DE102010023699B4

DE102010023699B4 - Selbstverstärkende Bremseinrichtung

Info

Publication number: DE102010023699B4
Application number: DE201010023699
Authority: DE
Inventors: Jens Mierlich; Oliver Porten; Johannes Hammelrath
Original assignee: Pintsch Bubenzer GmbH
Current assignee: Dellner Bubenzer Germany De GmbH
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-06-15
Also published as: CN102906446B; CN102906446A; WO2011157400A1; DE102010023699A1

Abstract

Selbstverstärkende Bremseinrichtung, die beim Bremsen eine Bremskraft auf eine Wirkfläche eines Bremselements (119), insbesondere eine Bremsscheibe (119), ausübt. Die Selbstverstärkende Bremseinrichtung umfasst einen zwischen einer Brems- und einer Luftstellung verstellbaren Bremskopf (100), welcher einen in Bremsstellung am Bremselement (119) angreifenden Bremskörper (112) aufweist. Der Bremskörper (112) legt beim Bremsen entlang der Wirkfläche des Bremselements (119) einen Stellweg zurück und ist derart an einem zum Bremskörper (112) und senkrecht zur Wirkfläche verstellbaren Stellstück (113) angelenkt, dass dieses gegen die Wirkung einer am Bremskopf (100) angreifenden Spanneinrichtung (331) verstellt wird. Das Stellstück (113) baut so eine Bremskraft auf den Bremskörper (112) und damit das Bremselement (119) auf. Dabei ist der Stellweg des Stellstückes (113) über einen auf den Bremskörper (112) wirkenden Anschlag (115) einstellbar.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstverstärkende Bremseinrichtung mit einem Bremskopf, der einen mit einem Stellstück gekoppelten Bremskörper aufweist, der beim Bremsen auf ein Bremselement, z. B. eine Bremsscheibe oder eine Bremstrommel wirkt. Dadurch entsteht ein Hub zwischen Bremskörper und Stellstück, und ein auf den Bremskörper wirkender Anschlag begrenzt die Bewegung des Stellstückes. Die Bewegung des Stellstückes erfolgt gegen die Wirkung einer Spanneinrichtung (z. B. eine Feder), sodass diese eine definierte, konstante Bremskraft auf den Bremskopf und damit das Bremselement ausübt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Industriebremsen werden in unterschiedlichen Antriebssträngen eingesetzt. Sie halten tonnenschwere Lasten fest oder bremsen diese in Sekundenbruchteilen ab und müssen sehr zuverlässig arbeiten. Aufgrund rauer Umgebungsbedingungen und aus sicherheitstechnischen Gründen müssen Industriebremsen hohe Anforderungen erfüllen. Diese unterscheiden sich je nach Anwendungsbereich erheblich. Oft muss ein sehr hohes Bremsmoment aufgebracht werden, um beispielsweise bei einem Kran eine abstürzende Last zu sichern. Andere Bremssysteme müssen eine hohe Energiemenge aufnehmen können, insbesondere in der Fördertechnik, beispielsweise im Tagebau. Wieder andere Bremssysteme halten Drehzahlen oder Drehmomente von Arbeitsmaschinen beispielsweise in Fertigungsanlagen konstant.
Bei Störfällen, z. B. einem Stromausfall, sollte ein Bremssystem automatisch die Maschine zum Stillstand bringen (FAIL-SAFE).
Unabhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet, werden vermehrt robuste, wartungsarme Bremssysteme mit niedrigem Energieverbrauch benötigt, die durch eine kompakte und dadurch platzsparende Bauweise und/oder verringerte Produktionskosten auszeichnen und einfache Komponenten aufweisen. Ein Ziel ist es daher, Bremsen mit großem Bremsmoment bereit zustellen, die möglichst keine externe Energiequelle wie beispielsweise eine hydraulische Betätigung mit hohem Energieverbrauch benötigen, um die Bremse zu schließen oder offen zu halten.
Bei hohen Bremskräften sind meist groß dimensionierte Betätigungseinrichtungen erforderlich, da entweder bei geringer Betätigungskraft die zurückgelegten Wege der Hebelanordnung für eine ausreichende Übersetzung groß werden oder bei kleineren Hebelübersetzungen für die gleiche Bremskraft die erforderliche Betätigungskraft sehr groß ausfallen muss.
Einen alternativen Lösungsansatz stellt das Prinzip der Selbstverstärkung dar.
Bei der Selbstverstärkung wird ein Teil der vorhandenen, durch den Bremsvorgang dem abgebremsten System entzogenen Energie genutzt, um die Bremswirkung zu verstärken. Beispielsweise wird die am Bremsbelag wirkende Reibkraft einer Bremsscheibe zum Erhöhen der Bremskraft genutzt. Dieser sogenannte SERVO-Effekt lässt sich konstruktionstechnisch z. B. mit Hebeln oder mit Keilen erzielen. Das Keilprinzip hat sich gegenüber dem Hebelprinzip weitgehend durchgesetzt. Obwohl die Selbstverstärkung viele Vorteile bietet, fand sie bis jetzt in der modernen Industriebremsentechnik kaum Anwendung. Die Erzeugung hoher Bremskräfte wird stattdessen weitgehend mittels starker Federn und entsprechend leistungsfähiger Hydraulik-Antriebe umgesetzt.
Das Selbstverstärkungsprinzip für Bremsen wird bereits im Automotive-Bereich untersucht. Hier wird ausgefeilte Regelungstechnik eingesetzt, um die selbstverstärkte Bremswirkung besser dosierbar zu machen und ein Blockieren (Selbsthemmung) eines Bremskeils zu verhindern. Siehe dazu: Bernd Gombert: ”Modelling and Validation of the Mechatronic Wedge Brake”, SAE International: 2003-01-3331, 03.2003; ”Modelling Testing the Mechatronic Wedge Brake”, SAE International: 2004-01-2766, 01.2004; ”Modelling and Control of a Single Motor Electronic Wedge Brake”, SAE International: 2007-01-0866, 01.2007.
Ferner ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 225 A1 eine Bremse für Hub- oder Transportanlagen (Bauart KSP der Firma SITEMA) bekannt, welche das Selbstverstärkungsprinzip nutzt. Diese Bremse wird an Förderstangen zum Halten, Absichern oder Notbremsen von abwärts bewegten Massen eingesetzt. Dazu greift eine Klemmbuchse mit einem Außenkonus in Bremsstellung umfänglich an der Förderstange an. Die Klemmbuchse ist beweglich in einer ebenfalls beweglichen Klemmhülse mit einem Innenkonus gelagert. In Luftstellung wird die Klemmbuchse durch Druckbeaufschlagung eines Ringkolbens gegen die Kraft einer Tellerfeder in gelüfteter Position gehalten. Die Klemmhülse wird mittels entsprechender Feder auf Anschlag gehalten. Bei Abschalten des Druckes presst die Tellerfeder die Klemmbuchse gegen die Kraft der Klemmhülsenfeder in den Innenkonus. Dadurch greift die Bremse an die Förderstange an. Wirkt eine Last auf die Stange, so setzt Selbstverstärkung ein, welche die Klemmbuchse weiter in den Innenkonus zieht. Die Bewegung der Klemmbuchse wird jedoch durch den Ringkolben begrenzt, der sich ohne Druckbeaufschlagung in Anschlagposition befindet. Damit wirkt auf die Stange eine definierte Anpresskraft. Die beschriebene Bremse kann jedoch nicht ohne weiteres unter Last gelüftet werden. Zudem ist eine Pneumatik-Anlage zum Lüften der Bremse erforderlich.
Weitere selbstverstärkende Bremssysteme sind aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 036 033 A1 und der Druckschrift DE 10 2006 036 278 B3 bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache selbstverstärkende Bremseinrichtung zum Erzeugen einer definierten Anpresskraft bereitzustellen, insbesondere für Rotations-Bremselemente (Scheiben, Trommeln) geeignet ist, die auch unter Last einfach lösbar ist, und zudem die oben beschriebenen Nachteile bekannter Bremseinrichtungen wenigstens teilweise überwindet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Varianten und bevorzugte Ausführungsformen geben die abhängigen Ansprüche an, sowie die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele und die Zeichnungen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine selbstverstärkende Bremseinrichtung, die beim Bremsen eine Bremskraft auf eine Wirkfläche eines Bremselements, insbesondere eine Bremsscheibe, ausübt. Die selbstverstärkende Bremseinrichtung umfasst einen zwischen einer Brems- und einer Luftstellung verstellbaren Bremskopf, welcher einen in Bremsstellung am Bremselement angreifenden Bremskörper aufweist. Der Bremskörper legt beim Bremsen entlang der Wirkfläche des Bremselements einen Stellweg zurück und ist derart an einem zum Bremskörper und senkrecht zur Wirkfläche verstellbaren Stellstück angelenkt, dass dieses gegen die Wirkung einer am Bremskopf angreifenden Spanneinrichtung verstellt wird. Das Stellstück baut so eine Bremskraft auf den Bremskörper und damit das Bremselement auf. Dabei ist der Stellweg des Stellstückes über einen auf den Bremskörper wirkenden Anschlag einstellbar und durch Verstellen des Anschlags zu verändern.
Durch den Anschlag und die Spanneinrichtung, welche die durch die Verschiebung des Stellstücks erzeugte potentielle Energie aufnimmt, kann trotz gegebener Reibwertschwankungen eine definierte Bremskraft erzeugt, also die Selbstverstärkung auf einen festen Wert begrenzt werden, mit welcher der Bremskopf auf das Bremselement wirkt. Eine vollständige Selbsthemmung des Bremskörpers wird effektiv verhindert und ein einfaches Lüften der Bremseinrichtung ist möglich. Dennoch erlaubt die Bremseinrichtungsanordnung einen großen Selbstverstärkungsfaktor. Um die Schlagwirkung des Bremskörpers auf die Anschläge zu verringern, können in den Anschlägen zusätzlich Dämpfungselemente vorgesehen sein.
Ferner erlaubt ein Verstellen der Position des Anschlages, da der Anschlag die Spannung der Spanneinrichtung vorgibt, eine Anpassung der definierten Bremskraft, ohne dass aufwändige konstruktive Anpassungen an der Bremseinrichtung vorgenommen werden müssen. Zu demselben Zweck kann auch die Spanneinrichtung verstellt werden, wie weiter unten beschrieben.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Bremskörper und Stellstück über eine zur Stellwegrichtung geneigte Keilanordnung miteinander gekoppelt. Die Neigung (α) der Keilanordnung liegt zwischen 0° und arctan (μmin), wobei Amin den kleinsten Reibkoeffizienten bzw. Reibwert einer Bremsanordnung bezeichnet. Dieser Zusammenhang zwischen Neigung α und Reibwert μmin ergibt sich aus dem Betrieb der Bremseinrichtung im Selbsthemmungs-Modus, in dem der Bremskörper, sobald er die Bremsscheibe berührt, ohne zusätzliche Kraft durch die zwischen Bremselement und Bremskörper wirkende Reibkraft in Drehrichtung des Bremselements mitgeführt wird, was den Hub zwischen Bremskörper und Stellstück verursacht. Der Betrieb der Bremseinrichtung im Selbsthemmungs-Modus kombiniert mit Anschlägen am Bremskörper ermöglicht so eine definierte Bremskraft ohne aufwändige Regelungstechnik.
