-
Die
Erfindung betrifft eine Schlingfederbremse mit einer um einen abzubremsenden
Körper in einer Mehrzahl von Windungen angeordneten Schlingfeder.
-
Schlingfedern
sind als mechanische Servoelemente bekannt. Die Funktionsweise von
Schlingfedern wird beispielsweise in P. Iten, L. Müller: „Schlingfedern:
Interessante mechanische Servoelemente", Antriebstechnik 34 (1995),
Nr. 11, S. 67 ff erläutert. Eine Schlingfeder
besteht hierbei aus einem metallischen Draht, welcher sich in mehreren
Windungen um einen zylinderförmigen Teil herum erstreckt.
Zwischen dieser Feder und dem zylinderförmigen Teil wirkt
bei Drehung des zylinderförmigen Teils eine Reibungskraft.
Diese kann durch Anziehen oder Freigeben der Schlingfeder beeinflusst
werden. Das Anziehen führt zu einem engeren Kontakt zwischen
der Schlingfeder und dem zylinderförmigen Teil, wodurch
die Reibung erhöht und somit die Bewegung des zylinderförmigen
Teils abgebremst wird. Das Freigeben vermindert den Kontakt zwischen
der Schlingfeder und dem zylinderförmigen Teil, wodurch eine
Entkupplung bewirkt wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Schlingfederbremse,
sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Schlingfederbremse
aufzuzeigen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Schlingfederbremse mit den Merkmalen des
Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit Merkmalen eines nebengeordneten
Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Die
erfindungsgemäße Schlingfederbremse umfasst eine
um einen abzubremsenden Körper in einer Mehrzahl von Windungen
ange ordnete Schlingfeder, sowie eine Aktivierungsvorrichtung zum
Aktivieren der Schlingfederbremse derart, dass bei einer Rotation
des abzubremsenden Körpers lediglich eine Teilmenge der
Windungen der Schlingfeder eine Abbremsung des Körpers
bewirkt.
-
Bei
dem abzubremsenden Körper handelt es sich vorzugsweise
um einen zylinderförmigen, drehbar gelagerten Körper,
wie z. B. um eine Welle. Dreht sich der abzubremsende Körper
in die Zuspannrichtung der Schlingfeder, so wird er, falls die Schlingfederbremse
aktiviert ist, von der Schlingfeder abgebremst. Bei nicht aktivierter
Schlingfederbremse hingegen erfolgt keine Abbremsung.
-
Bei
aktivierter Schlingfederbremse und Rotation des abzubremsenden Körpers
erfolgt die Abbremsung des abzubremsenden Körpers nicht
durch alle Windungen der Schlingfeder. Vielmehr wirken nur manche
der Windungen an der Abbremsung mit. Da das Prinzip der Abbremsung
einer Schlingfederbremse auf der Reibung zwischen den Windungen der
Schlingfeder und dem abzubremsenden Körper beruht, bedeutet
dies, dass bei aktivierter Schlingfederbremse nicht alle Windungen
der Schlingfeder an dem abzubremsenden Körper anliegen,
sondern lediglich die Teilmenge der Windungen, welche die Bremsung
hervorruft.
-
Es
ist möglich, dass die erfindungsgemäße Schlingfederbremse
zusätzlich zur erläuterten Art der Aktivierung,
wonach lediglich eine Teilmenge der Windungen der Schlingfeder eine
Abbremsung des Körpers bewirkt, auch derart aktivierbar
ist, dass alle Windungen der Schlingfeder eine Abbremsung des Körpers
bewirken.
-
In
Weiterbildung der Erfindung stellt die Aktivierungsvorrichtung den
Umschlingungswinkel der Schlingfeder variabel ein. Der Umschlingungswinkel ist
einer der Parameter, welcher die Stärke der Bremsung der
Schlingfederbremse bestimmt; er wächst direkt proportional
zur Anzahl der bei der Bremsung an dem abzubremsenden Körper
anliegenden Windungen der Schling feder. Der Umschlingungswinkel
der erfindungsgemäßen Schlingfederbremse ist gemäß der
betrachteten Weiterbildung nicht fest, sondern kann von der Aktivierungsvorrichtung
variiert werden. Die Variation kann z. B. im Bereich zwischen einer Windung
oder einer bestimmten Mindestanzahl von Windungen bis hin zur Gesamtanzahl
vorhandener Windungen möglich sein. Insbesondere kann die
Aktivierungsvorrichtung dazu ausgelegt sein, den Umschlingungswinkel
während einer Bremsung zu verändern.
