DE10036113A1 - Energieabsorbierende Bremse - Google Patents

Abstract

Eine energieabsorbierende Bremse ist insbesondere so beschaffen, daß sie einen asymmetrischen Ausfallzustand in bezug auf die Bewegung bestimmter Tragflächen-Abschnitte wie etwa Klappen eines Luftfahrzeugs verhindert. Die verbesserte Bremse umfaßt ein Gehäuse, eine relativ zum Gehäuse drehbare Welle, wenigstens eine mit der Welle drehfest verbundene erste Bremsoberfläche, wenigstens eine am Gehäuse angebrachte zweite Bremsoberfläche, die der ersten Bremsoberfläche zugewandt ist, einen Mechanismus, der ein bewegliches Element mit begrenztem Bewegungsbereich besitzt, um zwischen den Oberflächen eine Normalkraft zu erzeugen, um in Abhängigkeit von der Normalkraft ein Bremsdrehmoment auf die Welle zu erzeugen, sowie ein vorbelastetes Federelement, das mit den Oberflächen und mit dem beweglichen Mechanismus mechanisch in Reihe angeordnet ist und funktional so angeordnet ist, daß das Federelement um mehr als den begrenzten Bewegungsbereich abgelenkt werden kann, um die zwischen den Oberflächen wirkende Normalkraft zu begrenzen, wobei die Größe des Bremsdrehmoments, das zwischen der Welle und dem Gehäuse übertragen wird, begrenzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der energie­ absorbierenden Bremsen und insbesondere eine verbesserte energieabsorbierende Bremse, die vor allem in einem Luftfahrzeug nützlich ist, um einen instabilen Zustand zu begrenzen, wenn etwa Klappen von Tragflächen asymmetrisch betätigt werden.

Moderne Luftfahrzeuge verwenden Systeme aerodynamischer Klappen, um die Konfiguration des Flügels zu ändern. Die Klappen werden typischerweise durch mechanische Antriebe betätigt, die durch einen einzigen Zentralmotor, der mit jedem Flügel über einen Drehwellenstrang verbunden ist, betätigt werden. Falls eine Welle, die den Motor mit einer Klappe verbindet, bricht, könnte die andere Klappe den Wellenstrang in der Gegenrichtung antreiben. Um einen Schutz vor einem solchen unkontrollierten Zustand zu schaffen, ist in jedem Flügel ein Bremssystem vorgesehen. Ein elektrischer Komparator kann dazu verwendet werden, einen asymmetrischen Zustand zwischen den Klappen festzu­ stellen und wahlweise einen Elektromagneten mechanisch zu betätigen, um die Bremsen zu aktivieren. Alternativ kann ein Zentrifugalgeschwindigkeitssensor, der in den Klap­ penantrieb eingebaut ist, die Bremse mechanisch erregen, wenn sich der Klappenantrieb mit zu hoher Geschwindigkeit dreht. In jedem Fall greift die Bremse typischerweise plötzlich ein, so daß sich eine schnelle Verzögerung des Wellenstrangs ergibt, so daß hohe Drehmomente erzeugt werden, die Beschädigungen hervorrufen können, sofern die Wellen nicht elastisch ausgebildet sind, um diese Energie zu absorbieren. Die Erfindung schafft eine verbesserte Bremse, in der das Bremsdrehmoment inhärent begrenzt wird, so daß ein externer Schutz für den Wellenstrang nicht erforderlich ist.

Im Stand der Technik sind bereits Bremssysteme bekannt. Aus dem Patent US 4.121.795 ist ein Mechanismus einer asymmetrischen Bremse bekannt, in dem ein Elektromagnet eine Walzenhemmbremse an der Antriebswelle auslöst. Es ist jedoch keine Einrichtung vorgesehen, die ein übermä­ ßiges Wellendrehmoment begrenzt, wenn die Bremse greift.

Aus dem Patent US 4.633.984 ist ein weiterer Mechanismus einer asymmetrischen Bremse bekannt, in dem ein Elektro­ magnet eine Walzenhemmbremse an der Antriebswelle aus­ löst. Eine unkontrollierte Bewegung der Welle nach einem Bruch und daraus sich ergebende übermäßige Lasten beim Greifen der Bremse werden begrenzt, indem mit der Welle über eine Reibkupplung und ein Übersetzungsgetriebe ein Schwungrad gekoppelt wird. Die Beschleunigung des Schwungrades begrenzt eine unkontrollierte Wellenge­ schwindigkeit und eine unkontrollierte Winkelbewegung, ferner ermöglicht die Reibkupplung die Umwandlung der kinetischen Energie des Schwungrades in Wärme nach dem Bremsen der Welle.