Die Kopplung erfolgt beispielsweise mittels eines Wälzlagers oder eines Gleitlagers. Ein Gleitlager kommt beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Schmiermittels zum Einsatz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die selbstverstärkende Bremseinrichtung eine Keilanordnung, die zwei in unterschiedliche Richtungen wirkende Keilbereiche aufweist.
Dadurch wird die Bremseinrichtung unabhängig von einer Bewegungsrichtung des Bremselementes (Drehrichtung der Bremsscheibe oder Bremstrommel) einsetzbar, da so eine definierte – ggf. unterschiedlich hohe – Bremskraft in entgegengesetzte Bewegungsrichtungen des Bremselementes erzielt werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung befasst sich mit der selbstverstärkenden Bremseinrichtung, bei der die Keilanordnung wenigstens ein Wälzelement aufweist, über das die Keilbereiche mit einander gekoppelt sind. Damit werden Reibeffekte zwischen Bremskörper und Stellstück optimiert.
Das Wälzelement ist beispielsweise eine zylindrische Nadelrolle. Nadelrollen bieten eine große Auflagefläche zwischen den Keilbereichen. Dadurch kann eine gleichmäßige Kraftverteilung auf den Bremsbelag erreicht werden. Eine homogen über die Keilbereiche verteilte Kraftwirkung senkt den Verschleiß innerhalb des Lagers und erhöht die Funktionssicherheit der Bremseinrichtung. Alternativ werden Kugeln als Wälzelemente verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Bremskörper und Stellstück über im Querschnitt z. B. ovale oder ellipsenförmige Wälzelemente gekoppelt, über deren Exzenterwirkung der Verstellweg zwischen Bremskörper und Stellstück realisiert bzw. übersetzt wird.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der selbstverstärkenden Bremseinrichtung ist der Bremskörper über ein Schubelement gelenkig schwenkbar mit dem Stellstück verbunden, das ggf. eine besonders stoßfeste Kopplung erlaubt.
So sind unter Umständen teurere, wartungsintensivere oder weniger robuste Lagerarten zur Kopplung von Bremskörper und Stellstück verzichtbar.
Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die selbstverstärkende Bremseinrichtung zwei Anschlage zum Einstellen der Stellwege des Bremskörpers in entgegen gesetzte Bewegungsrichtungen des Bremselementes.
Dadurch kann eine definierte, selbstverstärkte Bremswirkung erzielt werden, die unabhängig von der Drehrichtung der Bremsscheibe ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die selbstverstärkende Bremseinrichtung als Spanneinrichtung ein elastisches Element, bevorzugt eine Feder.
Federn sind Standardbauteile mit definierten mechanischen Eigenschaften, die zudem eine kompakte Bauweise der Bremseinrichtung ermöglichen. Dadurch eignet sich die Bremseinrichtung insbesondere für Industrieanwendungen, bei denen wenig Platz vorhanden ist. Zudem ist bei einer Feder die zu erzielende Bremskraft zusätzlich einfach einstellbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform geschieht dies über eine Vorspannung der Feder.
Dabei wird die Feder (meist eine Druckfeder) zum Verändern ihrer Vorspannung gestaucht oder gestreckt (Zugfeder). Über die Vorspannung der Feder ist die Bremseinrichtung an verschiedene abzubremsende Lasten, ohne aufwändige konstruktive Veränderungen vornehmen zu müssen, anpassbar und vielseitiger einsetzbar. Die Anpassung der Bremskraft kann ggf. über große Kraftbereiche erfolgen.
Alternativ oder ergänzend kann es sich bei dem elastischen Element auch um eine oder mehrere Komponenten des Bremssystems, insbesondere können Bremshebel oder eine die Bremshebel verbindende Gestängeanordnung durch ihre Eigenelastizität die Funktion des elastischen Elements übernehmen, wie weiter unten noch beschrieben wird. Über die geeignete Wahl der verwendeten Komponenten in Abhängigkeit der erforderlichen Elastizität kann auch hier eine Vorspannung erfolgen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Bremskopf zum Verstellen zwischen Bremsstellung und Luftstellung schwenkbar an einer Bremshebelanordnung angeordnet. Damit sind die Vorteile der ausgereiften Bremshebelsysteme (Hebelbremsen, Zangenbremsen) mit denen einer selbstverstärkenden Bremseinrichtung kombinierbar.
Die Bremshebelanordnung umfasst dabei einen Bremshebel mit einem ortsfesten Hebeldrehpunkt und festem Übersetzungsverhältnis. Der Bremskopf ist an einem Ende des Bremshebels oder zwischen den Enden des Bremshebels angeordnet. Eine Bewegung des Bremshebels um seinen Hebeldrehpunkt schwenkt den Bremskopf aus der Luftstellung in die Bremsstellung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst die selbstverstärkende Bremseinrichtung zwei Bremsköpfe an jeweils einem Bremshebel, wobei die Bremsköpfe in Bremsstellung auf zwei gegenüberliegende Wirkflächen des Bremselementes wirken und die Spanneinrichtung zwischen den Bremshebeln wirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der selbstverstärkenden Bremseinrichtung um eine Hebelbremse, bei der die Bremshebel etwa tangential zur Bewegungsrichtung des Bremselementes angeordnet sind oder eine Zangenbremse, bei der die Bremshebel radial zur Bewegungsrichtung des Bremselementes angeordnet sind.
Eine beidseitige, symmetrische und gleichmäßige Bremskraftbeaufschlagung verhindert Biegewirkungen quer zur Bewegungsrichtung des abzubremsenden Bremselementes. Ferner kann schneller abgebremst werden, da die doppelte Reibwirkung auf das Bremselement wirkt. Durch die zentrale Anordnung der Spanneinrichtung zwischen beiden Bremshebeln und das gleichzeitige Wirken der Spanneinrichtung auf beide Bremshebel ist eine kompakte Bauweise der Bremseinrichtung erzielbar.
In einer weiteren Ausführung ist die Bremseinrichtung in Form einer Schwimmsattelbremse oder einer Festsattelbremse ausgestaltet.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beschreibt eine selbstverstärkende Bremseinrichtung, bei der zwischen den zwei Bremshebeln eine Zentriereinrichtung zum Zentrieren der Bremsköpfe angeordnet ist.
Die Zentriereinrichtung greift symmetrisch an den Bremshebeln an und bewirkt durch Zwangsführung eine betragsgleiche, richtungsinvertierte Bewegung der Bremshebel sowie einen auf beiden Seiten des Bremselementes identischen Luftspalt zwischen Bremsbelägen und Bremselement. Die Bremsköpfe können so in ihre Lüftposition gebracht und beim nächsten Bremsvorgang wieder gleichmäßig und symmetrisch an die Bremsscheibe angelagert werden. So ist die Bremseinrichtung unabhängig von der Einbaulage einsetzbar. Die Zentriereinrichtung sorgt auch für einen gleichmäßigen Verschleiß der beteiligten Wirkflächen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Bremssystems mit einer erfindungsgemäßen, als Zangenbremse ausgeführten Bremseinrichtung, einer Stellvorrichtung, einer Halteeinrichtung und einem Luftgerät;
1b eine perspektivische Detailansicht einer Halteeinrichtung;
1c eine schematische Darstellung einer Halteeinrichtung;
2 eine Schnittdarstellung eines Bremskopfes in Luftstellung für eine erfindungsgemäße Bremseinrichtung;
3 eine Ansicht einer als Zangenbremse ausgeführten erfindungsgemäßen Bremseinrichtung;
3b eine schematische Ansicht einer als Hebelbremse ausgeführten erfindungsgemäßen Bremseinrichtung;
3c eine perspektivische Schnittdarstellung einer als Schwimmsattelbremse ausgeführten erfindungsgemäßen Bremseinrichtung;
4 eine Ansicht einer Stellvorrichtung;
5 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Luftgerätes;
6a eine schematische Darstellung eines Bremssystems mit einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung, einer Stellvorrichtung, einer Halteeinrichtung und einem Luftgerät in Luftstellung;
6b das in 6a dargestellte Bremssystem in Bremsstellung;
6c das in 6a dargestellte Bremssystem in Bremsstellung;
6d das in 6a dargestellte Bremssystem in Bremsstellung;
6e das in 6a dargestellte Bremssystem in Luftstellung;
6f das in 6a dargestellte Bremssystem in Bremsstellung;
6g das in 6a dargestellte Bremssystem in Bremsstellung;
7 ein Steuerdiagramm für den Betrieb eines Bremssystems mit einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung, einer Stellvorrichtung, einer Halteeinrichtung und einem Luftgerät;
8 eine schematische Darstellung einer Zentriereinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und.
8b eine schematische Darstellung einer Zentriereinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1, 2 und 3 zeigen den Grundaufbau und die Funktion eines Bremssystems 10, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung umfasst. Das dargestellte Bremssystem 10 ist mit einer als Zangenbremse ausgestalteten Bremshebelanordnung 200 versehen, die an ihrem Stellende 225 mit der Stellvorrichtung 300 gekoppelt ist und an ihrem Bremsende 226 die Bremsköpfe 100 trägt. Zwischen den Bremshebeln 220 wirkt eine Zentriereinrichtung 600, deren Aufbau und Funktion weiter unten in Verbindung mit 8 erläutert wird. Die Stellvorrichtung 300 ist an ihrem einen Ende über einen Stellblock 224 gelenkig mit dem Stellende 225b des Bremshebels 220b gekoppelt, der aus zwei parallel angeordneten Laschen aufgebaut ist. Das andere Ende der Stellvorrichtung 300 ist mit der Halteeinrichtung 400 gekoppelt, die zusammen mit dem Luftgerät 500 die Verstellanordnung 700 bilden, die über ihren Gehäuserahmen 710 mit dem Stellende 225a des Bremshebels 220a gelenkig gekoppelt ist. Über die Verstellanordnung 700 und die Stellvorrichtung 300 ist das Bremssystem 10 zwischen seiner Bremsstellung und seiner Luftstellung verstellbar. Das gesamte Bremssystem 10 ist in den Hebeldrehpunkten 221 fest zu einer als Bremselement 119 ausgebildeten Bremsscheibe verschwenkbar fixiert, und zwar so, dass die als Wirkflächen dienenden Radialflächen der Bremsscheibe 119 (vgl. 3) zentriert zwischen den einander gegenüberliegenden Bremsköpfen 100 verlauft.
Der in 2 dargestellte Bremskopf 100 umfasst einen Bremskörper 112 mit einem daran fixierten Bremsbelag 116, dessen als Wirkfläche dienende Reibfläche beim Bremsen an der Radialfläche der Bremsscheibe 119 angreift und über die Bremsscheibe 119 die Bremswirkung auf eine Bremswelle überträgt.
Der Bremskörper 112 ist zu einem Stellstück 113 verstellbar angeordnet und wird über insgesamt vier Federelemente 120 (1 und 3) in einer Ausgangsstellung (2) am Stellstück 113 gehalten. Das Stellstück 113 selber ist mit einem Scharnierblock 121 verschraubt, der über einen zylindrischen Zentrierstift 122 zum Stellstück 113 zentriert ist. Über zwei vom Scharnierblock 121 abstehende Zapfen 123, deren Enden jeweils in einen am Stellstück 113 fixierten Stützwinkel 124 hineinragen, ist der gesamte Bremskopf 100 gelenkig jeweils an den Bremsenden 226a und 226b der Bremshebel 220a und 220b aufgenommen.
