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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer elektromechanisch
betätigbaren
Feststellbremse, die eine Bremseneinheit sowie einen die Bremseneinheit
betätigenden,
elektrisch angetriebenen Aktuator aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine elektromechanisch betätigbare Feststellbremse mit
einer Steuerungseinheit gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7.
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Eine
elektromechanisch betätigbare
Feststellbremse ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 29 919 A1 bekannt.
Diese Druckschrift offenbart eine Kombination eines als Aktuator
wirkenden Elektromotors, mit einer Trommelbremse, wobei der Elektromotor
in der Nähe
der zugeordneten Radbremse angeordnet ist oder mit der Radbremse
eine Baueinheit bildet.
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Diese
Feststellbremse ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 14 046 A1 dahingehend weiterentwickelt
worden, dass der Rotor des Elektromotors hohl ausgebildet ist und
ein zwischen Rotor und Bremseneinheit gekoppeltes Untersetzungsgetriebe
radial umgreift. Das Untersetzungsgetriebe ist dabei als ein Spindelgetriebe
ausgebildet, dessen Spindel mit der Bremseneinheit und dessen Spindelmutter
mit dem Rotor kraftübertragend
gekoppelt ist. Das Spindelgetriebe kann dabei entweder selbsthemmend
oder nicht selbsthemmend sein, wobei im letzteren Fall eine zusätzliche
mechanische oder elektromechanische Verriegelung vorgesehen sein kann.
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Aus
der
DE 35 18 715 A1 ist
eine Feststell-Bremseinrichtung an einem Kraftfahrzeug mit einer
hydraulischen Mehrkreis- insbesondere einer Zweikreis-Bremsanlage
als Betriebsbremse und mit einer von der Betriebsbremse unabhängig betätigbaren,
mechanischen Feststellbremse bekannt, die auf die in einem der Bremskreise
der Betriebsbremse bremsbaren Räder
wirkt. Dabei ist eine Intervall-Schalteinrichtung vorgesehen, die,
sobald die Feststellbremse aktiviert ist, den Antriebsmotor der Feststellbremse
im Sinne eines Druckaufbaus ansteuert, wobei die Zeitintervalle,
nach denen jeweils eine solche Ansteuerung erfolgt, zwischen 10
und 30 Minuten betragen. Bei der vorbekannten Bremseinrichtung erfolgt
also ein nochmaliges Festziehen der Bremseinrichtung erst nach einem
abgeschlossenen Feststellvorgang und einer entsprechenden Zeitdauer.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 17 891 A1 ist ferner eine Steuerungseinheit
zum Ansteuern beispielsweise eines als Gleichstrommotor ausgebildeten
Elektromotors einer Feststellbremse bekannt. Die Steuerungseinheit
erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal für den Gleichstrommotor, das
ein Soll-Tastverhältnis
unabhängig
von der Höhe
der tatsächlich
vorliegenden Versorgungsspannung liefert.
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Grundsätzlich wird
im Falle eines Wechselstrom-Elektromotors ein Wechselstrom bestimmter Amplitude
oder im Falle eines Gleichstrom-Elektromotors beispielsweise ein
pulsweitenmoduliertes Stellsignal dem Elektromotor solange zugeführt, bis die
Feststellbremse eine bestimmte Feststellkraft erreicht hat. Dabei
hängt die
erzielbare Feststellkraft von der zugeführten Stromstärke ab.
Beispielsweise kann für
eine Stromstärke
von 20 A bei den genannten Feststellbremsen eine Feststellkraft
von 1800 bis 2000 N erzielt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Feststellkraft zu erhöhen, während der
zugeführte
Strom minimiert wird.
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Die
Erfindung löst
bei dem eingangs genannten Verfahren bzw. der eingangs genannten
Feststellbremse diese Aufgabe jeweils mit dem kennzeichnenden Teil
der Ansprüche
1 und 7.
