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Klemmvorrichtung für einen in einem
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Gehäuse axial geführten Rundstab Bei Schlössern und Verriegelungen,
bei Stativen, im Werkzeugbau, in der Spanntechnik, im Sondermaschinenbau, bei Werkzeugmaschinen,
bei Sicherheitszug- und -druckverbindungen (Kupplungen), um einige Beispiele zu
nennen, tritt das Problem auf, einen in einem Gehäuse axial bewegbaren Rundstab
einfach, schnell und stufenlos, also unter Vermeidung von Stufenrastungen mit Spiel,
in allen Richtungen zu bremsen, zu positionieren und auf Position zu klemmen, aber
auch die Klemmstellung wieder aufzuheben.
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Bekannt sind (vgl. Hütte Teil IIA 28. Auflage S. 141/142) sog.
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Klemmgesperre in der Form von Rollengesperren ohne und mit federnden
Reibelementen. Sie dienen der Sperre der Drehbewegung einer Welle in einer und ihrer
Freigabe in der entgegengesetzten Drehrichtung. Für diese Rollengesperre gilt die
Erkenntnis, daß wegen zerstörender Stoßkräfte bewegte Teile mit nennenswerten Massen
nicht zur Ruhe gebracht oder ruhende mit bewegten Teilen verbunden werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit deren Hilfe ein axial geführter Rundstab willkürlich, einfach, schnell und stufenlos
mit einem Gehäuse, in dem der Rundstab bewegt ist, verklemmt und gelüftet werden
kann.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in dem
Gehäuse oder in einem mit dem Gehäuse formschlüssig verbundenen Ring eine Kegelfläche
vorgesehen ist, gegen die ein andererseits an dem Rundstab anliegender Klemmkörper
unter der Wirkung eines elastischen Gliedes gedrückt gehalten ist und von der der
Klemmkörper mittels eines den Rundstab umgebenden Ringelements entgegen der Wirkung
des elastischen Glieds weg bewegbar ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet
durch zwei spiegelsymmetrisch angeordnete, in entgegengesetzten Richtungen wirksame
Kegelflächen mit Klemmkörper, elastischen Gliedern und Ringelementen.
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Mit der Erfindung ist eine völlig spielfreie, in axialer Richtung
wirkende Klemm- bzw. Bremsvorrichtung für Rundstangen, Wellen usw. geschaffen, die
sowohl einseitig als auch doppelseitig wirkend ausgeführt werden kann. Bei der Erfindung
wird das Prinzip des Keils verwendet, wobei markt- und handelsübliche Teile Verwendung
finden können. Mit der Erfindung können relativ einfache elektro-mechanische, -pneumatische
oder -hydraulische Positioniergeräte aufgebaut werden. Die Linearpositionierung
kann durch mitgeführte Nocken, die Schalter betätigen, erfolgen.
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Bei Drehbarkeit des Rundstabs in der einmal eingenommenen Position
können noch eine Reihe zusätzlicher Funktionen über aufgesetzte Kurven- oder Nockenscheiben
ausgeführt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet1 daß an
jeder Stirnseite des Gehäuses eine der Kegelflächen ausgedreht ist, in den von der
Kegelfläche und dem Rundstab gebildeten Kegelringspalt der Klemmkörper von dem elastischen
Glied gehalten ist und als Klemmkörper ein an dem Rundstab anliegender
Kugelkranz
verwendet ist. Auf diese Weise entsteht eine selbsthemmende, axial wirkende Klemmvorrichtung.
