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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine elektromechanische Reibungsbremse mit Selbstverstärkung mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung ist
insbesondere für
eine Scheibenbremse und für
Kraftfahrzeuge einschließlich
Krafträdern
vorgesehen.
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Elektromechanische
Reibungsbremsen sind an sich bekannt. Sie weisen eine elektromechanische
Betätigungseinrichtung
und einen Reibbremsbelag auf, der zum Bremsen mit der Betätigungseinrichtung
an einen zu bremsenden Bremskörper drückbar ist.
Im Falle einer Scheibenbremse ist der Bremskörper eine Bremsscheibe. Die
elektromechanische Betätigungseinrichtung
weist üblicherweise einen
Elektromotor und ein Rotations/Translations-Umsetzungsgetriebe beispielsweise in
Form eines Spindeltriebs auf, das eine drehende Antriebsbewegung
des Elektromotors in eine translatorische Bewegung zum Andrücken des
Reibbremsbelags an den Bremskörper
wandelt. Vielfach ist dem Elektromotor und dem Rotations/Translations-Umsetzungsgetriebe
ein Untersetzungsgetriebe zwischengeschaltet. Ein Beispiel einer
derartigen Reibungsbremse offenbart die WO 96/03301. Anstelle eines Spindeltriebs
ist beispielsweise auch die Verwendung eines verdrehbaren Nockens
als Rotations/Translations-Umsetzungsgetriebe möglich, mit dem der Reibbremsbelag
an den Bremskörper
drückbar
ist.
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Auch
mechanische Selbstverstärkungseinrichtungen
an elektromechanischen Reibungsbremsen, insbesondere an Scheibenbremsen,
sind bekannt. Die Selbstverstärkungseinrichtungen
wandeln eine beim Bremsen vom drehenden Bremskörper auf den an ihn gedrückten Reibbremsbelag
ausgeübte Reibungskraft
in eine Andruckkraft, die den Reibbremsbelag zusätzlich zu einer von der Betätigungseinrichtung
ausgeübten
Andruckkraft an den Bremskörper
drückt.
Es wird nur ein Teil der zum Bremsen aufgewandten Andruckkraft von
der Betätigungseinrichtung
aufgebracht, die von der Betätigungseinrichtung
aufgebrachte Andruckkraft wird von der Selbstverstärkungseinrichtung
verstärkt.
Als mechanische Selbstverstärkungseinrichtungen
sind Keilmechanismen bekannt, die eine Keilfläche aufweisen, die schräg in einem
Winkel zum Bremskörper
verläuft. Beim
Bremsen stützt
sich der an den Bremskörper gedrückte Reibbremsbelag über die
Keilfläche
ab. Die vom drehenden Bremskörper
auf den Reibbremsbelag ausgeübte
Reibungskraft beaufschlagt den Bremskörper in Richtung eines enger
werdenden Keilspalts zwischen der Keilfläche und dem Bremskörper. Eine
Keilwirkung bewirkt eine Kraft auf den Reibbremsbelag mit einer
Kraftkomponente normal zum Bremskörper, die den Reibbremsbelag
zusätzlich
an den Bremskörper
drückt.
Ein Beispiel einer derartigen, einen Keilmechanismus aufweisenden
mechanischen Selbstverstärkungseinrichtung offenbart
die
EP 0 953 785 A2 ,
die als Vollbelagscheibenbremse ausgebildet ist und die eine Kreisringscheibe
als Belagträger
für Reibbremsbeläge aufweist.
Auf einer einer Bremsscheibe abgewandten Rückseite des Belagträgers sind
Keile angeordnet, die sich über
Walzen abstützen,
die drehbar gelagert und ortsfest in einem Bremssattel angeordnet
sind. Die Keilflächen
des Keilmechanismus können
wie bei der bekannten Vollbelagscheibenbremse am Reibbremsbelag
und/oder ortsfest beispielsweise in einem Bremssattel angeordnet
sein. Die Keilfläche muss
keine ebene Fläche
sein, sie kann in ihrem Verlauf unterschiedliche Winkel zum Bremskörper aufweisen.
Dadurch ändert
sich die Selbstverstärkung mit
einer Verschiebung des Reibbremsbelags entlang der Keilfläche. Es
lässt sich
beispielsweise durch einen großen
Keilwinkel zu Beginn der Verschiebung eine schnelle Zustellung des
Reibbremsbelags zu beginn einer Bremsung und damit eine schnelle Überwindung
eines Lüftspiels
zwischen dem Reibbremsbelag und der Bremsscheibe erreichen. Mit
zunehmender Verschiebung des Reibbremsbelags, d. h. mit zunehmender
Andruck- und Bremskraft, lässt
sich durch einen kleiner werdenden Keilwinkel eine größere Selbstverstärkung erreichen. Ein
solcher Keilmechanismus lässt
sich auch als Rampenmechanismus bezeichnen.