Die Spannung der Federelemente 120 kann über eine Stelllasche 125, die am Scharnierblock 121 verstellbar fixierbar ist, eingestellt werden.
Die zueinander weisenden Koppelflächen des Bremskörpers 112 und des Stellstücks 113 sind jeweils mit mehreren parallel zueinander verlaufende Keilnuten 118 versehen, die durch zueinander geneigte als Stellflächen dienende Keilflächen 114 definiert sind. Zwischen den Stellflächen 114 sind entsprechend der Anzahl der Keilnuten 118 (hier vier) als zylindrische Wälzrollen bzw. -nadeln ausgebildete Wälzelemente 117 vorgesehen. Über die Lage der Keilnuten 118 und die Wälzelemente 117 wird die in 2 dargestellte Ausgangslage des Bremskörpers 112 zum Stellstück 113 definiert und durch die Federelemente 120 elastisch fixiert, so dass der Bremskörper 112 in Pfeilrichtung P zum Stellstück 113 verstellbar ist.
Der verfügbare Verstellweg s wird dabei über die als Anschlag dienenden Stellschrauben 115 definiert, deren Stellung über eine Kontermutter fixierbar ist.
Beim Bremsen funktioniert der oben beschriebene Bremskopf wie folgt:
Zunächst wird der Bremskopf 100 mit der Wirkfläche des Bremsbelags 116 an die Radialfläche der in Richtung P rotierenden Bremsscheibe 119 angelegt. Die einsetzende Reibwirkung verlagert am Bremsbelag 116 angreifend den Bremskörper 112 in Richtung Anschlag 115. Dabei verschieben sich die Keilflächen 114 zueinander, und zwar über die Wälzelemente 117 gegeneinander abrollend. Beim Verlagern des Bremskörpers 112 in Richtung P gelangen die Wälzelemente 117 beim Rollen aus dem Kerbgrund an die Flanken der Keilfläche 114 und verspannen dabei den Bremskörper 112 gegen die Radialfläche der Bremsscheibe 119. Dadurch wird die auf den Bremskopf 100 wirkende Kraft verstärkt und damit auch die Bremswirkung.
Die Neigung der Keilflächen 114 ist dabei so eingestellt, dass die Keilflächen 114 und Wälzelemente 117 selbsthemmend miteinander gekoppelt sind, d. h., dass die Wälzelemente 117 während des Bremsvorgangs beim Verstellen des Bremskörpers 112 gegenüber dem Stellstück 113 unter der von der Bremsscheibe 119 ausgehenden Kraftwirkung senkrecht zur Pfeilrichtung P nicht in die Keilnuten 118 verrutschen können.
Um die durch die Keilwirkung aufgebaute Bremskraft zu dosieren, ist folgendes vorgesehen:
Zum einen dienen die Anschläge 115 dazu, den Stellweg s zu beschränken, so dass eine durch die Keilwirkung verursachte Verstellung des Stellstücks 113 senkrecht zur Pfeilrichtung P ebenfalls beschränkt ist.
Um eine definierbare Bremskraft aufzubauen, ist die Verstellanordnung 700 mit der Stellvorrichtung 300 vorgesehen. Dabei umfasst gemäß 4 die Stellvorrichtung 300 ein als Schubstange ausgebildetes Übertragungselement 330, das zwischen dem Stellende 225b und dem mit dem Stellende 225a gekoppelten Gehäuserahmen 710 wirkt. Dabei durchsetzt die Schubstange 330 eine Stirnplatte 720 des Gehäuserahmens 710 und mündet in die Halteeinrichtung 400 (siehe unten und 1b und 1c). Zwischen der Stirnplatte 720 und einem entlang der Schubstangenachse über ein Gewinde verstellbaren Anschlagring 336 wirkt eine als Anstelleinrichtung ausgebildete Druckfeder 332 (nachfolgend auch Anstellfeder genannt).
Die Schubstange 330 selber kann mittels der Halteeinrichtung 400 bezüglich des Gehäuserahmens 710 fixiert oder gelöst werden. Bei fixierter Schubstange 330 ist die Anstellfeder 332 wirkungslos. Bei gelöster Schubstange 330 spreizt die Anstellfeder 332 die Bremshebel 220 am Stellende 225 auseinander, indem sie sich zwischen Anschlagring 336 und vorderer Stirnplatte 720 des Gehäuserahmens 710 abstützt, wobei sie über den Gehäuserahmen 710 am Stellende 225a angreift und so auf das Stellende 225b wirkt. Die Stellkraft der Anstellfeder 332 wird dabei über den Anschlagring 336 auf die Schubstange 330 und über diese in einen weiteren Anschlagring 335 übertragen, an dem sich eine weitere als Spanneinrichtung ausgebildete Druckfeder 331 (nachfolgend auch Spannfeder genannt) anschließt, die ebenfalls auf der Schubstange 330 geführt sitzt. Das andere Ende dieser Spannfeder 331 wirkt auf den Stellblock 224, der über Scharnierbolzen gelenkig im Stellende 225b des Stellhebels 220b aufgenommen ist (siehe auch 1). Dabei durchsetzt die Schubstange 330 diesen Stellblock 224 verschieblich und ist über ein Sicherungselement gegen Herausrutschen aus dem Stellblock 224 gesichert. Die Federkraft der als Spanneinrichtung 331 dienenden Druckfeder ist wesentlich höher als die der als Anstelleinrichtung dienenden Druckfeder 332. Damit wird die Stellwirkung der Anstellfeder 332 über die Spannfeder 331 und den Stellblock 224 auf das Stellende 225b übertragen und über die vordere Gehäusestirnplatte 720 in den Gehäuserahmen 710 und damit auch auf das Stellende 225a. Bei gelöster Schubstange 330 werden dadurch die Stellenden 225a und 225b auseinandergespreizt und die Bremsköpfe 100 mit den Bremskörpern 112 bzw. den Bremsbelägen 116 an die Radialflächen der Bremsscheibe 119 angelegt.
In dieser Stellung wird die Schubstange 330 über die Halteeinrichtung 400 bezüglich des Gehäuserahmens 710 und damit bezüglich des Stellendes 225a fixiert. Durch die über den Bremsbelag 116 am Bremskörper 112 in Richtung P wirkende Stellkraft wird der Bremskörper 112 bezüglich des Stellstücks 113 in Richtung P verstellt. Durch die Roll-Keil-Wirkung der in den Keilnuten 118 abrollenden Wälzelemente 117 wird das Stellstück 113 senkrecht zur Radialfläche der Bremsscheibe 119 von dieser weg bewegt. Das heißt, die Bremsenden 226a und b werden auseinander gedrückt und zwar gegen die zwischen den Stellenden 225a und 225b wirkende Spannfeder 331. Am Stellende 225b erfolgt der Kraftfluss über den Stellhebel 220b in den Stellblock 224 in die Spanneinrichtung 331 und den Anschlagring 335 und damit in die Schubstange 330. Am Stellende 225a erfolgt der Kraftfluss über den Gehäuserahmen 710 in die Halteeinrichtung 400 und in die bezüglich der Halteeinrichtung 400 festgesetzte Schubstange 330 und darüber in das Anschlagelement 335.
Damit wird die Bremskraft durch eine definierte Verformung der Spannfeder 331 aufgebaut. Die Bremskraft kann durch eine entsprechende Vorspannung der Spannfeder 331 über den Anschlagring 335 eingestellt werden oder durch die Wahl einer Druckfeder mit einer anderen Federkonstante. Die Bremskraft wird über den Stellweg s des Bremskörpers 112 bezüglich des Stellstücks 113 begrenzt und kann durch Verstellen der Anschlage 115 verändert werden. Durch unterschiedliches Einstellen dieser Anschläge kann er auch drehrichtungsabhängig variiert werden.
Nadelrollen 117 mit kreisförmigem Querschnitt bewirken bei insbesondere gegenüberliegenden, ebenen Keilflächen 114 einen linearen Zusammenhang zwischen der Spreizung des Bremskopfes 100 und dem vom Bremskörper 112 zurück gelegten Stellweg.
Wälzelemente 117 mit ovalen und insbesondere ellipsenförmigen Querschnitten erlauben vielfältige andere Spreiz-/Stellwegcharakteristika. Mit exzentrisch wirkenden Wälzelementen 117 können ebene Wirkflächen ohne Keilwirkung miteinander gekoppelt werden.
Die Anzahl der Keilnuten 118 hängt von mehreren, teilweise gegenläufigen Faktoren ab, beispielsweise der Flächenpressung, dem Verschleiß der betroffenen Bauteile, den Herstellungskosten und/oder dem Produktionsaufwand.
Alternativ können die als Keilflächen 114 ausgestalteten Keilbereiche von Bremskörper 112 und Stellstück 113 direkt auf einander liegend angeordnet und als Gleitlager ausgebildet sein. Geeignete Schmiermittel oder beschichtete Gleitflächen erlauben Gleitlager, die insbesondere große ruhende Lasten aufnehmen können, z. B. in langen Bremszyklen, bei denen die Bremseinrichtung für lange Zeitperioden geschlossen ist, während sich für bewegte Lasten (mit hohen Bremsfrequenzen) beispielsweise Wälzlager mit im Wesentlichen zylinderförmigen oder kugelförmigen Wälz- bzw. Übertragungselementen 117 eignen.
Es gibt auch Ausführungen mit nicht-ebenen Keilbereichen. Durch die Wahl einer vorteilhaften Keilbereichsform kann die Bremseinrichtung der Anwendung bestmöglich angepasst werden. So können beispielsweise progressive oder degressive Bremswirkungen reduziert werden.
Gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind Bremskörper 112 und Stellstück 113 über ein Schubelement mit einander verbunden. Schubelement und Bremskörper 112 sind an einem Ende des Schubelementes mittels eines schwenkbaren Gelenkes verbunden, sodass ein Stellwinkel zwischen Schubelement und Bremskörper 112 variabel ist. Das Stellstück 113 ist am anderen Ende des Schubelementes angeordnet. Das Schubelement ist z. B. ein Hebel oder eine Stange, der bzw. die verschwenkbar an Bremskörper 112 und Stellstück 113 angelenkt ist. Die Selbstverstärkungswirkung hängt vom Anstellwinkel der durch die Anlenkpunkte verlaufenden Wirklinie zum Stellweg ab. Durch den Stellweg des Bremskörpers 112 bei Einsetzen der Selbstverstärkungswirkung wird in Analogie zum vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel gegen die Wirkung der Spanneinrichtung 331 eine Positionsverschiebung des Stellstückes 113 verursacht.
Die besondere Form, Anordnung und Gestaltung von Bremskörper 112 und Stellstück 113 erlaubt in jeder Bewegungsrichtung der Bremsscheibe 119 ein einstellbares konstantes Bremsmoment, ohne dass aufwändige Umbauten an der Bremse vorgenommen werden müssen. Dies macht die Bremse vielseitig einsetzbar.
Andere Ausgestaltungen für die Anschlagspositionierung sind möglich, beispielweise mehrere Schrauben 115 auf einer Seite. Ferner kann ein Anschlag 115 verschieblich und arretierbar auf einer Führungsschiene angeordnet sein. Zur Einstellung einer Anschlagposition können ebenso Distanzstücke dienen. Bevorzugt ist zusätzlich ein Dämpfungselement im Anschlag integriert, um die Schlagwirkung des Bremskörpers bei Einfall der Bremse aufzunehmen. Dadurch wird die Lebensdauer der Anschläge deutlich erhöht.
