DE29802063U1

DE29802063U1 - Polreibungsbremse

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Publication number: DE29802063U1
Application number: DE29802063U
Authority: DE
Original assignee: Binder Magnete GmbH
Current assignee: Kendrion Binder Magnete GmbH
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2008-02-07

Description

WESTPHAL- MUSSGNUG &·

PATENTANWÄLTE· EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

125

bin

Binder Magnete GmbH

Mönchweilerstr. 1 D-78048 VS-Villingen

Polreibungsbremse

Die Erfindung betrifft eine .Polreibungsbremse mit einem Innenpol, einem Außenpol, einem eine Reibfläche aufweisenden Anker, welcher zur Kraftübertragung wahlweise mit einer Reibfläche des Außenpols und/oder einer Reibfläche des Innenpols in reibschlüssigen Kontakt bringbar ist, und einem zusätzlichen Reibwerkstoff mit einer zusätzlichen Reibfläche, wobei die Reibflächen des Innenpols, des Außenpols und des zusatz-0 liehen Reibwerkstoffes jeweils einen Reibradius von Rl, R2 und R3 aufweisen.

Bei Polreibungsbremsen oder Polreibungskupplungen wird die magnetische Kraftwirkung zur Erzeugung von Drehmomenten zur Kraftübertragung ausgenutzt. Die Anwendung erfolgt im wesentlichen in den Bereichen Feinwerktechnik (Büromaschinen), Fahrzeugtechnik (Pkw, Lkw ) und Maschinenbau (NC-Maschinen, Industrieroboter). Man unterscheidet zwischen schließenden und öffnenden Kupplungen bzw. Bremsen. Bei den schließenden 0 Geräten wird beim Einschalten infolge der elektromagnetischen Kraftwirkung ein Drehmoment erzeugt. Das Drehmoment entsteht

D-78048 VS-Villingen · Waldstrasse 33 ■ Telefon 07721 88380 · Telefax 07721 883850

durch Reibung des angezogenen Ankers auf den Magnetpolen. Dabei gilt allgemein:

M = F ■ r . &mgr;, wobei

M= Drehmoment (Bremse-Kupplung)

F = Magnetkraft
&mgr; = Reibwert
r = mittlerer Reibradius

Bei den öffnenden Geräten wird infolge der Kraftwirkung des Magnetflusses eines Permanentmagneten das Drehmoment im stromlosen Zustand erzeugt. Beim Einschalten wird der Magnetfluß des Permanentmagneten durch den über eine Spule erzeugten elektromagnetisch erzeugten Magnetfluß verdrängt bzw. über einen definierten magnetischen Nebenschluß umgeleitet.

Das Drehmoment gemäß der o.a. Formel wird dann aufgehoben und der Anker wird über einen definierten Luftspalt über die Kraft von Blattfedern zurückgezogen, so daß er sich danach restmomentfrei durchdrehen kann.

Es gibt Konstruktionen, bei denen die Reibung nicht ausschließlich auf den Magnetpolen erfolgt, sondern zusätzlich ein Reibwerkstoff zwischen den Magnetpolen angeordnet ist, so daß Mischreibung vorliegt. In diesem Fall sind die Magnetpole und Reibwerkstoffe infolge der Reibarbeit beim Abbremsen (bzw. beim Beschleunigen bei Kupplungen) Verschleiß unterworfen .

Um im praktischen Betriebszustand ein stabiles Drehmoment zu 0 erhalten, müssen die Bremsen zuvor einem Einreibvorgang un-

terzogen werden. Ein solcher Einreibvorgang ist erst dann abgeschlossen, wenn Planheit bzw. Höhentoleranz in den Reibebenen (Fertigungstoleranzen) zwischen Anker und Polflächen ausgeglichen und diese sich infolge Abrieb gegenseitig genau angepaßt haben. Weiter muß sich am Anker und an den Polflächen ein entsprechendes stationäres Verschleißbild eingestellt haben, das dem im praktischen Betrieb entspricht, so daß keine unzulässig hohen Reibwert- bzw. ReibmomentSchwankungen entstehen können.

Der Anker ist als konzentrischer Ring mit Blattfedern, Ringfedern oder Membranen über eine Nabe oder dergleichen mit der abzubremsenden bzw. anzukuppelnden Welle befestigt. Die Blattfedern haben dabei die Aufgabe, den angezogenen Anker, nach dem Abschalten bzw. beim Einschalten der Spule bei Permanentmagnet-Bremsen, von den Polen axial abzuheben, so daß sich der Antrieb restmomentfrei durchdrehen kann. Weiter haben die Blattfedern die Aufgabe die Welle im gebremsten Zustand verdrehspielfrei exakt in Position zu halten.

