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Die vorliegende Erfindung betrifft Scheibenbremsen des Typs,
wie sie zur sicheren Bremsung von Automobilen benutzt werden.
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Solche Scheibenbremsen sind aus der Automobiltechnik gut
bekannt und enthalten im allgemeinen einen Bremssattel, der eine
Bremsscheibe umgreift, wobei der Bremssattel Betätigungsmittel
enthält, welche imstande sind, wenigstens ein Reibungselement
gegen eine Fläche einer sich drehenden Scheibe zu pressen.
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Eine Scheibenbremse diesen Typs ist beispielsweise aus der
Druckschrift US-A-4 161 239 bekannt, bei der die
Betätigungsmittel einen mit dem Bremssattel fest verbundenen Zylinder
enthalten, welcher eine erste Bohrung und ein zweite Bohrung
aufweist, in deren Innerem auf dichte Weise ein erster bzw. ein
zweiter von zwei konzentrischen Kolben gleitet, die selektiv
vom Druck eines hydraulischen Fluids angetrieben werden, wobei
die erste Bohrung einen kleineren Durchmesser hat als die
zweite Bohrung und wobei der erste bzw. der zweite der Kolben auf
dichte Weise eine erste bzw. eine zweite Kammer begrenzt und
ein Eintrittskanal für das Hydraulikfluid in die erste Kammer
mündet.
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Eine solche Anordnung zielt darauf ab, die Scheibenbremse durch
Zuführung von unter Druck stehendem Hydraulikfluid in die erste
und/oder die zweite Kammer zu betätigen, d. h. die
Scheibenbremse mit zwei unabhängigen Hydraulikkreisen zu versehen, von
denen jeder mit einer der Kammern des Zylinders verbunden ist.
Auf diese Weise ist die Funktionssicherheit der Scheibenbremse
im Falle des Versagens eines der Hydraulikkreise gewährleistet.
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Diese Scheibenbremse weist jedoch dieselben Unzulänglichkeiten
auf wie die eher konventionellen Scheibenbremsen, die nur eine
Kammer zur Betätigung eines einzigen Kolbens besitzen.
Insbesondere kann am Ende eines Bremsvorgangs das Zurückziehen des
Kolbens in seine Bohrung nicht vollständig gewährleistet
werden, so daß die Reibungselemente mit der Bremsscheibe in
Kontakt bleiben können. Daraus resultiert das, was in der Technik
gemeinhin als "Laufwiderstand" bezeichnet wird und was eine
"Restkopplung" hervorruft, die einen vorzeitigen Verschleiß der
Reibungselemente und der Scheibe, eine Verlangsamung des
Fahrzeugs und eine Erhöhung seines Kraftstoffverbrauchs zur
bewirkt.
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Es wurden bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um das
Zurückziehen des Kolbens in den Zylinder am Ende der Bremsung
zu verbessern, beispielsweise unter Verwendung von an
verschiedenen Stellen angebrachten Federn, die am Ende der Bremsung die
Energie wieder abgeben, die sie am Beginn der Bremsung für ihre
Verformung aufgenommen haben. Diese Lösungen weisen immer noch
Unzulänglichkeiten in dem Sinn auf, daß sie die Hysterese der
Scheibenbremse in großem Maße erhöhen.
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Wenn der Rückzugsweg des Kolbens erhöht wird, wird folglich
auch der Hub des Kolbens am Beginn eines Bremsvorgangs in
gleicher Weise erhöht sein. Also muß der Scheibenbremse ein
größeres Hydraulikflüssigkeitsvolumen zugeführt werden, um die
Reibungselemente mit der Bremsscheibe in Kontakt zu bringen. Eine
solche Erhöhung der Aufnahme von Hydraulikflüssigkeit durch die
Scheibenbremse führt zu einer Überdimensionierung des
Hauptzylinders, der den Bremskreis steuert, also zu einer Erhöhung der
Kraft, die notwendig ist, diesen Hauptzylinder zu betätigen,
und deshalb auch zu einer Überdimensionierung der
Bremsunterstützungseinrichtung, im allgemeinen ein pneumatischer
Servomotor.
