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Mechanische Spreizvorrichtung, insbesondere zur
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Betätigung einer Vollscheibenbremse Die Erfindung bezieht sich auf
eine mechanische Spreizvorrichtung, insbesondere zur Betätigung einer Vollscheibenbremse,
mit zwei koaxial nebeneinander angeordneten, gegeneinander verdrehbaren Ringen,
zwischen den Ringen angeordneten Wälzkörpern, die in einem Käfig drehbar gelagert
sind und sich auf zur Ebene der Ringe geneigten Laufbahnen an den Ringen abwälzen
und mit einem den Käfig mit den Ringen verbindenden, formschlüssigen Getriebe, das
dem Käfig eine Drehbewegung erteilt, die.der Bewegung der Wälzkörper bei Bremsbetätigung
entspricht.
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Bei einer bekannten Spreizvorrichtung dieser Art (DE-OS 26 32 541)
ist zum Drehen des einen Ringes eine im Gehäuse gelagerte Welle vorgesehen, die
über einen Hebel von einem Betätigungszylinder verdreht wird und an ihrem einen
Ende ein Zahnrad trägt, das in eine Verzahnung am Innenumfang des Ringes eingreift.
Der Käfig weist an seinem Innenumfang ebenfalls eine Verzahnung auf, die in ein
zweites mit der Welle verbundenes Zahnrad kleineren
Durchmessers
eingreift. Beide Zahnräder sind so aufeinaner abgestimmt, daß beim Bremsen der Käfig
den halben $phwenkweg des Ringes ausführt. Diese bekannte Spreizrichtung ist sehr
aufwendig, da zu ihrer Betätigung eine gehäusefest gelagerte Welle und Zahnräder
erforderlich sind. Der Antrieb über Zahnräder mindert ferner den wirkungsgrad der
Kraftübertragung und erfordert eine besondere Kapselung und Wartung der Bremse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spreizvorrichtung der
eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem Aufwand herstellbar ist und
eine gute Ausnutzung der Betätigungskraft ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Getriebe
aus einem Gleitelement besteht, das einen radialen Schlitz in dem Käfig durchgreift
und mit seinen axialen Enden in Führungsnuten in beiden Ringen eingreift und daß
die Führungsnuten spiegelbildlich in einem Winkel zur radialen Mittelachse des Schl;tzes
verlaufen, der soviel kleiner als 900 ist, daß das Gleitelement durch die Relativbewegung
der Ringe radial verschoben wird. Hierdurch wird mit sehr einfachen Mitteln ein
Getriebe zur Bewegung des Käfigs geschaffen, das keinen zusätzlichen Bauraum benötigt,
da das Gleitelement zwischen den beiden Ringen in dem Freiraum zwischen zwei Wälzkörpern
untergebracht ist. Zum Antrieb der Spreizvorrichtung kann ein Betätigungszylinder
über eine Kolbenstange direkt mit einem Ring gekuppelt werden, so daß die Reibungsverluste
in der Kraftübertragung äußerst klein sind. Der bauliche Aufwand für die Ausbildung
und Lagerung einer Welle mit Antriebszahnrädern entfällt.
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Günstige Kraftverhältnisse und geringe Reibungskräfte lassen sich
bei der Spreizvorrichtung vorteilhaft dadurch erzielen, daß die Führungsnuten in
einem Winkel von ca.
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450 zur Mittelachse des Schlitzes verlaufen. Es ist weiterhin von
Vorteil, wenn das Gleitelement an den Stirnseiten des Käfigs geführt ist, da die
leichte Verschiebbarkeit des Gleitelements dadurch begünstigt wird.
