DE4207641C2 - Reibungsbremse, insbesondere Scheibenbremse, für Fahrzeuge sowie Verfahren zum Abbremsen eines Fahrzeugs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Reibungsbremse nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ab­ bremsen eines mit wenigstens einer Reibungsbremse ausgestatteten Fahrzeugs nach der Gattung des Patentanspruchs 6.

Es ist schon eine solche Reibungsbremse in Form einer Scheibenbremse bekannt (DE 40 21 572 A1), bei der als Antriebsquelle für die Zu­ spanneinrichtung ein Elektromotor dient. Dessen Motorwelle ist durch eine nicht schaltbare Kupplung mit einer Schnecke eines Schnecken­ getriebes verbunden, dessen Schneckenrad auf einer Kugelumlaufspin­ del sitzt, die mittelbar am Kolben der Zuspanneinrichtung angreift.

Die Zuspannkraft für diese Reibungsbremse muß daher allein vom Elektromotor aufgebracht werden.

Da für diesen wenig Bauraum inner­ halb der Felge des Fahrzeugrades zur Verfügung steht, kann nur ein relativ kleiner Elektromotor Verwendung finden. Für die Erzeugung der erforderlichen Zuspannkraft durch einen Motor beschränkter Lei­ stung muß das Schneckengetriebe ein großes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Dies hat zur Folge, daß die Bremse relativ träge auf Bremssignale reagiert. Die Dynamik der Reibungsbremse ließe sich zwar durch eine höhere Belastung des Elektromotors steigern, was je­ doch zu negativen Rückwirkungen auf das Bordnetz des Fahrzeuges füh­ ren kann.

Von erheblichem Nachteil ist darüber hinaus die Selbsthem­ mung des Schneckengetriebes, so daß es für das Lösen der Bremse ebenfalls des Elektromotors bedarf. Eine nicht selbsttätig lösende Bremse stellt aber ein erhebliches Gefahrenpotential dar.

Weiterhin ist es bekannt (EP 0 177 767 A1), bei Fahrzeugen eine vom Fahrer ansteuerbare hydraulische Verzögerungseinrichtung als Be­ triebsbremse vorzusehen. Dabei wird eine in einer Radnabe angeord­ nete Verdrängungspumpe benutzt, der druckseitig eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gegendrucks und dieser einer Kühleinrichtung nach­ geschaltet ist. Die Pumpe kann mit einstellbarem Fördervolumen för­ dern und durch einen Servomotor ansteuerbar sein. Eine solche Bremse besitzt eine eingeschränkte Dynamik. Außerdem ist die hydraulische Verzögerungseinrichtung auch im bremsfreiem Zustand verlustlei­ stungsbehaftet. Ferner erfordert die Kühleinrichtung einen erhebli­ chen Bauraum.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Reibungsbremse mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr leistungsarm steuerbar ist, weil die zur Bereitstellung der Zuspann­ kraft an der Zuspanneinrichtung erforderliche Energie dem abzubrem­ senden Fahrzeugrad selbst entnommen wird. Diese Energieentnahme trägt be­ reits zur Abbremsung bei. Die Zuspannkraft ist mit sehr hoher Dyna­ mik einstellbar. Für ihren Aufbau bedarf es nur eines Bruchteils ei­ ner Radumdrehung.

Von besonderem Vorteil aber ist die Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Reibungsbremse auch für Rückwärtsfahrt.

Zum Lösen der Bremse bedarf es keiner elektrischen Steuerenergie. In der bremsfreien Zeit ist die Reibungsbremse verlustleistungsfrei.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Reibungsbremse möglich.

