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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bremszange zur Ausübung einer Bremskraft auf eine Bremsscheibe oder Bremsschiene.
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Bremszangen zum Bremsen oder Arretieren rotierender oder geradlinig bewegter Maschinenteile sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der Schrift
DE 10 2005 053 835 wird eine Bremszange beschrieben, bei der in einem Gehäuse zwei über je einen Drehpunkt nach innen in Richtung einer Bremsscheibe schwenkbar gelagerte Bremshebel angeordnet sind, deren betätigungsseitige Hebelarme einander zugewandte Keilflächen aufweisen. Eine erste dort gezeigte Ausführungsform verwendet zur Betätigung der Bremshebel beim Schließen der Bremse eine sogenannte geteilte Kulisse, bei der nacheinander zwei Wirkprinzipien zum Schwenken der Bremshebel und zur Verstärkung der Betätigungskraft eingesetzt werden. Eine Feder bewegt ein Führungsstück mit zwei klappbaren Kulissensteinen zwischen die Bremshebel. Dabei werden die hinteren Enden der Bremshebel zunächst durch Keilwirkung auseinandergedrückt, bis die Reibbeläge an der Bremsscheibe zur Anlage kommen. Dann setzt eine Kniehebelwirkung ein, indem die beiden sich aneinander abstützenden Kulissensteine aus einer dachförmigen Position in eine gestreckte Lage klappen und dabei die Enden der Bremshebel nochmals mit großer Kraft auseinanderdrücken.
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Die beschriebene federbetätigte Bremse hat den Vorteil, dass die bei Belagverschleiß aufgrund des sich verlängernden Federweges nachlassende Federkraft kompensiert wird, indem sich der Kraftarm des Bremshebels verlängert und indem sich die Kraftverstärkung durch Verringerung des Keilwinkels erhöht. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass der zweiphasige Schließvorgang nicht ausreichend betriebssicher ist. Wenn beispielsweise bei seltener Betätigung der Bremse die Schwenklager der Bremshebel schwergängig werden, kann es vorkommen, dass die Kulissensteine in die gestreckte Position klappen, bevor die Reibbeläge zur Anlage gekommen sind. Da der Schließweg beim Klappen der Kulissensteine vergleichsweise klein ist, könnte es vorkommen, dass die Reibbeläge nicht mit voller Kraft oder eventuell überhaupt nicht an die Bremsscheibe angepresst werden. Zusätzlich kann es vorkommen, dass bei unterschiedlichen Schmierzuständen an den Gleitflächen der Bremshebel die beiden Kulissensteine nicht gleichzeitig zum Klappen kommen.
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In derselben Schrift wird außerdem eine Bremszange mit sogenannter ungeteilter Kulisse gezeigt, bei der das zwischen den Bremshebeln linearbewegliche Führungsstück entweder seitlich angeordnete Rollen oder seitlich drehbar angeordnete Gleitflächen besitzt. Diese Konstruktion weist jedoch auch verschiedene Nachteile auf. Zum einen muss damit gerechnet werden, dass die Bremsscheibe sich axial geringfügig verschiebt, zum Beispiel in Folge Wärmeausdehnung der Welle auf der sie befestigt ist. Aus diesem Grunde werden Bremszangen in der Regel so ausgeführt, dass die Bremsbacken schwimmen, so dass bei Verschiebung der Bremsscheibe dennoch die Kraft auf beiden Seiten der Bremsscheibe gleich ist. Ein solcher Ausgleich ist jedoch bei der gezeigten Bremszange mit ungeteilter Kulisse nicht möglich. Darüber hinaus sind die Reibungsverhältnisse bei der Bremszange mit einteiliger Kulisse nachteilhaft. Beim Schließen der Bremse muss dort nämlich die Gleitreibung überwunden werden, die von der durch Keilwirkung verstärkten Wirkkraft auf die Bremshebel erzeugt wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Bremszange anzugeben, die hinsichtlich Zuverlässigkeit und Reibungsverlusten verbessert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Bei einer Bremszange mit zwei gegebenenfalls über ein Zwischenstück gelenkig miteinander verbundenen Bremshebeln, die jeweils einen wirkseitigen und einen betätigungsseitigen Hebelarm aufweisen, wobei die wirkseitigen Hebelarme nach innen in Richtung einer zwischen diesen angeordneten Bremsscheibe oder Bremsschiene schwenkbar sind und die betätigungsseitigen Hebelarme einander zugewandte Keilflächen aufweisen, zwischen denen ein die Hebelarme bei Betätigung auseinanderspreizendes Führungsstück angeordnet ist, dessen Kontaktbereiche mit den Bremshebeln durch äußere Wälzkörper gebildet werden, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die beiden äußeren Wälzkörper innerhalb des Führungsstücks direkt oder indirekt über weitere innere Wälzkörper in gegenseitiger Anlage stehen.
