Beschreibung

Keilbremse mit gegenläufig bewegten Keilelementen

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung mit einer

Selbstverstärkungseinrichtung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Kfz-Bremsanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Selbstverstärkende Bremsen sind aus einer Vielzahl von Druckschriften, wie z.B. der DE 101 54 178 B4 oder der DE 102 18 825 Al bekannt. Derartige Bremsen umfassen im Wesentlichen einen elektrischen Aktuator, der ein Keilelement betätigt, das ein Reibglied (Bremsbelag) gegen die Reibfläche eines ab- zubremsenden Bauteils, wie z.B. einer Bremsscheibe, drückt. Das Keilelement hat an seiner Rückseite eine Keilfläche, die unter einem Steigungswinkel α gegenüber der Reibfläche geneigt ist. Die Keilfläche stützt sich gegen ein Widerlager ab, das die Bremskräfte aufnimmt.

Bei einer Bremsbetätigung wird das Keilelement parallel zur Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements bewegt, wobei es wegen seiner Keilfläche gleichzeitig auch in Richtung des abzubremsenden Elements gedrückt wird. Aufgrund der Reibung zwischen Reibglied und Reibfläche wird das Keilelement selbsttätig in Bewegungsrichtung mitgenommen und drückt noch stärker gegen das abzubremsende Element (Selbstverstärkung) . Sobald die Bremswirkung einen vorgegebenen Wert erreicht hat, wird das Keilelement vom Aktuator festgehalten oder in eine optimale Lage zurück bewegt.

Das Keilelement wird üblicherweise in einem Arbeitspunkt betrieben, an dem unter der Annahme eines zu erwartenden Reib-

werts μ weder Druckkräfte noch Zugkräfte auf den Keil ausgeübt werden müssen und bei einer geringen Veränderung der Position des Keilelements eine maximale Veränderung der Bremswirkung erzielt werden kann. Der Reibwert ist jedoch nicht konstant, sondern abhangig von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie z.B. der Temperatur, Nasse, Verschmutzung, Korrosion, etc.. Mit zunehmendem Reibwert μ wird das Keilelement starker in die öffnung hineingezogen, wodurch immer stärkere Zugkräfte in Gegenrichtung erforderlich sind, um die Brems- kraft zu verringern bzw. das Keilelement zu losen. Insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten des abzubremsenden Elements gelangen die verwendeten Aktuatoren an ihre Leistungsgrenze. Die in der Keilbremse verwendeten Aktuatoren müssen daher entsprechend stark ausge- legt sein, um die Keilbremse auch unter solchen Bedingungen noch losen zu können. Leistungsstarkere Aktuatoren sind jedoch teurer und benotigen mehr Bauraum.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Keilbremse zu schaffen, bei der geringere Betatigungskrafte notwendig sind, um das Keilelement bei hohen Reibwerten entgegen der Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements zu bewegen .

Gelost wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im

Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 12 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspruchen .

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine selbst verstärkende Keilbremse mit einem selbst hemmenden Mechanismus auszustatten, der eine Bewegung des Keilelements in

Klemmrichtung selbsttätig hemmt und somit die vom Aktuator in Gegenrichtung aufzubringenden Kräfte automatisch reduziert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Bremsvorrichtung wenigstens zwei Keilelemente, von denen das eine selbst verstärkend und das andere selbst lösend ausgelegt ist. D.h. das eine Keilelement hat bei einer Verschiebung in Bewegungsrichtung des zu bremsenden Elements eine die Bremskraft verstärkende Wirkung, und das andere Keilelement bei Verschiebung in der Bewegungsrichtung eine die Bremse lösende Wirkung (im ungekoppelten Zustand und einzeln betrachtet) . Die beiden Keilelemente sind jedoch über eine Koppeleinrichtung antriebsmäßig miteinander verbunden, so dass sie sich in einer parallel zur Reibfläche verlaufenden Rich- tung gegenläufig bewegen. D.h., wenn sich das eine Keilelement in Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements bewegt, bewegt sich das andere Keilelement genau in Gegenrichtung. Dabei bewegen sich die Keilelemente in einer senkrecht zur Reibfläche verlaufenden Richtung gleichsinnig auf das zu bremsende Element zu bzw. davon weg.

