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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Linearaktuator
für eine
Betriebsbremse eines Kraftfahrzeugs; insbesondere betrifft die Erfindung
einen Aktuator, der mit einem Kolbenelement mit einem Rampen- und Kugelmechanismus sowie
einer Reibungsschraubeinstellvorrichtung zur Verschleißkompensation
der Bremsbeläge
versehen ist.
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Es
sind Bremsvorrichtungen bekannt, denen Linearaktuatoren zugeordnet
sind, die aus einem Elektromotor und einer Getriebeanordnung aufgebaut
sind, die die Drehbewegung, die auf den Rotor der Elektromotors
ausgeübt
wird, in eine Linearbewegung eines Kolbens umwandelt. Hierzu werden
in einigen Fällen
Kugelumlaufspindeln verwendet, die sich wegen Wirtschaftlichkeit/Sicherheit
und wegen ihres großen
Gewichts als nachteilig erwiesen haben. Es ist als eine Tatsache
bekannt, dass Kugelumlaufspindeln aus einer hohen Anzahl von Teilen
zusammengesetzt sind, die eine teuere spanende Bearbeitung und eine
spezielle Bearbeitung (wie etwa gewalzte Gewinde) erfordern. Die
zulässigen
Toleranzen sind sehr niedrig, und im Ergebnis ist die Anzahl von
Ausschussteilen hoch. Ferner erfordert der Zusammenbau von Kugelumlaufspindeln
eine lange Zeit. Darüber
hinaus haben die Kugeln bei längerem Gebrauch
die Tendenz, die Kugelrückführeinsätze zu verschleißen und
darin zu blockieren, mit einem dementsprechend signifikanten Einfluss
auf die Sicherheit des Systems, insbesondere im Falle von Betriebsbremsen.
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Ferner
sind Linearaktuatoren bekannt (siehe z.B. EP-A-0 861 996), worin
die Drehbewegung einer Welle eine Verlagerung eines Kolbens durch
Kugeln hervorruft, die zwischen Paaren von Rampenoberflächen angeordnet
sind, die jeweils an der Welle und dem Kolben befestigt sind.
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Die
WO-A-00/070237 bezieht sich auf eine Parkbremse, die durch einen
Aktuator angetrieben ist, der einen Mechanismus enthält, der
aus Kugeln und Rampen besteht, denen eine Reibungsschraubvorrichtung
zugeordnet ist, die eine Schraube und eine Mutter enthält, die
relativ zueinander verdrehbar sind, um den Verschleiß von Bremsbelägen zu kompensieren.
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Eine
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Linearaktuator
mit kurzem Hub und hohem Wirkungsgrad für eine Betriebsbremse bereitzustellen,
der vollständig
reversibel ist, d.h. ohne Leistungseingabe unmittelbar bis zu einer passiven
Position zurückkehren
kann, in der sie keine Bremskraft mehr ausübt, sobald die Bremswirkung
nicht länger
erforderlich ist.
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Eine
spezifische Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromechanischen
Linearaktuator anzugeben, umfassend: einen Mechanismus, der aus
Kugeln und einer Rampe des vorgenannten Typs besteht, worin die
Reibungsschraubvorrichtung nur dann aktiviert wird, wenn der Verschleiß der Beläge kompensiert
werden muss, wohingegen während normalen
Gebrauchs, d.h. wenn es nicht erforderlich ist, den Verschleiß der Beläge zu kompensieren,
nur der Rampen- und Kugelmechanismus aktiviert wird (und nicht die
Reibungsschraubvorrichtung), um einen hohen Betriebswirkungsgrad
sicherzustellen.
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Diese
und andere Ziele und Vorteile, die im Folgenden ersichtlich werden,
werden erfindungsgemäß durch
einen elektromechanischen Aktuator erreicht, der die in den beigefügten Ansprüchen definierten
Merkmale aufweist.
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Die
konstruktiven und funktionellen Charakteristiken einiger bevorzugter,
aber nicht einschränkender
Ausführungen
eines Aktuators gemäß der Erfindung
werden nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
worin:
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Bremssattels, der mit einem erfindungsgemäßen Aktuator
versehen ist;
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2 ist
eine schematische Perspektivansicht des Bremssattels und des Aktuators
von 1, wobei einige Teile weggebrochen sind;
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3 und 4 sind
Perspektivansichten des Aktuators der 1 und 2,
wobei einige Teile unterdrückt
sind, in zwei unterschiedlichen Arbeitsstellungen; und
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5 und 6 sind
zwei Perspektiv-Teilansichten des Aktuators jeweils in den Stellungen
der 3 und 4.