Man unterscheidet hierbei zwischen Stahl/Stahl-Reibung und Mischreibung, wie nachfolgend näher beschrieben wird. Die Stahl/Stahl-Reibung hat dabei den Nachteil, daß die zwangsläufig aus ferromagnetischem Werkstoff bestehenden Reibflächen der Pole und des Ankers einem relativ großen Verschleiß unterworfen sind. Ferner steht nur eine geringe Reibarbeit pro Schaltung zur Verfügung. Des weiteren kommt es physikalisch bedingt durch die Reibpaarung zu großen Schwankungen im Bremsmoment.

Die Mischreibung hat folgende Nachteile: Es ist ein stundenlanges Einreibprocedere bis zum Erreichen eines stabilen Reib- bzw. Bremsmomentes erforderlich. Es besteht eine hohe Verglasungsgefahr und eine Neigung zum Kreischen, wegen der geringen spezifischen Flächenpressung (p = 20 bis 50 N/cm²) der Reibfläche des zusätzlichen Werkstoffes, insbesondere bei geringer Reibarbeit, d.h. bei geringer Verschleißbeanspruchung des zusätzlichen Reibwerkstoffes. Infolge thermischer und mechanischer Veränderungen der Reibfläche des zusätzlichen Werkstoffes kommt es zu großen Schwankungen im Reibbzw. Bremsmoment und somit zu Schwankungen im mittleren Radius R3 der Reibfläche des zusätzlichen Werkstoffes. Mechanische Veränderungen.des mittleren Reibradius R3 gehen auf eine Nachgiebigkeit der Befestigung des zusätzlichen Reibwerkstoffes selbst im ptm-Bereich zurück. Selbst ein Durchwölben oder relative Abweichungen innerhalb der Reibflächen der Pole im /xm-Bereich haben erhebliche Schwankungen im Bremsmoment zur Folge. Es kommt zu Einbrüchen im Reib- bzw. Bremsmoment aufgrund axial thermischer Ausdehnung des zusätzlichen Reibwerk-0 stoffes in Abhängigkeit von der Höhe der Reibarbeit, wodurch der Anker von den Reibflächen der Pole abgehoben wird. Schließlich ist es besonders nachteilig, daß bei Vorhandensein eines Ölnebels oder geringer Ölbenetzung ein nahezu irreversibler Momentenabfall auf ca. 20% des Nominalwertes auftritt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, welche die vorstehend umschriebenen Nachteile beseitigt und

gleichzeitig reib- und magnettechnisch optimale Eigenschaften erzielt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der o.g. Art mit
den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß wenigstens eine
zusätzliche Reibfläche derart in wenigstens einen der Pole
und/oder den Anker eingelassen ist, und daß die zusätzliche

Reibfläche wenigstens einen Teil der Reibfläche des Außenpols und/oder der Reibfläche des Innenpols und/oder der Reibfläche des Ankers bildet. Dies hat den Vorteil, daß durch die Entlastung der Reibflächen von Außen- bzw. Innenpol an diesen ein äußerst feinkörniger Abrieb im Mikrobereich entsteht.

' ■

Eine besonders einfache Konstruktion ergibt sich dadurch, daß die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche radial außen
und/oder innen an die Reibfläche des Außen- oder Innenpols
angrenzt und/oder dadurch, daß die wenigstens eine zusätzliehe Reibfläche innerhalb der Reibfläche des Außen- oder Innenpols
angeordnet ist.

Logistische Vorteile erzielt man dadurch, daß die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche am Anker gegenüber der Reibfläche des Innenpols und/oder gegenüber der Reibfläche des Außenpols angeordnet ist, da im wesentlichen lediglich der Anker ausgetauscht werden muß, um eine Bremse oder Kupplung einer Stahl-Stahl -Reibung auf eine Bremse oder Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung umzustellen. Dabei ist es besonders vorteil-0 haft, wenn die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche am An-

ker mit der jeweils gegenüberliegenden Reibfläche der Pole radial außen und/oder radial innen und/oder in einem vorbestimmten radialen Zwischenbereich der jeweiligen Reibfläche der Pole fluchtet, da somit eine direkte Zusammenwirkung von zusätzlicher Reibfläche mit den Reibflächen der Pole erzielt wird.

Eine besonders einfache und kostengünstige Nachrüstbarkeit erzielt man dadurch, daß ein zusätzliches Polstück die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche trägt und an wenigstens einem Pol ein derartiges zusätzliches Polstück befestigt ist.

Ein maximales Moment erzielt man dadurch, daß die Reibflächen des Innenpols, des Außenpols und des zusätzlichen Reibwerkstoffes in einer Ebene liegen und eine gemeinsame Reibfläche bilden.

In vorteilhafter Weise ist die Reibfläche eines Poles durch eine vergrößerte Polfläche für höheren magnetischen Fluß dadurch ersetzt, daß die Reibflächen des Innenpols oder die Reibfläche des Außenpols 24 mit der Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes in einer Ebene liegen, wobei die jeweils andere Fläche um einen vorbestimmten Abstand von der Ebene axial beabstandet ist.

