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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Lastmomentsperre mit Überlastkupplung
wie sie zum Beispiel in einer Baureihe von Sonnenschutzantrieben
oder Bremsmotoren zum Einsatz kommen könnte.
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Die
Lastmomentsperre hat mindestens ein elastisches Bauteil im Lastpfad
des Lastmomentes.
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Die
Baureihe von Sonnenschutzantrieben oder Bremsmotoren umfasst eine
Reihe von Antrieben mit verschiedenen Nennmomenten.
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Der
Lastpfad des Lastmomentes verläuft über eine vom
Antriebsmotor und der Last gesteuerte Bremse, welche die Bremsenergie
der Last aufnimmt.
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Bei
Lastmomentsperren wie sie zum Beispiel aus
DE 102005015172 oder
EP 1679451 bekannt ist, tritt
oftmals das Problem auf, dass sehr viele Parameter, welche das Ergebnis
der Bremsregelung bestimmen, in sehr engen Toleranzen gehalten werden müssen.
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Die
Bremsregelung muss zum Beispiel schnell und wiederholgenau sein,
um ein präzises und wiederholgenaues Stoppen der Last an
bestimmten Abschaltpositionen zu ermöglichen.
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Andererseits
darf die Bremsregelung nicht so schnell sein, dass es während
der Abwärtsfahrt zum Rattern oder Ruckeln kommt. Der Verschleiß der Bremse
darf niemals so groß werden, dass sie nicht mehr ausreichend
Bremswirkung erzeugt. Die Bremswirkung muss laut den Vorschriften
des VDE das Doppelte des Nennmomentes betragen.
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Beim
Anheben der Last soll die Bremse vollständig geöffnet
werden, um Verlustleistung zu minimieren und Schleifgeräusche
zu verhindern.
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Beim
Stoppen in der Aufwärtsbewegung der Last darf es zu keinen
Klick – Geräuschen durch das Schließen
des Bremsspaltes kommen. Die Energie, welche zum Regeln des Bremsvorganges
benötigt wird kann nicht zum Anheben der Last verwendet werden.
Sie sollte deshalb möglichst klein sein. Die zum Schließen
der Bremse erforderliche Energie ist abhängig von der maximal
antreibbaren Last. Die Charakteristik der Bremse ist immer abhängig
vom Reibwert. Bei trockenen Systemen hat man hohe Reibwerte mit
hohen Streuungen. Nasse Systeme sind daher vorteilhafter, benötigen
dafür aber wesentlich höhere Normalkräfte
und damit wieder höhere Energien zur Regelung.
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Bei
nassen Konzepten mit Schlingfedern, wie man sie aus
EP 0856635 oder aus vielen anderen
Anwendungen der Industrie kennt, hat man sogar exponentielle Zusammenhänge
zwischen Reibwert und Bremsmoment. Ein Schmierfilm kann bei Schlingfedern
nicht auf Dauer garantiert werden, was problematisch für
die Auslegung ist und drastische Änderungen des Bremsmomentes
nach sich zieht. Bei bauartgleichen Antrieben, mit unterschiedlichem Nennmoment,
werden deshalb auch unterschiedlich starke Lastmomentsperren benötigt.
Das heißt verschiedene Auslegungen der Bauteile sind erforderlich.
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Die
Komplexität dieser Aufgaben erfordert sehr detaillierte
Auslegungen und in der praktischen Umsetzung viele langwierige Entwicklungs-
und Optimierungsschleifen.
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Es
war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Lastmomentsperre
zu schaffen, die wenig Bauteile hat, die in der Aufwärtsfahrt
möglichst keine Verlustleistung erzeugt, die auch zuverlässig
funktioniert wenn Schmierstoffe zwischen die Bremsflächen
kommt, die beim Stoppen der Last sowohl in der Aufwärtsfahrt
als auch in der Abwärtsfahrt schnell und wiederholgenau
schließt, die durch die Last zugezogen wird, die einen
breiten Bereich an zulässigen Lastmomenten hat, bei der
der Zusammenhang zwischen Reibwert und Bremsmoment linear und nicht
exponentiell ist, die beim Senken der Last nicht so schnell schließt
dass es zu einem Ruckeln in der Bewegung kommt, die die zu absorbierende
Bremsenergie auf einer großen Bremsfläche erzeugt,
die die Bremsenergie so gut und schnell verteilt, dass die Antriebstücke
trotzdem aus Kunststoff sein können, welche genügend
Energie gespeichert hat um vor Allem in der Abwärtsfahrt
ein schnelles Schließen der Bremse zu ermöglichen,
bei der die erforderliche Energie zum schnellen Schließen
der Bremse in der Abwärtsfahrt nicht mehr von der abzubremsenden
Last abhängt. Bei der der Verschleiß der Bremse
nur geringe Auswirkung auf die Funktion hat.