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Zunächst in
Bezug auf die 1 und 2 ist einem
Bremssattel A, in diesem Beispiel vom schwimmenden Typ, ein elektromechanischer
Aktuator 10 zugeordnet, der einen bürstenlosen Elektromotor mit
einem Stator 11 und einem Permanentmagnetrotor 12 aufweist,
der einen Zahnflansch 14 einer Keilnutwelle 15 durch
eine Untersetzereinheit 13 zur Drehung antreibt. In diesem
Beispiel enthält
die Untersetzereinheit 13 Planetenräder 16, die an axialen Zapfen 17 des
Rotors 12 drehend gelagert sind und mit einem feststehenden
Rad 34 und der Verzahnung des Flansches 14 in
Eingriff stehen.
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Die
Welle 15, das ist das drehende Ausgangselement des Planetengetriebemechanismus,
ist mittels einer Keilnutkupplung 15a mit einer Buchse 18, die
axial innere Keilnuten 18a aufweist, zur Drehung gekoppelt
(4). Die Buchse 18 ist innerhalb einer Schraube 19 von
im Wesentlichen zylindrischer rohrartiger Form aufgenommen, die
wiederum in einer Außenmutter 20,
die an dem Gehäuse
des Bremssattels A befestigt ist, aufgenommen ist und damit im Gewindeeingriff
steht. Die Schraube 19 und die Mutter 20, die
mittels jeweiliger Schneckengewinde 19a, 20a zusammenwirken,
stellen eine Reibungsschraubvorrichtung dar, die es erlaubt, den
Hub eines Kolbens 21, wie hierin nachfolgend beschrieben wird, als
Funktion des Verschleißbetrags
der Bremsbeläge (nicht
gezeigt) einzustellen.
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An
dem Ende, das jenem entgegengesetzt ist, wo der Zahnflansch 14 angeordnet
ist, bildet die Buchse 18 eine Mehrzahl von Rampenoberflächen 22,
die in Bezug auf die Mittellängsachse
X des Aktuators geneigt und in gleichem Winkelabstand um die Achse
herum verteilt sind. Die Rampen 22 liegen einer entsprechenden
Mehrzahl von Rampenoberflächen 23 gegenüber, die
durch einen Kolben 21 gebildet sind, der koaxial gleitend
in dem Endabschnitt der Schraube 19 aufgenommen ist. Der
Kolben 21 ist durch Stifte 24 axial geführt, die
in in der Schraube 19 enthaltenen Längsführungen 25 gleiten,
um axial innerhalb der Schraube 19 zu gleiten, ohne sich
in Bezug hierauf zu drehen.
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In
der gesamten vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen beziehen
sich die Begriffe und Ausdrücke,
die Positionen und Orientierungen angeben, wie etwa "radial", "transversal" oder "axial" und "längs", auf die Mittelachse x des Aktuators.
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Zumindest
ein Wälzkörper, wie
etwa eine Kugel 26 (oder alternativ eine Rolle) ist zwischen
jedem Paar gegenüberliegender
Rampen 22, 23, die im Wesentlichen parallel sind,
angeordnet. Die Anzahl und die Anordnung der Rampen sowie deren
Neigungen können
gemäß den Anforderungen
und dem Betrag der Bremskräfte,
die für
die Anwendung vorausgesehen werden, verändert werden. Bevorzugt bilden
die Rampen 22 und 23 Laufbahnen 22a, 23a,
die als gegenüberliegende
Kanäle
ausgestaltet sind, zur besseren Führung der Wälzkörper 26.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, ist die Buchse 18 in
der Schraube 19 mittels jeweiliger radialer Schulteroberflächen 18b, 19b an
der Seite des Kolbens 21 und mittels eines Axiallagers
axial gesperrt, das Kugeln 27 enthält, die zwischen koaxialen Nuten 18c, 19c angeordnet
sind, die in der Buchse und der Schraube jeweils ausgebildet sind.
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Auch
in Bezug auf die 5 und 6 haben
die Buchse 14 und die Schraube 19 zumindest einen
Keil 28, 29, und bevorzugt Paare jeweiliger Keile 28, 29,
die dazu ausgelegt sind, in Anlage aneinander zusammenzuwirken,
um eine relative Drehung der Schraube in Bezug auf die Mutter hervorzurufen, und
im Ergebnis die Längsposition
der Buchse und daher den Hub des Kolbens 21 als Funktion
des Verschleißbetrags
der Beläge
einzustellen, wie im Folgenden im Detail erläutert wird.
