Beschreibung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Freilauf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Der schaltbare Freilauf ist insbesondere für eine elektromechanische Fahrzeugbremse vorgesehen, um diese zu einer Feststellbremse (Parkbremse) weiterzubilden. Die Erfindung betrifft auch eine elektromechanische Fahrzeugbremse mit einem schaltbaren Freilauf gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.

Freiläufe sind an sich bekannt, sie werden auch als richtungsgeschaltete Kupplungen bezeichnet. Ein Freilauf weist eine Welle und einen Außenring auf, wobei die Welle auch ein Innenring sein kann. Zwischen der Welle und dem Außenring sind Sperrelemente angeordnet, die eine Drehung der Welle gegenüber dem Außenring in einer Richtung, der sog. Freilaufrichtung, zulassen und gegen eine Drehung der Welle gegenüber dem Außenring in umgekehrter Richtung, der sog. Sperrrichtung, sperren.

Bei einem schaltbaren Freilauf können die Sperrelemente in eine Abschaltstellung gebracht werden, in der sie außer Funktion sind, d.h. in keiner Richtung gegen eine Drehung der Welle gegenüber dem Außenring sperren. In der Abschaltstellung ist die Welle in beiden Richtungen gegenüber dem Außenring drehbar. In einer Einschaltstellung hat ein schaltbarer Freilauf die übliche Funktion eines Freilaufs einer Drehbarkeit der Welle gegenüber dem Außenring in einer Richtung und einer Sperrung gegen eine Drehung in umgekehrter Richtung.

Ebenfalls sind elektromechanische Fahrzeugbremsen als Radbremsen für Kraftfahrzeuge bekannt. Eine elektromechanische Fahrzeugbremse weist üblicherweise eine elektromechanische Betätigungseinrichtung auf, mit der ein Reibbremsbelag zum Bremsen an einen mit einem Fahrzeugrad drehfesten Bremskörper drückbar ist. Der Bremskörper ist üblicherweise eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel. Die Betätigungseinrichtung weist üblicherweise einen Elektromotor und ein Rotations-/!" ranslations-Umsetzungsgetriebe auf, das eine drehende Antriebsbewegung des Elektromotors in eine translatorische Bewegung zum Drücken des Reibbremsbelags an den Bremskörper umsetzt. Als Rotations- /Translations-Umsetzungsgetriebe werden vielfach Schraubgetriebe, bei¬ spielsweise Spindeltriebe oder Rollengewindetriebe verwendet. Auch ist die Umsetzung der Rotations- in eine Translationsbewegung beispielsweise mittels eines schwenkbaren Nockens möglich. Dem Elektromotor und dem Rotations- /Translations-Umsetzungsgetriebe ist vielfach ein Untersetzungsgetriebe bei¬ spielsweise in Form eines Planetengetriebes zwischengeschaltet. Auch sind selbstverstärkende elektromechanische Fahrzeugbremsen bekannt, die eine Selbstverstärkungseinrichtung aufweisen, die eine vom drehenden Bremskörper auf den zum Bremsen gegen den Bremskörper gedrückten Reibbremsbelag ausgeübte Reibungskraft in eine Andruckkraft wandelt, die den Reibbremsbelag zusätzlich zu einer von der Betätigungseinrichtung aufgebrachten Andruckkraft an den Bremskörper drückt. Zur Selbstverstärkung sind Keil-, Rampen- und Hebelmechanismen bekannt.