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Gelöst
wurde die Aufgabe mit einem flexiblen Federelement, welches von
der abzubremsenden Last zügig aber nicht stoßartig
so stark zwischen Abtrieb und Bremstrommel gedrängt wird,
bis das erforderliche Bremsmoment erreicht wird.
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Das
Federelement ist so ausgestaltet, dass es als Bremsbacke geeignet
ist die Bremsenergie aufzunehmen.
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Um
diesen Bremsvorgang bei einem Stoppen während der Aufwärtsfahrt
einzuleiten, sind Federelemente 5 zwischen Antrieb und
Abtrieb eingebracht, welche die erforderliche Schaltenergie zum Einleiten
des Bremsvorganges speichern.
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Bevor
die Last gehoben werden kann verschiebt der Antrieb das Federelement
solange gegenüber dem Abtrieb, bis keine Bremswirkung zwischen
Abtrieb und Bremstrommel mehr auftritt. Nach dem Lösen
der Bremse treibt der Antrieb den Abtrieb über einen Formschluss
direkt und ohne Reibverluste an.
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Es
war für den Fachmann überaus erstaunlich, dass
bei der erfundenen Lastmomentsperre alle oben genannten Nachteile
im Versuch nicht mehr auftraten.
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Die
Erfindung benötigt nur vier Bauteile, welche einfach und
kostengünstig herzustellen sind.
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Diese
Bauteile haben in der Regel noch weitere Funktionen und wären
daher für einen kompletten Antrieb ohnehin notwendig. So
kann etwa die Bremstrommel, gleichzeitig die Funktion des Lagerschildes
eines Antriebsmotors übernehmen und das Antriebstück
kann eine Überlastkupplung beinhalten, welche Stoßmomente
begrenzt und damit ein etwaiges Untersetzungsgetriebe vor Überlast
schützt. Das Getriebe kann dadurch schwächer dimensioniert werden
und deshalb kleiner und billiger sein.
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Bei
Antrieben mit unterschiedlichem Nennmoment werden keine unterschiedlich
starken Lastmomentsperren mehr benötigt.
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Die
Anzahl der Varianten ist damit auf eine reduziert.
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Alle
für die Funktion der Vorrichtung erforderlichen Funktionsflächen
sind formgebundene Abmessungen und haben deshalb eine geringe Toleranzbreite
und Fertigungsstreuung.
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Dies
führt zu einem sehr stabilen Gesamtsystem. Die für
das Einleiten des Bremsvorganges erforderliche Schaltenergie kann
einfach berechnet werden und ist ebenfalls sehr genau darstellbar.
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Das
System macht keine Schaltgeräusche und hat beim Heben der
Last keine Verlustleistung.
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Das
Stoppen der Last in der Abwärtsfahrt ist wesentlich schneller
und präziser als alle uns bekannten Konkurrenzantriebe.
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Das
Senken der Last ist völlig ruckelfrei.
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Das
maximale Bremsmoment ist nur noch durch die Getriebefestigkeit und
oder durch das Kupplungsmoment der Überlastkupplung begrenzt.
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Die
Bremse wird von der Last solange zugezogen, bis sie zum Stillstand
kommt.
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Ein
Verschleiß der Bremsbeläge ist hierbei ohne Einfluss
auf die Bremswirkung.
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Die
Bremse funktioniert auch und besonders gut im gefetteten Zustand.
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Dies
vermeidet den bisher erforderlichen Aufwand der Kapselung des gefetteten
Getriebes. Die Form der Feder begünstigt den Aufbau eines Schmierfilms
zwischen den Reibpartnern und verringert dadurch den Verschleiß.