Aus dem Patent US 5.484.043 ist ein Mechanismus einer asymmetrischen Bremse bekannt, in dem entweder ein Kugel- /Rampen-Drehzahlsensor oder ein Elektromagnet eine Gleit­ klauenbremse an der Antriebswelle auslöst. Eine gezahnte Gegendruckplatte an der Bremse wird über eine elastomere Torsionsstoßabsorptionseinrichtung unterstützt, um das Bremsstoßdrehmoment zu begrenzen.

Aus dem Patent US 5.743.490 ist ein Fluglagenregelung- Betätigungssystem bekannt, das asymmetrische Bremsen enthält. Diese Bremsen bestehen aus einem Elektromagne­ ten, der über ein Kugel-/Keilwellen-System wirkt, um mit einer Klauenkupplung in Eingriff zu gelangen, die angeb­ lich so beschaffen ist, daß Stoßlasten verringert oder absorbiert werden. Durch Konfigurieren des Kugel-/Keil­ wellen-Systems und der Klauenkupplung in der Weise, daß sie zusätzlich zur Ausführung ihrer Hauptfunktionen als Stoßabsorptionseinrichtungen wirken, wird der Bedarf an getrennten elastomeren Stoßabsorptionseinrichtungen beseitigt.

Ein weiterer Bremsmechanismus des Standes der Technik für diese Art Anwendungen, der dem Erfinder bekannt ist und in Fig. 1 schematisch gezeigt ist (der sich jedoch in der Patentliteratur nicht findet), umfaßt eine Scheiben­ bremse, die aus einem Stapel von Scheiben besteht, die abwechselnd mit Keilwellen verbunden sind, um sich in einer festen Gehäusebohrung entweder mit einer Welle zu drehen oder gegenüber einer Drehung festgehalten werden. Die Bremswirkung wird durch wahlweises axiales Zusammen­ pressen der Scheiben erhalten. Die rotierende Keilwelle ist mit der Antriebswelle über einen Kugel-/Rampen-Ge­ schwindigkeitssensor gekoppelt, in dem einzelne Kugel zwischen einem radiale Nuten aufweisenden Flansch an der Bremswelle und einer daran angepaßten konischen Nocken­ oberfläche am Antriebswellenflansch gehalten werden. Die Flansche sind durch eine Feder, die die Kugeln normaler­ weise im radial inneren Abschnitt der Nockenrampen hält, so vorbelastet, daß sie sich aufeinander zu bewegen. Bei hohen Wellendrehzahlen bewirkt die Zentrifugalkraft, daß sich die Kugeln längs der Rampen radial auswärts bewegen, wodurch die Flansche auseinandergezwungen werden und den Bremsscheiben-Stapel axial belasten. Wenn die Bremse zu greifen beginnt, sind die Rollkräfte auf die Kugeln selbstverstärkend und belasten die Bremsscheiben noch stärker, so daß ein plötzliches Greifen der Bremse und eine daraus resultierende Stoßbelastung des zugeordneten Wellensystems hervorgerufen werden.

Daher wäre es im allgemeinen wünschenswert, eine verbes­ serte Bremse zu schaffen, die Energie absorbieren und die Stoßbelastung verhindern kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten energieabsorbierenden Bremsmechanismus zu schaffen, der insbesondere für Luftfahrzeug-Anwendungen geeignet ist und die Größe des zwischen einer Welle und einem Gehäuse übertragenen Bremsdrehmoments begrenzen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bremse nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer bevor­ zugten Ausführungsform, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 die bereits erwähnte vertikale Teilansicht, teilweise im Schnitt und teilweise im Aufriß, ei­ nes energieabsorbierenden Bremsmechanismus des Standes der Technik; und

Fig. 2 eine vertikale Teilansicht, ebenfalls teilweise im Schnitt und teilweise im Aufriß, des verbes­ serten energieabsorbierenden Bremsmechanismus der Erfindung.

Zunächst wird darauf hingewiesen, daß in allen Figuren gleiche Bezugszeichen die gleichen Strukturelemente, Abschnitte oder Oberflächen bezeichnen, soweit diese Elemente, Abschnitte oder Oberflächen in der gesamten vorliegenden Anmeldung, wovon diese genaue Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ein Bestandteil ist, be­ schrieben oder erläutert werden. Soweit nicht anders angegeben, soll die Zeichnung zusammen mit der Beschrei­ bung gelesen werden (z. B. Schraffuren, Anordnung von Teilen, Verhältnisse, Grade und dergleichen), wobei die Zeichnung einen Teil der gesamten Anmeldung bildet. In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke "horizontal", "vertikal", "links", "rechts", "aufwärts" und "abwärts" sowie ihre adjektivischen und adverbialen Ableitungen einfach auf die Orientierung der dargestell­ ten Struktur, wie sie dem Leser vorliegt. Ebenso beziehen sich die Ausdrücke "einwärts" und "auswärts" allgemein auf die Orientierung einer Oberfläche in bezug auf die jeweilige Längsachse, Drehachse oder dergleichen.

