DE19819564C2

DE19819564C2 - Elektromechanische Bremse mit Selbstverstärkung

Info

Publication number: DE19819564C2
Application number: DE19819564A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dietrich; Bernd Gombert; Markus Grebenstein
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2018-05-01
Also published as: DE59904687D1; JP3902874B2; DE19819564A1; US6318513B1; JPH11315865A; EP0953785B1; EP0953785A2; EP0953785A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Bremse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektromechanische Bremsen an sich sind bekannt. Die DE 195 43 098 C2 beschreibt eine als Scheibenbremse ausgebildete, elek trisch betätigbare Fahrzeugbremse, deren Bremsbeläge mit Hilfe eines Elektromotors gegen die Bremsscheibe gepreßt werden können. Der Elektromotor überträgt seine Betätigungskraft über eine sogenannte Planeten-Wälz-Gewindespindel auf einen axial verschiebbar gelagerten Kolben, der mit dem Bremsbelag zusam menwirkt.

Aus der WO 96/03301 A1 ist eine weitere, ebenfalls als Scheiben bremse ausgebildete, elektrisch betätigbare Fahrzeugbremse bekannt, deren Bremsbeläge wiederum mittels eines als Aktuator dienenden Elektromotors an die Bremsscheibe andrückbar sind. Der Elektromotor umschließt ein Spindelgetriebe und ist in Verschieberichtung der Bremsbeläge mittels eines Spindelelemen tes, das von unterschiedlicher Ausführung sein kann, mit einem auf einen Bremsbelag einwirkenden, axial verschiebbaren Kolben verbunden. Optional ist in der dieser Druckschrift die Verwen dung eines zusätzlichen Getriebes zur Drehmoment- und Drehzahl wandlung vorgesehen. Eine weitere elektrisch betätigbare Scheibenbremse ist aus der DE 196 29 936 C1 bekannt.

Aus der DE 38 10 012 A1, der DE 33 04 431 A1 und der GB 2 034 834 A sind selbstverstärkende elektrisch betätigbare Scheiben bremsen bekannt, bei denen aus der Aktuatorkraft nicht auf die erzeugte Reibkraft zurückgeschlossen werden kann. Keine der in diesen Dokumenten beschriebenen Bremsen weist eine Reibkraftre geleinrichtung auf.

Die DE 195 39 012 A1 offenbart eine mechanisch betätigte Fahr zeugtrommelbremse mit Selbstverstärkung, bei der sich das Maß der Selbstverstärkung mit zunehmender Abnutzung der Reibbeläge verändert. Zur Regelung des Maßes der Selbstverstärkung ist ein elektrischer Stellmotor vorgesehen, der den Abstützpunkt jedes Bremsbackens verstellen kann.

Ein Hauptproblem herkömmlicher Bremsen mit einem elektrischen Aktuator liegt in der hohen Aktuatorkraft, die zum Erzielen einer ausreichenden Bremswirkung aufgebracht werden muß. Die erforderliche, hohe Aktuatorkraft und der daraus resultierende, hohe Leistungsbedarf des Aktuators bringt es mit sich, daß als Antriebsquelle sehr große, drehmomentstarke und damit auch schwere und teure Antriebseinheiten, die üblicherweise Elektro motoren sind, eingesetzt werden müssen. Dies hat dazu geführt, daß elektromechanische Bremsen beispielsweise als Fahrzeugbrem sen bisher keine Verbreitung gefunden haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromechani sche Bremse bereitzustellen, deren elektrischer Aktuator eine gegenüber herkömmlichen Bremsen dieser Bauart erheblich gerin gere Betätigungskraft aufbringen muß, so daß die erfindungsge mäße Bremse beispielsweise für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen oder auch in Schienenfahrzeugen geeignet ist. Die erfindungsge mäße Bremse soll darüber hinaus ein sehr gutes Regelverhalten aufweisen, wobei in diesem Zusammenhang insbesondere eine hohe Dynamik wichtig ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer elektromechanischen Bremse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum Verglei chen eines Sollwertes der Reibkraft mit dem Istwert der Reib kraft vorhanden ist, die bei einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert den elektrischen Aktuator zum entsprechenden Erhöhen oder Verringern der erzeugten Betätigungskraft ansteuert und so den Istwert dem Sollwert der Reibkraft angleicht.

Durch die erfindungsgemäß eingesetzte Selbstverstärkungsanord nung, die die vom elektrischen Aktuator erzeugte Betätigungs kraft ohne eine Einleitung von Hilfskräften auf rein mechanischem Wege verstärkt, ist der Anteil der Aktuatorkraft, der zum Hervorrufen einer gewünschten Reibkraft erforderlich ist und der bei herkömmlichen elektromechanischen Bremsen 100% beträgt, drastisch verringert. Der größte Teil der erforderli chen Kraft wird erfindungsgemäß von der Selbstverstärkungsan ordnung aufgebracht, so daß es beispielsweise ohne weiteres möglich ist, die vom Aktuator zu erzeugende Betätigungskraft im Normalbetrieb der Bremse auf etwa 2% des bisher üblichen Wertes zu drücken. Im selben Maße sinkt der Energiebedarf einer erfindungsgemäßen Bremse. Es können somit deutlich kleinere und damit leichtere und auch billigere Elektromotoren als Aktuator eingesetzt werden, die zudem den Vorteil einer gesteigerten Dynamik aufweisen.