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Vorzugsweise besteht das Gleitelement aus einem zylindrischen Zapfen
mit einem erweiterten zylindrischen Kopf; auf dessen dünnerem Ende nach dem Einsetzen
des Zapfens in den Schlitz des Käfigs eine zylindrische Hülse befestigt ist. Um
ein Abwälzen des Zapfens in seiner Führungsnut und in dem Schlitz des Käfigs zu
erreichen und dadurch die Getriebereibung zu vermindern, ist nach einem weiteren
Vorschlag der Erfindung der Zapfen so ausgebildet, daß das Verhältnis zwischen dem
Durchmesser des den Schlitz durchgreifenden Abschnitts des Zapfens und dem Durchmesser
des Kopfes gleich dem Verhältnis des Abrollwegs des Abschnitts zum Abrollweg des
Kopfes bei einer Drehung des Betätigungsringes ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht,
daß bei einer Drehung des Zapfens um einen vorgegebenen Winkel die von dem Winkel
eingeschlossene Umfangsabschnitte im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die
Längsbewegungen, die der Zapfen bei einer bestimmten Bewegung in der Führungnut
bzw. im Schlitz zurückzulegen hat. Bei einer Betätigung der Bremse wird sich daher
der Zapfen mit seinem Kopf an der Wand der Führungsnut und mit seinem Mittelabschnitt
an der Wand
des Schlitzes abwälzen, so daß sein Bewegungswiderstand
klein ist. Die Hülse kann an der Abwälzbewegung des Zapfens nicht teilnehmen. Sie
ist daher leicht drehbar auf einem dünneren Zapfenabschnitt gelagert.
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Um die Gleitelemente über den gesamten Betätigungshub in einer Mittellage
zwischen beiden Ringen zu halten, können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung
die Führungsnuten die gleiche Neigung zur Ebene der Ringe bezogen auf eine Drehwinkeleinheit
aufweisen wie die Laufbahnen der Ringe. Sind mindestens drei Gleitelemente etwa
im gleichen Abstand voneinander angeordnet und sind die Gleitelemente in Richtung
der Drehachse der Bremse formschlüssig mit dem Käfig verbunden, so wird bei dieser
Ausgestaltung der Erfindung durch die Gleitelemente der Käfig in einer Mittellage
bezogen auf die Ringe gehalten.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch
erzielt, daß das Gleitelement durch eine Kugel gebildet ist. Diese Ausgestaltung
der Erfindung zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellung aus, da es
lediglich erforderlich ist; in die Ringe zusätzliche Führungsnuten für die Kugel
einzufräsen. Wird als Gleitelement eine Kugel verwendet, die den gleichen Durchmesser
aufweist wie die die Spreizkraft übertragenden Kugeln, so kann das Fräsen der Führungsnuten
zusammen mit dem Fräsen der Laufbahnen in einer Aufspannung und mit dem gleichen
Fräswerkzeug geschehen. Die Verwendung einer Kugel als Gleitelement hat weiterhin
den Vorteil, daß keine Klemmkräfte auftreten, da die beim Verdrehen der Ringe gegeneinander
auf das Gleitelement einwirkenden Kräfte auf den Mittelpunkt der Kugel gerichtet
sind. Vor
zugsweise ist zwischen der das Gleitelement bildenden
Kugel und ihren Führungsnuten in axialer Richtung ein Spiel vorgesehen, das so groß
ist, daß diese Kugel nicht an der Übertragung der Spreizkraft teilnimmt. Die Kräfte
an der das Gleitelement bildenden Kugel werden somit-auf ein Minimum beschränkt
und es ist eine gute Ausnutzung der Betätigungskraft gewährleistet. Bestehen das
Gleitelement und die Wälzkörper aus Kugeln gleichen Durchmesser, so wird auch die
Montage und Wartung der erfindungsgemäßen Spreizvorrichtung vereinfacht.
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Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in
der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig.
1 einen Radialschnitt durch eine Vollscheibenbremse mit einer Spreizvorrichtung,
Fig. 2 einen Umfangsschnitt durch einen Sektor der Spreizvorrichtung in der Mittelebene
der Laufbahnen, Fig. 3 eine Axialansicht eines Sektors der Spreizvorrichtung nach
Fig. 1, Fig. 4 eine Variante des Getriebes der Spreizvorrichtung mit zylindrischem
Zapfen und Fig. 5 eine Ausschnittdarstellung des Getriebes nach Fig. 4.
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Fig. 1 zeigt eine Vollscheibenbremse mit einem feststehenden Bremsgehäuse
1 und einer axial verschiebbar gelagerten, drehbaren Bremsscheibe 2. Das Bremsgehäuse
1 besteht aus einem Gehäusering 3, der an einem Bremsträger zu befestigen ist. Der
Gehäusering 3 weist axial über den Rand der Bremsscheibe 2 hinwegragende Stege 4
auf, deren Enden durch einen Lagerring 5 miteinander verbunden sind.