In Fig. 1 ist ein Bremsmechanismus des Standes der Tech­ nik, der allgemein das Bezugszeichen 20 besitzt, gezeigt. Diese Bremse enthält ein horizontal sich erstreckendes, röhrenförmiges Gehäuse 21. Im Gehäuse ist eine Welle 22 funktional angeordnet. Ein Elektromagnet 23 umgibt den linken Endabschnitt der Welle 22 und ist im Gehäuse 21 angeordnet. Ein Scheibenbremsmechanismus oder eine Schei­ benbremsbaueinheit 24 besitzt mehrere ringförmige Schei­ benelemente 44, die mit dem Gehäuse 21 in Eingriff sind, sowie weitere Scheibenelemente 42, die mit einem bewegli­ chen Element 25, das die Welle 22 umgibt, in Eingriff sind. Zwischen einander zugewandten radialen Nuten 41a, die am beweglichen Element 25 und in radialen Nockenflä­ chen 32a auf der Welle 22 vorgesehen sind, sind mehrere Kugeln 26 eingefangen.

Genauer ist das Gehäuse 21 als horizontal sich erstrec­ kendes röhrenförmiges Element mit einer Achse x-x darge­ stellt. Das Gehäuse 21 besitzt eine nach rechts weisende ringförmige Anschlagfläche 28 an einem ringförmigen Flansch 29, der sich vom Gehäuse 21 radial einwärts erstreckt. Zwischen dem Gehäuse 21 und der Welle 22 ist ein Lager 30 funktional angeordnet.

Die Welle 22 besitzt beginnend beim rechten Ende einen Abschnitt 31 mit großem Durchmesser, einen Zwischen- Flanschabschnitt 32, der sich hiervon radial auswärts erstreckt, und einen Abschnitt 33 mit kleinem Durchmes­ ser, der sich hiervon nach links erstreckt und dessen rechter Endabschnitt in einer Gehäusebohrung geführt ist.

Der Elektromagnet umfaßt eine Spule 34, die in einem flußleitenden ferritischen Kern 35 angeordnet ist, sowie einen Anker 36, der so beschaffen ist, daß er entgegen der Vorbelastungskraft einer Rückstellfeder 38 nach links zum ferritischen Kern 35 angezogen wird, wenn der Elek­ tromagnet erregt wird. Ein Schublager 39 ist so beschaf­ fen, daß es zwischen dem Elektromagneten und dem bewegli­ chen Element 25 wirkt.

Das Element 25 ist ein speziell konfiguriertes röhrenför­ miges Element mit einem horizontal sich erstreckenden linken Abschnitt 40, der den Wellenabschnitt 33 mit kleinem Durchmesser umgibt, und einem radial sich erstreckenden rechten Flanschabschnitt 41. Das Element 25 kann in bezug auf die Welle 22 axial gleiten. Der Flanschabschnitt 41 enthält wie erwähnt mehrere radiale Nuten 41a, wovon jede einen V-förmigen Querschnitt be­ sitzt und Kugeln 26 enthält. Keilnuten 42a treiben zwei rotierende Bremsscheiben 42 an, die mit dem beweglichen Element 25 drehfest verbunden sind, jedoch relativ zu dem beweglichen Element 25 axial beweglich sind.

Das Gehäuse 21 besitzt innere Keilnuten 43, die drei axial beabstandete Bremsscheiben 44 an einer Drehung hindern, jedoch ihre axiale Bewegung in bezug auf das Gehäuse 21 zulassen. Diese Bremsscheiben 44 sind zwischen der Gegendruckfläche 28 und den rotierenden Bremsscheiben 42 abwechselnd eingesetzt.

Der Zwischen-Flanschabschnitt 32 enthält mehrere schräg verlaufende, konische Taschen 32a, die gegenüber den V- Nuten 41a im Flanschabschnitt 41 angeordnet sind, so daß die Kugeln 26 zwischen den Flanschen 32, 41 durch die Wirkung einer Vorbelastungsfeder 38 eingefangen bleiben. Dadurch wird das Element 25 durch die Welle 22 rotato­ risch angetrieben.

