DE10344240B4

DE10344240B4 - Druckluftbalancer mit Bremse

Info

Publication number: DE10344240B4
Application number: DE2003144240
Authority: DE
Inventors: Manfred Josef Wallner
Original assignee: Individual
Current assignee: Konecranes Lifting Systems GmbH
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: DE10344240A1

Abstract

Druckluftbalancer (1) zum Heben, Halten und Senken einer Last, umfassend:
– eine drehbare und entlang ihrer Drehachse verschiebbare Seiltrommel (4) zum Auf- und Abrollen eines die Last haltenden Seiles (2),
– ein Kugelgewindegetriebe, das eine Axialbewegung eines gasdruckbeaufschlagten Kolbens (7) in eine Drehung und axiale Bewegung der Seiltrommel (4) umwandelt, und
– eine Einrichtung (12) zur Notabbremsung der Seiltrommel (4), mit wenigstens einem mit der Seiltrommel (4) verlaufende Schwenkachse (19) von einer Ruhestellung in eine Bremsstellung bewegbar ist und in Bremsstellung mit einem feststehenden Zylinder (13) einen Reibschluss bildet,
dadurch gekennzeichnet, dass ab einer bestimmten Drehzahl wenigstens ein separates Fliehkraftelement (16) ein Moment erzeugt, so dass der Bremsschuh (15) durch das Fliehkraftelement (16) ab der bestimmten Drehzahl von der Ruhestellung in die Bremsstellung schwenkt, und dass ein durch den Reibschluss erzeugtes Moment den Bremsschuh (15) in der Bremsstellung hält und drückt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckluftbalancer zum Heben, Halten und Senken einer Last.
Ein Druckluftbalancer weist üblicherweise eine drehbare Seiltrommel auf, die entlang ihrer Drehachse verschiebbar angeordnet ist. Durch Drehen der Seiltrommel wird ein Seil abgerollt beziehungsweise aufgerollt, an dem die zu haltende Last hängt. Über ein Kugelgewindegetriebe ist die Seiltrommel mit einem gasdruckbeaufschlagten Kolben verbunden. Das Kugelgewindegetriebe wandelt dabei eine Axialbewegung des Kolbens in eine Drehung und axiale Bewegung der Seiltrommel um.
Um beispielsweise die an dem Seil hängende Last anzuheben, wird der Gasdruck auf den Kolben erhöht, wodurch der Kolben sich axial bewegt. Dies führt zu einer Drehung der Seiltrommel, sodass das Seil aufgerollt wird. Soll hingegen die Last auf einer Höhe gehalten werden, stehen der Gasdruck auf den Kolben und die Schwerkraft der Last im Kräftegleichgewicht. Die Last schwimmt oder schwebt somit auf einem Gas- oder Luftkissen. Aufgrund der Kompressibilität des Gases kann die Last aus ihrer Gleichgewichtslage in einem gewissen Bereich von Hand nach oben oder unten bewegt werden, ohne dass dafür der Gasdruck auf den Kolben neu eingestellt werden muss. Dies erleichtert die Arbeit beim Einbauen und Einlegen von Teilen in Maschinen, da beide Hände frei sind und ein Austarieren des einzubauenden Teils einfach möglich ist.
Bei Druckluftbalancern ist es des Weiteren bekannt, eine Einrichtung zur Notabbremsung der rotierenden Seiltrommel vorzusehen. Löst sich beispielsweise die Last von dem Seil, fehlt dem gasdruckbeaufschlagten Kolben zur Gleichgewichtslage die Gegenkraft, sodass der Kolben durch den daran anliegenden Gasdruck ruckartig axial verschoben wird und die Seiltrommel in schnelle Drehung versetzt. Das Seilende wird dadurch stark beschleunigt, schlägt dabei aus und kann zu Verletzungen oder Beschädigungen führen.
Um dies zu verhindern, weist die Einrichtung zur Notabbremsung gemäß der EP 1 136 423 A1 eine Klinge auf, die in radialer Richtung der Seiltrommel gesehen von einer inneren Ruhestellung in eine Bremsstellung schwenkbar ist. Das Schwenken erfolgt durch Fliehkräfte, die auf die mit der Seiltrommel rotierende Klinge wirkt. In Bremsstellung verkeilt sich die Klinke schlagartig mit einem feststehenden Gehäuse zu einer formschlüssigen Verbindung, wodurch die Drehung der Seiltrommel gestoppt wird. Um den Stoß der schlagartigen Verkeilung für die Seiltrommel abzudämpfen, ist die Klinge mit der Seiltrommel durch eine aufwendige Innenkonus-Außenkonus-Befestigung verbunden, wobei Innenkonus und Außenkonus lediglich axial verspannt sind, um eine gewisse relative Bewegung zueinander zu ermöglichen.