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Auf seiner der Bremsscheibe 2 zugekehrten Seite trägt der Gehäusering
3 einen ringförmigen Reibbelag 6, der in einer schwalbenschwanzförmigen Vertiefung
im Gehäusering 3 gehalten ist. Zwischen dem Lagerring 5 und der Bremsscheibe 2 befindet
sich eine mechanische Spreizvorrichtung 7 zum Betätigen der Bremse. Die Spreizvorrichtung
umfaßt einen Druckring 8, der auf seiner der Bremsscheibe 2 zugekehrten Stirnseite
einen ringförmigen Reibbelag 9 trägt, der in gleicher Weise wie der Reibbelag 6
in einer schwalbenschwanzförmigen Ausnehmung in der Stirnseite des Druckrings 8
befestigt ist. Der Druckring 8 ist axial verschiebbar im Bremsgehäuse 1 gelagert
und in Umfangsrichtung an gehäusefesten Führungszapfen abgestützt, die das beim
Betätigen der Bremse auf den Druckring 8 einwirkende Bremsmoment aufnehmen.
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Die Spreizvorrichtung 7 umfaßt ferner einen Betätigungsring 10, der
über ein Axialkugellager 11 am Lagerring 5 drehbar gelagert und abgestützt ist.
In die einander zugekehrten Stirnflächen 14,15 des Druckrings 8 und des Betätigungsrings
10 sind in gleichmäßigem Abstand über dem Umfang der Stirnflächen verteilt sich
in Umfansgrichtung erstreckende Laufbahnen 12,13 eingefräst. Der Mittelabschnitt
der Laufbahnen 12,13 ist zylindrisch, ihre Enden
sind kugelkalottenförmig
ausgebildet. Die Laufbahnen 12,13 sind im gleichen Winkel zu den Stirnflächen 14,15
geneigt und in der Bremslösestellung derart spiegelbildlich zueinander angeordnet
(Fig. 2), daß ihre tiefsten Stellen einander gegenüberliegen. Jeweils zwei benachbarte
Laufbahnen 12,13 nehmen eine als Wälzkörper dienende Kugel 16 auf, deren Radius
dem Zylinderradius der Laufbahnen entspricht.
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Zwischen den Stirnflächen 14,15 ist ein aus einer ringförmigen Blechscheibe
gebildeter Käfig 17 angeordnet, der Öffnungen zu Aufnahme der Kugeln 16 aufweist
und dafür sorgt, daß die Kugeln gleichen Abstand voneinander behalten. In die Laufbahnen
ragende Laschen 18 des Käfigs liegen an der Oberfläche der Kugeln an und halten
den Käfig gegenüber den Kugeln in einer Mittellage. Zum Zurückstellen der Spreizvorrichtung
7 sind Zugfedern 19 vorgesehen, die an dem Druckring 8 und dem Lagerring 5 eingehängt
sind. Ein Abdeckblech 20 schützt die Spreizvorrichtung vor Verschmutzung.
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Das Verdrehen des Betätigungsrings 10 erfolgt über einen nicht dargestellten
Nocken, der aus einer Öffnung im Lagerring 5 radial herausragt und zur Anlenkung
der Betätigungsstange eines Bremszylinders dient.
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In Fig. 3 ist das Getriebe zur Bewegung des Käfigs 17 beim Betätigen
der Spreizvorrichtung 7 dargestellt. Zur Verdeutlichung ist der Betätigungsring
10 mit strichpunktierten Linien und duchrichtig dargestellt. Zur Bildung des Getriebes
ist in der Stirnfläche 14 des Druckrings 8 eine Führungsnut 21 und in der Stirnfläche
15 des Betätigungsrings
10 eine Führungsnut 22 ausgbildet. Beide
Führungsnuten 21,22 sind zylindrisch und haben kugelkalottenförmige Enden. Sie verlaufen
zu den Stirnflächen 14,15 geneigt, wobei ihre Steiung pro Winkeleinheit bezogen
auf die Winkelbewegung des Betätigungsrings gleich der Steigung pro Winkeleinheit
der Laufbahnen 12,13 ist. Die tieferen Enden der Führungsnuten 21,22 liegen sich
in der Bremslösestellung axial gegenüber und nehmen eine als Gleitelement dienende
Kugel 23 auf, die einen radial verlaufenden Schlitz 24 im Käfig 17 durchgreift.