Die selbst hemmende Wirkung des Gesamtsystems ergibt sich aus folgender Betrachtung: Bei einem Bremsvorgang wird der eine Keil aufgrund des Selbstverstärkungseffekts in Bewegungsrich- tung des abzubremsenden Elements mitgenommen und drückt noch stärker gegen das abzubremsende Element. Die Bewegung in Richtung des abzubremsenden Elements wird aufgrund der antriebsmäßigen Kopplung auch vom anderen Keilelement mitgemacht, das somit ebenfalls stärker gegen das abzubremsende Element gedrückt wird. Mit zunehmender Normalkraft gegen das abzubremsende Element wird das zweite, selbst lösende Keilelement ebenfalls stärker in Bewegungsrichtung mitgenommen und übt dadurch eine Kraft aus, die der Bewegung des ersten

Keilelements automatisch entgegen wirkt. Das zweite Keilelement leitet also über die Koppeleinrichtung eine Kraft in den ersten Keil ein, die versucht, den ersten Keil entgegen der Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements zu bewegen.

Unter der Bezeichnung „Keilelement" soll im vorliegenden Fall nicht nur jedes keilförmige Element, sondern allgemein jedes Element mit einer Keilwirkung verstanden werden, wie z.B. eine so genannte Keilplatte mit mehreren Erhebungen und Vertie- fungen (in der Art eines Waschbretts) , die mit einem korrespondierenden Widerlager zusammen wirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Keilbremse zwei keilförmige Elemente, die auf unterschiedlich geneig- ten Keilflächen eines Widerlagers gleiten. Eine der Keilflächen verläuft dabei, in Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements betrachtet, gegenüber der Reibfläche konvergierend und die andere Keilfläche des Widerlagers divergierend.

Die Koppeleinrichtung umfasst gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zwei Hebelelemente, die an einem ersten Abschnitt jeweils mit einem der Keilelemente verbunden sind, und an einem anderen, aneinander angrenzenden Abschnitt, formschlüssig ineinander greifen. Die Hebel schwenken bei ei- ner Bremsbetätigung vorzugsweise um eine Achse, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und parallel zur Reibfläche des abzubremsenden Elements liegt.

Die Verbindung der Hebel mit den Keilelementen am ersten Ab- schnitt umfasst vorzugsweise einen Stift, der in einem Langloch gleitet. Das Langloch erstreckt sich vorzugsweise auf Schwenkachse der Hebel zu.

Die Koppeleinrichtung kann gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung z.B. auch zwei senkrecht zur Reibfläche verlaufende Wellen umfassen, die jeweils mit einem der Keilelemente zusammen wirken und die Keilelemente bei Rotation der Wellen gegenläufig bewegen. Der Wellenmechanismus ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass die Keilelemente bei einer gleichsinnigen Drehung der Wellen in entgegen gesetzte Richtungen (parallel zur Bewegungsrichtung des abzubremsenden Elements) bewegt werden.

Die Wellen sind vorzugsweise an einem ersten Abschnitt jeweils mit einem der Keilelemente und an einem anderen Abschnitt über ein dazwischen liegendes Zahnrad miteinander verbunden. Das Zahnrad wird vorzugsweise von einem Aktuator, wie z.B. einem Elektromotor, angetrieben.

Zur Verbindung der Wellen mit den Keilelementen können die Wellen z.B. an ihrer der Reibfläche zugewandten Stirnseite einen exzentrisch angeordneten Mitnehmer aufweisen. Der Mit- nehmer kann z.B. in einem im Keilelement vorgesehenen Langloch gleiten.