Aus der US 5 522 581 ist eine Einrichtung mit einem federbeaufschlagten Bremsschuh bekannt, der mit der Seiltrommel rotiert und ab einer bestimmten Drehzahl durch Fliehkräfte in eine Bremsstellung bewegt wird, in der eine Reibfläche des Bremsschuhs gegen einen feststehenden Zylinder gedrückt wird. Durch den Reibschluss zwischen Bremsschuh und Zylinder wird die Seiltrommel abgebremst.
Aus der DD-PS 21 675 ist eine Fliehkraftbremse für Bremstrommeln von Seilwinden bekannt. Die Fliehkraftbremse ist ab einer gewissen Drehzahl wirksam, da ab dieser Drehzahl die Bremsflächen durch Fliehkräfte von der Ruhestellung in die Bremsstellung verlagert werden. Dabei wirken die Fliehkräfte direkt auf die Bremsflächen und nicht auf separate Fliehkraftelemente. Weiterhin wird bei stillstand der Seilwinde die Bremswirkung wieder aufgehoben.
Der Bremsschuh weist dabei einen aufwändigen Aufbau auf, da er mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen muss: Zum einen muss er eine ausreichende Masse aufweisen, um bei Rotation genügend Fliehkraft zu entwickeln, die den Bremsschuh rückhaltende Federkraft zu überwinden. Zum anderen müssen die Schwerpunktlage, die Lage der Reibfläche sowie die Lage des Ansatzpunktes für die Federkraft im Bezug zur Schwenkachse des Bremsschuhs genau abgestimmt sein, damit eine Notabbremsung bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl sicher stattfindet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Druckluftbalancer mit einer Einrichtung zur Notbremsung bereitzustellen, die zuverlässig arbeitet und einfach aufgebaute Teile aufweist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung zur Notbremsung weist dabei neben dem Bremsschuh ein zusätzliches Bauteil, ein Fliehkraftelement, auf. Dem Fliehkraftelement kommt die Aufgabe zu, ab einer bestimmten Drehzahl ein Moment zu erzeugen, das den Bremsschuh um seine Schwenkachse in eine Bremsstellung bewegt. Der Bremsschuh ist lediglich so auszulegen, dass, sobald er sich in Bremsstellung befindet, von den auf den Bremsschuh wirdenden Kräfte in der Bremsstellung gehalten wird beziehungsweise weiter in diese gedrückt oder geschwenkt wird.
Auf den Bremsschuh wirken bei einem Reibschluss mit dem feststehenden Zylinder eine zum Zylinder tangentiale Kraft K_t und eine radiale Kraft K_r, wobei die tangentiale Kraft K_t der Reibkraft und die radiale Kraft K_r der Kraft entspricht, mit der der Bremsschuh gegen die feststehende Zylinderfläche gedrückt wird. Die Kraft K_t entspricht dabei dem Produkt aus der radialen Kraft K_r und einem Reibstoffkoeffizienten μ, der, von der Reibpaarung zwischen Bremsschuh und Zylinder abhängt.
Die beiden Kräfte K_t und K_r erzeugen ein Moment um die Schwenkachse des Bremsschuhs. Die Reibpaarung zwischen Bremsschuh und feststehendem Zylinder sowie die Anordnung zwischen Schwenkachse des Bremsschuhs sowie der Kontaktstelle von Bremsschuh und Zylinder sind so ausgelegt, dass das Moment der Kräfte K_t und K_r den Bremsschuh in der Bremsstellung halten beziehungsweise den Bremsschuh weiter in die Bremsstellung drücken. Dies bewirkt, dass die Reibkräfte weiter ansteigen, wodurch wiederum das Moment der Reibkräfte um die Schwenkachse ansteigt. Der Bremsschuh ist daher eine selbsthemmende Klemmsperre, der die Seiltrommel zuverlässig und schnell abbremst.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der feststehende Zylinder als zur Seiltrommel koaxiales Seilführungsgehäuse ausgebildet, in dem der Bremsschuh angeordnet ist. Der Bremsschuh rotiert dabei in dem Seilführungsgehäuse zusammen mit der Seiltrommel mit gleicher Drehzahl. In der Bremsstellung wird der Bremsschuh in radialer Richtung nach außen gegen eine innere Mantelfläche des Seilführungsgehäuses gedrückt.