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Entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist aus der
Druckschrift DE-A-41 16 502 eine Scheibenbremse bekannt, bei
der am Bremssattel eine abgestufte Bohrung ausgebildet ist, in
der ein gestufter Kolben gleitet. Wenn dieser Bohrung unter
Druck stehendes Fluid zugeführt wird, dann übt dieses Fluid auf
den Abschnitt des gestuften Kolbens mit dem kleineren
Durchmesser eine Kraft aus, die den Kolben gegen die Bremsscheibe
bewegt, so daß die Reibungselemente schnell mit der Scheibe in
Kontakt gebracht werden. Damit sich der Kolbenabschnitt mit dem
größeren Durchmesser bewegen kann, ist die Kammer, die zwischen
den Schultern der Bohrung des Kolbens gebildet ist, mit einem
Ausgleichsreservoir über ein Ventil verbunden, das sich öffnet,
wenn der Druck des Fluids, das der Bremse zugeführt wird, einen
bestimmten Wert überschreitet, so daß sich dieser Druck auf den
Kolbenabschnitt mit dem größeren Durchmesser auswirkt und eine
erhöhte Bremskraft bewirkt.
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Das verwendete Ventil wird von einem Ventilelement mit
Dichtlippe gebildet, dessen Dichtlippe sich verformt und eine
Öffnung freigibt, wenn der Fluiddruck einen vorbestimmten Wert
überschreitet. Infolgedessen nutzt sich dieses Ventilelement
mit Dichtlippe sehr schnell ab, und es erfüllt seinen Zweck
nicht mehr, wodurch es die normale Funktion der Scheibenbremse
behindert.
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Die vorliegende Erfindung hat deshalb zum Ziel, eine
Scheibenbremse der oben genannten Art zu schaffen, die weniger
Hydraulikfluid aufnimmt und dabei einen verringerten oder
verschwindenden Laufwiderstand aufweist, wobei zuverlässige und einfache
Mittel verwendet werden sollen, um die Kosten für die
Scheibenbremse nicht zu erhöhen.
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Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung eine Scheibenbremse vor,
mit einem Bremssattel, der eine Bremsscheibe umgreift, wobei
der Bremssattel Betätigungsmittel enthält, welche imstande
sind, wenigstens ein Reibungselement gegen eine Fläche der
Bremsscheibe zu pressen, wobei diese Betätigungsmittel einen
mit dem Bremssattel fest verbundenen Zylinder umfassen, welcher
eine erste Bohrung und eine zweite Bohrung aufweist, in deren
Innerem auf dichte Weise ein erster bzw. ein zweiter von zwei
konzentrischen Kolben gleitet, die selektiv vom Druck eines
hydraulischen Fluids angetrieben werden, wobei die erste Bohrung
einen kleineren Durchmesser hat als die zweite Bohrung, wobei
der erste bzw. der zweite der Kolben auf dichte Weise eine
erste bzw. eine zweite Kammer begrenzt, wobei ein Eintrittskanal
für das Hydraulikfluid in die erste Kammer mündet, wobei die
zweite Kammer an den Eintrittskanal für das Fluid durch einen
Durchgang angeschlossen ist, der den ersten Kolben durchquert
und von einem Ventilelement kontrolliert ist, das geschlossen
ist, wenn in einer ersten Phase des Funktionsablaufs der
Scheibenbremse der Druck in der ersten Kammer kleiner als ein
vorbestimmter Druck ist, und das Ventil offen ist, wenn in einer
zweiten Phase des Funktionsablaufs der Scheibenbremse der Druck
in der ersten Kammer größer ist als dieser vorbestimmte Druck,
wobei die zweite Kammer mittels eines Rückschlagventils an ein
Niederdruckfluidreservoir angeschlossen ist, welches nur die
Verbindung vom Niederdruckfluidreservoir zur zweiten Kammer
erlaubt.
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Nach der Erfindung weist das Ventilelement einen Kopf auf, der
von einer Feder in Richtung eines auf dem ersten Kolben
ausgebildeten Ventilsitzes beaufschlagt wird, und einen Fuß, der von
einer im zweiten Kolben ausgebildeten Ausnehmung eingeschlossen
ist.
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Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich deutlich bei der nachfolgenden Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform, die beschreibend aber nicht
einschränkend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angegeben ist.
In den Zeichnungen zeigen:
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- Fig. 1 einen Schnitt durch die Ausführungsform einer
Scheibenbremse nach der Erfindung; und
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- Fig. 2 den vergrößerten Ausschnitt II aus Fig. 1.