Der zusätzliche Reibwerkstoff ist dabei in vorteilhafter Weise ein organischer Reibwerkstoff, die Reibfläche des Innenpols und/oder die Reibfläche des Außenpols ist in besonders vorteilhafter Weise aus ferromagnetischem Material gefertigt.

• · · &igr;

Eine Flächenpressung der Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes beträgt vorzugsweise wenigstens 100 N/cm² oder mehr. Besonders bevorzugt ist die Flächenpressung der Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes wenigstens um den Faktor zwei größer, als die Flächenpressung der Reibflächen des Außen- und Innenpols. Dies ermöglicht die Anpassung der Vorrichtung an unterschiedlichste Betriebsbedingungen und Anforderungen .

In besonders vorteilhafter Weise beträgt ein resultierender Verschleißkoeffizient V_R der Vorrichtung 15 bis 30.000 .J/mm³. Dabei weist in bevorzugter Weise die Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes einen Verschleißquotienten von wenigstens 3 0.000 J/mm oder mehr.auf und die Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes hat bevorzugt einen Reibwert von wenigstens 0,4 oder mehr. Dies ergibt eine zuverlässige Vorrichtung mit hoher Lebensdauer.

Eine optimale Abstimmung der Vorrichtung erzielt man dadurch, daß das Verhältnis der Reibfläche des zusätzlichen Reibwerkstoffes zur Reibfläche des Innenpols und/oder zur Reibfläche des Außenpols einen Wert zwischen 0,5 bis 3 aufweist.

Die Radien Rl, R2 und R3 stehen bevorzugt in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander. Es ist hierbei besonders bevorzugt, daß Radius R2 das 1,3- bis 3-fache von Rl und/oder der Radius R3 das 1,05- bis 1,1-fache von R2, der Radius R3 das 0,9- bis 0,95-fache von R2 beträgt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer bekannten Vorrichtung mit Stahl-Stahlreibung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer bekannten Vorrichtung mit Mischreibung,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm einer Funktion des Verschleißkoeffizien-' ten vom Anpreßdruck, und

Fig. 5 bis 11 weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Beim Reibvorgang einer Stahl-Stahl-Reibung gemäß Figur 1 reibt mit einer Reibfläche 66, der durch das Magnetfeld angezogene Anker 16 auf der Reibfläche 10 des Innenpols 22 sowie auf der Reibfläche 12 des Außenpols. Beide Reibflächen bestehen zwangsläufig aus Stahl bzw. ferromagnetischem Material. Nachdem es sich um zwei Reibradien handelt gilt:

M = (Fi · R\ + F₂ ■ R2) ■ &mgr;

mit

Fx +Fi = F

wobei

M = Bremsmoment
F = Magnetkraft 2 0
F₁ = Anpreßkraft 50
F₂ = Anpreßkraft 52
&mgr; = Reibwert

Rl = Reibradius der Reibfläche 10
R2 = Reibradius der Reibfläche 12

Aus magnetischen Gründen sind beide Reibflächen 10 und 12 gleich groß, um hohe Magnetkräfte zu erzielen. Infolge des kleineren'Reibradius Rl der Reibfläche 10 entsteht dort beim Bremsvorgang infolge der kleineren Umfangsgeschwindigkeit auch eine kleinere Reibarbeit. Daher schreitet der Verschleiß an der Reibfläche 12 schneller fort als an der Reibfläche 10. Der Anker 16 nimmt dadurch eine konkav-tellerige Kontur an. Die Folge sind letztlich Schwankungen im Bremsmoment in einem Bereich von etwa ± 30 %. Bei Stahl-Stahl-Reibung sind die Reibflächen 10 und 12 sowie der Anker 16 starkem Verschleiß unterworfen. Daher sind zwar Tausende von Notstopps möglich, aber als Betriebsbremse mit hoher Verschleißlebensdauer ist diese Reibpaarung nicht geeignet. Bei hoher Anzahl von Brems vorgängen mit hoher Reibarbeit werden Bremsen bzw. Kupplungen mit Mischreibung eingesetzt.

Den Aufbau einer Bremse mit Mischreibung zeigt Figur 2.

Zwischen der Reibfläche 10 und 12 befindet sich der Reibwerkstoff 18 mit der Reibfläche 19. Der abzubremsende Anker 16, der über Blattfedern oder einer Verzahnung mit einer abzubremsenden Welle verbunden ist (nicht dargestellt), reibt gleichzeitig an allen drei Reibflächen 10, 12 und 14. Der Anker 16 wird durch die Magnetkraft 20 auf die Reibflächen 10, 12 und 14 gepreßt. Infolge der großen Reibfläche insgesamt, die sich aus der Summe der Reibflächen 10, 12 und 14 ergibt, treten große Schwankungen im mittleren Reibradius R3 auf.