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Durch
die Form des Spaltes mit minimalem Spalt 9 und maximalem
Spalt 10 kann garantiert werden dass der Schmierfilm nicht
abreißt. Es hat sich gezeigt dass das System im Versuch
mit einer großen Menge Fett absolut zuverlässig
funktioniert.
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Der
Zusammenhang zwischen Reibwert und Bremsmoment ist linear.
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Der
Zusammenhang von Bremsmoment und Verdrehwinkel α von Antriebstück
zu Abtriebstück ist im Regelbereich der Abwärtsbewegung
nahezu linear.
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Erfindungsgemäß weist
die Bremse mindestens ein elastisches Bauteil 2, 27, 28, 30 im
Lastpfad der Last auf.
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Vorzugsweise
ist die Bremsfeder 2 elastisch oder teilelastisch.
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Vorzugsweise
ist das Abtriebstück 28 elastisch oder teilelastisch.
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Vorzugsweise
ist die Bremstrommel 30 elastisch oder teilelastisch
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Vorzugsweise
sind mehrere dieser Bauteile elastisch oder teilelastisch.
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Weiterhin
erfindungsgemäß ist das Antriebstück 3 und
das Abtriebstück 4 über mindestens eine Feder 5 miteinander
gekoppelt.
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Vorzugsweise
ist das maximale Drehmoment dieser Federkopplung nur geringfügig
kleiner als das Antriebsmoment des schwächsten Antriebsmotors
der Antriebsbaureihe.
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Vorzugsweise
ist der maximale Verdrehwinkel α zwischen Abtriebstück 4 und
Antriebstück 3 in beiden Drehrichtungen durch
mindestens je einen Anschlag 7, 8 begrenzt.
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Vorzugsweise
dreht die Feder 5 das Antriebstück 3 und
das Abtriebstück 4 genau auf die Mittenposition 6 dieser
beiden Anschläge.
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Weiterhin
erfindungsgemäß können an das Antriebstück
Nocken 16 angeformt werden. Vorzugsweise um mit deren Hilfe
die Bremscharakteristik und die Schließgeschwindigkeit
beim Stoppen in der Abwärtsfahrt mit einem Peak zu versehen 17, 20.
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Weiterhin
erfindungsgemäß gibt es einen konisch zulaufenden
Spalt 9, 10 zwischen den Bremsflächen
während des Anhebens der Last.
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Vorzugsweise
um Schleifgeräusche beim Heben der Last zu verhindern.
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Vorzugsweise
um den Austausch von Schmierstoff zu gewährleisten.
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Weiterhin
erfindungsgemäß kann der Spalt 9, 10 zwischen
den Bremsflächen zu Null gemacht oder sogar mit einer geringen Überdeckung
versehen werden.
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Vorzugsweise
wenn die Totzeit 22, welche beim Stoppen in der Aufwärtsfahrt
entsteht um den Spalt zwischen den Bremsflächen zu schließen,
zu groß würde und ein sehr kleines permanentes
Reibmoment 21 tolerabel ist.
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Weiterhin
erfindungsgemäß können die Winkel an
der Bremsfeder so gewählt werden, dass keine vollständige
Sperrung des Abtriebstückes 4 mehr entstehen kann.
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Vorzugsweise
um die Funktion einer Überlastkupplung zu erhalten und
damit die Lastmomentsperre beliebig im Antriebsstrang zu platzieren
ohne auf die Funktionalität einer Überlastkupplung
verzichten zu müssen.
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Weiterhin
erfindungsgemäß sind an das Antriebstück 3 Federelemente
der Kupplung 11 angeformt.
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Vorzugsweise
um mit den Ausnehmungen des Rotors 12 des Antriebsmotors
eine Klauenkupplung zu bilden, welche das Getriebe des Antriebes vor Überlastung
schützt.
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Vorzugsweise
ist das Kupplungsmoment 26 höher als das maximale
Antriebsmoment des stärksten Antriebsmotors der Baureihe.
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Weiterhin
erfindungsgemäß ist an den Kurzschlussring des
Rotors 14 die Lagerachse, mit den für die Klauenkupplung
notwendigen Ausnehmungen 12 angeformt.
