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EP-4568860-B1 - COMPACT BRAKE CALIPER WITH ELECTROMECHANICAL ACTUATOR, ECCENTRIC SHAFT DRIVE AND MECHANICAL ADJUSTER, AND METHOD FOR OPERATING SUCH A COMPACT BRAKE CALIPER

EP4568860B1EP 4568860 B1EP4568860 B1EP 4568860B1EP-4568860-B1

Inventors

  • MATHIEU, MICHAEL
  • FUDERER, ERICH
  • Hämmerl, Bernhard
  • NIEPALA, Tomasz
  • JUNG, ALEXANDER
  • KRAUS, HARRY-WERNER
  • LIU, CHENG

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230731

Claims (18)

  1. Compact brake caliper (1) of a disc brake, in particular for rail vehicles, having two caliper levers (2, 3), two brake linings (4, 5), an adjustment module (6), an electromechanical brake force generator and a camshaft drive (8), characterized in that the electromechanical brake force generator cooperates as an actuator module (7) with the camshaft drive (8) and is constructed with an actuator module housing (9a) in which an electric motor (10), a hollow shaft (11), a screw drive (12) having a spindle nut (13) and a threaded spindle (14), a motor brake (15) and a controller (16) are arranged.
  2. Compact brake caliper (1) according to claim 1, characterized in that the electric motor (10) has an electrically commutated permanent magnet motor as a hollow shaft motor having a stator (10a) which is secured in the actuator module housing (9a), and having a rotatable rotor (10b) which is secured to the hollow shaft (11).
  3. Compact brake caliper (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the screw drive (12) with the spindle nut (13) and the threaded spindle (14) is arranged in recesses (11f, 11g) of the hollow shaft (11), wherein the spindle nut (13) is arranged in the hollow shaft (11) in a rotationally secure manner with respect to the hollow shaft (11).
  4. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the screw drive (12) with the spindle nut (13) and the threaded spindle (14) are in the form of a ball screw drive.
  5. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the camshaft drive (8) is connected in a rotationally secure manner to a camshaft lever (21) which is coupled by means of the free end thereof so as to cooperate with the actuator module (7).
  6. Compact brake caliper (1) according to claim 5, characterized in that at a free end of the threaded spindle (14), which protrudes from the spindle nut (13) relative to the camshaft lever (21), a pressure piece (17) is secured in a torsion-resistant manner with respect to the threaded spindle (14) and is coupled to the camshaft lever (21).
  7. Compact brake caliper (1) according to claim 6, characterized in that the pressure piece (17) has a first transmission portion (17a), a second transmission portion (17b) and a guide portion (17c) which define a U-shaped intermediate space of hook form, wherein the intermediate space cooperates with the free end of the camshaft lever (21) via a rotatable support roller (19) which is arranged between the first transmission portion (17a) and the second transmission portion (17b) and forms a coupling between the camshaft lever (21) and the actuator module (7).
  8. Compact brake caliper (1) according to claim 7, characterized in that the pressure piece (17) is arranged so as to be guided in an axially displaceable manner in a linear guide (18) of a motor plate (9b) of the actuator module housing (9a) by means of the guide portion (17c) and is secured therein against rotating about a spindle axis (14a) of the threaded spindle (14), whereby the threaded spindle (14) is arranged so as to be able to be axially displaced in the direction of the spindle axis (14a) and at the same time is arranged so as to be secured against torsion.
  9. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the motor brake (15) is in the form of a passive motor brake (15), wherein the motor brake (15) is secured to a first portion in the actuator module housing (9a) and is connected in a positive-locking manner to the hollow shaft (11) with a second portion.
  10. Compact brake caliper (1) according to claim 9, characterized in that the motor brake (15) can be switched from a first operating state, in which the first portion which is secured in the actuator module housing (9a) forms with the second portion thereof which is connected to the hollow shaft (11) a torsion-resistant, for example, positive-locking or frictionally engaging connection and the hollow shaft (11) is blocked, into a second operating state in which the secure connection between the first portion thereof which is secured in the actuator module housing (9a) and the second portion thereof which is connected to the hollow shaft (11) is cancelled, wherein the hollow shaft (11) can be rotated.