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Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, dass die Wälzkörper sich innerhalb des Führungsstücks zwischen den Bremshebeln seitlich verschieben können, so dass stets auf beide Bremshebel die gleiche Kraft ausgeübt wird. Außerdem wälzen sich die Wälzkörper beim Schließen der Bremse an den Bremshebeln und an den benachbarten Wälzkörpern ab, so dass lediglich Gleitreibung gegenüber dem Führungsstück aufgrund der unverstärkten Betätigungskraft auftritt.
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Indem das Stellglied zum Schließen oder Öffnen der Bremszange in der Verlängerung der Bremshebel angeordnet wird, kann die Bremse sehr platzsparend gebaut werden und ist besonders bei schmalem Einbauraum von Vorteil.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Betätigungskraft auf das Führungsstück durch eine zwischen den Bremshebeln angeordnete Feder entgegen der Verjüngungsrichtung der Keilflächen ausgeübt. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil, dass, wenn sich bei Belagverschleiß der Federweg verlängert, die nachlassende Federkraft kompensiert wird, indem sich der Kraftarm des Bremshebels verlängert. Zusätzlich kann die Kraftverstärkung durch Verringerung des Keilwinkels erhöht werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Bremszange als Sicherheitsbremse eingesetzt werden. Die auf das Führungsstück wirkende Feder dient hierbei als Federspeicher, indem sie sich an einem mit den Drehlagern der Hebelarme verbundenen Bauteil abstützt, um eine Betätigungskraft auf das Führungsstück auszuüben. Zum Lösen und/oder Offenhalten der Bremse muss in diesem Fall ständig über ein entsprechendes Stellglied eine Gegenkraft auf das Führungsstück ausgeübt werden. Fällt diese Gegenkraft weg, so schließt die als Federspeicher wirkende Feder die Bremse selbsttätig und führt somit eine Sicherheitsbremsung aus.
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Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass die erfindungsgemäße Bremszange in einer aktiven Bremse eingesetzt wird, indem ein auf das Führungsstück wirkendes Stellglied entweder direkt oder über eine Betätigungsfeder eine Betätigungskraft zum Schließen der Bremse aufbringt.
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Zweckmäßigerweise sind die beiden äußeren Wälzkörper, die an den keilförmig verlaufenden Führungsflächen der Bremshebel anliegen, Teil einer Wälzkörperkette, die sich entlang einer durch das Führungsstück verlaufenden Querbohrung erstreckt. Die einzelnen Wälzkörper der Wälzkörperkette können hierbei gegeneinander abrollen. Die Wälzkörperkette umfasst hierbei eine geradzahlige Anzahl von Wälzkörpern, so dass die beiden äußeren Wälzkörper sich bei einer Schließbewegung des Führungsstückes gegensinnig an den beiden einander zugewandten Keilflächen der Bremshebel abrollen können.
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Die wirkseitigen Hebelarme der Bremshebel tragen auf ihrer Innenseite Bremsbacken mit Reibbelägen, die bei Betätigung der Bremse an einer zwischen den Bremsbacken befindlichen Bremsscheibe oder Bremsschiene zur Anlage kommen. Vorzugsweise sind die Bremsbacken gelenkig an den Bremshebeln gelagert. Hierdurch wird ein „Schwimmen” der Bremszange bei seitlicher Verlagerung oder Verkippung der Bremsscheibe bzw. Bremsschiene ausgeglichen, so dass die Reibbeläge stets vollflächig anliegen.
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Vorzugsweise laufen die Keilflächen der betätigungsseitigen Hebelarme in Richtung der betätigungsseitigen Enden der Bremshebel zusammen. Das Führungsstück wird somit zum Schließen der Bremse in Richtung der betätigungsseitigen Enden der Bremshebel bewegt.