Die Spannfeder 331 ist auf einer Führung 333, die fest körperlich mit der Schubstange 330 verbunden ist, beispielweise mittels eines Gewindes, angeordnet und verhindert ein Ausknicken der Spannfeder 331 unter Belastung. An der Federführung 333 ist der Anschlagring 335 angeordnet.
Die Anstelleinrichtung 332 bzw. Anstellfeder 332 kann ebenfalls auf einer Federführung 334 angeordnet sein, die das Einknicken der Anstellfeder 332 unter Belastung verhindert. Die Anstellfeder 332 wirkt zwischen dem an der Federführung 334 angeordneten Anschlagring 336 und dem am Hebelende 225b angeordneten Stellblock 224. Auch die Federführung 334 ist beispielsweise über ein Gewinde auf der Schubstange 330 arretiert. Beide Federführungen können Gewindeabschnitte aufweisen, mit denen die Position des Anschlagrings 335 bzw. 336 zur Vorspannung der Anstellfeder 332 bzw. der Spannfeder 331 verändert werden kann.
Hebelausführung
3b zeigt eine schematische Darstellung einer als Hebelbremse ausgestalteten passiven Bremseinrichtung. Die Bremseinrichtung ist ohne Bremselement 119 bzw. Bremsscheibe 119 dargestellt.
Die Bremseinrichtung weist ebenfalls zwei symmetrisch zu einander, sich gegenüberliegend angeordnete Bremsköpfe 100 (siehe 1) auf, die mittels einer Hebelanordnung 200 beidseitig mit den Wirkflächen der Bremsbeläge 116 an einer zwischen den Bremsköpfen 100 verlaufenden Bremsscheibe 119 angelegt werden können. Dazu werden die Bremshebel 220 um die ortsfesten Hebeldrehpunkte 221 verschwenkt, die sich bei dieser Ausführung jeweils an den Fixpunktenden 227a bzw. 227b der Bremshebel 220 befinden. Die Bremsköpfe 100. sind. mittels Zapfen 222 über eine Konstruktion, vergleichbar zu der in Bezug auf 2 beschriebenen, jeweils schwenkbar mittig an den Bremshebeln 220 angeordnet, sodass sich auch hier die Wirkflächen des Bremsbelags 116 unabhängig von der Neigung der Bremshebel 220 in Bremsstellung immer flächig an die Bremsscheibe 119 anlagern.
An den den Anlenkpunkten 221 gegenüberliegenden Stellenden 228a und 228b der Bremshebel 220 sind beide Bremshebel 220 über eine Gestängeanordnung 223 an ein als Schubstange ausgebildetes Übertragungselement 330 gekoppelt. Die Schubstange 330 ist mittig über einen auf der Schubstange 330 verschieblich angeordneten Stellblock 223b mit dem Stellhebel 223a gekoppelt. Der Stellblock 223b ist mittels eines Scharnierbolzens (nicht dargestellt) verschwenkbar am Ende des Stellhebels 223a der Hebelanordnung 223 angeordnet. Die Schubstange 330, greift über eine vordere Stirnplatte 720 an der Verstellanordnung 700 an, ist darin axial verschiebbar gelagert und mündet über den Anschlag 338 in eine Halteeinrichtung 400 (siehe unten und 1b und 1c) zum Fixieren bzw. Lösen der Schubstange 330 relativ zum Gehäuserahmen 710 der Verstellanordnung 700.
Zum Verstellen der Schubstange 330, also zum Bremsen und Lüften der Bremseinrichtung, sind in Analogie zu der als Zangenbremse ausgestalteten Bremseinrichtung, axial auf der Schubstange 330 eine Spanneinrichtung 331 sowie eine Anstelleinrichtung 332, die jeweils als Feder ausgebildet sind, vorgesehen. Beide Federn sind als Druckfedern ausgestaltet. Die Federkraft der als Spanneinrichtung 331 dienenden Druckfeder ist auch hier wesentlich höher als die der als Anstelleinrichtung dienenden Druckfeder 332. Die Spanneinrichtung 331 ist auf dem aus der Verstellanordnung 700 herausragenden Abschnitt der Schubstange 330 angeordnet und stutzt sich zwischen einem Anschlag 337 am Ende der Schubstange 330 und einer Flanke des Stellblocks 223b ab, der die Spannwirkung über die Hebelanordnung 223 und die Bremsköpfe 100, auf die Bremsscheibe (nicht dargestellt) überträgt. Die Anstelleinrichtung 332 befindet sich im Inneren der Verstellanordnung 700 und wirkt zwischen einem Anschlag 338 am Ende der Schubstange 330 und der vorderen Stirnplatte 720 des Gehäuserahmens 710 der Verstellanordnung 700.
Ein Bremsvorgang gestaltet sich in diesem Ausführungsbeispiel wie folgt:
Bei gelöster Schubstange 330 spreizt sich die Anstellfeder 332 zwischen Anschlag 338 und Stirnplatte 720 und zieht die Schubstange 330 in die Verstellanordnung 700 hinein. Der Stellblock 223b wirkt auf die Hebelanordnung 223, die die Bremshebel 220 um die Hebeldrehpunkte 221 verschwenkt, so dass sich die Bremshebelenden 228a und 228b aufeinander zu bewegen und sich die Bremsköpfe 100 an die Bremsscheibe anlegen. Die Anstellfeder 332 wirkt dabei über den Anschlag 337 und die Spannfeder 331 auf den Stellblock 223b.
In dieser Stellung wird die Schubstange 330 über die Halteeinrichtung 400 im Gehäuserahmen 710 fixiert. Durch die in dieser Stellung am Bremskörper 112 in Richtung P wirkende Reibkraft werden Bremskörper 112 und Stellstück 113 gespreizt. Die Bremshebelenden 228a und 228b werden dabei auseinander gedrückt und die Hebelanordnung 223 druckt über den Stellblock 223b die Spannfeder 331 gegen den Anschlag 337 zusammen. Damit wird auch hier die Bremskraft durch eine definierte Verformung der Spannfeder 331 aufgebaut. Der Bremskraftverlauf kann durch eine entsprechende Vorspannung der Spannfeder 331 über den Anschlag 337 angepasst werden und/oder durch die Wahl einer Druckfeder mit einer bestimmten Federkonstante. Obige Ausführungen zur Gestaltung des Bremskopfes 100 gelten analog.
Zwischen den Bremshebeln 220 ist bevorzugt ebenfalls eine Zentriereinrichtung 600 angeordnet, die die Bewegung der Bremshebel 220 synchronisiert und betragsmäßig angleicht (siehe 8).
Schwimmsattelausführung
3c zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung einer als Schwimmsattelbremse ausgestalteten Bremseinrichtung.
Im Gegensatz zu den obigen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der in 3c gezeigten Bremse um eine aktive Bremse, die unter Energiezufuhr schließt und geschlossen bleibt, und lüftet, sobald die Energiezufuhr unterbrochen ist.
Sie weist eine Sattelanordnung 900 und einen Kolben 800 mit je einem Bremskopf 100a bzw. 100 auf, die sich gegenüberliegend angeordnet sind und auf eine zwischen den Bremsköpfen 100a, 100 verlaufende Bremsscheibe (nicht dargestellt) wirken. Die Sattelanordnung 900 trägt den Sattelbremskopf 100a ohne Selbstverstärkungsmechanismus. Die Sattelanordnung 900 ist über eine Sattellinearführung schwimmend, gefedert relativ zur Bremsscheibe und zum Kolben 800 verschieblich gelagert, wobei über Haltefedern ein konstanter Luftspalt zwischen Sattelbremskopf 100a und Bremsscheibe einstellbar ist. Der Aufbau und die Funktion der Sattelanordnung entsprechen denen gängiger Schwimmsattelbremsen. Im Folgenden wird daher auf eine Beschreibung der Betätigung des Sattels verzichtet.
Der Kolben 800 ersetzt den in gängigen Bauarten verwendeten Hydraulik-Zylinder. Der Kolben umfasst eine auf den Bremskopf 100 wirkende Verstellanordnung 700 zum Schließen und Lüften der Bremse. Der Bremskopf 100 weist einen Bremskörper 112 mit einem der Bremsscheibe zugewandten Bremsbelag 116 und ein Stellstück 113 auf, die je an sich gegenüberliegenden Seiten Keilnuten 118 mit Keilflächen 114 aufweisen. Der Bremskörper 112 ist über zwischen den Keilflächen 114 angeordnete, als Wälzelemente fungierende Nadelrollen (nicht dargestellt) an dem Stellstück 113 angelenkt.
Der Mantel eines zylindrischen, becherförmigen Schiebers 340 greift auf dessen Oberseite in einer dafür vorgesehenen Nut in das Stellstück 113 ein. Der Schieber 340 ist verschieblich in einem Gehäuseelement 704 der Verstellanordnung 700 gelagert und wird durch dieses in seiner Bewegung geführt. Eine entlang ihrer Längsachse 715 relativ zu den fest miteinander verbundenen Gehäuseelementen 704 und 703 und dem Schieber 340 verschiebliche Schubstange 330, die über einen Schubstangenanschlag 330a am Stellstück 113 angreifend auf den Bremskörper 100 wirkt, durchsetzt zentral die Grundfläche des Schiebers 340. Zwischen Grundfläche des Schiebers 340 und einem fest an der Schubstange 330 fixierten Spannteller 339 stützt sich eine Spanneinrichtung 331 ab, die hier als Tellerfederpaket ausgestaltet ist.
Zum Verstellen der Schubstange 330 ist in einem weiteren Gehäuseelement 702 eine Anstelleinrichtung 332 untergebracht, die über eine die Anstelleinrichtung 332 in Längsrichtung durchsetzende, als Stellelement dienende Kugelumlaufspindel 558 auf die Schubstange 330 wirkt. Dazu ist die Spindel 558 fest mit dem Ende der Schubstange 330 verbunden. Die Anstelleinrichtung 332 ist als Rotationsmutter 332 ausgestaltet, deren rotierbarer Mutter-Innenring (nicht dargestellt) über ein Kugellager (nicht dargestellt) an einem fest im Gehäuseelement 702 verankerten Mutter-Außenring (nicht dargestellt) drehbar angelenkt ist. Die Rotationsbewegung des Mutter-Innenrings versetzt die Kugelumlaufspindel 558 in eine ebenfalls die Schubstange 330 verstellende Axialbewegung.
Das im Gehäuseelement 702 aufgenommene Zwischenstück 407 und die Antriebswelle 408 verbinden über entsprechende Flansche den Mutter-Innenring mit dem Rotor 560a eines Torque-Motors 560, dessen Stator 560b drehfest am Gehäuseelement 701 gehalten wird.
