JP3802533B2 - トルク制御式ブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、駆動軸と被駆動軸との間に配設されたトルク制御式ブレーキに関するものである。上記ブレーキは、駆動軸と被駆動軸との間に配設されたブレーキディスク／クラッチディスク構造を含み、同構造は、被駆動軸に対して軸方向に移動可能であるが回転不能に配設された第１のディスクと、第１のディスクと駆動軸との間に配設され軸方向に移動可能な第２のディスクとを含む。上記ブレーキはさらに、第１および第２のディスクの間に配設された第１の一組の摩擦面手段と、第２のディスクとブレーキ本体との間に配設された第２の一組の摩擦面手段と、上記両ディスクとそれらに連動する上記両摩擦面手段とを軸方向に互いに押し合わせてブレーキ係合を達成するバネ構造と、上記駆動軸とブレーキディスク／クラッチディスク構造との間に配設されたカム手段とを含む。このカム手段は、駆動軸へ回転不能に固定された第１のカム部と、第２のディスクへ回転不能に配設された第２のカム部とを有する。このカム手段は、駆動軸のトルクおよび回転の衝撃を利用し、場合によっては被駆動軸の逆トルクも利用し、上記両ディスクと摩擦面手段との相対的な軸方向位置を変化させてブレーキ係合をバネ構造によって生じる力に逆らって少なくとも一部切り離す。

このようなブレーキはフィンランド特許出願第20010714号に開示されている。同出願ではとりわけ、荷重方向から到来する荷重をうまく制御して安全上の危険性を回避することを目的としている。さらに、荷重の振動によって生じる、同期速度を上回るモータの加速についても、回避が試みられている。その他、ブレーキの用途を拡大することも目的としている。この従来技術方式の実質的な構成要件は、２つの制動ホイールを用いることであり、これによって、これらの制動ホイールが達成するトルクは、それぞれ様々な値に調節される。これにより、ブレーキを多様な用途に適するよう改変することが可能になり、ブレーキに特性を追加することも可能になったが、従来、そうするには特殊な構造を必要としていた。

フィンランド特許出願第２００１０７１４号公報 特開２００２−３６４６８４号公報

本発明は上述のブレーキにさらに改善を加えることを目的とする。これは例えば、荷重を受ける構成部品に加わる動的ひずみを、ブレーキの制動力を減少させることなく最も効果的に解消し、さらに、ブレーキの開放を常に完全で確実に行なうことによる。また本発明の構造を、より多様な方法で様々な機能と組み合わせ可能とすることを目的とする。

本発明によるブレーキは、上述の課題を解決するために、第２のディスクが第２のカム部に対して軸方向に移動可能に配設され、第３の一組の摩擦面手段が第２のカム部と第１のディスクとの間に配設され、これによってトルクが駆動軸から被駆動軸へ移動することを特徴とする。

本発明は第２のブレーキディスク／クラッチディスクを基礎とするものであり、これは従前のもの以上に自由に移動可能であり、その移動経路を調節することによって、ブレーキをブレーキトルクに逆らって常時開放できる。これは常時開放という目的のために追加した摩擦面によって行なわれる。これにより、ブレーキを開放すべき時には、常にブレーキを確実に開放（カム手段を作動）可能となる。

第２のディスクにも、例えば別個の連結ホイールによって、適度なフライホイール重量が配置され、連結ホイールには第２のディスクおよび望ましくは第３の一組の摩擦面手段が配設されているため、例えば巻取装置の入力軸に作用する荷重トルクは、例えば電動機の電流が切られるなどして巻取装置を駆動する駆動力が失われた場合、被駆動ホイールを強制駆動し、先ずフライホイール重量分を加速させ、次いで電動機の回転子などのアクチュエータを加速させる。この構造は適切な寸法であるため、フライホイールの後には、ブレーキを開放不可能なトルクしか残らない。これは巻取装置においては非常に重要な構成要件であり、これによって、例えばアクチュエータに不具合が生じたり故障が起きたりした場合であっても、荷重が降下したり突然落下したりすることが防止される。このような予期しない事態においてばかりでなく、通常の巻取工程の面においても、このような構造によれば制動が円滑になり、ブレーキ装置に突然大きな動荷重が加わることもない。