Wird nämlich der Kegelwinkel kleiner als 27,40 - Keilwinkel kleiner als 13,70 -gewählt,
herrscht Selbsthemmung: Der Klemmkörper klemmt durch Keilwirkung im Bereich der
Selbsthemmung den axial verschiebbaren Rundstab einseitig oder beidseitig. Bei beidseitigem
Klemmen verhindert er jede weitere axiale Bewegung des Rundstabs in beiden Richtungen
spielfrei. Die Klemmwirkung kann durch einfache mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch
betätigte Elemente aufgehoben werden. Zum Verriegeln oder Entriegeln des Klemmkörpers
brauchen nur geringe Strecken zurückgelegt zu werden, Dies erlaubt namentlich bei
hydraulischer Betätigung sehr hohe Steuerungsgeschwindigkeiten, woraus ein sehr
genaues Positionieren des Rundstabs resultiert. Die Rundstange kann in geklemmtem
Zustand gedreht werden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich jeder Stirnseite des Gehäuses der innen mit der Kegelfläche versehene
Ring befestigt, in den von der Kegelfläche und dem Rundstab gebildeten Kegelringspalt
der Klemmkörper von dem elastischen Glied gehalten, der Klemmkörper mit einem an
der Rundstange anliegenden Innenring versehen und der Innenring als mehrteilige
Spannzange ausgebildet ist. Auf diese Weise entsteht eine nicht selbsthemmende,
axial wirkende mittelbare Linearbremse. Die so weitergebildete Erfindung eignet
sich für Vorgänge, bei denen geringe kinetische Energien zum Zeitpunkt des Klemmens
vorhanden sind. Die Klemmkörper berühren den zu bremsenden Rundstab nicht unmittelbar;
vielmehr ist der Klemmkörper mit einem an der Rundstange anliegenden Innenring versehen.
Dadurch werden die in Axialrichtung freiwerdenden Bremskräfte durch den Reibwert
zwischen dem Innenring und dem Rundstab - geschmierte Gleitreibung - erheblich verringert.
Eine Selbsthemmung ist kaum möglich. Die Rundstange kann im geklemmten Zustand nicht
gedreht werden.
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Eine dritte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich jeder Stirnseite des Gehäuses der innen mit der Kegelfläche versehene
Ring befestigt, in den von der Kegelfläche und dem Rundstab gebildeten Kegelringspalt
der Klemmkörper von dem elastischen Glied gehalten und als Klemmkörper ein an dem
Rundstab anliegender Kugelkranz verwendet ist. Auf eine diese Weise entsteht/unmittelbare
Linearbremse, die nicht selbsthemmend ist, solange der Rundstab noch in Bewegung
ist, dagegen selbsthemmend, sobald der'Rundstab in Ruhe ist. Auch diese Vorrichtung
ist axial wirkend. Um den Vorteil des einwandfreien Klemmens mit den Erfordernissen
einer vorherigen "eichen Bremsung" zu verbinden, bei der der Bremsweg nicht nur
auf den elastischen Deformierbereich aller am Klemmvorgang beteiligten Teile beschränkt
ist, sind die unterschiedlichen Reibwerte zwischen Haft und Gleitreibung ausgenutzt:
Der Keilwinkel, das ist der halbe Kegelwinkel der Kegelfläche, liegt-zwischen den
Größen der Reibwinkel für Gleitreibung und Haftreibung. Der Rundstab kann im Klemmzustand
gedreht werden.
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Der Klemmkörper kann mit unterschiedlichen Mitteln in den Kegelringspalt
gedrückt gehalten werden: Bei einer Ausführung durch einen andererseits an einem
Deckel anliegenden elastischen O-Ring; bei einer anderen Ausführung durch eine andererseits
ebenfalls an einem Deckel anliegende Tellerfeder; bei weiteren Ausführungen hydraulisch
oder pneumatisch.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben. Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.