In dieser herkömmlichen Ausführungsform sind zwei ge­ trennte Mittel oder Mechanismen vorhanden, um eine Brem­ sung der Wellendrehung in bezug auf das Gehäuse 21 her­ vorzurufen. Zunächst kann der Elektromagnet wahlweise erregt werden, um seinen Anker 36 nach links zur Spule 34 anzuziehen. Dies bewirkt eine Bewegung des beweglichen Elements 25 nach links, damit es eine Normalkraft auf die Scheibenbremsbaueinheit 44, 42, 44, 42, 44 ausübt, wo­ durch auf die rotierende Welle 22 ein Bremsdrehmoment ausgeübt wird. Somit kann ein elektrisches Signal, das einen asymmetrischen Zustand zwischen Klappen eines Luftfahrzeugs anzeigt, wahlweise an die Spule geliefert werden, um den Elektromagneten zu erregen und die Brem­ sung der Welle 22 hervorzurufen.

Alternativ ist ein mechanischer Kugel-/Rampen-Mechanismus 24, der Kugeln 26 enthält und auf die Zentrifugalkraft in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle an­ spricht, vorgesehen, um eine unkontrollierbare Situation mit zu hoher Drehzahl der Welle 22 zu verhindern. Sollte sich die Welle 22 schneller als mit ihrer Solldrehzahl drehen, zwingt die Zentrifugalkraft die Kugeln 26 radial auswärts. Die geneigten Oberflächen der konischen Taschen 32a im Wellenflansch 32 wirken als Nocken oder Rampen, derart, daß die Bewegung der Kugeln 26 radial auswärts eine Bewegung des Elements 25 nach links durch den in axialer Richtung freien Raum 17 hervorruft. Dann wird auf die Bremsscheibenbaueinheit eine Normalkraft ausgeübt, die eine Gegenkraft durch den Anschlag 29 erfährt, wo­ durch ein Bremsdrehmoment auf die Welle erzeugt wird. Dieses Drehmoment wirkt auf das Kugel-/Rampen-System verstärkend, wodurch die Bremse blockiert und eine plötz­ liche Verzögerung der Antriebswelle verursacht. Dieses plötzliche Bremsdrehmoment könnte so groß sein, daß der zugeordnete Wellenstrang ernsthaft beschädigt wird.

In Fig. 2 ist ein verbesserter Mechanismus 50 gemäß der Erfindung gezeigt, der im allgemeinen viele Teile und Abschnitte der Ausführung des Standes der Technik ent­ hält. Daher werden für die Abschnitte, die gleich sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die verbesserte Vorrichtung 50 besitzt ein Gehäuse 51. Eine Welle 22, die mit der Welle 22 gemäß der Ausführungsform des Standes der Technik übereinstimmt, ist in dem Gehäuse 51 funktio­ nal angebracht.

Das bewegliche Element 25 stimmt hinsichtlich der Anord­ nung der Kugeln 26 zwischen den Flanschabschnitten 41 und 32 mit dem obenbeschriebenen beweglichen Element im wesentlichen überein. Auch hier wird das Element 25 dazu veranlaßt, sich mit dem Wellenabschnitt 33 zu drehen, und ist in bezug auf den Wellenabschnitt 33 axial beweglich.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist jedoch der Anschlagflansch 29 durch einen ringförmigen Flansch 52 ersetzt, der sich vom Gehäuse 51 radial einwärts er­ streckt und mit einem Stapel von Tellerfedern 53 in Eingriff ist, die funktional so angeordnet sind, daß sie zwischen der ringförmigen rechten Fläche des Flansches 52 und einer ringförmigen Gegendruckscheibe 54 wirken, die ihrerseits zwischen der am weitesten links befindlichen Bremsscheibe 42 und dem Stapel aus Tellerfedern 53 wirkt.

Wenn daher der Bremsmechanismus eingerückt wird, entweder durch Betätigung des Elektromagneten 23 oder durch die Kugeln 26, die sich aufgrund der Zentrifugalkraft einer sich mit zu hoher Drehzahl drehenden Welle 22 radial auswärts bewegen, bewegt sich das Element 25 wie vorher nach links, um eine axiale Normalkraft auf die Scheiben­ bremsbaueinheit auszuüben. In diesem besonderen Fall ist jedoch das Gegendruckelement 54 nicht am Gehäuse 51 befestigt, sondern aufgrund der Biegeverformung der Tellerfedern 53 nachgiebig. Da die Bewegung des Elements 25 nach links durch den Elektromagnet-Luftspaltabstand begrenzt ist, ist die an der Bremsscheibenbaueinheit entwickelte axiale Kraft gleich der Kraft, die für die Durchbiegung der Tellerfedern 53 um einen äquivalenten Betrag erforderlich ist. Somit kann das Bremsdrehmoment durch einen geeigneten Entwurf auf einen Wert begrenzt werden, der den Antriebswellenstrang nicht überbean­ sprucht, ferner kann die Energie für die Verzögerung der sich mit zu hoher Drehzahl drehenden Welle 22 in der Bremse sicher in Wärme umgesetzt werden.

