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Bremseinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung, bestehend aus einer
Reibungsbremse mit Fremdbelüftung, insbesondere für den Einsatz im Bergbau unter
Tage. Auch wenn im folgenden die Erfindung vornehmlich am Beispiel einer Scheibenbremse
als Reibungsbremse erläutert wird, bezieht sich die Erfindung auch auf andere Reibungsbremsen,
wie Trommelbremsen.
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Es ist bekannt, daß mit zunehmender Erwärmung einer Reibungsbremse
deren Bremswirkung abnimmt. Aus diesem Grunde sind verschiedenste, konstruktive
Maßnahmen getroffen, um die Reibungswärme möglichst schnell abzuführen.
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Bei Bremsscheiben an Kraftfahrzeugen ist die Kühlung der Bremsscheiben
noch verhältnismäßig unkritisch. Die freiliegenden Bremsscheiben werden nämlich
durch den Fahrtwind gekühlt. Zur Verbesserung der Kühlwirkung können in den Bremsscheiben
parallel zur Drehachse Bohrungen vorgesehen sein, die einerseits die Oberfläche
der Bremsscheibe vergrößern und andererseits für eine intensive Verwirbelung der
Umgebungsluft sorgen.
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Ferner sind Bremseinrichtungen mit Bremsscheiben bekannt, in denen
zwischen den Reibungsflächen Strömungskanäle für die Umgebungsluft als kühlendes
Medium vorgesehen sind. Bei einer bevorzugten Drehrichtung haben diese Kanäle einen
solchen Verlauf, daß sie das Durchströmen der Umgebungsluft nach den Gesetzen der
Strömungsmechanik optimieren. Bei wechser@@den Drehrichtungen verlaufen die Kanäle
dagegen radial.
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Auch ist es bekannt, statt der Bremsscheiben die Bremsbacken zu kühlen.
In diesem Fall sind die Bremsbacken kreisringförmig ausgebildet und weisen Kühlwasserkanäle
auf.
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Schließlich ist eine Bremseinrichtung mit einer Bremsscheibe bekannt,
bei der die Kammern für ein kühlendes Medium mit dem Druckraum der Druckelemente
zum Auf legen der Bremse in Verbindung stehen, so daß das Druckmittel gleichzeitig
als kühlendes Medieum benutzt wird (DE-AS 1 133 995).
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Von all diesen verschiedenen Maßnahmen und Einrichtungen zur Kühlung
von Reibungsbremsen ist keine geeignet, um den Anforderungen einer Reibungsbremse
gerecht zu werden, die für den Einsatz im Bergbau unter Tage bestimmt ist. Entweder
müssen die Bremsen so angeordnet werden, daß sie von der Umgebungsluft umspült werden
(Bremse bei einem Kraftfahrzeug), oder sie sind in ihrem Aufbau zu kompliziert,
um die Forderung nach einer Sicherheitsbremse für den Untertageeinsatz erfüllen
zu können.
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Diese Forderung wird bei Sicherheitsbremsen z.B. dadurch erfüllt,
daß sie mit permanent wirksamen Belastungs einrichtungen, wie
Druckfedern,
Gewichten od. dergl. ausgerüstet sind und das Druckmedium zur Aufhebung der durch
diese Belastungseinrichtung ausgeübten Bremswirkung eingesetzt wird. Neben diesen
Forderungen wird nach der Gurtförderrichtlinie vom 29. 30. 1980, die vom Landes-Oberbergamt
in Dortmund erlassen wurde, gefordert, daß die Temperatur einer Bremsscheibe 150°
C, unabhängig von der Bremshäufigkeit und der Zeitdauer der Einzelbremsung, nicht
überschritten werden darf Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremseinrichtung,
insbesondere für den Einsatz im Bergbau unter Tage zu schaffen, die bei verhältnismäßig
einfachem Aufbau selbst bei hoher Bremsbelastung eine vorgeschriebene, obere Temperatur
nicht überschreitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine Druckmittelquelle
für ein nicht brennbares, gasförmiges und unter Uberdruck stehendes Medium angeschlossene
Düsen unmittelbar auf die zu kühlende Bremsflächen des Bremskörpers gerichtet sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgt die Kühlung am Entstehungsort
