Selbstverstärkende Scheibenbremse mit Keilelementen

Die Erfindung betrifft eine Scheibenbremse, insbesondere eine Teilbelagscheibenbremse, mit einem elektromechanischen Aktuator und einer Zuspannvorrichtung in selbstverstärkender Bauart, die eine Keilanordnung aufweist, welche dazu ausleget ist, einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe zu drücken.

Eine selbstverstärkende Scheibenbremse mit einer Keilanordnung ist beispielsweise aus der DE 1 291 951 bekannt.

Diese Schrift beschreibt eine hydraulisch zu betätigende Teilbelagscheibenbremse mit einem die Bremsscheibe umgreifenden Bremssattel bzw. -rahmen und einer von der hydraulischen Betätigungsvorrichtung unabhängigen, mit einem Seilzug zu betätigenden Zuspannvorrichtung zur Durchführung von Feststellbremsungen.

Zwischen dem Bremskolben und der Bremsbacke bzw. dem Bremsbelag sind keilförmige Platten angeordnet, die mit ihren Keilflächen aneinanderliegend, gegeneinander verschiebbar sind, und von denen die dem Bremskolben zugekehrte Platte sich am Bremszylinder oder Bremssattel bzw. -rahmen abstützt. Dabei hat die vom Bremskolben beaufschlagbare Platte die Form einer Pyramide, vorzugsweise eines Pyramidenstumpfes, mit deren bzw. mit dessen einem Schrägflächenpaar gegeneinander verschiebbare keile zur mechanischen Bremsbetätigung und mit deren anderen Schrägflächenpaar gegeneinander verstellbare Keile zum Nachstellen des Bremslüftspiels zusammenwirken.

Nachteilig an dieser Scheibenbremse ist die schlechte Regelbarkeit. Daher ist es zweckmäßig, als Aktuator einen Elektromotor einzusetzen, der den Vorteil einer guten Steuer- und Regelbarkeit besitzt. Die Regelung kann auf verschiedenste Weise rechnerisch ggf. unter Einbezug von Sensor- oder Vorgabegrößen der Bremsung erfolgen.

An einer derartigen Anordnung wäre allerdings immer noch nachteilig, dass sie einen relativ komplizierten Aufbau besäße.

Die Erfindung hat die Aufgabe, dieses Problem zu beheben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Sie schafft eine Scheibenbremse, insbesondere Teilbelagscheibenbremse, mit einem elektromechanischen Aktuator und einer Zuspannvorrichtung in selbstverstärkender Bauart, die als Selbstverstärkungseinrichtung eine Keilanordnung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, einen Bremsbelag gegen eine Bremsscheibe zu drücken, wobei zum Zuspannen des zuspannseitigen wenigstens zwei relativ zueinander bewegliche Keilelemente an einem Bremssattel bzw. -rahmen oder an einem Hilfsrahmen angeordnet sind, welche dazu ausgelegt sind, auf den Bremsbelag über eine trapezförmige Druckplatte - Keilplatte - einzuwirken.

Besonders bevorzugt realisiert sie eine Auslegung dieser Anordnung derart, dass eine Einheit aus den Keilelementen und der Bremsbelageinheit in Anlage an der Bremsscheibe bei Bremsungen gemeinsam am Bremssattel oder am Hilfsrahmen parallel zur Bremsscheibenreibfläche gegen Anschläge beweglich ist, an denen sie sich bei Bremsungen abstützt.

Vorteilhaft ist die derart erreichbare Abstützung der Zuspannkräfte am Bremssattel, ohne den Aktuator zu belasten. Dabei ist die Anordnung für Bremsungen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung geeignet und insbesondere auch für Parkbremsungen, auch auf

Fähren, wo die Neigung des Fahrzeuges ständig wechseln kann. Die Bremse besitzt zudem einen konstruktiv grundsätzlich einfachen Aufbau.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei auch die Funktion im Detail beleuchtet und weitere Vorteile der Erfindung beschrieben werden. Es zeigen: Fig. Ia eine schnittartige Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Scheibenbremse mit vereinfachter Darstellung der