Diese sind in der thermischen Ausdehnung des Reibwerkstoffes 18 sowie in den mechanischen, axialen Veränderungen der nachgeschalteten Befestigungselemente, wie beispielsweise dem Stützblech 58 begründet. Wird der Reibwerkstoff 18 mit zu geringer Reibarbeit beaufschlagt, tritt nach längerer Betriebszeit infolge geringer Flächenpressung Verglasen des Reibwerkstoffes 18 auf. Alle diese Einflüsse wirken sich als starke 0 Schwankungen im Bremsmoment aus.

Die spezifische Flächenpressung p, ergibt sich näherungsweise aus :

^P~Al + A2 + A3
wobei

F = Magnetkraft 20

Al, A2, A3 = Reibflächen 10, 12, 14

In Figur 4 ist der Auslegungsbereich solcher Bremsen oder Kupplungen im Fenster a, b, c, d abgegrenzt.

Ein weiterer erheblicher Nachteil besteht im stundenlangen Einreibvorgang bis die Reibflächen 10, 12 und 14 sich exakt an den Anker 16 angepaßt haben und ein konstantes Bremsmoment erreicht ist.

Um bei.Stahl-Stahl-Reibung die Reibflächen 10 und vor allem die Reibfläche reibtechnisch zu entlasten, wird eine weitere Reibfläche 14 aus einem hochverschleißfesten, organischen Reibwerkstoff 18 gemäß Figur 3 eingeführt. Durch die Entlastung der Reibflächen 10 und 12 entsteht an diesen ein äußerst feinkörniger Abrieb im Mikrobereich. 15

Der Verschleiß wird durch die reibtechnische Dominanz der Reibfläche 14 kontrolliert, und zwar durch einen gezielt geführten Verschleißabtrag. Dabei werden die Stahl-Reibflächen 10 und 12 bis zur reibtechnischen untergeordneten Bedeutung 0 geschont, so daß diese bestimmungsgemäß im wesentlichen nur noch magnetische Aufgaben zu übernehmen haben. Somit hat der ferromagnetische Werkstoff hinsichtlich der Zusatzförderung nach reibtechnischen Eigenschaften nur noch untergeordnete Bedeutung. Die Abriebspartikel deren Größe im Mikrobereich liegt, oxydieren sofort durch den Sauerstoff der Luft und fallen ab, da diese unmagnetisch sind.

• Die Wahl des organischen Reibwerkstoffes 18,

• die konstruktive Anordnung des Reibwerkstoffes 18,'

0 · die richtige Dimensionierung der Reibfläche 14

sind dabei von entscheidender Bedeutung. Durch die Wahl eines hochverschleißfesten Reibwerkstoffes 18 wird über die Reibfläche 14 der auftretende Verschleiß gesteuert. Die aus magnetischen Gründen aus ferromagnetischem Stahl bestehenden Reibflächen 10 und 12 haben einen um ca. Faktor 8 geringeren Verschleißquotienten als der organische Reibwerkstoff 18.

Der Verschleißquotient gibt die Reibarbeit in Joule an, bei der ein Verschleiß von 1 mm auftritt.

Bei der hier vorliegenden Mischreibung kommen der Verschleißquotient des Stahls V₂ sowie der des organischen Reibwerkstoffes V₃ gleichzeitig zur Wirkung. Da nun alle drei Reibflächen infolge Verschleiß axial gleichermaßen abgetragen werden, stellt sich ein resultierender Verschleißquotient V_R ein.

Um eine optimale Magnetkraft am Anker zu erzielen, müssen die Reibflächen 10 und 12 aus magnetischen Gründen gleich groß sein. Somit ist der resultierende Verschleißquotient festgelegt nach Formel (1)

_Tr Vl-Al+ 2Vl-A

Vr =

2,4 + ^3

Es bedeuten:

V_R = resultierender VerschleißquotientV₃ = Verschleißquotient des organischen Reibwerkstoffes 18

V₂ = Verschleißquotient des ferromagnetischen Materials

A = Reibfläche 10 oder Reibfläche 12, da diese gleich groß sind.

A₃ = Reibfläche 14 des organischen Reibwerkstoffes 18.

Es wurde gefunden, daß sich bei V_R = 15000 - 30000 J/mm³ ein
äußerst feiner Abrieb an den ferromagnetischen Stahl-Reibflächen
10 und 12 einstellt, der durch den Sauerstoff der Luft sofort oxydiert und abfällt, da er unmagnetisch ist. Die Folge ist eine hohe Konstanz im Bremsmoment, d. h. ein nachgeschalteter Antrieb läßt sich mit guter Genauigkeit positionieren.