Sogenannte selbstverstärkende Bremsen sind von früher her insbesondere aus dem Bereich der Trommelbremsen für Kraftfahr zeuge bekannt. Selbstverstärkende Bremsen haben allerdings den Nachteil, daß ihr Reibwert mit zunehmender Aktuatorkraft über proportional zunimmt. Da bei herkömmlichen hydraulischen Brems systemen die Verteilung der Bremskraft an den einzelnen Radbremszylindern durch den Druck in den Bremsleitungen und die Fläche der Hydraulikkolben festgelegt ist, führen die in der Realität vorhandenen unterschiedlichen Reibwerte zwischen den Reibbelägen der Bremse und der abzubremsenden Bremsscheibe oder Bremstrommel beim Einsatz selbstverstärkender Bremsen zwangs läufig zu stark unterschiedlichen Bremskräften an den einzelnen Rädern eines Fahrzeugs. Der Fahrzeugführer bemerkt dies durch ein beim Bremsen schief ziehendes, d. h. seine Fahrtrichtung ungewollt veränderndes Fahrzeug. Insbesondere auf rutschiger Fahrbahnoberfläche kann dies dazu führen, daß das betreffende Fahrzeug ins Schleudern gerät. Selbstverstärkende Bremsen werden wegen dieser mit ihnen verbundenen Nachteile deshalb schon seit längerer Zeit im Kraftfahrzeugbereich als Betriebs bremse nicht mehr eingesetzt.

Die vorliegende Erfindung überwindet das im Laufe der Zeit herausgebildete Vorurteil der Fachwelt und macht sich den Umstand zunutze, daß bei elektromechanischen Bremsen aufgrund ihres mehrgliedrigen, relativ komplexen Antriebsstranges, der einen Motor und nachgeschaltete Übertragungselemente ein schließlich der zugehörigen Lager sowie eventuell zusätzlich ein Getriebe umfaßt, im allgemeinen eine Sensorik zur Kraft- bzw. Momentenmessung und/oder zur Positionsmessung vorhanden ist, um eine gewünschte Bremskraftverteilung zu erreichen. Diese bereits vorhandene Sensorik kann erfindungsgemäß ohne Änderungen dazu verwendet werden, den bereits genannten Soll-/Istwertvergleich bezüglich der Reibkraft durchzuführen, um bei einer entsprechenden Differenz, die beispielsweise von einem mit der Sensorik gekoppelten elektronischen Steuergerät erkannt wird, den elektrischen Aktuator im Sinne einer Anglei chung des Istwertes an den Sollwert der Reibkraft anzusteuern. Die Ermittlung des Istwertes der Reibkraft kann dabei in be kannter Weise durch direkte oder indirekte Messung erfolgen.

Die erfindungsgemäße elektromechanische Bremse ermöglicht es aufgrund ihres gegenüber herkömmlichen elektromechanischen Bremsen deutlich verbesserten dynamischen Verhaltens, das aus den erheblich niedrigeren aufzubringenden Aktuatorkräften resultiert, den Vorteil einer Selbstverstärkungsanordnung ohne den bisher damit verbundenen Nachteil zu nutzen, indem Reib wertschwankungen zwischen einem Reibglied und dem abzubremsen den Bauteil der Bremse so schnell ausgeregelt werden, daß sie beispielsweise das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges nicht nachteilig beeinflussen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bremse weist die Selbstverstärkungsanordnung wenigstens einen Keil mit einem Steigungswinkel α auf, der sich gleitend oder rollend an einem zugehörigen Widerlager abstützt. Gemäß einer Ausführungs form wird der Steigungswinkel α derart festgelegt, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsan ordnung eingeleitete Eingangskraft unabhängig von einem sich ändernden Reibwert zwischen dem Reibglied und dem abzubremsen den Bauteil bezogen auf die üblicherweise vorherrschende Dreh richtung des abzubremsenden Bauteiles stets positiv ist. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem Druckkeil, denn das Maß der Selbstverstärkung ist durch die Wahl des Steigungs winkels α nur so groß bemessen, daß unabhängig von einem ich ändernden Reibwert µ in allen Betriebszuständen der Bremse eine Druckkraft auf den Keil ausgeübt werden muß, um die gewünschte Reibkraft zu erzielen. Die Druckkraft wird dabei von dem elek trischen Aktuator aufgebracht. Beim Einsatz einer solchen Druckkeilanordnung kann der Energiebedarf einer erfindungsgemä ßen elektromechanischen Bremse je nach Ausführung, d. h. je nach Wahl des Steigungswinkels α, im Normalbetrieb auf bis zu 2% und im Fadingbetrieb auf etwa 17% des Energiebedarfes einer herkömmlichen elektromechanischen Bremse ohne Selbstverstär kungsanordnung gesenkt werden.

