1 und 2) ebenfalls eine relativ geringe Flächenpressung zwischen den entsprechenden Laufflächen 71, 72 und den Wälzkörpern 6 auftritt. Auch in 3 ist die bevorzugte Ausführungsform dargestellt, wonach ein zwischen dem Drehachsenabstand A und dem mittleren Kraftübertragungspunkt 53 aufgespanntes Dreieck spitzwinklig ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die in 2 gezeigte Anordnung auch mit den in 3 gezeigten Wälzkörpern 6 möglich wäre.
4 zeigt die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremseinheit, wobei eine verschwenkte Stellung des Betätigungselements 2 relativ zur Kolbenachse K gezeigt ist. Mit Hilfe der gekrümmt ausgebildeten Ausgleichsfläche 51 des Zwischenelements 5 kann diese Verschwenkung aufgenommen und kompensiert werden. Durch die Möglichkeit des Zwischenelements 5 durch Abrollen an der Kolbenfläche 41 über seine Ausgleichsfläche 51 die Verschwenkbewegungen des Betätigungselements 2 relativ zur Kolbenachse 5 zu kompensieren, sorgt das Zwischenelement 5 dafür, dass die erste und die zweite Lauffläche 71, 72 stets ebenensymmetrisch zueinander oder vorzugsweise parallel zueinander bleiben. Auf diese Weise werden Verschwenkungen des Betätigungselements um einen Pendelwinkel α von bis zu ±8° möglich, ohne dass eine Verschwenkung der Laufflächen 71, 72 zueinander stattfindet.
Die 5 und 6 zeigen eine verdeutlichende Ansicht der Lage der Mittelebene D und eine bevorzugte Ausführungsform der ersten Lauffläche 71 und der zweiten Lauffläche 72, welche in diesem Beispiel gekrümmt ausgebildet sind. Insbesondere bei der in 6 gezeigten Ansicht wird deutlich, dass durch die gekrümmte Ausbildung der Laufflächen 71 und 72 ein Herausgleiten der Wälzkörper 6 aus dem zwischen den Laufflächen 71, 72 definierten Zwischenraum nicht möglich ist. Zusätzlich dazu, dass die Wälzkörper 6 in sämtlichen der Ausführungsformen der 1 bis 6 durch einen Käfig gehalten sein können, sorgt die in 5 und 6 dargestellte Ausführungsform für eine zusätzliche Stabilisierung der Wälzkörper 6 in ihrer optimalen Lage zur Kraftübertragung zwischen dem Betätigungselement 2 und dem Kolbenelement 4 (nicht gezeigt).
Bezugszeichenliste

2: Betätigungselement
21: Betätigungsfläche
4: Kolbenelement
41: Kolbenfläche
5: Zwischenelement
51: Ausgleichsfläche
52: Kraftübertragungsbereich
53: Kraftübertragungspunkt
6: Wälzkörper
71: erste Lauffläche
72: zweite Lauffläche
α: Pendelwinkel
A: Drehachsenabstand
B: Betätigungsachse
D: Mittelebene
K: Kolbenachse
L₅: Erstreckung des Zwischenelements
R: mittlerer Radius

Claims

Bremseinheit, insbesondere zum Einsatz in Nutzfahrzeugen, umfassend ein Betätigungselement (2) und ein Kolbenelement (4), wobei das Betätigungselement (2) längs einer Betätigungsachse (B) verlagerbar ist, wobei das Kolbenelement (4) längs einer Kolbenachse (K) verlagerbar und gegen Verlagerung quer zur Kolbenachse (K) gesichert ist, wobei die Betätigungsachse (B) und die Kolbenachse (K) im Wesentlichen quer zueinander stehen, wobei das Betätigungselement (2) eine Betätigungsfläche (21) aufweist und wobei das Kolbenelement (4) eine Kolbenfläche (41) aufweist, wobei zwischen der Betätigungsfläche (21) und der Kolbenfläche (41) eine Vielzahl von Wälzkörpern (6) zur Übertragung einer Stellkraft zwischen dem Betätigungselement (2) und dem Kolbenelement (4) angeordnet sind.
Bremseinheit nach Anspruch 1, wobei die Wälzkörper (6) auf einer ersten Lauffläche (71) und einer zweiten Lauffläche (72) abrollen, wobei die Laufflächen (71, 72) ebenensymmetrisch zueinander, bezogen auf eine Mittelebene (D) ausgebildet und angeordnet sind, wobei die Drehachsen der Wälzkörper (6) in der Mittelebene (D) liegen.
Bremseinheit nach Anspruch 2, wobei die erste Lauffläche (71) an einem Zwischenelement (5) ausgebildet ist, wobei die zweite Lauffläche (72) an einem der Elemente Betätigungselement (2) oder Kolbenelement (4) ausgebildet ist.
Bremseinheit nach Anspruch 3, wobei das Zwischenelement (5) auf seiner, der ersten Lauffläche (71) gegenüber liegenden Seite eine Ausgleichsfläche (51) aufweist, wobei die Ausgleichsfläche (51) zumindest bereichsweise gekrümmt ausgebildet ist.
Bremseinheit nach Anspruch 4, wobei das Zwischenelement (5) eine Erstreckung (L₅) quer zur Kolbenachse (K) aufweist, wobei die Ausgleichsfläche (51) einen mittleren Krümmungsradius (R) aufweist, wobei das Verhältnis der Erstreckung (L₅) zum mittleren Radius (R) im Bereich von 0,03 bis 0,3, vorzugsweise von 0,04 bis 0,25 und besonders bevorzugt bei ca.0,04 bis 0,09 liegt.
Bremseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Zwischenelement (5) an der Betätigungsfläche (21) oder an der Kolbenfläche (41) anliegt und derart ausgebildet ist, dass es eine Pendeloder Schwenkbewegung des Betätigungselements (2) relativ zur Kolbenachse (K) mit einem Pendelwinkel (α) von 1° bis 8°, vorzugsweise von 2° bis 6° und besonders bevorzugt von ca. 2° bis 4° ermöglicht.
Bremseinheit nach einem Ansprüche 3 bis 6, wobei die zwei am weitesten voneinander entfernten und mit beiden Laufflächen (71, 72) in Eingriff stehenden Wälzkörper (6) einen Drehachsenabstand (A) aufweisen, wobei das Zwischenelement (5) an seiner der ersten Lauffläche (71) gegenüberliegenden Seite einen Kraftübertragungsbereich (52) mit einem mittleren Kraftübertragungspunkt (53) aufweist, wobei ein zwischen dem Drehachsenabstand (A) und dem mittleren Kraftübertragungspunkt (53) aufgespanntes Dreieck spitzwinklig ist.
Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wälzkörper (6) ein Nadellager bilden, wobei vorzugsweise zumindest vier Wälzkörper, besonders bevorzugt ca. sieben bis fünfzehn Wälzkörper (6) vorgesehen sind.
Bremseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Laufflächen (71, 72) zur Führung von kugel- oder tonnenförmigen Wälzkörpern (6) gekrümmt ausgebildet sind.
Bremseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das Zwischenelement (5) gegen Verlagerung längs der Betätigungsachse (B) relativ zum Kolbenelement (4) oder relativ zum Betätigungselement (2) gesichert ist.