Beide Führungsnuten 21,22 verlaufen von ihrer tiefsten Stelle aus gehend in einem
Winkel ß zur Mittelachse des Schlitzes 24 radial nach innen, wobei der Winkel ß
etwa 450 beträgt. In Umfangsrichtung bezogen auf die Mittelachse der Spreizvorrichtung
erstrecken sich die Führungsnuten 21,22 über den gleichen Winkel wie die Laufbahnen
12.
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Die Wirkungsweise der Spreizvorrichtung ist folgende: Die Betätigung
der Spreizvorrichtung erfolgt durch Verdrehen des Betätigungsrings 10 in Richtung
des Pfeils 25.
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Dabei wälzen sich die Laufbahnen 13 auf den Kugeln 16 ab, die sich
hierbei in Pfeilrichtung (Fig. 2) drehen und die Laufbahnen 12 ebenfalls in Richtung
des Pfeils 25 entlangrollen. Tritt am Außenumfang der Kugeln 16 kein Schlupf auf,
so ist die Winkelbewegung der Kugeln 16 bezogen auf die Drehachse der Spreizvorrichtung
halb so groß wie die Winkelbewegung des Betätigungsrings 10. Der Käfig 17 verbindet
die über den Umfang der Spreizvorrichtung verteilten Kugeln 16 miteinander und gewährleistet,
daß alle Kugeln, also auch die, deren Reibschluß am Anfang noch ungenügend ist,
die gleiche
Winkelbewegung ausführen. Durch die beschriebene Bewegung
der Kugeln 16 gegenüber den Laufbahnen heben sich die Kugeln 16 aus dem Druckring
8 und dem Betätigungsring 10 heraus, so daß der Druckring in Richtung auf die Bremsscheibe
2 verschoben wird und mit seinem Reibbelag 9 die Bremsscheibe 2 gegen den Reibbelag
6 drückt. Dadurch wird die Bremsscheibe abgebremst, wobei die ausgeübte Bremskraft
von den Reibbelägen 6,9 auf das Gehäuse 1 übertragen wird.
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Durch das Getriebe wird sichergestellt, daß der Käfig mit den Kugeln
16 auch bei ungenügendem Reibschluß zwischen den Kugeln 16 und den Laufbahnen 12,
was besonders beim schnellen Lösen der Bremse vorkommen kann, in die der jeweiligen
Stellung des Betätigungsrings 10 zugehörige Position bewegt wird. Dies wird dadurch
erreicht, daß die einander kreuzenden Führungsnuten 21,22 und eine formschlüssige
Führung für die Kugel 23 bilden, so daß die Kugel 23 bei einer Verdrehung des Betätigungsrings
10 von der Führungsnut 23 entlang der Führungsnut 21 verschoben wird, wobei die
Kugel 23 eine Winkelbewegung um die Drehachse der Spreizvorrichtung ausführt, die
halb so groß ist wie die die Bewegung der Kugel 23 hervorrufende Winkelbewegung
des Betätigungsrings 10. Da die Kugel in Umfangsrichtung an den Wänden des Schlitzes
24 anliegt, führt der Käfig 17 die gleiche Winkelbewegung wie die Kugel 23 aus.
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Durch den geneigten Verlauf der Führungsnuten 21,22 ist sichergestellt,
daß auch beim Auseinanderspreizen vom Druckring und Betätigungsring 10 die Kugel
23 in einer Mittellage zwischen dem Druckring 8 und dem Betätigungs
ring
10 verbleibt und ihr Äquator an den Seitenwänden des Schlitz 24 anliegt. Durch die
gekreuzte Anordnung der Führungsnuten 21,22 kann die Kugel 23 keine reibungsfreie
Rollbewegung ausführen. Eine Belastung der Kugel 23 mit einem Teil der Spreizkraft
würde daher die Drehung des Betätigungsringes erschwerden. Um dies zu vermeiden
sind die Führungsnuten 21,22 einige zehntel Millimeter tiefer als die Laufbahnen
12,13 in die Stirnflächen 14,15 eingearbeitet, so daß die Kugel 23 in den Führungs-
nuten 21,22 auch dann noch leicht verschoben werden kann, wenn sich der Druckring
8 und der Betätigungsring 10 bei Belastung durch die Spreizkraft geringfügig durchbiegen.