Der Bremsschuh umfasst vorzugsweise einen Reibbelag, der verschleißfest ist und in Zusammenwirkung mit dem Material des feststehenden Zylinders einen hohen Reibkoeffizienten aufweist. Vorzugsweise weist der Reibbelag eine gekrümmte Reiboberfläche auf, deren Krümmung im Wesentlichen der Krümmung der inneren Mantelfläche des Seilführungsgehäuses entspricht. In Bremsstellung führt dies zu einer großen Kontaktfläche zwischen Bremsschuh und Seilführungsgehäuse, was eine sichere und schnelle Notabremsung begünstigt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden der Reibbelag des Bremsschuhs und die innere Mantelfläche des Seilführungsgehäuses einen keilförmigen Reibschluss. Dadurch werden die Bremskräfte begrenzt, zu große Stöße vermieden und eine weichere Blockierung der Seiltrommel ermöglicht.
Vorzugsweise hält eine Feder den Bremsschuh in der Ruhestellung. Das durch die Feder erzeugte Rückhaltemoment um die Schwenkachse des Bremsschuhs muss daher durch das Moment, das das Fliehkraftelement auf den Bremsschuh ausübt, überwunden werden, damit der Bremsschuh in die Bremsstellung schwenkt.
Durch geeignete Auswahl der Federkonstanten und/oder der Vorspannung der Feder kann die Drehzahl der Seiltrommel, ab der das durch das Fliehkraftelement erzeugte Moment größer ist als das Rückhaltemoment genau eingestellt werden.
Das Fliehkraftelement kann um eine Schwenkachse bewegbar sein, die parallel zur Drehachse der Seiltrommel und damit auch parallel zur Schwenkachse des Bremsschuhs verläuft. Somit kann die auf das Fliehkraftelement wirkende Fliehkraft optimal für das Auslenken des Bremsschuhs genutzt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Bremsschuh eine Auflagefläche für das Fliehkraftelement auf. Die Auflagefläche ist vorzugsweise in radialer Richtung des feststehenden Zylinders nach innen gerichtet. Dies heißt, dass das Fliehkraftelement mit einer korrespondierenden Fläche in radialer Richtung innen am Bremsschuh anliegt. Eine Feder, die den Bremsschuh in der Ruhestellung hält, hält somit auch das Fliehkraftelement in einer radial gesehen inneren Ruhestellung. Folglich ist nur eine Feder notwendig, beide Bauteile in ihrer entsprechenden Ruhestellung zu halten.
Vorzugsweise sind die Schwenkachsen des Bremsschuhs und des Fliehkraftelements in einem Quadranten des feststehenden Zylinders angeordnet und die Auflagefläche in einem benachbarten Quadranten. Diese Anordnung ermöglicht bei einem gegebenen Zylinderdurchmesser vergleichsweise große Momente um die Schwenkachsen, sodass die für das Fliehkraftelement notwendige Masse gering gehalten werden kann. Auch ist es zweckmäßig, den Ansatzpunkt der Federkraft für den Bremsschuh in dem benachbarten Quadranten anzuordnen, damit mit möglichst kleiner Feder eine hohes Rückhaltemoment erzeugt werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel sind wenigstens zwei Bremsschuhe vorgesehen, die jeweils in einer Drehrichtung der Seiltrommel zur Notabbremsung führen. Dadurch ist ein besonders sicherer Betrieb des Druckluftbalancers möglich.
Anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
1 einen Druckluftbalancer im Längsschnitt;
2 eine Einrichtung zur Notabbremsung; und
3 die Einrichtung zur Notabbremsung der 2 in Bremsstellung.
1 zeigt einen Druckluftbalancer im Längsschnitt, der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Der Druckluftbalancer 1 umfasst einen Zylindermantel 2 und seitlich montierte Abschlussdeckel 3. In dem Druckluftbalancer 1 ist eine drehbare und entlang ihrer Drehachse verschiebbare Seiltrommel 4 angeordnet. Über ein Kugelgewindegetriebe, bestehend aus einer Kugelrollspindel 5 und einer Kugelmutter 6 wird eine axiale Bewegung eines Kolbens 7 in eine Drehung und axiale Bewegung der Seiltrommel 4 umgewandelt.