Der Reibwert des Reibwerkstoffes 18 gegenüber dem ferromagnetischen Anker 16 aus Stahl muß mindestens so groß sein, wie

der Reibwert zwischen den magnetisch durchfluteten Reibflächen
10 und 12 gegenüber des ebenfalls magnetisch durchfluteten Ankers 16. Der Reibwert beträgt hier etwa &mgr; = 0,4. Dadurch
ist das bei der Neuerung ohnehin höhere Bremsmoment als bei reiner Stahl-Reibung bzw. Mischreibung nach dem Stand der Technik sichergestellt.

Da die Reibfläche 14 für den Reibvorgang dominierend ist, erhält man das größte Bremsmoment, wenn der Reibradius R3 außerhalb
der Reibfläche 12 angeordnet und möglichst dicht an
den Außendurchmesser der Bremse gelegt wird.

Reibtechnische Dominanz heißt:

• der Verschleißfortschritt,
0 · die Konstanz des Bremsmomentes,

• die regulierende Wirkung der etwa viermal größeren Anpreßkraft F₃, die etwa 8 0 % des Bremsmomentes ausmacht ,

wird durch diese bestimmt.

Die regulierende Wirkung bedeutet einen sofortigen Anstieg der Anpreßkraft 54 um 50 bzw. 52, wenn beispielsweise aus Werkstoffgründen an den leichter verschleißenden Reibflächen 10 oder eine etwas dickere Schicht abgetragen wurde. Durch die relativ schmale Reibfläche 14 ist der Reibradius R3 nur geringen Schwankungen unterworfen, im Gegensatz zum Stand der Technik. Die regulierende Wirkung ist daher besonders effektiv. Durch Einführung des Reibwerkstoffes 18 gegenüber Stahl-Stahl-Reibung, wird die maximal zu verrichtende Reibarbeit gesteigert, wobei sich außerdem die Verschleißlebensdauer um ca. Faktor 6 vergrößert.

Die Reibfläche 14 darf eine bestimmte Größe jedoch nicht überschreiten, damit aus Kostengründen der Einreibvorgang , möglichst schnell abgeschlossen wird. Außerdem würde bei einer großen Reibfläche 14 eine geringere Flächenpressung p₃ entstehen, mit dem Risiko von Kreischgeräuschen beim Bremsen. Weiter besteht dann die Gefahr der Verglasung der Reibfläche 14, was einen starken Abfall des Bremsmomentes zur Folge haben würde. Andererseits könnte bei zu hoher spezifischer Flächenbelastung der Reibfläche 14 der Reibwerkstoff 18 mechanisch überfordert werden.

Nachdem die Reibflächen 10, 12 und 14 gleichmäßig verschleißen, die Reibfläche 14 aber den Reibvorgang im wesentlichen beherrscht, ist dort die Anpreßkraft um etwa Faktor 7 höher als bei den Reibflächen 10 und 12. Der Anker wird mit den Magnetkräften 62 und 64 vom Innenpol 22 und Außenpol 24 bzw. deren Reibflächen 10 und 12 angezogen. Die Kräfte 62 und 64 sind aber nicht identisch mit den Anpreßkräften 50 und 52, mit denen der Anker auf die Reibflächen 10 und 12 angedrückt wird. Die Anpreßkräfte 50 und 52 sind in jedem Fall kleiner durch das Hinzukommen der Reaktionskraft bzw. Anpreßkraft 54. Diese Erkenntnis beweist, daß beim Abriebvorgang (Bremsen) axiale Mikrobewegungen stattfinden, die nur durch den organischen Reibwerkstoff 18 bzw: dessen Anpreßkraft 54 (Reaktionskraft) gesteuert werden kann. Dies ergibt gleichzeitig den Hinweis, den Reibwerkstoff 18 so anzuordnen, damit axiale Relativbewegungen selbst im Mikrobereich zwischen den Reibflächen 10 bzw. 12 verhindert werden. Solche axialen Mikrobewegungen würden durch thermische Ausdehnung oder mechanisch infolge der hohen Anpreßkraft 54 entstehen, wie beim Stand der Technik nach Figur 2. Es ist daher äußerst vorteilhaft, den Reibwerkstoff 18 unmittelbar an oder in die Reibfläche 12 anzuordnen, nicht zuletzt wegen des großen Reibradius R3. In diesem Falle ist gegenüber Stahl-Reibung eine Steigerung des Bremsmomentes von 3 0% erwartbar.

Aber auch eine Anordnung unmittelbar an oder in der Reibfläche 1 ist reibtechnisch wirkungsvoll. Entgegen dem Stand der Technik wirken sich Schwankungen in den einzelnen Reibradien unmerklich auf das Bremsmoment aus, nachdem sich radial ver-

mi.

gleichsweise sehr schmale Reibflächen 10, 12 und 14 bei der Neuerung ergeben.