Zuspannvorrichtung und ohne eine Darstellung des Elektromotors als Antrieb; Fig. Ib einen Ausschnitt aus Fig. Ia mit einer Darstellung der Kräfte bei einer

Bremsung; Fig. 2a-d den Ablauf einer Bremsung anhand einer filmartigen Sequenz; aufeinanderfolgender Betriebsstellungen der Bremse aus Fig.1 während einer Bremsung; Fig. 3 eine Darstellung der Anordnung aus Fig., 2 nach einer Umkehr der

Drehrichtung; Fig. 4 einen Teil einer Scheibenbremse nach Art der Fig. 1 mit einer

Nachstellvorrichtung;

Fig. 5 einen Teil einer Variante der Scheibenbremse aus Fig. 4; und

Fig. 6 - 15 weitere Varianten selbstverstärkender Scheibenbremsen in erfinderischer

Ausgestaltung; und Fig. 16 Prinzipdarstellungen bekannter Scheibenbremsen in selbstverstärkender

Bauart.

Fig.1 zeigt eine Prinzipskizze einer Scheibenbremse 1 mit einem eine Bremsscheibe 2 im oberen Umfangsrand umgreifenden Bremsrahmen 3. Innerhalb eines im Bremssattel fixierten Hilfsrahmens 4, der auch ein Teil des Bremssattels

bzw. -rahmens 3 sein kann, sind zwei Keilelemente 5, 6 angeordnet. Diese Keilelemente 5, 6 sind am Hilfsrahmen 4 in Umfangsrichtung bzw. parallel zur Bremsscheibe 1 beweglich, insbesondere verschieblich geführt. Diese Verschieblichkeit kann konstruktiv auf verschiedenste Weise gelöst werden, so mittels Wälz- oder Gleitlagern und ggf. einer geeigneten Führung zwischen den Keilelementen 5, 6 und dem Hilfsrahmen 4.

Zwischen den beiden Keilelementen 5, 6 und einer zuspannseitigen Bremsscheibenreibfläche 2a ist eine Bremsbelageinheit 7 angeordnet, die aus einem Bremsbelag 8 und einer zwischen dem Bremsbelag 8 und den Keilflächen angeordneten Druckplatte 9 gebildet wird. Der Bremsbelag 8 besteht aus einer Rückenplatte und einem Belagmaterial (hier nicht dargestellt). Die Druckplatte 9 und die Rückenplatte könnten auch einstückig ausgebildet sein.

Reaktionsseitig ist zwischen dem Bremsrahmen und der Bremsscheibe 2 ein reaktionsseitiger Bremsbelag 10 angeordnet. Der Bremssattel kann ein unbeweglicher Festsattel sein, so dass die Bremsscheibe in Axialrichtung A beweglich ausgestaltet ist. Schiebesattel- und Schwenksattelkonzepte sind alternativ ebenfalls realisierbar. Zumindest der zuspannseitige Bremsbelageinheit ist sowohl parallel zur Bremsscheibendrehachse X als auch parallel zur Bremsscheibenreibfläche relativ zur Bremsscheibe 1 beweglich an dem Bremssattel angeordnet.

Der Hilfsrahmen weist eine U-Form auf und ist mit einem Grundschenkel 1 Ia versehen, der sich parallel zur Bremsscheibenreibfläche 2a erstreckt. Er wird an seinen beiden Enden von Längsschenkeln 1 Ib, 11c begrenzt, die sich vom Grundschenkel 7 in Richtung der Bremsscheibe erstrecken und die als Anschläge für die Keilelemente 5, 6 bei deren Bewegungen in Umfangsrichtung (in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Bremsscheibe) dienen. Derart wird beispielhaft in beiden Drehrichtungen Ul, U2 je ein Anschlag für die Keilelementen 5, 6 realisiert.

Die Druckplatte 9 weist in der Draufsicht der Fig. 1 eine Trapezform mit zwei zueinander geneigten Keilflächen 12, 13 auf, die an den ebenfalls zueinander geneigten Keilflächen 14, 15 der Keilelemente 5, 6 anliegen.

