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Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung zum Erzeugen eines Bremsmomentes entgegen eines auf einen drehbar gelagerten Körper wirkenden Drehmomentes. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zum Entfalten eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers mit einer derartigen Bremseinrichtung sowie ein Verfahren zum Entfalten mindestens eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers hierzu.
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Seit Beginn der Raumfahrt werden Masten als Träger für Sensoren und Instrumente, als Stützstruktur für Solar Arrays, Antennen und Solarsegel sowie für weitere Anwendungen eingesetzt. Da jedoch auch heute noch der Transport von Gütern, wie beispielsweise Satelliten einer strengen Gewichts- und Platzrestriktion unterliegen, stellen aus dem Transportgut herausragende Masten ein nicht unerhebliches Transportproblem dar. Deshalb werden sehr häufig entfaltbare Masten verwendet, die anfänglich in einem aufgerollten und zusammengedrückten Zustand für den Transport präpariert sind und dann am Bestimmungsort abgerollt und entfaltet werden, wodurch sie ihre entsprechende Stabilität erhalten und die entsprechenden Instrumente, Sensoren Sonnensegel oder Solarkollektoren stützen können.
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Ein solcher entfaltbarer Mast ist dabei in der Regel ein länglicher Hohlkörper, dessen Querschnitt so gestaltet ist, dass der längliche Hohlkörper zu einem flachen Band umgeformt werden kann. Je nach Konstruktion weist dieses flache Band die Tendenz auf, sich zu entfalten und kann somit den entsprechenden Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers ausbilden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird demzufolge unter einem länglichen Hohlkörper ein Bauteil verstanden, das sowohl im entfalteten als auch im aufgerollten Zustand vorliegen kann und im aufgerollten Zustand keinen Hohlraum aufweist. Die Bezeichnung „länglicher Hohlkörper“ definiert dabei im breitesten Sinne die Fähigkeit, einen solchen Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers auszubilden, nämlich dann, wenn der längliche Hohlkörper abgerollt und entfaltet ist.
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Ein solcher länglicher Hohlkörper, der als entfaltbarer Mast insbesondere in der Raumfahrt eingesetzt werden soll, ist dabei meist auf einem Wickelkern aufgerollt, wodurch er zwangsläufig als flaches Band entsprechend auf dem Wickelkern aufgerollt und zusammengedrückt vorliegt. Wird der Wickelkern nun um seine Achse gedreht, so wird der aufgerollte längliche Hohlkörper von seinem aufgerollten und zusammengedrückten ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt, wobei während des Abrollens von dem Wickelkern der längliche Hohlkörper seine ursprüngliche Querschnittsform wieder bzw. eine Übergangsquerschnittform annimmt und sich entfaltet und somit den Hohlraum innerhalb des länglichen Hohlkörpers bestimmungsgemäß ausbildet.
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Derartige entfaltbare Masten werden dabei meist aus dünnwandigen Schalen aus Metall oder Faserverbundwerkstoffen hergestellt, wobei sich die einzelnen Schalen aufgrund ihrer geringen Wandstärke elastisch zu einem flachen Band verformen und dadurch auf den Wickelkern platzsparend aufrollen lassen. So ist beispielsweise aus der nachveröffentlichten
DE 10 2018 105 765 A1 ein aufrollbarer Schalenmast bekannt, der vollständig aus einem Faserverbundwerkstoff, aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hergestellt wird. Dabei wird der aufrollbare Schalenmast aus wenigstens zwei Faserverbund-Halbschalen gebildet, die in einem Fügerandbereich entsprechend form-, kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Durch dieses Prinzip der Halbschalenfertigung lassen sich derartige längliche Hohlkörper auf einem Wickelkern zu einem flachen Band zusammendrücken und aufrollen. Im zusammengedrückten und aufgerollten Zustand bilden dabei die Fügerandbereiche der beiden Faserverbund-Halbschalen den länglichen Randbereich des zusammengedrückten Hohlkörpers, der als flaches Band aufgewickelt ist.
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Strukturell kritisch bei derartigen länglichen Hohlkörpern, die als entfaltbare Schalenmasten eingesetzt werden sollen, ist unter anderem der Übergangsbereich zwischen dem noch aufgerollten, flachgedrückten Teil des Hohlkörpers und dem bereits voll entfalteten Abschnitt. In diesem Übergangsbereich ist der Querschnitt des länglichen Hohlkörpers noch nicht voll entwickelt, wodurch sowohl die Steifigkeit als auch die Stabilität wesentlich herabgesetzt wird. In der Praxis wird daher der Übergangsbereich von außen mit weiteren stützenden Elementen, wie externen Formschalen oder externen Führungsrollen stabilisiert, um so die im Allgemeinen höheren Lasten während der Entfaltung im Übergangsbereich entsprechend abtragen zu können.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2018 112 690 A1 ist eine Entfaltungsmechanik für aufgerollte längliche Hohlkörper bekannt, bei der im Übergangsbereich ein innenliegendes Stützelement vorgesehen ist, welches formschlüssig in ein äußeres Fixierelement eingreift, wobei zwischen dem innenliegenden Stützelement und dem äußeren Fixierelement der längliche Hohlkörper hindurchführbar ist und das Fixierelement aufgrund des Formschlusses das innenliegende Stützelement axial in seiner Position fixiert. Hierdurch wird es möglich, auch aufrollbare Schalenmasten mit einem geschlossenen Querschnitt im Übergangsbereich zu stützen.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2018 112 691 A1 ist ebenfalls eine Entfaltungsmechanik für längliche Hohlkörper bekannt, bei der der Übergangsbereich zwischen dem voll entfalteten länglichen Hohlkörper und der Befestigung des länglichen Hohlkörpers an dem Wickelkern durch eine Arretiereinrichtung gestützt wird, die nach dem vollständigen Abrollen des länglichen Hohlkörpers formschlüssig in eine Aussparung in der Mantelfläche des Wickelkerns eingreift und so zum einen den Wickelkern drehfest fixiert und zum anderen im Übergangsbereich stützt.
