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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Bremsvorrichtungen, und insbesondere eine Vorrichtung
für eine
Scheibenbremse.
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Scheibenbremsvorrichtungen
zum Bremsen von Fahrzeugen, wie beispielsweise Fahrrädern, werden
dadurch betrieben, dass Reibung auf einen Scheibenbremsrotor aufgebracht
wird, der nichtdrehbar an einem Laufrad montiert ist. Dokument
US 6,244,393 B1 offenbart
eine Vorrichtung für
eine Scheibenbremse gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Ein weiteres Beispiel für eine derartige Vorrichtung
ist im Dokument
GB 2129878
A offenbart. Ein bekanntes Beispiel einer derartigen Scheibenbremsvorrichtung
ist eine Bremsvorrichtung vom Kolbenrückzugtyp, die in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung 10-325432 offenbart
ist. Bei dieser Vorrichtung weist ein Bremssattel Innenumfangsflächen auf,
die ein Paar von gegenüberliegenden
zylindrischen Öffnungen
bilden, einen Kolben, der in jeder zylindrischen Öffnung gleitend
verschieblich montiert ist, und eine elastische Kolbenringdichtung,
die den Freiraum zwischen dem Kolben und der Innenumfangsfläche der
zylindrischen Öffnung
dicht verschließt.
Insbesondere ist jeder Kolbenring in einer ringförmigen Dichtungsnut montiert,
die in der Innenumfangsfläche
des zugehörigen
Zylinders ausgebildet ist. Ein Bewegungsbegrenzungsteil ist in der Dichtungsnut
ausgebildet, um eine Bewegung eines Außenumfangsabschnittes des Kolbenrings
in Bremsrichtung zu begrenzen, und ein Bewegungsgestattungsteil
ist in der Dichtungsnut ausgebildet, um eine Bewegung eines Innenumfangsabschnitts
des Kolbenrings in Bremsrichtung zuzulassen. Der Bewegungsgestattungsteil
weist typischerweise die Form einer Fläche auf, die sich vom Bewegungsbegrenzungsteil
radial nach innen erstreckt und in der Bremsrichtung geneigt ist.
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Wenn
die Scheibenbremse aktiviert wird, bewegt sich der Kolben in Bremsrichtung,
um einen Bremsbelag zum Scheibenbremsrotor hin zu drücken. Der
Kolbenring hat die Tendenz, sich mit dem Kolben zu bewegen, und
zwar als Ergebnis des Reibungskontaktes zwischen der Innenumfangsfläche des
Kolbenrings und der Außenumfangsfläche des Kolbens.
Jedoch wird eine derartige Bewegung im Allgemeinen durch den Bewegungsbegrenzungsteil der
Dichtungsnut blockiert. Andererseits fährt ein Innenumfangsabschnitt
des Kolbenrings damit fort, sich mit dem Kolben zu bewegen, und
biegt sich zur Fläche
des Bewegungsgestattungsteils hin. Die elastische Nachgiebigkeit
des Kolbenrings, und insbesondere die Energie, die im Innenumfangsabschnitt des
Kolbenrings gespeichert ist, der sich zur Fläche des Bewegungsgestattungsteils
hin biegt, wird verwendet, um den Kolben vom Scheibenbremsrotor wegzuziehen,
wenn die Bremse freigegeben wird.
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Da
der Bewegungsgestattungsteil typischerweise die Form einer Fläche hat,
die bezüglich
dem Bewegungsbegrenzungsteil geneigt ist, besteht beim Kontaktpunkt
zwischen dem Kolbenring und der Dichtungsnut, die als Drehpunkt
für den
sich biegenden Abschnitt des Kolbenrings dient, die Tendenz, dass
er sich radial nach innen bewegt, wenn sich der Innenumfangsabschnitt
des Kolbenrings in Bremsrichtung biegt. Dies bewirkt wiederum eine
Zunahme des Elastizitätsmoduls
(Federkonstante) des Kolbenrings, was zu einer größeren Kolbenringverschiebung
relativ zur aufgebrachten Last führt,
und einer entsprechenden Beeinträchtigung
des Bremsge fühls,
bedingt durch eine Variation des Backenfreiraums und des Bremsfreigabe-Zeitablaufs.