Der Kolben 7 begrenzt zusammen mit einem der Abschlussdeckel 3, einem Teil des Zylindermantels 2 und einem Teil der Kugelrollspindel 5 eine Kammer 8, in die ein Druckmedium, vorzugsweise Luft, geleitet werden kann. Wird die Kammer 8 mit Druckluft beaufschlagt, wird der Kolben 7 axial verschoben. Dabei drückt er gegen die axial verschiebbare Seiltrommel 4 über ein Axialkugellager 9, das eine relative Drehung zwischen Kolben 7 und Seiltrommel 4 zulässt. Aufgrund des Zusammenwirkens der feststehenden Kugelrollspindel 5 und der Kugelmutter 6, die drehfest mit der Seiltrommel verbunden ist, dreht sich durch die axiale Verschiebung die Seiltrommel 4 um ihre eigene Achse.
Die Steigung einer in der 1 nicht dargestellten Kugelrollbahn in der Kugelrollspindel 5 ist dabei so bemessen, dass ein auf der Seiltrommel 4 aufgerolltes Seil (nicht dargestellt) immer an einer gleichen Seilaustrittsöffnung 10 heraustritt.
An einem dem Kolben 7 abgewandten Ende 11 der Seiltrommel 4 ist eine Einrichtung zur Notabbremsung der Seiltrommel angeordnet. Die Einrichtung ist in 1 nur schematisch dargestellt und ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Die Einrichtung 12 ist drehfest mit der Seiltrommel 4 verbunden. Die Seiltrommel 4 und die Einrichtung 12 sind in einem feststehenden Zylinder 13 angeordnet, der hier als zur Seiltrommel koaxiales Seilführungsgehäuse ausgebildet ist.
Zum Einhängen oder Verbinden des Druckluftbalancers 1 in eine in der 1 nicht dargestellten Führungsschiene oder dergleichen ist eine Halterung 14 vorgesehen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass in 1 der Kolben 7 maximal ausgelenkt ist. In diesem Fall hat die an dem Seil hängende Last eine maximale Höhe erreicht. Durch Ablassen von Druckluft aus der Kammer 8 kann die Last abgesenkt werden, wobei der Kolben soweit axial verschoben werden kann, bis er an dem in 1 rechten Abschlussdeckel 3 zur Anlage kommt.
2 zeigt die wesentlichen Bauteile der Einrichtung 12 im Querschnitt, d.h. entlang der in der 1 gestrichelten Linie II-II. Ein Bremsschuh 15 und ein Fliehkraftelement 16 sind drehfest mit der Seiltrommel 4 verbunden, sodass sie bei Drehung der Seiltrommel 4 um eine in die 2 hineinragende Achse 17 (diese entspricht der Drehachse der Seiltrommel 4) rotieren. 2 zeigt den Bremsschuh 15 in einer Ruhestellung, in der ein Reibbelag 18 das feststehende Seilführungsgehäuse 13 gerade nicht berührt. Der Bremsschuh 15 ist um eine parallel zur Achse 17 verlaufende Schwenkachse 19 bewegbar. Eine Feder 20 hält den Bremsschuh 15 in der in der 2 gezeigten Ruhestellung.
Auch das Fliehkraftelement 16 weist eine Schwenkachse 21 auf, die parallel zur Achse 17 beziehungsweise zur Drehachse der Seiltrommel 4 verläuft. Wird nun die Seiltrommel 4 in Drehung versetzt, wirkt auf das Fliehkraftelement 16 um die Schwenkach se 21 eine radial nach außen wirkende Fliehkraft. Dadurch drückt das Fliehkraftelement 16 gegen eine in radialer Richtung nach innen gerichtete Auflagefläche 22 des Bremsschuhs 15. Ist ein Moment aufgrund der auf die Auflagefläche 22 drückenden Kraft größer als ein Rückhaltemoment der Feder 20, wird der Bremsschuh 15 aus der Ruhestellung um die Schwenkachse 19 in eine Bremsstellung geschwenkt. Diese Bremsstellung ist in 3 dargestellt. In der Bremsstellung steht das auf der Seiltrommel 4 aufgerollte Seil 23 still.