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Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Entfaltungsmechaniken für längliche Hohlkörper haben dabei den Nachteil, dass sowohl das Flachdrücken als auch das Aufrollen gegen den Widerstand des sich verbiegenden Mastmaterials durchgeführt werden muss, so dass ein solcher aufgerollter Hohlkörper stets bestrebt ist, sich sowohl abzurollen als auch seinen rohrartigen Querschnitt zu entfalten. Dementsprechend muss er, wenn er z.B. auf einem Zylinder aufgerollt wird, von einer externen Kraft auf diesen Zylinder gedrückt werden, um seinen Selbstentfaltungstrieb zu unterbinden. Des Weiteren muss der Zylinder im Anschluss an den Abrollvorgang arretiert werden, da sonst keine hinreichende Anbindung des abgerollten länglichen Hohlkörpers an die Stützstruktur vorliegt und die Gesamtstruktur instabil wird.
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Aus der
DE 10 2016 101 430 B4 ist ein Raumfahrzeug-Membranentfaltungssystem und Verfahren zum Betrieb desselben bekannt, bei dem mithilfe eines Federblättchens, das in einen Zahnkranz einer Mastspule eingreift, ein Bremsmoment auf die Spule ausgeübt werden soll. Wird nun ein Drehmoment auf die Spule bzw. den Wickelkern ausgeübt, so verbiegt sich das Federblättchen und erzeugt somit das gewünschte Bremsmoment. Wird das Ende der jeweiligen Zahnflanke der Außenverzahnung erreicht, so springt das Federblättchen ruckartig in die nachfolgende Verzahnung ein und schlägt dabei an die nachfolgende Zahnflanke auf. Nachteilig hierbei ist, dass aufgrund des stätigen Verbiegens und Überspringens des Federblättchens auf den nächsten Zahn das erzeugte Bremsmoment nicht konstant anliegt, sondern einen Sägezahnverlauf hat. Dies führt jedoch zu einer starken Beanspruchung aller verwendeten Komponenten und kann zu Beschädigungen an den fragilen Maststrukturen führen. Denn beim Überspringen der Feder und dem daraus resultierenden Aufprall des Federarms auf den nächsten Zahn bricht die Kraft, die durch das Federblättchen ausgeübt wird, kurzzeitig völlig ein, um dann einen starken Schlag auf die zu bremsende Spule auszuüben, wenn das Federblättchen in den nachfolgenden Zahn einschlägt. Darüber hinaus lässt sich aufgrund der Ausrichtung des Federblättchens zum Zahnkranz die zu bremsende Spule nur in Abspulrichtung drehen, wodurch ein solches System erst nach dem Aufrollen des aufrollbaren Schalenmastes eingesetzt werden kann. Hierbei muss jedoch sichergestellt werden, dass bis zum Einsetzen des Federblättchens der Wickelkern arretiert ist, da ansonsten der Mast bestrebt ist, aufgrund seiner Selbstentfaltungstendenz sich selber abzurollen. Dies erschwert die Installation und das Verstauen der gesamten Konstruktion erheblich.
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Die
US 2013 / 0 220 760 A1 und die
DE 49 895 A offenbaren jeweils eine Sicherheitsvorrichtung mit Sperrrad und Sperrklinke für Hebezeuge, mit der eine schwerkraftbedingte, unerwünschte Absenkung der angehobenen Last verhindert werden soll. Hierzu lässt das Sperrrad eine Drehbewegung in eine Drehrichtung, die einer Hebebewegung der Last entspricht, zu und sperrt in Zusammenwirkung mit den Sperrklinken eine Drehbewegung eine entgegengesetzten Drehrichtung, die einer Absenkbewegung der Last entspricht.
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Die
FR 1 083 020 A beschreibt eine Sicherungseinrichtung für Astronauten im Au-ßenbordeinsatz. Die Sicherungseinrichtung dient der schnellen Arretierung der Sicherheitsleine des Astronauten im Sturzfall und soll beispielsweise den Ruck oder ein Abreißen der Leine beim Erreichen des Leinenendes im Sturz verhindern. Die Sicherungseinrichtung hat eine Kabeltrommel, auf der die Leine auf- und abwickelbar ist, einen Innenzahnkranz und zwei mit der Trommel gekoppelte, drehbar gelagerte Sperrriegel, die mit zwei Schraubenfedern gegeneinander bzw. in Richtung Trommelmitte vorgespannt sind. Wickelt sich die Leine im Sturzfall sehr schnell ab, beschleunigt die Trommel derart, dass die auf die Sperrriegel wirkenden Zentrifugalkräfte die Federkraft der Schraubenfedern übersteigen und die Sperrriegel nach außen ausgelenkt werden, sodass sie in Eingriff mit dem Innenzahnkranz gelangen und eine weitere Rotation der Kabeltrommel sowie die hiermit verbundene Abwicklung der Leine sperren.