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In Fig. 1 ist eine Scheibenbremse zu erkennen, mit einem
klassischen Bremssattel 10, der eine Scheibe 12 umgreift, und zwei
Reibungselementen 14 und 16. Der Bremssattel 10 enthält
Betätigungsmittel, um das Reibungselement 16 direkt mit einer Fläche
der Scheibe 12 in Kontakt zu bringen und als Reaktion darauf
das andere Reibungselement 14 an die andere Fläche der Scheibe
12 zu bringen.
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Diese Betätigungsmittel umfassen einen mit dem Bremssattel 10
fest verbundenen Zylinder 18, der mit einer Bohrung 20 versehen
ist, in welcher ein Kolben 22 gleiten kann, wobei eine in einer
M-förmigen Vertiefung der Bohrung 20 untergebrachte
Vierkantdichtung 23 die Abdichtung der Gleitbewegung gewährleistet.
Der Zylinder 18 weist im Inneren auch noch einen festen
zylindrischen Verschluß 24 auf, der mit dem Boden der Bohrung 20
fest verbunden ist und eine vorzugsweise mit der Bohrung 20
konzentrische Bohrung 26 bildet, und in welcher ein Kolben 28
gleiten kann, wobei eine in einer M-förmigen Vertiefung der
Bohrung 26 untergebrachte Vierkantdichtung 29 die Abdichtung
dieser Gleitbewegung gewährleistet.
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Der Kolben 28 begrenzt zusammen mit dem Inneren der Bohrung 26
im Verschluß 24 eine Kammer 30, in welche ein Eingangskanal 31
mündet, der zur Verbindung mit einer Fluidquelle, wie
beispielsweise einem Hauptzylinder (nicht dargestellt), der den
Bremskreis eines Automobils steuert, vorgesehen ist.
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Der Kolben 22 begrenzt zusammen mit dem Inneren der Bohrung 20
und der Außenwand des Verschlusses 24 eine Kammer 32, die über
einen Kanal 34 an ein Niederdruckfluidreservoir (nicht
dargestellt) angeschlossen ist. Ein sehr schwach tariertes
Rückschlagventil 36 ist im Kanal 34 so untergebracht, daß es die
Verbindung vom Reservoir zur Kammer 32 gestattet und die
Verbindung von der Kammer 32 zum Reservoir unterbindet.
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Der Kolben 28 ist mit einem axialen Durchgang 38 versehen, der
imstande ist, die Kammern 30 und 32 zu verbinden, je nach der
Stellung eines in der Passage 38 angebrachten austarierten
Ventilelements 40.
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Das Ventilelement 40, dessen Einzelheiten in Fig. 2
dargestellt sind, wird gebildet von einem Kopf 42, der sich, von
einer Feder 44 in Schließrichtung beaufschlagt, auf einen im
Kol
ben 28 ausgebildeten Ventilsitz 46 abstützt, sowie von einer
Stange 48, die sich axial nach vorne durch die Passage 38
erstreckt und frei in dieser Passage 38 gleiten kann, und von
einem Fuß 50, der sich radial am vorderen Ende der Stange 48
erstreckt.
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Der Fuß 50 wird von einer in der Innenwand des Kolbens 22
ausgebildeten Ausnehmung 52 aufgenommen, wobei die Stange 48 eine
Öffnung 54 frei durchquert, die in einer an der Hinterseite der
Ausnehmung 52 fest mit dem Kolben 22 verbundenen Scheibe 56
ausgebildet ist und die einen kleineren Durchmesser hat als der
Fuß 50, so daß der letztere in der Ausnehmung 52 eingeschlossen
ist.
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Die soeben beschriebene Scheibenbremse funktioniert auf
folgende Weise. Im Ruhezustand nehmen alle beweglichen Elemente
die in der Zeichnung dargestellte Stellung ein. Insbesondere
sind die Ventilelemente 36 und 40 geschlossen, und die Kolben
22 und 28 sind einer am anderen in Anlage.
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Vereinbarungsgemäß nennt man "vorne" die Richtung, die der
Betätigung der Bremse entspricht und "hinten" die Richtung, die
der Rückkehr in die Ruhestellung entspricht. In den Zeichnungen
ist also die Vorderseite links und die Hinterseite rechts.
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Bei einem Bremsvorgang wird dem Eingangskanal 31 vom
Hauptzylinder Hydraulikfluid unter Druck zugeführt, wodurch der Druck
in der Kammer 30 steigt. Da das Ventilelement 40 so austariert
ist, daß es sich in dieser ersten Phase des Funktionsablaufs
nicht öffnet, wirkt der Druck in der Kammer 13 also auf den
Kolben 28 und bewegt diesen vorwärts.
