Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellantrieb mit einem
Gehäuse, einer einer Drehbewegung durch eine Quelle von
Arbeitsenergie für den Stellantrieb ausgesetzten Antriebsbuchse und
einem Antriebsring, der eine Drehbewegung an weitere Teile des
Stellantriebs überträgt.
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Die Erfindung wird beispielsweise in ihrer Verwendung als
Bremseinheit, vorzugsweise für ein Schienenfahrzeug, gezeigt, aber es
kann in gleicher Weise in zahlreichen Anwendungen und
Ausgestaltungen verwendet werden, wo eine Steuerkraft zugeführt oder eine
Steuerstellung für eine äußere Last erreicht werden soll. Der
Stellantrieb kann eine Drehbewegung oder ein Drehmoment liefern,
aber er wird vorzugsweise - unter Einbeziehung von Teilen, die
eine Drehbewegung in eine Axialbewegung umwandeln, z.B. eine
übliche Kugelumlaufspindel - eine Axialbewegung oder -kraft
liefern.
Hintergrund der Erfindung
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Oblicherweise wird das Bremsen eines Schienenfahrzeugs
durchgeführt, indem Druckluft zu einem Bremszylinder geleitet wird,
wobei sich ein Kolben axial bewegt und eine axiale Bremskraft
überträgt. Als eine Alternative, die sehr häufig als Park- und
Notbremse, gelegentlich aber auch als Betriebsbremse verwendet wird,
wird eine kräftige Feder normalerweise von Druckluft in einem
Zylinder zusammengedrückt gehalten, doch wenn der Luftdruck
gesenkt wird, wird eine Bremskraft ausgeübt.
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Da gibt es jetzt einen Trend in die Richtung, ein
Druckluftsystem an modernen Schienenfahrzeugen zu vermeiden, was bedeutet,
daß keine Luft zur Steuerung oder Krafterzeugung zur Verfügung
steht. Im Gegensatz dazu ist es oft wünschenswert, Elektrizität
als Mittel zur Krafterzeugung und zur Steuerung zu verwenden,
teilweise im Hinblick auf den häufigen Gebrauch von Elektronik
in Steuersystemen und die Einfachheit in der Ausstattung für
Kraftübertragung in Form von Elektrizität, die für
unterschiedliche
Anwendungen an Bord eines modernen Schienenfahrzeugs
verwendet werden kann.
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Demgemäß besteht ein wachsendes Interesse für ein "Bremsen durch
elektrischen Strom" genanntes Konzept, dh. für ein System, in dem
elektrische Kraft in eine mechanische Bremskraft in Relation zu
einem elektrischen Signal transformiert wird, das vom Antrieb
zugeleitet wird. Die Anforderungen an ein solches System sind hoch,
z.B. mit Bezug auf Genauigkeit und Ansprechzeiten im Hinblick auf
mögliche Antiblockier-Funktionen usw., aber ebenfalls mit Bezug
auf Einfachhait, Zuverlässigkeit sowie der Fähigkeit, den sehr
extremen Umwelteinflüssen unter einem Schienenfahrzeug
standzuhalten.
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Mehrere Versuche, Bauarten zu verwirklichen, die die
unterschiedlichen Anforderungen an sogenannte elektro-mechanische
Stellantriebe erfüllen, sind bekannt. Lösungsbeispiele, wo ein
Elektromotor verwendet wird, um eine normale Feder (eine Schraubenfeder)
zu spannen, die die Bremskraft anwendet, wenn sie gewünscht wird,
ist aus den Druckschriften US-A-874 219, US-A-22 18 605, US-A-
40 33 435, US-A-42 02 430, DE-A-30 10 335, GB-A-21 41 500 und
EP-A-166 156 bekannt. Insbesondere die EP-A-247 733 veröffentlicht
einen Stellantrieb, worin Elektromotoren und Federn
zusammenarbeiten, um eine Bremskraft anzuwenden und zu lösen.
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Es gibt ebenfalls Lösungsbeispiele, wo die Energie von einem
Elektromotor in einer Schraubenfeder oder Spiralfeder gespeichert
wird wie gemäß US-A-31 31 788, US-A-32 17 843 und US-A-32 80 944.
In diesen Lösungen, die aus einer Quelle stammen, wird die
Anwendung der Bremse vom Motor gesteuert, der ebenfalls zum Spannen der
Feder verwendet wird. Mit dieser Technik ist es praktisch
unmöglich, die Ansprechzeiten und Steuerung zu erzielen, die in
modernen Systemen notwendig sind.
Die Erfindung
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Um alle Anforderungen zu erfüllen, die an einen Stellantrieb
gestellt werden, wird dieser gemäß der Erfindung dadurch
gekenn
-zeichnet, daß Kupplungsmittel zwischen der Antriebsbuchse und
dem Gehäuse vorgesehen sind, die nur bedingt deren Drehung in
eine erste Richtung gestatten, ferner eine koaxial damit
angeordnete Schlingfeder, die die Antriebsbuchse mit dem Antriebsring
verbindet, und Teile, die die Schlingfeder steuern, um deren
Aufgabe zu erfüllen, die Antriebsbuchse mit dem Antriebsring nur
bei der Drehung der Antriebsbuchse in der ersten Richtung zu
verbinden, aber eine gewisse Drehung des Antriebsringes in einer
zweiten, entgegengesetzten Richtung bei Bedarf zuzulassen.
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Wenn ein Stellantrieb nach der Erfindung als Bremseinheit für
ein Schienenfahrzeug verwendet wird, beinhaltet er eine
Antriebsbuchse, die dem Drehmoment von einer Schraubenfeder, einem Motor
oder einem anderen Teil ausgesetzt werden kann, um eine
Bremskraft zu erzeugen, und einen Antriebsring, der mit einer
Kugelschraubenspindel oder einem ähnlichen Teil verbunden ist, um das
Drehmoment in eine Axialkraft zur Bremsanwendung umzuformen. Die
Erfindung liegt in dem steuerbaren Teil zum Obertragen des
Drehmoments zwischen der Antriebsbuchse und dem Antriebsring. In
einer Bremseinheit ist die erste Richtung die
Bremsbetätigungsrichtung, während die zweite Richtung entsprechend die
Bremslöserichtung ist.