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Der Artikel MEYER, S. [et al.]: Design of the De-Orbit Sail Boom Deployment Unit. In: 13th European Conference on Spacecraft Structures, Materials & Environmental Testing (ECSSMET), 1-4 April 2014, Braunschweig. Edited by L. OUWBhand : ESA-SP Vol. 727, 2014, id. 179. offenbart Konstruktionsansätze zu aufrollbaren und entfaltbaren Masten im Raumfahrtbereich, unter anderem ein Pull- statt Pushprinzip zur motorisierten Entfaltung und eine Bremseinrichtung mit Blattfedern, die in einen Zahnkranz einer Maststpule eingreifen und hierbei ein Bremsmoment auf die Mastspule ausüben.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Reibungsbremssysteme, wie beispielsweise eine Trommelbremse, scheiden bei der Realisierung derartiger Raumfahrtstrukturen aus, da das Anliegen eines vorgegebenen Bremsmomentes am Anwendungsort - im erwarteten Temperaturbereich zwischen -100°C und +150°C aufgrund der temperaturabhängigen Reibungskoeffizienten - nicht mehr prozesssicher gewährleistet werden kann.
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Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Bremseinrichtung, Vorrichtung sowie Verfahren zum Entfalten von aufgerollten Hohlkörpern anzugeben, mit denen prozesssicher ein Bremsmoment entgegen eines Drehmomentes eines drehbar gelagerten Körpers erzeugt werden kann, ohne dass fragile Strukturen hierbei in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Die Aufgabe wird mit der Bremseinrichtung gemäß Anspruch 1, der Vorrichtung gemäß Anspruch 8 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 wird eine Bremseinrichtung zum Erzeugen eines Bremsmomentes entgegen eines auf einen drehbar gelagerten Körper wirkenden Drehmomentes beansprucht, wobei die Bremseinrichtung mindestens einen verzahnten Bremsring hat, der in mechanischer Wirkverbindung mit dem drehbar gelagerten oder lagerbaren Körper steht. Ein solcher drehbar gelagerter oder lagerbarer Körper kann beispielsweise ein Zylinder mit einem Hohlraum sein, auf den ein länglicher aufrollbarer Hohlkörper aufgewickelt werden kann. Demzufolge ist die äußere Mantelfläche des drehbar gelagerten Körpers insbesondere dazu geeignet und ausgebildet, insbesondere biegeschlaffe und aufwickelbare Körper aufzunehmen.
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Die Bremseinrichtung weist des Weiteren eine Mehrzahl von biegefesten Bremshebeln auf, die jeweils an einem ersten Hebelende mindestens einen Anschlag aufweisen, der in die Verzahnung des verzahnten Bremsrings eingreift, und die jeweils an einem dem ersten Hebelende gegenüberliegenden zweiten Hebelende drehbar gelagert sind. Wird der drehbar gelagerte oder lagerbare Körper um seine eigene Drehachse gedreht, so wird dabei der verzahnte Bremsring ebenfalls in eine Drehbewegung versetzt, der in mechanischer Wirkverbindung mit dem drehbaren Körper steht.
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Aufgrund der Tatsache, dass die einzelnen Bremshebel mit ihren jeweiligen Anschlägen in die Verzahnung des verzahnten Bremsrings eingreifen und an ihrem zweiten Hebelende drehbar gelagert sind, werden die biegefesten Bremshebel bei einer Drehbewegung des Körpers und somit auf einer Drehbewegung des verzahnten Bremsringes in Richtung der Drehbewegung ausgelenkt. Da die Drehachsen der biegefesten Bremshebel nicht mit der Drehachse des drehbar gelagerten Körpers sowie dem Mittelpunkt des verzahnten Bremsringes übereinstimmen, gleiten die Anschläge der Bremshebel bei einer Drehbewegung des verzahnten Bremsringes über die Zahnflanke des im Eingriff stehenden Zahnes des verzahnten Bremsringes, bis der jeweilige Bremshebel auf den nächstfolgenden Zahn der Verzahnung überspringt bzw. überschlägt.
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Hierfür ist vorgesehen, dass jeder Bremshebel mit einem Kraftelement, beispielsweise einem Federkraftelement, zum Aufbringen einer tangentialen Bremskraft derart verbunden ist, dass durch die Bremskraft über den mit der Verzahnung des Bremsrings im Eingriff stehenden Anschlag des jeweiligen Bremshebels ein Bremsmoment auf dem Bremsring entgegen der Wirkrichtung des Drehmomentes erzeugt wird, um ein Bremsmoment auf den drehbar gelagerten oder lagerbaren Körper ausüben zu können. Mithilfe des Kraftelementes wird erreicht, dass sowohl eine Bremskraft über den verzahnten Bremsring auf den drehbar gelagerten Körper ausgeübt wird, sowie dass die Bremshebel nach dem Abgleiten von der im Eingriff stehenden Zahnflanke auf die nächstfolgenden Zahn der Verzahnung überspringen bzw. zurückgestellt werden. Das auf den Körper einwirkende Bremsmoment wird demzufolge durch ein Kraftelement erzeugt, welches gegen die Auslenkung der Bremshebel um ihre Drehachse bei einer Drehbewegung des verzahnten Bremsrings wirkt, so dass das Bremsmoment nicht durch ein Verbiegen von Federblättchen realisiert wird, sondern ausschließlich durch die Wirkkombination von biegefesten drehbar gelagerten Bremshebeln und einem jeweiligen Kraftelement, welches eine entsprechende Rückstellkraft bzw. Bremskraft auf die Bremshebel ausübt.
