-
Bremse bzw. Rutschkupplung, insbesondere für Verseilmaschinen Unter
einer Bremse soll im folgenden eine Einrichtung verstanden werden, mittels welcher
auf eine umlaufende Welle o. dgl. ein der Drehrichtung entgegenwirkendes Drehinoment
(Bremsmoment) ausgeübt wird. Diejenigen Bremsen, die dazu dienen, die kinetische
Energie eines Fahrzeuges oder einer Maschine zu vernichten, um sie möglichst schnell
zum Stillstand zu bringen, scheiden im folgenden aus, und es wird nur auf die Anwendungsfälle
Bezug genommen, bei denen betriebsmäßig und dauernd ein bestimmtes Dreh- oder Bremsmoment
ausgeübt werden soll. Ein solcher Fall liegt beispielsweise vor bei Verseil- oder
Spinnmaschinen, bei denen ein auf eine Spule oder Trommel aufgewikkelter Faden,
Draht o. dgl. abgezogen wird, wobei zwecks Erzielung einer gewissen Spannung der
zur Verseilung kommenden Fäden oder Drähte auf die Ablauftrommeln ein Bremsmoment
ausgeübt wird.
-
Zur Erzielung des Bremsmoments bedient man sich vorzugsweise der Reibungskraft,
die zwischen einem mit der zu bremsenden Welle starr verbundenen Teil, beispielsweise
einer Bremsscheibe, und einem zweiten im allgemeinen feststehenden Teil, beispielsweise
Bremsbacken oder Bremsband, auftritt. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht
auf die Fälle, bei denen der zweite Teil feststeht, sondern erstreckt sich auch
darauf, daß beide Teile drehbar angeordnet sind. Durch eine solche Bremse werden
beide Wellen relativ zueinander gebremst, und es wird nicht nur auf die treibende
Welle ein Bremsmoment, sondern auch auf die angetriebene Welle ein Drehmoment ausgeübt.
Solche Vorrichtungen nennt man Rutschkupplungen; sie dienen vorzugsweise dazu, um
auf eine Welle, der man nicht zwangsläufig eine bestimmte Drehgeschwindigkeit erteilen
darf, ein treibendes Drehmoment auszuüben. Ein solches Bedürfnis liegt z. B. vor
bei Aufwickelvorrichtungen, insbesondere bei Spinn- oder Verseilmaschinen, bei denen
ein finit konstanter Geschwindigkeit angelieferter Faden oder Draht auf eine Trommel
aufgewickelt werden soll. Da hierbei mit zunehmendem Bewicklungsdurchmesser der
Trommeln deren Drehzahl abnehmen muß, ist ein zwangsläufiger Antrieb der Trommeln
nicht zulässig. Durch Antrieb mittels einer Rutschkupplung erreicht man, daß die
Drehzahl der Trommel sich der Geschwindigkeit des aufzuwickelnden Drahtes anpaßt
und der Draht oder Faden der Größe des ausgeübten Drehmoments entsprechend gespannt
bleibt.
-
Bei solchen Bremsvorrichtungen (unter denen im folgenden auch Rutschkupplungen
zu verstehen sind) kommt es vielfach darauf an, ein Brems- oder Drehmoment von bestimmter,
gegebenenfalls einstellbarer Größe
zu erzielen, das einen einmal
eingestellten Wert dauernd unverändert beibehält. Insbesondere gilt dies von den
genannten Ab- und Aufwickelvorrichtungen, bei denen die Spannung des Fadens oder
Drahtes dem Brems-bzw. Drehmoment proportional ist. Zu diesem Zweck ist vorgeschlagen
worden, die Bremsen so auszubilden, daß der die Bremsung bewirkende Bremsflächendruck
durch das erzeugte Brems- oder Drehmoment so gesteuert wird, daß eine Zunahme des
Brems-oder Drehmoments eine Abnahme des Bremsflächendrucks bewirkt. Steigt bei diesen
Bremsen aus irgendeinem Grunde der Reibungskoeffizient, so steigt das Bremsmoment;
gleichzeitig wird aber durch das steigende Bremsmoment der Bremsflächendruck vermindert.
Da nun das Bremsmoment dem Produkt aus Bremsflächendruck und Reibungskoeffizient
proportional ist, so wirkt die Verminderung des Bremsflächendrucks dem Anwachsen
des Bremsmoments entgegen, und es läßt sich, wie im folgenden näher ausgeführt wird,
erreichen, daß das Bremsmoment nahezu konstant, d. h. vom Reibungskoeffizienten
unabhängig wird. .