Mit Fadingbetrieb ist hier derjenige Zustand gemeint, in den eine Bremse gerät, wenn es bei extrem starker Bremskraft durch temperaturbedingte Ausgasungen der Bremsbeläge zu einem Absin ken des Reibwertes kommt. Das sogenannte Bremsfading tritt bei Kraftfahrzeugbremsen insbesondere nach mehrmaligem aufeinander folgenden Abbremsen aus hoher Geschwindigkeit oder bei längeren Paßabfahrten im Gebirge auf.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremse ist der Steigungswinkel α derart gewählt, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsan ordnung eingeleitete Eingangskraft unabhängig von einem sich ändernden Reibwert zwischen dem Reibglied und dem abzubremsen den Bauteil, wiederum bezogen auf die üblicherweise vorherr schende Drehrichtung des abzubremsenden Bauteiles, stets negativ ist, wobei bei dieser Ausführungsform der gesamte Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Aktuator und der Selbstverstärkungsanordnung in Richtung der negativen Eingangs kraft vorgespannt ist. Im Gegensatz zur soeben erläuterten Druckkeilanordnung spricht man bei einer stets negativen Ein gangskraft von einer Zugkeilanordnung, d. h. es muß auf den Keil in jedem Betriebszustand der Bremse eine Zugkraft ausgeübt werden. Erreicht wird dies durch eine entsprechende Wahl des Steigungswinkels α, der gegenüber einer Druckkeilanordnung kleiner ist. Der Vorteil einer Zugkeilanordnung liegt in einer verbesserten Regelbarkeit der Bremse im Normalbetrieb, da die Bremse sich in diesem Zustand durch den geringeren Verstär kungsfaktor stabiler verhält. Erkauft wird dieser Vorteil allerdings durch einen im Verhältnis zur Druckkeilanordnung relativ hohen Energiebedarf im Normalbetrieb.

Im Fadingbetrieb sinkt bei einer Zugkeilanordnung aufgrund des durch den absinkenden Reibwert µ ansteigenden Verstärkungsfak tors die aufzubringende Zugkraft stark ab und es wird in diesem Zustand somit nur sehr wenig Aktuatorkraft benötigt, um die erforderliche Reibkraft zu erzeugen.

Sowohl die Druckkeilanordnung als auch die Zugkeilanordnung haben den Vorteil, daß im gesamten Betriebsbereich der Bremse ein Lastwechsel im Antriebsstrang ausgeschlossen ist. Bei der Zugkeilanordnung ist es zur Vermeidung jeglichen Lastwechsels im Antriebsstrang jedoch zusätzlich notwendig, den Antriebs strang wie angegeben vorzuspannen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bremse ist das abzubremsende Bauteil eine Bremsscheibe und die Selbstverstärkungsanordnung weist einen Trägerring auf, der parallel und koaxial mit Abstand zur Bremsscheibe angeordnet ist. Dieser Trägerring ist auf seiner von der Bremsscheibe abgewandten Seite mit einer Reihe von Keilen versehen, die jeder eine erste Fläche mit einem Steigungswinkel α zum Ab stützen an je einem drehbar gelagerten Bolzen definieren.

Gemäß einer Weiterbildung dieser Bremse sind alle Bolzen in einem koaxial zum Trägerring angeordneten, ringförmigen Bolzen träger gelagert, wobei die Drehachsen aller Bolzen rechtwinklig zur Drehachse der Bremsscheibe ausgerichtet sind und wobei der Trägerring und der Bolzenträger relativ zueinander um die Drehachse der Bremsscheibe verdrehbar sind. Durch Verdrehen des Bolzenträgers und des Trägerringes relativ zueinander laufen Keile und Bolzen aneinander auf, so daß der axiale Abstand zwischen dem Trägerring und dem Bolzenträger sich in Abhängig keit der vorgenommenen Relativverdrehung und des Steigungswin kels α vergrößert.

In vorteilhafter Weise ist der genannte Trägerring an seinem Innenumfang durch eine Verzahnung als Hohlrad ausgebildet. Die Verbindung zwischen dem elektrischen Aktuator und diesem Hohl rad wird dann bevorzugt durch ein in Eingriff mit der genannten Verzahnung stehendes Abtriebsritzel hergestellt, das von dem elektrischen Aktuator antreibbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform einer solchen, als Schei benbremse ausgebildeten erfindungsgemäßen Bremse ist der ring förmige Bolzenträger drehfest angeordnet und der als Hohlrad ausgebildete Trägerring läßt sich mittels des elektrischen Aktuators gegenüber dem Bolzenträger um die Drehachse der Bremsscheibe verdrehen. Alternativ kann aber auch der Träger ring drehfest und der Bolzenträger verdrehbar ausgebildet sein.

