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Die Erfindung bezieht sich auf den Bremssattel einer Festsattelbremse, die eine elektromotorisch betätigbare Feststellbremse aufweist, wobei der Bremssattel zwei gegenüberliegende, an Bremsbeläge anlegbare und in Zylindern geführte Kolben aufweist, von denen der eine, nämlich der aktive Kolben, mittels einem elektromotorischen Antrieb über einen Antriebsstrang betätigbar ist, um gegen eine Bremsscheibe gedrückt zu werden.
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Bei einer Feststellbremsung soll ein stehendes Fahrzeug gegen ein unbeabsichtigtes Wegrollen gesichert werden. Eine dafür geeignete Bremse ist z. B. in der
US 9,353,811 B2 beschrieben. Der Bremssattel enthält mehrere Kolben, die elektromotorisch betätigbar sind und als Betriebsbremse fungieren. Gleichzeitig sind gegenüberliegende Kolben einer Feststellbremse vorgesehen, die von einem Elektromotor über ein Differentialgetriebe betätigt werden. Das Differentialgetriebe stellt sicher, dass beide Kolben gleichmäßig belastet an die Bremsscheibe angelegt werden. Da beide Kolben angetrieben werden, können sie als aktive Kolben bezeichnet werden.
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Eine solche Anordnung ist relativ aufwendig, da ein Differentialgetriebe benötigt wird, um beide Kolben antreiben zu können.
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Die Erfindung beruht somit auf der Aufgabe, ein weniger aufwendiges System zur elektromotorischen Betätigung der Feststellbremse in einer Festsattelbremse zu realisieren.
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Zur Lösung des Problems sieht die Erfindung vor, dass der andere, nämlich der passive Kolben, über eine einseitig selbsthemmende Abstützeinrichtung am Bremssattel abgestützt ist und selbsttätig nachstellbar ist.
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Bei einer solchen Lösung des Problems kann bei einer Feststellbremsung auf einen elektromotorischen Antrieb für einen der Kolben, nämlich den passiven Kolben, verzichtet werden, was die Anordnung wesentlich vereinfacht. Dazu ist aber die Abstützeinrichtung für den passiven Kolben einseitig selbsthemmend ausgelegt: Die einseitige Selbsthemmung hat zur Folge, dass bei einer Belastung der Bremsscheibe durch den aktiven Kolben während einer Feststellbremsung der passive Kolben lediglich als Widerlager dient, weil die Abstützeinrichtung durch die Selbsthemmung blockiert ist.
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Die Nachstellung des passiven Kolbens kann, wie weiter unten ausgeführt wird, z. B. durch eine hydraulische Betätigung des passiven Kolbens erfolgen, wobei die Selbsthemmung der Abstützeinrichtung aufgehoben ist.
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Im einfachsten Fall wird die selbsthemmende Abstützeinrichtung durch eine Spindelstange und eine darauf aufgeschraubte Spindelmutter realisiert, wobei die beiden Flanken der Gewindestege sowohl der Spindelstange als auch der Spindelmutter unterschiedliche Flankenwinkel aufweisen.
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Ob eine Spindel, bestehend aus einer Spindelstange und einer darauf aufgeschraubten Spindelmutter, selbsthemmend ist oder nicht, hängt von der Gewindesteigung und den Reibverhältnissen zwischen den Flanken der Gewindestege von Spindelmutter und Gewindestange ab. Selbsthemmung ist gegeben, wenn der Steigungswinkel kleiner ist als der wirksame Winkel des Reibkegels.
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Aber auch die Steilheit der Flanken spielt eine - wenn auch untergeordnete - Rolle, die bei dieser Erfindung aber ausgenutzt wird.
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Bei steilen Flanken, die also nahezu senkrecht von der Spindelachse abstehen, kommt es auf das oben erwähnte Verhältnis von Steigungswinkel zu Reibwinkel an. Daher wird für den Flankenwinkel für die eine Drehrichtung ein Wertebereich gewählt, wie er für Bewegungsgewinde (z. B. Trapezgewinde, etc.) vorgesehen wird. Somit ist in dieser Drehrichtung keine Selbsthemmung gegeben.
