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Bremsvorrichtung zum Abbremsen einer rotierenden Welle Die Erfindung
bezieht sich auf eine Bremsvorrichtung zum Abbremsen einer rotierenden Welle mit
einer Bremsscheibe und mit dieser zusammenwirkenden Bremsbacken mit Reibbelag, die
durch eine Bremsbackenbewegungseinrichtung in eine Bremsstellung und in eine Büftstellung
bringbar sind sowie mit einer automatischen Nachstelleinrichtung zum Konstanthalten
des Ltiftspieles unabhängig vom Belagabrieb.
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Die Bremsscheibe einer solchen Bremsvorrichtung kann eine Scheibe
mit zylindrischer Reibfläche oder ebener Reibfläche sein. Bremsen mit zylindrischer
Reibfläche, die meist verwendet werden, werden auch BaNhenbremsen genannt, während
Bremsen mit ebener Reibfläche als Scheibenbremsen bezeichnet werden. Die Bremsbackenbewegungseinrichtung
kann verschieden gebaut sein. So kann die Bremskraft durch
die Hubkraft
eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders oder durch die Kraft eines Magneten oder
eines Elektromotors erzeugt werden.
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Aus Sicherheitsgründen werden häufig Bremsbackenbewegungseinrichtungen
verwendet, bei denen die Bremskraft durch eine Feder erzeugt und die Lüftung durch
ein Kraftelement, z. B. einen Elektromagneten bewirkt wird. Bei Ausfall des Stromes
wird dann stets die BremBstellung eingenommen.
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Bei bekannten Bremsvorrichtungen der genannten Art ist die Tätigkeit
der Bremsbakenbewegungseinrichtung unabhängig von der kinetischen Energie, die durch
die Bremsung vernichtet werden soll.
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Die Andrückkraft der Bremsbacken an die Bremsscheibe wird durch die
einmal eingestellte Kraft der Bremsbackenbewegungseinrichtung, also z. B. die Kraft
einer Bremsfeder bestimmt. Da die Energievernichtung der Bremse im wesentlichen
gleich dem Produkt aus Reibkraft und Reibungsweg ist, ist die Anzahl der Umdrehungen,
die die Scheibe zwischen dem Beginn der Bremsung und dem Stillstand der Bremsscheibe
ausführt, im wesentlichen proportional zu der zu vernichtenden kinetischen Energie.
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Bremsen müssen häufig in Anlagen eingesetzt werden, in denen einerseits
die bei einer Bremsung zu vernichtende Energie und andererseits auch das einer Bremsung
entgegenwirkende Rückdrehmoment an der abzubremsenden Welle stark wechseln. Wenn
es auf die Einhaltung eines bestimmten Bremsweges nicht ankommt, können verschieden
lange Bremswege in Kauf genommen werden. Immer ist
dies aber nicht
möglich. Ein Beispielt bei dem es auf möglichst genaue Einhaltung eines bestimmten
Bremsverlaufes ankommt, ist der Antrieb einer Rolltreppe. Die abzubremsende kinetische
Energie und das durch das Treppengewicht und die Belastung der Treppe auf den elektrischen
Antriebsmotor einwirkende Rückdrehmoment sind von der jeweiligen Belastung der Treppe
abhängig. Unabhängig von der jeweiligen Belas;tung-soll aber z. B. bei Notbremsungen
ein weicher Bremsverlauf gewährleistet sein, nämlich ein solcher Bremsverlauf, daß
bei der Bremsung kein Ruck entsteht, durch den auf der Treppe befindliche Personen
zu Fall kommen könnten, Andererseits soll der Bremsweg ausreichend kurz sein. Es
ist deshalb nicht möglich, die Bremse so einzustellen, daß bei de? geringsten Belastung
der Treppe ein genügend weicher Bremsverlauf gewährleistet ist, weil dies zur Folge
hätte, daß der Bremsweg bei belasteter Treppe zu lang würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremsvorrichtung der
eingang ienannten Art so åszubilden, daß unabhängig von der bei der Bremsung zu
vernichtenden Energie und unabhängig von dem an der Welle der Bremsscheibe wirkenden
Moment ein bestimmter Verlauf der Bremsung eingehalten wird.
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Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung ist gekennzeichnet durch ein
Drehzahl-Meßgerät zur Messung der Drehzahl der.abzubremsenden rotierenden Welle*
einen Sollwert-Geber zur Steuerung der prehæahlabnahme der rotierenden Welle in
Abhängigkeit von der ab dem Beginn einer Bremsung verflosssnenZeit, ein auf die
Bremsbacken
-Bewegungseinrichtung einwirkendes Stellglied zur Steuerung
der AndrUckkraft der Bremsbacken an die Bremsscheibe und eine dem Stellglied vorgeschaltete
Drehzahl-Vergleichseinrichtung zum Vergleich des vom Drehzahl-Meßgerät angegebenen
Ist-Wertes mit dem vom Sollwert-Geber angegebenen Soll-Wert, wobei die Drehzahl-Vergleichseinrichtung
bei Differenzen zwischen Ist-Wert und Soll-Wert das Stellglied im Sinne einer Zurückführung
der Drehzahl auf den Soll-Wert beeinflußt.