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Keilmechanismen
sind nicht die einzigen bekannten mechanischen Selbstverstärkungseinrichtungen.
Es sind beispielsweise auch Hebelmechanismen mit einem Stützhebel
bekannt, der den beim Bremsen an den Bremskörper gedrückten Reibbremsbelag in einem
Stützwinkel
schräg
zu einer Normalen des Bremskörpers
abstützt
und dadurch eine zusätzliche
Andruckkraft auf den Reibbremsbelag ausübt und die Selbstverstärkung bewirkt.
Der Stützhebel
kann auf Druck oder auf Zug beansprucht sein und er muss nicht zwingend
die Form eines stabförmigen
Elements aufweisen, sondern kann beispielsweise auch die Form eines
Rads (Zahnrads) haben. Der Stützwinkel
des Hebels des Hebelmechanismus entspricht dem Keilwinkel der Keilfläche des
Keilmechanismus, Hebel- und Keilmechanismus können als mechanische Äquivalente
angesehen werden.
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Erläuterung
und Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße elektromechanische Reibungsbremse
mit Selbstverstärkung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist einen Schnappmechanismus
auf, an dem der Reibbremsbelag in an den Bremskörper gedrücktem Zustand lösbar einschnappt.
Die erfindungsgemäße Reibungsbremse hat
den Vorteil, dass sie den Reibbremsbelag in eingeschnapptem Zustand
hält, wodurch
eine aufgebrachte Reibungs- und Bremskraft in strom- und energielosem
Zustand der Betätigungseinrichtung
aufrechterhalten wird. Die erfindungsgemäße Reibungsbremse ist dadurch
zu einer Betriebs- und Feststellbremse (Parkbremse) weitergebildet.
Die Reibungsbremse wird so ausgelegt, dass die Bremskraft in eingeschnapptem
Zustand des Reibbremsbelags ein abgestelltes Fahrzeug auf einer
schiefen Ebene gegen Wegrollen sicher hält. Zusätzlicher Vorteil der Erfindung
ist, dass die Verwirklichung der Feststellbremsfunktion abhängig von
der Bremsbauart keinen oder einen nur geringen Mehraufwand erfordert.
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Die
Unteransprüche
haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch
1 angegebenen Erfindung zum Gegenstand.
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Weist
die erfindungsgemäße Reibungsbremse
einen Keil- oder Rampenmechanismus als Selbstverstärkungseinrichtung
auf, sieht eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 vor, den Schnappmechanismus
in Form einer (oder mehrerer) Ansenkung in der Keilfläche auszubilden,
in die eine Abstützung
des Reibbremsbelags beim Verschieben des Reibbremsbelags entlang
der Keilfläche
bei einer Bremsbetätigung
gelangt und auf diese Weise die Schnappwirkung ausübt. Diese
Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass sich ihr Herstellungsaufwand
auf die Ausbildung einer oder mehrerer Ansenkungen in der Keilfläche beschränkt.
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Anspruch
4 sieht einen Keilmechanismus mit zwei Keilflächen vor, die einander entgegengesetzt schräg in einem
Keilwinkel zum Bremskörper
verlaufen. Dabei dient jede Keilfläche für eine Drehrichtung des Bremskörpers, die
Reibungsbremse weist in beiden Drehrichtungen des Bremskörpers eine
Selbstverstärkung
auf. Durch unterschiedliche Keilwinkel der beiden Keilflächen können unterschiedlich
große Selbstverstärkungen
für die
beiden Drehrichtungen des Bremskörpers
erzielt werden. Des Weiteren sieht Anspruch 4 eine Ansenkung als
Schnappmechanismus für
den Reibbremsbelag nur in einer der beiden Keilflächen vor.
Die Ansenkung wird beispielsweise in der Keilfläche vorgesehen, die beim Bremsen
bei Rückwärtsfahrt
wirksam ist. Die Keilfläche
für Vorwärtsfahrt
ist dadurch ununterbrochen in voller Länge bis zu einer maximalen
Bremskraft nutzbar. Da eine erforderliche Bremskraft für Rückwärtsfahrt üblicherweise
erheblich geringer ist kann die Ansenkung in der Keilfläche für Rückwärtsfahrt
so angeordnet werden, dass sie den Reibbremsbelag bei einer geringeren
als der maximalen Bremskraft für
Vorwärtsfahrt einschnappt.