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Dabei wird auf den Körper auch dann ein Bremsmoment ausgeübt, wenn das auf den Körper einwirkende Drehmoment geringer ist als das Bremsmoment, wodurch der Körper keine Drehbewegung ausführt. Hierbei kann das Rückstellen der Bremshebel aufgrund des Kraftelementes durch einen Endanschlag begrenzt werden, der beispielsweise durch eine entsprechende Geometrie des ersten Hebelendes derart erfolgen kann, dass jeder Bremshebel mit einer vorlaufenden Zahnflanke verkeilt wird. Denkbar ist aber auch, dass entsprechende Bolzen eine Bewegung des Bremshebels entgegen der Wirkrichtung des Drehmomentes begrenzen.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bremshebel in Bezug zu dem verzahnten Bremsring derart angeordnet sind, dass während eines Überschlags eines Bremshebels, bei dem der Anschlag des jeweiligen Bremshebels in eine nachfolgende Zahnflanke der Verzahnung eingreift, alle übrigen Bremshebel mit ihren jeweiligen Anschlägen im Eingriff mit ihrer jeweiligen Zahnflanke der Verzahnung verbleiben. Das bedeutet, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. Zeitraum immer nur ein Bremshebel auf die nächstnachfolgende Zahnflanke überschlägt, während die übrigen Bremshebel weiterhin im Eingriff mit ihrer jeweiligen Zahnflanke verbleiben.
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Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Bremseinrichtung wird es möglich, ein Bremsmoment auf einen drehbar gelagerten Körper entgegen eines wirkenden Drehmomentes auszuüben, ohne dass hierfür entsprechende Reibungskräfte wesentlich für das Erzeugen des Bremsmomentes verantwortlich sind. Vielmehr wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung das Bremsmoment im Wesentlichen durch ein entsprechendes Kraftelement erzeugt, welches eine Bremskraft auf entsprechend biegefeste Bremshebel ausübt. Damit kann das Bremsmoment prozesssicher in jeder Situation gewährleistet werden, auch dann, wenn die Bremseinrichtung in Raumfahrtstrukturen zur Anwendung kommt.
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Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Bremseinrichtung erreicht, dass die Sägezahncharakteristik der Bremsmomentkurve deutlich abgeschwächt wird, da nun mehrere Bremshebel nacheinander, aber nie zur gleichen Zeit, auf ihre nächste Zahnflanke überschlagen. Aufgrund der Tatsache, dass bei einem Überschlag auf die nächste Zahnflanke die übrigen Bremshebel weiterhin eine Bremskraft aufgrund ihres jeweiligen Kraftelementes auf den verzahnten Bremsring ausüben, wird der durch den Überschlag erzeugte Schlag bzw. Schock, der auf den verzahnten Bremsring aufgrund des Überschlags ausgeübt wird, deutlich abgeschwächt, wodurch die Belastung auf die mit der Bremseinrichtung verbundenen Strukturen, wie bspw. entfaltbare Stützstrukturen der Raumfahrttechnik, deutlich verringert werden kann, was die Lebensdauer derartiger Strukturen erhöht und die Gefahr von Beschädigungen insbesondere im Einmalgebrauch ohne Möglichkeit einer Reparatur deutlich verringert.
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Dabei wird das Bremsmoment über die Bremshebel und Kraftelemente erzeugt, deren Kennlinie im vorgesehenen Temperaturfenster nicht signifikant variiert. Die Bremseinrichtung eignet sich daher insbesondere für Raumfahrtmissionen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für jeden Bremshebel eine Drehfeder als Kraftelement vorgesehen ist, die an dem jeweiligen Bremshebel zum Aufbringen der Bremskraft eingreift. Alternativ ist auch denkbar, dass alle Bremshebel über ein und dasselbe Kraftelement miteinander verbunden sind, wobei dieses eine Kraftelement ebenfalls in Art einer Drehfeder ausgebildet sein kann, die dann an den Bremshebeln zum Aufbringen der Bremskraft entsprechend eingreift.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der verzahnte Bremsring eine Innenverzahnung hat und an einer Innenwandung des Hohlraums des drehbar gelagerten Körpers angeordnet ist, wobei die Bremshebel derart drehbar gelagert sind, dass sie über ihre Anschläge mit der Innenverzahnung des Bremsrings im Eingriff stehen. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Bremshebel in der Ebene des verzahnten Bremsrings drehbar bzw. schwenkbar gelagert sind, sodass die Drehpunkte der einzelnen Bremspunkte innerhalb des verzahnten Bremsrings liegen. Hierdurch kann der zur Verfügung gestellte Bauraum größtmöglich ausgenutzt werden, wobei eine derartige Bremseinrichtung dann keine weiteren äußeren Elemente zum Aufbringen des Bremsmomentes mehr benötigt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremseinrichtung eine Rückstelleinrichtung hat, die einen Mitnehmerring aufweist, der drehbar gelagert ist und der über Rastnasen mit den Bremshebeln bedarfsweise formschlüssig in Eingriff bringbar ist, wobei die Rückstelleinrichtung derart ausgebildet ist, dass bei einer Drehung des Mitnehmerrings entgegen der Wirkrichtung der Bremskraft die Bremshebel mittels der Rastnasen aus der Verzahnung des Bremsrings gelöst werden. Hierdurch wird es möglich, alle Bremshebel gleichzeitig so weit zurückzuklappen, dass der Eingriff in den Bremsring nicht mehr gegeben ist. Dadurch ist der Körper in beide Richtungen frei drehbar, was insbesondere das Verstauen von entsprechenden auf den Körper aufrollbaren Elementen begünstigt. Ein Ausbauen der Bremselemente, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, um die entsprechenden Körper auf der Mantelfläche des drehbar gelagerten Körpers aufzurollen, ist somit nicht mehr notwendig.