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Vorzugsweise ist das Teil zum Steuern der Schlingfeder eine
Steuerbuchse, die konzentrisch zur Antriebsbuchse und zum
Antriebsring ist und die mit einem Ende der Schlingfeder verbunden ist,
wobei die Drehung der Steuerbuchse in die zweite Richtung die
Schlingfeder löst und dem Antriebsring gestattet, um dasselbe
Winkelmaß wie die Steuerbuchse in die zweite Richtung zu drehen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebsbuchse dem
Drehmoment einer von einem Motor, vorzugsweise einem Elektromotor
gespannten Schraubenfeder ausgesetzt. In diesem Fall kann das
Kupplungsteil zwischen der Antriebsbuchse und dem Gehäuse der
Einheit vorzugsweise eine weitere Schlingfeder sein, die
normalerweise eine Drehung der Antriebsbuchse in die erste Richtung
verhindert, und ein Ende der Schlingfeder ist mit der Steuerbuchse
verbunden, wobei deren Drehung in die erste Richtung die
Schlingfeder
lösen und der Antriebsbuchse gestatten wird, um dasselbe
Winkelmaß wie die Steuerbuchse in die erste Richtung zu drehen.
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Um der Forderung zur Steuerung des Stellantriebs oder der
Bremseinheit "durch elektrischen Strom" zu genügen, kann die
Steuerbuchse mit einem elektrischen Steuermotor für ihre Drehung in
beide Richtungen verbunden sein, was zur Drehung des Antriebsringes
in beide Richtungen führt.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die
Antriebsbuchse direkt mit einem Drehmotor, vorzugsweise einem
Elektromotor, verbunden. In diesem Fall ist das Kupplungsteil zwischen der
Antriebsbuchse und dem Gehäuse eine weitere Schlingfeder, die
eine Drehung der Antriebsbuchse durch den Motor allein in die erste
Richtung gestattet.
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Der Motor ist vorzugsweise antriebsmäßig mit der Steuerbuchse für
deren Drehung in beide Richtungen verbunden, wobei in der
Verbindung zwischem dem Motor und der Antriebsbuchse eine
Freilaufkupplung vorgesehen ist, die nur eine Drehung an die Antriebsbuchse
in die erste Richtung überträgt.
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In noch einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die
An -triebsbuchse - wie in der ersten Ausführung - dem Drehmoment
einer Schraubenfeder ausgesetzt, die von einem Motor, vorzugsweise
einem Elektromotor, gespannt ist. Wiederum ist das Kupplungsteil
eine äußere Schlingfeder, die normalerweise eine Drehung der
Antriebsbuchse in die erste Richtung verhindert. In dieser
Ausgestaltung ist das zum Steuern der Schlingfeder - einer inneren
Schlingfeder - zwischen der Antriebsbuchse und dem Antriebsring
angeordnete Teil, das Teil, das auch die äußere Schlingfeder
steuert, ein Kontrollglied, das unter dem Einfluß von zwei
Elektromagneten zum Lösen des Endes beider Schlingfedern vom Gehäuse
bzw. vom Antriebsring und demgemäß zum Erlauben einer Drehung der
Antriebsbuchse in die erste Richtung bzw. des Antriebsringes in
die zweite Richtung axial beweglich ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im einzelnen unter Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben, in denen die Figuren 1 bis 3 jeweilige
Seitenansichten, teilweise geschnitten, von drei Ausgestaltungen
eines Stellantriebs, nämlich einer elektro-mechanischen
Bremseinheit, gemäß der Erfindung sind.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungen
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Eine elektro-mechanische Bremseinheit gemäß Figur 1 weist ein
Gehäuse 1 mit einem Sprungdeckel 2 links in der Zeichnung sowie
einen Vorrichtungsdeckel 3 rechts auf. Die Deckel 2 und 3 sind an
das Gehäuse 1 angeschraubt. Die Einheit ist ferner mit einem
kraftübertragenden Glied 4 ausgestattet, welches, wie unten dargelegt,
in bezug auf das Gehäuse 1 axial beweglich ist. Das Gehäuse 1 und
des Glied 4 sind mit Halterungen 5 für den Einbau der Einheit
versehen, z.B. in einen üblichen Scheibenbremsensattel eines
Schienenfahrzeuges. (Eine solche Bremsenanordnung ist in der Zeichnung
nicht dargestellt, aber in Fachkreisen gut bekannt.) Auf diese
Weise wird eine Bewegung des Gliedes 4 nach links in der Zeichnung
eine Bremsbetätigung zur Folge haben
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Eine kräftige Schrauben- oder Spiralfeder 6 ist im Gehäuse 1
angeordnet. Das äußere Ende der Feder 6 ist an einer drehbaren
Motorbuchse 7 und ihr inneres Ende an einer drehbaren
Antriebsbuchse 8 verankert, die im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist.
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Ein Elektromotor 10 ist am Gehäuse 1 angebracht. Er ist
antriebsmäßig mit einem Zahnring 7' an der Motorbuchse 7 verbunden. Eine
Freilaufkupplung, z.B. eine Schlingfeder 12, befähigt die
Motorbuchse 7, nur in die Richtung für ein Festspannen der
Schraubenfeder 6 gedreht zu werden.
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Koaxial mit der Antriebsbuchse 8 ist ein drehbarer Antriebsring 13
in Schiebekeilverbindung mit einem Spindelring 14, der an einer
drehbaren Spindel 15 angebracht ist.