Dabei durchsetzt die Antriebswelle 408 eine Halteeinrichtung 400, die einen Klemmkörper-Freilauf 433 sowie eine über die Außennabe 443b des Freilaufs angeschlossene Kupplung 444 umfasst, wie sie in Bezug auf 1c beschrieben wird. Bei der Kupplung 444 handelt es sich um eine Elektromagnet-Federdruckzahnkupplung, die mittels Elektromagnet schließt, sobald dieser aktiviert wird, und im stromlosen Zustand mittels Federkraft wieder öffnet. Sie dient zur Aufnahme der Drehmomentenlast in Bremsstellung und überträgt diese auf das Gehäuseelement 702. Die Innennabe 443a des Freilaufs ist an die Antriebswelle 408 gekoppelt, während die Außennabe 443b mit der Kupplung verbunden ist. Motor 560, Halteeinrichtung 400 und Kugelumlaufspindel 558 bilden gemeinsam ein Lüftgerät 500''.
Zum Schließen der Bremse werden Motor 560 und Freilauf 443 (Kupplung/Magnet) aktiviert. Die Rotation des Rotors 560a wird über das Zwischenstück 407 und die Antriebsweile 408 auf den Mutter-Innenring übertragen und versetzt die Kugelumlaufspindel 558 und die Schubstange 330 in eine Bewegung in Bremsrichtung B, die am Stellstück 113 angreifend den Bremskopf 100 mit dem Bremsbelag 116 an die Bremsscheibe anlagert. Der Freilauf 443 lässt in Bremsrichtung B eine Rotation der Innennabe 443a entsprechend der Rotation der Antriebswelle 408 relativ zum Außenring 443b zu.
Durch die einsetzende Reibwirkung der sich in Rotation in Richtung P befindlichen Bremsscheibe auf den Bremsbelag 116 wird der Bremskörper 112 um einen von seitlich am Stellstück 113 angebrachten Anschlägen 115 begrenzten Verstellweg s verschoben. Die Nadelrollen in den Keilnuten 118 rollen dabei auf den Keilflächen 114 ab, wodurch der Bremskörper 112 und das Stellstück 113 mit einem Hub beaufschlagt und dabei den Bremskopf 100 entsprechend dem Verstellweg s spreizt. Das Stellstück 113 versetzt den Schieber 340 gegen das Federpaket 331, das sich am durch den in Lüftrichtung L sperrenden Freilauf 443 fixierten Spannteller 339 abstützt. Die durch den Verstellweg s hervorgerufene Spannwirkung wird dabei über Schieber 340 und Bremskopf 100 auf die Bremsscheibe übertragen. Die Schwimmsattelausführung erlaubt dabei die Zentrierung der Bremse an der Bremsscheibe und sorgt dafür, dass diese ohne Biegewirkung, zwischen den Bremsbelägen 116, 116a abgebremst wird.
Zum Lüften der Bremse wird die Energieversorgung von Motor 560 und Kupplung 444 unterbrochen. Die Kupplung 444 öffnet sich. Das Tellerfederpaket 331 hebt über den nun in Luftrichtung L verschieblichen Spannteller 339 den Schubstangenanschlag 330a vom Stellstück 113 ab. Rotationsmutter 332 und Rotor 560a sind nun frei drehbar und lassen die aber die Spindel 558 vermittelte Luftbewegung der Schubstange 330 zu. Zwischen Gehäuseelement 704 und Stellstück 113 wirkende, z. B. als Druckfedern ausgestaltete Stellelemente 126, heben den Bremskopf 100 von der Bremsscheibe. Zwischen Bremskörper 112 und Stellstück 113 wirkende Zugfedern 120 halten dabei den Bremskörper 112 auch in der Luftstellung am Stellstück 113.
Die beschriebene Verstellanordnung 700 erfordert keine große und wartungsintensive elektrohydraulische Betätigungseinheit. Die Verwendung eines Torque-Motors 560 erlaubt eine besonders kompakte wartungsarme und ”brake by wire” Bauweise.
Das in Bezug auf 3c beschriebene Funktionsprinzip des Kolbens 800 ist auch in einer Festsattelbremse und/oder einer vergleichbaren selbstzentrierenden Bremse einsetzbar.
Alternativ zu den dargestellten Ausführungen der Bremseinrichtung muss die Spanneinrichtung 331 keine Feder sein, sondern kann auch ein elastisches Bauteil des Bremssystems sein. Zum Beispiel kann ein Bremshebel als Spanneinrichtung verwendet werden (vgl. 6f), dessen auf die Bremsscheibe wirkende Spannkraft durch seine elastische Verformung (Verbiegen) im Bremszustand hervorgerufen wird. Andere Bauteile können aber auch durch eine reversible Stauchung, Streckung und/oder Torsion die Bremskräfte aufbauen. Auch mehrere Bauteile können gemeinsam die erforderliche Spannwirkung aufbauen.
Halteeinrichtung
Die Halteeinrichtung 400 (vgl. 1 und 1b) umfasst einen im Gehäuserahmen 710 linear geführten Schlitten 410, der mit einem Ende der Schubstange 330 gekoppelt ist, so dass er deren Linearbewegungen beim Verstellen (Bremsen, Lüften) folgt. Der Schlitten 410 trägt eine darin drehbar gelagerte Welle 412, die quer zur Schubstange 330 verläuft und auf der drehfest ein Zahnrad 445 sitzt. Das Zahnrad 445 greift in eine fest mit dem Gehäuserahmen 710 verbundene Zahnstange 446 ein, so dass sich der Schlitten 410 bei Stellbewegungen (Bremsen, Lüften) der Schubstange 330 linear im Gehäuserahmen 710 bewegt und die Welle 412 und das Zahnrad 445 dabei verdreht werden.
Die Welle 412 ragt an einem Ende aus dem Schlitten 410 heraus. Auf diesem Ende sitzt ein Freilauf 443, der über seine Innennabe drehfest mit der Welle 412 gekoppelt ist, während seine Außennabe mit einer Stellkupplung 444 gekoppelt ist (hier eine Magnetzahnkupplung), die über eine Momentenscheibe 449 drehfest, aber linear verschieblich zum Gehäuserahmen 710 angeordnet ist. Die drehfeste Kopplung erfolgt über Führungsnasen 448, die in einer entsprechenden Führungsnut 712 verlaufen, die in Stellrichtung verläuft.
Die Stellkupplung 444 wird über eine Stellfeder (nicht dargestellt) geschlossen und über einen Elektromagneten bei dessen Aktivierung geöffnet. Bei geschlossener Stellkupplung 444 ist die Außennabe des Freilaufs 443 fest mit der Momentenscheibe 449 gekoppelt und damit gegen Verdrehen gesichert. In dieser Schaltstellung der Stellkupplung 444 ist damit die Welle 412 nur in Leerlaufrichtung des Freilaufs 443 verstellbar, während die andere Drehrichtung über die Klemmkörper (nicht dargestellt), die an der Außennabe angreifen, über die Stellkupplung 444 blockiert ist. Der Freilauf 443 ist dabei so orientiert, dass sich die Schubstange 330 und der daran befestigte Schlitten 410 nur in Richtung B (Bremsrichtung) relativ zum Gehäuserahmen 710 verstellen lässt, und zwar unabhängig von der Stellung der Stellkupplung 444. Bei geschlossener Kupplung 444 ist also nur eine Bewegung in diese Richtung B möglich. So können die Stellenden 225a und 225b unter Wirkung der Anstellfeder 332 gespreizt werden.
Beim Bremsen wird über die selbstverstärkenden Bremsköpfe 100 eine Gegenkraft aufgebaut, die über die Spannfeder 331 auf die Schubstange 330 und damit auf den Schlitten 410 übertragen wird, der in Richtung Pfeil L (Lüftrichtung) gedrückt wird. In dieser Richtung ist jedoch das Zahnrad 445 über die Welle 412, den Freilauf 443 und die blockierte Kupplung 444 festgesetzt, so dass der Schlitten 410 bezüglich der Zahnstange 446 und des Gehäuserahmens 710 arretiert ist und damit auch eine Bewegung der Schubstange 330 blockiert und so die Bremswirkung aufrechterhält.
Bei Freigabe der Stellkupplung 444 wird die Freilaufnabe freigegeben und die Welle 412 bzw. das Zahnrad 445 entriegelt, so dass sich dann die Schubstange 330 in Richtung L bewegen kann und den Schlitten 410 unter Abbau der Bremskraft in diese Richtung verschiebt. Dabei verdreht sich dann das Zahnrad 445 auf der Zahnstange 446 unter Mitnahme des Freilaufs 443. Der Schlitten 410 bewegt sich unter der Wirkung der Spannfeder 331 im Gehäuserahmen 710 in Richtung L; die Bremswirkung lässt nach. Der Schlitten 410 wirkt in dieser Ausführung als Koppelelement 447.
Die Kupplung 444 ist z. B. als formschlüssige Kupplung 444, insbesondere als über eine Feder stromlos geschlossene Magnetzahnkupplung ausgebildet. Die Kupplung 444 wird elektrisch angetrieben. In diesem Fall verwirklicht sie das FAIL SAFE Prinzip, das Sicherungsschließen der Bremseinrichtung bei Stromausfall – eine typische Anforderung für Industriebremsen. In anderen Ausführungen wird der Kraftschluß über eine Lamellenkupplung hergestellt. Auch diese alternativen Ausführungsformen verwirklichen das FAIL SAFE Prinzip.
Eine schematische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung einer Halteeinrichtung 400 ist in 1c gezeigt.
Diese Halteeinrichtung 400 umfasst eine als Wandlereinheit dienende Rotationsmutter 441, die relativ zum Gehäuserahmen 710 frei rotieren kann. Sie weist ein innen liegendes Gewinde auf und ist von einer als Stellelement wirkenden, ein Außengewinde aufweisenden Spindel 440 durchsetzt, wobei beide Gewinde in einander greifen. Die Spindel ist an ihrem einen Ende längs mit der Schubstange 330 fest verbunden, liegt also achsparallel zur Schubstange 330. Bei Stellbewegungen der Schubstange 330 (Bremsen/Lüften) wird die Spindel 440 ebenfalls längs verschoben. Gleichzeitig wird über die Gewinde die Rotationsmutter 441 in Drehung versetzt.
An der Rotationsmutter 441 ist die Innennabe 443a eines Klemmkörperfreilaufs 443 drehfest angeordnet, wohingegen die Außennabe 443b des Freilaufs 443 mit einer Kupplung 444 verschraubt ist. Ein als Momentenstütze wirkendes U-Element 449, welches eine starre Verbindung zwischen Halteeinrichtung 400 und Gehäuserahmen 710 herstellt, nimmt die von der Rotationsmutter 441 über die Kupplung 444 übertragene Drehmomentenlast auf und überträgt diese an den Gehäuserahmen 710. Dazu ist das U-Element 449 an einem zentralen Durchbruch, durch den die Spindel 440 geführt ist, mit einem ebenfalls über die Spindel 440 geführten Rohr 451 gekoppelt, auf dem die Kupplung 444 mittels einer Welle-Nabe-Verbindung 450, z. B. eine Passfeder, befestigt ist, um die Drehmomentenlast von der Kupplung 444 auf das U-Element 449 zu übertragen.
Am der Schubstange 330 abgewandten, einer Kupplung 553 eines Luftgeräts 500 zugewandten Ende, weist die Spindel 440 ein Koppelelement 447 (nicht dargestellt), z. B. eine metallische, magnetisierbare Platte 447 (siehe 6a) auf, die mit der Kupplung 553, z. B. einem Elektromagneten verbindbar, ist.