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Bei einer solchen Bremsvorrichtung wird unabhängig von der zu vernichtenden
Energie und von dem an der abzubremsenden Welle angreifenden Rückdrehmoment stets
ein Bremsverlauf eingehalten, der durch den Sollwert-Geber definiert wird. Im Prinzip
enthält die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung eine Drehzahl-Regelvorrichtung, wobei
der Verlauf der Drehzahl über der Zeit unabhängig von den Bremsbedingungen bleibt,
d. h. unabhängig von der Größe der zu vernichtenden Energie und unabhängig vom Rückdrehmoment
an der abzubremsenden Welle. Dies wird dadurch erreicht, daß die Drehahl der abzubremsenden
Welle in Jedem Augenblick gemessen und mit der Drehzahl verglichen wird, die der
Sollwert-Geber vorschreibt. Die Drehzahl-Vergleichseinrichtung, die Soll-Wert und
Ist-Wert vergleicht, gibt dann, wenn der Ist-Wert zu hoch ist, d. h. die Abbremsung
nicht genügend war, einen solchen Befehl an das Stellglied* daß die Bremsbacken
stärker an die Bremsscheiben angedrückt werden. Wenn umgekehrt die Wel--le zu langsam
läuft, also zu stark abgebremst wurde, gibt die
Drehzahl-Vergleichseinrichtung
einen solchen Befehl an das Stellglied, daß die Bremskraft herabgesetzt wird. Dadurch
läßt sich eine enge Anpassung des tatsächlichen Bremsverlaufs- anden Bremsverlauf
erzielen, der vom Sollwert-Geber vorgegeben wird.
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Dieser Soll-Wert kann entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen gewählt
werden. Einen ehr-weichen Bremsverlauf erhält man dann, wenn der Sollwert-Geber,
einenach einer Cosinus-Punktion verlau-endeh Soll-Wert-Kurve vorschreibt. Eine Cosinus-Funktion
hat an ihrem Antäng eine waagerechte Tangente, die bis zu, einem Wendepunkt hin
immer steiler verläuft und dann wieder langsam in eine waagerechte Lage übergeht.
Dies bedeutet einen weichen Anfang und ein weiches Ende der Bremsung.
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-Die Bremsbcken-Bewegungseinrichtungkann'in an sich bekannter Weise
als die Bremskraft erzeugendes bzw. die Bre'Jnskraft verminderndes Glied einen Elektromagneten
oder Elektromotor aufweisen. Erfindungsgemäß steuert dann das Stellglied den Mittelwert
der am Elektromagneten oder Elektromotor anliegenden Spannung. Im Fälle einer Bremse,
bei der das die Bremskraft erzeugt gende Glied eine Feder mit im wesentlichen linearer
Kennlinie ist, wird zur Lüftung der Bremse und zur Verminderung der Bremskraft vorzugsweise
ein der Feder entgegenwirkender Elektromagnet mit im wesentlichen waagerechter Hubweg-Hubkraft-Kennlinie
verwendet.
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Die Bremskraft kann in beiden Fällen durch Beeinflussung des Elektromagneten
bzw Elektromotors geregelt werden. In dem Fall,
in dem die Bremskraft
unmittelbar durch den Motor oder Magneten ausgeübt wird, wird bei Erhöhung der Bremskraft
der Mittelwert der Spannung am Motor oder Magneten erhöht, während im zweiten Fall,
in dem ein Magnet die Aufgabe hat, die Bremskraft zu vermindern wird dann, wenn
die Bremskraft erhöht werden soll, die am Magneten anliegende mittlere Spannung
verringert. Auf beide Arten ist eine gleich exakte Steuerung der Bremse möglich.
Wie schon eingangs erwähnt, hat eine Bremse, bei der die Bremskraft durch eine Feder
erzeugt wird den Vorteil einer großen Punktionssicherheit, weil bei Stromausfall
stets die Bremsstellung eingenommen wird.
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Das Drehzahl-Meßgerät git bei einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ein der Drehzahl proportionales elektrisches Signal ab und der Sollwert-Geber
und die Drehzahl-Vergleichseinrichtung sind elektronische Geräte. Das Drahzahl-Meßgerät
kann z. B. ein Tachogenerator sein und das Stellglied ein Thyristor. Die Drehzahl-Vergleichseinrichtung
ist vorteilhafterweise ein elektronischer Regelverstärker mit Rückführnetzwerk.