-
Es
ist möglich, dass die Teilmenge der Windungen aus den Windungen
zwischen einerseits einem festen Ende der Schlingfeder und andererseits einer
variablen Position der Aktivierungsvorrichtung besteht. Das feste
Ende der Schlingfeder kann z. B. an dem abzubremsenden Körper
oder an einem in Bezug auf den abzubremsenden Körper ortsfesten Bestandteil
befestigt sein. Durch eine Positionsänderung der gesamten
Aktivierungsvorrichtung oder eines Teils der Aktivierungsvorrichtung
ist es somit möglich, die Anzahl der Windungen, welche
bei der Abbremsung mitwirken, zu verändern.
-
Einer
Weiterbildung der Erfindung gemäß umfasst die
Aktivierungsvorrichtung ein Druckelement, welches zumindest einen
Teil der Schlingfeder gegen den abzubremsenden Körper drückt.
Dieses Drücken kann entweder durch direkten Kontakt zwischen
dem Druckelement und dem Teil der Schlingfeder erfolgen, oder auch
indirekt, indem das Druckelement auf einen Bestandteil einwirkt,
welcher daraufhin einen Drücken des Teils der Schlingfeder
gegen den abzubremsenden Körper bewirkt. Bei dem Teil der
Schlingfeder kann es sich insbesondere um genau eine Windung der
Schlingfeder handeln. Letzteres bedeutet nicht, dass das Druckelement
auf den gesamten Umfang der genau einen Windung der Schlingfeder
drücken muss, sondern vielmehr, dass das Druckelement keinen
Druck auf mehrere Windungen der Schlingfeder ausübt.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Druckelement
um einen Wälzkörper, und der äußere,
dem abzubremsen den Körper abgewandte Umfang der Schlingfeder
weist eine Laufbahn für das Druckelement auf, welche an
die Form des Druckelementes angepasst ist. Durch die Anpassung der
Laufbahn an das Druckelement ist es möglich, dass das Druckelement
entlang der Laufbahn läuft oder wälzt. Vorteilhaft
ist es hierbei, wenn die Laufbahn gewindeförmig ausgestaltet
ist. Das Druckelement führt in diesem Fall bei Abfahren
der Laufbahn eine schraubenförmige Bewegung aus. Die Steigung
des Gewindes kann insbesondere gleich der Steigung der Windungen
der Schlingfeder sein. In diesem Fall ist jedes Windung der Schlingfeder
mit genau einem Laufbahnabschnitt versehen.
-
Die
Laufbahn kann eine Führung für das Druckelement
aufweisen. Eine derartige Führung hat zum Ziel, das Druckelement
bei seiner Bewegung auf der Laufbahn zu halten bzw. ein Abkommen
des Druckelementes von der Laufbahn zu verhindern.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung ist die Laufbahn so geformt, dass von
dem Druckelement eine Kraft parallel und eine Kraft senkrecht zu
einer Längsachse des abzubremsenden Körpers übertragen
wird. Bei der Längsachse handelt es sich hierbei vorzugsweise
um diejenige Achse, um welche der abzubremsende Körper
rotiert, wenn er von der Schlingfederbremse abgebremst wird. Diese
Ausgestaltung kann ein Auseinanderdrücken der Windungen
der Schlingfeder an der Position des Druckelementes bewirken. Alternativ
ist es möglich, dass die Laufbahn so geformt ist, dass
von dem Druckelement eine Kraft ausschließlich oder zumindest
fast ausschließlich senkrecht zu einer Längsachse
des abzubremsenden Körpers übertragen wird.
-
Es
ist möglich, dass das Druckelement kugelförmig
ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Druckelement verzahnt
sein. Eine Verzahnung bewirkt, dass ein Rutschen des als Wälzkörper
ausgestalteten Druckelementes auf der Laufbahn vermieden oder reduziert
wird. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn auch die Laufbahn die entsprechende
Verzahnung aufweist.