  11. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that an angle sensor (23) is coupled to the hollow shaft (11), detects angular positions of the hollow shaft (11) and is connected to a control (16a) of the controller (16) in order to transmit detected measurement data of the angular positions of the hollow shaft (11).
  12. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the hollow shaft (11) is supported by means of an axial bearing (25) on a force sensor (22) which is arranged in the actuator module housing (9a) and which is connected to the control (16a) of the controller (16) in order to transmit detected measurement data.
  13. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the actuator module (7) with the actuator module housing (9a), the electric motor (10), the hollow shaft (11), the screw drive (12) with the spindle nut (13) and the threaded spindle (14), the motor brake (15) and the controller (16) is a completely pre-assembled structural unit.
  14. Compact brake caliper (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the adjustment module (6) is a mechanical adjustment module (6) and is driven by means of a pressure rod (6a) together with the camshaft drive (8).
  15. Method for operating a compact brake caliper (1) of a disc brake, in particular for rail vehicles, having two caliper levers (2, 3), two brake linings (4, 5), an adjustment module (6), an actuator module (7) and a camshaft drive (8). wherein the actuator module (7) is formed with the actuator module housing (9a) in which an electric motor (10), a hollow shaft (11), a screw drive (12) having a spindle nut (13) and a threaded spindle (14), a motor brake (15) and a controller (16) are arranged, characterized by the method steps of (VS1) applying the compact brake caliper (1) either for a brake operation or for a parking brake operation by switching on the electric motor (10) of the actuator module (7) in a first rotation direction when the position of the electric motor (10) corresponds to a previously fixed value or value range of a released position of the compact brake caliper (1) and the motor brake (15) of the actuator module (7) is in the second operating state thereof which indicates that the hollow shaft (11) of the actuator module (7) is not blocked; (VS2) switching off the electric motor (10) and at the same time switching on the first operating state of the motor brake (15) when measurement values of a force sensor (22) and/or an angle sensor (23) in each case reach or exceed a previously determined value which corresponds to the applied position of the compact brake caliper (1) as a service brake position or as a parking brake position, wherein the hollow shaft (11) is blocked and the applied position of the compact brake caliper (1) is maintained in the service brake position or in the parking brake position; (VS3) releasing the compact brake caliper (1) from the service brake position or from the parking brake position by switching on the second operating state of the motor brake (15), wherein the blocking of the hollow shaft (11) is cancelled, and switching on the electric motor (10) in a second rotation direction which is opposed to the first rotation direction when the measurement values of the force sensor (22) and/or the angle sensor (23) correspond to a previously determined value or value range of the applied position of the compact brake caliper (1) in the service brake position or in the parking brake position and the motor brake (15) is in the first operating state thereof which indicates that the hollow shaft (11) is blocked and at the same time switching off the electric motor (10) and switching on the first operating state of the motor brake (15), wherein the hollow shaft (11) is blocked and the released position of the compact brake caliper (1) is maintained when the measurement values of the force sensor (22) and/or the angle sensor (23) reach or fall below a previously determined value which corresponds to the released position of the compact brake caliper (1).
  16. Method according to claim 15, characterized in that the measurement values of the force sensor (22) and the angle sensor (23) are continuously detected, monitored and used for continuous control.
  17. Method according to claim 15 or 16, characterized in that the detected measurement values of the force sensor (22) and the angle sensor (23) are stored as a path or final or instantaneous values for monitoring and/or documentation of the braking and release operations of the compact brake caliper (1) and for a controlled wear management.