Auch kann beispielsweise die Ansenkung an einer Reibungsbremse,
die für
eine Hinterachse eines Fahrzeugs vorgesehen ist, in der zum Bremsen
bei Vorwärtsfahrt
benutzten Keilfläche
vorgesehen sein, da Hinterachsbremsen üblicherweise nur einen Bruchteil
von etwa 1/3 bis 1/4 der Bremskraft von Vorderachsbremsen aufbringen.
In einer Reibungsbremse für
eine Vorderachse wird die Ansenkung wie vorstehend erläutert in
der zum Bremsen bei Rückwärtsfahrt
benutzten Keilflanke vorgesehen. Die erfindungsgemäße Reibungsbremse kann
an allen oder an einem Teil er Räder
eines Fahrzeugs vorgesehen werden.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Reibungsbremse in einer
Schnittdarstellung mit Blickrichtung radial auf eine gedachte Drehachse
einer Bremsscheibe. Die Figur ist als vereinfachte Schemadarstellung
zu verstehen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße Reibungsbremse ist als Scheibenbremse 10 ausgebildet.
Sie weist einen Bremssattel 12 auf, der als Schwimmsattel
ausgeführt
ist, d. h. er ist quer zu einer Bremsscheibe 14 verschieblich.
Die Bremsscheibe 14 befindet sich zwischen zwei Reibbremsbelägen 16, 18,
die im Bremssattel 12 angeordnet sind. Einer der beiden
Reibbremsbeläge 16 liegt
fest im Bremssattel 12 ein, der andere Reibbremsbelag 18 ist
beweglich im Bremssattel 12 aufgenommen. Zum Bremsen wird
der bewegliche Reibbremsbelag 18 gegen eine Seite der Bremsscheibe 14 gedrückt. Eine
Reaktionskraft bewegt in an sich bekannter Weise den als Schwimmsattel
ausgebildeten Bremssattel 12 quer zur Bremsscheibe 14,
wodurch der Bremssattel 12 den festen Reibbremsbelag 16 an
die andere Seite der Bremsscheibe 14 drückt, die Bremsscheibe 14 wird
von den beiden Reibbremsbelägen 16, 18 gebremst.
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Die
Reibungsbremse 10 weist eine mechanische Selbstverstärkungseinrichtung 20 mit
einem Doppelkeilmechanismus 22 auf. Der Doppelkeilmechanismus 22 weist
einen Doppelkeil 24 auf, der auf einer der Bremsscheibe 14 abgewandten
Rückseite des
beweglichen Reibbremsbelags 18 angeordnet ist. Der Doppelkeil 24 weist
zwei Keilflächen 26, 28 auf,
die schräg
in einem Keilwinkel α1, α2 zur Bremsscheibe 14 verlaufen.
Die Keilwinkel α1, α2 können gleich
groß oder
verschieden sein. Über
Rollen, die Wälzkörper 30 bilden,
stützt
sich der Doppelkeil 24 mit seinen Keilflächen 26, 28 an
Gegenkeilflächen 32, 34 des
Bremssattels 12 ab. Die Gegenkeilflächen 32, 34 verlaufen
parallel zu den Keilflächen 26, 28. Die
Keilflächen 26, 28 sind
einander entgegengesetzt schräg
orientiert.
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Zum
Bremsen wird der bewegliche Reibbremsbelag 18 parallel
zu einer der beiden Gegenkeilflächen 32, 34,
also schräg
im Keilwinkel α1, α2 auf die Bremsscheibe 14 zu verschoben.
Der bewegliche Reibbremsbelag 18 wird immer in Drehrichtung
der Bremsscheibe 14, bei Rückwärtsfahrt also in entgegengesetzter
Richtung wie bei Vorwärtsfahrt,
verschoben. Durch die Verschiebung schräg auf die Bremsscheibe 14 zu
gelangt der Reibbremsbelag 18 in Anlage an die Bremsscheibe 14.