Die spezifische Flächenpressung auf die Reibfläche 14 des Reibwerkstoffes 18 wurde gefunden mit folgender Formel (2):

IpVsRl

R2

Es bedeuten:

1Op= Magnetkraft pro cm² Polfläche ( &rgr; ~ 120 N/cm²) P₃ = Flächenpressung auf Reibfläche 14

A = Fläche des Innenpols oder Außenpols 24 bzw. Reibfläche 10 oder 12 (A₁ = A₂ = A)

A₃ = Reibfläche 14 des organischen Reibwerkstoffes 18 Rl, R2 , R3 = Reibradien

V₂ = Verschleißquotient des ferromagnetischen Stahls V₃ := Verschleißquotient des organischen Reibwerkstoffes 18

Die gefundenen Auslegungskriterien nach den Formeln (1) und (2) ergeben eine relativ kleine Reibfläche 14, so daß der Reibwerkstoff 18 konstruktiv problemlos direkt an den Innenpol 22 oder Außenpol 24 bzw. an die Reibflächen 10 oder 12 angebracht werden kann. Eine auch nur geringe Relativbewegung der benachbarten Reibflächen 10 oder 12 ist somit ausgeschlossen.

Um eine Vielzahl von Vorteilen bei der Neuerung zu erzielen, bzw. die Nachteile gemäß dem Stand der Technik zu beseitigen, bestehen drei Forderungen:

· Resultierender Verschleißfaktor V_R = 17 - 3 0 000

J/mm³,

• spezifische Flächenpressung p₃ = 150....300 N/cm²,

• die Auslegungskriterien müssen bei den Reibradien Rl, R2 und R3 als Konstruktionsparameter für alle gängigen Größen von Polreibungsbremsen und -kupplun

gen realisierbar- sein.

Die Konstruktionsparameter für alle gängigen Polreibungsbremsen und -kupplungen lauten:
15

Anordnung des Reibwerkstoffes 18 unmittelbar außerhalb an der Reibfläche 12 gemäß Figur 3, 5, 7 und 9.

R2 = (1,3 3) Rl

R3 = (1,05....1,1) R2

Anordnung des Reibwerkstoffes 18 unmittelbar innerhalb an der Reibfläche 12 gemäß Figur 6 und 11.

R2 = (1,3 3) Rl

R3 = (0,9... .0,95) R2

Anordnung des Reibwerkstoffes 18 unmittelbar, außerhalb an der Reibfläche 10 gemäß Figur 10.
30

R2 = (1,3 3) Rl

R3 = (1,05...1,1) Rl

Die beiden Formeln (1) und (2) als geschlossene Funktion V_R = f(p₃) unter Berücksichtigung aller gängigen Konstruktionsparameter ist in Figur 4 dargestellt. Die Grenzkurven durchlaufen das als SOLL-Wert vorgegebene Fenster A, B, C, D nahezu mittig, indem:

· der Resultierende Verschleißfaktor V_R an'den Stahl-Reibflächen und lediglich Abriebteilchen im Mikrobereich zuläßt,

• die Reibfläche 3 eine Flächenpressung erfordert, die ein Verglasen und Kreischen verhindert und dies

· Gültigkeit hat für die reibtechnischen-geometrischen Konstruktionsparameter aller gängigen Polreibungsbremsen.

Alle marktüblichen Polreibungsbremsen und -kupplungen können 0 somit nach den gefundenen Auslegungskriterien gemäß der Neuerung gebaut werden.

Das Fenster &agr;, &bgr;, &ggr;, &dgr; in Figur 4 zeigt den Bereich nach dem Stand der Technik bei Stahl-Stahl-Reibung gemäß Figur 1.
25

Das Fenster a, b, c, d in Figur 4 zeigt den Bereich nach dem Stand der Technik bei Mischreibung gemäß Figur 2.

Beispielhaft wird die Neuerung an einer elektromagnetisch

0 öffnenden Polreibungsbremse, einer sogenannten Permanent-

Elektro-Einflächenbremse (PE-Bremse), näher erläutert. Sinngemäß gilt das folgende auch für elektromagnetisch schließende Bremsen und Kupplungen. Die PE-Bremse gemäß Figur 5 wird am Flansch 26 an eine Anbaufläche, wie beispielsweise in ein Motorlagerschild angebaut. Bei der PE-Bremse nach Figur 4 ist die Spule 28 bestromt. Der Magnetfluß des Dauermagneten 42 wird durch den entgegengerichteten Magnetfluß der Spule 2 8 über den Steg 56 zum Flansch 26 umgeleitet. Da kein Magnetfluß über die ferromagnetischen Reibflächen 10 und 12 zum Anker 16 fließen kann, wird dieser durch die Blattfedern 36 axial an der Nabe festgehalten. Die Bremse ist in diesem Zustand gelüftet. Die Welle 40 kann sich also frei drehen. Wird die Spule 2 8 abgeschaltet, kann der Magnetfluß des Dauerma- gneten 42 über den Flansch 2 6 zum Innenpol 22 über die Reibfläche 42 zum Anker 16 weiter zur Reibfläche 12 fließen und über den Außenpol 24 zum Dauermagneten 42. Der Magnetkreis ist somit geschlossen. Dabei wird der Anker 16 gegen die Kraft der Blattfedern 36 an die Reibflächen 10, 12 und 14 gedrückt. Nachdem die Blattfedern 3 6 axial beweglich, aber 0 drehsteif mit dem Anker 16 und der Nabe 3 8 verbunden.sind, wird die Welle abgebremst. Die Nabe 3 8 ist kraft- oder formschlüssig mit der Welle 40 verbunden. Die Kräfte, die durch den angezogenen Anker auf die Reibflächen 10, 12 und 14 wirken, erzeugen dort das zum Abbremsen erforderliche Bremsmoment. Die Reibflächen 10 und 12 bestehen zwangsweise aus ferromagnetischem Material zur magnetischen Flußführung. Die Reibfläche 14 besteht aus einem hochverschleißfesten organischen Reibwerkstoff und übernimmt die reibtechnische Dominanz beim Bremsvorgang.