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Bei einer solchen elektronischen Regeleinrichtung wird auch ein Sollwert-Geber
verwendet, der elektronische Impulse abgibt.
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Eine elektronische Regeleinrichtung hat den Vorteil einer geringen
Trägheit, so daß sich eine enge Anpassung der Bremskurve an die Sollwert-Kurve erzielen
läßt. Grundsätzlich sind aber auch
hydraulische oder pneumatische
Regeleinrichtungen verwendbar.
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Auch gemischte Einrichtungen, z. B. eine teils-elektrische, teils
hydraulische Einrichtung ist denkbar. Besonders dann, wenn die Bremstacken-Bewegungseinrichtung
hydraulisch oder pneumatisch arbeitet, wird man eine hydraulische oder pneumatische
Regeleinrichtung verwenden. Das Drehzahl-Meßgerät könnte in diesem Pall z. B. eine
Zahnradpumpe sein, deren Fördermenge der Drehzahl proportional ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Bremsvorrichtung schematisch dargesbilt. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild einer
Bremsvorrichtung mit elektronischer Regeleinrichtung, Fig. 2 eine schematische Darstellung
einer Bremse wahrend des Bremsens und Fig. 3 eine Teildarstellung der Bremse bei
gelösten Bremsbacken.
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In Fig. 1 iat die Bremse 1 schematisch dadurch ihre Bremsscheibe 2
und einen Bremsbacken 3 dargestellt. Die Fig. 2 und 3 zeigen die Bremse genauer.
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Die Bremsscheibe 2 sitzt drehfest auf einer Welle, deren Zentrum bei
4 angedeutet ist. An um -1800 gegeneinander versetzten Stellen der Bremsscheibe
wirken auf deren Umfang Bremsbacken 3 und 3' ein,
die an Bremshebeln
5, 5' sitzen, welche bei 6, 6' an einer Basis 7 drehbar gelagert sind. Die oberen
Enden der Bremshebel 5, 5' sind durch die insgesamt mit 8 bezeichnete Bremsbacken-Betätigungseinrichtung
miteinander verbunden.
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Die Bremsbacken-Betätigungseinrichtung hat einen Büftmagneten 9 mit
Gehäuse 10, in dem sich die Magnetwicklung befindet und einem Kern 11, der relativ
zum Gehäuse 10 beweglich ist. Im Abstand vom Gehäuse 10 ist eine Platte 12 gelagert,
an der sich das rechte Ende einer Bremsfeder 13 abstützt, deren linkes Ende auf
einem Federteller 14 aufliegt, der fest mit einer Stange 15 verbunden ist, die bei
16 an den Bremshebel 5' angelenkt ist.
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Das Gehäuse 10 des Magneten 9 ist bei 17 an dem Bremshebel 5 angelenkt.
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Zur Bremsbacken-Betätigungseinrichtung gehört auch die insgesamt mit
18 bezeichnete Nachstellvorrichtung. Diese Nachstellvorrichtung kann ein Klinkenrad
19 aufweisen, mit dem eine an einem Hebel 20 sitzende nicht dargestellte Klinke
zusammenwirkt.
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Wenn der iüftmagnet 10 stromlos ist, kann die Bremsfeder 13 sich ausdehnen
und über den FedertelLer 14 die Stange 15 nach links drücken. Hierdurch wird der
Abstand zwischen den Gelenkpunkten 16 und 17 verringert und die Bremsbacken 3, 3'
legen sich an die Bremsscheibe 2 an. Die Federkraft F ist dann als Bremskraft wirksam.
Wird der Magnet erregt, so wird der Magnetkern 11 aus dem
Gehäuse
10 herausgedrückt(siehe Fig. 3). Die Kraft P, die der Magnet ausüben kann, ist größer
als die Kraft der Feder, so daß diese zusammengedrückt werden kann, wobei sich die
Gelenkpunkte 16 und 17 voneinander entfernen und hierbei die Brembacken 3, 3' von
der Bremsscheibe 2 gelöst werden.
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Nach einer kleinen Abnutzung der Bremsbeläge von z. B. 0,1 mm hintergreift
die Sperrklinke am Hebel 20 einen Zahn am Klinkenrad 19 und dreht dieses eiiyirleines
Stück, wodurch in nicht dargestellter Art und Weise die Stange 15 etwas verkürzt
wird. Das Lüftspiel-wird dadurch verkleinert. Es kann dadurch einen vorgegebenen
Wert um nicht mehr überschreiten als z. B. 0,1 mm oder einen--anderen zugelassenen'
Toleranzwert.