-
An Hand der Abb. z wird die Wirkungsweise einer so ausgestalteten
Bremse kurz erläutert. Abb. z zeigt eine Backenbremse in der bekannten Ausführungsform
mit den Ringhälften R, und R, die durch eine Feder f mit der Kraft F gegeneinandergepreßt
werden. Vermittels der Zwischenschicht d wird die Scheibe s (die mit der zu bremsenden
Trommel starr verbunden ist) gebremst. Die Scheibe s ist um die Achse A drehbar.
Die Drehachse B der beiden Bremsbacken gegeneinander sitzt nicht fest am Gestell,
sondern die Ringhälften sind frei auf der Scheibe s drehbar und legen sich gegen
den festen Anschlag K. r ist der Scheibenradius, a der Abstand der Bremsfeder von
der Drehachse, o der Reibungskoeffizient. Betrachtet man zunächst die Bremse ohne
Berücksichtigung der Tatsache, daß durch den Druck auf den Anschlag K die
Feder f gelüftet wird, so gelten folgende Überlegungen. Die Federkraft erzeugt
einen Bremsflächendruck P, und es ist angenähert
Das übertragene Drehmoment M (im folgenden kurz Bremsmoment genannt) ist 11@T-2Pr-o-2F
(a+r)-o. (2)
Alle Schwankungen des Reibungskoeffizienten o verursachen demnach
prozentual gleich große Schwankungen des Bremsmoments.
-
Da jedoch die Ringhälften-R, und R2 auf den festen Anschlag K mit
einer Kraft
drücken, so wirkt die entgegengesetzt gleiche Kraft auf die Feder und vermindert-
deren Spannkraft F um den Betrag
, so daß in der Gleichung (r) für den Breinsflächendruck die Federkraft F durch
zu ersetzen ist. Dies ergibt
und unter Berücksichtigung von (2) für das Bremsmoment
Ein Vergleich zwischen den Formeln und (2) zeigt, daß die relativen Schwankungen
des Bremsmoments kleiner sind als die des Reibungskoeffizienten; wenn nämlich der
Reibungskoeffizient zwischen den Werten o und o' schwankt, so gilt für die Werte
!V1 und M', zwischen denen das Bremsmoment schwankt,
Ist z. B. `o' .- o,5 o und setzen wir
0,9, so wird
Für o - o,2 (Leder an blankem Eisen) erhält man
Während also der Reibungskoeffizient 2' auf o,5 o herabsinkt, verkleinert sich bei
dieser Anordnung das Bremsmoment nur auf o,64All. Die Schwankungen sind um etwa
3o°/, vermindert.
-
Eine so geringe Herabsetzung der Schwankungen ist jedoch praktisch
unzureichend. Gemäß der Erfindung werden nun Mittel angewandt, durch die die relativen
Schwankungen des Bremsmoments nach dem an Abb. r erläuterten Prinzip beliebig klein
gemacht werden können. Diese Mittel bestehen darin, daß die auf die Feder rückwirkende
Kraft, die dem jeweiligen Bremsmoment proportional
ist, möglichst
groß gemacht wird, beispielsweise durch Verkleinerung von a gegenüber r oder durch
geeignet gewählte Hebelübersetzungen. .
-
Die Abb. z zeigt eine beispielsweise Ausführungsform. Die Bremsbacken
sind wieder frei drehbar und legen sich gegen den Anschlag K. Dieser übt
auf den Hebel L eine Kraft
und mittels der Hebelübersetzung L/1 eine Kraft
auf die Feder aus.
-
In der Gleichung für den Bremsflächendruck P ist dann an Stelle von
F zu setzen
Daraus folgt dann für das Bremsmoment
Die Abmessungen a, r, R und insbesondere die Hebelübersetzung Lfi können
stets so gewählt werden, daß
neben i vernachlässigt werden kann. Das Bremsmoment !VIwird dann von 9 nahezu unabhängig:
Diese beiden Ausführungsbeispiele haben noch einen gewissen Mangel, daß sie nämlich
nur für eine Drehrichtung wirksam sind. Dieser Mangel kann dadurch beseitigt werden,
daß ein zweiter Anschlag angebracht und der auf die Feder wirkende Hebel über seine
Drehachse hinaus derart verlängert wird, daß für beide Drehrichtungen die Entlastung
der Feder in dem gleichen Sinne erfolgt. Die Abb. 3 a und 3 b zeigen hierfür ein
besonders einfaches Beispiel in Vorder- und Seitenansicht. Die Bremsringhälften
R1 und R2 sind auf der Scheibe s frei drehbar; zwischen ihren verlängerten Enden,
die durch die Feder f gegeneinandergedrückt werden, sitzt der Hebel L in Form eines
Vierkants i. Der Vierkant ist mittels Bolzen :2 in einem in der unteren Bremsringhälfte
verlaufenden Schlitz drehbar gelagert; an seinem nach außen gerichteten Ende trägt
er einen Hebelarm 3, der zwischen den feststehenden Anschlägen K, und K2 spielt.