Erläuterung und Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße schaltbare Freilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist einen Sperrelementekäfig auf, der die Sperrelemente in ihrem Abstand zueinander hält und der schwenkbar, d.h. um einen begrenzten Winkel drehbar ist. Durch Schwenken in einer Richtung wird der Sperrelementekäfig in eine Abschaltstellung gebracht und bringt dabei die Sperrelemente in deren Abschaltstellung, in der die Welle des Freilaufs gegenüber dem Außenring in beiden Richtungen drehbar ist. Durch Schwenken des Sperrelementekäfigs in umgekehrter Richtung gelangt der Sperrelementekäfig in eine Einschaltstellung und bringt dabei die Sperrelemente in deren Einschaltstellung, in der die Sperrelemente in einer Richtung gegen eine Drehung der Welle gegenüber dem Außenring sperren und eine Drehung in umgekehrter Richtung zulassen. Bei Verwendung von Kugeln, Rollen oder dgl. als Sperrelemente kann der Sperr¬ elementekäfig ähnlich einem Kugel- oder Rollenkäfig eines Wälzlagers ausgebildet sein, in dessen Taschen die Sperrelemente einliegen und durch Schwenken des Sperrelementekäfigs gemeinsam in Umfangsrichtung in die Abschalt- oder die Einschaltstellung bewegbar sind.

Die Erfindung hat den Vorteil eines vergleichsweise einfachen Aufbaus eines schaltbaren Freilaufs. Weiterer Vorteil der Erfindung ist die aktive und ge¬ meinsame Bewegung der Sperrelemente in die Einschalt- oder die Ab- schaltstellung durch Schwenken des Sperrelementekäfigs. Außerdem ermöglicht die Erfindung einen axial kurz bauenden schaltbaren Freilauf.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Freilaufs zum Gegenstand.

Es sind formschlüssig wirkende Freiläufe bekannt, beispielsweise Klinken- freilaufe. Anspruch 2 sieht einen reib- oder kraftschlüssig wirkenden Klemm¬ freilauf vor, dessen Sperrelemente Klemmkörper sind. Die Sperrwirkung in einer Drehrichtung wird durch Kraftschluss zwischen den Sperrelementen und der Welle oder dem Außenring erzielt. Dazu können die Welle und/oder der Außenring Laufbahnen aufweisen, die in einem Winkel zu einer Umfangsrichtung verlaufen und auf denen kugel- oder zylinderförmige Sperrelemente als Klemmkörper wälzen. Auch sind unrunde Klemmkörper in Verbindung mit konzentrischen Laufbahnen der Welle und des Außenrings für einen Klemmfreilauf möglich. Der Klemmfreilauf hat gegenüber einem formschlüssigen Freilauf den Vorteil, dass er leiser ist, mit größerer Schaltgeschwindigkeit arbeitet und bei gleichen Abmessungen ein größeres Sperrmoment aufweist.

Anspruch 3 sieht vor, dass ein Aktuator zum Schwenken des Sperrkörperkäfigs und damit zum Schalten des Freilaufs tangential und axial gesehen innerhalb von Stimrandflächen am Sperrelementekäfig angreift. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine axial kurze Ausbildung des Freilaufs.

Anspruch 4 sieht einen nach außen abstehenden Vorsprung, beispielsweise einen Hebel, am Sperrelementekäfig zum Schwenken in die Ein- und Abschaltstellung vor.

Zum Ein- und Abschalten des Freilaufs sieht Anspruch 5 eine gelenkige Verbindung des Aktuators bzw. eines Stößels des Aktuators mit dem Sperrelementekäfig vor. Die gelenkige Verbindung kann eine Gabel an dem nach außen stehenden Hebel des Sperrelementekäfigs aufweisen, die in axialer Richtung formschlüssig in einer Nut des Stößels des Aktuators einliegt (Anspruch 6).

Anspruch 7 sieht eine Rückstelleinrichtung vor, die den Sperrelementekäfig selbsttätig in die Abschaltstellung schwenkt. Gemäß Anspruch 6 kann die Rückstelleinrichtung ein Rückstellfederelement aufweisen. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat einen monostabilen schaltbaren Freilauf zum Gegenstand, bei dem die Abschaltstellung stabil ist und der selbsttätig von der Einschaltstelluπg in die Abschaltstellung umschaltet. Dadurch ist es möglich, eine mit dem Freilauf ausgerüstete elektromechanische Fahrzeugbremse bei Ausfall des Freilaufs oder seines Aktuators zu betätigen und zu lösen, d.h. die Fahrzeugbremse ist bei Ausfall des Freilaufs ohne Einschränkungen als Betriebsbremse benutzbar. Anspruch 9 sieht vor, dass das Rückstellfederelement an dem nach außen stehenden Hebel des Sperrelementekäfigs angreift und ausserhalb des Außenrings oder beispielsweise eines Gehäuses des Freilaufs angeordnet ist. Es weist vorzugsweise eine kleine Federrate auf. Gemäß Anspruch 10 ist das Rückstellfederelement im Aktuator vorgesehen. Mit beiden Ausgestaltungen der Erfindung wird eine Entkopplung des Rückstellfederelements bzw. der Rückstelleinrichtung vom Freilauf erreicht, das Rückstellfederelement stellt auch den Aktuator zurück.