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Da der Kolben 28 am Kolben 22 anliegt, bewegt er seinerseits
den Kolben 22 vorwärts. Demzufolge erhöht sich das Volumen der
Kammer 32, verbunden mit einer Verminderung des Drucks in
dieser Kammer, was die Öffnung des Rückschlagventils 36
hervorruft, so daß Hydraulikfluid aus dem Niederdruckfluidreservoir
in die Kammer 32 angesaugt wird und die Kolben 22 und 28 sich
gemeinsam vorwärts bewegen können.
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Diese erste Phase im Funktionsablauf der Scheibenbremse,
während der die Reibungselemente mit den Flächen der Bremsscheibe
in Kontakt gebracht werden, geht solange vor sich, bis die
Reibungselemente 14 und 16 wirksam mit den Flächen der Scheibe 12
in Kontakt sind. In diesem Moment erreicht der Druck in der
Kammer 30 einen Wert P&sub1;, und der Kolben 22 erfährt einen
beträchtlichen mechanischen Laufwiderstand, der sich auf den an
ihm immer noch anliegenden Kolben 28 überträgt.
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Daraus folgt eine Druckerhöhung in der Kammer 30. Da die
Vorspannung der Feder 44 im Ruhezustand so vorbestimmt ist, daß
sich das Ventilelement 40 öffnet, wenn der hydraulische Druck,
der auf die Oberfläche des den Durchgang 38 sperrenden Kopfes
42 wirkt, ungefähr gleich P&sub1; ist, bildet sich auch in der
Kammer 32 eine Druckerhöhung aus.
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Diese Druckerhöhung in der Kammer 32 ruft die Schließung des
Rückschlagventils 36 hervor, so daß sich der Fluiddruck, der
durch den Eingangskanal 31 und nach der Öffnung des
Ventilelements 40 durch den Durchgang 38 übertragen wird, nun auf den
gesamten Abschnitt des Kolbens 22 in der Bohrung 20 wirkt.
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Da die Reibungselemente 14 und 16 bereits mit den Flächen der
Scheibe 12 in Kontakt waren, wird eine Erhöhung der Bremskraft
durch eine Erhöhung des Druckes in den Kammern 30 und 32
erhalten, deren Volumen sich in dieser zweiten Phase des
Funktionsablaufs der Scheibenbremse nur wenig verändert, was einem
wirksamen Bremsvorgang entspricht. In dieser zweiten Phase ist also
die Aufnahme von Fluid durch die Bremsscheibe sehr gering und
wird wie bei einer Scheibenbremse nach dem Stand der Technik
nur durch die mechanische Verformung des Bremssattels 10 und
der Reibungselemente 14 und 16 verursacht.
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Wenn der Fahrer des Fahrzeuges den Bremsvorgang beenden will,
verringert er den Druck auf das Bremspedal. Daraus folgt eine
Druckverringerung im Hauptzylinder, die durch den
Eintrittskanal 31 in die Kammer 30 übertragen wird.
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Wenn der Druck in der Kammer 30 unter den Wert P&sub1; sinkt, dann
hat dies zuerst die Schließung des austarierten Ventilelements
40 und dann das Zurückziehen des Kolbens 28 in der Bohrung 26
zur Folge. Bei dieser Rückwärtsbewegung des Kolbens 28 schlägt
der Fuß des Ventilelements 40 an der Scheibe 56 an und bleibt
in der Ausnehmung 52 des Kolbens 22 eingeschlossen.
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Folglich wird der Kopf 42 des Ventilelements entgegen der
Wirkung der Feder 44 durch die Stange 48 vom Ventilsitz 46
entfernt, wodurch der Fuß 50 die Öffnung des Ventilelements 40
erzwingt, wenn der Druck in der ersten Kammer 30 in dieser
dritten Phase des Funktionsablaufs der Scheibenbremse wieder
kleiner wird als der Druck P&sub1;, was dem entspricht, was man
vereinbarungsgemäß als "Bremsenlösen" bezeichnet.
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Die Kammer 32 steht also so mit der Kammer 30 in Verbindung,
daß die Druckabsenkung in der Kammer 30 unter den Wert P&sub1; durch
den Durchgang 38 in gleicher Weise in die Kammer 32 übertragen
wird und ihrerseits das Zurückziehen des Kolbens 22 hervorruft.