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Weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren und anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer als Sicherheitsbremse wirkenden Bremszange,
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2 eine vereinfachte Darstellung von Führungsstück und Bremshebeln einer erfindungsgemäßen Bremszange zur Erläuterung der Kräfteverhältnisse,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bremszange für eine aktive Bremse und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Bremszange für eine aktive Bremse mit Wegeausgleich über eine Betätigungsfeder.
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Bei der in 1 gezeigten Bremszange sind zwei Bremshebel 3 an einem Rahmenteil bzw. Zwischenstück 5 drehbar gelagert. Sie tragen an ihren Enden je einen Bremsbacken 2 mit Reibbelag, der beim Schließen der Bremse eine dazwischen befindliche Bremsscheibe oder Bremsschiene 1 festhält. Die Bremshebel 3 weisen an ihren von der Bremsscheibe bzw. Bremsschiene 1 entfernten Enden jeweils Keilflächen 3' auf. Zwischen den Bremshebeln im Bereich der Keilflächen 3' ist ein Führungsstück 7 angeordnet, welches in einer querverlaufenden Bohrung insgesamt vier Wälzkörper 6 enthält, wobei die äußeren beiden Wälzkörper 6 an den seitlichen Keilflächen 3' der Bremshebel 3 anliegen bzw. sich gegen diese abstützen.
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Die Bremskraft zum Schließen der Bremse wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Feder 4 aufgebracht, die sich an dem Rahmenteil bzw. Zwischenstück 5 abstützt und auf das Führungsstück 7 wirkt. Zum Offenhalten bzw. Öffnen der Bremszange muss über die Betätigungsstange 10 eine in Pfeilrichtung gerichtete Gegenkraft auf das Führungsstück 7 ausgeübt werden. Entfällt diese Gegenkraft oder lässt sie nach, so schließt die Bremszange selbsttätig aufgrund der Federkraft der Betätigungsfeder 4 und führt eine Sicherheitsbremsung aus.
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Innerhalb der in der 1 in einem Schnitt gezeigten Querbohrung des Führungsstücks 7 befindet sich eine geradzahlige Anzahl von Wälzkörpern 6. Bei den Wälzkörpern 6 kann es sich um Kugeln oder Rollen handeln, die bei Schließbewegung des Führungsstückes 7 gegeneinander abrollen können. Die Querbohrung kann dementsprechend entweder runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Das Führungsstück 7 drückt bei Betätigung von oben auf die beiden äußeren Rollen bzw. Kugeln, die sich ihrerseits an den schrägen Innenflächen 3' der Bremshebel 3 abstützen.
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Durch den keilförmigen Verlauf der Innenflächen 3' der Bremshebel wird die vertikal wirkende Federkraft in eine mehrfach größere horizontale Betätigungskraft auf die Bremshebel 3 übersetzt. Die Wälzkörper 6 stützen sich gegenseitig ab, so dass während des Schließens der Bremse zwischen den einzelnen Rollen bzw. Kugeln und an den Bremshebeln nur rollende Reibung auftritt. Gleitreibung tritt hingegen ausschließlich zwischen dem Führungsstück 7 und den beiden äußeren Wälzkörpern 6 auf.
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Als Stellglied zum Lösen der Bremse kann ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, ein Linearmotor oder Elektromagnet eingesetzt werden und über die Betätigungsstange 10 eine Kraft in Pfeilrichtung ausüben, die das Führungsstück 7 entgegen der Federkraft nach oben verschiebt.
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Beim Öffnen der Bremse müssen die Bremshebel 3 bzw. Bremsbacken 2 von der Bremsscheibe 1 zurück in eine Öffnungsstellung bewegt werden. Dies kann einerseits durch eine geringfügige Unwucht der Bremsscheibe 1 erfolgen, durch die die Bremsbacken 2 nach außen gedrückt werden, sobald keine Bremskraft mehr ausgeübt wird. Alternativ kann jedoch auch, wie in 1 gezeigt, im unteren Bereich der Bremshebel 3 eine zwischen diesen angeordnete Zugfeder 8 vorgesehen sein, welche als Rückstellfeder wirkt und die Bremshebel beim Öffnen der Bremse zurückbewegt.
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Anhand von 2 wird nachfolgend das Übersetzungsverhältnis der Federkraft in eine Betätigungskraft untersucht. Das Führungsstück 7 drückt auf die beiden äußeren Wälzkörper 6 mit einer Kraft von je F/2. Der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Führungsstücks und den Innenflächen 3' der Bremshebel 3 ist als ω bezeichnet. Unter Vernachlässigung der Reibung wäre die Betätigungskraft FW, mit der die Bremshebel auseinander gedrückt werden, FW = F/2·tanω.