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Eine Drehkraft-Übertragung zwischen der Antriebsbuchse 8 und dem
Antriebsring 13 (und so der Spindel 15 über den Spindelring l4)
wird mittels einer Anordnung aus drei konzentrischen Gliedern
durchgeführt, nämlich einer äußeren Schlingfeder 16, einer
Steuerbuchse 17 und einer inneren Schlingfeder 18.
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Das Außenende der Steuerbuchse 17 - das Außenende rechts in
Figur 1 - ist mit einem Zahnkranz 17' versehen, der im Eingriff mit
entsprechenden Zähnen an der drehbaren Motorwelle 19 eines
elektrischen Steuermotors 20 steht, der am Vorrichtungsdeckel 3 fest
angebracht ist. Die Welle 19 des Motors 20, der vorzugsweise ein
Gleichstrom- oder Schrittschaltmotor sein kann, ist mit einer
Scheibe 21 versehen, die mit einer fest angebrachten Gabel 22
zusammenwirkt. Die Scheibe 21 hat am Umfang Steuermittel, z.B.
Löcher, zum Zählen durch die Gabel 22 und dadurch Steuern der
Drehung des Steuermotors 20, wie nachstehend deutlicher beschrieben
wird.
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Eine kraftübertragende Buchse 23 ist an dem kraftübertragenden
Glied 4 fest angebracht. Eine Kugelmutter 25, die zusammen mit
der Kugelumlaufspindel 15 einen Kugelumlauf bildet, ist undrehbar
an der kraftübertragenden Buchse 23 angebracht. Die Spindel 15
ist drehber in der kraftübertragenden Buchse 23 mittels eines
Radialkugellagers 26 und in einer Kraftmeßpfanne 27 mittels eines
Kugellagers 28 gelagert. Dieses Lager kann auch Axialkräfte von
der Spindel 15 auf die Pfanne 27 übertragen.
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Eine elastische Scheibe 30 (aus Gummi oder ähnlichem Material)
ist zwischen der Kraftmeßpfanne 27 und dem Vorrichtungsdeckel 3
eingeschlossen. Ein Druckumformer 31 ist im Deckel 3 in Kontakt
mit der elastischen Scheibe 30 angeordnet. Durch die Ausführung
mit einer eine kleinere Kraft aufnehmenden Fläche des Umformers
31 als der Fläche der Kraftmeßpfanne 27 wird nur ein Bruchteil
der Gesamtkraft von der Spindel 15 auf den Umformer 31
übertragen, der eine übliche Gestalt haben kann und ein vom Druck oder
einer von diesem ausgeübten Kraft abhängendes elektrisches
Si -gnal überträgt.
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Die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Teilen,
insbesondere
den beiden Schlingfedern 16 und 18 und der Steuerbuchse 17,
wird nun beschrieben.
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Die äußere Schlingfeder 16, die auch Betätigungsfeder aus
nachstehend erläuterten Gründen genannt werden kann, dient in erster
Linie dazu, die Antriebsbuchse 8 vor dem Drehen relativ zum
Gehäuse 1 in die eine Richtung zu bewahren. Sie ist, wie dargestellt,
axial eingeschlossen, und ihr linkes Ende ist an der
Antriebsbuchse 8 eingerastet. Der größere Teil der Feder 16 ist mit
seiner Außenfläche in Kontakt mit den koaxialen zylindrischen
Innenflächen der Buchse 8 und des Gehäuses 1. Ein paar Windungen der
Schlingfeder 16 haben einen kleineren Durchmesser und sind mit
ihrer Innenfläche im Eingriff mit der Außenfläche der
zylindrischen Steuerbuchse 17.
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Die innere Schlingfeder 18, die auch Lösefeder genannt werden
kann, dient in erster Linie dazu, ein Drehmoment in der einen
Richtung zwischen der Antriebsbuchse 8 und dem Antriebsring 13
zu übertragen, aber begründet auch ein Mittel zum Übertragen
eines Drehmoments in die andere Richtung zwischen der Steuerbuchse
17 und dem Antriebsring 13, wie nachstehend in der Beschreibung
dargelegt wird. Die Innenfläche der Schlingfeder 18 ist in
Kontakt mit der koaxialen zylindrischen Außenfläche der
Antriebsbuchse 8 und des Antriebsringes 13. Das rechte Ende der Feder 18
ist am Antriebsring 13 eingerastet, während ihr linkes Ende mit
einem aufwärts vorstehenden Ende 18' versehen ist, das mit einem
Axialvorsprung 17" am linken Ende der Steuerbuchse 17 in
Eingriff steht.
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Die Arbeitsweise der insoweit beschriebenen Anordnung ist wie
folgt: Unter der Voraussetzung, daß die Schraubenfeder 6 gespannt
oder durch den Elektromotor 10 eingerollt und deren
Rückwärtsdrehung durch die Freilaufkupplung verhindert ist, ist die
Antriebsbuchse 8 einem großen Drehmoment in der einen
Drehrichtung ausgesetzt. Jedoch ist die Buchse 8 normalerweise gegen
eine Drehung in diese Richtung durch die Betätigungsfeder 16
gesperrt.
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Durch Drehen der Steuerbuchse 17 (mittels des Steuermotors 20)
ist es jedoch möglich, die äußere Schlingfeder oder
Betätigungsfeder 16 zu"öffnen", dh. sie in die Richtung entgegengesetzt zur
Sperrichtung mittels der Federwindungen im Eingriff mit der
Steuerbuchse 17 zu drehen. Hierdurch wird die Antriebsbuchse 8 frei
werden, sich unter der Wirkung der Schraubenfeder 6 zu drehen,
bis die Betätigungsfeder 16 wieder die Buchse 8 am Gehäuse 1
festlegt. Mit anderen Worten, die Drehbewegung der
Antriebsbuchse 8 entspricht derjenigen der Steuerbuchse 17. Während dieser
Drehbewegung überträgt die innere Schlingfeder 18 - gemäß ihrer
Sperrichtung - die Drehbewegung und das Drehmoment auf den
Antriebsring 13.