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verzahnung des Bremsrings eine asymmetrische Zahngeometrie aufweist. Dies bedeutet, dass die Zahnflanke, an dem der Bremshebel anschlägt, um sein Bremsmoment auf den verzahnten Bremsring zu übertragen, in der Regel einen steileren Anstieg aufweist, als die dahinterliegende nachlaufende Zahnflanke.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremseinrichtung mindestens einen Endlagenschalter hat, der mit wenigstens einem Bremshebel derart zusammenwirkt, dass der Endlagenschalter beim Drehen des Körpers durch einen der Bremshebel betätigt wird. Beim Drehen des Körpers werden die Bremshebel jeweils aufgrund der Verzahnung mit dem Bremsring so weit zurückgedreht bzw. verstellt, bis sie auf die nachfolgende Zahnflanke überspringen bzw. überschlagen. Dieses Bewegungsspiel der Bremshebel kann nun dazu genutzt werden, einen Endlagenschalter zu betätigen, sodass bei einem, mehreren oder allen Bremshebeln eine entsprechende Bewegung, bspw. das Überschlagen auf die nächste Zahnflanke, detektierbar wird. Hierdurch lässt sich mit Hilfe einer Steuereinheit ein Drehencoder nach dem Prinzip des Quadraturencoders implementieren, wodurch die Stellung des drehbar gelagerten Körpers ermittelbar wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bremsring mehr als ein Verzahnungsprofil aufweist, wobei für jedes Verzahnungsprofil an den Bremshebel jeweils ein Anschlag vorgesehen ist, der in das jeweilige Verzahnungsprofil des Bremsrings eingreift.
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So können bspw. zwei Verzahnungsprofile vorgesehen sein, von denen das erste Verzahnungsprofil die Abgleitgeometrie für die Bremshebel darstellt und das zweite Verzahnungsprofil einen Aufschlagpunkt für das Überspringen der Hebel auf den nächsten Zahn bietet. Dadurch werden die Abgleitflächen der Bremshebel geschont und nutzen sich weniger schnell ab.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird es somit möglich, eine Bremseinrichtung für drehbar gelagerte Körper vorzusehen, bei der das Bremsmoment nie auf Null kurzzeitig abfällt. Vielmehr wurde erreicht, dass der Bremsmomentverlauf immer oberhalb von mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 % der Maximallast liegt. Dabei können für die Bremseinrichtung vier Bremsarme oder mehr Anwendung finden, wobei der verzahnte Bremsring mehr als 17, bspw. 29, Zähne aufweisen kann. Bei einer Erhöhung der Bremsarmanzahl, sofern der Bauraum dies zulässt, kann die Momentenkennlinie weiter begradigt werden und somit eine weitere Erhöhung der Qualität erreicht werden.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Vorrichtung gemäß Anspruch 8 zum Entfalten eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers erfindungsgemäß gelöst, wobei die Vorrichtung mindestens einen länglichen Hohlkörper hat, der zwei längliche Schalenkörperhälften aufweist. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Entfaltungsmechanik auf, die eine feste Grundstruktur und einen an der Grundstruktur drehbar gelagerten Wickelkern hat, auf dem der mindestens eine längliche Hohlkörper in einem ersten Zustand aufgerollt und zusammengedrückt ist und der durch Drehen den länglichen Hohlkörper von dem ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt und entfaltet, sodass zwischen den beiden Schalenkörperhälften des mindestens einen länglichen Hohlkörpers ein länglicher Hohlraum ausgebildet wird. Der mindestens eine längliche Hohlkörper ist dabei über eine Hohlkörperwurzel als ein erstes Ende mit dem drehbar gelagerten Wickelkern befestigt. Erfindungsgemäß weist eine derart gattungsgemäß bekannte Vorrichtung eine Bremseinrichtung wie vorstehend beschrieben auf, die mit dem Wickelkern der Vorrichtung entsprechend mechanisch zusammenwirkt.
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Eine Schalenkörperhälfte kann dabei aus mehr als einem Schalenelement zusammengesetzt werden, sodass es sich bei der länglichen Schalenkörperhälfte nicht zwangsläufig um ein integrales Bauteil handeln muss. Die Schalenkörperhälften können dabei aus einem Faserverbundwerkstoff, aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, gebildet sein, wobei es dann bevorzugt ist, wenn die Schalenkörperhälften jeweils integral und einstückig ausgebildet sind. Die Schalenkörperhälften des länglichen Hohlkörpers sind dabei so zu dem länglichen Hohlkörper zusammengefügt, dass sie jeweils zu einem flachen Band zusammengedrückt werden können, wobei der Fügebereich der beiden Schalenkörperhälften, sofern diese nicht insgesamt einstückig ausgebildet sind, im Randbereich des zusammengedrückten flachen Bandes liegen sollten.