Eine von der drehenden Bremsscheibe 14 auf den gegen sie
gedrückten
Reibbremsbelag 18 ausgeübte
Reibungskraft beaufschlagt den Reibbremsbelag 18 in Drehrichtung der
Bremsscheibe 14 und damit in Richtung eines enger werdenden
Keilspalts zwischen der jeweiligen Gegenkeilfläche 32, 34 und
der Bremsscheibe 14. Durch die Abstützung des Reibbremsbelags 18 mit seiner
Keilfläche 26, 28 über die
Wälzkörper 30 an der
Gegenkeilfläche 32, 34 wird
eine Keilkraft bewirkt, die eine Kraftkomponente auf den beweglichen Reibbremsbelag 18 quer
zur Bremsscheibe 14 aufweist. Diese Kraftkomponente ist
eine Andruckkraft, die den Reibbremsbelag 18 zusätzlich zu
einer von einer noch zu erläuternden
Betätigungseinrichtung auf
den Reibbremsbelag 18 ausgeübten Andruckkraft an die Bremsscheibe 14 drückt und
diese dadurch bremst. Die Selbstverstärkungseinrichtung 20 wandelt
also eine von der Bremsscheibe 14 auf den beim Bremsen
an sie gedrückten
Reibbremsbelag 18 ausgeübte
Reibungskraft in eine Andruckkraft, die den Reibbremsbelag 18 an
die Bremsscheibe 14 drückt.
Es wird nur ein Teil zum Bremsen erforderlichen Andruckkraft von
der noch zu erläuternden
Betätigungseinrichtung
aufgebracht, der übrige
Teil der Andruckkraft resultiert aus der Selbstverstärkungswirkung
der Selbstverstärkungseinrichtung 20.
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Die
Scheibenbremse 10 weist eine elektromechanische Betätigungseinrichtung 36 mit
einem Elektromotor 38, einem Zahnradgetriebe 40 und
einem Zahnstangengetriebe 42 auf, mit dem der bewegliche
Reibbremsbelag 18 zur Betätigung der Scheibenbremse 10 parallel
zu den Gegenkeilflächen 32, 34 verschiebbar
und damit an die Bremsscheibe 14 drückbar ist. Der Elektromotor 38 weist ein
Ritzel 44 auf einer Motorwelle 46 auf, das mit
einem großen
Zahnrad 48 kämmt.
Das Ritzel 44 und das große Zahnrad 48 befinden
sich in einer gedachten Ebene parallel zu einer gedachten Umfangsebene
der Bremsscheibe 14 außerhalb
eines Umfangs der Bremsscheibe 14. Das Ritzel 44 und
das große Zahnrad 48 befinden
sich somit außerhalb
einer Schnittebene der Zeichnung, das Ritzel 44 und das große Zahnrad 48 sind
deswegen mit Strichlinien angedeutet. Das große Zahnrad 48 ist
drehfest auf eine Welle 50 aufgesetzt, die drehbar im Bremssattel 12 gelagert
ist. Ebenfalls drehfest mit der Welle 50 und damit mit
dem großen
Zahnrad 48 ist ein kleines Zahnrad 52, das mit
einer Zahnstange 54 kämmt,
die zwischen den beiden Keilflächen 26, 28 auf
der der Bremsscheibe 14 abgewandten Rückseite des Doppelkeils 24 angebracht
ist. Die Zahnstange 54 ist in ihrer Mitte bogenförmig gekrümmt und
verläuft
in beiden Richtungen parallel zu jeweils einer der beiden Keilflächen 26, 28.
Dadurch kämmt
das kleine Zahnrad 52 wie konstruktiv vorgesehen mit der
Zahnstange 54 wenn es den Doppelkeil 24 mit dem
beweglichen Reibbremsbelag 18 parallel zu einer der beiden Gegenkeilflächen 32,
34 im Bremssattel 12 verschiebt.
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Das
Ritzel 44 und das Zahnrad 48 bilden das Zahnradgetriebe 40,
das kleine Zahnrad 52 und die Zahnstange 54 das
Zahnstangengetriebe 42 der Betätigungseinrichtung 36.
Die Motorwelle 46 und die Welle 50, auf die das
große
Zahnrad 48 und das kleine Zahnrad 52 drehfest
aufgesetzt sind, verlaufen parallel zueinander und parallel zu einer
von der Bremsscheibe 14 definierten Ebene. Gedachte Achsen
der beiden genannten Wellen 46, 50 verlaufen radial
zu einer gedachten Drehachse der Bremsscheibe 14.