der Bremswärme, nämlich an den Bremsflächen. Das bedeutet, daß die Reibungswärme
unmittelbar durch die Fremdbelüftung abgeführt wird und nicht, wie bei einer der
beschriebenen, bekannten Bremsen, mit den im Innern der Bremsscheibe angeordneten
Kanälen erst dann, wenn die Reibungswärme in das Innere der Bremsscheibe vorgedrungen
ist. Auf dieser Wirkung beruht eine wesentliche Verbesserung der Erfindung im Vergleich
zum Stand der Technik. Durch die Beaufschlagung der Bremsflächen mit einem unter
Uberdruck stehenden Medium, insbesondere Druckluft, wird der Effekt ausgenutzt,
daß beim Ausströmen des gasför-
migen Mediums aus der Düse in den
unter dem Druck der Umgebungsluft stehenden Raum das gasförmige Medium expandiert,
sich dabei abkühlt und diesem Umgebungsraum, im vorliegenden Fall der Bremsscheibe,
Wärme entzieht. Bei der Erfindung wird weiter die Tatsache ausgenutzt, daß bei starken
Strömungen und entsprechenden Turbulenzen der Wärmeübergang von einem festen auf
einen gasförmigen Körper intensiver und schneller vonstatten geht, als wenn der
Körper nur der der Umgebungsluft gleichen Temperatur ausgesetzt wird.
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Um die Kühlwirkung der Bremsflächen weiter zu verbessern kann das
kühlende Medium, z.B. Druckluft, deren beim Verdichten entstehende Wärme in der
Regel durch einen Kühler der Druckmittelquelle abgeführt wird, durch einen Nachkühler
weiter abgekühlt werden, bevor es über die Düsen auf die Bremsflächen gelangt. In
diesem Sinne ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung die Verbindungsleitung der
Druckmittelquelle zu den Düsen zwischen in der Nähe der Düsen angeordneten Steuerorganen
für das kühlende Medium und den Düsen zur Abfuhr von Verdichtungswärme eingerichtet.
Diese Art der Nachkühlung ist deshalb besonders wirksam, weil die Nachkühlung praktisch
unmittelbar am Verbrauchsort des kühlenden Mediums erfolgt. Zur Kühlung des kühlenden
Mediums können insbesondere kühlwasserbeaufschlagte Wärmetauscher vorgesehen sein.
Wenn die Bremseinrichtung unter Tage eingesetzt wird, ist in der Regel Kühlwasser
vorhanden, so daß kein zusätzlicher Aufwand für die Bereitstellung eines besonderen
Kühlmittels getrieben zu werden braucht.
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Um z.B. bei einer Bremsscheibe eine gleichmäßige Kühlung über den
Radius zu erhalten, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die
Düsen derart ge-
staltet sind, daß für alle Flächeneinheiten der
mit dem kühlenden Medium beaufschlagten Bremsfläche der flächenspezifische Volumenstrom
des kühlenden Mediums gleich ist. Insbesondere soll das Produkt aus dem Volumenstrom
des eine Flächeneinheit der Bremsfläche beaufschlagenden Strahls des kühlenden Mediums
und aus der Umfangsgeschwindigkeit # vk der von diesem Strahl beaufschlagten Flächeneinheit
über die Radien der Bremsscheibe im wesentlichen konstant sein.
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Für die Anordnung der Düsen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Nach
einer ersten Alternativen sind die Düsen in den Bremsklötzen eingebettet. Insbesondere
in diesem Fall können sie als Flachstrahldüsen, d.h.
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Düsen mit im wesentlichen rechteckigem oder ovalem Strahlquerschnitt,
ausgebildet sein. Nach einer zweiten Alternativen können sie aber auch unmittelbar
neben den Bremsklötzen angeordnet sein. Sofern der Bremskörper eine Scheibenbremse
ist, kann es von Vorteil sein, die Düsen ringförmig auszubilden und über den Radius
der Bremsscheibe verteilt anzuordnen. Über die Verteilung kann dann auch ein flächenspezifisch
konstanter Volumenstrom des kühlenden Mediums erreicht werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Düsen
als Düsenstöcke ausgebildet sein. Sofern diese Düsenstöcke.bei einer Scheibenbremse
eingesetzt werden sollen, ist es zweckmäßig, wenn sie von mindestens einem die Bremsscheibe
beidseitig umgreifenden, stimmgabelförmigen Träger gehalten sind.