-
In
Weiterbildung der Erfindung umfasst die Aktivierungsvorrichtung
einen außerhalb der Schlingfeder angeordneten Hohlkörper,
dessen innere, der Schlingfeder zugewandte Fläche eine
Laufbahn für das Druckelement aufweist, welche an die Form
des Druckelementes angepasst ist. Verfügt zusätzlich
der äußere Umfang der Schlingfeder über
eine Laufbahn, kann das Druckelement sich gleichzeitig in den beiden
Laufbahnen bewegen. Die Aktivierungsvorrichtung kann derart ausgestaltet
sein, dass die Position des Druckelementes in Bezug auf die Schlingfeder
durch eine Bewegung, z. B. eine Rotation, des Hohlkörpers
veränderbar ist.
-
In
Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Druckelement
um eine Feder, z. B. um eine Blattfeder. Durch eine Bewegung der
Feder an dem äußeren Umfang der Schlingfeder kann
jeweils der mit der Feder in Kontakt stehende Teil der Schlingfeder
gegen den abzubremsenden Körper gedrückt werden.
-
Einer
anderen Weiterbildung der Erfindung gemäß umfasst
das Druckelement einen Elektromagneten. Dieser kann z. B. über
einen Stößel auf die Schlingfeder drücken.
Vorzugsweise ist der Elektromagnet ortsfest in Bezug auf die Schlingfeder.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung ist die Aktivierungsvorrichtung derart
ausgestaltet, dass die Teilmenge kontinuierlich veränderbar
ist. In diesem Fall kann z. B. Windung für Windung zur
Teilmenge hinzugefügt oder von ihr weggenommen werden.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass die Aktivierungsvorrichtung
derart ausgestaltet ist, dass die Teilmenge in diskreten Schritten
veränderbar ist, z. B. in Schritten von einer Mehrzahl
von Windungen. Kommen mehrere diskrete Schritte zum Einsatz, können diese
unterschiedlich groß sein.
-
Die
Aktivierungsvorrichtung kann von einem Elektromotor angetrieben
werden. Weiterhin kann eine Steuereinheit zum Steuern der Aktivierungsvorrichtung
vorhanden sein. Diese Steuereinheit kann z. B. die Stärke
der Abbremsung der Schlingfederbremse auf einen bestimmten Sollwert
regeln. Ferner ist es vorteilhaft, wenn Sensoren vorhanden sind,
z. B. zur Bestimmung der aktuellen Bremsstärke, welche Daten
an die Steuereinheit liefern.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Schlingfeder
um einen Draht, dessen Querschnitt derart ausgestaltet ist, dass
die Berührungsfläche benachbarter Windungen gegenüber
einem rechteckigem Querschnitt reduziert ist. Hierdurch kann der
Verlust an Bremskraft, welcher durch die Reibung zwischen benachbarten
Windungen hervorgerufen werden kann, reduziert werden.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
einer Schlingfederbremse umfasst die Schlingfederbremse eine um
einen abzubremsenden Körper in einer Mehrzahl von Windungen
angeordnete Schlingfeder. Die Schlingfederbremse wird derart aktiviert,
dass bei einer Rotation des abzubremsenden Körpers lediglich
eine Teilmenge der Windungen der Schlingfeder eine Abbremsung des
Körpers bewirkt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere
für die erfindungsgemäße Schlingfederbremse,
wobei dies auch auf die Ausgestaltungen und Weiterbildungen zutreffen
kann. Hierzu kann es weitere entsprechende Schritte umfassen.
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1:
einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse mit einem ersten Umschlingungswinkel,
-
2:
einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse mit einem zweiten Umschlingungswinkel,
-
3:
einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse mit einem dritten Umschlingungswinkel,
-
4:
einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse mit elektrischem Aktor,
-
5:
einen ersten Querschnitt eines Schlingfederdrahtes,
-
6:
einen zweiten Querschnitt eines Schlingfederdrahtes,
-
7:
einen dritten Querschnitt eines Schlingfederdrahtes,
-
8:
einen vierten Querschnitt eines Schlingfederdrahtes,
-
9A, 9B:
eine mögliche Ausgestaltung eines Druckelementes,
-
10:
einen fünften Querschnitt eines Schlingfederdrahtes und
eine mögliche Ausgestaltung einer Umlauffläche,
-
11A und 11B:
eine Schlingfederbremse mit einem Druckelement in Form einer Feder.