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Noch
immer in Bezug auf 2 sollte angemerkt werden, dass
die Welle 15 mit dem Zahnflansch 14 mittels einer
Kappe 30, die am Gehäuse des
Elektromotors befestigt ist, axial gesperrt ist. Ein Flachlager 33 ist
axial zwischen dem Zahnflansch 14 und der Mutter 20 angeordnet.
Eine Zentralfeder 31 wird axial zwischen der Buchse 18 und
einer KolbenStab 32 zusammengedrückt, die an dem Kolben 21 verankert
ist, um den Kolben in einer axial eingefahrenen Stellung zu der
Buchse hin zurückzubringen, und
den Rampen- und Kugelmechanismus um ein gewisses Ausmaß axial
vorzubelasten, um zu verhindern, dass die Wälzkörper 26 aus ihren
Sitzen herauskommen.
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Der
erfindungsgemäße Aktuator
kann in zwei unterschiedlichen Modi arbeiten, was die Einstellung
des Kolbenhubs betrifft. In jedem Betriebsmodus dreht, beim Drücken des
Bremspedals, der Rotor 12 des Elektromotors die Welle 15 mittels
der Untersetzereinheit 13 und den Zahnflansch 14 um
einen Winkel, der proportional zur gewünschten Bremskraft ist. Bei
der Drehung mit der Welle 15 spannt die Buchse 18 den
Kolben 21 in eine axial ausgefahrene Stellung aufgrund
der Kugeln 26 vor, die zwischen den Laufbahnen 22a und 23a der
Rampen 22 und 23 abrollen und auf den Kolben 21 drücken, damit
er innerhalb der Schraube 19, durch die Längsführungen 25 geführt, gleitet.
Beim Lösen
der Bremse kehrt, aufgrund der elastischen Kraft, die sich durch
die Bremsbeläge
und die Komponenten des Aktuators akkumuliert hat, und aufgrund
der geringen Reibung des Aktuators und der Untersetzereinheit, der
Kolben 21 zu der axial eingefahrenen oder passiven Ausgangsstellung
zurück.
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Bei
diesen Betriebsbremszuständen,
hierin "normal" genannt, entwickeln
die Relativbewegungen der verschiedenen Komponenten des Aktuators eine
insgesamt minimale Reibung, und es versteht sich, dass die Reibungsschraube,
die eine geringere Effizienz hat, nicht aktiviert wird.
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Im
ersten der zwei Betriebsmodi stellen die 3 und 5 den
Ausgangszustand dar, worin der Kolben 21 axial in einer
passiven Stellung eingefahren ist. Die Keile 28 und 29 der
Buchse 18 und der Schraube 19 sind umfangsmäßig einander
benachbart. Durch Drehung der Welle in der mit dem Pfeil I angegebenen
Drehrichtung dreht sich die Buchse 18 in Bezug auf die
Schraube und bewegt die Keile 28 von den Keilen 29 der
Schraube weg, wodurch der Kolben 21 axial ausgefahren wird
(4 und 6).
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Zur
Betriebsbremsung ist es gewöhnlich
erforderlich, dass das Betätigungselement,
das die Beläge
nahe aneinander bringt, in diesem Fall der Kolben 21, einen
Hub von etwa 2 mm abdeckt, um die maximale Bremswirkung auszuüben. Dieser
lineare Hub entspricht einer Drehung der Buchse 18 durch einen
voreingestellten Winkel als Funktion der Neigung der Rampen 22.
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Aufgrund
des fortschreitenden Verschleißes der
Beläge
muss, damit die vollständig
ausgefahrene Stellung des Kolbens noch immer einem Zustand der maximalen
Bremskraft entspricht, der Hub des Kolbens und daher die Drehung
der Buchse 18 als Funktion des Verschleißbetrags
eingestellt werden. In anderen Worten müssen, um Verschleiß zu kompensieren,
die Buchse 18 und der Kolben 21 in eine weiter axial
ausgefahrene Stellung verschoben werden. Die Einstellung kann auf
unterschiedlichen Wegen ausgeführt
werden.