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Um mit möglichst geringem Aufwand das kühlende Medium zur Verfügung
zu stellen, ist nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Druckmittelquelle
für das Druckmittel zum Lüften der Bremseinrichtung das kühlende Medium liefert.
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Sofern die Bremseinrichtung zwischen Motor und Getriebe angeordnet
ist, können die Düsen und deren Zufuhrleitung in der Motor und Getriebe verbindenden
Haube der Bremseinrichtung eingebaut sein. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist
bei dem beengten Raum platzsparend. Die Kühlung mit der expandierenden Druckluft
als kühlendes Medium trägt darüber hinaus dazu bei, den durch die Haube gekapselten
Raum und damit auch indirekt die Haube zu kühlen.
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Um die Bremsflächen möglichst intensiv zu kühlen und um vor allem
für jeden weiteren Bremsvorgang von gleichen Anfangsverhältnissen ausgehen zu können,
kann eine auf Steuerorgane in den zu den Düsen führenden Verbindungsleitungen einwirkende
Steuereinrichtung vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von der mittels Temperaturfühlern
festgestellten Temperatur der Bremsflächen die Zufuhr des kühlenden Mediums steuert.
Mit einer solchen Bremseinrichtung ist es möglich, die Intensität der Kühlung zu
steuern, aber vor allem die Beaufschlagung mit dem kühlenden Medium nach Lüften
der Bremse andauern zu lassen, so daß keine nennenswerte Erhöhung der Temperatur
der Bremsscheibe gegenüber der Umgebungsluft auftritt, bzw. nach jedem Bremsvorgang
die Bremsscheibe auf Umgebungstemperatur (technisch sinnvolle Ausgangstemperatur)
abgekühlt wird, damit für den nächsten Bremsvorgang gleiche Ausgangsbedingungen
vorliegen.
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Es versteht sich, daß das kühlende Medium die Bremswirkung nicht nachteilig
beeinflussen darf. Deshalb muß die Druckluft mindestens ölfrei sein. Sie sollte
aber auch wasserfrei sein, um den Aquaplaningeffekt durch infolge der Bremswärme
entstehenden Wasserdampf zu vermeiden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine Bremseinrichtung mit einer Scheibenbremse im Axialschnitt,
Fig. 2 eine zwischen Motor und Getriebe eingebaute Bremseinrichtung, bestehend aus
einer Scheibenbremse, links im Axialschnitt und rechts im Querschnitt nach der Linie
I - I und Fig. 3 eine Bremseinrichtung, bestehend aus einer Scheibenbremse in einer
zu Fig. 1 abgewandelten Darstellung, links im Axialschnitt und rechts im Querschnitt.
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Die in Fig. 1 dargestellte Bremseinrichtung besteht aus und aus einer
Scheibenbremse 1 mit Bremsflächen 1a, 1b,/von einer nicht dargestellten Belastungseinrichtung
betätigbare Zangenhebeln 2a, 2b, die Bremsklötze 3a, 3b tragen.
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In den Bremskötzen 3a, 3b sind sich radial erstreckende Flachstrahldüsen
5a, 5b vorgesehen, denen aus Zufuhrleitungen 4a, 4b als kühlendes Medium Druckluft
zuaeführt wird.