-
Die 1 bis 3 zeigen
jeweils einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse. Die Schlingfeder
ist in mehreren Windungen 1 um die Welle 4 gelegt.
Hierbei ist die erste Windung mit 1a, die letzte mit 1z bezeichnet.
Die ersten drei Windungen 1a, 1b und 1c sind
an dem Bestandteil 3 befestigt, welches somit ein Festlager
darstellt. Diese Befestigung kann z. B. dadurch erfolgen, dass der
Bestandteil 3 ein Absatz ist, so dass der innere Umfang
der Schlingfeder am Bestandteil 3 größer
ist als an der restlichen Welle 4.
-
Die
Funktionsweise der Abbremsung der Welle 4 durch die Schlingfeder
ist die folgende: dreht die Welle 4 in Zuspannrichtung
der Schlingfeder, spannt die Schlingfeder zu, indem die einzelnen
Windungen 1 der Schlingfeder den abzubremsenden Körper,
d. h. die Welle 4, fest umschlingen, so dass die Windungen 1 eine
Reibkraft auf die Welle 4 aufbringen. Durch die Reibkraft
wird die Welle 4 abgebremst. Bei der Zuspannrichtung handelt
es sich um diejenige Drehrichtung, bei welcher die Schlingfeder aufgrund
der Drehung fester an die Welle 4 gezogen wird. Bei einer
Drehung entgegen der Zuspannrichtung hingegen wird die Schlingfeder
nicht enger um die Welle 4 gezogen, so dass keine Bremsung
erfolgt.
-
Die
Schlingfeder der 1 bis 4 besteht aus
einem Draht, vorzugsweise aus Stahl, mit rechteckigem Querschnitt.
Die 5 bis 7 zeigen alternative Ausgestaltungen
des Drahtquerschnittes. Gemäß 5 weist
die Schlingfeder einen trapezförmigen Querschnitt auf,
wobei die der Welle 4 abgewande Seite schmaler ist als
die der Welle 4 zugewandte Seite. Gemäß 6 sind
die Seiten des Querschnittes nicht gerade, sondern als Kreisabschnitte
ausgebildet. Gemäß 7 ist der
Querschnitt annähernd dreieckig. Die alternative Ausgestaltungen
der 5 bis 7 dienen dem Ziel, die Reibung
zwischen den einzelnen Windungen 1 der Schlingfeder zu
vermindern. Dies wird realisiert, indem die Kontaktfläche
von aneinander angrenzenden Windungen 1 im Vergleich zum
rechteckigen Querschnitt reduziert ist. Die Verminderung der Reibung
zwischen den einzelnen Windungen erhöht die auf die Welle 4 wirkende
Reibung bzw. Abbremsung.
-
Bei
der Schlingfederbremse der
1 bis
3 handelt
es sich um eine aktive Schlingfederbremse, d. h. die Betätigung
der Schlingfeder kann durch eine Aktivierung ausgelöst
werden. Die Dokumente
DE
10 2005 016 825 A1 und
DE 689 02 690 T2 beschreiben bekannte Möglichkeiten
zum Auslösen von Schlingfederbremsen. Hierbei wird die Schlingfederbremse
am Schlingfederende betätigt. Durch Ziehen am freien Ende
der Schlingfeder, dies entspricht in den
1 bis
3 einem
Zug an der Windung
1z, gelangt die gesamte Schlingfeder
in Reibschluss mit der Welle. Somit sind bei dieser Art der Aktivie rung
alle Windungen der Schlingfeder an der Bremsung der Bewegung der
Welle beteiligt.
-
Von
Vorteil bei Schlingfedern ist die hohe Selbstverstärkung.
Das Verhältnis von Betätigungskraft F1 zur von
der Schlingfeder bewirkten Reibungskraft F2 ist
mit μ dem Reibkoeffizienten
und α dem Umschlingungswinkel. Die Betätigungskraft
F1 ist bei der erläuterten Art der Betätigung
der Schlingfederbremse die Kraft des Zuges am freien Ende. Der Umschlingungswinkel α wird
in Grad angegeben, bei Anliegen von beispielsweise 10 Windungen
beträgt der Umschlingungswinkel α = 10·360.