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Wenn,
aufgrund des Verschleißes
der Beläge,
das vollständige
Ausfahren des Kolbens nicht länger
dem Zustand maximaler Bremskraft entspricht, dann wird, mittels
eines auf den Kolben 21 wirkenden Linearbewegungssensors
oder eines Drehungssensors, der an der Buchse 18 oder der
Welle 15 (oder Flansch davon 14) sitzt, erfasst,
dass diese translatierbaren oder drehbaren Elemente eine Bewegung
durchführen,
die weiter ist als normalerweise erforderlich. Es kann z.B. ein
Linearstellungssensor an dem Stab 32 angebracht sein. Diese
(Linear- oder Dreh-) Bewegungssensoren sind per se in dem Gebiet
bekannt und werden daher nicht im näheren Detail beschrieben oder
gezeigt. Dasselbe gilt für
die nachfolgend hierin erwähnten
Einstellmodi, die per se für
das Verständnis
der Erfindung nicht relevant sind und daher nicht im Detail beschrieben
werden. Es genügt,
hier zu sagen, dass die Sensoren dazu ausgelegt sind, den Betrag
des überschüssigen Linearhubs
des Kolbens 21 oder die überschüssige Drehung der Buchse (oder
der Flanschwelle 15, 14) einer elektronischen
Prozessoreinheit (die den Betrieb des bürstenlosen Motors steuert)
zu signalisieren, und dass der Elektromotor aktiviert wird, um die
Drehung des Rotors 12 in der Richtung, die der normalen Aktivierungsrichtung
der Bremse entgegengesetzt ist, umzukehren, um einen Winkel, der
dem oben erwähnten
Bewegungsüberschuss
entspricht.
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Noch
immer in Bezug auf die 3 und 5, worin
sich die Keile 28 und 29 abstützen, wird die Rückwärtsdrehung
des Motors die Welle 15 und die Buchse 18 in der
mit dem Pfeil II angegebenen Richtung drehen, wodurch die Schraube 19 zusammen
mit der Buchse 18 zur Drehung angetrieben wird.
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Aufgrund
der Gewindekopplung zwischen der Schraube 19 und der Mutter 20 bewirkt
eine Drehung der Schraube in Bezug auf die Mutter auch eine Vorwärtsbewegung
oder ein Ausfahren der Buchse 18 (die in der Mutter durch
die Schultern 18b, 19b und das Axiallager 27, 17c, 19c axial
gesperrt ist). Die Längsverzahnungskupplung 15a, 18a erlaubt, dass
die Buchse 18 entlang der axial festen Welle 15 gleitet.
In der ausgefahrenen Stellung, die von der Buchse 18 erreicht
wird, entspricht die vollständig ausgefahrene
Stellung des Kolbens 21 wieder der Stellung der maximalen
Bremskraft.
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Als
Alternative zu dem oben beschriebenen Verfahren kann der Verschleißbetrag
der Beläge,
und daher das Ausmaß,
um das die Buchse 18 ausgefahren werden muss, um diesen
Verschleiß zu
kompensieren, durch Überwachung
der elektrischen Eingabe der Elektromotors erfasst werden. In diesem
Fall wird eine Anwenderstoftware so benutzt, dass der Motor die
Drehrichtung des Rotors um einen minimalen vorbestimmten Winkel
automatisch umkehren wird, wenn die erfasste elektrische Eingabe
kleiner ist als der Sollwert, wenn die Welle 15 um einen
Winkel gedreht wird, der der vollständig ausgefahrenen Stellung
des Kolbens 21 entspricht. In diesem Fall wird der Motor
die Drehrichtung umkehren, bis die elektrische Soll-Eingabe erfasst
wird, worin diese Soll-Eingabe ein bekannter Spitzenwert ist, der
anzeigt, dass die maximale Bremskraft ausgeübt wird. Sobald die Schraube 19 und
die Buchse 18 die neue ausgefahrene oder kompensierte Stellung
erreicht haben, wird an diesem Punkt der Motor die Drehrichtung
erneut umkehren, d.h. sich in der Anfangsrichtung drehen, die nicht
bewirkt, dass die Schraube ausfährt.
Natürlich
wird es auch möglich,
die den Motor steuernde elektronische Prozessoreinheit so einzustellen,
dass sie den Motor zur Rückwärtsdrehung
um Winkel antreibt, die dem erfassten Abnehmen der elektrischen Eingabe
entspricht oder dazu proportional ist. Fachleute werden erkennen,
dass die Erfassung des Verschleißbetrags der Beläge und die
Steuerung der Rückwärtsdrehung
des Motors auch in anderen Weisen effektiv ausgeführt werden
kann.
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Der
erste Einstellmodus, gemäß dem die Drehrichtung
des Rotors und der Buchse umgekehrt wird, ist besonders vorteilhaft,
weil die Kompensation durch Drehung der Schraube 19 bei
Abwesenheit einer Bremslast ausgeführt wird. In der Tat kann festgestellt
werden, dass die aktiven und Widerstandskräfte, die während einer Bremsung auftreten,
einem Weg durch den Kolben 21, die Kugeln 26,
die Buchse 18, das Axiallager (27, 18c, 19c),
die Schraube 19 und die Mutter 20 folgen. Das
Fehlen merklicher Kräfte
entlang der Gewindekupplung 19a, 20a erleichtert eine
genaue Einstellung der relativen Stellung zwischen diesen zwei Elementen.