Der Bremsschuh 15 liegt mit dem Reibbelag 18 an dem zylindrischen Seilführungsgehäuse 13 an. Durch den Reibschluss zwischen Bremsschuh 15 und dem Seilführungsgehäuse 13 wirken auf den Bremsschuh 15 Kräfte, die zu einer Notabbremsung der Seiltrommel 4 führen. Dies gilt, wenn sich die Seiltrommel 4 mit dem Bremsschuh 15 und dem Fliehkraftelement 16 gegen den Uhrzeigersinn drehen. Auf den Bremsschuh 15 wirken dabei eine radiale Kraft Fr oder Normalkraft 24 und eine Tangentialkraft 25, wobei das Verhältnis von Tangentialkraft 25 zur Normalkraft 24 durch den Reibkoeffizienten der Reibpaarung zwischen Reibbelag 18 und dem Seilführungsgehäuse 13 gekennzeichnet ist. Wie der 3 zu entnehmen ist, erzeugt die Resultierende 26 aus Normalkraft 24 und Tangentialkraft 25 ein Moment um die Drehachse 19 des Bremsschuhs 15, das den Bremsschuh in der Bremsstellung hält beziehungsweise weiter in die Bremsstellung schwenkt. Somit weist der Bremsschuh 15 eine Klemmwirkung auf, die zu einer sicheren Abbremsung der Seiltrommel 4 führt, sobald ein Kontakt zwischen Reibbelag 18 und Seilführungsgehäuse 13 hergestellt worden ist. Zu beachten ist, dass das Moment durch die Resultierende 26 um die Schwenkachse 19 größer sein muss als das Rückhaltemoment durch die Feder 20, um eine sichere Notabbremsung zu gewährleisten.

1: Druckluftbalancer
2: Zylindermantel
3: Abschlussdeckel
4: Seiltrommel
5: Kugelrollspindel
6: Kugelmutter
7: Kolben
8: Kammer
9: Axialkugellager
10: Seilaustrittsöffnung
11: Ende
12: Einrichtung
13: Seilführungsgehäuse
14: Halterung
15: Bremsschuh
16: Fliehkraftelement
17: Achse
18: Reibbelag
19: Schwenkachse
20: Feder
21: Schwenkachse
22: Aufladefläche
23: Seil
24: Normalkraft
25: Tangentialkraft
26: Resultierende

Claims

Druckluftbalancer (1) zum Heben, Halten und Senken einer Last, umfassend: – eine drehbare und entlang ihrer Drehachse verschiebbare Seiltrommel (4) zum Auf- und Abrollen eines die Last haltenden Seiles (2), – ein Kugelgewindegetriebe, das eine Axialbewegung eines gasdruckbeaufschlagten Kolbens (7) in eine Drehung und axiale Bewegung der Seiltrommel (4) umwandelt, und – eine Einrichtung (12) zur Notabbremsung der Seiltrommel (4), mit wenigstens einem mit der Seiltrommel (4) verlaufende Schwenkachse (19) von einer Ruhestellung in eine Bremsstellung bewegbar ist und in Bremsstellung mit einem feststehenden Zylinder (13) einen Reibschluss bildet, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer bestimmten Drehzahl wenigstens ein separates Fliehkraftelement (16) ein Moment erzeugt, so dass der Bremsschuh (15) durch das Fliehkraftelement (16) ab der bestimmten Drehzahl von der Ruhestellung in die Bremsstellung schwenkt, und dass ein durch den Reibschluss erzeugtes Moment den Bremsschuh (15) in der Bremsstellung hält und drückt.
Druckluftbalancer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende Zylinder (13) als zur Seiltrommel (4) koaxiales Seilführungsgehäuse (13) ausgebildet ist, in dem der Bremsschuh (15) angeordnet ist.
Druckluftbalancer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsschuh (15) einen Reibbelag (18) mit einer gekrümmten Reiboberfläche aufweist, deren Form im Wesentlichen der Krümmung einer inneren Mantelfläche des Seilführungsgehäuses (13) entspricht.
Druckluftbalancer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibbelag (18) des Bremsschuhs (15) und der feststehende Zylinder (13) einen keilförmigen Reibschluss bilden.
Druckluftbalancer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (20) den Bremsschuh (15) in der Ruhestellung hält.
Druckluftbalancer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fliehkraftelement (16) um eine Schwenkachse (21) bewegbar ist, die parallel zur Drehachse (17) der Seiltrommel (4) verläuft.
Druckluftbalancer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsschuh (15) eine in radialer Richtung des feststehenden Zylinders (13) nach innen gerichtete Auflagefläche (22) für das Fliehkraftelement (16) aufweist.
Druckluftbalancer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachsen des Bremsschuhs und des Fliehkraftelements (19, 21) in einem Quad ranten der Seiltrommel (4) angeordnet sind und die Auflagefläche (22) in einem benachbarten Quadranten.
Druckluftbalancer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bremsschuhe (15) vorgesehen sind, die in jeweils einer Drehrichtung der Seiltrommel (4) zur Notabbremsung führen.