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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bremskraftmessung
für eine
Bremsanordnung, bei der eine Zangenanordnung und eine Kolbenanordnung,
die jeweils Bremselemente aufweisen, zum Bremsen linear gegeneinander
verstellbar sind.
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Bremsen
dieser Bauart sind bekannt. Dabei klemmen die einander zugewandten
Bremsflächen der
Bremselemente meist eine Bremsscheibe ein. Die Bremskraft selbst
wird beispielsweise über
ein Tellerfederpaket aufgebracht, das zwischen der Zangenanordnung
und der Kolbenanordnung wirkt. Zum Lüften wird die Kolbenanordnung über einen
Hydraulikkolben, der in einem Hydraulikzylinder – ebenfalls an der Zangenanordnung
angeordnet – gelüftet, indem
die Federkraft zuerst neutralisiert und schließlich überwunden wird und die Bremse
durch eine Relativbewegung der Kolbenanordnung zur Zangenanordnung
verstellt wird. Solche Bremsen werden als regelmäßig betätigte Sicherheitsbremsen in
unterschiedlichen Industrieanwendungen eingesetzt (Rotoren von Windkraftanlagen,
Hubwerke, Bandanlagen, etc.).
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Da
diese Bremsen sicherhetsrelevante Bauteile sind, müssen sie
sehr zuverlässig
funktionieren und es sollte gewährleistet
sein, daß die
erforderliche Bremskraft – beispielsweise
an einer Bremsscheibe – im
Betrieb zuverlässig
zur Verfügung
gestellt werden kann. Gleichzeitig soll bei solchen Bremsen, frühzeitig
erkennbar sein, ob – beispielsweise
durch Verschleiß – ein Rückgang der
Bremskraft auftritt bzw. ob durch eine Beschädigung oder durch Verschleiß der Bremsfeder
die Bremswirkung reduziert ist. Solche Vorfälle können über die ständige Erfassung der anliegenden
Bremskraft erkannt werden.
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Es
gibt Ansätze,
die Bremskraft über
eine Erfassung der Vorspannung der Bremsfeder zu bestimmen. Da der
Stell-/Lüftweg
bei Industriebremsen sehr gering ist (im Bereich von wenigen mm),
ist der Unterschied zwischen der Bremsfederspannung im gelüfteten und
im gebremsten Zustand vergleichsweise gering, so daß – angesichts
der hohen Vorspannungswerte – die
meßbare
Spannungsdifferenz relativ gering und damit schwierig erfaßbar ist. Gleichzeitig
ist bei dieser Art der Messung eine Dauerbelastung der Vorrichtung
zur Bremskraftmessung unerläßlich.
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Im
Kraftfahrzeugbereich sind beispielsweise aus der
DE 10 2004 006 338 A1 sowie
der
DE 101 48 472
A1 Dehnmeßstreifen
bekannt, die als Spannungssensoren zum Beispiel am Bremsbetätigungshebel,
am Bremsaktuator, am Bremssattel oder am Bremsträger angeordnet sind, um im
Betrieb eine Bremskraft zu messen. Aus der
DE 10 2006 018 952 A1 ist
eine Lösung
bekannt, bei der ein Druck-Kraftsensor direkt am Bremsbelag angeordnet
ist, und aus
DE
10 2006 026 223 A1 eine Lösung, bei der ein Kraftsensor
zwischen einem Bremssattel und einem Bügelelement angeordnet ist,
ebenfalls in eine Druckkraft aufzunehmen. Solche Anordnungen sind für Industriebremsen,
bei denen die Bremskraft über eine
Bremsfederanordnung und nicht für
Fluid belastete Bremselemente, wie im Kraftfahrzeugbereich, nur
bedingt geeignet.
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Davon
ausgehend besteht die Aufgabe, eine verbesserte Vorrichtung zur
Bremskraftmessung bereitzustellen, die insbesondere auch für federbelastete
Industriebremsen geeignet ist.