Wie in den Figuren 3 und 5 bereits gezeigt, sind weitere Ausführungsmöglichkeiten des Reibbereichs von Polreibungsbremsen und -kupplungen in den Figuren 6 bis 11 im Halbschnitt dargestellt.
5

Figur 6 zeigt die Anordnung des Reibwerkstoffes 18 im Außenpol 24 und innerhalb der Reibfläche.

Figur 7 zeigt die Anordnung des Reibwerkstoffes 18 außerhalb der Reibfläche 12. Die Anordnung des Reibwerkstoffes 18 ist jedoch in den Anker 16 verlegt, also spiegelbildlich zur Figur 3 oder Figur 5 angeordnet. Diese Lösung bringt logistische Vorteile, da im wesentlichen lediglich der Anker ausgetauscht werden braucht, um eine Bremse mit Stahl-Stahl-Reibung auf eine Bremse gemäß der Neuerung umzustellen.

In Figur 8 ist der Reibwerkstoff 18 in der Mitte der Reibfläche 12 angeordnet. Zusätzlich ist ein weiterer Reibwerkstoff 18a spiegelbildlich in den Anker verlegt.

Figur 9 zeigt eine Option, bei der mit einem Polstück 48 eine Bremse mit Stahl-Stahl-Reibung gemäß dem Stand der Technik (linke Hälfte) zu einer Bremse gemäß der Neuerung umgerüstet werden kann (rechte Hälfte). Diese Anordnung bringt logistisehe Vorteile, wie bei Figur 7 beschrieben.

Figur 10 zeigt eine Anordnung des Reibwerkstoffes 18 im Innenpol 22 außerhalb der Reibfläche 10. Hier sind ebenfalls Möglichkeiten wie in Figur 7, Figur 8 und Figur 9 beschrieben 0 denkbar.

Figur 11 zeigt die Anordnung des Reibwerkstoffes 18 am Innenpol 22 jedoch innerhalb der Reibfläche jedoch unmittelbar an diese angrenzend. Die Reibfläche 10 ist ersetzt durch die vergrößerte Polfläche SO, welcher ausschließlich magnetische Aufgaben zukommen. Die Polfläche 60 ist geringfügig gegenüber der Reibfläche 12 und 14 um den Luftspalt 44 zurückgesetzt als Verschleiß- bzw. Abriebreserve.

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BEZUGSZEICHENLISTE

Reibfläche Al 10 = innere ferromagnetische Stahlreibfläche Reibfläche A2 12 = äußere ferromagnetische Stahlreibfläche Reibfläche A3 14 = Reibfläche aus organischem Reibwerkstoff Anker 16 = ferromagnetischer Stahl Reibwerkstoff 18 = organischer Reibwerkstoff Reibwerkstoff 18a= organischer Reibwerkstoff Magnetkraft F 20 = Gesamte Magnetkraft, die auf den Anker

wirkt

Innenpol 22 Außenpol 24 Flansch 26 Spule 28 Reibradius T_x Rl = innerer Reibradius (Reibfläche 1) Reibradius r₂ R2 = äußerer Reibradius (Reibfläche 2) Reibradius r₃ R3 = Reibradius der organischen Reibfläche Blattfeder 36 0 Nabe 38

Welle 40 Dauermagnet 42 Luftspalt 44 Luftspalt 46 Polstück 48 Anpreßkraft Fl50 = Anpreßkraft, die auf die Reibfläche lwirkt

Anpreßkraft F2 52 = Anpreßkraft, die auf die Reibfläche

wirkt

Anpreßkraft F3 54 = Anpreßkraft, die auf die Reibfläche 3

wirkt

Steg 56
Stützblech 58
Polfläche 60

Magnetkraft F/2 62 = Magnetkraft, die am Innenpol wirkt. Magnetkraft F/2 64 = Magnetkraft, die am Außenpol wirkt. Reibfläche A4 66 = Reibfläche des Ankers.1