  18. Method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the compact brake caliper (1) is constructed according to any one of claims 1 to 14.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompakt-Bremszange mit elektromechanischem Aktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kompakt-Bremszange. Kompakt-Bremszangen finden eine breite Anwendung in Bremssystemen von Schienenfahrzeugen. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Krafterzeuger, der für die Bereitstellung der Betriebs- bzw. Federspeicherkraft sorgt, einem Übersetzungsmodul für die Erhöhung der Zuspannkraft und einem Nachstellermodul, das den Verschleiß ausgleicht. Zu den weiteren Bestandteilen einer Bremszange gehört eine Konsole, welche die Befestigung der Bremseinheit im Drehgestell ermöglicht, die Zangenhebel, für die Übertragung der Zuspannkraft auf die Bremsscheibe und die Bremsbelaghalter mit Belägen. Bei Schienenfahrzeugen gibt es mehrere Ansätze für die Erzeugung der Bremskraft. Langstrecken- oder Nahverkehrszüge werden häufig mit pneumatischen Systemen ausgestattet. Bei Straßenbahnen kommt häufig ein hydraulisches Bremssystem zur Anwendung. Eine Alternative stellt ein elektromechanischer Bremskrafterzeuger dar. Gegenüber dem pneumatischen System wird hier keine Druckluft benötigt wodurch sämtliche Druckluftleitungen und Ventile, Behälter und Verdichter entfallen können. Einen weiteren Vorteil bringen deutlich kürzere Reaktionszeiten beim Anlegen und Lösen der Bremse über die gesamte Zuglänge. Bei den meisten elektromechanischen Bremskrafterzeugern handelt es sich um eine Ausführung in Form eines Bremszylinders, der entweder direkt oder mithilfe eines Bremshebels mit Bremsbacken verbunden ist. Ein Elektromotor arbeitet mit einem Untersetzungsgetriebe und einer Spindel, die die drehende Bewegung in eine lineare Bewegung umwandelt. Durch das Verändern der relativen Position von Spindel und Spindelmutter in einem Nachstellermodul wird der Verschleiß von Bremsbacken und Bremsscheibe nachgestellt. Das Dokument DE 199 45 702 A1 beschreibt eine elektromechanische Kompakt-Bremszange für Schienenfahrzeuge. Hier wird die Bremskraft zu einem großen Anteil durch eine Druckfeder bzw. zwei Druckfedern erzeugt. Der über ein Getriebe wirkende Antriebsmotor spannt diese Federn beim Lösen der Bremse oder ergänzt die Federkraft in Bremsstellung. Der Verschleißnachsteller ist hier ebenfalls elektromechanisch ausgeführt und erfordert eine entsprechende Ansteuerung. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kompakt-Bremszange mit einem kostengünstigen elektromechanischen Aktuator bereitzustellen, der den Bauraum einer Kompakt-Bremszange einhält und eine geringe Ausfallrate aufweist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer solchen Kompakt-Bremszange zu schaffen. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 15 gelöst Ein Erfindungsgedanke besteht darin, in eine Kompakt-Bremszange mit einem Exzenterwellenantrieb einen elektromechanischen Aktuator zu integrieren. Eine erfindungsgemäße Kompakt-Bremszange einer Scheibenbremse, insbesondere für Schienenfahrzeuge, umfasst zwei Zangenhebel, zwei Bremsbeläge, ein Nachstellermodul, einen elektromechanischen Bremskrafterzeuger und einen Exzenterwellenantrieb. Der elektromechanische Bremskrafterzeuger wirkt als ein Aktuatormodul mit dem Exzenterwellenantrieb zusammen und ist mit einem Gehäuse ausgebildet, in welchem ein Elektromotor, eine Hohlwelle, ein Gewindetrieb mit einer Spindelmutter und einer Gewindespindel, eine Motorbremse und eine Steuereinheit angeordnet sind. Ein besonderer Vorteil hierin besteht, dass dieser Aktuator über einen Direktantrieb verfügt, d.h. das Motordrehmoment wirkt auf den Gewindetrieb und wird von diesem in eine Axialkraft umgewandelt. Dabei ist weiterhin besonders vorteilhaft, dass die Axialkraft auf den Exzenterwellenantrieb der Exzenterwelle wirkt und so die Zuspannkraft der Bremse erzeugt. Auf diese Weise wird vorteilhaft kein zusätzliches Getriebe oder ein mechanischer Energiespeicher z.B. Druckfeder benötigt. Die Anwendung in der Kompakt-Bremszange macht es möglich, zusätzlich vorteilhaft die Übersetzung der Exzenterwelle zu nutzen. Dadurch kann der elektromechanische Aktuator deutlich kleiner dimensioniert werden, was einen positiven Einfluss auf den Bauraum und die Gesamtkosten hat. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kompakt-Bremszange einer Scheibenbremse, insbesondere für Schienenfahrzeuge, aufweisend zwei Zangenhebel, zwei Bremsbeläge, ein Nachstellermodul, ein Aktuatormodul und einen Exzenterwellenantrieb, wobei das Aktuatormodul mit einem Gehäuse ausgebildet ist, in welchem ein Elektromotor, eine Hohlwelle, ein Gewindetrieb mit einer Spindelmutter und einer Gewindespindel, eine Motorbremse und eine Steuereinheit angeordnet sind, weist die folgenden Verfahrensschritte auf. (VS1) Zuspannen der Kompakt-Bremszange entweder für eine Betriebsbremsung oder für eine Feststellbremsung mittels Einschalten des Elektromotors des Aktuat