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Danach
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der dem Elektromotor zugeführte
Strom während
des Feststell- und/oder Lösevorganges
wenigstens einmal im wesentlichen unterbrochen. Bei der erfindungsgemäßen Feststellbremse
ist eine Steuerungseinheit derart ausgelegt, daß sie den dem Aktuator zugeführten Strom
während
des Feststell- und/oder Lösevorganges
wenigstens einmal im wesentlichen unterbricht.
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Mit
anderen Worten bedeutet dies, daß für einen einzelnen Feststell-
oder Lösevorgang
eine bestimmte Zeit lang dem Aktuator ein Strom zugeführt wird,
anschließend
für eine
bestimmte Dauer unterbrochen oder zumindest stark abgesenkt, daß von einer
Unterbrechung gesprochen werden kann, und schließlich wieder für eine bestimmte
Zeit zugeführt wird.
Diese Unterbrechungen können
ggf. wiederholt werden.
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Dabei
spielt es keine Rolle, in welcher Form der Strom dem Aktuator zugeführt wird.
So kann im Falle eines Wechselstrommotors als Aktuator ein Wechselstrom
und im Falle eines Gleichstrommotors als Aktuator ein pulsweitenmodulierter
Strom oder auch ein Gleichstrom zugeführt werden.
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Grundsätzlich wird
unter einem Aktuator eine Einrichtung verstanden, welche bei Anlegen
eines Stroms eine mechanische Bewegung ausführt. Dies kann beispielsweise
ein Elektromotor, ein Elektromagnet mit beweglicher Ankerplatte
oder etwas ähnliches
sein. Nachfolgend wird in der Beschreibung lediglich der Fall eines
Elektromotors als Aktuator beschrieben, was aber nicht einschränkend zu
verstehen ist.
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Unter
einer Unterbrechung im Sinne der Erfindung werden im allgemeinen
nicht die Pausen bei einem pulsweitenmodulierten Stellsignal verstanden. Die
bei der Pulsweitenmodulation zugeführten Impulse wiederholen sich
mit einer Frequenz, die so hoch ist, daß der als Tiefpaßfilter
wirkende Gleichstrommotor ständig
angetrieben wird, den Pulsänderungen also
nicht mit einer Bewegungsänderung
folgen kann. Damit kann für
diesen Fall nicht generell von einer Unterbrechung des zugeführten Stromes
gesprochen werden.
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Vorteilhaft
wird bei der Erfindung eine hohe Feststellkraft bei minimalem Strom
erreicht. Hierdurch können
insbesondere die Kosten auf der Elektronik-Leistungsseite niedrig
gehalten werden.
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Bevorzugt
wird dem Aktuator zuerst ununterbrochen ein Strom bis zu einem bestimmten
Verharrungswert der Feststellkraft zugeführt. In der Regel verläuft der
durch einen Elektromotor als Aktuator fließende Strom bei einem Start
aus dem Stillstand derart, daß nach
einer anfänglichen
maximalen Stromamplitude zum Anfahren des Motors ein Stromamplitudenabfall
bei geringer Last folgt, der mit zunehmender Feststellkraft aufgrund
der ansteigenden Last ansteigt. Die Feststellkraft wird dabei bis
zu einem bestimmten Verharrungswert erhöht. Vorteilhaft wird durch
die ununterbrochene Stromzufuhr bis zu diesem Verharrungswert die
Bremse schnell betätigt und
nicht in Positionen angehalten, in denen die Feststellbremse noch
nicht angezogen hat.
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Bevorzugt
wird nach Erreichen des Verharrungswertes der dem Aktuator zugeführte Strom
wiederholt unterbrochen. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, daß die Feststellkraft
sukzessive auf sehr hohe Werte erhöht werden kann.