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Eine
der beiden Gegenkeilflächen 34 ist
mit Ansenkungen 56 versehen, in die Wälzkörper 30 gelangen,
wenn der Doppelkeil 24 parallel zu der Gegenkeilfläche 34 verschoben
wird. Die Ansenkungen 56 sind so angeordnet, dass die Wälzkörper 30 in
die Ansenkungen 56 gelangen, wenn die beiden Reibbremsbeläge 16, 18 durch
Verschiebung des Doppelkeils 34 mit einer Andruckkraft
an die Bremsscheibe 14 gedrückt werden, die eine für eine Feststellbremsfunktion
(Parkbremse) ausreichende Bremskraft bewirkt. Die mit den Wälzkörpern 30 zusammenwirkenden
Ansenkungen 56 bilden einen Schnappmechanismus, an dem
der bewegliche Reibbremsbelag 18 in an die Bremsscheibe 14 gedrücktem Zustand
lösbar
einschnappt. Die dadurch bewirkte Bremskraft wird in strom- und
energielosem Zustand aufrechterhalten. Zum Lösen des Schnappmechanismus 30, 56 wird
der Doppelkeil 24 mit der Betätigungseinrichtung 36 zurück in seine
Grundstellung bewegt.
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Zum
Erhöhen
der Bremskraft über
die Feststellbremskraft hinaus kann der Doppelkeil 24 mit
der Betätigungseinrichtung 36 weiter
verschoben werden, so dass die Wälzkörper 30 die
Ansenkungen 56 in Richtung einer höheren Andruck- und Bremskraft überwinden,
falls dies erforderlich oder gewünscht ist.
Die Bremskraft bei Rückwärtsfahrt
ist durch die Ansenkungen 56 also nicht begrenzt. Diese
Möglichkeit
sollte allerdings auf bestimmte Fahrzeuge wie Baumaschienen, Traktoren,
Schienenfahrzeuge und dgl. beschränkt und nicht bei Strassenfahrzeugen wie
Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und Krafträdern eingesetzt werden. Grund
dafür ist,
dass sich bei Ausfall der Betätigungseinrichtung 36 die
Scheibenbremse 10 nur bis zur Feststellbremsstellung löst, die
Wälzkörper 30 schnappen
dann in die Ansenkungen 56 ein. Ein selbsttätiges vollständiges Lösen der
Bremse bei Ausfall ihrer Betätigungseinrichtung
ist für
Strassenfahrzeuge jedoch vorgeschrieben.
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Die
Ansenkungen 56 sind so angeordnet, dass eine zum Verschieben
des Doppelkeils 24 bis zum Einschnappen des Schnappmechanismus 30, 56 erforderliche
Betätigungskraft
nicht höher
als eine zum Bremsen in Vorwärtsfahrt
zum Aufbringen einer maximalen Bremskraft erforderliche Betätigungskraft ist.
Die Feststellbremskraft ist also geringer als die in Vorwärtsfahrt
mögliche
maximale Bremskraft. Diese konstruktive Auslegung ist möglich weil üblicherweise
die bei Rückwärtsfahrt
erforderliche Bremskraft niedriger als bei Vorwärtsfahrt ist.
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Seitenflanken 58 der
Ansenkungen 56 in Löserichtung
des Schnappmechanismus 30, 56 sind so steil ausgebildet,
dass bei einer Drehung der Bremsscheibe 14 in Vorwärtsfahrtrichtung
die Bremsscheibe 14 zwischen den an sie gedrückten Reibbremsbelägen 16, 18 dreht
bevor der Schnappmechanismus 30, 56 sich löst. Mit
anderen Worten die Feststellbremskraft ist niedriger als eine zum
Lösen des Schnappmechanismus 30, 56 erforderliche
Kraft. Dadurch wird für
den theoretischen Fall, dass die Bremsscheibe 14 bei eingeschnapptem
Schnappmechanismus 30, 56 gedreht wird, sich der
Schnappmechanismus 30, 56 nicht löst, sondern
die Bremsscheibe 14 mit einem Moment drehbar ist, das die
von den an sie gedrückten
Reibbremsbelägen 16, 18 ausgeübte Reibungskraft überwindet.
In der Praxis tritt dieser Fall nicht auf, die Feststellbremskraft
wird so hoch gewählt,
dass ein Wegrollen eines auf einer schiefen Ebene abgestellten Fahrzeugs
zuverlässig verhindert
wird. Die vorstehend erläuterte
Bedingung, dass der Schnappmechanismus 30, 56 nicht durch
Drehen der Bremsscheibe 14 in Löserichtung der Schnappeinrichtung 30, 56 gelöst werden
kann wird dadurch erreicht, dass die Flanke 58 der Ansenkungen 56 in
Löserichtung
an keiner Stelle spitzer als der Arcustangens des größtmöglichen
Reibwerts μmax zwischen dem beweglichen Reibbremsbelag 18 und der
Bremsscheibe 14 ist. Dabei ist zu bedenken, dass der Reibwert μ durch Nässe, Temperatur, Schmutz
etc. beeinflusst wird, der Auslegung muss deshalb den größtmöglichen
Reibwert μmax zugrunde liegen.