In der entgegengesetzten Drehrichtung werden sehr große Flankenwinkel gewählt. Durch diese hohen Flankenwinkel kommt es in dieser Richtung zur Selbsthemmung, da die Kraftübertragung von der Spindelmutter auf die Spindelstange immer senkrecht zu den Berührflächen steht und diese Kraft sich mit steigendem Flankenwinkel (Richtung Morsekegelwinkel), bei gleicher zu übertragender Axialkraft erhöhen.
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Wählt man daher in geeigneter Weise unterschiedliche Flankenwinkel für die beiden Flanken der Gewindestege sowohl der Spindelstange als auch der Spindelmutter, kann erreicht werden, dass die Spindel in der einen Lastrichtung selbsthemmend ist und in der anderen Lastrichtung als Laufspindel fungiert.
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Um eine solche Spindel kompakt im passiven Kolben unterzubringen, ist vorgesehen, dass die Spindelmutter sich an der Rückseite des passiven Kolbens abstützt und die Spindelstange im Boden des zugehörigen Zylinders drehfest gelagert ist, und dass die dem passiven Kolben zugewandte Stützflanke der Spindelstange und die gegenüberliegende Stützflanke der Spindelmutter flacher sind als die jeweils auf den anderen Seiten der Gewindestege liegenden Laufflanken von Spindelstange und Spindelmutter.
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Wenn der passive Kolben als Widerlager dient, liegen jeweils die Stützflanken von Spindelmutter und Spindelstange aufeinander und bewirken eine Selbsthemmung der Spindel, so dass der passive Kolben nicht in den Zylinder hineingedrückt werden kann. Umgekehrt muss bei einer Nachstellung die Spindelmutter nachgeführt werden. Daher liegen jeweils die Laufflanken aufeinander, die wegen ihrer steilen Flanke keine Selbsthemmung hervorrufen, so dass ein Nachführen der Spindelmutter und damit des passiven Kolbens zum Ausgleich der Verschleißes von Bremsscheibe und Bremsbelägen ermöglicht wird.
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Vorzugsweise liegt die Spindelmutter reibschlüssig an der Rückseite des passiven Kolbens an, was die nachlaufende Drehbewegung der Spindelmutter auf der Spindelstange unterbricht, sobald sie wieder an der Rückseite des Kolbens anliegt.
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Dazu weist die Spindelmutter an einem Kragen eine positive Konusfläche auf, die reibschlüssig an einer negativen Konusfläche an der Rückseite des passiven Kolbens anliegt.
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Der Kragen ist an einem gefederten Axiallager abgestützt, so dass die Spindelmutter nachgestellt wird, wenn sie von der Konusfläche abgehoben ist. Die Spindelmutter wird von dem gefederten Axiallager in Richtung auf die Konusfläche des Kolbens gedrückt, wobei sie sich, da in diese Richtung die Spindel als Bewegungsgewinde (Laufspindel) fungiert, auf der Spindelstange dreht, bis sie wieder an der Konusfläche anliegt.
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Typischerweise ist der Kolben mittels eines elastischen Dichtringes im Zylinder geführt. Dieser hat die Aufgabe, einerseits den Zylinderraum abzudichten und andererseits die in Folge einer Bremsung erfolgte Verschiebung des Kolbens nach Beendigung der Bremsung wieder auszugleichen, also diesen in seine Ursprungsposition zu stellen. Der zuvor erwähnten Nachstellfeder zwischen dem Kragen und dem Kolben kommt dabei die Aufgabe zu, auch die Spindelmutter in ihre Ursprungsposition in Anlage an den Kolben zu halten.
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Weiterhin ist der vom passiven Kolben im Zylinder begrenzte Druckraum mit einem hydraulischen Druck beaufschlagbar.
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Dies hat die folgende Bewandtnis: Bei einer Feststellbremsung tritt kein Verschleiß auf, da die Bremsscheibe sich nicht zwischen den Bremsbelägen dreht. Der passive Kolben wird daher im Wesentlichen in seiner Position verbleiben. Soweit er ein wenig in den Zylinder gedrückt wird, wird dies nach Beendigung der Feststellbremsung durch den sich entspannenden Dichtring wieder ausgeglichen.