Bei einer einen Trägerring umfassenden erfindungsgemäßen Bremse sind auf der der Bremsscheibe zugewandten Seite des Trägerrings vorzugsweise mehrere Reibglieder angeordnet, die mittels der auf der anderen Seite des Trägerrings vorhandenen Keile axial gegen die Bremsscheibe gepreßt werden können. Aus thermischen Gründen sind mehrere, in Umfangsrichtung des Trägerrings mit Abstand voneinander angeordnete Reibglieder zwar bevorzugt, es ist jedoch auch möglich, ein einziges durchgehendes, ringförmi ges Reibglied auf dem Trägerring anzuordnen, falls eine größere Reibbelagfläche benötigt wird. Die Reibglieder können entweder unmittelbar mit dem Trägerring verbunden sein, beispielsweise durch Aufkleben, sie können jedoch auch auf separaten Träger platten befestigt sein, die dann vorzugsweise leicht auswech selbar an dem Trägerring anbringbar sind.

Die Höhe jedes auf dem Trägerring vorhandenen Keiles in einer Richtung senkrecht zum Trägerring entspricht mit Vorteil zumin dest dem gewünschten Zustellhub der Scheibenbremse, d. h. minde stens dem maximal zulässigen Verschleiß der Reibglieder zuzüglich eines Verformungsweges, der an den die Reibglieder tragenden Bremsenbauteilen bei maximaler Beanspruchung auftre ten kann. Der Zustellhub kann dann ausschließlich durch die Keilanordnung aufgebracht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bremse mit einem Trägerring ist in Umfangsrichtung desselben jeder Keil unmittelbar anschließend an den vorhergehenden Keil angeordnet. Auf diese Weise sind Leerwege minimiert und es eröffnet sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, an jedem Keil eine zweite Fläche zum Abstützen an je einem der drehbar gelagerten Bolzen vorzusehen, die entgegengesetzt zur ersten Fläche geneigt ist und einen Steigungswinkel β aufweist, der vorzugsweise größer als der Steigungswinkel α ist. Während bei einer solchen Anordnung die Flächen mit dem Steigungswinkel α beim Abbremsen eines sich in Vorwärtsrichtung bewegenden Fahr zeuges benutzt werden, sind die unter dem Steigungswinkel β geneigten zweiten Flächen zum Abbremsen des Fahrzeuges bei Rückwärtsfahrt gedacht. Ein gegenüber dem Steigungswinkel α größerer Steigungswinkel β verkürzt in platzsparender Weise die Baulänge jedes Keiles und ist bei Rückwärtsfahrt nicht von Nachteil, da die hier benötigte Bremskraft in aller Regel deutlich unterhalb der für Bremsungen in Vorwärtsfahrt benötig ten Bremskraft liegt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Bremse ist der elektrische Aktuator ein Elektromotor, es sind jedoch auch andere Antriebseinheiten möglich.

Ein Ausführungsbeispiel einer als Scheibenbremse ausgestalteten erfindungsgemäßen elektromechanischen Bremse wird im folgenden anhand der beigefügten, schematischen Figuren, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine als Scheibenbremse ausgestaltete, erfindungsgemä ße elektromechanische Bremse in räumlicher Darstel lung, und

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Kräfte darstellt, die an Keilen der in Fig. 1 dargestellten Bremse wirken.

Fig. 1 zeigt in räumlicher Darstellung eine Scheibenbremse 10 mit einer hier innenbelüfteten Bremsscheibe 12, die um eine Achse A drehbar ist.

In einem gewissen axialen Abstand von der Bremsscheibe 12 ist parallel zu ihr und koaxial zur Achse A ein erster Trägerring 14 angeordnet, auf dessen der Bremsscheibe 12 zugewandten Seite mehrere Reibglieder 16 befestigt sind, die in einer im folgen den noch näher erläuterten Weise an die Bremsscheibe 12 anleg bar sind, um die zum Abbremsen der Bremsscheibe 12 erforderli che Reibkraft zu erzeugen. Auf der gegenüberliegenden, von der Bremsscheibe 12 abgewandten Seite des ersten Trägerrings 14 sind eine Reihe von Keilen 18 fest angebracht, von denen jeder eine erste Fläche 20 mit einem Steigungswinkel α und eine zweite Fläche 22 mit einem Steigungswinkel β definiert. Bezüg lich einer Draufsicht auf den ersten Trägerring 14 erstrecken sich beide Flächen 20, 22 unmittelbar aneinander anschließend im wesentlichen in Umfangsrichtung des Trägerrings 14. Gemäß einer abgewandelten, hier nicht dargestellten Ausführungsform stoßen die beiden Flächen 20, 22 nicht wie in Fig. 1 darge stellt an einer gemeinsamen Kante 24 aneinander, sondern haben zwischen sich einen Abschnitt, der sich parallel zum Trägerring 14 erstreckt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die beiden Flächen 20, 22 entgegengesetzt zueinander geneigt, wobei der Steigungswinkel β der zweiten Fläche 22 deutlich größer als der Steigungswinkel α der ersten Fläche 20 ist. Die Keile 18, von denen in Fig. 1 der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einige dargestellt sind, folgen in Umfangsrichtung des Trägerrings 14 gesehen unmittelbar aufeinander, so daß die gesamte axial äußere Fläche des ersten Trägerrings 14 mit Keilen 18 bedeckt ist. Bei ande ren Ausführungsformen, die hier nicht dargestellt sind, kann jedoch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Keilen 18 in Umfangs richtung ein gewisser Abstand bestehen, ebenso braucht nicht die gesamte axial äußere Fläche des Trägerrings 14 von Keilen 18 bedeckt zu sein, sondern die Keile 18 können beispielsweise in Gruppen angeordnet sein, wobei zwischen zwei in Umfangsrich tung aufeinanderfolgenden Gruppen von Keilen ein größerer Abstand besteht. Die Keile 18 können einstückig mit dem ersten Trägerring 14 ausgebildet sein, sie können allerdings auch als separate Teile gefertigt und dann fest mit dem Trägerring 14 verbunden werden.