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Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht
in seinem prinzipiellen Aufbau dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3. Funktionsgleiche
Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 4 zeigt den Druckring 8 und den Käfig 17 in betätigter Position.
In Bremslösestellung nehmen sie die gestrichelte Position ein. Das Getriebe zum
Bewegen des Käfigs 17 weist als Gleitelement einen zylindrischen Zapfen 25 mit einem
Kopf 26, einem den Schlitz 24 im Käfig 17 durchgreifenden mittleren Abschnitt 27
und einen Endabschnitt 28 auf. Der Kopf 26 hat den Durchmesser d und der Abschnitt
27 den Durchmesser d Auf dem gegenuber dem Abschnitt 27 im Durchmesser verringerten
Endabschnitt 28 ist eine Hülse29drehbar gelagert und durch einen Sicherungsring
30 axial befestigt. DerKopf 26 greift in die Führungsnut 21 ein, die dwch einen
Schlitz in der Stirnfläche 14 gebildet ist. Die Hülse 29 greift in die Führungsnut
22 in der Stirnflache 15 des Betätigungsring
10 ein. Beide Führungsnuten
21,22 verlaufen in entgegengesetzten Richtungen in einem Winkel ß zu einem von der
Drehachse der Spreizvorrichtung ausgehenden Radius.
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Der Zapfen 25 ist zur Erzielung einer geringen Reibung so ausgebildet,
daß er bei einer Betätigung des Betätigungsrings 10 an den Wänden der Führungsnut
21 und des Schlitzes 24 abrollt. Um dies zu gewährleisten, ist das Verhältnis des
Durchmessers d. zum Durchmesser da gleich dem Verhältnis des Abrollweges r des Abschnitts
27 zum entsprechenden Abrollweg d des Kopfes 26. In einer Näherung ist dieses Verhältnis
ferner gleich dem Kosinus des Winkels ß . Bei dieser Abstimmung der Durchmesser
d , di kann der Zapfen 25 bei einer Bewegung des Betätigungsrings 10 an den Wänden
der Führungsnut 21 und des Schlitzes 24 abrollen, ohne daß eine Gleitbewegung eintritt.
Lediglich zwischen der Hülse 29 und dem Endabschnitt 28 ergibt sich ein Gleiteingriff,
der aber aufgrund des kleinen Durchmessers des Endabschnitts 28 gering ist und durch
geeignete Werkstoffwahl noch vermindert werden kann. Auch die Reibung zwischen den
Stirnflächen des Kopfes 26 und dem Käfig 17 und der Hülse 29 und dem Käfig 17 kann
durch Beilagscheiben aus geeignetem Werkstoff kleingehalten werden.
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Der Wirkungsgrad der Spreizvorrichtung wird durch die beschriebenen
Getriebe zur Bewegung des Käfigs 17 nicht beeinträchtigt, da während des Betätigungsvorgangs
bereits der Reibschluß zwischen den Kugeln 16 und den Laufbahnen 12,13 für die notwendige
Mitnahme des Käfigs 17 sorgt und das Getriebe nur gering belastet ist. Das Getriebe
hat in erster Linie die Aufgabe, beim Losen der Bremse und insbesondere
wenn
der Betätigungsring 10 zum Ausgleich von Reibbelagverschleiß in Richtung des Pfeils
25 nachgestellt ist und beim Lösen der Bremse nicht mehr in die in Fig. 2 dargestellte
Endlage zurückkehrt, für eine richtige Positionierung der Wälzkörper gegenüber den
Laufbahnen zu sorgen bzw. sie bei gelöster Bremse in der erforderlichen Position
zu halten. Diese wird mit den beschriebenen Ausführungsbeispielen in äußerst vorteilhafter
Weise erreicht.