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INHALT DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft verschiedene Merkmale einer Vorrichtung für eine Scheibenbremse.
Bei einer Ausführungsform
beinhaltet eine Vorrichtung für eine
Scheibenbremse einen Sattelkörper,
der eine Innenumfangsfläche
und eine an der Innenumfangsfläche
angeordnete Dichtungsnut aufweist. Die Innenumfangsfläche ist
dimensioniert, um einen Kolben gleitend verschieblich aufzunehmen,
wobei sich der Kolben in Richtung einer Bremsrichtungsachse bewegt,
und die Dichtungsnut ist dimensioniert, um eine Dichtung aufzunehmen,
so dass die Dichtung einen Zwischenraum zwischen der Innenumfangsfläche und
dem Kolben dicht verschließen
kann. Die Dichtungsnut weist einen Bewegungsbegrenzungsteil auf,
der eine Bewegung der Dichtung in Richtung der Bremsrichtungsachse
begrenzt, und einen Bewegungsgestattungsteil, der als radial nach
innen weisende Stufe ausgebildet ist. Zusätzliche erfinderische Merkmale
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung klar hervor, und derartige
Merkmale, allein oder in Kombination mit den zuvor aufgeführten Merkmalen,
können
die Basis weiterer Erfindungen bilden, wie in den Ansprüchen dargelegt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenansicht einer speziellen Ausführungsform eines Fahrrades;
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2 ist
eine partielle Querschnittansicht einer speziellen Ausführungsform
einer Scheibenbremsvorrichtung;
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3 ist
eine detaillierte Querschnittansicht einer speziellen Ausführungsform
einer Dichtungsnut;
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4A–4E stellen
eine Verformung eines Kolbenrings dar, der in der in 3 dargestellten Dichtungsnut
angeordnet ist, und zwar bei einer Bewegung des zugehörigen Kolbens
in Bremsrichtung;
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5A–5E stellen
eine Verformung eines Kolbenrings dar, der in einer herkömmlichen Dichtungsnut
angeordnet ist, und zwar bei einer Bewegung des zugehörigen Kolbens
in Bremsrichtung; und
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6 ist
ein Graph von Kolbenringverschiebung relativ zur Last, entsprechend
den in 4A–4E und 5A–5E dargestellten Beispielen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
eine Seitenansicht einer speziellen Ausführungsform eines Fahrrades 1.
Das Fahrrad 1 ist ein Mountain-Bike, das einen Rahmen 2 mit
einer hinteren Aufhängung 13r,
einer Vordergabel 3, die eine vordere Aufhängung 13f beinhaltet
und an der Vorderseite des Rahmens 2 für eine Rotation um eine geneigte
Achse montiert ist, eine Lenkstangenbaugruppe 4, die am
oberen Teil der Gabel 3 montiert ist, ein Vorderrad 6,
das am unteren Teil der Gabel 3 drehbar befestigt ist,
ein Hinterrad 7, das am hinteren Teil des Rahmens 2 drehbar
befestigt ist, einen Antriebsmechanismus 5, der ein vorderes Übertragungsglied 8 und
ein hinteres Übertragungsglied 9 beinhaltet,
und einen Sattel 18 aufweist, der an einem oberen mittleren
Abschnitt des Rahmens 2 montiert ist.
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Eine
Vorderrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12f arbeitet in
Verbindung mit einem vorderen Scheibenbremsrotor 20f, der
an einer Nabe 6a eines Vorderrades 6 befestigt
ist, um ein Vorderrad 6 zu bremsen, und eine Hinterrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12r arbeitet
in Verbindung mit einem hinteren Scheibenbremsrotor 20r,
der an einer Nabe 7a eines Hinterrades 7 befestigt
ist, um ein Hinterrad 7 zu bremsen. Bremshebelbaugruppen 15 sind
an beiden Enden einer Lenkstangenbaugruppe 4 vorgesehen
(lediglich eine einzige Bremshebelbaugruppe 15 ist in 1 dargestellt).
Die eine Bremshebelbaugruppe 15 ist mit einer Vorderrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12f über eine
Rohrleitung 16 verbunden, um ein Hydraulikbremsfluid der
Vorderrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12f zuzuführen, und
die andere Bremshebelbaugruppe 15 ist mit der Hinterrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12r über eine
Rohrleitung 17 verbunden, um der Hinterrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12r Hydraulikbremsfluid
zuzuführen.