1 einen Axialschnit£ durch eine Klemmvorrichtung mit in dem Gehäuse selbst vorgesehenen
Kegelflächen, an dem Rundstab anliegenden Kugelkränzen als Klemmkörper und mit Lüfterbüchsen
für die Aufhebung der Klemmwirkung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch
die Klemmvorrichtung entlang der Schnittlinie II - II in Fig. 1; Fig. 3 einen Halb-Axialschnitt
durch eine Klemmvorrichtung mit einer in einem gesonderten Ring v wsehenen Kegelfläche,
einem Kegelrollenlager als Klemmkörper und einem pneumatisch oder hydraulisch betätigten
Ringkolben für die Aufhebung der Klemmwirkung; Fig. 4 einen Halb-Axialschnitt durch
eine Klemmvorrichtung mit einer in einem gesonderten Ring vorgesehenen Kegelfläche,
einem Kugelring als Klemmkörper und einem pneumatisch oder hydraulisch betätigten
Ringkolben für die Aufhebung der Klemmwirkung.
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Die in den Ausführungsbeispielen dargestellte in Axialrichtung wirkende
lösbare Klemmvorrichtung weist einen Klemmkörper 1 auf, an dem einerseits ein elastisches
Glied 2, andererseits ein Ringelement 3 anliegt. Mittels der Klemmvorrichtung wird
ein in einem Gehäuse 4 axial geführter Rundstab 5 festgeklemmt und gelöst. In dem
Gehäuse 4 oder in einem mit dem Gehäuse 4 formschlüssig verbundenen Ring 41 ist
eine Kegelfläche 42 vorgesehen. Gegen die Kegelfläche 42 ist der andererseits an
dem Rundstab 5 anliegende Klemmkörper 1 unter der Wirkung des elastischen Gliedes
2 gedrückt gehalten. Von der Kegelfläche 42 ist der Klemmkörper 1 mittels des den
Rundstab 5- umgebenden Ringelements 3 entgegen der Wirkung des elastischen Gliedes
2 weg bewegbar.
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Die vorstehend beschriebene Klemmvorrichtung wirkt nach einer Seite
zwischen Gehäuse 4 und Rundstab 5. Soll der Rundstab 5 nach beiden Seiten in Axialrichtung
in dem Gehäuse 4 festgeklemmt werden, sind zwei spiegelsymmetrisch angeordnete,
in entgegengesetzten Richtungen wirksame Kegelflächen 42 mit Klemmkörpern 1, elastischen
Gliedern 2 und Ringelementen 3 vorgesehen.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
an jeder Stirnseite 43 des Gehäuses 4 eine der Kegelfla~ chen 42 ausgedreht. In
von jeder Kegelfläche 42 und dem Rundstab 5 gebildeten Kegelringspalten 44 ist der
Klemmkörper 1 von dem elastischen Glied 2 gehalten. Jeder Klemmkörper 1 ist als
an dem Rundstab 5 anliegender Kugelkranz 11 ausgebildet.
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Jedes elastische Glied 2 ist von einem O-Ring 21 aus Weichkunststoff
oder Weichgummi gebildet. Jeder O-Ring 21 liegt auf der dem Kugelkranz 11 abgewandten
Seite an einem Deckel 6 an, der die Stirnseite des Gehäuses 4 verschließt und von
dem Rundstab 5 durchsetzt ist. Die Kegelflächen 42 sind durch eine Bohrung 45 verbunden,
in der Lüfterbüchsen 31 axial verschiebbar sind. Der zu klemmende Rundstab 5 ist
in den Lüfterbüchsen 31 ebenfalls axial verschiebbar. Die Kugelkränze 11 bilden
den Kraftschluß, indem sie durch die Eigenelastizität des O-Rings 21 leicht in den
Kegelringspalt 44 zwischen Gehäuse 4 und dem zu klemmenden Rundstab 5 gedrückt werden.