本発明によるブレーキには、所望の場合、チェーン巻取装置に必要な滑りクラッチを設けることも容易である。このように、このブレーキ本体は２つの本体部品で構成され、これらを互いに対して軸方向に調節することにより、第２の一組の摩擦面手段の作用位置すなわち作用点は、第２の本体部品によって調節および制限可能である。

クラッチおよびブレーキのトルクは、バネ構造から得られる同じバネ力を用いて発生させ、これら２つのトルクの比は、これらに対応する摩擦面の比をクラッチトルクとブレーキトルクとの比と等しくなるよう選択することによって調節される。このような方式によれば、滑りクラッチトルクを調節中、ブレーキトルクがそのクラッチトルクに正確に対応して同時に変化するという利点が得られる。本発明による構造では、アクチュエータの回転中、ブレーキの第２の本体を回転させることによって、クラッチトルクを最も簡易な方式で調節可能であり、したがって、調節中は動摩擦係数だけを用いるため、クラッチを精確に調節可能である。

上記バネ構造は、望ましくは第１のディスクを第２のカム部の方へ押し出すバネ列と、第１のカム部を第２のカム部の方へ押し出す第２のバネ列とを有し、第１のバネ列のバネ力が第２のバネ列のバネ力より相当に強くなる。第２のバネ列はカム部を中心として配置され、そのバネ力は、ブレーキトルクを発生する第１のバネ列の実際のバネ力を減少させすぎないように選択される。第１のバネ列の遊びは、摩擦面の損耗も補償する。

本発明の他の利点は、以下、本発明の詳細な説明においてさらに詳細に説明する。

次に、添付図面を参照して、２つの実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。

図１ないし図４により、本発明によるトルク制御ブレーキ１がチェーン巻取装置２と手動式巻上機３との間に配設されていることを示す。この手動式巻上機３の回転子４は、本装置の駆動軸の役割を果たす。

ブレーキ１は先ずカム部５および６を有し、これらのうちの参照番号５で示す第１のカム部は、回転子４に対して回転不能に固定されていて、カム部６は、チェーン巻取装置２の入力軸７に、回転可能で軸方向にも移動可能に配設されている。入力軸は本装置において被駆動軸の役割を果たす。すなわち、手動式巻上機３の回転子４から駆動力を与えられてチェーン巻取装置２を駆動する軸として機能する。連結ホイール８は、第２のカム部に、回転不能で軸方向にも移動不能に固定されていて、これによりフライホイール重量が本装置へ装備されている。

ブレーキディスク／クラッチディスク構造は、カム部５および６の間に配設されている。すなわち、回転子４とチェーン巻取装置２の入力軸７との間に配設されている。同構造は、入力軸７上を軸方向に移動可能であるが回転不能に配設されている第１のディスク９と、第２のディスク10とを有する。第２のディスクは軸方向に移動可能であるが、ピン11を用いて連結ホイール８の外周上に固定されているため、連結ホイール８に対して回転不能に配設されていて、第２のディスク10はしたがって、ホイール８を介して第２のカム部６にも同時に固定されている。

第１の一組の摩擦面手段12はディスク９および10の間に配設され、例えば第１のディスク９に固定されていて（図２参照）、第２の一組の摩擦面手段14は第２のディスク10とブレーキ本体13との間に配設されていて、例えば第２のディスク10へ固定されている。本実施例では、これらの摩擦面手段12および14は、有効直径および摩擦面積に関して、大きさが実質的に等しいが、異なるようにしてもよい。

ディスク９および10と、それらに連動する摩擦面手段12および14との間にブレーキ構造を装備するために、バネ構造15、16が設けられていて、これらにより上記構成部品９、10、12および14は、互いに対して押し付けられる。かかるバネ構造は、入力軸７の軸受け17と第１のディスク９との間に配設され第１のディスク９を第２のカム部６の方へ押し出す第１のバネ列15と、ブレーキ本体13と第１のカム部５の軸受け18との間にあり第１のカム部５を第２のカム部６の方へ押し出す第２のバネ列16とを含む。第１のバネ列15のバネ力は第２のバネ列16のバネ力より相当に大きい。第２のバネ列のバネ力は、第１のバネ列15によってブレーキトルクを生じる実際のバネ力を減少させすぎないように選択する必要がある。第２のバネ列16の遊びは、摩擦面手段12、14および19の摩耗余裕を形成している。