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Diese
Aufgabe löst
die Vorrichtung gemäß Anspruch
1 der vorliegenden Anmeldung. Die Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß eine
Kraftmeßeinrichtung
vorgesehen ist, die an einem Bremsbauteil angeordnet ist, das bei
geschlossener Bremse belastet und bei gelüfteter Bremse unbelastet ist. Durch
die Anordnung der Kraftmeßeinrichtung
an einem solchen Bauteil steht die volle Kraftdifferenz zur Messung
zur Verfügung.
Damit wird zum einen ein sehr klares Signal erzeugt, welches anzeigt,
ob die Bremse gelüftet
oder geschlossen ist. Das heißt,
es ist zumindest ein digitales Ja-Nein-Signal vorhanden, ob die
Bremse überhaupt
wirkt oder nicht. Zum anderen ist aber auch die absolute Bremskraft
vergleichsweise genau und einfach bestimmbar, da ein relativ großer Meßbereich
erfaßt
wird: nämlich
zwischen Null (bei gelüfteter
Bremse) und maximaler Bremskraft (bei geschlossener Bremse). Damit
sind auch geringe Veränderungen
der Bremskraft, wie sie bei Beschädigungen oder Verschleiß auftreten
können, leicht
erfaßbar.
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Dabei
umfaßt
die Kraftmeßeinrichtung
eine DMS(Dehnmeßstreifen)-Anordnung
um die Bremskraftmessung über
eine Spannungsdehnung des entsprechenden Bauteiles zu erfassen.
DMS-Anordnungen
sind für
große
Meßbereiche
geeignet und sind bei entsprechender Kompensation in einem weiten Temperaturspektrum
einsetzbar, dem Industriebremsen in der Regel ausgesetzt sind.
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Dabei
ist die DMS-Anordnung an einem Bremsbauteil der Zangenanordnung
angeordnet. Diese Bauteile sind von außen leicht zugänglich,
so daß die
Meßsignale
leicht ableitbar und verarbeitbar sind, und sie weisen jeweils mehrere
mögliche
Meßbereiche
auf, in denen ein entsprechendes Spannungsdehnungsprofil bremskraftabhängig auftritt.
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Und
zwar ist dabei die Lagereinheit besonders geeignet, welche üblicherweise
die Bremsfederanordnung aufnimmt. An so einer Lagereinheit ist meist
ein in Wirkrichtung der Bremsfederanordnung verlaufender Wandbereich
vorgesehen, der für
die Aufnahme der DMS-Anordnung besonders geeignet ist
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Bei
der Ausführung
gemäß Anspruch
2 ist dieser Wandbereich als die Bremsfederanordnung wenigstens
teilweise umgebendes Rohrelement ausgebildet und nimmt so bei Wirkung
der Bremsfeder einen weitgehend eindimensional linearen Spannungszustand
ein. Die bewirkte Dehnung ist besonders leicht und genau über DMS-Anordnungen
erfaßbar.
Um die Meßgenauigkeit
zu erhöhen,
kann gemäß Anspruch
3 die Wanddicke im Meßbereich
reduziert werden. Die Dehnung in diesem Bereich wird bei anliegender
Bremskraft erhöht
und damit auch die Meßgenauigkeit.
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Die
Ausbildung dieses Wandbereichs gemäß Anspruch 4 als umlaufende
Ringnut ist besonders fertigungsgünstig und schafft gleichzeitig
einen Aufnahmeraum, in dem beispielsweise die Verkabelung der Meßelemente
sicher eingebettet werden kann, ohne die Funktion der Bremsfeder
zu beeinträchtigen.
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Bei
einer Anordnung der Ringnut auf der Innenseite eines solchen Rohrelementes
gemäß Anspruch
5 ist die Meßeinrichtung
gegen Umwelteinflüsse
weitgehend geschützt
anzubringen. Gemäß Anspruch
6 kann diese Abkapselung über
eine Einbettung in einen Gußwerkstoff
noch weiter verbessert werden.
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Durchtrittsöffnungen
nach außen
in diesem Bereich gemäß Anspruch
7 erlauben eine einfache und zuverlässige Signalübertragung.