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Bevorzugt
werden die Unterbrechungspausen so groß gewählt, daß die von der Bremseneinheit ausgeübte Feststellkraft
in den Pausen jeweils einen konstanten Wert annimmt. Mit diesem
Verlauf der Feststellkraft wird dem durch den Feststellvorgang beanspruchten
Material genügend
Zeit gelassen, sich entsprechend zu entspannen, so daß der Elektromotor
durch die aufgrund der Materialentspannung sich einstellende Lose
der Übertragungsmechanik
kurz beschleunigen kann und damit ein ausreichendes Drehmoment für den nächsten Feststellimpuls
liefern kann.
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Bevorzugt
wird durch geeignete Wahl der Unterbrechungsdauer und/oder der Dauer
des erneuten Stromzuführens
ein treppenförmiger
Verlauf der Feststellkraft eingestellt. Vorteilhaft kann mit dieser
Maßnahme
abhängig
von den beschleunigten Massen und der Materialelastizität ein Optimum
in der Gesamtzeit für
den Feststellvorgang und in der erzielbaren Feststellkraft erzielt
werden.
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Bevorzugt
wird der dem Aktuator zugeführte Strom
in seiner Stärke
nach oben begrenzt. In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Feststellvorgang
kann bei mit einer im Vergleich zum Stand der Technik verringerten
Stromstärke
die gleiche Feststellkraft erzielt werden. Insofern kann der maximal fließende Strom
so begrenzt werden, daß der
Elektromotor vor teilhaft mit einer preiswerten Steuerungseinheit
angetrieben werden kann. Diese Steuerungseinheit kommt beispielsweise
mit preiswerten Leistungstransistoren aus, anstelle der bei einer Pulsweitenmodulation
verwendeten kostenintensiven Leistungstransistoren. Damit können insbesondere
auch im Hinblick auf die für
eine Notbetätigung erforderliche
Back-Up-Batterie drastisch Kosten gespart werden. Werden im Stand
der Technik beispielsweise Lithium-Zellen als Back-Up-Batterie verwendet,
kann mit der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik die Anzahl
der Batterie-Zellen halbiert werden. Insbesondere kann eine Pulsweitenmodulation
ganz entfallen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf
die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer elektromechanisch betätigbaren
Feststellbremse im Axialschnitt;
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2 ein
Steuerdiagramm, in dem der von der Steuerungseinheit an den Elektromotor
gelieferte zeitliche Stromverlauf dargestellt ist.
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1 zeigt
eine elektromechanisch betätigbare
Feststellbremse, welche im wesentlichen eine an sich bekannte Trommelbremse 1 sowie
eine Betätigungseinheit 2 in
einem Gehäuse 3 aufweist.
Die Betätigungseinheit 2 steht
in kraftübertragender
Verbindung mit einem Spreizschloß 5, das zwei Bremsbacken
mechanisch betätigt.
Von den Bremsbacken ist lediglich eine in 1 mit dem
Bezugszeichen 6 dargestellt. Die Bremsbacken 6 werden
beim Feststellen der Bremse mit einer Bremstrommel 7 in
Eingriff gebracht.
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Die
Betätigungseinheit 2 umfaßt einen
Elektromotor 8, ein Untersetzungsgetriebe 9 sowie
ein Kraftübertragungselement 10,
das über
einen Stahlseilzug 14 mit dem Spreizschloß 5 gekoppelt
ist. Der Stahlseilzug 14 ist an seinem dem Spreizschloß 5 zugewandten
Ende mit einer nicht dargestellten Zugöse versehen, während sein
anderes Ende im Kraftübertragungselement 10 verpreßt bzw.
verquetscht ist.