Axial außerhalb des ersten Trägerrings 14 ist ein ringförmiger Bolzenträger 26 mit etwa U-förmigem Querschnitt angeordnet, der einen ringförmigen und zum Trägerring 14 hin offenen Hohlraum 28 definiert, in den die Keile 18 hineinragen. In diesem ring förmigen Hohlraum 28 ist eine der Anzahl der Keile 18 entspre chende Anzahl von Bolzen 30 drehbar gelagert, von denen in Fig. 1 nur zwei dargestellt sind. Die Drehachsen der zum Zusammenwirken mit den Keilen 18 vorgesehenen Bolzen 30 sind bei diesem Ausführungsbeispiel normal zur Achse A ausgerichtet. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Bolzen 30 durch eine Hülse gebildet, die drehbar auf einer drehfest im Bolzenträger 26 angeordneten Achse angeordnet ist.

An der radial inneren Umfangsfläche des Bolzenträgers 26 ist ein Elektromotor 32 befestigt, der als elektrischer Aktuator der Scheibenbremse 10 dient und der ein Abtriebsritzel 34 aufweist, das mit einer am radial inneren Umfang des ersten Trägerrings 14 ausgebildeten Verzahnung 36 in Eingriff ist. Falls erforderlich, kann zwischen dem Elektromotor 32 und dem Abtriebsritzel 34 ein hier nicht dargestelltes Getriebe ange ordnet sein.

Auf der dem ersten Trägerring 14 gegenüberliegenden Seite der Bremsscheibe 12 ist mit axialem Abstand zu dieser ein zweiter Trägerring 38 ebenfalls parallel zur Bremsscheibe 12 und koa xial zur Achse A angeordnet. Dieser zweite Trägerring 38 ist auf seiner der Bremsscheibe 12 zugewandten Seite mit Reibglie dern 16' versehen, die an mit den Reibgliedern 16 zumindest im wesentlichen übereinstimmenden Stellen am zweiten Trägerring 38 befestigt sind und die sich beim Bremsvorgang ebenfalls an die Bremsscheibe 12 anlegen.

In einem radial äußeren Bereich der Scheibenbremse 10 sind mehrere (hier drei) Sättel 40 angeordnet, die den Bolzenträger 26, den ersten Trägerring 14, die Bremsscheibe 12 und den zweiten Trägerring 38 übergreifen und sich mit radial nach innen ragenden Armen 42 einerseits an der axial äußeren Stirn fläche des Bolzenträgers 26 und andererseits an der axial äußeren Stirnfläche des zweiten Trägerrings 38 oder einem damit verbundenen Glied abstützen.

Es wird nun die Funktion der dargestellten Scheibenbremse 10 erläutert, wobei davon ausgegangen wird, daß sich die Brems scheibe 12 in Richtung des Pfeils ω dreht. Diese Drehrichtung entspricht bei einer in ein Fahrzeug eingebauten Scheibenbremse 10 einer Vorwärtsfahrt. Zum Einleiten einer Bremsung wird der Elektromotor 32 bestromt und treibt daraufhin das Abtriebsrit zel 34 derart an, daß sich der erste Trägerring 14 um einen Winkel ϕ in Drehrichtung ω gegenüber dem drehfesten Bolzenträ ger 26 verdreht. Dies führt dazu, daß die ersten Flächen 20 der Keile 18 auf die zugehörigen Bolzen 30 auflaufen, wodurch der erste Trägerring 14 axial zur Bremsscheibe 12 hin verschoben wird, so daß die Reibglieder 16 sich an die Bremsscheibe 12 anlegen. Das Maß s der Axialverschiebung des Trägerrings 14 bestimmt sich dabei nach der Formel

s = ϕ /(2π . P)

wobei ϕ der Drehwinkel und P die sich aus dem Steigungs winkel α ergebende Steigung der ersten Fläche 20 ist.

Nachdem sich die Reibglieder 16 an die Bremsscheibe 12 angelegt haben, bewirkt die entstehende Reaktionskraft über die Reib glieder 16, den ersten Trägerring 14, den Bolzenträger 26 und die Sättel 40 auch eine Axialverschiebung des zweiten Träger rings 38 zur Bremsscheibe 12 hin, so daß sich die Reibglieder 16' nahezu ohne Verzögerung ebenfalls an die Bremsscheibe 12 anlegen (Schwimmsattelprinzip).