Wird der Kegelwinkel der Kegelflächen 42 kleiner als 27,40 gewählt, was einen Keilwinkel
von 13,70 ergibt, herrscht immer Selbsthemmung. Der eingeklemmte Rundstab 5 ist
drehbar.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Lüfterbüchsen 31 mechanisch betätigt:
Die Lüfterbüchsen 31 sind von Lüfternadeln 32 nach außen drückbar, die in dem Gehäuse
4 quer zur Längsachse des Rundstabs 5 geführt sind. Die Lüfternadeln 32 greifen
mit ihren Spitzen an Innenrändern 33 der Lüfterbüchsen 31 an. Die Lüfternadeln sind
ihrerseits in einem Lüfterwürfel 34 befestigt, mit dem sie gemeinsam quer zur Längsachse
des Rundstabs 5 und damit der Lüfterbüchsen 31 bewegbar sind. Der Lüfterwürfel 34
ist mittels eines von einer Druckfeder 35 umgebenen.Schraubenbolzen 36 mit dem Gehäuse
4 verschraubt. In der in Fig. 2 dargestellten Lage ist der Klemmkörper 1 gelüftet
dargestellt: Bei Anlage des Lüfterwürfels 34 an dem Gehäuse 4 entgegen der Wirkung
der Druckfeder 35 gleiten die Lüfternadeln 32 nach oben und drücken
die
Lüfterbüchsen 31 auseinander. Die Lüfterbüchsen 31 drücken dann die Kugelkränze
11 aus den Kegelringspalten 44 heraus, womit die Selbsthemmung aufgehoben wird und
der Rundstab axial verschiebbar ist. Wird der ttüfterwürfel 34 nicht mehr von unten
belastet, wird er unter der Wirkung der Druckfeder 35 nach unten bewegt, wodurch
nur noch die Spitzen der Lüfternadeln 32 im Bereich der Innenränder 33 der Lüfterbüchsen
31 angeordnet sind, wodurch diese sich wieder aufeinander zu bewegen, wenn die Klemmkörper
1 wieder den Rundstab 5 in Axialrichtung klemmen.
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Das Entriegeln der Lüfterbüchsen 31 kann auch pneumatisch oder hydraulisch
erfolgen. In diesem Falle sind die Lüfterbüchsen 31 als Ringkolben mit Dichtelementen
ausgebildet. Das Druckmedium wird beispielsweise über eine der Lüfternadel-Bohrungen
in das Gehäuse 4 eingeleitet. Zum Verriegeln oder Entriegeln der Lüfterbüchsen 31
werden nur sehr kleine Wege zurückgelegt. Dies erlaubt namentlich bei hydraulischer
Betätigung sehr hohe Steuerungsgeschwindigkeiten, woraus ein sehr exaktes Positionieren
des Rundstabs 5 resultiert.
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Um große Kräfte aufnehmen zu können, die zwischen dem Rundstab 5,
den Kugeln der Kugelkränze 11 und dem Gehäuse 4 bei selbsthemmender Klemmwirkung
ggf. entstehen können, sind diese Teile an den Berührungsstellen gehärtet. Sie weisen
eine Härte von mindestens 60 HRC auf. Für diese Härte wird eine bestimmte Eindringtiefe
oder eine Durchhärtung verlangt.
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Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist
der eingangs schon erwähnte Ring 41, der die Kegelfläche 42 trägt, im Bereich jeder
Stirnseite 43 des Gehäuses 4 vorgesehen.
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Jeder Klemmkörper 1 ist unter der Wirkung je einer andererseits an
dem Deckel 6 anliegenden Tellerfeder 22 als elaßtisches Glied 2 in den Kegelringspalt
44 gedrückt gehalten. Der Deckel 6 ist mit einem in die Gehäusebohrung 45 ragenden
und an der Innenwandung anliegenden ringförmigen Ansatz 61 versehen, von
dem
die Tellerfeder 22 gehalten ist.
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Sowohl bei den Ausführungen nach den Fig. 3 und 4 als auch bei der
Ausführung nach Fig. 1 und 2 kann der Klemmkörper 1 hydraulisch oder pneumatisch
in den Kegelringspalt 44 gedrückt gehalten sein.
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Als Ringelemente 3 sind bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispielen Ringkolben 37 vorgesehen. Jeder Ringkolben 37 ist zwischen
Gehäuse 4 und Rundstab 5 angeordnet.
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Mit Hilfe des zugehörigen R-ingkolbens 36 ist jeder Klemmkörper 1
entgegen der Wirkung der Tellerfeder 22 nach außen bewegbar.