Der Umschlingungswinkel α steigt somit kontinuierlich mit
der Anzahl der am Reibschluss beteiligten Windungen der Schlingfeder.
Aus obiger Formel geht hervor, dass die Selbstverstärkung
der Schlingfederbremse umso größer ist, je größer
der Reibkoeffizient μ und je größer der
Umschlingungswinkel α ist.
-
Bei
der Schlingfederbremse der 1 bis 3 kann
der am Reibschluss wirksame Teil der Schlingfeder und somit der
Umschlingungswinkel α veränderlich eingestellt
werden. Hierzu ist das Druckelement 5 vorgesehen. Das Druckelement 5 drückt eine
Windung 1 der Schlingfeder mit der Betätigungskraft
F1 gegen die Welle 4. Aufgrund der Drehrichtung der Welle 4,
welche in Spannrichtung der Schlingfeder dreht, spannt der an der
Welle 4 anliegende Teil der Schlingfeder, die die Windungen 1 zwischen
der ersten Windung 1a und der von dem Druckelement 5 an
die Welle 4 gedrückten Windung 1, zu.
Der andere Teil, d. h. die hinter dem Druckelement 5 liegenden
Windungen, umgibt die Welle 4 lose und bewirkt keine Bremskraft.
Dies ist in den 1 bis 3 durch
eine Beabstandung 9 zwischen der inneren, der Welle 4 zugewandten
Fläche der jeweiligen Windung, und der Welle 4 kenntlich gemacht.
Der Umschlingungswinkel α wird somit nur von denjenigen
Windungen 1 der Schlingfeder gebildet, welche sich zwischen
der ersten Windung 1a und dem Druckelement 5 befinden.
-
1 zeigt
den Fall, dass das Druckelement 5 auf die dritte Windung 1c drückt.
Hierdurch haben die auf die dritte Windung 1c folgenden
Windungen keinen Kontakt zur Welle 4. Die Schlingfederbremse befindet
sich demnach in 1 im gelösten Zustand, da
lediglich die ersten drei Windungen 1a, 1b und 1c, welche
ohnehin an dem Bestandteil 3 befestigt sind, eine Reibung
bewirken. 2 zeigt den Fall, dass das Druckelement 5 auf
die fünfte der Windungen 1 drückt. Dies
entspricht einer leichten Betätigung der Schlingfederbremse.
Gemäß 3 hingegen drückt das
Druckelement 5 die elfte der Windungen 1 gegen die
Welle 4. Dies entspricht einer betätigten Stellung, bei
der fast alle Windungen 1 am Reibschluss beteiligt sind
und somit einer starken Bremswirkung.
-
Aus
den 1 bis 3 wird deutlich, dass der Umschlingungswinkel α mit
der Position des Druckelementes 5 variiert. Hierbei zeigt 1 einen kleinen, 2 einen
mittleren und 3 einen großen Umschlingungswinkel α.
Das Druckelement 5 wirkt zwischen den beiden Enden der
Schlingfeder, indem es eine der Windungen 1 zwischen der
ersten Windung 1a und der letzten Windung 1z gegen
die Welle 4 drückt. Wird das Druckelement 5 beginnend von
einem der ersten drei Windungen 1a, 1b, 1c in Richtung
des losen Endes, d. h. in Richtung der Windung 1z, verstellt,
wird die Schlingfeder somit Windung für Windung an die
Welle 4 gedrückt. Durch dieses Verstellen des
Druckelementes 5 in Richtung des losen Endes nimmt der
die Welle 4 umspannende Umschlingungswinkel und somit die
Selbstverstärkung der Schlingfederbremse zu. Wird das Druckelement 5 hingegen
in Richtung auf das Festlager verstellt, nimmt der Umschlingungswinkel
und entsprechend auch die Selbstverstärkung der Schlingfederbremse
ab.
-
Gemäß der
variablen Aktivierung der Schlingfeder kann jede Windung der Schlingfeder beginnend
von dem Festlager nacheinander betätigt werden. Dies resultiert
in einer sehr fein granularen Steuerung der Schlingfederbremse.