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Das dem Antriebsring 13 übermittelte Drehmoment wird durch die
Kugelumlaufspindel 15 als eine Axialkraft an die Kugelmutter 25,
die kraftübertragende Buchse 23 und das kraftübertragende Glied
4 übertragen. Der Betätigungshub oder -bewegung ist links in der
Zeichnung erkennbar.
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Es wird vermerkt, daß die Antriebsbuchse 8 nur drehen kann (um
ihr Drehmoment auf den Antriebsring 13 über die innere
Schlingfeder 18 zu übertragen), wenn und in welchem Ausmaß die
Steuerbuchse 17 vom Steuermotor 20 in die Löserichtung für die
Betätigungsfeder 16 gedreht wird. Es ist ferner zu vermerken, daß die
Steuerbuchse 17 selbst nicht dem Drehmoment der Antriebsbuchse 8
ausgesetzt ist und daß einzig ein kleines Drehmoment nötig ist, die
Vorspannung der Schlingfeder 16 zu überwinden, die sie für die
Steuerbuchse 17 benötigt hat.
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Der Lösehub oder -bewegung des kraftübertragenden Glieds 4 und
der Buchse 23 nach rechts in der Zeichnung ( nachfolgend einem
Betätigungshub,wie oben beschrieben) kann in zwei Schritte
unterteilt werden: ein erster Schritt, während dessen das Glied 4 und
die Buchse 23 einer Rückdrehkraft nach rechts von der
Bremsscheibe (oder einem anderen Bremsteil) ausgesetzt sind und der ganze
Bremssattel oder das ganze Bremsgestänge (in dem die Bremseinheit
angeordnet ist) mit dem Zustand endet, wo die Bremsklötze grade
dabei sind, die Bremsscheibe zu verlassen, wobei die
Rückdrehkraft
gegen null geht, und ein zweiter Schritt, während dessen
die Bremsklötze von der Bremsscheibe um den gewünschten Abstand
zurückgesetzt werden, der von der Fachwelt als Schlupf
bezeichnet wird.
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Zum Vollenden einer Bewegung in der Löserichtung während des
oben erwähnten ersten Schrittes wird die Steuerbuchse 17 in die
Richtung entgegengesetzt zu der während des Betätigungshubes
gedreht, wie oben beschrieben wurde. Diese Drehung wird nicht
durch die Windungen der äußeren Schlingfeder 16 im Eingriff mit
der Steuerbuchse 17 verhindert, da letztere jetzt in die
Richtung zum Lösen des Griffes der Schlingfeder 16 von ihr gedreht
wird.
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Durch den Eingriff zwischen dem axialen Vorsprung 17" der
Steuerbuchse 17 und dem aufwärts vorspringenden Ende 18' der inneren
Schlingfeder oder Lösefeder 18 wird letztere den Antriebsring 13
nicht am Drehen unter der Kraftbetätigung hindern,die von einer
Axialkraft in der Schraubenmutter 25 in eine Drehkraft in der
Spindel 15 umgewandelt wird, aber nur insoweit, wie die
Steuerbuchse 17 gedreht wird. Während dieser Drehung wird die
Antriebsbuchse 8 - die die gesamte Zeit dem Drehmoment von der
Schraubenfeder 6 ausgesetzt ist - am Drehen durch die äußere
Schlingfeder 16 gehindert, die sich im Eingriff mit dem Gehäuse 1
befindet.
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Wieder wird vermerkt, daß die Drehbewegung des Antriebsringes 13
der der Steuerbuchse 17 entspricht und daß praktisch kein
Drehmoment zu deren Drehen vom Steuermotor 10 erforderlich ist,
nämlich nur das Drehmoment ist notwendig, die Vorspannung der
inneren Schlingfeder 18 zu überwinden.
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Während des zweiten Schrittes des Lösehubes wird kein Drehmoment
vom Bremsgestänge über die Spindel 15 an den Antriebsring 13
übertragen. Um den gewünschten Schlupf zwischen der Bremsscheibe
und den Bremsklötzen im Bremsgestänge herzustellen, ist es
deshalb notwendig, eine andere Drehkraft am Antriebsring 13 für ein
Rückziehen der Bremsklötze von der Bremsscheibe anzuwenden.
Diese verhältnismäßig geringe Drehkraft stammt vom Steuermotor 20.
Bei dessen weiterer Drehung in der Löserichtung wird seine
Drehbewegung über die Lösefeder 18 an den Antriebsring 13
übertragen. Doch wird die Antriebsbuchse 8 gegen Drehung durch die
äußere Schlingfeder 18 gehalten.
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Es gibt ein mit der insoweit beschriebenen mechanischen
Anordnung gekoppeltes elektrisches und elektronisches System. Dieses
System, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist, hat die
allgemeine Aufgabe, den Elektromotor 10 und den Steuermotor 20 mit
elektrischer Energie zu versorgen und ihre Funktionen in der
folgenden Weise zu steuern:
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Wie aus der obigen Beschreibung zu verstehen ist, besteht die
einzige Aufgabe des Elektromotors 10 darin, den Akkumulator in
der Form der Schraubenfeder 6 mit Energie zu versorgen, oder mit
anderen Worten, die Feder 6 unter Spannung zu halten. Der Motor
arbeitet intermittierend.
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Das System ist so ausgelegt, daß der Motor 10 angelassen wird,
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1) wenn das System aus irgendeinem Grund ohne Strom gewesen ist
und
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2) nachdem der Steuermotor 20 angelassen wurde.
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Andererseits wird der Motor 10 stillgesetzt, wenn der Motorstrom
einen vorgegebenen Wert erreicht, der eine gespannte
Schraubenfeder 6 anzeigt.