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Der Ringkolben 37 ist auf der der Tellerfeder 22 zugewandten Seite
in Anlage an den Rundstab 5 mit einem stirnseitig vorstehenden Kragen 38 versehen.
Die Stirnfläche des Kragens 38 liegt an dem an dem Rundstab 5 anliegenden Teil des
Klemmkörpers 1 an. Auf der dem Klemmkörper 1 abgewandten Seite wird der Ringkolben
37 pneumatisch oder hydraulisch beaufschlagt.
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Der Ringkolben 37 kann auch mechanisch, z.B. mit Hilfe der Lüfternadeln
32, wie in den Fig. 1 und 2 beschrieben, betätigt werden.
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Die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Ausführung, die nach dem
Prinzip mit Selbsthemmung arbeitet, eignet sich für Vorgänge, bei denen geringe
kinetische Energien im Zeitpunkt des Klemmens vorhanden sind. Bewegt sich nämlich
eine gegebene Masse m mit vorgegebener Geschwindigkeit v und liegt die daraus resultierende
kinetische Energie erheblich über den äußeren Gleitreibverlusten, so werden beim
selbsthemmenden Klemmen Kräfte frei, die die Kugeln des Kugelkranzes 11 in dem Klemmkörper
1 zerstören: Die freiwerdende lineare Bremskraft F bei einem Bremsweg s berechnet
sich nach der Gleichung 2 F ~ m . v 2.s
Der Bremsweg s muß in jedem
Fall im elastischen Bereich aller am Klemmvorgang beteiligten Teile liegen. Diese
Teile sind ein gehärteter Rundstab, harte Kugeln im Kugelkranz und ein gehärtetes
Gehäuse. Der Bremsweg liegt dann im Bereich einziger Zehntel Millimeter. Der Nenner
des Bruches für die Abbremskraft ist daher sehr klein, somit die freiwerdende Linearbremskraft
F sehr groß. Diese Linearbremskraft erfährt dann noch durch den Tangens des gewählten
Kegelwinkels im Gehäuse eine nochmalige Vervielfachung.
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Diesen Schwierigkeiten begegnet die "mittelbare Bremse", wie sie im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
berühren die Klemmkörper 1 nicht unmittelbar den zu bremsenden Rundstab 5. Vielmehr
ist der Klemmkörper mit einem an dem Rundstab anliegenden Innenring 12 versehen.
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Der-Innenring 12 ist als mehrteilige Spannzange 13 ausgebildet.
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Der Innenring 12 bildet mit dem Ring 41 und Kegelrollen 14 ein Kegelrollenlager
15. Hier werden die in axialer Richtung freiwerdenden Bremskräfte durch den Reibwert
T zwischen der Spannzange 13 und dem Rundstab 5 - geschmierte Gleitreibung - erheblich
gemildert. Eine Selbsthemmung ist so gut wie nicht möglich.
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Der Rundstab 5 kann in eingeklemmtem Zustand nicht gedreht werden.