Die Stellkupplung 444 wird über eine Stellfeder (nicht dargestellt) geschlossen und über einen Elektromagneten bei dessen Aktivierung geöffnet. Bei geschlossener Stellkupplung 444 ist die Außennabe 443b des Freilaufs 443 fest mit der Momentenstütze 449 gekoppelt und damit gegen Verdrehen gesichert. In dieser Schaltstellung der Stellkupplung 444 ist damit die Rotationsmutter 441 nur in Leerlaufrichtung des Freilaufs 443 verstellbar, während die andere Drehrichtung über die Klemmkörper des Freilaufs 443, die an der Außennabe 443b angreifen, über die Kupplung 444 blockiert ist. Der Freilauf 443 ist dabei so orientiert, dass sich Schubstange 330 und daran befestigte Spindel 440 nur in Richtung B (Bremsrichtung) relativ zum Gehäuserahmen 710 verstellen lassen, und zwar unabhängig von der Stellung der Stellkupplung 444. Bei geschlossener Kupplung 444 ist also nur eine Bewegung in diese Richtung B möglich. So können die Stellenden 225 unter Wirkung der Anstellfeder 332 gespreizt werden.
Beim Bremsen wird über die selbstverstärkenden Bremsköpfe 100 eine Gegenkraft aufgebaut, die über die Spannfeder 331 auf die Schubstange 330 und damit auf die Spindel 440 übertragen wird, die dadurch in Richtung Pfeil L gedrückt wird. In dieser Richtung ist jedoch die Rotationsmutter 441 über den Freilauf 443 und die blockierte Kupplung 444 festgesetzt, so dass die Spindel 440 bezüglich des Gehäuserahmens 710 arretiert ist und damit auch eine Bewegung der Schubstange 330 blockiert und so die Bremswirkung aufrechterhält.
Bei Freigabe der Stellkupplung 444 wird die Freilaufnabe freigegeben und die Rotationsmutter 441 entriegelt, so dass sich dann die Spindel 440 zusammen mit der Schubstange 330 unter Abbau der Bremskraft in Richtung L bewegen kann. Die Bremswirkung lässt nach.
Klemmkörperfreiläufe haben Klemmkörper mit geringer Masseträgheit, sprechen schnell an, können große Drehmomente aufnehmen und haben einen geringen Schlupf. Andere gleichwirkende Ausführungen eines Freilaufs 443 sind jedoch möglich. Ferner sollte der verwendete Freilauf 443 geeignet sein, das durch die Rotationsmutter 441 erzeugte Drehmoment in Sperrrichtung aufzunehmen.
Dieser Aufbau der Halteeinrichtung 400 mittels Spindel 440 und einer Rotationsmutter 441 ist kompakt, so dass sowohl Gewicht als auch Platz eingespart werden können.
Für die Erfindung geeignete Kupplungen 444 sind jedenfalls unter Last schaltbar, da sonst die Bremse entsprechend dem beschriebenen Funktionsprinzip nicht gelüftet werden könnte.
Die Halteeinrichtung 400 kann darüber hinaus z. B. mittels einer Nachstelleinrichtung automatisch den Bremsbelagverschleiß ausgleichen und so den Luftspalt und damit die Bremscharakteristik konstant halten.
Lüftgerät
5 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Luftgerätes 500 für eine Zangen- oder Hebelbremse.
Das Luftgerät 500 weist ein Gehäuse 550 auf, welches von einer zylindrischen Hülse 510 gebildet wird, deren offene Enden mit einer vorderen Stirnplatte 511 und einer hinteren Stirnplatte 512 verschlossen sind. Das Gehäuse 550 selbst ist linear verschieblich im Gehäuserahmen 710 gelagert. Dazu dienen an den Stirnplatten 511 und 512 ausgebildete Nasen 513, die ähnlich wie der Schlitten 410 in entsprechenden Nuten 713 des Gehäuserahmens 710 geführt werden.
Die hintere Stirnplatte 512 ist mit einer Spindel 558 verbunden, das hintere Ende 721 des Gehäuserahmens 710 durchsetzt und über einen dort angebrachten Schrittmotor 560 linear verstellt werden kann. Der Spindelantrieb ist selbsthemmend ausgestaltet, sodass sich die Spindel bei abgeschaltetem Motor 560 nicht allein in Richtung L verstellt. Das Luftgerät 500 ist über die Spindel 558 und den Schrittmotor 560 im Gehäuserahmen 710 in Richtung L bzw. B verschiebbar.
Am vorderen Ende des Luftgeräts 500 ist eine als Elektrohaftmagnet 553 ausgebildete Schaltkupplung angeordnet, die magnetisch mit dem Koppelelement 447 bzw. dem Schlitten 410 linear koppelbar ist und bei gelöster Halteeinrichtung 400 in Lüftrichtung L die Schubstange 330 gegen die Kraft der Anstellfeder 332 verstellen kann.
Zusätzlich umfasst das Luftgerät 500 einen Spannmechanismus zum Aufbringen dieser Stellkraft der folgendermaßen aufgebaut ist: Die Kupplung 553 ist dazu fest mit einem die vordere Stirnplatte 511 durchsetzenden Schieber 557 gekoppelt, der an seinem hinteren Ende über ein Zugstück 554 mit einem Spannteller 556 gekoppelt ist, dessen Außenkontur der Innenkontur der zylindrischen Hülse 510 entspricht, so dass Schieber 557, Zugstück 554 und Spannteller 556 linear verschieblich in der zylindrischen Hülse 510 bzw. in der vorderen Stirnplatte 511 gelagert sind. Zwischen der nach innen weisenden Fläche der vorderen Stirnplatte 511 und der gegenüberliegenden Stirnseite des Spanntellers 556 dient eine Druckfeder 551 als Spannelement, die den Spannteller 556 gegen den Innenboden der hinteren Stirnplatte 512 druckt und damit den Schieber 557 über das Zugstück 554 in der dargestellten Position hält.
Das Zugstück 554 ist mit dem becherartig ausgebildeten Schieber 557 über einen Führungskopf 555 gekoppelt, der sich über eine Stützschulter am Boden des Schiebers 557 abstützt. Das Zugstück 554 durchsetzt eine entsprechende Öffnung im Boden des Schiebers 557, wobei eine das Zugstück 554 umgebende Dämpfungsfeder 552 zwischen dem Spannteller 556 und dem Boden des Schiebers 557 wirkt, so dass der Boden des Schiebers 557 an die Schulter des Führungskopfs 555 gedrückt wird. Der Führungskopf 555 füllt jedoch in Längsrichtung gesehen den Hohlraum 561 im Schieber 557 nicht vollständig aus, so dass eine Relativbewegung in Längsrichtung zwischen Führungskopf 555 und Schieber 557 möglich ist, bei der die Dämpfungsfeder 552 zwischen dem Boden des Schiebers 557 und dem Spannteller 556 komprimiert wird. Gehäuse 550, Schieber 557, Führungskopf 555, Zugstück 554, Spannteller 556, Dämpfungsfeder 552 und Spannfeder bilden die Spannvorrichtung 559.
Das Lüften oder Öffnen der Bremseinrichtung geschieht wie folgt: Die Spannvorrichtung 559 wird zusammen mit der Kupplung 553 über den Schrittmotor 560, der die Spindel 558 antreibt, aus der in 6b dargestellten Stellung in die in 6c dargestellte Stellung gebracht. Die Kupplung 553 liegt mit ihrer Stirnseite am Schlitten 410 an.
Die Magnetkupplung 553 wird aktiviert und mit dem Schlitten 410 und damit mit der Schubstange 330 gekoppelt. Durch Betätigung des Schrittmotors 560 in die entgegen gesetzte Richtung zieht nun die Spindel 558 das Gehäuse 550 nach hinten (Richtung L) in die in 6d dargestellte Position. Dabei bewegt sich die vordere Stirnplatte 511 relativ zum Schieber 557 nach hinten und spannt die Spannfeder 551 gegen den Spannteller 556, der sich von der hinteren Stirnplatte 512 löst. Die Spannvorrichtung 559 ist nun gespannt und verursacht eine Zugkraft nach hinten auf den noch zum Gehäuserahmen 710 arretierten Schlitten 410.
Zum Lösen der Bremse wird nun die Stellkupplung 444 frei geschaltet (aktiviert), so dass sich die Welle 412 und das Zahnrad 445 drehen können, dadurch wird die Linearbewegung des Schlittens 410 in Richtung L freigegeben und dieser wird über die Kupplung 553, den Schieber 557, das Zugstück 554 und die auf den Spannteller 556 wirkende Spann- bzw. Öffnungsfeder 551 nach hinten gezogen, so dass der Spannteller 556 wieder an der hinteren Stirnplatte 512 anliegt. Damit wird über den Schlitten 410 die Zugstange 330 gegen die Wirkung der Anstellfeder 332 in Richtung L verschoben und die Bremseinrichtung gelöst (vgl. 6a).
Beim Zurückschnellen des Schlittens 410, der über die Kupplung 553 mit dem Schieber 557 gekoppelt ist, dämpft die Dämpfungsfeder 552 die Rückstellbewegung des Schiebers 557 über die in 5 dargestellte Lage hinaus, indem der Schieber 557 relativ zum Zugstück 554 verschoben wird, und dabei die Dämpfungsfeder 552 komprimiert. Damit wird verhindert, dass dieser ”Rückschlag” direkt und ungedämpft über das Zugstück 554 und den Spannteller 556 auf die hintere Stirnplatte 512 und damit auf die die Spindel 558 und Schrittmotor 560 umfassende Stelleinrichtung 562 übertragen wird.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Stellelement 558 als Stange ausgestaltet, die mittels Hydraulik- oder Pneumatik-Stell-Zylinder angetrieben wird. Weitere gleichwirkende Alternativen für die Stelleinrichtung sind eine Zahnstangen-Ritzel-Anordnung bzw. eine Zahnstangen-Schnecken-Anorndung, die jeweils mittels eines Motors angetrieben werden.
Die Kupplung 553 ist alternativ eine elektromechanische Kupplung, die lediglich unter Stromversorgung in einander greift und ebenfalls bei Stromausfall löst.
Funktionsablauf eines kompletten Brems- und Lüftzyklusses
7 zeigt ein Steuerdiagramm für den Betrieb eines Bremssystems 10 umfassend eine Bremseinrichtung, eine Stellvorrichtung 300, eine Halteeinrichtung 400 und ein Luftgerät 500. Die einzelnen Steuerschritte werden mit Bezug zu den 6a, 6b, 6c, 6d und 6e näher erläutert.
Die 6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f und 6g zeigen schematisch alle wesentlichen Bauteile eines Bremssystems 10 zu unterschiedlichen Steuerschritten.