Die erfindungsgemäße Keilbremse ist vorzugsweise symmetrisch gebildet, d.h., insbesondere die Keilelemente, Keilwinkel und die Bestandteile der Koppeleinrichtung sind bezüglich einer senkrecht zur Reibfläche stehenden Mittelachse symmetrisch. Die Keilelemente bzw. die zugehörigen Keilflächen des Widerlagers können aber auch unterschiedlich ausgelegt sein. Daneben können auch die Reibbeläge der Keilelemente unter- schiedlich ausgelegt sein. Durch eine geeignete Auswahl der verschiedenen geometrischen und physikalischen Parameter lässt sich insbesondere die hemmende Wirkung der Bremsvorrichtung nach Wunsch einstellen.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung umfasst vorzugsweise auch eine Nachstelleinrichtung zum Ausgleich des Bremsbelagverschleißes. Nachstelleinrichtungen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung umfasst vorzugsweise nur einen einzigen Aktuator zum Betätigen der Keilelemente. Der Aktuator greift vorzugsweise direkt an einem der Keilele- mente an, kann aber auch auf ein Element der Koppeleinrichtung wirken. Wahlweise könnten auch zwei oder mehr Aktuatoren vorgesehen sein. Bei den Aktuatoren handelt es sich vorzugsweise um Elektromotoren.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung ist insgesamt betrachtet vorzugsweise als Druckkeil ausgelegt. Sie ist dadurch selbstlösend.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeich- nungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Bremsvorrichtung mit gegenläufig bewegten Keilelementen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Bremsvorrichtung mit gelöstem Bremsmechanismus gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 die Bremsvorrichtung von Fig. 2 mit gespanntem Bremsmechanismus;

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht der Bremsvorrichtung von Fig. 2 mit geöffnetem Bremsmechanismus;

Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht der Bremsvorrichtung von Fig. 3 mit gespanntem Bremsmechanismus;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 4; und

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 5.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Keilbremse 1 mit zwei Keilelementen 2a, 2b gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Keilelemente 2a, 2b gleiten jeweils auf korrespondierenden Keilflächen 5a, 5b eines Widerlagers 3, die gegenüber der Reibfläche 20 eines abzubremsenden Elements 6 (z.B. eine Bremsscheibe) in unterschiedlicher Richtung geneigt sind. Die Keilelemente 2a, 2b sind außerdem über einen Koppelmechanismus (Hebel 7a, 7b) antriebsmäßig miteinander verbunden.

Die Keilflächen 5a, 5b des Widerlagers 3 sind hier so gestaltet, dass die eine Fläche 5a, in Bewegungsrichtung 21 betrachtet, bezüglich der Reibfläche 20 konvergiert, und die andere Fläche 5b divergiert. Bei einer Verschiebung des ersten Keils 2a in Bewegungsrichtung 21 übt dieser Keil 2a daher eine die Bremse 1 zuspannende Wirkung aus, während der andere Keil 2b eine die Bremse lösende Wirkung zeigt. Der erste Keil 2a kann daher auch als selbst verstärkend und der andere 2b als selbst lösend bezeichnet werden. (Bei entgegengesetzter Bewegungsrichtung 21 zeigen die Keile 2a, 2b umgekehrte Wirkungen) .

Die beiden Keilelemente 2a, 2b sind, wie erwähnt, über einen Hebelmechanismus 7,8 antriebsmaßig miteinander verbunden. Dieser Hebelmechanismus ist so ausgelegt, dass sich die beiden Keilelemente 2a, 2b in einer parallel zur Reibflache 20 verlaufenden Richtung (X-Richtung) immer gegenläufig bewegen. Dabei bewegen sich die Keilelemente 2a, 2b jedoch gleichsinnig in einer zur Reibflache 20 senkrechten Richtung (Y-Richtung) . Die Keilelemente 2a, 2b spannen die Bremse 1 daher synchron zu bzw. losen diese synchron.

Bei einem Bremsvorgang gelten folgende überlegungen: Wenn der erste Keil 2a mit seinem Bremsbelag (nicht gezeigt) die Reibflache 20 des gebremsten Elements 6 berührt, wird der Keil aufgrund der Reibkraft weiter in Bewegungsrichtung mitgenom- men und verstärkt dadurch selbsttätig die von einem Aktuator 17 ausgeübte Betatigungskraft (Selbstverstarkung) . Das zweite Keilelement 2b, das etwa gleichzeitig mit dem ersten Keilelement 2a die Reibflache 20 berührt, wird ebenfalls in Bewegungsrichtung 21 mitgenommen. Dadurch wirkt eine Kraft F = μ-F _s2 , die über die Koppeleinrichtung 7,8 auf den ersten Keil 2a übertragen wird und genau in entgegen gesetzter Richtung auf den ersten Keil 2a wirkt. Der Selbstverstarkungseffekt des ersten Keils 2a wird daher durch den zweiten Keil 2b gehemmt. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der selbst verstärkende Keil 2a bei sehr hohen Reibwerten μ und hohen Geschwindigkeiten des abzubremsenden Elements 6 zu stark mitgenommen wird. Die vom Aktuator 17 in Gegenrichtung aufzubringenden Kräfte werden entsprechend reduziert.