Vorzugsweise findet ein Zweirichtungs-Aktuator Verwendung (Anspruch 10), der den Freilauf ein- und ausschaltet.

Anspruch 13 hat eine elektromechanische Fahrzeugbremse mit einem schaltbaren Freilauf der vorstehend erläuterten Art zum Gegenstand. Die Fahrzeug bremse ist dadurch zu einer Feststellbremse (Parkbremse) weitergebildet, sie lässt sich bei abgeschaltetem Freilauf unverändert als Betriebsbremse verwenden. Zum Feststellen der Fahrzeugbremse wird diese betätigt und der Freilauf eingeschaltet, so dass er gegen ein Rückdrehen der Betätigungseinrichtung und damit gegen ein Lösen der Fahrzeugbremse sperrt. Eine aufgebrachte Betätigungs- und Bremskraft bleibt unverändert auch bei stromloser Fahrzeugbremse aufrecht erhalten. Aufgrund einer mechanischen Verspannung der betätigten Fahrzeugbremse wird der eingeschaltete Freilauf in der Einschaltstellung gehalten, in der er gegen ein Lösen der Fahrzeugbremse sperrt. Durch die mechanische Verspannung der betätigten Fahrzeugbremse löst sich der Freilauf, auch wenn er monostabil ausgeführt ist, nicht selbsttätig. Erst durch ein Lösen der mechanischen Verspannung der Fahrzeugbremse durch Bestromung in Betätigungsrichtung löst sich der Freilauf, so dass die Fahrzeugbremse anschließend lösbar ist.

Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen schalt¬ baren Freilaufs;

Figur 2 eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen elektromechanischen Fahrzeugbremse;

Figur 3 eine Einzelheitdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung gemäß Pfeil IM in Figur 1 ; und

Figur 4 eine Draufsicht auf den Freilauf aus Figur 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Figur 1 dargestellte, erfindungsgemäße, schaltbare Freilauf 10 ist ein sog. Klemmfreilauf. Er weist eine Welle 12 und einen Außenring 14 auf, der zur Welle 12 konzentrisch ist. In einem im Querschnitt kreisringförmigen Zwischenraum zwischen der Welle 12 und dem Außenring 14 sind Klemmrollen 16 als Sperrelemente angeordnet. Der Außenring 14 ist mit Taschen 18 versehen, in denen die Klemmrollen 16 aufgenommen sind. Ein Grund der Taschen 18 verläuft in einem Winkel zu einer Umfangsrichtung der Welle 12 und des Außenrings 14, er bildet Laufbahnen 20, auf denen die Klemmrollen 16 wälzen. Außer den Klemmrollen 16 ist ein rohrförmiger Klemmrollenkäfig 22 im Zwischenraum zwischen der Welle 12 und dem Außenring 14 angeordnet, der Aussparungen 24 aufweist, in denen die Klemmrollen 16 drehbar einliegen. Der Klemmrollenkäfig 22, der allgemein auch als Sperrelementekäfig bezeichnet werden kann, hält die Klemmrollen 16 in ihrem Abstand voneinander. Jede Klemmrolle 16 wird von zwei Federn 26, 28 beaufschlagt, die einander entgegengesetzt in Umfangsrichtung wirken. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Federn 26, 28 als Schraubendruckfedern ausgeführt. Eine der beiden Federn 26 liegt in der Aussparung 24 des Klemmrollenkäfigs 22 ein, sie stützt sich am Klemmrollenkäfig 22 ab und beaufschlagt die Klemmrolle 16 in einer Sperrrichtung. Die jeweils andere Feder 28 ist in die Tasche 18 des Außenrings 14 eingesetzt, sie stützt sich am Außenring 14 ab und beaufschlagt die Klemmrolle 16 in einer Freilaufrichtung. Diese Feder 28 bildet eine Rückstellfeder und wird im Folgenden als solche bezeichnet.