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Vorzugsweiße
in der Art, dass der Rotor 15 vollständig, in
einem einzigen Nachbearbeitungsgang 13, auf seine Endabmessungen
gedreht werden kann und damit alle Funktionsmaße des Rotors 15 in
einer Maschinen Aufspannung entstehen und somit hochpräzise
und kostengünstig hergestellt wurden.
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Weiterhin
erfindungsgemäß kann die Charakteristik der Lastmomentsperre
in den drei Regelbereichen Stoppen in der Abwärtsbewegung 25, Fahren
der Last 24 und Stoppen in der Aufwärtsbewegung 23 relativ
unabhängig voneinander definiert werden und auf vielerlei
Weise kombiniert werden.
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Vorzugsweise
durch das Einbringen von Peaks 17, Totzeiten, einer Permanentreibung
oder maximalen Bremsmomenten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Diese
Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken
den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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Die
Erläuterungen gelten für alle Erfindungsgegenstände
gleichermaßen.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der Lastmomentsperre.
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2 zeigt
eine Ausführungsform der Feder 5 die ein an das
Antriebstück 3 angeformter Biegebalken ist.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der Überlastkupplung
und im Halbschnitt die bevorzugte Herstellung des Rotors 15.
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4 zeigt
verschiedene bevorzugte Bremscharakteristiken 17, 18, 19, 20.
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5 zeigt
verschiedene Ausführungsformen von Bremsfedern 24, 26 und
eine bevorzugte Ausführungsform für ein elastisches
Antriebstück 25, im Halbschnitt.
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In 1 ist
die Lastmomentsperre dargestellt, die im Lastpfad der Last, das
Abtriebstück 4, die Bremsfeder 2 und
die dickwandige Bremstrommel 1 enthält.
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Die
Mittenposition 6 liegt symmetrisch zur Anschlagposition
Rechtslauf 7 und Anschlagposition Linkslauf 8.
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Das
Antriebstück 3 treibt in der dargestellten Position,
das Abtriebstück 4 und die Bremsfeder 2 direkt
an. Das Antriebsmoment für den Abtrieb wird über
die Anschlagfläche 4' übertragen. Das
Antriebsmoment für die Bremsfeder 2 wird über
die Anschlagfläche 2' übertragen. Das
Antriebstück enthält mehrere Nocken 16 mit
denen man der Bremscharakteristik einen Peak im Regelbereich Stoppen
in der Aufwärtsfahrt 23 geben kann.
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Die
zur Speicherung von Energie für die schnelle Einleitung
der Bremsung beim Stoppen in der Abwärtsbewegung nützliche
Feder 5 ist nur zum besseren Verständnis als Federsymbol
dargestellt und deshalb gestrichelt gezeichnet.
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In 2 ist
die an das Antriebstück 3 angeformte Feder 5,
zur Speicherung der Energie für die schnelle Einleitung
des Bremsvorganges in der Abwärtsfahrt, dargestellt.
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Es
sind generell mehrere Federarten und Formen denkbar.
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Die
dargestellte Blattfeder 5 ist an mehreren Stellen am Umfang
angebracht.
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Das
so erzeugte maximale Rückstellmoment des Antriebstückes 3 gegenüber
dem Abtriebstück 4 ist nur geringfügig
kleiner als das kleinste Motormoment der Baureihe.
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In 3 ist
die durch die Ausgestaltung des Antriebstückes 3 möglich
gewordene Überlastkupplung dargestellt.
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In
dem gegossenen Kurzschlussring des Rotors 14 sind Ausnehmungen 12 eingeformt.
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Das
an das Antriebstück angeformte Federelement-Kupplung 11 greift
in die Ausnehmungen – Rotor 12 ein.
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Die
Nachbearbeitungsflächen des Rotors sind in einer einzigen
Aufspannung, drehtechnisch herstellbar und beinhalten alle Funktionsmaße
des Rotors 15 und der Überlastkupplung.
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In 4 sind
einige wenige mögliche Grundcharakteristiken 17, 18, 19, 20 dargestellt.
Das Bremsmoment M_b wird als Funktion des Verdrehwinkels α angegeben.