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Demzufolge handelt es sich bei dem länglichen Hohlkörper um ein Bauteil, das zwei Schalenkörperhälften hat, die so ausgebildet sind, dass sich der längliche Hohlkörper zusammendrücken und zu einem flachen Band aufrollen lässt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Schalenkörperhälften separat hergestellt und dann in den jeweiligen Randbereichen gefügt werden. Denkbar ist aber auch, dass ein solcher länglicher Hohlkörper integral ausgebildet wird, d.h. einstückig, wobei in den Randbereichen dann eine Art Festkörpergelenk vorgesehen ist, um so den länglichen Hohlkörper zu einem flachen Band zusammendrücken zu können. Im angesprochenen Fügebereich bzw. Gelenkbereich wird die Materialrichtung bzw. der Materialverlauf um 180 Grad umgelenkt. Im zusammengedrückten und aufgerollten Zustand liegen dabei die Schalenkörperhälften aufeinander und eliminieren so den durch den länglichen Hohlkörper im abgerollten Zustand gebildeten Hohlraum.
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An dem jeweiligen Bestimmungsort wird dann durch Drehen des Wickelkerns der Entfaltungsmechanik der längliche Hohlkörper von dem ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt, sodass zwischen den beiden Schalenkörperhälften des mindestens einen länglichen Hohlkörpers ein länglicher Hohlraum ausgebildet wird. Durch das Abrollen des aufgerollten länglichen Hohlkörpers spannt sich der Querschnitt des länglichen Hohlkörpers auf, indem sich die beiden Schalenkörperhälften voneinander weg drücken, sodass der längliche Hohlkörper seinen ursprünglichen Querschnitt erreicht.
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Der verzahnte Bremsring steht dabei mit dem Wickelkern in mechanischer Wirkverbindung, sodass mit Hilfe der Bremshebel der Bremseinrichtung ein entsprechendes Bremsmoment auf den Wickelkern ausgeübt werden kann. Aufgrund der Selbstentfaltungstendenz des aufgerollten länglichen Hohlkörpers wirkt im gestauten Zustand, d.h. im ersten Zustand des länglichen Hohlkörpers, permanent ein Drehmoment auf den Wickelkern, der durch die Selbstentfaltungstendenz des aufgerollten länglichen Hohlkörpers ausgeübt wird. Mit Hilfe der Bremseinrichtung kann diesem grundsätzlich unerwünschten Drehmoment ein Bremsmoment entgegengehalten werden, das grundsätzlich größer sein sollte, als das durch die Selbstentfaltungstendenz ausgeübten Drehmoment. Wird nun der Wickelkörper gedreht, um den länglichen Hohlkörper vom ersten Zustand in den zweiten Zustand zu überführen, so erfolgt das Drehen des Wickelkerns entgegen des permanent und konstant aufgebrachten Bremsmomentes, wobei beim Überführen des länglichen Hohlkörpers von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand das nunmehr aufgeprägte Drehmoment größer sein muss als das durch die Bremseinrichtung bereitgestellte Bremsmoment.
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Hierdurch wird es möglich, im gestauten Zustand, d.h. im ersten Zustand des länglichen Hohlkörpers, den länglichen Hohlkörper sicher in seinem ersten Zustand zu behalten, ohne dass die Gefahr besteht, dass der längliche Hohlkörper sich aufgrund seiner Selbstentfaltungstendenz von alleine innerhalb der Vorrichtung bzw. der Entfaltungsmechanik abwickelt. Des Weiteren kann mit Hilfe der Bremseinrichtung am Bestimmungsort der längliche Hohlkörper kontrolliert in den zweiten Zustand überführt werden, da dieser nun prozesssicher von dem Wickelkern abgerollt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform können an dem Wickelkern ein, zwei, drei oder vier längliche Hohlkörper befestigt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Entfaltungsmechanik einen Abrollantrieb hat, um den Wickelkern drehbar anzutreiben und den länglichen Hohlkörper von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu überführen, wobei das durch die Bremseinrichtung auf den Wickelkern aufbringbare Bremsmoment derart eingestellt ist, dass das aufbringbare Bremsmoment der Bremseinrichtung größer ist als das durch eine Selbstentfaltungskraft des mindestens einen länglichen Hohlkörpers erzeugte Drehmoment.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Entfalten mindestens eines aufgerollten länglichen Hohlkörpers mittels einer Entfaltungsmechanik gemäß Anspruch 11 erfindungsgemäß gelöst, wobei der mindestens eine längliche Hohlkörper in einem ersten Zustand auf einen drehbar gelagerten Wickelkern der Entfaltungsmechanik aufgerollt und zusammengedrückt ist und durch Drehen des Wickelkerns von dem ersten Zustand in einen abgerollten und entfalteten zweiten Zustand überführt werden soll. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
- - Drehen des Wickelkerns der Entfaltungsmechanik, um den mindestens einen aufgerollten länglichen Hohlkörper von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu überführen,
- - wobei während des Drehens des Wickelkerns eine Mehrzahl von biegefesten Bremshebeln, die jeweils an einem ersten Hebelende mindestens einen Anschlag aufweisen und an einem dem ersten Hebelende gegenüberliegenden zweiten Hebelende drehbar gelagert sind, mit ihren jeweiligen Anschlägen in mindestens einen verzahnten Bremsring eingreifen, der in mechanischer Wirkverbindung mit dem Wickelkern steht,
- - wobei während des Drehens des Wickelkerns auf jeden Bremshebel mittels eines Kraftelementes eine tangentiale Bremskraft derart aufgebracht wird, das durch die Bremskraft über den mit der Verzahnung des Bremsrings im Eingriff stehenden Anschlag des jeweiligen Bremshebels ein Bremsmoment auf den Bremsring entgegen der Wirkrichtung des Drehmomentes erzeugt wird, um ein Bremsmoment auf den drehbar gelagerten oder lagerbaren Körper auszuüben,
- - während eines Überschlages eines Bremshebels, bei dem der Anschlag des jeweiligen Bremshebels in eine nachfolgende Zahnflanke der Verzahnung eingreift, alle übrigen Bremshebel mit ihren jeweiligen Anschlägen im Eingriff mit ihrer jeweiligen Zahnflanke der Verzahnung verbleiben
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 Einzeldarstellung der Elemente der Bremseinrichtung;
- 3 Detailansicht der Rückstelleinrichtung;
- 4 Darstellung eines Entfaltungsmechanismus;
- 5 Freischnitt des Entfaltungsmechanismus für aufrollbare Hohlkörper mit integrierter Bremseinrichtung;
- 6 Detailansicht der Bremselemente;
- 7 Diagramm eines Bremsmomentverlaufs.