Die Anordnung einer entsprechenden Meß-/Verstärkereinrichtung an der Außenseite
des Rohrelements gemäß Anspruch 8
reduzieren durch die Verkürzung
der Meßsignalleitungen
die Meßfehler.
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Anspruch
9 betrifft schließlich
eine Bremsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bremskraftmessung.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnungen
beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bremsanordnung in Teilschnittdarstellung,
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2 eine
Rückansicht – ebenfalls
in einer Teilschnittdarstellung – der Bremsanordnung aus 1,
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3 eine
Schnittdarstellung der in 1 und 2 dargestellten
Bremsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bremskraftmessung,
und
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4 eine
Aufnahmehülse
für eine
Bremsfeder mit einer alternativen Vorrichtung zur Bremskraftmessung.
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Aufbau
und Funktion einer als Sicherheitsbremse ausgebildeten Bremsanordnung,
die eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bremskraftmessung aufweist, werden nun anhand der 1 bis 3 beschrieben.
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Die
dargestellte Sicherheitsbremse 1 ist über eine Konsole 3 direkt
an einem entsprechenden (nicht dargestellten) Getriebe montierbar.
Die Sicherheitsbremse 1 weist eine Zangenanordnung 10 auf, die
einen Bremsbackenträger 11,
eine damit verschraubte Bremsbackenführung 12, eine Bremsfederhülse 13 und
einen Hydraulikzylinder 14 aufweist.
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Die
Sicherheitsbremse 1 ist über den Bremsbackenträger 11 über zwei
Linearführungen 4 und Haltefedern 5 an
der Konsole 3 fixiert, so daß die Sicherheitsbremse 1 zu
einer Bremsscheibe 6 einstellbar anzuordnen ist, und zwar
so, daß die
Bremsscheibe 6 zwischen den Bremselementen 15 und 25 zentriert
verläuft
und bei gelüfteter
Sicherheitsbremse 1 zwischen den Radialflächen der
Bremsscheibe 6 und den Bremselementen 15, 25 jeweils
ein etwa gleichgroßer
Lüftspalt
besteht. Die Haltefedern 5 sind dabei so bemessen, daß sie unabhängig von
der Einbaulage der Sicherheitsbremse 1 diese Justierung zur
Bremsscheibe 6 sicherstellen. Die Haltefedern 5 stützen dabei
die Sicherheitsbremse 1 an im Bremsbackenträger 11 ausgebildeten
Führungshülsen 16 gegen
ein über
Führungsstangen 17 fest
mit der Konsole verbundenes Stützjoch 18 ab.
Dabei begrenzt ein verstellbarer Anschlag 19 den Feder- und Ausgleichsweg
zwischen Bremsbackenträger 11 und Konsole 3.
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Der
Hydraulikzylinder 14 ist mit einem Druckanschluß 14a und
einem Entlüftungsventil 14b versehen.
Ein Gehäuse 21 ist
am der Bremsfederhülse
abgewandten Ende des Hydraulikzylinders 14 zum Schutz von
weiteren Komponenten (Stellwegüberwachung,
Nachstellmechanismus) befestigt.
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Die
Bremsbackenführung 12 ist über Schrauben 12a fest
mit dem Bremsbackenträger 11 verbunden.
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Im
Inneren der Bremsbackenführung 12 ist ein
linear geführter
Bremsbackenkolben 26 entlang der Stellachse 7 der
Sicherheitsbremse 1 verschieblich angeordnet (3).