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In gleicher Weise nehmen die Vierkantdichtungen 23 und 29 in
den M-förmigen Vertiefungen der Bohrungen 20 und 26 am
Zurückziehen der Kolben 22 und 28 teil, indem sie in dieser dritten
Phase die Energie zurückgeben, die sie während der ersten Phase
durch ihre Verformung infolge der Reibung an den Kolben 22 und
28 aufgenommen haben. Die Kolben 22 und 28 unterliegen also
zwei rückwärts gerichteten Kräften, einer hydraulischen
Ursprungs und einer mechanischen Ursprungs.
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In dieser dritten Phase bleibt das Rückschlagventil 36
geschlossen, solange der Druck in der Kammer 32 nicht ungefähr
gleich dem im Niederdruckfluidreservoir herrschenden Druck ist,
d. h. solange der Druck im an den Eintrittskanal 31
angeschlossenen Hauptzylinder nicht gleich diesem Druck ist, d. h. weiter
solange der Kolben 22 nicht seine anfängliche Ruhestellung
eingenommen hat, die in Fig. 1 dargestellt ist.
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Es ist also ersichtlich, daß eine Scheibenbremse verwirklicht
wurde, bei der die Aufnahme von Hydraulikfluid verringert wurde
und bei der zuverlässige Mittel verwendet wurden. Tatsächlich
vollzieht sich die erste Phase des Funktionsablaufs der
Scheibenbremse, während der die Reibungselemente mit den Seiten der
Bremsscheibe in Kontakt gebracht werden, allein unter der
Wirkung der Druckerhöhung in der Kammer 30, während der Druck in
der Kammer 32 im wesentlichen genauso groß bleibt wie der Druck
des Niederdruckfluidreservoirs, weil in dieser Phase das
Rückschlagventil 36 offen und das austarierte Ventilelement 40
geschlossen ist.
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Das Fluidvolumen, das notwendig ist, um die Kolben 28 und 22
vorwärts zu bewegen, ist also genauso groß wie das Volumen, das
notwendig ist, um den einzelnen Kolben 28 vorwärts zu bewegen,
und ist wesentlich kleiner als das Fluidvolumen, das notwendig
ist, um den Kolben 22 bei Scheibenbremsen vom Stand der Technik
um die gleiche Distanz vorwärts zu bewegen.
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Anders ausgedrückt erhält man im Vergleich zu einer
Scheibenbremse nach dem Stand der Technik bei der gleichen Aufnahme
einen größeren Verschiebeweg für die Reibungselemente oder, was
auf dasselbe hinausläuft, eine geringere Aufnahme für denselben
Verschiebeweg.
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Es wird daher verständlich, daß für den Querschnitt des Kolbens
28 und den Querschnitt der Bohrung 26 ein bestimmter Wert
vorgesehen werden kann, damit die Fluidaufnahme der Scheibenbremse
bei jedem vorherbestimmten Wert gleich und wie gewünscht
reduziert ist.
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Darüber hinaus ist, dank der erzwungenen Öffnung des
Ventilelements 40, in der dritten Phase des Funktionsablaufs der
Scheibenbremse gewährleistet, daß die Kammern 30 und 32 miteinander
verbunden werden und so der Druck in der Kammer 32 gesenkt wird
und damit insbesondere der Kolben 22 in seine anfängliche
Ruheposition zurückgebracht wird, wobei diese hydraulische Wirkung
in vorteilhafter Weise mit der mechanischen Wirkung der
Vierkantdichtungen 23 und 29 in ihren jeweiligen M-förmigen
Vertiefungen kombiniert wird.
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Der Kolben 22 kann also in dieser dritten Phase des
Bremsenlösens einen Rückzugsweg durchlaufen, der ausreichend ist, um
zu gewährleisten, daß die Reibungselemente 14 und 16 nicht mehr
mit den Flächen der Scheibe 12 in Kontakt sind und daß der
Laufwiderstand der Scheibenbremse verringert oder gar
verschwunden ist.
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Es wurde also eine Scheibenbremse verwirklicht, die nur eine
geringe Hydraulikfluidaufnahme hat, wobei durch einen
beträchtlichen Annäherungs- und Rückzugsweg ein geringer oder gar kein
Laufwiderstand erhalten wird und nur zuverlässige Mittel
verwendet werden.