Das Bremssystem 10, hier als Zangenbremse ausgebildet, umfasst eine Bremshebelanordnung mit zwei radial zu einer Bremsscheibe 119 angeordneten Bremshebeln 220 mit zwei am Bremsende 226 angeordneten Bremsköpfen 100. Jeder Bremshebel 220 ist an einem ortsfesten Hebeldrehpunkt 221 angelenkt. Zwischen den Stellenden 225 der Bremshebel 220 befindet sich die Stellvorrichtung 300, die die Federanordnung 331, 332 sowie eine Schubstange 330 umfasst. Die Schubstange 330 greift in die Halteeinrichtung 400 ein, die zusammen mit dem Luftgerät 500 die Verstellanordnung 700 bildet, wobei Halteeinrichtung 400 und das die Spannvorrichtung 559 umfassende Luftgerät 500 in deren Gehäuserahmen 710 angeordnet sind. Der Bremshebel 220a ist mit seinem Stellende 225a schwenkbar mit dem Gehäuserahmen 710 verbunden. Das Koppelelement 447 an der Schubstange 330, eine magnetisierbare Endplatte bzw. der Schlitten 441 der Halteeinrichtung 400, dient zur Kopplung der Stellvorrichtung 300 mit einer Kupplung 553, beispielweise einem Elektromagneten, die über ein als Spindel 558 ausgebildetes Stellelement mit einem Schrittmotor 560 verbunden ist, der zum Verschieben des Elektromagneten 553 und über diesen auch der Schubstange 330 dient, was einen Wechsel zwischen Brems- und Luftstellung der Bremsköpfe 100 bewirkt.
Zu Fig. 6a:
Das Bremssystem 10 befindet sich gegen die Wirkung der vorgespannten Spannfeder 331 in Luftstellung. Die Bremsköpfe 100 sind gelüftet und bilden einen Luftspalt zu der Bremsscheibe 119. Die Halteeinrichtung 400 ist entsperrt, sodass sich die Schubstange 330 in beide Richtungen frei bewegen könnte. Jedoch sind die Endplatte 447 und der eingeschaltete Elektromagnet 553 gekoppelt, während sich die Spannvorrichtung 559 in Spannstellung (am weitesten rechts) befindet, was die Bremsköpfe gegen die Wirkung der Anstellfeder 332 in Luftstellung hält.
Sowohl Spannfeder 551 als auch Dämpfungsfeder 552 sind in diesem Zustand wirkungslos.
Im Folgenden wird das Zusammenspiel der einzelnen Systemkomponenten zu verschiedenen in 7 dargestellten Steuerschritten näher erläutert:
In 6b (Schritt 0 in 7) befindet sich das Bremssystem in Bremsstellung:
Beim Bremsen, beispielsweise infolge eine Stromausfalls, wird, ausgehend von der in 6a gezeigten Stellung, die Kopplung zwischen Elektromagnet 553 und Endplatte 447 gelöst. Gleichzeitig wird die Halteeinrichtung 400 geschlossen, was eine Bewegung der Schubstange 330 in Richtung L verhindert.
Durch die Wirkung der Anstellfeder 332 wird die Schubstange 330 aus dem Gehäuserahmen 710 verschoben und spreizt die Stellenden 225 der Bremshebel 220 auseinander, wodurch sich die Bremsköpfe 100 an die Radialflächen der Bremsscheibe 119 anlagern. Durch die einsetzende Reibwirkung werden die Bremskörper 112 entlang der Richtung P um den Verstellweg s relativ zu den Stellstücken 113 verstellt, was wiederum die Bremsköpfe 100 spreizt. Lediglich die Spanneinrichtung 331 wird mit dieser Spreizwirkung der Bremsköpfe 100, übertragen über die Bremshebel 220, beaufschlagt, da die Schubstange 330 in Richtung L relativ zu Gehäuserahmen 710 arretiert ist. Die Anschläge 115 an den Bremsköpfen 100 begrenzen den Verstellweg s des Bremskörpers 112, verhindern so eine Selbsthemmung bzw. Blockade des Bremskörpers 112 beim Bremsen und definieren außerdem zusammen mit der Spannfeder 331 das Maß der durch die Spannfeder 331 ausgeübten Selbstverstärkung.
Durch die Halteeinrichtung 400 wird die durch die Selbstverstärkung der Bremsköpfe 100 mittels der Spannfeder 331 erzeugte Bremskraft erhalten.
Da sich die Verbindung zwischen Elektromagnet 553 und Endplatte 447 bei Stromausfall automatisch löst, eignet sich das beschriebene Bremssystem 10 als Sicherheitsbremse bzw. Notbremse (FAIL SAFE).
In 6c (Schritt 1 in 7) befindet sich die Bremse noch immer in Bremsstellung:
Der Schrittmotor 560 verfährt die Spannvorrichtung 559 samt eingeschaltetem Elektromagneten 553, mittels der Spindel 558 in Richtung B. Der Elektromagnet koppelt an die Endplatte 447 an. Die Spannfeder 331 ist beaufschlagt und die Halteeinrichtung 400 ist gesperrt. Spannfeder 551 und Dämpfungsfeder 512 der Spannvorrichtung 559 sind entspannt.
Auch in 6d (Schritt 2 in 7) ist die Bremse geschlossen:
Der Schrittmotor 560 verfährt nun bei gesperrter Halteeinrichtung 400 und an die Platte 447 gekoppeltem Elektromagneten 553 in Richtung L, wodurch lediglich das Gehäuse 550 des Luftgeräts 500 gegen die Wirkung der Spann- bzw. Öffnungsfeder 551 relativ zu Schieber 557 und Zugstück 554 zurückbewegt wird. Für eine verlässliche Funktionsweise sollte die Haftkraft des Elektromagneten 553 größer sein als die Kraftwirkung der Spannfeder 551.
In Schritt 3 (7) befindet sich das Bremssystem 10 bei gesperrter Halteeinrichtung 400 und nicht betätigtem Schrittmotor 560 in Wartestellung auf ein elektronisches Signal zum Lösen der Halteeinrichtung 400 bzw. Öffnen der Bremse. Der Elektromagnet 553 ist eingeschaltet. Spannfeder 331 und Öffnungsfeder 551 sind gespannt.
Die Halteeinrichtung 400 wird in 6e (Schritt 4 in 7) bei eingeschaltetem Elektromagneten 553 gelöst. Die Schubstange 330 bewegt sich durch die Wirkung der Spannfeder 331 und der Öffnungsfeder 551 und gegen die Wirkung der Anstellfeder 332 in Richtung L relativ zum Gehäuserahmen 710. Die Stellenden 225 der Bremshebel 220 werden zusammen geführt und die Bremsköpfe 100 an den Bremsenden 226 der Bremshebel 220 gelüftet.
Fix eine verlässliche Funktionsweise sollte die Kraftwirkung der Spannfeder 551 größer sein als die Kraftwirkung der Anstellfeder 332.
Das Bremssystem 10 befindet sich nun wieder in Luftstellung und kann erneut betätigt werden.
Die Spannfeder 551 in der Spannvorrichtung 559 dient zum instantanen Lüften der Bremseinrichtung. Der Schrittmotor 560 müsste zum Lüften große Stellkräfte bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten aufbringen. Das Lüften würde dennoch eine gewisse Verzögerung verursachen. Die Spannfeder 551 hingegen kann in Bremsstellung vorgespannt werden, um die Bremseinrichtung bei Bedarf durch Freischalten der Schubstange 330 sofort zu lüften.
6e (Schritt 5 in 7) zeigt die geöffnete Bremseinrichtung bei gesperrter Halteeinrichtung 400. Ein Schließsignal, das Abschalten des Elektromagneten 553 oder ein Stromausfall, würde die Schubstange 330 erneut entkoppeln, welche dann durch die Wirkung der Anstellfeder 332 in Richtung B verfahren würde. Die Bremseinrichtung würde, wie schon für 6b beschrieben, ihre Bremsstellung einnehmen. Die Schritte 6, 7, 8 und 9 in 7 verlaufen in Analogie zu den oben beschriebenen Schritten 1, 2 und 3.
Die beschriebenen Steuerschritte werden bevorzugt automatisch ausgeführt. In diesem Fall braucht ein Benutzer lediglich die Befehle „Öffnen” und/oder „Schließen” vorgeben. Alternativ ist ein manueller Betrieb möglich, in dem jede einzelne Komponente separat durch einen Benutzer angesteuert wird. Zwischen beiden Modi wird beispielsweise per Knopfdruck gewechselt. Für die Ansteuerung der Systemkomponenten werden Standardkomponenten, wie beispielsweise ein MicroStepDriver für den Schrittmotor 560, sowie Standard-Netzgeräte verwendet.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des Dämpfungselementes 552 erläutert:
Durch die selbstverstärkende Wirkung der Bremsköpfe 100 in Bremsstellung kann die Spannfeder 331 verspannen. Dadurch würde das Spannen der Öffnungsfeder 551 in Vorbereitung des Lüftens der Bremse verhindert. Wenn nun die Halteeinrichtung 400 zum Lüften des Bremssystems 10 entsperrt würde, so übertrüge sich der gesamte Hub aller elastischen Teile, insbesondere die Kraftwirkung der Spannfeder 331 über die Spindel 558 direkt auf den Schrittmotor 560, was zu einer schlagartigen Beaufschlagung des Motors 560 mit einer großen Last führen würde. Dies kann den Motor 560 leicht beschädigen.
Ein einfacher Schutzmechanismus für diesen Fall sieht ein Dämpfungselement 552 vor, das gemäß 6f als Druckfeder ausgestaltet ist, die zwischen dem Boden des Schiebers 557 und dem Spannteller 556 und axial auf dem Zugstück 554 angeordnet ist.
Wenn nun, wie in 6g gezeigt, die Halteeinrichtung 400 bei nicht beaufschlagter Spannfeder 551 entsperrt wird, werden durch die Wirkung der Spannfeder 331 Schubstange 330, Elektromagnet 553 und Schieber 557 relativ zu Zugstück 554 und Gehäuse 550 in Richtung L verschoben. Dies geschieht gegen die Wirkung der Dämpfungsfeder 552, wodurch der Motor 560 unbeaufschlagt bleibt und effektiv vor einer Überlastung geschützt wird.
Zentriereinrichtung
8 zeigt eine schematische Darstellung einer selbstzentrierenden Zentriereinrichtung 600.
Das Gehäuse 662 der Zentriereinrichtung 600 ist mittels zweier Langlöcher 668 und darin geführten Schrauben zwischen sich gegenüberliegenden Verbindungsplatten 669 (siehe 1) inmitten der Bremshebelanordnung 200 positioniert. Über hervorstehende Seitenbereiche der Verbindungsplatten 669 werden die Verbindungsplatten 669 samt Zentriereinrichtung 600 an den Bremshebeln 220 befestigt. Die Langlöcher ermöglichen eine exakte Positionierung der Zentriereinrichtung in Bezug auf die Bremsscheibe 119.
Das Gehäuse 662 der Zentrierung 600 dient der Führung zweier Zahnstangen 663. Diese sind z. B. als Rundstangen ausgebildet, sodass einfache seitliche Bohrungen im Gehäuse als Führung ausreichen. Auf gleicher Längsachse liegen parallel zu den Zahnstangen 663 zwei Koppelstangen 666, die jeweils über eine Gelenkgabel 667 mit einer Zahnstange 663 fest verbunden sind. Die Koppelstangen 666 greifen mit ihren äußeren Enden in je einen Bremshebel, genauer in einen zwischen den beiden Laschen eines Bremshebels 220 angeordneten Bolzen, ein und sind dort, beispielsweise mittels und Mutter 664, befestigt (vgl. 1).
Im Zentrum des Gehäuses 662 befindet sich eine Aufnahme für ein darin drehbar gelagertes Zahnrad 665, dessen Drehachse die Achse der Koppelstangen 666 schneidet und in dessen Zähne die Zahnstangen 663 passgenau eingreifen.