Die Hebelübersetzung L/i ist hier gleich dem Längenverhältnis des Hebels 3 von den
Anschlägen bis zum Drehpunkt des Vierkants zur Länge des Vierkants. Je nach der
Drehrichtung legt sich der Hebel gegen den einen oder anderen Anschlag, der auf
diesen Hebel eine Kraft
überträgt, die mittels der Hebelübersetzung L/1 mit der Größe
der Federkraft F entgegenwirkt. Für den Bremsflächendruck und das Bremsmoment gelten
wieder die Formeln (3) bis (7), in denen das Drehmoment im Grenzfalle vom Reibungskoeffizienten
unabhängig ist.
-
Auf besonders einfache Weise kann der Einfluß der Änderung des Reibungskoeffizienten
bei Bandbremsen ausgeschaltet werden. Eine gewisse, allerdings bei weitem unzureichende
Rückwirkung des erzeugten Dreh-oder Bremsmoments ist schon bei einer ge-,vöhnlichen
Bandbremse vorhanden, falls die Bandenden in der richtigen Weise gespannt sind.
Die Abb. 4. zeigt eine solche Bandbremse, bei der das ablaufende Bandende starr
befestigt, das auflaufende Ende durch ein Gewicht P2 gespannt ist. Zur Erläuterung
der Wirkungsweise . soll zunächst der einfachere Fall dienen, daß das Produkt aus
Reibungskoeffizient o und Umspannungswinkel gg klein gegen i ist. In diesem Falle
ist der Bremsflächendruck P angenähert gleich P=Pl wobei P, dieSpannung des ablaufendenEndes
ist. Das Bremsmoment JVI ist dann M-y.2#P-y#2#g9-Pl P1 und damit P hängen ihrerseits
wieder von A1 ab, denn es ist
Mit zunehmendem Bremsmoment lbl wird daher P1 und damit auch P verringert, und es
gilt
Diese Formel ist der Formel (4) für das Bremsmoment einer Backenbremse ganz analog
und veranschaulicht den prinzipiellen Zusammenhang der beiden an sich verschiedenen
Bremsarten in bezug auf die selbsttätige Regelung.
-
Ähnlich liegen die Verhältnisse im allgemeinen Fall bei beliebiger
Größe des Produkts O 99. Es sei wieder: P, die Spannung des ablaufenden, P2 die
des auflaufenden Endes, fp der Umspannungswinkel im Bogenmaß, 2 der Reibungskoeffizient
und r der
Scheibenradius. Zwischen den Kräften P1 und P2 besteht
die Beziehung P2 - P: L. e e @p Das Bremsmoment ist M = (P2 - Pl) ' y (9) oder
M - P2 . y (z - e _ e Ih) (r0) Das ablaufende Ende sei festgehalten, das
auflaufende Ende durch ein Gewicht P2 belastet.
-
Zum Vergleich der relativen Schwankungen von 2 und M wird (io) nach
&O differenziert. Man erhält
Der Faktor ,1 gibt das Verhältnis der relativen Schwankungen zueinander an. Bei
den bekannten Bandbremsen mit p = etwa 3 bis 5 und Qo ;=-- o,2 hat A, den
Wert etwa o,6 bis o,7.
-
Die Schwankungen des Bremsmoments bleiben also in derselben Größenordnung
wie die Die Durchrechnung ergibt hier des Reibungskoeffizienten; die kompensierende
Wirkung ist praktisch unzureichend.
-
Durch Vergrößerung des Umspannungswinkels (p kann nun der Faktor Z
und damit die relativen Schwankungen des Bremsmoments beliebig- klein gemacht werden.
In Abb. 5 ist A, in Abhängigkeit von dem Produkt o (p aufgetragen. Umschlingt beispielsweise
das Bremsband die Scheibe il/,mal (g@=3 vz), so ist bei @O-o,27,=etwa
0,35;
bei 21/z Umschlingungen ist 7, = o, i 5, bei 31/2 Umschlingungen 2.