Die Koppeleinrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel zwei Hebelelemente 7a, 7b, die jeweils um eine zugehörige Achse 9a, 9b schwenkbar gelagert sind. Die Schwenkachsen 9a, 9b verlaufen in einer zur Bewegungsrichtung X senkrechten und zur

Reibfläche 20 parallelen Achse. Die Hebelelemente 7a, 7b sind an ihrem oberen Ende mittels eines Stift/Langloch-Mechanismus IIa, 10a bzw. IIb, 10b jeweils mit dem zugehörigen Keilelement 2a, 2b verbunden. Die Stifte IIa bzw. IIb gleiten jeweils in einem zugehörigen Langloch 10a bzw. 10b, das sich in Richtung der Schwenkachse 9a, 9b erstreckt. Die Hebelelemente 7a, 7b umfassen außerdem jeweils einen kreissegmentförmigen Bereich 8 mit einem Krümmungsradius r _x bzw. r ₂ . Diese Segmente 8 greifen formschlüssig ineinander und können beispiels- weise als Zahnradsegmente ausgebildet sein.

Der selbst verstärkende Keil (hier 2a) kann wahlweise als Druck- oder Zugkeil ausgelegt sein. Der selbst lösende Keil (2b) ist aufgrund seiner Anordnung immer ein Druckkeil.

Die Gesamt-Bremsvorrichtung 1 ist vorzugsweise als Druckkeil ausgelegt. D.h., die Keilelemente 2a, 2b verhalten sich, wenn das Gesamtsystem betrachtet wird, wie ein Druckkeil. Die Keilbremse 1 ist somit stets selbstlösend.

Die Keilbremse 1 ist hier bezüglich einer senkrecht auf die Reibfläche 20 stehenden Mittelachse symmetrisch gebildet. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass sich die beiden Keilelemente 2a, 2b synchron, d.h. mit gleicher Geschwindigkeit, in Y-Richtung bewegen.

Mathematisch kann folgendes Kräftegleichgewicht angesetzt werden :

Für den Keil 2a gilt:

EF _x = 0: F _M + μ-F _s /2 - F _N i ^• sinα-F _H ^• sinß = 0

σF _Y = 0: -F _s /2 + F _m -cosα - F _H -cosß = 0

Für Keil 2b gilt:

σF _X = 0: μ-F _s /2 +F _N2 -sinα - F _H -sinß = 0

σF _Y = 0: -F _s /2 +F _N2 -cosα + F _H -cosß = 0

Nach Auflösen dieses Gleichungssystems erhält man:

F _M tanα

Mit F _B = μ-F _s gilt:

C* = -^- = -^- > 0 für 0 < α < 90° und μ > 0.

F _M tanα

Die Keilkopplung zeigt somit stets Druck-Keilverhalten. Sie ist daher selbstlösend und kann nicht selbsttätig sperren.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Keilbremse mit gegenläufig bewegten Keilelementen 2a, 2b, wobei sich die Bremse in der gelösten Stellung befindet. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die Keilbremse 1 umfasst wiederum zwei Keilelemente 2a, 2b, die sich an einem Widerlager 3 abstützen und auf gegengleich geneigten Flächen 5a bzw. 5b gleiten. Die Keilelemente 2a, 2b umfassen an ihrer Vorderseite jeweils einen dem abzubremsen- den Element (nicht gezeigt) zugewandten Bremsbelag 12a, 12b. Auf ihrer Rückseite ist eine Keilfläche 4a bzw. 4b gebildet,

die mit der korrespondierenden schrägen Flache 5a, 5b des Widerlagers 3 zusammen wirkt. Funktion und Aufbau des Keilmechanismus ist im Wesentlichen identisch wie in Fig. 1, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen wird.