Auf den Bremsbackenkolben 26 wirkt der Bremskolben 27,
der über
ein Gewinde 28 linear verstellbar in der Kolbenhülse 29 angeordnet
ist. Auf die Kolbenhülse 29 wirkt über einen Anschlag 30die
eigentliche Bremsfeder 32, die hier aus mehreren Tellerfederpaketen 32a ausgebildet
ist. Die Bremsfeder 32 wirkt dabei zwischen dem Boden 13a der
Bremsfederhülse 13 und
dem Anschlag 30 an der Kolbenhülse 29, die über das
Gewinde 28 das Ende 27a des Bremskolbens 27 gegen
den Bremsbackenkolben 26 drückt. Dieser wiederum drückt so über das
am Bremskolben fixierte Bremselement 25 den Bremsbelag 25a gegen
die entsprechende Radialfläche
der Bremsscheibe 6. Gleichzeitig wird die über den
Boden 13a aufgenommene Gegenkraft über die Bremsfederhülse 13 in
die Bremsbackenführung 12 und
den Bremsbelagträger 11 eingeleitet,
der über
das Bremselement 15 und den daran angeordneten Bremsbelag 15a eine
entsprechende Gegenkraft an der Gegenseite der Bremsscheibe 6 aufbaut, so
daß diese
zwischen den Bremsbelägen 25a und 15a eingeklemmt
ist.
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Zum
Lösen der
Bremse ist an der Kolbenhülse 29 im
Bereich des Hydraulikzylinders 14 ein Hydraulikkolbenelement 33 angebracht,
das eine Hydraulikkammer 34 definiert, die über den
Anschluß 14a mit
Druck beaufschlagt werden kann (über
ein nicht dargestelltes Hydraulikaggregat). Bei entsprechender Druckbeaufschlagung
der Hydraulikkammer 34 drückt das Hydraulikkolbenelement 33 über den Anschlag 35 an
der Kolbenhülse 29 angreifend
die Bremsfeder 32 über
den Anschlag 30 zusammen, so daß die über das Ende 27a auf
den Bremsbackenkolben 26 übertragene Bremskraft aufgehoben
wird. Damit wird auch der Kraftfluß über den Boden 13a der
Bremsfederhülse 13 in
die Bremsbackenführung 12 und
den Bremsbackenträger 11 und
damit in das Bremselement 15 unterbrochen. Die an der Bremsscheibe 6 wirkende
Kraft ist aufgehoben und die Zangenanordnung 10 ist weitgehend
kräftefrei.
Lediglich die Bremsfeder 32 ist weiterhin gespannt und
die Hydraulikkammer 34 steht unter Druck. Dadurch ergibt sich
eine Zugspannung in der Kolbenhülse 29 zwischen
den Anschlägen 30 und 35 und
eine Druckspannung zwischen dem Bremsfederhülsenboden 13a und
dem Hydraulikzylinderboden 14c.
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Zur
Sicherstellung des Lüftspalts
zwischen Bremsscheibe 6 und dem Bremselement 25 bzw.
den Bremsbelag 25a ist ein Freistellmechanismus 36 vorgesehen,
der über
Federn 37 am Bremselement 25 angreifend dieses
zusammen mit dem Bremsbackenkolben 26 linear gegen das
Ende 27a des Bremskolbens 27 drückt und
dabei bei gelüfteter Bremse
einen entsprechenden Lüftspalt
bildet. Die Linearführungen 4 bzw.
die Haltefedern 5 sorgen für den entsprechenden Lüftspalt
auf der Gegenseite zwischen dem Bremsbelag 15a des Bremselementes 15 und
der Bremsscheibe 6 (s. o.).
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Zur
Bremskraftmessung ist folgendes vorgesehen: Wie oben dargestellt
ist bei gelüfteter
Bremse der rohrförmig
die Bremsfeder 32 umgebende Hülsenkörper 13b der Bremsfederhülse 13 kräftefrei, während er
bei geschlossener Bremse unter in Richtung der Stellachse 7 verlaufender
Zugspannung steht.
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Diese
Zugspannung kann über
DMS-Elemente 40 erfaßt
werden, die an der Innen- und/oder der Außenwand der Bremsfederhülse 13 bzw.
des Hülsenkörpers 13b angeordnet
sind. Das Signal wird über
einen entsprechenden (nicht dargestellten) Meßverstärker in ein entsprechendes
Informationssignal über
die anliegende Bremskraft umgewandelt und an ein entsprechendes
(ebenfalls nicht dargestelltes) Überwachungs-/Stell-
bzw. Steuerungsgerät übertragen,
welches die Bremsfunktion überwacht und/oder
steuert.