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Der Magnet 9 hat eine lineare Kennlinie, d. h. die bei Erregung erzielte
Kraft ist über den gesamten Hubbereich im wesentlichen gleich, wenn der Magnet mit
einem Strom bestimmter Größe erregt wird. Bei Verringerung-des-Stromes verringert
sich die Hubkraft und bei Vergrößerung des Stromes erhöht sich die Hubkraft bis
zu einem oberen Grenzwert. Die Bremsfeder 13 hat wie gewöhnlich eine lineare Charakteristik,
d.h. ihre Kraft ist proportional zu ihrer Zusammendrückung.
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Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, sitzt die Bremsscheibe
2 auf der Welle 21 eines Elektromotrs 22. Auf der gleichen Welle sitzt einTachogenerator
23 als Drehzahl-Meßgerät.
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Zu der elektronischen Regeleinrichtung gehört ein Sollwert-Geber 24,
ein Regelverstärker 25, ein Rückführnetzwerk 26, ein Gittersteuersatz 27 und ein
Thyristor-Stellglied 28.
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Fig. 1 zeigt, daß der Ausgang des Tachogenerators 23 über eine Leitung
29 an den Regelverstärker 25 herangefuhrt ist, in den auch der Ausgang des Sollwert-Gebers
24 mündet. Parallel zum Regelverstärker ist das Rückführ--netzwerk 26 geschaltet,
durch das ein PID-Regler gebildet wird. Der Verstärker 25 wirkt auf den Gittersteuersatz
27 ein und dieser wiederum auf das Thyristor-Stellglied 28. Das Thyristor-Stellglied
28 bestimmt die Stromzufuhr zum Magneten 9.
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Der Sollwert-Geber 24 liefert einen Sollwert in Form einer elektrischen
Spannung, die nach einer Cosinus-Kurve 30 verläuft.
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Die Zeit ta auf der Abszisse, über der die Kurve 30 gezeichnet ist,
g2* die Bremszeit an.
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Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung arbeitet wie folgt.
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Vor der Bremsung sind die Bremsbacken 3, 3' von der Bremsscheibe 2
abgehoben, wobei der Bremsmagnet 9 voll unter Strom steht, so daß seine Kraft genügend
groß ist, um die Feder 13 zusammenzudrükken. In der elektronischen Regelvorrichtung
ist der Ist-Wert abgesohaMbt, d. h. er hat keinen Einfluß auf den Regelverstärker
25.
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Der Sollwert-Geber 24 wirkt mit seiner größten Ausgangsspannung auf
den Regelverstärker 25 ein, der dadurch übersteuert wird.
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Dies bedeutet eine maximale Erregung des Magneten 9 und damit eine-
ständige Lüftung der Bremsbacken.
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Wenn z. B. an einem Druckknopf das Signal "aus " gegeben wird, wird
der vom Tachogenerator 25gegebene Ist-Wrt an den Regelverstärker 25 herangeführt
und gleichzeitig wird auch der Sollwer.t-Geber 24 eingeschaltet. Am Regelverstärker
25 wird nun dauerndverglichen, ob der-Ist-Wert mit dem Wert übereinstimmt, der gemäß
dem Sollwert-Geber in dem betrachteten Augenblick vorhanden sein soll. Ist eine
Differenz vorhanden, so entsteht am Ausgang des Regelverstärrs 25 ein Signal, das
den Gittersteuersatz so beeinflußt, daß dieser an das Thyristor-Stellglied einen
Befehl geht, der zu einer Verstärkung oder einer Schwächung der Erregung des Magneten
führt. Hierdurch wird die Bremskraft verstärkt, d-.h. die Brregung desMagneten geschwächt,
wenn der Ist-Wert-zu hoch ist oder es wird die Bremskraft verringert, d.h. die Magneterregung
vergrößert,, wenn die Bremsung zu stark ist. Durch diese Vorgänge wird ein Bremsverlauf
entsprechend dem Sollwert-Geber erzielt.-Ist die Bremsscheibe 2 völlig zum Stillstand
gekommen, so wird der Magnet vollstandig spannungslos gemacht, so daß die Bremsfeder
13 ihre maximale Bremskraft ausüben kann. Hierdurch wird verhindert, daß die.Bremsscheibe
durch ein Rückdrehmoment, das
z. B. durch eine Rolltreppe oder
eine Last an einem Kran ausgeübt werden kann, gedreht wird.
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Bei der Einjustierung der Regelvorrichtung wird mit Hilfe eines Spannungsteilers
eine Abstimmung zwischen Ist-Wert und Soll-Wert derart vorgenommen, daß die Entregung
des Magneten im gewünschten Maße erfolgt. Durch die Verwendung einer Bremse mit
selbsttätiger Nachstellvorrichtung .18 wird die Bremscharakteristik stets beibehalten,
da ja der Magnet durch die Konstanthaltung des Lüftspieles immer im gleichen Bereich
arbeitet.