Das im Patentanspruch 6 gekennzeichnete erfindungsgemäße Verfahren zeich­ net sich dadurch aus, daß während einer Bremsung eine Energiequelle zur Steuerung der Reibungskupplung nur in geringem Maß belastet wird, während der übrigen bremsfreien Zeit das Fahrzeug jedoch kei­ ner von der Bremse hervorgerufenen Verlustleistung unterworfen ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein­ facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 einen Halbschnitt einer Reibungsbremse mit einer an einem Reibglied angreifenden Reibungskupplung für die hy­ draulische Betätigung einer Zuspanneinrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Zuspanneinrichtung entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schema einer mit derartigen Reibungsbremsen ausgestatteten Bremsanlage eines Fahrzeugs.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in den Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellte Ausführungs­ beispiel hat eine Scheibenbremse 10 als Reibungsbremse für ein nicht dargestelltes Fahrzeug, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, zum Gegen­ stand. Das Fahrzeug besitzt eine Radachse 11, auf der eine Radnabe 12 drehfest angeordnet ist (Fig. 1). Die Radnabe 12 ist zur Auf­ nahme der Felge eines nicht dargestellten Fahrzeugrades bestimmt. Gleichachsig mit der Radachse 11 ist an der Radnabe 12 eine Brems­ scheibe 13 als Reibglied der Scheibenbremse 10 drehfest verschraubt. Die Radachse 11, die Radnabe 12 mit Fahrzeugrad und die Bremsscheibe 13 sind mittels eines Radlagers 14 drehbar in einem nur teilweise in der Zeichnung wiedergegebenen Achsschenkel 15 des Fahrzeugs gela­ gert. Mit dem Achsschenkel 15 ist ein Bremsträger 16 verschraubt. In diesem ist ein die Bremsscheibe 13 zangenförmig übergreifender Schwimmsattel 17 parallel zur Radachse 11 verschiebbar gelagert. Im Schwimmsattel 17 sind zu beiden Seiten der Bremsscheibe 13 Reibbe­ läge 18.1 und 18.2 mit Rückenplatte 19.1 sowie 19.2 aufgenommen. Außerdem ist der Schwimmsattel 17 mit einer Zuspanneinrichtung 20 zum Andrücken der Reibbeläge 18.1 und 18.2 gegen die Bremsscheibe 13 ausgestattet. Hierzu besitzt die Zuspanneinrichtung 20 einen paral­ lel zur Radachse 11 längsverschiebbaren Kolben 21 (Fig. 2). Der Kolben 21 der Zuspanneinrichtung 20 greift an der Rückenplatte 19.2 des zugeordneten Reibbelags 18.2 an.

Zur Zuspanneinrichtung 20 gehört auch eine Einrichtung 24 zur Erzeu­ gung hydraulischen Drucks, mit dem der Kolben 21 bei einer Bremsbe­ tätigung beaufschlagbar ist. Diese Einrichtung 24 besitzt einen im Bremsträger 16 teilweise aufgenommenen Kolben 25 relativ kleinen Durchmessers. Der Kolben 25 erstreckt sich radial zur Radachse 11 und trägt radachsseitig an seinem frei aus dem Bremsträger 16 ragen­ den Abschnitt eine parallelachsig zur Radachse gelagerte Rolle 26 als Wälzkörper. Der Kolben 25 ist unter Durchdringung eines Dich­ tungsringes 27 längsbewegbar im Bremsträger 16 geführt und begrenzt mit seiner Stirnseite einen Verdrängerraum 28. Dieser ist durch ei­ nen Druckmittelschlauch 29 mit einem nicht dargestellten Zylinder des Kolbens 21 verbunden. Der Verdrängerraum 28, der Zylinder des Kolbens 21 und der eine Leitung zwischen beiden bildende Druckmit­ telschlauch 29 sind mit Druckflüssigkeit (Bremsflüssigkeit) gefüllt.

Die Scheibenbremse 10 ist mit einer elektromagnetischen Reibungs­ kupplung 32 zum Verbinden der Zuspanneinrichtung 20 bzw. der Ein­ richtung 24 zur Erzeugung hydraulischen Drucks mit einer Antriebs­ quelle versehen. Die gleichachsig zur Radachse 11 angeordnete Rei­ bungskupplung 32 besitzt eine mit dem Achsschenkel 15 verbundene, feststehende Kupplungshälfte 33, in der eine elektrische Wicklung 34 für die Erzeugung eines Magnetfeldes aufgenommen ist. Die andere Kupplungshälfte 35 der Reibungskupplung 32 ist zwischen der einen Kupplungshälfte 33 und der Bremsscheibe 13 angeordnet. Die Kupp­ lungshälfte 35, welche mittels eines Kupplungslagers 36 drehbar und axial verschiebbar auf dem Achsschenkel 15 gelagert ist, trägt auf der Seite der Bremsscheibe 13 einen Reibbelag 37. Die umfangsseitig die eine Kupplungshälfte 33 übergreifende andere Kupplungshälfte 35 ist in ihrem an den Schwimmsattel 17 angrenzenden Umfangsbereich mit einer Nockenbahn 38 versehen. An dieser Nockenbahn 38 ist die Rolle 26 des Kolbens 25 abgestützt (Fig. 2). In der Zeichnung befindet sich der Kolben 25 in seiner Ruhestellung, in welcher der Verdrän­ gerraum 28 sein größtes Volumen besitzt. In dieser Stellung des Kol­ bens 25 greifen die Reibbeläge 18.1 und 18.2 nicht an der Brems­ scheibe 13 an. Beiderseits des Kolbens 25 steigt die mit zur Kolben­ längsachse symmetrischer Kontur ausgebildete Nockenbahn 38 radial an, d. h. mit zunehmender Distanz zur Symmetrieachse vergrößert sich der Radialabstand der Nockenbahn zur Radachse 11. In der Stellung gemäß Fig. 2 verläuft dieser Nockenbahnanstieg entlang eines Win­ kels von etwa 45° beiderseits des Symmetrieachse.