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Durch
die Gestaltung der Bremsfeder 2, des minimalen Bremsspaltes 9,
des maximalen Bremsspaltes 10, der Nocken 16 und
der Auslegung der Überlastkupplung kann die Bremscharakteristik,
den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
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Durch
das Definieren eines positiven mindest Spaltes 9 können
Winkel 22 definiert werden, die zu einer Todzeit beim Schließen
der Bremse führen.
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Durch
das Definieren einer Überdeckung anstelle eines Spaltes 9 kann
eine kleine Permanentreibung erzeugt werden, welche Todzeiten ausschließt.
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Durch
das Einbringen von Nocken 16 in das Antriebstück 3 können
Peaks 17 erzeugt werden, welche ein Zurückrutschen
der Last im Regelbereich beim Stoppen in der Aufwärtsbewegung 23 verhindern.
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Allen
Kurven ist ihre Linearität im Regelbereich beim Fahren
der Last 24 gemein.
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Dies
ist der Grund für das ruckelfreie Verfahren beim Absenken
der Last.
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Im
Regelbereich beim Stoppen in der Abwärtsbewegung 25 steigt
das Bremsmoment stark an, bis zum Kupplungsmoment.
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Die
Bremscharakteristik mit kleiner Permanentreibung und Peak 17 zeigt
im Regelbereich beim Stoppen in der Abwärtsbewegung 25 ein
asymptotisches Verhalten an einen Grenzwert. Bei sehr steifen Bremsfedern
und nicht zu flachen Winkeln kann der steile Anstieg verhindert
werden.
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Dadurch
wird eine Überlastkupplung überflüssig
und die Lastmomentsperre muss nicht mehr direkt am Motor sitzen,
sonder könnte auch direkt am Getriebeausgang platziert
werden.
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In 5 ist
eine mögliche Ausführungsform der Bremsfeder 2 als
zweiteilige Bremsfeder 26 im oberen Halbschnitt dargestellt.
Diese Ausführungsform eignet sich durch Ihre leichte Berechenbarkeit zur
Grobauslegung der bevorzugten Bremsfeder 2.
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Im
unteren Teil des Halbschnittes wird gezeigt wie man die Elastizität
in das Abtriebstück 27 legen kann. Eine Elastische
Bremstrommel kann ebenfalls sehr einfach dargestellt werden. Auf
diesem Weg kann der Bremsklotz massiver gestaltet werden. Das hat
den Vorteil, dass er mehr Bremsenergie absorbieren kann.
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In 6 ist
die bevorzugte Bremsfeder 2, zum besseren Verständnis,
nochmals als Isometrie dargestellt.
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- 1
- Bremstrommel
- 2
- Bremsfeder.
- 2'
- Anschlag
Bremsfeder – Antriebstück
- 3
- Antriebstück
- 4
- Abtriebstück
- 4'
- Anschlag
Abtriebstück – Antriebstück
- 5
- Feder
- 6
- Mittenposition
- 7
- Anschlagposition – Rechtslauf
- 8
- Anschlagposition – Linkslauf
- 9
- Bremsspalt
min.
- 10
- Bremsspalt
max.
- 11
- Federelement – Kupplung
- 12
- Ausnehmungen – Rotor
- 13
- Nachbearbeitungsflächen – Rotor
- 14
- Kurzschlussring
mit Welle
- 15
- Rotor
- 16
- Nocke
- 17
- Bremscharakteristik
mit kleiner Permanentreibung und Peak
- 18
- Bremscharakteristik
mit Todzeit
- 19
- Bremscharakteristik
mit Nulldurchgang
- 20
- Bremscharakteristik
mit Todzeit und Peak
- 21
- Permanentreibung
- 22
- Winkel
Todzeit
- 23
- Regelbereich
beim Stoppen in der Aufwärtsbewegung
- 24
- Regelbereich
beim Fahren der Last
- 25
- Regelbereich
beim Stoppen in der Abwärtsbewegung
- 26
- Kupplungsmoment
- 27
- Bremsfeder
zweiteilig
- 28
- Abtriebstück
elastisch
- 29
- Bremsklotz
- 30
- Bremstrommel
elastisch
- 31
- Lastpfad
der Last
- α
- Verdrehwinkel
- M
b
- Bremsmoment
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005015172 [0005]
- - EP 1679451 [0005]
- - EP 0856635 [0010]