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Allgemein gesagt, arbeitet der Steuermotor 20 (und die mit ihm
verbundene Steuerbuchse 17) als eine Hilfseinrichtung für die
Spindel 15. Sie arbeitet unter verschiedenen Bedingungen in der
folgenden Weise:
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Wie oben beschrieben, wird ein Betätigungshub durch Drehen der
Steuerbuchse 17 durch den Steuermotor 20 in einer bestimmten
Richtung ausgeführt - der Betätigungsrichtung.
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Wenn der Druckumformer 31 anzeigt, daß eine gewünschte Bremskraft
oder, mit anderen Worten, eine Gegenkraft in der Spindel
er -reicht ist, die über den Spindelring 14, das Kugellager28, die
Kraftmeßpfanne 27 und die elastische Scheibe 30 auf den Umformer
31 übertragen wurde, wird der Steuermotor 20 stillgesetzt. Das
bedeutet, daß kein weiteres Drehmoment auf den Antriebsring 13
von der Antriebsbuchse 8 über die innere Schlingfeder 18
übertragen wird.
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Nach etwa zwei Drehungen des Steuermotors 20 in der
Betätigungsrichtung wird, wie durch die Scheibe 21 und die Gabel 22
festgelegt, der Elektromotor 10 in Betrieb gesetzt, nachdem er zuvor
stillgesetzt worden war.
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Der Lösehub wird andererseits durch Drehen des Steuermotors 20
in der entgegengesetzten Richtung - der Löserichtung -
ausgeführt.
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Die Drehung des Steuermotors 20 findet statt, bis der Umformer
31 eine sehr geringe Gegenkraft in der Spindel 15 anzeigt, etwa
2 kN. Von dieser Anzeige wird dem Steuermotor 20 gestattet,
einige Extra-Umdrehungen zu drehen, wie von der Scheibe 21 und der
Gabel 22 festgelegt, um den gewünschten Schlupf zwischen den
Bremsklötzen und der Bremsscheibe im Bremsgestänge herzustellen.
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Zahlreiche Abänderungen der in Figur 1 dargestellten und in
diesem Zusammenhang oben beschiebenen Ausgestaltung sind möglich.
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Ganz allgemein kann der Elektromotor 10 eine unterschiedliche
Lage aufweisen, wenn z.B. eine kürzere Einheit verlangt wird,
und er kann sogar durch irgendein anderes Mittel zum Beschaffen
von Energie für die Schraubenfeder 6 ersetzt werden, z.B. einen
Druckluftmotor oder einen hydraulisch betätigten Zylinder, der
immerzu die Aufgabe hat, die Schraubenfeder 6 unter
ausreichender Spannung zu halten. Auch kann die Schraubenfeder 6 durch
eine andere Federart oder irgendein anderes Energiespeichermittel
ersetzt werden.
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Die verschiedenen mechanischen Bestandteile der Anordnung, z.B.
das Lagern der drehenden Teile und die Art der verwendeten
Kugelumlaufspindel, können weitgehend variiert werden, wie es
jedem Fachmann gut bekannt ist.
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Ganz besonders kann jedoch das linke Ende der inneren
Schlingfeder 18 als eine Alternative zu der dargestellten und
beschriebenen Ausbildund die gleiche Form haben wie das rechte Ende der
äußeren Schlingfeder 16.
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Ferner können als eine Alternative zur Anordnung, ein Signal in
Abhängigkeit von der Axialkraft in dem kraftübertragenden Glied
4 oder in der Spindel 15 vorzusehen, dh. zur Kraftmeßpfanne 27,
der elastischen Scheibe 30 und dem Druckumformer 31, andere
Mittel verwendet werden, z.B. entsprechend angeordnete
Dehnungsmeßstänges abgeleitet werden.
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Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 2
dargestellt. Diese Ausgestaltung hat viele Ähnlichkeiten mit der in
Figur 1 dargestellten und oben beschriebenen ersten, wobei der
Hauptunterschied in dem Steuersystem für die Bremseinheit liegt,
der entsprechend ausführlich beschrieben wird.
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Die Ausbildung und Arbeitsweise der folgenden Teile sind
praktisch die gleichen wie in der ersten Ausgestaltung, und
entsprechend wird auf deren Beschreibung oben Bezug genommen: ein
Gehäuse 40, ein Sprungdeckel 41, ein kraftübertragendes Glied 42,
Befestigungen 43, eine Schraubenfeder oder Spiralfeder 44, eine
Motorbuchse 45 mit einem Zahnring 45', eine Antriebsbuchse 46,
ein Elektromotor 47, eine Schlingfeder 48, ein Antriebsring 49,
ein Spindelring 50, eine Spindel 51, eine kraftübertragende
Buchse 52, eine Kugelmutter 53, ein Radialkugellager 54, eine
Kraftmeßpfanne 55, ein Kugellager 56, ein elastischer Ring 57
und ein Druckumformer 58.
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In diesem Fall ist die Spindel 51 verlängert und mit einer
Scheibe 59 versehen, die mit einer festen Gabel 60 zusammenarbeitet
(auf dieselbe Weise und für denselben Zweck wie die Scheibe 21
und die Gabel 22 in der Ausgestaltung nach Figur 1).
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Wie in der Ausgestaltung nach Figur 1 gibt es da eine äußere
Schlingfeder 61 und eine innere Schlingfeder 62, die, allgemein
gesprochen, dieselben Aufgaben haben wie die entsprechenden
Schlingfedern 16 und 18 in der ersten Ausgestaltung. Jedoch ist
die Steuerung dieser Schlingfedern völlig verschieden, wie unten
gezeigt wird.