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Die Bremsscheiben und die Bremsbeläge werden aber auch für eine Betriebsbremse benötigt. Dabei tritt ein abriebbedingter Verschleiß auf, da die Bremsscheibe sich während einer Betriebsbremsung zwischen den Bremsbelägen dreht. Insbesondere die Bremsbeläge werden dadurch dünner: Damit ein ursprüngliches Lüftspiel zwischen Bremsscheibe und Bremsbelägen wieder hergestellt wird, muss der passive Kolben nachgestellt werden. Dies geschieht dadurch, dass der von ihm begrenzte Druckraum während einer Betriebsbremsung ebenfalls von Druck beaufschlagt wird, so dass der passive Kolben gegen den Bremsbelag gelegt wird. Wegen des zusätzlichen, vom Verschleiß des Belags herrührenden Weges kann die Spindelmutter dem Kolben nicht mehr folgen, da sie zuerst an der Spindel anliegt. Die Folge ist ein Spalt an der Konusfläche zwischen Spindelmutter und Kolben. Dieser Spalt wird geschlossen, in dem die Spindelmutter durch das gefederte Axiallager zur Drehung auf der Bewegungsgewindeseite der Spindel gezwungen wird, bis der Spalt geschlossen ist und die Spindelmutter wieder an der Konusfläche zum Kolben anliegt. Die Rückstellung zur Herstellung eines Lüftspiels erfolgt wiederum über den elastischen Dichtring.
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Das Lüftspiel am passiven Kolben wird über das Flankenspiel zwischen Spindelmutter und Spindel sichergestellt.
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Vorzugsweise wird der aktive Kolben mittels eines Elektromotors über eine Spindel angetrieben.
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Der Elektromotor zum Antrieb der Spindel befindet sich seitlich eines Zylinders am Bremssattel zur Aufnahme des aktiven Kolbens, wobei der Elektromotor über ein mehrstufiges Getriebe mit der Spindel im aktiven Kolben gekoppelt ist.
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Da der passive Kolben immer ein Lüftspiel zur Scheibe hat, ist dieses Lüftspiel vom aktiven Kolben zu überdrücken, damit beide Beläge im Parkbremsbetrieb eine Haltekraft zum Halten des Fahrzeugs bereitstellen können. Die Scheibe und/oder der Sattel lenken dazu im elastischen Bereich aus.
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Im Folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert. Dazu zeigt die
- 1 eine teilgeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Bremssattels mit einem aktiven und einem passiven Kolben, und
- 2 einen Schnitt durch eine Spindel für den passiven Kolben.
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In der 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Festsattelbremse 1 gezeigt. Diese besteht aus einem Rahmen 2, der einen Schacht 3 zur Aufnahme von Bremsbelägen 4, 5 umschließt. Über den Schacht 3 sind zwei Brücken 6, 7 geführt, die den Rahmen stabilisieren. In den Längsseiten des Rahmens 2 sind auf jeder Seite je ein Zylinder 8, 9 angeordnet. In den Zylindern 8, 9 sind Kolben 10, 11 geführt, die an die Rückseite der Bremsbeläge 4, 5 anlegbar sind, um diese gegen eine Bremsscheibe 12 zu drücken, die zwischen den Bremsbelägen 4, 5 läuft.
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Der in der Figur rechts dargestellte Kolben 11 wird über eine konventionelle Spindel 13 von einem Elektromotor 14 angetrieben, der neben dem Zylinder 9 dieses Kolbens angeordnet ist und der über ein Getriebe mit der Spindelstange dieser Spindel 13 verbunden ist.
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Da dieser Kolben 11 bei einer Feststellbremsung betätigt wird, soll er als aktiver Kolben 11 bezeichnet werden.
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Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich der als passiv bezeichnete Kolben 10, der bei einer Feststellbremsung nicht von einer externen Betätigung, sei es elektromotorisch oder hydraulisch, betätigt wird, sondern lediglich als Widerlager zu den Kräften, die vom aktiven Kolben 11 auf die Bremsscheibe 12 ausgeübt wird, dient.
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Der passive Kolben 10 ist als Topf ausgeführt, der in dem Zylinder 8 mittels eines Dichtringes 15 gelagert ist, so dass sich hinter dem Kolben ein Druckraum ausbildet. In dem Topf befindet sich eine Spindel 16, bestehend aus einer Spindelstange 17 und einer Spindelmutter 18, wobei die Spindelstange einen Kopf 19 aufweist, der in einem Stopfen 20 im Boden des Zylinders 8 verdrehgesichert gehalten ist.