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Die Wirkungsweise dieser Bremseinrichtung ist folgende: In Abhängigkeit
von der Größe der Last, der Größe des Anpreßdruckes der Bremsklötze 3a, 3b und der
Drehzahl der Bremsscheibe 1 ensteht an den Bremsflächen la, Ib der Bremscheibe 1
Reibungswärme. Diese zunächst nur an der unmittelbaren Oberfläche entstehende Reibungswärme
wird aufgrund des schlechten Wärmeleitvermögens der an den Bremsklötzen 3a, 3b befindlichen
Reibbeläge überwiegend in die vorzugsweise aus Stahl, Stahlguß oder Grauguß bestehende
Bremsscheibe 1 eingeleitet. Der Wärme-
fluß ist von den Bremsflächen
ia, 1b der Bremsscheibe 1 nach innen gerichtet. Es baut sich deshalb zunächst an
den Bremsflächen 1a,1b eine hohe Temperatur auf, die nach einer gewissen Zeit den
gesamten Körper der Bremsscheibe 1 erfaßt. Die Endtemperatur der Bremsscheibe 1
ist also eine zweifach von der Zeit abhängige Funktion: einerseits ist sie eine
Funktion der Einwirkzeit der Bremskraft und der Größe der Bremskraft und andererseits
ist sie eine Funktion der Zeitkonstanten des Werkstoffes der Bremsscheibe, die den
Wärmedurchgang von der Oberfläche bis zur Mitte der Bremsscheibe 1 bestimmt. Diesem
physikalischen Vorgang beim Bremsen trägt die Erfindung dadurch Rechnung, daß die
Bremswärme am Ort der Entstehung durch unmittelbare Beaufschlagung mit dem kühlender
Medium abgeführt wird. Die Beaufschlagung mit dem kühlenden Medium soll während
des gesamten Bremsvorganges und eine gewisse Zeit danach erfolgen, so daß eine nennenswerte
Erhöhung der Temperatur der Bremsscheibe gegenüber der Umgebungstemperatur nicht
auftritt, bzw.
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Abkühlung der Bremsscheibe auf Umgebungstemperatur (technisch sinnvolle
Ausgangstemperatur) notwendig ist.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Düsen 15a, 15b,mit denen
die beiden stirnseitigen Bremsflächen 11a, lib der Bremsscheibe 11 beaufschlagt
werden, in einer Haube 17a, 17b eines den nicht dargestellten Motor und das nicht
dargestellte Getriebe miteinander verbindenen Gehäuses der Bremseinrichtung eingebaut.
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Die Düsen 15a, 15b sind über den Umfang in gleichmäßigen Abständen
verteilt angeordnet. Die Zufuhr des kühlenden Mediums erfolgt über Einlässe 14.
Die Düsen sind untereinander über ringförmige Kanäle 16a, 16b verbunden.
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Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind die auf die stirnseitigen
Bremsflächen 21a, 21b der Bremsscheibe 21 gerichteten Düsenstöcke in einem oder
mehreren über die Bremsscheibe 21 gesteckten, stimmgabelförmigen Träger 28 untergebracht.
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Die flächenspezifisch gleiche Beaufschlagung einer Bremsscheibe über
deren Radius mit einem Volumenstrom an kühlendem Medium läßt sich z.B. dadurch leicht
verwirklichen, daß über den Radius einer Bremsscheibe verteilt Düsen angeschlossen
sind. Über die Dimensionieruns des Düsen@uerschnittes, unter Berücksichtigung des
an den einzelnen Düsen anstehenden Druckes, kann erreicht werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit
der Luftstrahlen von der radial äußeren Düse zur radial inneren Düse abnimmt. Diese
Abstufung der Strömungsgeschwindigkeit kann, unter Berücksichtigung der geringeren
Umfangsgeschwindigkeit der von den einzelnen Strahlen der Düsen beaufschlagten Bremsscheibenflächen
vom äußeren zum inneren Rand hin, so gewählt werden, daß das Produkt aus dem Volumenstrom
# V des Strahls und der Umfangsgeschwindigkeit # vk der von diesem Strahl beaufschlagten
Flächeneinheit über die Radien der Bremsscheibe im wesentlichen konstant ist. Auf
diese Art und Weise ergibt sich über die gesamte Bremsfläche die gleiche Turbulenz.
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Allen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist gemeinsam, daß die Bremsflächen
der Bremsscheiben, also der Ort, an dem die Reibungswärme entsteht, unmittelbar
durch die sich beim Expandieren abkühlende Druckluft beaufschlagt wird. Da die beim
Bremsen entstehende Reibungswärme unmittelbar durch die Fremdbelüftung abgeführt
wird und nicht erst, nachdem die Wärme in das Innere der Bremsscheibe eingedrungen
ist, ist die Küh-
lung besonders effektiv. Dieses bei der Erfindung
angewandte und vor allem am Beispiel einer Scheibenbremse dargestellte Prinzip läßt
sich selbstverständlich auch bei anderen Reibungsbremsen, z.B. einer Trommelbremse,
verwirklichen.
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