さらに、第３の一組の摩擦面手段19は、連結ホイール８によって第２のカム部６に取り付けられ、同手段は連結ホイール８および第２のカム部６に対して回転不能に配され、第１のディスク９と連動するように配設され、これによって駆動軸すなわち回転子４から被駆動軸すなわちチェーン巻取装置の入力軸７へトルクが移動する。ここで特筆すべきは、第３の一組の摩擦面手段19も当然に、その概念もしくは作用を少しも変えることなく、第１のディスク９へ固定可能なことである。第１および第２の一組の摩擦面手段12および14に加えて、第３の一組の摩擦面手段19も、ブレーキ係合を行なうために作動させてよい。本実施例では、第３の一組の摩擦面手段19の有効直径は、第１および第２の一組の摩擦面手段12および14の対応する寸法より小さい。しかしこの条件は必ずしも成立するものではなく、第３の一組の摩擦面手段19の位置によって、同手段の大きさは制限される。

カム部５および６に関して説明すると、両カム部５および６の断面は円形であり、周囲を取り巻くように配置された望ましくは腎臓型の溝20を有し、これらの溝は、溝を取り囲む接触領域21に対して、中央部に深い箇所22を有し、両端部に浅い箇所23を有する。その場合、相対するカム部５および６は、各々一組の相対する溝20と、各々一組の相対する溝の間に配された玉24とを介して、互いに連結される。

要約すると、手動式巻上機３を用いる場合、カム部５および６は回転子４のトルクおよび回転の衝撃と、入力軸７に存する（ブレーキトルクの）逆トルクとによって、ディスク９および10と摩擦面手段12および14との軸方向の位置を変化させ、これによって、ブレーキ係合をバネ構造15および16により生じる力に逆らって少なくとも一部切り離すと同時に、以下にさらに詳細に説明するように、第３の一組の摩擦面手段を用いて第１のディスク９と連結ホイール８との間にトルクを移動させて係合を行なう。

ブレーキ本体13は、互いに対して軸方向に調節される２つの本体部品25、26を有し、これによって、部品25および26の間のねじ切り構造27を用いた調節が行なわれ、第２の一組の摩擦面手段14が第２のディスク10へ固定される。ディスク10は第３のディスク28に対して押し付けられ、第３のディスク28は、軸方向に移動可能であるが、第１の本体部品25上に対してピン29を円形に配することにより、回転不能に配設されている。第２のディスク10、第２の一組の摩擦面手段14、および第３のディスク28の、制動力の方向すなわち本体部品26の方向への軸方向運動は、制限され、第１のカム部５を支持する第２の本体部品26（ブレーキの「カバー部」）を用いて調節可能である。第３のディスク28の軸方向移動の固定は、それが構造的に有利になる場合は、第２の本体部品26に対しても行なってよい。しかし、本体部品25、26の調節によって滑りクラッチを機能させることは、本発明のすべての実施例において必要なものではない。当該調節とそれがブレーキ操作に及ぼす効果とを、以下に説明する。

明瞭のため、図１および図３は、ケースに入っていない状態の巻取装置２を示すが、実際にはこの装置は適切なケース（例えば図６の構造を参照）に入っていて、ケース上に上記装置の構成部品は支持され、必要な潤滑油を配することができる。

本発明の最も重要な構成要件は、ブレーキディスク／クラッチディスク構造中の軸方向へ移動可能な第２のディスク10と、連結ホイール８によって入力軸７とカム部５、６との間に設けられているフライホイール重量と、第３の一組の摩擦面手段19によって得られ駆動力を回転子４から入力軸７へ移動させるトルクとである。滑りクラッチ機能のためには、第２の一組の摩擦面手段14の軸方向の可調節性も重要である。