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Beim Schließen der Bremse wälzen sich die äußeren Wälzkörper 6 an den Bremshebeln 3 und an den benachbarten Wälzkörpern ab. Die äußeren Wälzkörper erhalten dabei durch die Gleitreibung am Führungsstück 7 eine Umfangskraft von je μ·F/2 (μ: Gleitreibungskoeffizient). Dieser wird das Gleichgewicht gehalten durch eine entgegengerichtete Umfangskraft an den Schrägen 3' der Bremshebel 3. Dadurch wird die Betätigungskraft FW, die das Spreizen der Bremshebel 3 bewirkt, reduziert um den Wert cosω·μ·F. Unter Vernachlässigung der sehr geringen Rollreibung ergibt sich damit die Wirkkraft FW auf die Bremshebel wie folgt: FW = F / 2·tanω(1 – μ·cosω)
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Hieraus folgt das Übersetzungsverhältnis Ü:
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Mit μ = tan 6° = 0,105 ergeben sich die in nachfolgender Tabelle 1 aufgeführten Übersetzungsverhältnisse für verschiedene Keilwinkel ω.
| ω | Ü |
| 4° | 6,40 |
| 6° | 4,26 |
| 8° | 3,19 |
| 10° | 2,54 |
| 12° | 2,11 |
Tabelle 1: Übersetzungsverhältnis
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Das geschilderte Prinzip der Verstärkung der Bremskraft durch Keilwirkung lässt sich auch für eine direkt betätigte, d. h. aktive Bremse anwenden, bei der die Bremshebel nicht durch Federkraft sondern durch die von einem Stellglied ausgeübte Kraft geschlossen wird. Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Bremszange für eine aktive Bremse ist in 3 dargestellt. In diesem Fall wird über die Betätigungsstange 10 zum Schließen der Bremse eine in Pfeilrichtung gerichtete Betätigungskraft auf das Führungsstück 7 ausgeübt.
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Bei der Ausführungsform aus 3 hängt die Position der Betätigungsstange 10 bei geschlossener Bremse vom Verschleißzustand der Reibbeläge an den Bremsbacken 2 ab. Will man einen Elektromagneten als Stellglied benutzt, so muss die Betätigungsstange 10 jedoch immer den vollen Hubweg ausführen.
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Grund dafür ist, dass der Erregerstrom des Magneten nach dem Schließvorgang nur dann auf einen für Dauerbetrieb geeigneten, niedrigen Wert abgesenkt werden kann, wenn der Anker des Magneten sich bis in die Endstellung bewegt. Eine entsprechende Ausführungsform, bei der das Stellglied einen festen Hub ausführt, ist nachfolgend in 4 gezeigt.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist nämlich zusätzlich eine Betätigungsfeder 4 vorgesehen, die sich jedoch nicht an einem rahmenfesten Bauteil abstützt, sondern endseitig an einem Gegenlager 9 endet, welches mit der vor oder hinter den Wälzkörpern 6 durch das Führungsstück 7 durchgeführten Betätigungsstange 10 verbunden ist. Eine Zugkraft in Pfeilrichtung auf die Betätigungsstange 10 wird somit über die Feder 4 auf das Führungsstück 7 weitergegeben. Bei festem Betätigungshub an der Betätigungsstange 10 bewirkt die Druckfeder 4 in diesem Fall einen Wegeausgleich bei verschleißenden Reibbelägen, wobei die aufgrund des größeren Federweges nachlassende Federkraft dadurch kompensiert wird, dass sich einerseits der Kraftarm des Bremshebels 3 verlängert und zusätzlich der Keilverlauf der Keilflächen 3' derart gewählt ist, dass sich die Kraftverstärkung durch Verringerung des Keilwinkels ω erhöht.
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Bei einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann ein derartiger Wegeausgleich anstatt mit einer Druckfeder auch mittels einer von unten an dem Führungsstück 7 angehängten Zugfeder erreicht werden. Eine aktive Bremse mit Betätigungsfeder zum Wegeausgleich ist besonders als Aufzugbremse geeignet. Als Stellglied zur Betätigung der Betätigungsstange 10 käme in diesem Fall ein Elektromagnet zum Einsatz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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