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1 zeigt in einer konzepthaften Darstellung die Bremseinrichtung 10, die in einem durch einen zylindrischen drehbaren Körper 1 gebildeten Hohlraum 2 angeordnet ist. Der drehbare Körper 1 ist dabei an einer Grundstruktur 3 über eine Drehachse vier freidrehend gelagert, wobei die Grundstruktur 3 hier nur konzepthaft dargestellt ist. Die Grundstruktur 3, an der der drehbare Körper 1 entsprechend drehbar gelagert sein soll, ist je nach Anwendungsfall dann entsprechend zu ersetzen.
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2 zeigt in einer Detailansicht die einzelnen Komponenten der Bremseinrichtung 10. Diese einzelnen Komponenten 10 lassen sich dabei auch in der 1 in dem Hohlraum 2 des drehbaren Körpers 1 erkennen.
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Die Bremseinrichtung 10 weist im Ausführungsbeispiel der 2 einen verzahnten Bremsring 11 auf, der lediglich ein Verzahnungsprofil 12 hat. Des Weiteren weist die Bremseinrichtung eine Mehrzahl von biegefesten Bremshebeln 13 auf, die an einem ersten Ende 14 einen Anschlag 15 besitzen und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende 16 an einer Drehachse 17 drehbar gelagert sind.
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An dem zweiten Ende 16 befindet sich eine Drehfeder 18, die eine Bremskraft auf den jeweiligen Bremshebel 13 ausübt. Die durch die Drehfeder 18 auf den jeweiligen Bremshebel 13 ausgeübte Federkraft (Bremskraft) wirkt dabei im Ausführungsbeispiel der 2 so auf den jeweiligen Bremshebel 13, dass dieser bestrebt ist, sich im Uhrzeigersinn um seine jeweilige Drehachse 17 zu drehen.
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Jeder der Bremshebel 13 steht dabei mit seinem jeweiligen Anschlag 15 mit der Verzahnung des Bremsrings 11 derart im Eingriff, dass der Anschlag 15 formschlüssig in eine Zahnflanke 19 des Bremsrings 11 im Eingriff steht.
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Aufgrund der Federkraft der Drehfeder 18 und des Formschlusses der Anschläge 15 mit der jeweiligen Zahnflanke 19 des verzahnten Bremsrings 11 wird somit ein Bremsmoment auf den Bremsring 11 übertragen, das entgegen der Wirkrichtung des Drehmomentes gerichtet ist. Denn das auf den Bremsring 11 wirkende Drehmoment, das durch ein auf den drehbaren Körper 1 wirkende Drehmoment gebildet wird, hat im Ausführungsbeispiel der 2 eine Wirkrichtung entgegengesetzt des Uhrzeigersinns.
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Die Drehachsen 18 der einzelnen Bremshebel 13 sind dabei in Bezug auf den Bremsring 11 so innerhalb des Bremsrings 11 angeordnet, dass während eines Überschlags eines Bremshebels 13, bei dem der jeweilige Anschlag 15 in eine nachfolgende Zahnflanke 19 eingreift, alle übrigen Bremshebel 13 mit ihren jeweiligen Anschlägen 15 im Eingriff mit ihrer jeweiligen Zahnflanke der Verzahnung verbleiben. Mit anderen Worten, zu einem bestimmten Zeitpunkt kann immer nur ein Bremshebel auf die nächste Zahnflanke 19 überschlagen bzw. überspringen.
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Dies kann bspw. dadurch erreicht werden, dass sämtliche Drehachsen 17 der Bremshebel 13 nicht auf einer gemeinsamen Kreisbahn liegen, deren Mittelpunkt der Mittelpunkt der Drehachse 4 des drehbaren Körpers 1 ist.
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Wie in 2 zu erkennen ist, weist das Verzahnungsprofil 12 eine asymmetrische Zahngeometrie auf.
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3 zeigt eine Rückstelleinrichtung 20, die einen Mitnehmerring 21 hat, der an der Drehachse 4 des drehbaren Körpers 1 drehbar angeordnet ist. Der Mitnehmerring 21 weist eine gewisse Anzahl von Rastnasen 22 auf, und zwar mindestens so viele, wie Bremshebel 13 vorgesehen sind. Wird der Mitnehmerring 21 nun entgegengesetzt der Wirkrichtung des Bremsmomentes gedreht, so greifen die Rastnasen 22 des Mitnehmerrings 21 formschlüssig an den Bremshebeln 13 an und lösen dabei den formschlüssigen Eingriff der Anschläge 15 in den Bremsring 11, indem die Bremshebel entgegen der Federkraft zurückgestellt werden. Hierdurch wird es möglich, den drehbaren Körper 1 von einem entsprechenden Bremsmoment freizustellen, sodass er nunmehr frei um seine Drehachse 4 drehbar ist, wodurch bspw. eine entsprechende Installation eines aufrollbaren Mastes möglich wird. Wird der Mitnehmerring wieder in seine Ursprungsposition zurückgedreht, so bewegen sich sämtliche Bremshebel 13 aufgrund ihrer Federkraft wieder in ihre entsprechende Anschlagsposition, in der das entsprechende Bremsmoment auf den drehbaren Körper 1 ausgeübt wird.