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Der
in 1 dargestellte Elektromotor 8 ist als
ein elektronisch kommutierbarer Motor ausgeführt, wobei auch andere Ausführungen
möglich
sind (z.B. ein mit Gleichstrom betriebener Bürstenmotor). Ein Stator 11 des
Elektromotors 8 ist in dem Gehäuse 3 der Betätigungseinheit 2 unbeweglich
angeordnet, während
sein Rotor 12 vorzugsweise als ein rohrförmiges Blechteil
ausgebildet ist, auf dessen Oberfläche Permanentmagneten 13 aufgeklebt
sind. Der Rotor 12 ist dabei an seinem der Bremstrommel 7 zugewandten
Ende in einem Festlager 18 gelagert, während sein der Bremstrommel 7 abgewandtes Ende
in einem Loslager 19 gelagert ist. Das Untersetzungsgetriebe 9 ist
dabei vorzugsweise koaxial zum Rotor 12, von diesem radial
umgriffen, angeordnet.
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Das
Untersetzungsgetriebe 9 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
als ein selbsthemmender Spindeltrieb ausgebildet, dessen Spindel 16 das
Krafübertragungselement 10 bildet
und dessen Spindelmutter 17 durch ein koaxial zum Rotor 12 angeordnetes,
mit dem Rotor 12 vorzugsweise einstückig ausgebildetes rohrförmiges Teil
gebildet. Ein in das Innere des Rotors 12 sich hinein erstreckender, axialer
rohrförmiger
Fortsatz 20 des Gehäuses 3 dient
als Verdrehsicherung der Spindel 16. Der Fortsatz 20 weist
ein Innenpolygonprofil auf, das mit dem entsprechend geformten Ende
der Spindel 16 zusammenwirkt.
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Ein
Lagerdeckel 21, in dem das Loslager 20 angeordnet
ist, begrenzt im Gehäuse 3 der
Betätigungseinheit 2 einen
ringförmigen
Hohlraum 22, in dem beispielsweise eine nicht dargestellte
elektronische Steuerungseinheit angeordnet sein kann. Außerdem ist
im Lagerdeckel 21 eine Kabeldurchführung 23 vorgesehen,
durch die eine zum Stator 11 des Elektromotors 8 und/oder
zu der nicht dargestellten Steuerungseinheit führende, bevorzugt umspritzte
Anschlußleitung 24 hindurchgeführt werden
kann.
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In
einem nicht in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
kann das Untersetzungsgetriebe als ein nicht selbsthemmender Spindeltrieb
bzw. Kugelgewindetrieb ausgebildet sein. Der Kugelgewindetrieb kann
dabei aus einer Gewindespindel sowie einer vorzugsweise im Rotor
eingepreßten
Kugelgewindemutter bestehen, deren Drehbewegung mittels Kugelreihen
in eine translatorische Bewegung der Gewindespindel umgewandelt
wird. Zusätzlich
kann eine Verriegelungseinrichtung vorgesehen sein, welche ein Lösen der
Feststellbremse verhindert.
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In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann der Elektromotor
als ein Gleichstrom-Bürstenmotor
ausgeführt
sein, dessen Stator durch im Gehäuse
der Betätigungseinheit
angeordnete Permanentmagnet-Segmente gebildet wird. Der Rotor, dem Strom
mittels eines Kollektors zugeführt wird,
ist durch ein eine Ankerwicklung tragendes, zweifach gelagertes
Rohr gebildet. Das der Bremstrommel zugewandte Ende des Rohres ist
als ein Sonnenrad mit einem Planetengetriebe ausgebildet, das wirkungsmäßig zwischen
dem Elektromotor und dem Untersetzungsgetriebe geschaltet ist. Das
Sonnenrad treibt Planetenräder
an, die in einem Zahnkranz umlaufen, der als Bestandteil des Gehäuses an dessen
Innenseite eingeprägt
ist.
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Die
nicht dargestellte Steuerungseinheit kann beispielsweise in bekannter
Weise einen Pulsweitenmodulator aufweisen, der ein pulsweitenmoduliertes
Stellsignal für
den Gleichstrom-Bürstenmotor
erzeugt, bei dem in der Pulsweite die Information über das
gewünschte
Stellsignal enthalten ist. Der von der Steuerungseinheit dem Elektromotor
zugeführte
zeitliche Stromverlauf wird weiter unten mit Bezug auf 2 näher erläutert.