- etwa o,o2. Man erkennt hieraus, daß gemäß der Erfindung die Kompensation beliebig
weit getrieben werden kann.
-
Soll eine solche Bremse für beide Drehrichtungen brauchbar sein, so
werden beide Enden durch Federn gespannt. Die Gesamtdehnung beider Federn ist konstant:
xi + x2 - %o Ferner ist Pl - Ci x,
P2 - C2 x2 wobei Cl und CZ
die Federkonstanten sind.
Wie man sieht, kann A,' als Produkt zweier Faktoren geschrieben werden, von denen
der eine gemäß Gleichung (i i) -#, der andere stets größer als i ist; durch Einfügung
einer Feder am ablaufenden Ende wird also die Kompensation in gewisser Weise verringert,
und zwar um so mehr, je größer
ist. Man sollte also an sich zwecks optimaler Kompensation das Verhältnis
möglichst klein wählen, d. h. das auflaufende Ende durch eine möglichst weiche Feder
spannen und das ablaufende Ende möglichst starr befestigen. Andererseits aber erkennt
man, daß bei gleichen Federn in beiden Bandenden
das #' niemals größer werden kann als 2 2.. so daß auch in diesem Falle 7,' beliebig
klein gemacht werden kann, wenn nur A, genügend klein ist. Eine solche Bremse hat
nun gegenüber der einseitig gespannten Bandbremse den erheblichen Vorteil, daß sie
für beide Drehrichtungen in gleicher Weise regelnd wirkt, so daß der Nachteil der
verringerten Kompensationswirkung unbedenklich in Kauf genommen werden kann, zumal
diese auch hier durch Wahl eines genügend großen @o p beliebig weit getrieben werden
kann. Zweckmäßig wählt man @O > 3 - 2'-/2 Umschlingungen.
-
Die Verminderung der Kompensationswirkung bei zwei gleichenFedern
in beidenBandenden beruht auf der Nachgiebigkeit der Feder im ablaufenden Ende.
Dieses Nachgeben kann in geeigneter Weise dadurch begrenzt
werden,
daß man den Federn eine gewisse Vorspannung gibt und diese zweckmäßig größer wählt
als die betriebsmäßige Spannung des ablaufenden Endes. Dies kann in einfacher Weise
durch einen Anschlag geschehen, der das Zurückgehen der Feder in den vollständig
entspannten Zustand verhindert.
-
Im Grenzfall, wo das übertragene Moment vom Reibungskoeffizienten
unabhängig wird, ist das Moment M=P2-y (I4) Bei der selbsttätigen Regelung der Bandbremsen
ist nun gemäß der weiteren Erfindung auch das bei den Backenbremsen beschriebene
Prinzip (Vergrößerung der Rückwirkung des Bremsmoments auf den Bremsflächendruck
durch eine Hebelübersetzung) anwendbar. Eine beispielsweise Ausführungsform ist
in Abb.6 dargestellt. Das Bremsband ist an zwei Stiften i und 2 eines Hebels H befestigt
und auf der Scheibe s frei drehbar. Eine zwischen der Drehachse und dem Hebel H
befestigte Feder F spannt das Bremsband. Der Hebel legt sich gegen einen im Abstande
R von der Drehachse angeordneten Anschlag K mit einer dem übertragenen Moment proportionalen
Kraft, welche die Spannfeder teilweise entlastet und die Regelung bewirkt. Der Anschlag
K kann auf derselben oder der entgegengesetzten Seite des Hebels angebracht werden,
auf welcher sich die Stifte i und 2 befinden. Die Durchrechnung ergibt für das Bremsmoment
Für R -h r gilt das obere Vorzeichen, wenn Anschlag und Befestigungspunkte des Bandes
auf der entgegengesetzten, das untere Vorzeichen, wenn sie auf der gleichen Seite
des Hebels liegen. Um in dieser Gleichung den Einfluß des Reibungskoeffizienten
herabzusetzen, muß das Hebelübersetzungsverhältnis
möglichst klein gemacht werden, d. h. die Bandenden müssen möglichst dicht nebeneinander
befestigt sein. Ferner ist der Anschlag möglichst auf der entgegengesetzten Seite
des Hebels anzubringen wie die Bandbefestigung. Das Bremsmoment ist dann
Gemäß den Formeln (7), (i4) und (i6) ist im Grenzfall das Bremsmoment unabhängig
vom Reibungskoeffizienten und der FederspannungF (bzw. P) direktproportional. Diese
Eigenschaft der Bremsanordnungen wird zweckmäßigerweise dazu ausgenutzt, an der
Spannfeder eine Skala anzubringen, die das Bremsmoment auf einen gewünschten, von
äußeren Einflüssen unabhängigen Betrag einzustellen gestattet. Eine solche Skala
ist beispielsweise an der Spannfeder der Bremse in Abb. 3 a eingezeichnet.