Die Vorder- und Hinterrad-Scheibenbremssattelbaugruppen 12f und 12r weisen
im Wesentlichen die gleiche Struktur auf, und daher wird hier lediglich
die Vorderrad-Scheibenbremssattelbaugruppe 12f detailliert
beschrieben.
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Wie
in 2 dargestellt, beinhaltet die vordere Scheibenbremssattelbaugruppe 12f einen
Sattel 21, ein Paar von Kolben 22a und 22b,
die in zylindrischen Öffnungen 30a und 30b gleitend
verschieblich montiert sind, die durch Innenumfangsflächen des
Sattels 21 ausgebildet sind, und ein Paar von Kolbenringen 23a und 23b,
die in entsprechenden Dichtungsnuten 31a und 31b montiert
sind, die durch die Innenumfangsflächen ausgebildet sind, welche Öffnungen 30a und 30b definieren.
Bei dieser Ausführungsform
weist der Sattel 21 eine zweiteilige Struktur auf, die
eine Öffnung 21a definiert,
welche dimensioniert ist, um den Außenumfang des vorderen Schei benbremsrotors 20f aufzunehmen.
Die Öffnung 30a ist
durch den Körper
des Sattels 21 verschlossen, hingegen ist die Öffnung 30b durch
einen Deckel 34 verschlossen, der in den Sattel 21 eingeschraubt
ist. (Nicht dargestellte) Ölkanäle sind
im Sattel 21 ausgebildet, um Hydraulikbremsfluid von der
Bremsrohrleitung 16 in Öffnungen 30a und 30b weiterzuleiten,
ansprechend auf die Betätigung
der zugehörigen
Bremshebelbaugruppe 15.
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Kolben 22a und 22b sind
zylinderförmige Elemente
mit entsprechenden Bünden 32a und 32b, die
dem vorderen Scheibenbremsrotor 20f zugewandt sind. Bremsbeläge 33a und 33b sind
an den Bünden 32a bzw. 32b montiert,
um mit dem vorderen Scheibenbremsrotor 20f in Kontakt zu
kommen. Kolbenringe 23a und 23b sind in Dichtungsnuten 31a und 31b montiert,
so dass sie mit den Außenumfangsflächen der
Kolben 22a bzw. 22b in Kontakt kommen. Als Ergebnis
fungieren die Kolbenringe 23a und 23b als Dichtungen,
um dadurch den Freiraum zwischen den Kolben 22a und 22b und
den die Öffnungen 30a und 30b definierenden
Innenumfangsflächen
dicht zu verschließen.
Ein derartiger Kontakt mit den Kolben 22a und 22b bringt
auch die Kolben 22a und 22b durch elastische Federwirkung
in die Bremsenfreigabeposition zurück. Kolbenringe 23a und 23b beinhalten
ringförmige
Elemente mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt und können beispielsweise
aus Nitrilkautschuk (NBR), einschließlich hydriertem Nitrilkautschuk
(HNBR), ausgebildet sein.
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3 ist
eine detaillierte Querschnittansicht einer Dichtungsnut 31b.
Die Dichtungsnut 31a ist in gleicher Weise aufgebaut, jedoch
spiegelbildlich. Demgemäß sind die
entsprechenden Bezugszeichen für
die Dichtungsnut 31a ebenfalls dargestellt, jedoch entfällt eine
separate Beschreibung. Wie in 3 dargestellt,
beinhalten die Dichtungsnuten 31a und 31b eine
Innenumfangsfläche 31c,
einen Bewegungsbegrenzungsteil, der durch eine Fläche 35a gebildet
ist, die sich von der Innenumfangsfläche 31c radial nach
innen erstreckt, und einen Bewegungsgestattungsteil, der durch eine
gestufte Fläche 36b und eine
sich von der gestuften Fläche 36b radial
nach innen erstreckende Fläche 37b ausgebildet
ist. Die Fläche 35b,
die den Bewegungsbegrenzungsteil bildet, begrenzt eine axiale Bewegung
eines radial äußeren Abschnittes
eines Kolbenrings 23b in Richtung einer Bremsrichtungsachse
X, wenn sich der Kolben 22b zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f hin
bewegt. Andererseits gestatten die Flächen 36b und 37b, welche
den Bewegungsgestattungsteil bilden, eine axiale Bewegung eines
radial inneren Abschnittes des Kolbenrings 23b zum vorderen
Scheibenbremsrotor 20f zusammen mit dem Kolben 22b.