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Insgesamt
sind andere nicht dargestellte oder beschriebene Ausführungsbeispiele
für den
Aktuator bzw. Elektromotor und/oder das Untersetzungsgetriebe ohne
weiteres möglich.
So kann anstelle eines Elektromotors auch ein Magnet eingesetzt
werden, welcher zum Feststellen der Bremse beispielsweise eine in
ihrer Rückbewegung
gesperrte Ankerplatte anzieht.
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2 zeigt
ein Zeitdiagramm, in dem der von der Steuerungseinheit dem Elektromotor
aufzuprägende
Soll-Strom Isoll, der Istwert des Stromes
Iist und die Feststellkraft F auf der Abzisse
und die Zeit auf der Ordinate dargestellt sind.
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Zunächst prägt die Steuerungseinheit
dem Elektromotor einen in der Stromstärke begrenzten Strom Isoll (z.B. 10 A) auf. Anstelle einer vorgegebenen
Stromstärke
kann im Falle eines Gleichstrommotors auch ein pulsweitenmoduliertes
Stellsignal zugeführt
werden, dessen Impulsweite entsprechend nach oben begrenzt ist.
Dieser Strom Isoll wird solange zugeführt, bis
die Last, also die Feststellbremse, bis zu einem Verharrungswert
bei einer bestimmten Feststellkraft F1 betätigt ist.
Diese Dauer kann beispielsweise in der Steuerungseinheit für den vorgesehenen
Bremsentyp vorgespeichert sein oder aber durch ein geeignetes nicht
dargestelltes Erfassungsmittel gemessen werden. Sie kann im Falle
einer Motorregelung außerdem
aus dem Istwert-Verlauf des zugeführten Stromes Iist abgeleitet
werden. Dies wird unter anderem nachstehend erläutert.
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Kurz
nach Anlegen des Stromes zum Anfahren des Elektromotors ist der
Istwert Iist des Strom maximal, bis der
Elektromotor eine bestimmte Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit
erreicht hat. Nachdem das Anfahrmoment überwunden ist, fällt die
Motorlast und damit auch der Strom-Istwert Iist, die
anschließend
beide mit steigender Feststellkraft F wieder ansteigen.
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Schließlich erreicht
der Strom-Istwert Iist wiederum seinen maximalen
Wert, der durch einen in der Steuerungseinheit vorgesehenen Strombegrenzer
festgelegt wird. Durch fortdauerndes Zuführen eines Stromes Isoll mit der maximalen Stromstärke steigt
auch die Feststellkraft noch weiter an, bis schließlich die
Feststellkraft F1 bei dem Verharrungswert
erreicht ist.
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Zu
diesem Zeitpunkt (z.B. 500 ms nach Anfahren des Elektromo tors) wird
die Stromzufuhr unterbrochen (z.B. für ungefähr 50 ms). Anschließend wird
wiederum für
eine kurze Zeit ein Strom Isoll zugeführt (z.B.
ungefähr
20 ms lang). Während
dieser Zeit wird der Elektromotor wiederum ggf. aus dem Stillstand
beschleunigt und überträgt auf die
Feststellbremse ein Drehmoment, das die Feststellkraft weiter ansteigen
läßt. Danach
wird die aus Unterbrechung und erneuter Stromzufuhr bestehende Sequenz
mehrfach wiederholt.
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Allgemein
ist 2 zu entnehmen, daß der Istwert Iist des
Stromes dem Sollwert Isoll geringfügig zeitlich
nacheilt. Weiterhin ist die in 2 dargestellte
Anzahl von Stromunterbrechungen bzw. -absenkungen nicht abschließend. Es
können
je nach Bedarfsfall auch mehr oder weniger Stromunterbrechungen
erforderlich sein.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, steigt auch während jeder
Sequenz auch nach der Unterbrechung der Stromzuführphase die Feststellkraft
noch weiter an, bis sie innerhalb der Unterbrechungszeit einen konstanten
Wert annimmt. Dieses "nachhinkende" Ansteigen kann auf
die beschleunigten Massen zurückgeführt werden.