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Die äußere Schlingfeder 61 ist in ihrem gespannten Zustand mit
ihrer Außenfläche in Kontakt mit koaxialen zylindrischen
Innenflächen der Antriebsbuchse 46 und des Gehäuses 40. Die innere
Schlingfeder 62 ist in diesem gespannten Zustand mit ihrer
Innenfläche in Kontakt mit koaxialen zylindrischen Außenflächen der
Antriebsbuchse 46 und des Antriebsringes 49.
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Eine erste Kupplungs-Unterlegscheibe 63 ist in nicht-drehbarem,
aber axial beweglichem Eingriff mit dem rechten Ende der äußeren
Schlingfeder 61. Die Unterlegscheibe 63 kann mit einer festen
Schulter 64 des Gehäuses 40 in Eingriff stehen, um eine verzahnte
Kupplung 63-64 mit ihr zu bilden.
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In gleicher Weise ist eine zweite Kupplungs-Unterlegscheibe 65 in
nicht-drehbarem, aber axial beweglichem Eingriff mit dem rechten
Ende der inneren Schlingfeder 62. Die Unterlegscheibe 65 kann mit
einer Schulter 66 des Antriebsringes 49 in Eingriff stehen, um
mit ihr eine verzahnte Kupplung 65-66 zu bilden.
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Die beiden Kupplungs-Unterlegscheiben 63 und 65 werden, abgesehen
vom Eingriff mit ihren Schultern 64 bzw. 66, von einer
Schraubendruckfeder 67 federnd angedrückt, die zwischen zwei Druckringen
angeordnet ist: einem ersten 68 und einem zweiten 69.
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Ein zylindrisches Steuerglied 70 ist axial beweglich und mit einem
radialen Teil 71 versehen, der zwischen gegenüberliegenden
Feldern von zwei im Gehäuse 40 fest angebrachten Elektromagneten 72
angeordnet ist. Bei den zwei Druckringen 68 und 69 ist das
Steuerglied 70 mit einer zylindrischen Aussparung mit einer etwas
größeren Weite als der Abstand zwischen den beiden Druckringen 68,
69 versehen. Das entsprechende Ende dieser Aussparung ist
angeordnet, um mit dem entsprechenden Druckring in einer Weise
zusammenzuarbeiten, die unten beschrieben wird. In der dargestellten
neutralen Stellung (wo keiner der beiden Elektromagnete 72
erregt ist) werden jedoch beide Kupplungen 63-64 und 65-66 durch
die Feder 67 (über die Druckringe 68,69) in Eingriff gehalten.
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Wie bereits festgestellt, ist die allgemeine Arbeitsweise der
Ausgestaltung nach Figur 2 die gleiche wie die nach Figur 1.
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Es wird vorausgesetzt, daß die Schraubenfeder 44 gespannt ist und
daß eine Bremsbetätigung gewünscht wird. Um diese auszuführen,
muß die Sperrwirkung der äußeren Schlingfeder oder
Betätigungsfeder 61 an der Antriebsbuchse 46 überwunden werden. Durch Erregen
des linken Elektromagneten 72 wird das Steuerglied 70 nach links
in Figur 2 bewegt, wobei es der Kupplung 63-64 gestattet, außer
Eingriff zu kommen, und der Schlingfeder 61 entspannt zu werden,
so daß sie ihren Eingriff mit dem Gehäuse 40 verläßt. Das
Drehmoment wird von der Antriebsbuchse 46 über die innere Schlingfeder
62 auf den Antriebsring 49 und die weiteren Teile übertragen, wie
in größerer Einzelheit oben in Verbindung mit Figur 1 beschrieben
wurde.
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Die Betätigung setzt sich so lange fort, wie der linke
Elektromagnet 72 erregt wird, der in entsprechender Weise wie die Drehung
durch den Motor 20 der Steuerbuchse 17 in der Ausgestaltung nach
Figur 1 gesteuert wird. Wenn dieser Elektromagnet aberregt wird,
kommt die Kupplung 63-64 in Eingriff, und die Schlingfeder 61
dehnt sich wieder aus in Eingriff mit der inneren Zylinderfläche
des Gehäuses 40, was eine weitere Drehung der Antriebsbuchse 46
verhindert.
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Ein Lösehub wird ausgeführt, indem der andere oder rechte
Elektromagnet 72 erregt wird, so daß das Steuerglied 70 nach rechts in
Figur 2 bewegt wird und die Kupplung 65-66 außer Eingriff kommt.
Auf diese Weise wird die innere Schlingfeder 62 entspannt und
verläßt ihren Sperreingriff mit dem Antriebsring 49, der demgemäß
frei wird, in der Löserichtung auf dieselbe Weise-zu drehen, wie
dies oben mit Bezug auf Figur 1 beschrieben wurde.
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Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 3
dargestellt.
Diese elektromechanische Bremseinheit hat Ahnlichkeiten
mit der ersten und zweiten Ausgestaltung, unterscheidet sich
aber davon hauptsächlich darin, daß nicht irgendeine
Schraubenfeder als Energiespeicher vorgesehen ist.
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Die Einheit weist ein Gehäuse 80 mit einem linken Deckel 81 und
einem Vorrichtungsdeckel 82 rechts in der Zeichnung auf. Die
Dekkel 81 und 82 sind mit dem Gehäuse 80 verschraubt. Die Einheit
ist auch mit einem kraftübertragenden Glied 83 ausgestattet, das
in Bezug auf das Gehäuse 80 axial beweglich ist, wie unten
beschrieben wird. Ein Bremsklotz 84 ist am kraftübertragenden Glied
83 befestigt. Die Bremseinheit wird in der Nähe der Bremsscheibe
eines Schienenfahrzeugs in der Weise angeordnet, wie es einem
Fachmann gut bekannt ist. Dementsprechend wird eine Bewegung des
Gliedes 83 nach links in der Zeichnung eine Bremsbetätigung
ergeben.