Wirkungsweise

Zum Verzögern des mit der Radnabe 12 verbundenen Fahrzeugrades bzw. des Fahrzeuges sind die Reibbeläge 18.1 und 18.2 der Scheibenbremse 10 in bekannter Weise gegen die drehfest mit dem Fahrzeugrad gleich­ achsig verbundene Bremsscheibe 13 mit der Zuspanneinrichtung 20 an­ drückbar. Als Antriebsquelle für die Zuspanneinrichtung 20 dient das drehende Fahrzeugrad. Hierzu wird die Energie am rotierenden Fahr­ zeugrad mit der stufenlos steuerbaren Reibungskupplung 32 abgenommen und mit der Druckflüssigkeit als Energieträger über die als Pumpe wirkende Einrichtung 24 zur Erzeugung hydraulischen Drucks der Zu­ spanneinrichtung 20 wie folgt zugemessen: Zum Einleiten einer Brem­ sung wird in der Feldwicklung 34 der feststehend am Achsschenkel 15 angeordneten Kupplungshälfte 34 ein Magnetfeld erzeugt, mit dem die drehbar auf dem Achsschenkel 15 gelagerte andere Kupplungshälfte 35 in Reibschluß mit der Bremsscheibe 13 gebracht wird. Das von der Bremsscheibe 13 auf die Kupplungshälfte 35 übertragene Drehmoment bewirkt eine einen Bruchteil einer Umdrehung betragende Drehbewegung dieser Kupplungshälfte. Die Drehbewegung der Kupplungshälfte 35 überträgt sich mittels der Nockenbahn 38 auf den Kolben 25 der Ein­ richtung 24. Der hierdurch radial nach außen bewegte Kolben 25 ver­ drängt Druckflüssigkeit aus dem Verdrängerraum 28, so daß der Kolben 21 der Zuspanneinrichtung 20 einer Druckbeaufschlagung unterliegt. Der Kolben 21 führt einen Axialhub aus, aufgrund dem einerseits der Reibbelag 18.2 und andererseits über den Schwimmsattel 17 auch der Reibbelag 18.1 gegen die Bremsscheibe 13 gepreßt werden. Die zwi­ schen den Reibbelägen 18.1 und 18.2 durchdrehende Bremsscheibe 13 erfährt in Abhängigkeit von der Zuspannkraft eine Verzögerung. Dem­ entsprechend wird auch das mit der Scheibenbremse 10 ausgestattete Fahrzeugrad verzögert.

Das von der Reibungskupplung 32 übertragbare Moment und damit die Zuspannkraft der Reibbeläge 18.1 und 18.2 ist mit Hilfe des Erreger­ stroms in der Feldwicklung 34 einstellbar. Das Kupplungsmoment ist in gewissen Grenzen unabhängig von der Drehzahldifferenz zwischen der Kupplungshälfte 35 und der Bremsscheibe 13 und damit unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des mit der Scheibenbremse 10 ver­ sehene Fahrzeugrades. Bei einem mit einer derartigen Scheibenbremse 10 ausgestatteten Fahrzeug ist die bei einer Bremsung gewünschte Verzögerung direkt mit Hilfe des elektrischen Stromes für die An­ steuerung der Reibungskupplung 32 einstellbar.