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Im
zweiten der zwei hier beschriebenen Einstellmodi stellt 6 den
Ausgangszustand dar, worin der Kolben 21 in einer passiven
Stellung axial eingefahren ist. Die Keile 28 und 29 der
Buchse 18 und der Schraube 19 sind mit Winkelabstand
voneinander angeordnet. Durch Aktivierung der Bremse erreichen in
dem Zustand maximaler Bremskraft und maximaler Ausfahrung der Kolbens 21 die
Keile 28 der Buchse eine Stellung, die den Keilen 29 der
Schraube 19 benachbart ist. Wenn aufgrund des Verschleißes der
Beläge
der Kolben 21 weiter ausgefahren werden muss, wird der
Motor angetrieben, um die Welle 15 weiter um einen Winkel,
der dem zu kompensierenden Verschleißbetrag entspricht, in derselben
Drehrichtung zu drehen, die bewirkt, dass der Kolben 21 ausfährt. Aufgrund
dieser Weiterdrehung bewegen die Keile 28 der Buchse die
Keile 29 der Schraube 19, um zu bewirken, dass
sich die letzteren innerhalb der Mutter 20 drehen, um die
Schraube 19, die Buchse 18 und den Kolben 21 näher in die
Ausfahrrichtung des Kolbens zu bringen. Auch in diesem zweiten Einstellmodus
kann der Verschleißbetrag
der Beläge
und der entsprechende durchzuführende Kompensationsbetrag
durch Positionssensoren erfasst werden, ähnlich jenen, die zuvor für den ersten Einstellmodus
beschrieben wurden. Ähnlich
kann der Elektromotor so angetrieben werden, dass er während des
Kompensationsschritts die ergänzende Drehung
durchführt,
gleich dem, was in Verbindung mit dem ersten Einstellmodus diskutiert
worden ist.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebene
und dargestellte Ausführung beschränkt ist,
die als ein Beispiel des Aktuators zu betrachten ist. Stattdessen
kann die Erfindung im Hinblick auf die Form und die Anordnung der
Teile, die konstruktiven und funktionellen Details, modifiziert
werden. Z.B. kann die Anzahl und die Anordnung der Rampen verändert werden,
und diese werden in jedem Fall bevorzugt gleichmäßig um die Mittellängsachse
herum angeordnet, um dem Kolben einen Schub zu geben, der insgesamt
mit der Mittellängsachse
des Aktuators zentriert und ausgerichtet ist. Insbesondere kann
die Kontur der Rampen ohne Unterschied linear (wie gezeigt) oder
parabolisch sein, vorausgesetzt, dass sie die oben beschriebenen
Funktionen zuverlässig
durchführen
kann. Das Gleiche gilt für
die Anzahl, Form, Anordnung und die konstruktiven Merkmale der anderen
Komponenten des Aktuators (z.B. der Buchse, der Keile, der Schraube,
der Mutter und der Untersetzereinheit).
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Zusammenfassung
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Der
Aktuator enthält
eine stationäre
Außenmutter
(20), die mit einer Hohlschraube (19) in Reib- und
Gewindeeingriff steht. Ein Buchsenelement (18) ist innerhalb
der Hohlschraube (19) mittels einer Welle (15)
drehbar, die durch einen Motor (11–13) gedreht wird.
Die Buchse hat erste Rampenoberflächen (22, 22a),
die geneigt sind und zu zweiten Rampenoberflächen (23) weisen,
die durch einen Kolben (21) gebildet sind, der zwischen
einer passiven eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen Bremsstellung
axial beweglich ist. Kugeln (26) sind zwischen den ersten
(22) und den zweiten (23) Rampenoberflächen angeordnet,
wodurch eine Drehung der Buchse (21) ein axiales Ausfahren
des Kolbens (21) bewirkt. Wenn der Weg des Kolbens (21)
aufgrund des Verschleißes
der Bremsbeläge
eingestellt werden muss, bringt die Drehung der Buchse (18)
die Keile (28) der Buchse mit den Keilen (29)
der Schraube (19) in Abstützung, wodurch die Schraube
(19) zwangsweise in der Mutter (20) verdreht wird,
um hierdurch zu bewirken, dass die Schraube (19), die Buchse
(18) und der Kolben (21) zu einer weiter axial ausgefahrenen
Stellung hin ausgefahren werden, um den Verschleiß der Bremsbeläge zu kompensieren.