Die auf den Bremsbelag einwirkende Druckplatte bzw. Keilplatte 9 weist dabei im Schnitt bzw. in der Draufsicht der Fig. 1 von oben auf die Geometrie eines gleichschenkeligen Trapezes auf, dessen Grundfläche zum Bremsbelag gerichtet ist. Die Geometrie eines gleichschenkligen Trapezes führt zu gleichem Bremsverhalten in beiden Drehrichtungen der Scheibe (Vorwärts- und Rückwärtsfahrt). Es ist auch die Geometrie eines ungleichschenkligen Trapezes denkbar, um in beiden Drehrichtungen unterschiedliche Bremseigenschaften zu realisieren.

Die Bewegung der Keilflächenelemente 5, 6 relativ zueinander kann an sich mit beliebigen Mitteln erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt sie mit einer mit einem entsprechenden Außengewinde versehenen Spindel 16, die in korrespondierende Gewindebohrungen 17, 18 mit Innengewinde in den Keilelementen eingreift, wobei die Keilelemente 5, 6 in der einen Drehrichtung der elektromotorisch angetriebenen Spindel 16 aufeinander zu und in der anderen Drehrichtung der Spindel 16 voneinander weg bewegt werden.

Fig. 1 zeigt den eingebremsten Zustand. Der prinzipielle Ablauf einer Bremsung ist in Fig. 2a-d wiedergegeben. Fig. 2 zeigt die Situation am zuspannseitigen Bremsbelag 8.

Fig. 2a zeigt die ungebremste Stellung, in der die Keilelemente so weit voneinander entfernt liegen, dass zwischen dem Bremsbelag 8 und der Bremsscheibe 2 das gewünschte Lüftspiel besteht.

Sodann werden die Keilelemente 5, 6 - hier durch elektromechanisch getriebenes Drehen der Spindel 15 - aufeinander zu bewegt, was die Bremsbelageinheit 7 und deren Bremsbelag 8 senkrecht (parallel zum Pfeil A) zur sich in Richtung des Pfeils U

drehenden Bremsscheibe 2 verschiebt (Fig. 2b), bis der Bremsbelag 8 an der Bremsscheibe 9 zur Anlage kommt und diese an den reaktionsseitigen Bremsbelag 10 schiebt, woraufhin die Bremswirkung einsetzt, wobei sich die Bremsbelageinheit 8 in Drehrichtung (Umfangsrichtung Ul) an der Keilfläche 14 des in Umfangsrichtung vorne liegenden Keilelementes 5 abstützt.

Dies fuhrt dazu, dass sich die gesamte Einheit aus der Bremsbelageinheit 8 und den beiden Keilelementen 5, 6 am Hilfsrahmen 4 in Umfangsrichtung verschiebt, bis sie am in Umfangsrichtung vorn liegenden Anschlagsfläche - hier die Innenfläche des Schenkels 1 Ia des u-förmigen Hilfsrahmens 4 - zur Anlage kommt (Fig. 2c).

Der Aktuator, der auf die Keilelemente 5, 6 einwirkt, wird dadurch deutlich von Reaktionskräften entlastet, die sich am Hilfsrahmen 4 abstützen.

Dreht sich die Drehrichtung der Bremsscheibe 2 (beispielsweise bei einem Parken auf eine durch Seebewegung schwankenden Fähre), bewegt sich die Einheit aus Bremsbelag und den beiden Keilelemente gegen den gegenüberliegende, jetzt in Umfangsrichtung liegenden Anschlag, hier die Innenfläche des Schenkels 1 1c des Hilfsrahmen 4.

Die Kräfteverhältnisse während einer Bremsung sind in Fig. Ib wiedergegeben. Dabei sind die Keilwinkel an den Flächen 12, 14 bzw. 13, 15 relativ zur Bremsscheibenreibfläche 2a mit αl bzw. α2 bezeichnet.

Aus der vorliegenden Beschreibung wird deutlich, dass erfindungsgemäß nicht der Bremsbelag allein gegen einen Keil verschoben wird, sondern die sich innerhalb eines bremssattelfesten Käfigs bzw. Hilfsrahmens 4 frei bewegbaren Keilelemente 5, 6 gegeneinander, welche dann die Bremsbelageinheit 7 an die Bremsscheibe 2 drücken (Fig. 2a, Fig. 2b).