Die Kontur der Nockenbahn 38 und das Verhältnis der wirksamen Kol­ benflächen am Kolben 25 der Einrichtung 24 zur Erzeugung hydrauli­ schen Drucks und am Kolben 21 der Zuspanneinrichtung 20 sind derart gewählt, daß der zum Zuspannen der Reibbeläge 18.1 und 18.2 erfor­ derliche Abrollweg des Fahrzeugrades und damit die Reaktionszeit zwischen dem Einleiten einer Bremsbetätigung und dem Eintreten der Bremswirkung sehr klein wird. Außerdem sind die Lagerung der Kupp­ lungshälfte 35 sowie der Kolben 21 und 25 reibungsarm ausgebildet, so daß beim Entbremsen, d. h. beim Vermindern oder Beenden des Reib­ schlusses zwischen der Kupplungshälfte 35 und der Bremsscheibe 13 sich die vorstehend genannten Elemente der Scheibenbremse 10 selbst­ tätig in ihre Ruheposition zurückbewegen und die Reibbeläge 18.1 und 18.2 die Bremsscheibe 13 freigeben können.

Mit der Scheibenbremse 10 ist das abgebremste Fahrzeugrad auch im Stillstand festhaltbar, indem das Magnetfeld der Reibungskupplung 32 aufrechterhalten wird, so daß die Kupplungshälfte 35 weiterhin in Reibschluß mit der Bremsscheibe 13 verbleibt und die Zuspanneinrich­ tung 20 betätigt. Aufgrund der symmetrischen Gestaltung der Nocken­ bahn 38 und der demzufolge in beiden Drehrichtungen des Fahrzeugra­ des wirksamen Einrichtung 24 zur Erzeugung hydraulischen Drucks ist die Scheibenbremse 10 aber auch bei Rückwärtsfahrt des Fahrzeugrades einsetzbar.

Während einer Bremsung tritt aufgrund des Reibschlupfes zwischen dem Reibbelag 37 der Kupplungshälfte 35 und der Bremsscheibe 13 Verlust­ wärme auf, die durch die luftumspülte Bremsscheibe abgeführt wird. In der Nichtbremsstellung ist dagegen der Reibschluß zwischen der Kupplung 32 und der Bremsscheibe 13 aufgehoben.

Um die Wirkung der Scheibenbremse 10 auch bei verschleißenden Reib­ belägen 18.1 und 18.2 aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, die Scheibenbremse 10 mit einer Verschleißausgleichseinrichtung auszu­ statten. Die nicht dargestellte Ausgleichseinrichtung kann im Be­ reich der Zuspanneinrichtung 20 angeordnet sein. Sie kann beispiels­ weise von einem sich in Abhängigkeit vom Reibbelagverschleiß längen­ den Kolben 21 gebildet sein.

Eine in Fig. 3 dargestellte Bremsanlage 41 beispielsweise für einen Personenkraftwagen weist vier Scheibenbremsen 10.1 bis 10.4 der vor­ stehend beschriebenen Art auf. Die Bremsanlage 41 ist mit einem Bremspedal 42 betätigbar, das auf einen Druckgeber 43 wirkt. An­ stelle des Druckgebers 43 kann auch ein Weg- bzw. Kraftsimulator 44 in Eingriff mit dem Bremspedal 42 stehen. Der Druckgeber 43 bzw. der Simulator 44 ist an ein elektronisches Steuergerät 45 mit einem Leitrechner der Bremsanlage 41 verbunden. Den Scheibenbremsen 10.1 bis 10.4 ist je ein elektronisches Radmodul 46.1 bis 46.4 zugeord­ net, das sich in einen Steuerteil 47 und einen Leistungsteil 48 gliedert. Die Steuerteile 47 stehen mit einem Datenbus 49 mit dem Steuergerät 45 in Verbindung; das Steuergerät 45 und die Radmodule 46.1 bis 46.4 sind mit Leitungen 50 an eine Batterie 51 zur Span­ nungsversorgung angeschlossen. Vom jeweiligen Leistungsteil 48 führt eine elektrische Steuerleitung 52 zur Reibungskupplung 32 der ent­ sprechenden Scheibenbremse 10.1 bis 10.4. Vom jeweiligen Steuerteil 47 führt eine Signalleitung 53 zu einem das Drehverhalten des der entsprechenden Scheibenbremse 10.1 bis 10.4 zugeordneten Fahrzeugra­ des überwachenden Drehzahlfühler 54.