Im Unterschied zur Ausfuhrungsform von Fig. 1 umfasst die Koppeleinrichtung hier keine Hebelelemente 7a, 7b sondern zwei Wellen 15a, 15b, die über eine Stift-/Langlochverbindung IIa, 16a bzw. IIb, 16b mit den Keilelementen 2a, 2b verbunden sind. Die Koppelmechanik ist hier von einem Gehäuse 13 abgedeckt und wird im Folgenden anhand der Fig. 4-7 naher erläutert.

Fig. 3 zeigt die Bremse 1 von Fig. 2 mit gespanntem Bremsmechanismus. Wie zu erkennen ist, stehen die Keilelemente 2a, 2b enger zusammen und weiter nach vorne in Richtung des abzubremsenden Elements (nicht gezeigt) . Das abzubremsende Element 6 ist hier aus Gründen der übersichtlichkeit nicht dar- gestellt.

Fig. 4 zeigt eine seitliche Schnittansicht der Keilbremse 1 von Fig. 2, in der der Koppelmechanismus besser zu erkennen ist. Der Koppelmechanismus umfasst die beiden Wellen 15a, 15b, die parallel und im Wesentlichen senkrecht auf die Reibflache 20 des abzubremsenden Elements 6 verlaufen. An ihrer der Reibflache 20 zugewandten Stirnseite ist jeweils ein exzentrisch gelagerter Stift IIa, IIb angeordnet, der mit dem entsprechenden Langloch 16a, 16b des Keilelements 2a, 2b zusammen wirkt. Die beiden Wellen werden über ein Zahnrad 18 angetrieben, das zwischen den Wellen 15a, 15b, unmittelbar angrenzend angeordnet ist und von einem Elektromotor 17 betätigt wird. Der elektrische Antrieb 17 ist an der Ruckseite der Wellen

15a, 15b angeordnet. Ferner sind zwei Zahnräder 19a, 19b angeordnet, die zur seitlichen Führung 15a, 15b vorgesehen sind.

Die beiden Stifte IIa, IIb und damit auch die beiden Keilele- mente 2a, 2b befinden sich hier in der äußeren Position.

Fig. 5 zeigt sie selbe Schnittansicht wie Fig. 4, jedoch mit gespanntem Bremsmechanismus. Die Stifte IIa, IIb und die zugehörigen Keilelemente 2a, 2b befinden sich dabei in der inners- ten Position. Die Bremsbeläge 12a, 12b werden dadurch gegen das abzubremsende Element 6 gedrückt und erzeugen maximale Bremswirkung .

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 4. Dabei sind insbesondere die beiden Wellen 15a, 15b und das dazwischen liegende angetriebene Zahnrad 18 gut zu erkennen. Der Pfeil A bezeichnet die Drehrichtung des angetriebenen Zahnrades 18. Anhand der Pfeile B und C ist zu erkennen, dass die beiden Wellen 15a, 15b gleichsinnig um ihre Achsen rotieren. Wegen der exzentrischen Lagerung der Stifte IIa, IIb in den Wellen 15a, 15b vollziehen die Keilelemente 2a, 2b eine translatorische Bewegung und bewegen sich aufeinander zu. Die resultierende Axialbewegung der Keilelemente 2a, 2b ist durch die Pfeile D und E gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt die Bremsvorrichtung 1 in der vollständig gespannten Stellung. Die Bewegungsrichtungen der Wellen 15a, 15b sind mit den Pfeilen B bzw. C gekennzeichnet. Die resultierende Axialbewegung der beiden Keilelemente 2a, 2b ist mit den Pfeilen D und E bezeichnet.

Die in den Figuren dargestellte Bremsvorrichtung 1 kann beispielsweise als Radbremse für Kraftfahrzeuge ausgelegt sein.

Grundsätzlich ist sie universell für beliebige andere Objekte einsetzbar .

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele von Koppelmechanismen dienen lediglich zur Erläuterung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. Grundsätzlich können beliebige andere Koppelmechanismen konstruiert werden, die eine gegenläufige Bewegung zweier Keilelemente bewirken.