Zum Schalten des Freilaufs 10 ist der Klemmrollenkäfig 22 um einen begrenzten Winkel schwenkbar. Zum Schwenken steht ein Hebel 30 radial nach außen vom Klemmrollenkäfig 22 ab, der einen Kopf 32 mit balligen Außenflächen 34 aufweist. Eine ballige Außenfläche 34 des Klemmrollenkäfigs 22 ist mit einem Stößel 36 eines Elektromagneten 38 beaufschlagbar. Der Elektromagnet 38 mit dem Stößel 36 bildet einen Aktuator 40 des Freilaufs 10. Anstelle des elektromechanischen Aktuators 40 kann beispielsweise auch ein hydraulischer oder pneumatischer Aktuator Verwendung finden (nicht dargestellt). Der Stößel 36 ist tangential zum Freilauf 10 angeordnet, der Aktuator 40 greift also tangential am Hebel 30 des Klemmrollenkäfigs 22 an. In axialer Richtung gesehen befindet sich der Aktuator 40 innerhalb zweier gedachter Stirnrandflächen, die den Freilauf 10 in axialer Richtung begrenzen. Durch diese Anordnung des Aktuators 40 ist ein axial kurz bauender Freilauf 10 möglich. Durch die ballige Außenfläche 34 am Kopf 32 des Hebels 30 ist eine Wirkungsrichtung des Aktuators 40 normal zum Kopf 30. Der dargestellte Aktuator 40 wirkt in einer Richtung, nämlich in Richtung einer Einschaltstellung des Freilaufs 10. Grundsätzlich ist auch ein in beiden Richtungen wirkender Aktuator möglich (nicht dargestellt).

Der Außenring 14 des Freilaufs 10 weist eine Aussparung 42 für den Durchtritt des Hebels 30 auf. Ränder der Aussparung 42 bilden Anschläge 44 für den Hebel 30, die einen Schwenkwinkel des Klemmrollenkäfigs 22 begrenzen. Zum Schutz des Hebels 30 sind der Hebel 30 und die Anschläge 44 so angeordnet und ausgerichtet, dass der Hebel 30 die Anschläge 44 flächig berührt. Als weitere Schutzmaßnahme ist eine Manschette 46 am Hebel 30 vorgesehen, mit der der Hebel 30 gegen die Anschläge 44 stößt. Die Manschette 46 hat die Form eines Federclips aus Blech. Scharfe Kanten sind im Bereich der Anschläge 44 vermieden, der Hebel 30 geht mit Rundungen 48 in den Klemmrollenkäfig 22 über.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Freilaufs 10 ist Folgende: In der dargestellten Einschaltstellung bewegt der Klemmrollenkäfig 22 die Klemmrollen 16 in Richtung eines enger werdenden Zwischenraums zwischen den Laufbahnen 20 in den Taschen 18 des Außenrings 14 und der Welle 12. Die Klemmrollen 16 liegen an der Welle 12 und an den Laufbahnen 20 an. Aufgrund eines Keileffekts sperren die Klemmrollen 16 gegen eine Drehung der Welle 12 in einer Sperrrichtung, die in Figur 1 mit dem Pfeil 49 angegeben ist. Die Sperrung ist kraft- bzw. reibschlüssig. In umgekehrter Richtung, der mit Pfeil 50 angegebenen Freilaufrichtung, ist die Welle 12 drehbar, da sie die an ihr anliegenden Klemmrollen 16 in Richtung eines größer werdenden Zwischenraums zwischen den Laufbahnen 20 und der Welle 12 beaufschlagt.

Eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Freilaufs 10 ist, dass die Welle 12, wenn sie in Sperrrichtung 44 vorgespannt ist und durch die in der Einschalt- oder Sperrstellung befindlichen Klemmrollen 16 gesperrt ist, die Sperrung aufrecht erhält, auch wenn der Aktuator 40 ausgeschaltet wird. Die Vorspannung der Welle 12 muss dabei ausreichen, um die Klemmrollen 16 gegen die Kraft der Rückstellfedern 28 in der Sperrstellung zu halten.

Zum Abschalten des Freilaufs 10 wird der Aktuator 40 ausgeschaltet und die Rückstellfedern 28 drücken die Klemmrollen 16 in Richtung des größer werdenden Abstands zwischen den Laufbahnen 20 und der Welle 12, vorausgesetzt die Welle 12 ist nicht vorgespannt. Dabei heben die Rückstellfedern 28 und die ihnen entgegenwirkenden, in den Klemmrollenkäfig 22 eingesetzten Federn 26 die Klemmrollen 16 nach außen von der Welle 12 ab, die Welle 12 ist in beiden Richtungen frei drehbar. Da die Klemmrollen 16 in der Abschaltstellung von der Welle 12 abgehoben sind, bewirken sie keine Reibung und keinen Verschleiß mit der Welle 12. Über die Klemmrollen 16 und die in den Klemmrollenkäfig 22 eingesetzten Federn 26 schwenken die Rückstellfedern 28 den Klemmrollenkäfig 22 in eine Abschaltstellung, in Figur 1 im Uhrzeigersinn.

Anstelle der in der Zeichnung dargestellten, auf jede Klemmrolle 16 wirkenden Rückstellfedern 28 ist auch eine gemeinsame Rückstellfeder möglich, die sich am Außenring 14 abstützt und den Klemmrollenkäfig 22 in Richtung der Abschalt¬ stellung beaufschlagt (nicht dargestellt). Eine solche Rückstellfeder kann beispielsweise eine Zug- oder Druckfeder sein, die am Hebel 30 des Klemmrollenkäfigs 22 angreift. Auch eine schrauben- oder spiralförmig gewickelte Torsionsfeder, die am Außenring 14 und am Klemmrollenkäfig 22 angreift ist als Rückstellfeder möglich. Die dargestellte Rückstellung mit einer Rückstellfeder 28 für jede Klemmrolle 16 ist aufwendiger, hat jedoch den Vorteil, dass jede Klemmrolle 16 in Richtung der Abschaltstellung beaufschlagt wird. Bei nur einer, auf den Klemmrollenkäfig 22 wirkenden Rückstellfeder kann aufgrund von Toleranzen im Extremfall die gesamte Rückstellkraft auf eine einzige Klemmrolle 16 wirken.

Die in Figur 2 als mechanischer Schaltplan dargestellte, erfindungsgemäße, elektromechanische Fahrzeugbremse 52 ist als Radbremse für einen Kraftwagen vorgesehen. Sie weist eine elektromechanische Betätigungseinrichtung 54 auf, mit der ein nicht einzeln dargestellter Reibbremsbelag zum Bremsen an einen Bremskörper, beispielsweise eine Bremsscheibe 56 drückbar ist. Derartige Fahrzeugbremsen sind in unterschiedlichen Konstruktionen an sich bekannt und sollen deswegen an dieser Stelle nicht im einzelnen erläutert werden. Die Betätigungseinrichtung 54 weist einen Elektromotor 58 auf, mit dem über ein Untersetzungsgetriebe 60 ein Rotations-/Translations-Umsetzungsgetriebe 62 beispielsweise in Form eines Gewindetriebs antreib bar ist. Das Rotations- /Translations-Umsetzungsgetriebe 62 setzt eine drehende Antriebsbewegung des Elektromotors 58 in eine Translationsbewegung zum Drücken des Reibbremsbelags an die Bremsscheibe 56 um. Soweit bis hierher beschrieben ist die etektromechanische Fahrzeugbremse 52 eine Betriebsbremse.