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Die Spindelmutter 18 ist auf die Spindelstange 17 aufgeschraubt und besitzt einen radial nach außen abstehenden Kragen 21 mit einer positiven Konusfläche an ihrem Rand, die an eine entsprechende negative Konusfläche an der Rückseite, das ist die in den Zylinder weisende Seite des passiven Kolbens 10, angelegt ist.
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Auf die Rückseite des Kragens 21 wirkt eine Nachstellfeder 22 ein, die an einem Sprengring abstützt, der hinter dem Kragen 21 in die innere Mantelfläche der Kolbenwand eingelassen ist. Dadurch wird die Spindelmutter 18 in steter Anlage an die Rückseite des Kolbens 11 gehalten.
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Aus der 2 geht der spezifische Aufbau der Spindel 16 des passiven Kolbens 10 hervor. Die Gewindestege 23 von der Spindelstange 17 und der Spindelmutter 18 besitzen jeweils eine Stützflanke und eine Laufflanke. Die Stützflanke 24 der Spindelstange 17 ist zur Vorderseite des passiven Kolbens 10 gerichtet und die Laufflanke 25 von ihr abgewendet. Bei der Spindelmutter ist dies gerade umgekehrt, so dass die Stützflanken 24 von der Spindelstange 17 und der Spindelmutter 18 und ihre Laufflanken 25 von den Spindelstangen und der Spindelmutter jeweils aufeinander liegen und je nach Belastungsrichtung der Spindelmutter 18 druckbelastet sind.
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Wie der 2 zu entnehmen ist, sind die Laufflanken 25 relativ steil ausgeführt, d. h. der Winkel zu einer Senkrechten auf die Spindelachse ist relativ klein und liegt bei wenigen Grad.
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Der entsprechende Winkel der Stützflanken 24 ist deutlich größer. Die Stützflanken 24 sind somit flacher zur Spindelachse als die Laufflanken 25.
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Dadurch, dass die Stützflanken relativ flach zur Spindelachse ausgerichtet sind, bewirken sie eine Selbsthemmung, bezogen natürlich auf die gewählte Gewindesteigung und den Reibparametern des verwendeten Materials. Wenn die Spindel 16 vom passiven Kolben 10 während einer Feststellbremsung belastet wird, wirkt die Spindel selbsthemmend, so dass der passive Kolben 10 nicht in den Zylinder 8 verschoben wird und damit als Widerlager für den aktiven Kolben 11 dient. Umgekehrt kann aber bei einer Nachstellung des passiven Kolbens 10 die Spindelmutter diesem folgen, weil sie sich dann in Laufrichtung bewegt, wobei die steilen Laufflanken aufeinander liegen.
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Eine Nachstellung ist insbesondere nach einer Betriebsbremsung dann notwendig, da während der Bremsung ein Abrieb insbesondere an den Bremsbelägen erfolgt ist. Um dies zu bewerkstelligen, ist der Druckraum hinter dem passiven Kolben 10 an ein hydraulisches Bremssystem angeschlossen, so dass bei einer Betriebsbremsung im Druckraum ein hydraulischer Druck aufgebaut wird, der den Kolben gegen die Bremsscheibe verschiebt, wobei die nachlaufende Spindelmutter 18 in Anlage an der Rückseite des Kolbens 11 verbleibt. Nach einer Betriebsbremsung wird der Kolben wieder mit einem geringen Lüftspiel zurückgestellt, so dass er bei einer Feststellbremsung wieder als Widerlager dienen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festsattelbremse
- 2
- Rahmen
- 3
- Schacht
- 4
- Bremsbelag
- 5
- Bremsbelag
- 6
- Brücke
- 7
- Brücke
- 8
- Zylinder
- 9
- Zylinder
- 10
- Kolben
- 11
- Kolben
- 12
- Bremsscheibe
- 13
- Spindel
- 14
- Elektromotor
- 15
- Dichtring
- 16
- Spindel
- 17
- Spindelstange
- 18
- Spindelmutter
- 19
- Kopf
- 20
- Stopfen
- 21
- Kragen
- 22
- Nachstellfeder
- 23
- Gewindestege
- 24
- Stützflanke
- 25
- Laufflanke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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