Bei Inbetriebnahme des Bremssystems 10 und/oder der Zentriereinrichtung 600 wird durch horizontales Verschieben der Position der Zentriereinrichtung 600 entlang der Langlöcher 668 relativ zu den Bremshebeln 220 eine Initialzentrierung derart bewirkt, dass sich der Mittelpunkt des Zahnrades 665 mittig über der Bremsscheibe 119 befindet und diese Position mittels der Mutter 664 arretiert wird.
Beim Betrieb des Bremssystems wird folgendermaßen ständig eine Zentrierung der Bremshebel erreicht:
Bei Bewegung eines Bremshebels 220a verschiebt sich die daran arretierte Koppelstange 666a samt Zahnstange 663a. Das Zahnrad 665 übersetzt die Verschiebung in eine Rotationsbewegung, die sich auf die Zahnstange 663b sowie die Koppelstange 666b überträgt, und zwar als betragsgleiche, richtungsinvertierte Translation. Der zweite Bremshebel 220b bewegt sich also genau entgegen dem ersten Bremshebel 220a. So wird ständig ein übereinstimmender Abstand der Bremsköpfe 100 zu der Bremsscheibe 119 gewährleistet.
Ein zusätzlich integriertes Überlastelement verhindert bei Verklemmen der Zahnrad-Zahnstangen-Anordnung, dass auch die Bremshebel 220 verklemmen. Das Überlastelement entkoppelt die Bewegung von Bremshebel 220 und Zentrierung beim Übergang der Bremse von der Lüft- in die Bremsstellung und vice versa. Das Überlastelement wird bevorzugt als Sollbruchelement realisiert.
Die Zentriereinrichtung 600 zusammen mit einer automatischen bzw. mechatronischen Verschleißnachstellung erübrigen aufwändige und regelmäßige Wartungsarbeiten. Daher ist das Bremssystem 10 hervorragend einsetzbar, wenn eine Wartung besonders teuer und/oder aufwändig wäre, beispielsweise auf Bohrinseln, in Windkraftanlagen oder in Gezeiten- oder Wasserkraftwerken.
Eine kostengünstige Alternative einer Zentriereinrichtung 600 umfasst, wie in 8b dargestellt, anstelle des Zahnrades 665 und der Zahnstangen 663 eine drehbare Hebelstange 661, deren Drehpunkt 661a sich im Zentrum des Gehäuses (nicht dargestellt) befindet. Die Koppelstangen 666 sind jeweils an den Enden der Hebelstange 661 befestigt. Bewegt sich eine der Koppelstangen 666a aufgrund einer Bremshebelbewegung, so löst dies eine Drehbewegung der Hebelstange 661 aus, was in einer entgegengesetzten Bewegung der zweiten Koppelstange 666b resultiert.
Weitere Ausführungen
Das beschriebene Luftkonzept der Bremse beruht auf elektromechanischen Komponenten und zeichnet sich durch eine einfache, kompakte und besonders leichte Bauweise aus. Der Schrittmotor 560 kann alternativ gemäß nicht dargestellten Ausführungen durch eine andere Motorbauart ersetzt werden. So kann die Kompatibilität des Luftgerätes 500 zu anderen, schon bestehenden Bremssysteme erhöht werden. Das Luftkonzept kann auch bei anderen Gestängebremssystemen mit beliebiger Bremskopfgestaltung angewendet werden. Das beschriebene Luftkonzept kann derzeit gängige Luftgeräte wie elektrohydraulische Luftgeräte oder Hubmagneten platz- und energiesparend ersetzen. Es basiert darauf, dass der Schrittmotor 560 zum Lüften der Bremse in Rücklaufrichtung wirkt. Alternativ kann der Schrittmotor 560 durch Änderungen in der Konstruktion in Vorschubrichtung ein Lüften der Bremseinrichtung bewirken. Gesonderte Regelungsmechanismen zum Schließen und/oder Geschlossenhalten der Bremseinrichtung mit konstanter Anpresskraft sind nicht notwendig.
Das beschriebene Bremssystem 10 kann eine mechatronische Bremsbelagverschleißnachstellung aufweisen, die einen Luftspalt zwischen den Bremsköpfen 100 und dem Bremselement 119 immer konstant hält. Dazu wird bei in Bremsstellung befindlicher Bremse die Kupplung 553 bis an das Koppelelement 447 verfahren. Beim Öffnen der Bremse wird nun die Schubstange 330 samt Spindel 558 um einen festgelegten Weg verfahren und erzeugt so immer denselben Luftspalt. Der festgelegte Weg ist z. B. in einer Steuerung hinterlegt. Nachdem der Lüftspalt anfangs einmal eingestellt ist, können aufwändige und teure Wartungsarbeiten an dem Bremssystem 10 reduziert oder gar vermieden werden.
Die Bremse kann auch als Feststellbremse eingesetzt werden, beispielsweise für Wartungsarbeiten an der Industriemaschine. Hierzu kann das Öffnungssignal, das zum Lösen der Verbindung zwischen Elektromagnet 553 und Endplatte 447 führt, auch manuell gegeben werden.
Mit dem in Bezug auf die 6a bis 6g beschriebenen Bremssystem 10 ist eine bis zu 9-fache Verstärkung des Bremsmomentes möglich. In Abhängigkeit der Größe verwendeter Bauteile kann auf Kosten einer kompakten Bauweise der Verstärkungsgrad erhöht werden.
Weitere Ausführungen und Varianten ergeben sich für den Fachmann aus den nachfolgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

10: Bremssystem
100: Bremskopf
100a: Bremskopf ohne Selbstverstärkung
112: Bremskörper
113: Stellsttück
114: Keilfläche
115: Anschlag
116: Bremsbelag
116a: Bremsbelag
117: Wälzelement
118: Keilnut
119: Bremselement
120: Federelement
121: Scharnierblock
122: Zentrierstift
123: Zapfen
124: Stützwinkel
125: Stelllasche
126: Stellelement
200: Hebelanordnung
220: Bremshebel
220a: Bremshebel a
220b: Bremshebel b
221: Hebeldrehpunkt
222: Zapfen
223: Gestängeanordnung
223a: Stellhebel
223b: Stellblock
224: Stellblock
225: Stellende
225a: Stellende Bremshebel a
225b: Stellende Bremshebel b
226: Bremsende
226a: Bremsende Bremshebel a
226b: Bremsende Bremshebel b
227: Fixpunktende
227a: Fixpunktende Bremshebel a
227b: Fixpunktende Bremshebel b
228: Stellende
228a: Stellende Bremshebel a
228b: Stellende Bremshebel b
300: Stellvorrichtung
330: Schubstange
330a: Schubstangenanschalg
331: Spanneinrichtung/Spannfeder
332: Anstelleinrichtung/Anstellfeder
333: Federführung
334: Federführung
335: Anschlagring
336: Anschlagring
337: Anschlag
338: Anschlag
339: Spannteller
340: Schieber
400: Halteeinrichtung
407: Zwischenstück
408: Antriebswelle
410: Schlitten
412: Welle
440: Stellelement/Spindel
441: Wandlereinheit/Rotationsmutter
443: Freilauf
443a: Innennabe Freilauf
443b: Außennabe Freilauf
444: Kupplung
445: Zahnrad
446: Zahnstange
447: Koppelelement
448: Führungsnase
449: Momentenscheibe/~stütze
450: Lager
451: Rohr
500; 500'': Luftgerät
510: Hülse
511: vordere Stirnplatte
512: hintere Stirnplatte
513: Führungsnase
550: Gehäuse
551: Spannelement/Öffnungsfeder
552: Dämpfungselement/Schuztfeder
553: Kupplung/Elektromagnet
554: Zugstück
555: Führungskopf
556: Spannteller
557: Schieber
558: Stellelement
559: Spannvorrichtung
560: Motor
560a: Rotor
560b: Stator
561: Hohlraum
562: Stelleinrichtung
600: Zentriereinrichtung
659a: Verbindungsschiene
659b: Verbindungsschiene
661: Hebelstange
662: Gehäuse
663: Zahnstange
663a: Zahnstange a
663b: Zahnstange b
664: Mutter
665: Zahnrad
666: Koppelstange
666a: Koppelstange a
666b: Koppelstange b
667: Gelenkgabel
668: Langloch
669: Verbindungselement
700: Verstellanordnung
701: Gehäuselement
702: Gehäuselement
703: Gehäuselement
704: Gehäuselement
710: Gehäuserahmen
712: Führungsnut
713: Nut
715: Längsachse
720: vordere Stirnplatte
721: hintere Stirnplatte
800: Kolben
900: Sattel

Claims

Selbstverstärkende Bremseinrichtung, die beim Bremsen eine Bremskraft auf eine Wirkfläche eines Bremselements (119) ausübt, mit: einem zwischen einer Brems- und einer Luftstellung verstellbaren Bremskopf (100), welcher einen in Bremsstellung am Bremselement (119) angreifenden Bremskörper (112) aufweist, der beim Bremsen entlang der Wirkfläche des Bremselements (119) einen Stellweg zurücklegt, und derart an einem zum Bremskörper (112) und senkrecht zur Wirkfläche verstellbaren Stellstück (113) angelenkt ist, dass dieses gegen die Wirkung einer am Bremskopf (100) angreifenden Spanneinrichtung (331) verstellt wird und so eine Bremskraft auf den Bremskörper (112) und damit das Bremselement (119) aufbaut, wobei der Stellweg des Stellstückes (113) über einen auf den Bremskörper (112) wirkenden Anschlag (115) einstellbar ist, und durch Verstellen des Anschlags (115) zu verändern ist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der Bremskörper (112) und Stellstück (113) über eine zum Stellweg geneigte Keilanordnung mit einander gekoppelt sind.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Neigung der Keilanordnung im Wesentlichen 90° zur Stellwegrichtung des Stellstücks beträgt.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der die Keilanordnung zwei in unterschiedliche Richtungen wirkende Keilbereiche aufweist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Keilanordnung wenigstens ein Wälzelement (117) aufweist, über das die Keilbereiche mit einander gekoppelt sind.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 5 mit wenigstens einem im Querschnitt ovalen, insbesondere ellipsenförmigen Wälzelement (117).
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Bremskörper (112) über ein Schubelement gelenkig schwenkbar mit dem Stellstück (113) verbunden ist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 7 mit zwei Anschlägen (115) zum Einstellen der Stellwege des Bremskörpers (112) in entgegengesetzte Bewegungsrichtungen des Bremselementes (119).
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spanneinrichtung (331) ein elastisches Element (331) ist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die auf das Bremselement (119) übertragene Bremskraft mittels Vorspannung des elastischen Elements (331) einstellbar ist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Bremskopf (100) zum Verstellen zwischen Bremsstellung und Luftstellung schwenkbar an einer Bremshebelanordnung (200) angeordnet ist.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 11 mit zwei Bremsköpfen (100) an jeweils einem Bremshebel (220), wobei die Bremsköpfe (100) in Bremsstellung auf zwei Wirkflächen des Bremselementes (119) wirken und die Spanneinrichtung (331) zwischen den Bremshebeln (220) wirkt.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12 in Form einer Hebelbremse oder in Form einer Zangenbremse.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß Anspruch 9, in Form einer Schwimmsattelbremse.
Selbstverstärkende Bremseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der zwischen den zwei Bremshebeln (220) eine Zentriereinrichtung (600) zum Zentrieren der Bremsköpfe (100) angeordnet ist.