Nach dem Anlegen des Belags 8 an die Bremsscheibe 2 werden der Bremsbelag 8 und die beiden Keilelemente 5, 6 von der Bremsscheibe 2 mitgenommen, bis der in Drehrichtung der Scheibe gelegene Keil an der in Drehrichtung gelegenen Wand des bremssattelfesten Käfigs anliegt. Nun wird die Bremskraft Fbrems sowie der sich aus der Selbstverstärkung ergebende Anteil FVerstärk an der Zuspannkraft in den Sattel abgeleitet, ohne den Aktuator zu belasten.

Für die Bremskraft Fbrems ergibt sich dann (ohne Reibung innerhalb des Mechanismus gerechnet):

Fbrems = FZuspann • μ

μ = Reibwert zwischen Belag und Scheibe

Fbrems = (F Vorspann 1 + FVorspann2 + FVerstärk) *μ

mit

F Vorspann 1 = FKeil / tanαl FVorspann2 = FKeil / tanα2 FVerstärk = Fbrems / tanα2

ergibt sich

Fbrems = (FKeil / tanαl + FKeil / tanα2 + Fbrems / tanα2) • μ Fbrems • (tanα2- μ) / tanα2 = FKeil • μ / tanαl + FKeil • μ / tanα2 Fbrems = μ • ( FKeil / tanαl + FKeil / tanα2) • tanα2 / (tanα2 - μ)

μ • FKeil • (tanα2 / tanαl + 1) (1) Fbrems =

(tanα2 - μ)

Bei entgegen gesetzter Fahrtrichtung müssen die Indizes vertauscht werden. Durch eine Wahl unterschiedlicher Keilwinkel für Die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt (Winkel αl , α2) kann die Selbstverstärkung für die Fahrtrichtungen unterschiedlich eingestellt werden. Geht man von gleichen Keilwinkeln αl = α2 = α für Vorwärts und Rückwärtsfahrt aus, ergibt sich:

2 μ FKeil (2) Fbrems =

(tanα - μ)

Man erkennt bei (1) und (2) bei einem Keilwinkel von α bzw. α2 = arctan μ eine Unstetigkeitsstelle, bei der Fbrems nicht mehr von FKeil abhängt.

Bei kleineren Winkern dreht sich das Vorzeichen zwischen Fbrems und FKeil um, was bedeutet, dass nun gezogen werden müsste, was bei der vorliegenden Anordnung aber nicht möglich wäre. Daher muss gelten:

α, αl, α2 > arctan μ.

Fig. 4 zeigt eine Variante, bei welcher im Hilfsrahmen eine Nachstellplatte 19 parallel zur Bremsscheibendrehachse relativ zum Grundschenkel 1 Ia des Hilfsrahmens 4 beweglich angeordnet ist, um Bremsbelagverschleiß auszugleichen. Dies kann mittels eines oder mehrer Nachstellkolben 20, 21 erfolgen die axial längenveränderlich sind und z.B. aus einer im Hilfssattel 4 und an der Nachstellplatte 19 arretierten SpindeWMutterkombination mit elektromotorischem Antrieb bestehen (letzterer hier nicht dargestellt). Die Keilelemente sind dabei an der Nachstellplatte in Umfangsrichtung beweglich geführt. Die Längevergrößerung zum Ausgleich von Belagverschleiß verdeutlicht das Zusammenspiel aus Fig. 4a) und b).

Fig. 5 und 6 zeigen, dass zwischen den Keilflächen 12, 13 und 14, 15 sowie zwischen der Nachstellplatte 19 oder dem Grundschenkel 1 Ia und den Keilelementen Lagereinrichtungen, insbesondere Wälzlager 22, 23, 24 (Fig. 5) oder Gleitlager 25, 26, 27 (Fig. 6) angeordnet werden können.