Die mit den Bolzen 30 zusammenwirkenden Keile 18 stellen eine Selbstverstärkungsanordnung dar, d. h. die vom Elektromotor 32 über das Abtriebsritzel 34 in die Scheibenbremse 10 eingeleite te Betätigungskraft wird selbsttätig und ohne weitere, von außen einzubringende Kräfte verstärkt. Zur Erläuterung der selbstverstärkenden Wirkung ist in Fig. 2 das Kräftegleichge wicht an einem schematisch dargestellten Keil 18 wiedergegeben.

Dabei ist

F_Ein die in den Keil 18 eingeleitete Eingangskraft,
F_B die sich bei einer Bremsung ergebende, vom Bolzen 30 abzustützende Auflagerkraft, die sich in eine der Eingangskraft F_Ein entgegengesetzte Kraft F_Bx und ei ne senkrecht zur Bremsscheibe stehende Druckkraft F_By aufteilen läßt,
F_N die der Kraft F_By entgegengerichtete Normalkraft an der Bremsscheibe, und
F_R die am Keil bzw. am Reibglied entstehende Reibkraft.

Gemäß diesem Kräftegleichgewicht hängt die Reibkraft bzw. das Reibmoment an der Bremsscheibe entsprechend der Beziehung

lediglich vom Steigungswinkel α, dem eine Störgröße darstel lenden Reibwert µ und der Eingangskraft F_Ein ab.

Der Reibwert µ kann sich in Abhängigkeit der Belastung der Bremse relativ stark ändern. Jede Reibwertänderung während eines Bremsvorgangs führt jedoch zu einer Änderung der Reib kraft F_Rund somit zu einer sich ändernden Verzögerung des abzubremsenden Bauteiles der Bremse, welches vorliegend durch die Bremsscheibe 12 gebildet ist. Um diese unerwünschten Reib wertänderungen auszuregeln, ist die dargestellte Scheibenbremse 10 mit einer nicht gezeigten Sensorik versehen, die eine stän dige Messung der Reibkraft gestattet. Diese an sich bekannte Sensorik ist mit einem nicht dargestellten, elektronischen Steuergerät verbunden, das die erhaltenen Signale auswertet, und insbesondere einen Vergleich zwischen einem vorgegebenen Sollwert der Reibkraft und dem tatsächlichen Istwert der Reib kraft vornimmt. Entsprechend dieser Auswertung der Signale wird der Elektromotor 32 von dem Steuergerät so angesteuert, daß durch Verdrehen des ersten Trägerrings 14 in oder entgegen der Drehrichtung ω eine Erhöhung oder Erniedrigung des Istwertes der Reibkraft erreicht wird, um den Istwert an den Sollwert heranzuführen.

Entscheidend für eine gute Regelbarkeit des Systems ist, daß die Steigung P der ersten Flächen 20 der Keile 18 so gewählt wird, daß im Kraftfluß zwischen dem Elektromotor 32 und den Keilen 18 kein Lastwechsel auftreten kann, und zwar weder beim Beginn einer Bremsung noch beim Übergang der Bremse in einen sogenannten Fadingbetrieb, der bei hoher Bremsbelastung und entsprechend heißer Bremsscheibe 12 und heißen Reibgliedern 16, 16' auftritt.

Die Forderung der Lastwechselfreiheit wird erreicht, indem der Steigungswinkel α so gewählt wird, daß über den gesamten Be triebsbereich zwischen dem Motor 32 und dem Trägerring 14 hinsichtlich der Eingangskraft F_Ein entweder nur Zugkräfte oder nur Druckkräfte auftreten, d. h. daß die Eingangskraft F_Ein im gesamten Betriebsbereich entweder positiv oder aber negativ bleibt. Aufgrund des sich ändernden Reibwertes µ wäre bei bestimmten Steigungswinkeln α nämlich ein Vorzeichenwechsel der Eingangskraft F_Einmöglich, der zu unerwünschten Bewegungen im Antriebsstrang führt, weil dann das im Antriebsstrang vor handene Spiel durchfahren wird und hierdurch nur schwer zu regelnde Kraftsprünge auftreten können.

Um einen Lastwechsel im Antriebsstrang auszuschließen, muß sichergestellt sein, daß im gesamten Betriebsbereich entweder

gilt, was zu einer im gesamten Betriebsbereich positiven Ein gangskraft F_Ein führt, weshalb eine solche Anordnung auch als Druckkeilanordnung bezeichnet wird, oder daß im gesamten Be triebsbereich gilt

was zu einer im gesamten Betriebsbereich negativen Eingangs kraft F_Ein führt, weshalb eine solche Anordnung auch als Zug keilanordnung bezeichnet wird.

Wird der Steigungswinkel α so gewählt, daß die Eingangskraft F_Ein stets negativ ist (Zugkeilanordnung; F_By < F_R), so hat dies folgende Konsequenzen:

1. Bei normalem Reibwert µ der Reibglieder ist die vom Elek tromotor 32 aufzubringende Eingangskraft F_Ein relativ hoch, so daß entsprechend der Energiebedarf des Elektromotors 32 im Normalbetrieb relativ hoch ist. Dennoch ist auch dann der Energiebedarf des Elektromotors 32 gegenüber einer her kömmlichen elektromechanisch betätigten Scheibenbremse um bis zu 80% und mehr vermindert.
2. Im Fadingbetrieb, d. h. bei absinkendem Reibwert µ, sinkt gemäß den obenstehenden Beziehungen die vom Elektromotor 32 aufzubringende Zugkraft stark ab und es wird demzufolge sehr wenig Motorleistung und Motormoment benötigt, um die erforderliche Reibkraft F_R zu erzeugen. Gegenüber einer herkömmlichen Anordnung ist somit der Energiebedarf des Elektromotors 32 je nach Wahl des Steigungswinkels α um mehr als 95% reduziert.