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Die
Zeiten für
die Unterbrechung und die erneute Stromzufuhr können im Hinblick auf die jeweils vorliegende
Feststellkraft optimiert werden. So kann eine untere Grenze für die Zeit
des erneuten Stromzuführens
in der Reaktionszeit des Elektromotors liegen, seine bewegliche
Masse und die der Übertragungseinheit
erst einmal in Bewegung zu versetzen. Mit steigender Feststellkraft
können
die Zeiten für eine
erneute Stromzufuhr ggf. verkürzt
werden, da aufgrund der immer geringer werdenden Lose des Antriebes
die Bewegungsamplituden des Elektromotors ebenfalls sinken. Ggf.
kann hierzu die Feststellkraft gemessen werden.
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Die
Zeiten für
die Unterbrechungen können ebenfalls
entsprechend angepaßt
werden, beispielsweise im Hinblick auf eine für die Entspannung des Materials
erforderliche Zeit, die von der Feststellkraft abhängen kann.
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In
dem in 2 gezeigten Beispiel wird durch dreimaliges Wiederholen
der Unterbrechungssequenz schließlich ein Endwert der Feststellkraft
F2 erreicht. Gegenüber bekannten Steuerungseinheiten werden
durch das erfindungsgemäße wiederholte Unterbrechen
und erneute Stromzuführen
Feststellkräfte
in einer Größenordnung
erzielt, die bei bekannten Verfahren mit einer ununterbrochenen
Stromzufuhr selbst mit wesentlich höheren Strömen nicht erreicht werden.
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Wie
oben bereits angedeutet, liegt eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen in der Lose des Antriebes
(z.B. des Planetengetriebes, etc.) in Kombination mit dem Anzugsmoment
des Elektromotors, so daß ein
impulsweises Weiterdrehen des Antriebes (z.B. des Spindeltriebs)
hohe Feststell- bzw. Seilkräfte
ermöglicht
(z.B. über
3000 N).
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Bei
festgelegten Bremsen kann das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls für das Lösen der Feststellbremse
angewendet werden, falls beispielsweise nach längerer Standzeit ein erhöhtes Los brechmoment
erforderlich ist.
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Die
Steuerungseinheit kann vorteilhaft aus preiswerten Leistungstransistoren
aufgebaut sein, die dank der Strombegrenzung keine hohen Ströme schalten
müssen.
Insbesondere hinsichtlich einer Notbetätigung der Feststellbremse
mittels einer Back-Up-Batterie kann die Steuerungseinheit einen Strombegrenzer
aufweisen, der den Strom so nach oben beschränkt, daß gegenüber dem Stand der Technik mit
Back-Up-Batterien gearbeitet werden kann, die eine stark verminderte
Speicherkapazität haben.
Damit können
insgesamt die Kosten für
Steuerungseinheit und Back-Up-Batterie (z.B. eine Lithium-Batterie) drastisch
gesenkt werden.
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- 1
- Trommelbremse
- 2
- Betätigungseinheit
- 3
- Gehäuse
- 5
- Spreizschloß
- 6
- Bremsbacken
- 7
- Bremstrommel
- 8
- Elektromotor
- 9
- Untersetzungsgetriebe
- 10
- Kraftübertragungselement
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Permanentmagneten
- 14
- Stahlseilzug
- 16
- Spindel
- 17
- Spindelmutter
- 18
- Festlager
- 19
- Loslager
- 20
- Fortsatz
- 21
- Deckel
- 22
- Hohlraum
- 23
- Kabeldurchführung
- 24
- Anschlußleitung