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Bei
zunehmender Abnutzung der Bremsbeläge 15a, 25a und/oder
der Bremsscheibe 6 selbst, vergrößert sich der Bremsweg (der
Lüftspalt
nimmt zu), und damit wird die Bremskraft reduziert, da die Bremsfeder 32 einen
längeren
Stellweg zurücklegt und sich
dabei weiter entspannt. Durch die Messung der Bremskraft können solche
Abnutzungseffekte erfaßt
werden, ohne daß eine
Inspektion der entsprechenden Elemente vor Ort erforderlich wäre und die Bremsbeläge können rechtzeitig
ausgetauscht werden. Genauso sind Veränderungen oder Beschädigungen
an der Bremsfeder 32 erkennbar.
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4 zeigt
eine Bremsfederhülse 13', welche eine
erhöhte
Meßgenauigkeit
zuläßt. Die
Bremsfederhülse 13' ist hier im
zylindrischen Wandbereich 13b' innen mit einer Nut 13c' versehen. In
einer anderen Ausführung
(nicht dargestellt) kann so eine Nut auch außen eingebracht sein. In diesem
Nutbereich 13c' ist
die Wanddicke reduziert. Damit tritt in diesem Wandabschnitt 13d' unter Bremswirkung
eine erhöhte
Dehnung bzw. Spannung in Richtung der Stellachse 7 auf.
Eine Anordnung der DMS-Elemente 40 in diesem Wandbereich 13d' erlaubt damit
eine höhere Meßgenauigkeit.
Es gibt auch Ausführungen
(nicht dargestellt), bei denen die Dehnung erhöht ist, indem im Wandbereich,
wo die DMS-Elemente 40 angeordnet sind, Ausnehmungen vorgesehen
sind, so daß in den
verbleibenden Wandstegen zwischen den Ausnehmungen die Spannungsdehnung
ebenfalls erhöht ist.
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Sind
die DMS-Elemente auf der Innenseite des Wandbereichs 13d' angeordnet,
so sind diese weitgehend gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt. Zusätzlich ist
der Nutbereich 13c' mit
einem geeigneten Vergußwerkstoff 42 nach
innen verschlossen, so daß die
inneren DMS-Elemente 40 vollständig gekapselt angeordnet sind.
Im Bereich des Wandbereichs 13d' ist an der Außenseite der Bremsfederhülse 13' ein Gehäuse 40 vorgesehen,
welches zur Aufnahme eines entsprechenden Meß-/Verstärkerbauteils geeignet ist.
Damit können
die Meßsignale
der DMS-Elemente 40 direkt
auf kürzestem
Weg durch eine Bohrung 46 in das Gehäuse 44 geführt werden.
Das Meß-/Verstärkerbauteil (nicht
dargestellt) im Gehäuse 40 kann
mit einer eigenen Energieversorgung versehen sein und kann z. B.
die in Informationssignale umgewandelten Meßsignale auch per Funk an eine entsprechende
Steuereinrichtung übertragen.
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Im
oben dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die DMS-Elemente 40 in
bzw. an der Bremsfederhülse 13, 13' angeordnet.
In anderen Ausführungen
können
DMS-Elemente aber auch an anderen Bauteilen der Sicherheitsbremse 1 vorgesehen
werden, die in gebremstem Zustand unter Kraftwirkung stehen und
in ungebremstem Zustand (gelüftet)
weitgehend kräftefrei
sind, bzw. umgekehrt. Im Prinzip sind dazu auch folgende Bauteile
geeignet: Bremsbackenträger 11,
Bremsbackenführung 12,
Hydraulikzylinder 14, Hydraulikkammer 34, Kolbenhülse 29, Bremskolben 27.
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Weitere
Ausführungen
und Varianten ergeben sich für
den Fachmann im Rahmen der anhängenden
Ansprüche.