Abwandlungen

Selbstverständlich läßt die Erfindung viele Änderungen oder Abwandlungen zu. Der Elektromagnet ist vollkommen optional und kann weggelassen werden, auch wenn er er­ wünscht ist. Die Konfigurationen der verschiedenen Teile können spezifisch geändert werden, solange diese Teile ihre durch die Ansprüche definierte Funktionalität beibe­ halten. Andere Typen von Überdrehzahl-Begrenzungsmecha­ nismen können die durch die Zentrifugalkraft betätigten Kugeln ersetzen. Die Anordnung der verschiedenen Lager­ flächen ist ebenfalls optional, was auch für die Werk­ stoffe gilt.

Obwohl daher die derzeit bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen energieabsorbierenden Bremse darge­ stellt und beschrieben worden ist und mehrere verschie­ dene Abwandlungen hiervon diskutiert worden sind, kann der Fachmann ohne weiteres verschiedene zusätzliche Änderungen und Abwandlungen vornehmen, ohne vom Erfin­ dungsgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (7)

1. Bremse, mit einem Gehäuse (51), einer relativ zum Gehäuse (51) drehbaren Welle (22), wenigstens einer ersten Bremsoberfläche (42), die sich zusammen mit der Welle (22) dreht, wenigstens einer zweiten Bremsoberflä­ che (44), die am Gehäuse (51) angebracht und so angeord­ net ist, daß sie der ersten Oberfläche (42) zugewandt ist, und einem beweglichen Mechanismus (25) mit einem begrenzten Bewegungsbereich, der zwischen den Oberflächen (42, 44) eine Normalkraft erzeugt, um in Abhängigkeit von der Normalkraft ein Bremsdrehmoment auf die Welle (22) auszuüben, gekennzeichnet durch ein vorbelastetes Federelement (53), das mit den Oberflächen (42, 44) und dem beweglichen Mechanismus (25) mechanisch in Reihe angeordnet ist und funktional so angeordnet ist, daß das vorbelastete Federelement (53) um mehr als den begrenzten Bewegungsbereich abgelenkt werden kann, um die zwischen den Oberflächen (42, 44) wirkende Normalkraft zu begrenzen, wodurch die Größe des zwischen der Welle (22) und dem Gehäuse (51) übertragenen Brems­ drehmoments begrenzt wird.

2. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbetrag des beweglichen Mechanismus (25) von der Drehzahl der Welle (22) abhängt.

3. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsrichtung des beweglichen Mechanismus (25) zur Achse der Welle (22) im wesentlichen parallel ist.

4. Bremse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Mechanismus mehrere Kugeln (26), die so angeordnet sind, daß sie zusammen mit der Welle (22) eine Drehbewegung ausführen können und in bezug auf die Längsachse der Welle (22) radial beweglich sind, sowie mehrere einander zugeordnete Nockenoberflächen (32a, 41a) umfaßt, die mit entsprechenden Kugeln (26) in Eingriff sind, derart, daß die auf die Kugeln (26) wirkenden Zentrifugalkräfte diese zu einer Bewegung radial auswärts zwingen und den beweglichen Mechanismus (25) dazu veran­ lassen, sich in bezug auf das Gehäuse (51) axial zu bewegen.

5. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbelastete Federelement wenigstens eine Teller­ feder (53) umfaßt, die zwischen der zweiten Oberfläche (44) und dem Gehäuse (51) wirkt.

6. Bremse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Elektromagneten (23), der mit den Oberflächen (42, 44) mechanisch in Reihe und zum beweglichen Mechanismus (25) mechanisch parallel angeordnet und so beschaffen ist, daß er elektrisch betätigt werden kann, um die Normalkraft auszuüben.

7. Bremse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückstellfeder (38), die zwischen dem Gehäuse (51) und dem beweglichen Mechanismus (25) wirkt, um den bewegli­ chen Mechanismus (25) zu einer Bewegung in eine Position, in der die Normalkraft reduziert wird, zu zwingen.