手動式巻上機３と、ブレーキ１と、チェーン巻取装置２とで構成される上述の装置は、次のように作動する。

図１はチェーン巻取装置２から懸垂された荷重30がブレーキ１によって止まっている状態を示す。このような状態は例えば、手動式巻上機３の回転が停止した場合（もしくは何らかの理由で巻上機３が損傷した場合）に発生し、かかる場合、第２のバネ列16は、第１のディスク９およびその第１の一組の摩擦面手段12を第２のディスク10に対して押し付け、次に第２のディスク10は、その第２の一組の摩擦面手段14がピン11をスライドすることによって、第３のディスク28の方へ押し出され、この運動は第２の本体部品26が制限して停止させる。制動は迅速であるが平滑に行なわれる。それは制動中に、第２のディスク10が連結ホイール８と協働して、本装置のフライホイール重量分をも確実に減速させるからである。もしフライホイール重量分を減速させるのにブレーキを使用しなければ、荷重は全ブレーキトルクによって減速すると考えられる。そのような場合は、制動が迅速すぎるため、荷重を受ける構成部品に極度に大きな動的ひずみが掛かってしまうと考えられる。

図３のブレーキでは、荷重30は上昇している状態である。したがって、回転子４のトルクは第１のカム部５へ移り、これによって装置へ導入されるトルクが大きくなると、第１のカム部５および第２のカム部６が互いに対して回転し、同時に互いから後退する。第２のバネ列16は第１のバネ列15より小さいバネ力を生じるため、第２のバネ列16が上記後退によって先に圧迫され、その後さらに第１のバネ列15も上記後退によって圧迫され、これによって、第２のカム部６を軸方向へ可能な限り移動させる連結ホイール８は、同時に第１のディスク９を押して第２のディスク10とのブレーキ係合を切り離すが、摩擦面のうちの第３の一組の摩擦面手段19によって第１のディスク９とは係合したまま、トルクを出し続ける。このように、巻取動作をドラグ用ブレーキを用いることなく行なうことができる。

本装置へ導入されるトルクがなくなると（図１に示す状態）、荷重30のトルクは、巻取中と反対の方向に装置を回転させ始める。このような状態は装置の機能性および安全性の見地から最も危険である。このような事態は、本発明においては、カム部５および６の溝によって形成されるカム軌道の幾何学的形状（溝20のピッチ、有効直径および摩擦係数）と、連結ホイール８および回転子４のフライホイール重量とを適切に決定することによって、処理している。このような適合性は、先ず上述のように連結ホイール８を巻取装置２の入力軸７とカム軌道列５、６、20、24との間に配して、荷重のトルクにより連結ホイール８のフライホイール重量分を加速させ、それによって、残ったトルクが回転子４を加速可能になることを意味する。カム軌道列５、６、20、24を介して回転子４を加速させるトルクを上述の条件を正しく選んで生成すれば、荷重30の方向から到着するトルクは、上述の章で説明したように、ブレーキを開放することができなくなる。

荷重30が降下する場合は、回転子４のトルクによって、荷重トルクがブレーキトルクを辛うじて上回る程度だけ、ブレーキを開放可能である。したがって、荷重の位置エネルギーは摩擦作用による熱として摩擦面手段12および14へ送られる。このエネルギーは、例えばブレーキ本体３で構成されるケース内に配されているオイルへ伝達可能である。このオイルは、図５によって以下に説明するように、同時に巻取装置のオイルとしてもよい。したがって、この荷重30を降下させる場合、下方へ「押し下げる」必要がある。この「押し下げ」が終わると直後にブレーキが荷重を把持する。