Claims

Ansprüche

1. Polreibungsbremse mit einem Innenpol (22), einem Außenpol (24), einem eine Reibfläche (66) aufweisenden Anker (16), welcher zur Kraftübertragung wahlweise mit einer Reibfläche (12) des Außenpols (24) und/oder einer Reibfläche (10) des Innenpols (22) in reibschlüssigen Kontakt bringbar ist, und einem zusätzlichen Reibwerkstoff (18) mit einer zusätzlichen Reibfläche (14), wobei die Reibflächen (10,12,14) des Innenpols (22), des Außenpols (24) und des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) jeweils einen Reibradius von Rl, R2 und R3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß

wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) derart in wenigstens einen der Pole (22,24) und/oder den Anker (16) eingelassen ist, daß die zusätzliche Reibfläche (14) wenigstens einen Teil der Reibfläche (12) des Außenpols (24) und/oder der Reibfläche (10) des Innenpols (22) und/oder der Reibfläche (66) des Ankers (16) bildet.

2. Polreibungsbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) radial außen an die Reibfläche (12) des. Außenpols (24) angrenzt .

3. Polreibungsbremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) radial innen an die Reibfläche (12) des Außenpols (24) angrenzt .

4. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) innerhalb der Reibfläche (12) des Außenpols (24) angeordnet ist.

5. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) radial außen an die Reibfläche (10) des Innenpols (22) angrenzt .

6. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) radial innen an die Reibfläche (10) des Innenpols (22) angrenzt .
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7. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) inner-■ halb der Reibfläche (10) des Innenpols (22) angeordnet ist.

8. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) am Anker (16) gegenüber der Reibfläche (10) des Innenpols (22) und/oder gegenüber der Reibfläche (12) des Außenpols (24) angeordnet ist.

9. Polreibungsbremse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) am Anker (16) mit der jeweils gegenüberliegenden Reibfläche (10,12) radial außen und/oder radial innen und/oder in einem vorbestimmten radialen Zwischenbereich der jeweiligen Reibfläche (10,12) fluchtet.

10. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein zusätzliches Polstück (48) die wenigstens eine zusätzliche Reibfläche (14) trägt und an wenigstens einem Pol (22,24) ein derartiges zusätzliches Polstück (48) befestigt ist.

11. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10,

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dadurch gekennzeichnet, daß

die Reibflächen (10,12,14) des Innenpols (22), des Außenpols (24) und des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) in einer Ebene liegen und eine gemeinsame Reibfläche bilden.

12. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Reibflächen (10) des Innenpols (22) oder die Reibfläche (12) des Außenpols (24) mit der Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) in einer Ebene liegen, wobei die jeweils andere Fläche (10 oder 12) um einen vorbestimmten Abstand (44) von der Ebene axial beabstandet ist.

13. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß

der zusätzliche Reibwerkstoff (18) ein organischer Reibwerkstoff ist.

14. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Flächenpressung der Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) wenigstens 100 N/cm oder mehr beträgt.

15. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Flächenpressung der Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) wenigstens um den Faktor zwei größer ist, als die Flächenpressung der Reibflächen (10,12) des Außen- und Innenpols (22,24).

16. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß

ein resultierender Verschleißkoeffizient V_R der Vorrichtung 15 bis 30.000 J/mm³ beträgt.

17. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) einen Verschlexßquotienten von wenigstens 30.000 J/mm³ oder mehr aufweist.

18. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) einen Reibwert von wenigstens 0,4 oder mehr aufweist .

19. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18,

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dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Reibfläche (14) des zusätzlichen Reibwerkstoffes (18) zu Reibfläche (10) des Innenpols (22) und/oder zu Reibfläche (12) des Außenpols (24) einen Wert zwischen 0,5 bis 3 aufweist.

20. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 19,

dadurch gekennzeichnet, daß die Radien Rl, R2 und R3 in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

21. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 20,

dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R2 das 1,3- bis 3-fache von Rl beträgt.

2. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 21,
0 dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R3 das 1,05- bis 1,1-fache von R2 beträgt.

23. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 21,

5 dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R3 das 0,9- bis 0,95-fache von R2 beträgt.

24. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche bis 23,

0 dadurch gekennzeichnet, daß

die Reibfläche (10) des Innenpols (22) und/oder die Reibfläche (12) des Außenpols (24) aus ferromagnetischem Material gefertigt ist.

25. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Reibwerkstoff (18) aus Oxydkeramik oder Sintermaterial besteht.

26. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibwerkstoff (18) als konzentrischer Ring, als Segment, Stege, Scheiben oder dgl. ausgebildet ist.

27. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reibflächen (10) und (12) gleich groß sind.

28. Polreibungsbremse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reibwerkstoffe (18, 18a) gegenüberliegend zueinander angeordnet sind ohne Behinderung des Magnetflusses im Magnetsystem der Polreibungsbremse .