Die Innenumfangsfläche 31c der
Dichtungsnut 31b ist eine konisch zulaufende Fläche, die
sich in Richtung der Bremsrichtungsachse X zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f hin
radial nach außen
erweitert. Ein Ausbilden der Innenumfangsfläche 31c in dieser Weise
gestattet, dass die Innenumfangsfläche des Kolbenrings 23b am
Abschnitt des Kolbenrings 23b, die vom vorderen Scheibenbremsrotor 20f weg weist,
mit der Außenumfangsfläche des
Kolbens 22b fester in Kontakt ist als die Innenumfangsfläche des Kolbenrings 23b an
dem dem vorderen Scheibenbremsrotor 20f zugewandten Abschnitt
des Kolbenrings 23b, insbesondere wenn der Kolbenring 23b einen
rechteckigen Querschnitt aufweist. Derartige differenzielle Kontaktkräfte fördern die
Verformung des radial inneren Abschnittes des Kolbenrings 23b zur Fläche 37b hin,
wenn sich der Kolben 22b zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f hin
bewegt.
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Im
Allgemeinen erstreckt sich die Fläche 35b radial nach
innen von der Innenumfangsfläche 31c im
Wesentlichen senkrecht zur Brems richtungsachse X, die Fläche 36b erstreckt
sich von der Fläche 35b im
Wesentlichen parallel zur Bremsrichtungsachse X und dieser zugewandt,
und die Fläche 37b erstreckt sich
von der Fläche 36b radial
nach innen im Wesentlichen senkrecht zur Bremsrichtungsachse X.
Somit weist die Fläche 36b insgesamt
zylindrische Form auf, ist parallel zum Kolben 22b und
der Bremsrichtungsachse X, und ist im Wesentlichen senkrecht sowohl
zur Fläche 35b als
auch 37b. Ein Übergang
zwischen den Flächen 35b und 36b bildet
eine abgerundete Ecke mit einem Krümmungsradius R1 zwischen ungefähr 0,1 mm
und ungefähr
0,5 mm, und eine Verbindungsstelle zwischen den Flächen 36b und 37b bildet
eine abgerundete Ecke mit einem Krümmungsradius R2 zwischen ca.
0,1 mm und ca. 0,5 mm.
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Wenn
die Bremshebelbaugruppe 15 betätigt wird, um den Öffnungen 30a und 30b ein
Hydraulikfluid zuzuführen,
werden die Kolben 22a und 22b zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f hin
bewegt, und die Bremsbeläge 33a und 33b drücken gegen den
vorderen Scheibenbremsrotor 20f und bringen eine Reibungskraft
auf diesen auf, wodurch das Vorderrad 6 gebremst wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wie durch eine ausgeführte Simulation in 4A–4E dargestellt,
die Bewegung der radial äußeren Abschnitte
der Kolbenringe 23a und 23b zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f hin
durch die Flächen 35a und 35b begrenzt,
jedoch setzen die radial inneren Abschnitte der Kolbenringe 23a und 23b die
Bewegung zum vorderen Scheibenbremsrotor 20f fort, als
Ergebnis des Reibungskontaktes zwischen den Kolbenringen 23a und 23b und
den zugehörigen
Kolben 22a und 22b. Dies wiederum bewirkt ein
Biegen bei den Kolbenringen 23a und 23b an der Verbindungsstelle
der Flächen 35a und 35b und
den Flächen 36a, 36b.
Diese Bewegung setzt sich fort, bis der Kolbenring 23b mit
der Fläche 37b in
Kontakt kommt und einen Raum an einer Verbindungsstelle zwischen
den Flächen 36b und 37b bildet.
Aufgrund des Aufbaus der gestuften Flächen 36a und 36b ist die
Drehpunktposition 40 für
den Biegeabschnitt von jedem Kolbenring 23a und 23b immer
in der Nähe der
Ecken, die an den Verbindungsstellen der Flächen 35a, 35b und 36a, 36b ausgebildet
sind. Dadurch wird eine niedrige Federkonstante für die Kolbenringe 23a und 23b beibehalten.