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Eine Antriebsbuchse 85 ist drehbar im Gehäuse gelagert. Ein
Elektromotor 86 ist am linken Deckel 81 fest angebracht. Er ist
antriebsmäßig mit der Antriebsbuchse 85 über ein vergrößertes Teil
87 einer Motorwelle 88, ein Zahnritzel 89 im Eingriff mit der
Antriebsbuchse 85 sowie eine Freilaufkupplung in der Gestalt einer
Schlingfeder 90 zwischen dem vergrößerten Teil 87 und dem
Zahnritzel 89 verbunden. Auf diese Weise kann die Antriebsbuchse 85
durch den Motor 86 nur in die Drehrichtung für Bremsbetätigung
gedreht werden, wie unten beschrieben wird, eine Drehung des
Motors 86 in die entgegengesetzte Richtung wird auf die
Antriebsbuchse 85 wegen der Freilaufkupplung 90 nicht übertragen.
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Koaxial mit der Antriebsbuchse 85 ist ein drehbarer Antriebsring
91 in Keilnuteneingriff mit einem Spindelring 92, der an einer
drehbaren Spindel 93 fest angebracht ist.
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Eine Drehkraftübertragung zwischen der Antriebsbuchse 85 und dem
Antriebsring 91 (und damit der Spindel 93 über den Spindelring
92) wird mittels einer Anordnung durchgeführt, die aus drei
konzentrischen Tellen besteht, nämlich einer äußeren Schlingfeder
94, einer Steuerbuchse 95 und einer inneren Schlingfeder 96.
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Das äußere Ende der Steuerbuchse 95 oder das Ende rechts in
Figur 3 ist mit einem Zahnring 95' in Eingriff mit einem Zahnrad
97 versehen, das einteilig mit dem vergrößerten Teil 87 an der
Motorwelle 88 angeordnet ist. Die sich nach links aus dem Motor
86 heraus erstreckende Welle 88 ist mit einer Scheibe 98
ausgestattet, die mit einer fest angebrachten Gabel 99
zusammenarbeitet, um eine Positionsumformung auszuführen. Diese
Positionsumformung wird zum Steuern des Motors 86 für eine
Schlupf-Justierung gebraucht, wie unten beschrieben wird. Mittels des Zahnrads
97 kann die Steuerbuchse 95 vom Elektromotor 86 in beide
Drehrichtungen gedreht werden.
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Eine kraftübertragende Buchse 100 ist an dem kraftübertragenden
Glied 83 fest angebracht. Eine Kugelmutter 101, die zusammen mit
der Kugelumlaufspindel 93 ein Kugelschraubgetriebe bildet, ist
undrehbar an der kraftübertragenden Buchse 100 angebracht. Die
Spindel 93 ist in der kraftübertragenden Buchse 100 mittels
eines Radialkugellagers 101A und in einer Kraftmeßpfanne 102
mittels eines Kugellagers 103 gelagert, das auch Axialkräfte von
der Spindel 93 auf die Pfanne 102 überträgt.
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Die gegenseitige Beeinflussung zwischen den verschiedenen Teilen,
insbesondere den beiden Schlingfedern 94 und 96 und der
Steuerbuchse 95,wird nun beschrieben.
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Die äußere Schlingfeder 94 dient dazu, die Antriebsbuchse 85 vom
Drehen relativ zum Gehäuse 80 in die eine Richtung zu hindern.
Ihr linkes Ende ist an der Antriebsbuchse 85 eingerastet. Die
Feder 94 ist mit ihrer Außenfläche in Kontakt mit koaxialen
zylindrischen Innenflächen der Buchse 85 und des Gehäuses 80.
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Die innere Schlingfeder 96 dient in erster Linie dazu, ein
Drehmoment in der einen Richtung zwischen der Antriebsbuchse 85 und
dem Antriebsring 91 zu übertragen, aber sie stellt auch ein
Mittel dar zum Übertragen eines Drehmoments in die andere Richtung
zwischen der Steuerbuchse 95 und dem Antriebsring 91, wie in der
Beschreibung unten herausgestellt wird. Der größere Teil der
Feder 96 ist mit seiner Innenfläche in Kontakt mit koaxialen
zylindrischen
Außenfläches der Antriebsbuchse 95 und des
Antriebsringes 91..Das rechte Ende der Feder 96 ist an dem Antriebsring 91
eingerastet, wobei einige Windungen der Feder 96 links einen
größeren Durchmesser aufweisen und mit ihrer Außenfläche in Eingriff
mit der Innenfläche der zylindrischen Steuerbuchse 95 stehen.
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Die Arbeitsweise der insoweit beschriebenen Anordnung ist wie
folgt: Wir setzen voraus, daß die verschiedenen Teile in den in
Figur 3 dargestellten entsprechenden Positionen sind und daß der
Elektromotor 86 außer Betrieb ist. Um eine Bremstätigkeit
auszuführen, wird der Motor 86 in seine Drehrichtung zum
Antrieb -über die Schlingfeder 90 und das Ritzel 89 - der Antriebsbuchse
85 in die von der äußeren Schlingfeder 94 gestattete Richtung
in Betrieb gesetzt. Während dieser Drehbewegung überträgt die
innere Schlingfeder 96 - aufgrund ihrer Sperrichtung - die
Drehbewegung auf den Antriebsring 91.
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Der Elektromotor 86 dreht nicht nur die Antriebsbuchse 85,
sondern auch - über das Zahrad 97 - die Steuerbuchse 95 mit
wenigstens derselben Drehgeschwindigkeit wie die Antriebsbuchse 85, so
daß auch die Windungen der inneren Schlingfeder 96 in die
Drehbewegung mitgenommen werden.
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Die vom Elektromotor 86 auf den Antriebsring 91 übertragene
Drehung und Drehmoment werden durch sie Kugelumlaufspindel 93 zu
einer Axialkraft in die Kugelmutter 101, die kraftübertragende
Buchse 100 und das kraftübertragende Glied 83 umgesetzt. Die
Hubbetätigung oder Bewegung erfolgt in der Zeichnung nach links.