Die Keilelemente 5, 6 können an sich mit beliebigen Getriebeanordnungen bzw. kraftübertragenden Bauelementen relativ zueinander bewegt werden, die elektromotorisch angetrieben werden können. Als Getriebeanordnungen sind denkbar: a) Spindeln 15, die auch als Kugelumlaufspindeln ausgebildet sein können (Fig. 2 - 6), b) Planetenwälzgetriebe 28 (Fig. 7a, b), c) eine Zahnstangenanordnung 29 als Antrieb zwischen den Keilelementen

5,6 (Fig. 8), d) eine Verspannanordnung 30 mit Exzentern 31 (Fig. 9) , die beispielsweise zwischen ineinandergreifenden Doppelkeilelementen 5', 6' an einer

Druckplatte 8' mit korrespondierender Doppelkeilanordnung 34 wirken; e) eine Verspannanordnung 32 mit Spreizkeilen 32' (Fig. 10a, b), die beispielsweise zwischen ineinandergreifenden Doppelkeilelementen 5', 6' an einer Druckplatte 8' mit korrespondierender

Doppelkeilanordnung 34 wirken; f) eine Hebelanordnung 33, beispielsweise mit einem Hebelpaar (Fig. I Ia,

1 Ib), die beispielsweise zwischen ineinandergreifenden Doppelkeilelementen 5', 6' an einer Druckplatte 8' mit korrespondierender Doppelkeilanordnung 34 wirken.

Die Anordnung mit mehr als einer Keilpaarung je Drehrichtung ist anhand des Beispiels einer Doppelkeilpaarung auch in Fig. 12 dargestellt, die ineinandergreifenden Doppelkeilelementen 5', 6' an der Druckplatte 8' mit korrespondierender Doppelkeilanordnung 34 zeigt.

Auch die Doppelkeilelemente 5', 6' sind mittels einer Spindel 15' mit einem Elektromotor 35 relativ zueinander beweglich (Fig. 13a, b, c), der nach Fig. 13 im Hilfsrahmen montierbar ist. Denkbar ist auch eine Getriebeverbindung durch eine öffnung im Hilfsrahmen 4 zum Bereich außerhalb des Hilfsrahmen 4 oder gar des gesamten Bremsrahmens bzw. -satteis 3 (Fig. 14, die eine Zahnstangenanordnung 35 und einen außenliegenden Elektromotor 36 offenbart. Am Bremssattel 3 kann auch ein elektronisches Steuergerät montiert sein.

Bei schneller änderung der Drehrichtung, beziehungsweise in dem Moment, wenn der Bremsbelag die Bremsscheibe 2 berührt, wird der gesamte innere Aufbau gegen die nun in Fahrtrichtung befindliche Wand - den Anschlag am Schenkel I Ib, c - geschleudert. Um Beschädigungen und übermäßige Belastungen zu vermeiden können Dämpferelemente 37 z.B. zwischen die Keilelemente 5, 6 und die Anschläge an den Schenkeln 1 Ib, c montiert werden (Fig. 15).

Fig. 16 zeigt den Stand der Technik, nach welchem sich Keilelemente 5, 6 am korrespondierenden Keilelementen 5, 6 direkt am Bremssattel 3 abstützen.

Bezugszeichen

Bremsscheibendrehachse X

Umfangsrichtungen Ul, U2

Scheibenbremse 1

Bremsscheibe 2

Bremsrahmen 3

Hilfsrahmen 4

Keilelemente 5,6

Bremsscheibenreibfläche 2a

Bremsbelageinheit 7

Bremsbelag 8

Druckplatte 9

Bremsbelag 10

Grundschenkel I Ia

Längsschenkeln I Ib, 11c

Keilflächen 12, 13

Keilflächen 14, 15

Spindel 16

Bohrungen 17, 18

Nachstellplatte 19

Nachstellkolben 20, 21

Wälzlager 22, 23, 24

Gleitlager 25, 26, 27

Planetenwälzgetriebe 28

Zahnstangenanordnung 29

Verspannanordnung 30

Exzenter 31

Verspannanordnung 32

Spreizkeile 32'

Hebelanordnung 33

Doppelkeilanordnung 34

Elektromotor 35

Elektromotor 36

Dämpferelemente 37