Der Vorteil einer Zugkeilanordnung ist in der verbesserten Regelbarkeit der Bremse im Normalbetrieb zu sehen, weil sich das System aufgrund des dann geringeren Verstärkungsfaktors stabiler verhält. Erkauft wird dieser Vorteil mit einem etwas höheren Energiebedarf im Normalbetrieb der Bremse.

Wird der Steigungswinkel α hingegen so gewählt, daß die Ein gangskraft F_Ein stets positiv ist (Druckkeilanordnung; F_By < F_R), ergibt sich folgendes:

1. Bei normalem Reibwert der Reibglieder ist die vom Elektro motor 32 aufzubringende Druckkraft F_Ein theoretisch belie big gering. In der Praxis kann allerdings aus Gründen der Regelbarkeit (zu hoher Verstärkungsfaktor, Einfluß von Störgrößen usw.) diese Druckkraft nicht zu gering gewählt werden. Dennoch ist im Normalbetrieb der Bremse die vom Elektromotor 32 benötigte Energie gegenüber einer herkömm lichen elektromechanischen Bremse ohne Selbstverstärkungs anordnung um 90, 95 und mehr Prozent vermindert.
2. Im Fadingbetrieb steigt die vom Elektromotor 32 aufzubrin gende Druckkraft F_Ein an und es wird demzufolge mehr Motor leistung und Motormoment benötigt, um die erforderliche Reibkraft F_R zu erzeugen.

Der Vorteil einer solchen Druckkeilanordnung ist darin zu sehen, daß der Elektromotor 32, der für den höheren Kraftbedarf des Fadingbetriebes ausgelegt sein muß, im Normalbetrieb erheb liche Drehmoment- und Kraftreserven aufweist, woraus sich im Normalbetrieb hervorragende dynamische Eigenschaften ergeben.

Bei der Erläuterung des weiter oben beschrieben Bremsvorganges mittels der dargestellten Scheibenbremse 10 wurde von einer Druckkeilanordnung ausgegangen, d. h. die Keile 18 drücken aufgrund einer entsprechenden Verdrehung des ersten Trägerrings 14 gegen die Bolzen 30. Bei einer Zugkeilanordnung, vorgegeben durch die entsprechende Wahl des Steigungswinkels α, müßte der Elektromotor 32 in entgegengesetzter Richtung drehen. Die bei einer Zugkeilanordnung zum Vorspannen des Antriebsstranges notwendige Einrichtung ist in Fig. 1 nicht dargestellt.

Zum Beenden einer eingeleiteten Bremsung wird der Elektromotor 32 derart angesteuert, daß sich das Abtriebsritzel 34 entgegen der Drehrichtung beim Betätigen dreht, sodaß der erste Träger ring 14 wieder in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird, d. h. die ersten Flächen 20 der Keile 18 laufen an den Bolzen 30 herunter und der Trägerring 14 bewegt sich axial von der Brems scheibe 12 weg.

Zum Abbremsen beispielsweise eines Fahrzeuges auch in Rück wärtsfahrt besitzen die Keile 18 die zweite Fläche 22 mit dem Steigungswinkel β. Der Steigungswinkel β dieser Flächen 22 kann deutlich größer als der Steigungswinkel α der ersten Flächen 20 gewählt werden, da bei Rückwärtsfahrt üblicherweise keine so hohen Reibkräfte benötigt werden. Zwar hat der gegenüber dem Steigungswinkel α größere Steigungswinkel β bei Bremsungen in Rückwärtsfahrt einen erhöhten Energiebedarf des Elektromotors 32 zur Folge, jedoch wirkt sich dieser Umstand wegen der norma lerweise nur geringen erforderlichen Bremskraft bei Bremsungen in Rückwärtsfahrt nicht nachteilig aus.

Dreht sich also die Bremsscheibe 12 entgegen des Pfeiles ω (Rückwärtsfahrt), wobei der Drehrichtungswechsel beispielsweise durch die Sensorik einer heutzutage meistens vorhandenen ABS- Anlage erkannt werden kann, wird der erste Trägerring 14 mit Hilfe des Elektromotors 32 so verdreht, daß die zweiten Flächen 22 auf den Bolzen 30 auflaufen. Der Bremsvorgang läuft dann wie zuvor beschrieben ab.