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Wenn der Motor 86 abgeschaltet ist, wird die gesamte Anordnung in
der erreichten Stellung gesperrt, und erst wenn der Motor 86 in
die entgegengesetzte Richtung gedreht wird, wird ein Lösehub, wie
unten beschrieben, erzielt werden. Dies Sperren wird durch die
beiden Schlingfedern 94 und 96 ausgeführt.
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Der Lösehub oder die Bewegung des kraftübertragenden Gliedes 83
und der Buchse 100 nach rechts in Figur 3 (als Folge eines
Betägungshubes wie oben beschrieben) kann in zwei Schritte geteilt
werden: ein erster Schritt, während dessen das Glied 83 und die
Buchse 100 einer Lösekraft nach rechts von der Bremsscheibe (oder
einem anderen Bremsglied) ausgesetzt sind, der mit der Situation
endet, wo der Bremsklotz 84 gerade dabei ist, die Bremsscheibe
zu verlassen, während er die Rückkehrkraft auf null senkt, und
ein zweiter Schritt, während dessen der Bremsklotz von der
Bremsscheibe auf den gewünschten Abstand entfernt wird, in der
Fachwelt als Schlupf bezeichnet.
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Zum Ausführen einer Bewegung in der Löserichtung während des oben
erwähnten ersten Schrittes wird die Steuerbuchse 95 in die
entgegengesetzte Richtung zu der während des Betätigungshubes gedreht,
wie oben beschrieben wurde. Diese Drehung wird durch den
Elektromotor 86 über das Zahnrad 97 ausgeführt. Jedoch wird die Drehung
wegen der Schlingfeder 90 nicht auf die Antriebsbuchse 85
übertragen.
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Durch den Eingriff der Windungen der inneren Schlingfeder 96 an
der Steuerbuchde 95 nach links in Figur 3 lockert die oben
erwähnte Rückwärtsdrehung der Steuerbuchse 95 die Schlingfeder 96,
indem der Antriebsring 91 ein Drehen unter der Wirkung einer
Kraft gestattet, die aus einer Axialkraft in der Mutter 101 in
eine Drehkraft in der Spindel 93 umgeformt wird, aber nur
insoweit, wie die Steuerbuchse 95 gedreht wird.
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Während des zweiten Schrittes des Lösehubes wird kein Drehmoment
auf den Antriebsring 91 vom Bremsklotz 84 über die Spindel 93
übertragen. Um den gewünschten Schlupf zwischen der Bremsscheibe
und dem Bremsklotz herzustellen, ist es daher notwendig, eine
andere Drehkraft am Antriebsring 91 für ein Zurückziehen des
Bremsklotzes 84 von der Bremsscheibe anzuwenden. Diese Drehkraft, die
relativ gering ist, stammt vom Elektromotor 86 über das Zahnrad
97 und die Steuerbuchse 95. Bei fortgesetzter Drehung der Buchse
95 in die Rückwärtsrichtung oder Löserichtung wird diese
Drehbewegung auf den Antriebsring 91 durch die innere Schlingfeder 96
übertragen. Doch nimmt die Antriebsbuchse 85 nicht teil an der
Drehbewegung.
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Ein elektrisches und elektronisches System ist mit der insoweit
beschriebenen Anordnung verbunden. Dieses System, das in der
Zeichnung nicht dargestellt ist, hat die Aufgabe, den
Elektromotor 86 mit elektrischer Energie für eine Drehung in die geeignete
Richtung zu versorgen.
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Wie oben beschrieben, wird ein Betätigungshub durch Drehen des
Elektromotors 86 und entsprechend der Steuerbuchse 95 in eine
bestimmte Richtung - die Betätigungsrichtung - durchgeführt.
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Wenn der Druckumformer 105 anzeigt, daß eine gewünschte
Bremskraft oder, mit anderen Worten, eine in der Spindel 93 auf den
Druckumformer 105 über den Spindelring 92, das Kugellager 103, die
Kraftmeßpfanne 102 und die elastische Scheibe 104 übertragene
Gegenkraft erreicht worden ist, wird der Elektromotor 86
stillgesetzt.
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Der Lösehub wird andererseits durch Drehen des Elektromotors 86
in die entgegengesetzte Richtung - die Löserichtung - durchgeführt.
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Diese Drehung des Elektromotors 86 setzt sich fort, bis der
Umformer 105 eine sehr geringe Gegenkraft in der Spindel 93 anzeigt.
Von dieser Anzeige wird dem Elektromotor 86 gestattet, einige
Extradrehungen zu drehen, wie durch die Umformerstellung 98,99
festgelegt ist, um den gewünschten Schlupf zwischen dem Bremsklotz
und der Bremsscheibe herzustellen.
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Andere Wege zum Steuern des Bildens des gewünschten Schlupfes als
mittels des Stellungsumformers sind möglich. Z.B. kann der
Elektromotor 86 zeitgesteuert sein.
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Eine mögliche Änderung des in Figur 3 dargestellten Stellantriebs
besteht darin, die Steuerung der inneren Schlingfeder 96 mittels
des Elektromotors 86 über die Teile 87,97 und 95 durch die in
Figur 2 dargestellte Steuerart zu ersetzen, dh. durch einen
Elektromagneten.
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Auf diese Weise kann die Steuergeschwindigkeit vergrößert werden.
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Auch hört als ein Ergebnis solcher Änderung die Übertragung der
Bremskräfte vom Stellantrieb bei Diskontinuität der Netzspannung
automatisch auf - ein Effekt, der in bestimmten Fällen gewünscht
werden kann. Die umgekehrte Situation - nämlich daß der
Stellantrieb bei Diskontinuität der Netzspannung automatisch aktiviert
wird - kann alternativ erreicht werden.