Die Bremskraft wird mittelbar von den Klemmkörpern 1 über die Bremselemente in der
Form der Spannzange 13 auf den Rundstab 5 übertragen. Hierdurch ist weiches Abbremsen
der Linearbewegung möglich. Besonders hohe Bremskräfte sind realisierbar, wenn an
Stelle der Tellerfedern 22 Pneumatik- oder Hydraulikkolben die auf die Spannzange
13 auszuübenden Kräfte aufbringen, mit denen der Klemmkörper 1 gegen die Kegelflächen
42 gedrückt ist. Bei dieser "mittelbaren Linearbremse" bestimmt die auf die Klemmkörper
1 wirkende Kraft W, die durch das elastische Glied aufgebracht wird, die maximal
übertragbare Kraft von dem Rundstab 5 auf das Gehäuse 4. Bevor irgendwelche Teile
brechen, gleitet die Bremse . Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist als Klemmkörper 1 ein Kugelkranz
11 vorgesehen, dessen Kugeln
einerseits an den Kegelflächen 42 des Rings 41 anliegen, andererseits direkt an
dem Rundstab 5. Der Keilwinkel i liegt zwischen den Größen der Reibwinkel für die
Gleitreibung und für die Haftreibung. Dem liegt folgende Erkenntnis zugrunde: Der
Vorteil des einwandfreien Klemmens kann mit den Erfordernissen einer vorherigen
"weichen Bremsung", bei der der Bremsweg nicht nur auf den elastischen Deformierbereich
aller am Klemmvorgang beteiligten Teile beschränkt ist, verbunden werden, wenn die
unterschiedlichen Reibwerte zwischen Haft- und Gleitreibung ausgenutzt werden. Bei
dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zugrunde gelegt die Haft-
und Gleitreibwerte für die Bedingung, daß Stahl auf Stahl, gehärtet, geschliffen
und geschmiert, gleitet. Die Bedingung für die Selbsthemmung ist
Dabei ist = = Keilwinkel = 1/2 Kegelwinkel; g0 = Haftreibwinkel; außerdem g = Gleitreibwinkel.
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Es gelten folgende Werte: Für Haftreibung:
Für Gleitreibung;
Gesucht ist derjenige Keilwinkel d , der in Bezug auf die Selbsthemmung nach der
vorstehend erwähnten Beziehung zwischen Haft- und Gleitreibung liegt, also
Die genannten Werte ergeben einen Gleitreibwinkel g = 5,710 und einen Haftreibwinkel
g0 = 6,840. Daraus folgt, daß jeder Keilwinkel « , der zwischen 11,420 und 13,680
liegt, die Bedingung des "weichen Bremsens" ohne Materialzerstörung erfüllt und
nach erfolgtem Stillstand das einwandfreie Klemmen
ermöglicht.
Anders ausgedrückt ist der Bereich zwischen dem doppelten Gleitreibwinkel und dem
Keilwinkel der Bereich der Gleitreibung, der Bewegung und des zerstörungsfreien
Bremsens; der Bereich zwischen dem Keilwinkel und dem doppelten Haftreibwinkel der
Bereich der Haftreibung, der Ruhe und des einwandfreien Klemmens.
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Für den Bau eines funktionsfähigen Musters wurde der Außenring des
Kegelrollenlagers 15 mit einem gemessenen Keilwinkel g = 13,70 verwendet. Dieser
Keilwinkel ist zwar nicht mehr kleiner, sondern gleich dem doppelten Haftreibwinkel.
Aber auch für diesen Fall liegt noch Selbsthemmung vor. Die praktische Ausführung
und Messung bestätigte dies für einen gehärteten Rundstab - Ein weicher Rundstab
würde keine Selbsthemmung mehr ergeben, weil bei axialem Schub die Klemmkörper sich
etwas in das Material des weichen Rundstabes "eingraben", was seine geringe Bewegung
zur Folge hat, somit wieder Gleitreibbedingungen herrschen. -Bei dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel besteht also keine Selbsthemmung, solange der Rundstab in Bewegung
ist; es besteht Selbsthemmung, sobald der Rundstab in Ruhe ist.
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Dabei erfolgt weiches Abbremsen mit anschließender sicherer Selbsthemmung.
Wegen kleiner Wege sind vor allem bei hydrat lischer Betätigung hohe Steuerungsgeschwindigkeiten
möglich.
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Eine erhöhte Bremskraft während der Bremsphase tritt auf, wenn statt
der dargestellten Tellerfeder Pneumatik- oder Hydraulikkolben die Kraft auf den
Klemmkörper in Richtung auf die Kegelfläche aufbringen.
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Alle Ausführungsbeispiele wurden an Mustern erprobt. Es stellte sich
das gewünschte Verhalten ein. Die Meßwerte stimmten weitgehend mit den errechneten
Werten überein.