図１ないし図４に示す構造において、既に構造およびそれによって達成される利点を説明した滑りクラッチがチェーン巻取装置にとって必要であり、同クラッチはブレーキに連結されている。すなわち、クラッチトルクおよびブレーキトルクはバネ列15、16から得られる同じバネ力を用いて生成され、これら２つのトルクの比は、これらに対応する摩擦面、すなわち摩擦面手段12、14および19の比をクラッチトルクとブレーキトルクとの比と等しくなるよう選択することによって得られる。このような構成により、滑りクラッチトルクを調整すると、同時にブレーキトルクがクラッチトルクに対して正確な比を保ちながら変化するという利点が得られる。本発明の構造では、クラッチトルクを調整することができるのは、第２の本体部品26を回転させることによって回転子４を回転させる時と、本体部品26を例えばネジで正しい位置に固定するという正しい調整がなされ、よってクラッチも精確に調整されたことを確認した後である。これは、調整中は動摩擦係数しか用いないからである。図１は、第２のバネ列16に対する第２の本体部品26の支持面31と連結ホイール８との距離が調節中は一定に保たれることを示し、したがって、滑りクラッチを調整するときは、第１のバネ列15のトルク、クラッチトルクおよびブレーキトルクだけが変化する。

電動機駆動式チェーン巻取装置２'に連動するブレーキ１'の構造および作動は、手動式装置に対するものと全く同じであるが、異なるのは以下の点である。すなわち、電動機の回転子４'の軸4a'だけでなく、その延長部4b'も駆動軸を形成していて、第２のカム部６、ブレーキディスク／クラッチディスク構造９、10、８、巻取装置２'の被駆動入力軸７'および巻取装置２'自体は、電動機３'と駆動軸の延長部4b'上の第１のカム部５との間に配設されていて、第２のカム部６は同カム部に固定された構成部品８、９を有し、同構成部品中で回転して軸方向に移動可能であり、図１ないし図４に示す手動式装置と比較すると回転子４'が同装置の反対側に配されているため被駆動巻取装置２'の入力軸７'は回転可能であり、これによって、回転子４'の軸4a'の延長部4b'は、入力軸７'を通して移動させる必要がある。ブレーキ本体13'の部品25'および26'も、形状は部品25、26と異なるが、動作は同じである。

全体的に見て、本発明によるブレーキは巻取装置における荷重制動装置の役割を果たす。従来のいわゆるウエストン型荷重ブレーキと比較した大きな相違点は、本発明によるブレーキでは荷重の位置エネルギーは１回しか熱変換されないが、ウエストン型ブレーキでは荷重の位置エネルギーよりさらに大きなエネルギーが熱変換される点である。本発明では荷重の位置エネルギーは１回しか熱変換されないため、ブレーキトルクを荷重トルクの２倍の大きさに調節可能であり、これにより、かかるブレーキ１台だけで十分用が足りる。

本文で説明した本発明では、上述のように滑りクラッチと、ブレーキと、荷重制動機能とが組み合わされているため、回転可能な機械装置のトルクが停止した場合であっても、ブレーキは何ら付加的な誘導をする必要もなく、自動的に作動する。上述の滑りクラッチ機能を除外することによって、構造を簡略化してもよい。

ブレーキの開放機械装置は両方向へ作動する。このことは、ブレーキが例えば様々なコンベアに適用される場合に貴重な構成要件になる。

上述の本発明の説明は単に本発明の基本概念の説明を意図しているものであり、当業者によれば本発明の内容を特許請求の範囲内で様々に実施可能である。したがって、例えばカム部およびカム軌道を上述のものとは異なるものとしてよく、さらに上述のフィンランド特許出願で言及されている種類のものにしてもよい。様々な構成部品の構造は、上述の装置の作動を保証するものであればよい。

チェーン巻取装置と手動式巻上機との間にあり荷重が加えられている状態の本発明によるブレーキの長手方向の断面図である。 図１に示すブレーキディスク／クラッチディスク構造の詳細な拡大図である。 図２に示すブレーキを積荷が巻き上げられている状態で示す図である。 図１に示す第２のバネ列の詳細な拡大図である。 先行する各図面に示すブレーキのカム部の実施例を示す図である。 チェーン巻取装置およびそれを用いる電動機に連結され荷重が加えられている状態の本発明によるブレーキの長手方向の断面図である。

符号の説明

１ ブレーキ
２ チェーン巻取装置
３ 手動式巻上機
４、4a' 駆動軸
５、６ カム部
７、７' 被駆動軸
８ 連結ホイール
９、10、28 ディスク
12、14、19 摩擦面手段
13 ブレーキ本体
15、16 バネ構造
17、18 軸受け
20 溝
22 深い箇所
23 浅い箇所
24 玉
25、26 本体部品
27 ねじ切り構造
29 ピン
30 荷重