Auf einer Motorwelle des Elektromotors 58 ist der oben beschriebene, schaltbare Freilauf 10 angeordnet. Die Freilaufrichtung des Freilaufs 10 ist in Betätigungsrichtung der Fahrzeugbremse 52 und die Sperrrichtung des Freilaufs 10 in Löserichtung der Fahrzeugbremse 52 gewählt. In der Abschaltstellung des Freilaufs 10 bildet die Fahrzeugbremse 52 eine betätig- und lösbare Betriebsbremse. Nach Umschalten des Freilaufs 10 in die Einschaltstellung kann die Fahrzeugbremse 52 nur betätigt, d.h. zugespannt, jedoch nicht mehr gelöst werden. Eine einmal aufgebrachte Bremskraft bleibt aufrecht erhalten. Die Fahrzeugbremse 10 bildet in diesem Fall eine Feststellbremse (Parkbremse). Da die betätigte Fahrzeugbremse 52 die Motorwelle des Elektromotors 58 in Löserichtung der Fahrzeugbremse 52 und damit in Sperrrichtung des Freilaufs 10 beaufschlagt, bleibt der Freilauf 10 wie weiter oben beschrieben auch dann gesperrt, wenn sein Aktuator 40 abgeschaltet ist. Die einmal aufgebaute Feststellbremskraft bleibt dadurch bei energieloser Fahrzeugbremse 52 aufrecht erhalten. Zum Lösen muss die. Vorspannung der Motorwelle durch Bestromen des Elektromotors 58 in Betätigungsrichtung abgebaut werden, woraufhin sich der Freilauf 10 in weiter oben beschriebener Weise selbsttätig löst, d.h. in die Abschaltstellung umschaltet.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren 3 und 4 werden für mit Figur 1 gleiche Elemente gleiche Bezugszahlen verwendet. Es werden im wesentlichen nur die Unterschiede zu Figur 1 erläutert und im Übrigen auf die obigen Ausführungen zu Figuren 1 und 2 verwiesen. Bei der in Figuren 3 und 4 dargestellten Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Freilaufs 10 ist der Hebel 30 des Klemmrollenkäfigs 22 schwenkbar mit dem Stößel 36 des Aktuators 40 verbunden. Zur schwenkbaren Verbindung weist der Hebel 30 eine Gabel 64 auf, die in axialer Richtung formschlüssig in einer Nut 66 des Stößels 36 einliegt. Der Hebel 30 läßt sich dadurch mit dem Stößel 36 in beiden Richtungen bewegen und der Klemmrollenkäfig 22 in beiden Richtungen schwenken. Der Freilauf 10 ist dadurch mit dem Stößel 36 ein- und abschaltbar.

Zum Abschalten des Freilaufs 10 kann eine Rückstellfeder 68 außerhalb des Freilaufs 10 in Verlängerung des Stößels 36 angeordnet sein, die ein Stirnende des Stößels 36 beaufschlagt. Eine weitere Möglichkeit ist eine in den Aktuator 40 integrierte Rückstellfeder 70, die in Figuren 3 und 4 symbolisch dargestellt ist. Auch ist die Verwendung eines Zweirichtungs-Aktuators 40 möglich, womit ein Aktuator 40 gemeint ist, mit dem der Stößel 36 in beiden Richtungen bewegbar ist. In Figuren 3 und 4 sind alle drei genannten Möglichkeiten dargestellt, in der praktischen Ausführung des Freilaufs 10 genügt eine der drei Möglichkeiten. Die im Freilauf 10 angeordneten Rückstellfedern 28 können entfallen, wenn eine der Rückstellfedern 68, 70 außerhalb des Freilaufs 10 und/oder ein Zweirichtungs- Aktuator 40 eingesetzt werden.

Figur 4 zeigt auch die Anordnung des Aktuators innerhalbe gedachter Stimrandflächen des Freilaufs 10.