Alternativ ist es auch möglich, die Bremsung bei Rückwärtsfahrt mittels der ersten Flächen 20 auszuführen. Hierzu muß der Elektromotor 32 jedoch ausreichende Kraft- bzw. Drehmomentre serven besitzen (insbesondere bei einer Druckkeilanordnung, d. h. bei großem Steigungswinkel α), da die Anordnung aus Kei len 18 und Bolzen 30 dann selbstschwächend wirkt, so daß der Elektromotor 32 die erforderliche Reibkraft vollständig selbst aufbringen muß.

Obwohl die zuvor näher erläuterte Bremse als Scheibenbremse ausgestaltet ist, ist auch eine Ausführung als Trommelbremse möglich, wobei die Keile 18 dann beispielsweise auf der radial inneren Seite der Trommelbremsbacken angeordnet sein können. Des weiteren kann die selbstverstärkende Wirkung auf andere Weise als mit Keilen erzielt werden, beispielsweise mit Vierge lenken.

Claims

1. Elektromechanische Bremse, insbesondere für Fahrzeuge, mit einem elektrischen Aktuator, der eine Betätigungskraft erzeugt und auf zumindest ein Reibglied wirkt, um dieses zum Hervorru fen einer Reibkraft gegen ein drehbares, abzubremsendes Bauteil der Bremse zu drücken, wobei zwischen dem abzubremsenden Bauteil und dem elektrischen Aktuator eine rein mechanische Anordnung vorhanden ist, die zur Selbstverstärkung der vom elektrischen Aktuator erzeugten Betätigungskraft führt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Verglei chen eines Sollwertes der Reibkraft mit dem Istwert der Reib kraft vorhanden, ist, die bei einer Abweichung des Istwertes vom Sollwert den elektrischen Aktuator zum entsprechenden Erhöhen oder Verringern der erzeugten Betätigungskraft ansteuert und so den Istwert dem Sollwert der Reibkraft angleicht.

2. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstverstärkungsanordnung wenigstens einen Keil mit einem Steigungswinkel α aufweist, der sich gleitend oder rollend an einem zugehörigen Widerlager abstützt.

3. Bremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel α derart ge wählt ist, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsanordnung eingeleitete Eingangskraft F_Ein unabhängig von einem sich ändernden Reibwert µ zwischen dem Reibglied und dem abzubremsenden Bauteil - bezogen auf die üblicherweise vorherrschende Drehrichtung des abzubremsenden Bauteiles - stets positiv ist.

4. Bremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel α derart ge wählt ist, daß eine mittels des elektrischen Aktuators in die Selbstverstärkungsanordnung eingeleitete Eingangskraft F_Ein unabhängig von einem sich ändernden Reibwert µ zwischen dem Reibglied und dem abzubremsenden Bauteil - bezogen auf die üblicherweise vorherrschende Drehrichtung des abzubremsenden Bauteiles - stets negativ ist, und daß der gesamte Antriebs strang zwischen dem elektrischen Aktuator und der Selbstver stärkungsanordnung in Richtung der negativen Eingangskraft F_Ein vorgespannt ist.

5. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das abzubremsende Bauteil eine Bremsscheibe (12) ist, und daß die Selbstverstärkungsanordnung einen Trägerring (14) aufweist, der parallel und koaxial zur Bremsscheibe (12) angeordnet ist und auf seiner von der Brems scheibe (12) abgewandten Seite mit einer Reihe von Keilen (18) versehen ist, die jeder eine erste Fläche (20) mit einem Stei gungswinkel α zum Abstützen an je einem drehbar gelagerten Bolzen (30) definieren.

6. Bremse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bolzen (30) in einem koaxial zum Trägerring (14) angeordneten, ringförmigen Bolzenträger (26) gelagert sind, wobei die Drehachsen aller Bolzen (30) rechtwinklig zur Drehachse der Bremsscheibe (12) ausgerichtet sind und wobei der Trägerring (14) und der Bolzenträger (26) relativ zueinander um die Drehachse der Bremsscheibe (12) verdrehbar sind.

7. Bremse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (14) an seinem Innenumfang mittels einer Verzahnung (36) als Hohlrad ausgebil det ist.

8. Bremse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem elektrischen Aktuator angetriebenes Abtriebsritzel (34) im Eingriff mit der Verzah nung (36) ist.

9. Bremse nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (14) mittels des elektrischen Aktuators gegenüber dem ringförmigen Bolzenträger (26) um die Drehachse der Bremsscheibe (12) verdrehbar ist.

10. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Bremsscheibe (12) zugewandten Seite des Trägerrings (14) vorzugsweise mehrere Reibglieder (16) angeordnet sind.

11. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe jedes Keiles (18) senk recht zum Trägerring (14) zumindest dem gewünschten Zustellhub einer die Bremsscheibe (12) umfassenden Scheibenbremse (10) entspricht.

12. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung des Trägerrings (14) jeder Keil (18) unmittelbar auf den vorhergehenden Keil (18) folgt.

13. Bremse nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Keil (18) eine zweite Fläche (22) zum Abstützen an je einem der drehbar gelagerten Bolzen (30) definiert, die entgegengesetzt zur ersten Fläche (20) geneigt ist und einen Steigungswinkel β aufweist, der vorzugs weise größer als der Steigungswinkel α ist.

14. Bremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Aktuator ein Elektromotor (32) ist.