Wenn der hydraulische Druck nachgelassen wird, werden durch die
Federkraft der Kolbenringe 23a und 23b die Kolben 22a und 22b vom
vorderen Scheibenbremsrotor 20f weggezogen, und die Kolbenringe
kehren in den in 4A dargestellten Zustand zurück.
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5A–5E zeigen
die entsprechende Bewegung eines Kolbenrings 123b in einer
ausgeführten
Simulation einer herkömmlichen
Bremssattelstruktur. Wie in diesen Figuren dargestellt, bewegt sich
eine Drehpunktposition 140 für den Biegeabschnitt eines
Kolbenrings 123b radial nach innen entlang einer Bewegungsgestattungsfläche 136b während einer
Betätigung
der Sattelbaugruppe.
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6 ist
ein Graph, der die Last (Reibungskraft zwischen Kolben und Kolbenring)
als Funktion der Verschiebung (Ausmaß der Kolbenbewegung) für die in 4A–4E,
sowie 5A–5E dargestellten
Simulationen zeigt. In den Simulationen wurde eine Last von 1 bis
10 kgF auf die Kolben aufgebracht, was zu der Kolbenverformung führt, die
in 4A–4E sowie 5A–5E dargestellt ist.
In 6 geben die weißen Dreiecke die Beziehung
zwischen Verschiebung und Last für
den in der Dichtungsnut 31b montierten Kolbenring 23b für jede in 4A–4E dargestellte
Situation an, und die schwarzen Kreise geben die Beziehung zwischen Verschiebung
und Last für
den in einer herkömmlichen
Dichtungsnut montierten Kolbenring 123b für eine jeweilige
in 5A–5E dargestellte
Situation an. In 6 gibt FMAX die maximale Reibung zwischen
dem Kolbenring und dem Kolben unter allen Bedingungen an, hingegen
gibt FMIN die minimale Reibung zwischen dem Kolbenring und dem Kolben
unter allen Bedingungen an. Je geringer die Verschiebung zwischen
FMAX und FMIN, desto geringer die Kolbenbewegung weg vom vorderen
Scheibenbremsrotor 20f (Rückzug), und somit das Backenspiel,
wenn die Bremsen freigegeben werden. Dies führt auch zu einem besseren
Bremsgefühl.
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Wie
in 6 dargestellt, kam der Kolbenring 23b mit
der Fläche 37b des
Bewegungsgestattungsbauelementes 37b bei ca. 0,35 mm in
Kontakt. Als Ergebnis gab es einen Wendepunkt bei der Verschiebung,
und die Variation bei der Verschiebung relativ zur Last (Reibung)
war geringer. Insbesondere betrug die Verschiebung RB1 zwischen
FMAX und FMIN ca. 0,05 mm. Andererseits erfolgt, da sich mit Zunahme
der Last die Drehpunktposition 140 für den herkömmlichen Kolbenring 123b radial
nach innen bewegt, wie in 5A–5E dargestellt,
dementsprechend eine Zunahme der Federkonstante des Kolbenrings 123b.
Dies führt
zu einer Verschiebung RB2 von 0,18 mm zwischen FMAX und FMIN. Die Variation
bei der Kolbenverschiebung bei Freigabe der Bremse war bei der vorliegenden
Ausführungsform,
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Sattelbaugruppe, um ca. 60 bis 70% niedriger.
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Zwar
wurden zuvor verschiedene Ausführungsformen
erfinderischer Merkmale beschrieben, jedoch können weitere Modifikationen
verwendet werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen,
der durch die anliegenden Ansprüche
definiert ist.
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Größe, Form,
Ort und Orientierung der verschiedenen Bauelemente können nach
Wunsch verändert
werden. Bauelemente, die als direkt miteinander verbunden oder in
Kontakt stehend dargestellt sind, können zwischen diesen angeordnete
Zwischenstrukturen haben. Die Funktionen eines einzigen Elementes
können
durch zwei Elemente ausgeführt
werden, und umgekehrt. Die Strukturen und Funktionen einer Ausführungsform
können
bei einer weiteren Ausführungsform
verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, dass in einer speziellen
Ausführungsform
alle Vorteile gleichzeitig vorhanden sind.