-
Bei den Bremsen mit auf der gebremsten Scheibe frei drehbaren Teilen
kann ferner noch die Beobachtung .der folgenden Gesichtspunkte wichtig sein.
-
Die beweglichen Bremsteile üben schon allein durch ihr Eigengewicht
einen bestimmten Bremsflächendruck aus. Dieser wirkt'besonders störend, wenn wie
z. B. bei Verseilmaschinen die Ablauftrommeln mit den Bremsen in einem umlaufenden
Gestell gelagert sind und zur Schwerkraft noch die wechselnden Beschleunigungen
der Fliehkräfte hinzukommen. Um diesen Einfluß möglichst klein zu halten, sollen
weiterhin die Bremsen gemäß der Erfindung möglichst leicht (beispielsweise aus Leichtmetallen)
gemacht werden, oder es kann das Gewicht der Teile durch Abstützung, beispielsweise
mittels Federn, aufgehoben werden.
-
Weiterhin kann es wichtig sein, auch den Schwerpunkt der beweglichen
Bremsteile in die Drehachse der gebremsten Scheibe zu verlegen, damit die hier angreifenden
Kräfte (Schwere und Fliehkraft) keinen Einfluß auf die Einstellung der Bremsteile
ausüben. Die Verlegung des Schwerpunktes in die Drehachse der gebremsten Scheibe
kann entweder durch geeignete Bemessung der einzelnen 'feile oder nachträglich in
bekannter Weise durch ein Gegengewicht geschehen; ein solches Gegengewicht G ist
in Abb. 3 a eingezeichnet.
-
In der Erläuterung der Abbildungen sind die Anordnungen als Bremsen
bezeichnet. Diese Darstellung ist nur der Einfachheit wegen gewählt; wie bereits
in der Einleitung erwähnt, ist die Wirkungsweise die gleiche, wenn es sich um Rutschkupplungen
handelt, wo die relative Bewegung der Teile zueinander dieselbe ist wie bei Bremsen
und beide Teile sich drehen. Die Anordnungen gemäß Abb. i bis 3 a, 3 b und 6 wirken
beispielsweise als Rufschkupplungen mit konstantem übertragenem Drehmoment, wenn
der Anschlag nicht auf einem feststehenden, sondern auf einem um die Mitte der drehbaren
Welle rotierenden Gestell befestigt ist. Wenn das übertragene Moment wächst, so
drückt der Anschlag stärker auf die Feder und entlastet diese, so daß der Brernsflächendruck
abnimmt und das übertragene Drehmoment konstant gehalten wird. Bei den den beschriebenen
Bandbremsen analogen . Rutschkupplungen sind zwei Möglichkeiten vorhanden. Erstens
können
das Band und die Befestigungsenden umlaufen, zweitens kann auch ein endloses Band
oder Riemen verwendet werden. Die selbsttätige Regelung geschieht bei dem endlosen
Band zweckmäßig in der Weise, daß das ziehende Ende des Bandes über eine mit einem
Gewicht belastete Rolle geführt wird. Die Abb.7 zeigt ein Beispiel. Wächst die Spannung
des ziehenden Bandendes, so steigt der auf die Rolle ausgeübte Druck, und das Band
wird von der mitzunehmenden Scheibe gelüftet. Auch bei dieser Anordnung wird der
Einfluß des Reibungskoeffizienten auf das übertragene Moment durch mehrfache Umschlingung
um die getriebene und die treibende Scheibe unterdrückt.
-
Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich nicht auf Backen- oder
Bandbremsen bzw. Rutschkupplungen, sondern ist auch bei allen anderen derartigen
Übertragungsorganen anwendbar, wie z. B. Scheiben- oder Konusbremsen bzw. -kupplungen.
Auch die Art der Einwirkung der zu regelnden Größe auf den Bremsflächendruck und
die Bauart der übersetzenden Zwischenglieder können dem jeweiligen Zweck entsprechend
beliebig -wählt werden.