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4 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer Vorrichtung, die eine Entfaltungsmechanik 31 hat, mit der insgesamt vier auf einen Wickelkern 32 aufgerollte längliche Hohlkörper 33 abgerollt und entfaltet werden können, um so bspw. längliche Maststrukturen ausbilden zu können. Die länglichen Hohlkörper 33 sind dabei auf dem Wickelkern 32 in einem ersten Zustand aufgerollt und zusammengedrückt und werden durch Drehen des Wickelkerns 32 in einen zweiten abgerollten und entfalteten Zustand überführt. Im ersten Zustand sind die länglichen Hohlkörper 33 flach zusammengedrückt und sind dabei bandförmig auf dem Wickelkern 32 aufgewickelt bzw. aufgerollt. Durch das Überführen der länglichen Hohlkörper 33 in den zweiten Zustand entfaltet sich dabei der Querschnitt der jeweiligen länglichen Hohlkörper 33, wodurch der entsprechende Hohlraum innerhalb der Hohlkörper 33 ausgebildet wird. Erst dann erreichen die länglichen Hohlkörper 33 ihre entsprechende Formstabilität.
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Die Vorrichtung weist insgesamt vier Stützelemente 34 auf, die zur Stützung des Übergangsbereiches beim Überführen der länglichen Hohlkörper 33 in den zweiten Zustand dienen sollen.
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Der Wickelkern 32 ist als Hohlzylinder ausgeführt, wobei im Inneren des Wickelkerns 32 die erfindungsgemäße Bremseinrichtung 10 angeordnet ist.
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5 und 6 zeigen dabei im Detail die in dem Wickelkern 32 angeordnete Bremseinrichtung 10, wobei in den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 der Bremsring 11 insgesamt zwei Verzahnungsprofile 12a und 12b hat. In dieser Variante weist das erste Verzahnungsprofil 12a eine entsprechende Zahnflankengeometrie auf, an der die Bremshebel zur Übertragung ihres Bremsmomentes entlanggleiten können. Das zweite Verzahnungsprofil 12b weist hingegen entsprechende Anschlagpunkte auf, die eine entsprechende Fläche für das Überspringen der Bremshebel 13 auf die nächste Zahnflanke bzw. den nächsten Zahn bieten. Dadurch werden die Abgleitflächen des ersten Verzahnungsprofils 12a geschont und nutzen sich weniger schnell ab.
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Des Weiteren ist insbesondere in der 6 ein Endlagenschalter 23 zu erkennen, der jedes Mal von dem Bremshebel 13 betätigt wird, kurz bevor der Bremshebel 13 auf die nächste Zahnflanke bzw. den nächsten Zahn des Bremsrings 11 überspringt. Hierdurch kann jedes Überspringen eines Bremshebels auf den nächsten Zahn detektiert werden, sodass unter Kenntnis der Anzahl der Zähne des Bremsrings 11 sowie der Anzahl der detektierten Überschläge des Bremshebels 13 auf die Drehposition des Wickelkerns geschlossen werden kann.
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Hierfür ist es denkbar, dass der Endlagenschalter 23 mit einer entsprechenden Auswerteeinheit, bspw. einer elektronischen Auswerteeinheit, in Verbindung steht, die dann die entsprechende Position des Wickelkerns berechnet.
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7 zeigt das Resultat eines Tests mit einer Bremseinrichtung, wie sie aus den 4 bis 6 bekannt ist. Dabei wird das erzeugte Bremsmoment über den Drehwinkel der Mastspule aufgetragen. Wie zu erkennen ist, weist auch diese Charakterisierung des Bremsmomentes einen entsprechenden sägezahnförmigen Verlauf der Momentenkennlinie auf, wobei jedoch der untere Wert des Bremsmomentverlaufs nie auf Null fällt, sondern sich im Bereich von ca. 70 % des Maximalwertes bewegt. Hierdurch können insbesondere die zum Teil fragilen Elemente einer solchen Mastspule geschont werden und darüber hinaus prozesssicher eine entsprechende Entfaltung gewährleistet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- drehbarer Körper
- 2
- Hohlraum des Körpers
- 3
- Grundstruktur
- 4
- Drehachse
- 10
- Bremseinrichtung
- 11
- Bremsring
- 12
- Verzahnungsprofil
- 12a
- erstes Verzahnungsprofil
- 12b
- zweites Verzahnungsprofil
- 13
- Bremshebel
- 14
- erstes Ende des Bremshebels
- 15
- Anschlag des Bremshebels
- 16
- zweites Ende des Bremshebels
- 17
- Drehachse des Bremshebels
- 18
- Drehfeder/Kraftelement
- 19
- Zahnflanke des Verzahnungsprofils
- 20
- Rückstelleinrichtung
- 21
- Mitnehmerring
- 22
- Rastnase
- 23
- Endlagenschalter
- 31
- Entfaltungsmechanik
- 32
- Wickelkern
- 33
- länglicher Hohlkörper
- 34
- Stützelement