Bei einer Betätigung des Bremspedales 42 steuert das elektronische Steuergerät 45 die Radmodule 46.1 bis 46.4 an, welche den für die gewünschte Verzögerung erforderlichen Erregerstrom für die Reibungs­ kupplungen 32 bemessen. Aufgrund der radindividuellen Überwachung des Raddrehverhaltens mittels der Drehzahlfühler 54 kann die Brems­ kraft an jeder Scheibenbremse 10.1 bis 10.4 entsprechend den Erfor­ dernissen eingestellt werden. Dabei sind radindividuelle Regelungen beispielsweise zur Erhöhung der Fahrstabilität oder des Anti­ blockierschutzes oder der Antriebsschlupfregelung möglich.

Die erfindungsgemäße Reibungsbremse sowie das erfindungsgemäße Ver­ fahren können auch bei einer Trommelbremse verwirklicht sein bzw. angewendet werden.

Claims (6)

1. Reibungsbremse, insbesondere Scheibenbremse (10), für Fahrzeuge, mit einem drehfest mit einem Fahrzeugrad gleichachsig verbundenen Reibglied (Bremsscheibe 13), mit wenigstens einem dem Reibglied (13) zugeordneten Reibbelag (18.1; 18.2), mit einer einen Kolben (21) aufweisenden Zuspanneinrichtung (20) zum Andrücken des Reibelags (18.1; 18.2) gegen das Reibglied (13) und mit einer Kupplung (32) zum Verbinden der Zuspanneinrichtung (20) mit einer Antriebsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsquelle für die Zuspannein­ richtung (20) das drehende Fahrzeugrad ist, daß die Kupplung eine gleichachsig zum Reibglied (13) angeordnete, elektromagnetische Rei­ bungskupplung (32) ist, deren eine Hälfte (33) wie die Zuspanneinrichtung (20) fetstehend angeord­ net und deren andere Hälfte (35) unabhängig vom Fahrzeugrad drehbar gelagert und in steuerbaren Reibschluß mit dem Reibglied (13) bring­ bar ist, und daß die andere Hälfte (35) der Reibungskupplung (32) auf eine Einrichtung (24) zur drehrichtungsunabhängigen Erzeugung hy­ draulischen Drucks einzuwirken vermag, mit dem die Zuspanneinrich­ tung (20) beaufschlagbar ist (Fig. 1).

2. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (24) zur drehrichtungsunabhängigen Erzeugung hydraulischen Druckes an der anderen Hälfte (35) der Kupplung (32) umfangsseitig eine Nockenbahn (38) umfasst, an der ein, auf einen Verdrängerraum (28) in der einen Hälfte (33) arbeitender radial angeordneter Kolben (25) wenigstens mit­ telbar abgestützt ist (Fig. 1 und 2).

3. Reibungskupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenbahn (38) beiderseits des in seiner Ruhestellung befindlichen Kolbens (25) vorzugsweise mit einer symmetrischen, mit zunehmender Distanz von der Symmetrieachse radial ansteigenden Kontur versehen ist (Fig. 2).

4. Reibungsbremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (25) mit einem Wälzkörper (Rolle 26) an der Nockenbahn (38) abgestützt ist (Fig. 1 und 2).

5. Reibungsbremse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (25) der Einrichtung (24) zur Erzeugung hydraulischen Drucks durch eine Leitung (Druckmittelschlauch 29) mit dem Kolben (21) der Zuspanneinrichtung (20) kommuniziert (Fig. 1).

6. Verfahren zum Abbremsen eines mit wenigstens einer Reibungsbremse (Scheibenbremse 10) ausgestatteten Fahrzeugs, bei dem wenigstens ein Reibbelag (18.1; 18.2) mit einer hydraulischen Zuspanneinrichtung (20) gegen ein Reibglied (Bremsscheibe 13) drückbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuspann-Energie an einem rotierenden Fahrzeugrad mit einer stufenlos steuerbaren Reibungskupplung (32) abgenommen, über eine einen Kolben (25) steuernde Nockenbahn (38) umgesetzt und mit Druckflüssig­ keit als Energieträger der Zuspanneinrichtung (20) zugemessen wird.