Claims (10)

1. 駆動軸と被駆動軸との間に配設されたトルク制御式ブレーキであって、該ブレーキは、
   被駆動軸に対して軸方向に移動可能であるが回転不能に配設された第１のディスク、ならびに第１のディスクと駆動軸との間に軸方向に移動可能に配設された第２のディスクを有する、駆動軸と被駆動軸との間に配設されたブレーキディスク／クラッチディスク構造と、
   第１および第２のディスクの間に配設された第１の一組の摩擦面手段と、
   第２のディスクとブレーキ本体との間に配設された第２の一組の摩擦面手段と、
   第１および第２のディスクとそれらに連動する第１および第２の摩擦面手段とを軸方向に互いに対して押し合わせてブレーキ係合を達成するバネ構造と、
   駆動軸と前記ブレーキディスク／クラッチディスク構造との間に配設されたカム手段とを含み、該手段は、駆動軸へ回転不能に固定された第１のカム部と、第２のディスクへ回転不能に配設された第２のカム部とを有し、前記カム手段は、駆動軸のトルクおよび回転の衝撃を利用し、第１および第２のディスクと第１および第２の摩擦面手段との相対的な軸方向位置を変化させて前記ブレーキ係合を前記バネ構造によって生じる力に逆らって少なくとも一部切り離す、トルク制御式ブレーキにおいて、
   第２のディスクは第２のカム部に対して軸方向に移動可能に配設され、
   第３の一組の摩擦面手段が第２のカム部と第１のディスクとの間に配設され、これによってトルクが駆動軸から被駆動軸へ移動することを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
2. 請求項１に記載のトルク制御式ブレーキにおいて、第３の一組の摩擦面手段は、第２のカム部に配設されていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
3. 請求項１または２に記載のトルク制御式ブレーキにおいて、第２のディスクおよび第３の一組の摩擦面手段は、連結ホイールによって第２のカム部に配設されていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
4. 請求項１に記載のトルク制御式ブレーキにおいて、第３の一組の摩擦面手段は、第１のディスクに取り付けられていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のトルク制御式ブレーキにおいて、ブレーキ本体は２つの本体部品で構成され、該２つの本体部品を互いに対して軸方向に調節することにより、第２の一組の摩擦面手段の作用位置すなわち作用点は、第１のカム部を支持する第２の本体部品によって調整および制限可能であることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
6. 請求項５に記載のトルク制御式ブレーキにおいて、前記２つの本体部品の間にねじ切りが配設されていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のトルク制御式ブレーキにおいて、前記バネ構造は、第１のディスクを第２のカム部の方へ押し出す第１のバネ列と、第１のカム部を第２のカム部の方へ押し出す第２のバネ列とを含み、第１のバネ列のバネ力は第２のバネ列のバネ力より大きいことを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載のトルク制御式ブレーキにおいて、第１および第２のカム部の横断面は円形であり、周囲を取り巻くように配置された腎臓型の溝を有し、これらの溝は、中央部に深い箇所を有し、両端部に浅い箇所を有し、第１および第２のカム部は、各々一組の相対する溝と、各々一組の相対する溝の間に配された玉とを介して、互いに連結されていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載のトルク制御式ブレーキにおいて、該ブレーキは、電動機駆動式チェーン巻取装置内に配設され、これにより、電動機の回転子の軸と、該軸に連係している延長部とで、駆動軸が形成され、第２のカム部、前記ブレーキディスク／クラッチディスク構造、巻取装置の被駆動軸および該巻取装置自体は、前記電動機と駆動軸の延長部上の第１のカム部との間に配設されていて、第２のカム部は該カム部に固定された構成部品を有し該構成部品中で回転して軸方向に移動可能であり、前記巻取装置の被駆動軸は該構成部品中で回転可能であることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載のトルク制御式ブレーキにおいて、該ブレーキは、手動式チェーン巻取装置内に配設され、該ブレーキは、手動式巻上機と前記巻取装置との間に配されていることを特徴とするトルク制御式ブレーキ。

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