Es muss demnach nicht mehr unterschieden werden zwischen lediglich
den Zu ständen „aktiviert" und „nicht
aktiviert", vielmehr existieren eine Vielzahl von Zwischenzuständen.
Bei diesen Zwischenzuständen ist jeweils eine Teilmenge
der Windungen 1 an der Bremsung beteiligt. Die Bremskraft
der Schlingfederbremse kann somit flexibel an den aktuellen Bedarf
angepasst werden.
-
Nach
der eingangs erläuterten Technik der Aktivierung der Schlingfederbremse
durch Zug am freien Ende wirken stets alle Windungen der Schlingfeder;
d. h. die Schlingfeder bringt über ihre gesamte Länge
eine bremsende Reibkraft auf die Welle auf, sobald das Ende der
Schlingfeder betätigt wird. Bei der Schlingfederbremse
der 1 bis 3 hingegen kann die Anzahl der
wirksamen Umwindungen 1 und somit der Umschlingungswinkel α variabel
eingestellt werden, wodurch die Stärke der Reibkraft bei gegebener
Betätigungskraft beeinflusst werden kann. Diese Beeinflussung
kann auch während der Betätigung der Bremse erfolgen,
d. h. die Verstärkung der Schlingfederbremse kann während
einer Bremsung geändert werden.
-
Zur
Verstellung des Druckelementes 5 wird ein Verstellmechanismus 6 eingesetzt.
Der Verstellmechanismus 6, in den 1 bis 3 ein
zylinderförmiger Hohlkörper, ist drehbar um die
Welle 4 gelagert und verfügt an seiner Innenseite über
eine gewindeförmige Laufbahn 8. Auch die Schlingfeder
verfügt über eine gewindeförmige Laufbahn 7. 8 zeigt
beispielhaft einen Querschnitt eines Schlingfederdrahtes mit einer
derartigen Laufbahn 7. Der Schlingfederdraht der 8 weist – abgesehen
von der Laufbahn 7 – einen rechteckigen Querschnitt
auf. Selbstverständlich kann eine Laufbahn 7 auch
anderen Querschnittsformen hinzugefügt werden, z. B. den
in den 5 bis 7 gezeigten Querschnitten.
-
Die
beiden Laufbahnen 7 und 8 sind aufeinander abgestimmt,
so dass das Druckelement 5 im Zwischenraum zwischen dem äußeren
Umfang der Schlingfeder und dem inneren Umfang des Verstellmechanismus 6 abrollen
kann. Gemäß den 1 bis 3 ist
das Druckelement 5 hierzu als Kugel ausgebildet. Die beiden
Laufbahnen 7 und 8 weisen die gleiche Steigung
auf, so dass bei Rotation des Verstellmechanismus 6 das
Druckelement 5 Windung für Windung der Schlingfeder
und des Verstellmechanismus 6 abrollt. Somit kann durch
Rotation des Verstellmechanismus 6 das Druckelement 5 auf
einer spiralförmigen Bahn zu dem festen oder dem freien Ende
der Schlingfeder bewegt werden. Hierbei übt das Druckelement 5 stets
eine Kraft auf die Schlingfeder in Richtung der Welle 4 aus,
wodurch die Schlingfeder von dem Druckelement 5 an einer
der Windungen 1 an die Welle 4 gedrückt
wird. Aufgrund der Drehrichtung der Welle 4 in Zuspannrichtung
der Schlingfeder halten die Windungen 1 der Schlingfeder
vom Festlager bis zur Position des Druckelementes 5 die
Umschlingung aufrecht und erzeugen zusammen die die Welle 4 abbremsende
Reibkraft.
-
4 zeigt
einen Schnitt durch eine Schlingfederbremse mit elektrischem Aktor 10 in
Form eines Elektromotors, welcher den Verstellmechanismus 6 in
Rotation versetzen kann. Alternativ hierzu kann der Verstellmechanismus 6 durch
einen andersartigen Aktor angetrieben werden, z. B. durch eine Ölpumpe, ein
Windrad, einen Propeller oder auch manuell. Vorzugsweise ist der
Aktor 10 mit einer Regelung verbunden, so dass die Schlingfederbremse
auf eine Sollbremskraft gesteuert werden kann. Hierzu können
in den Figuren nicht dargestellte Sensoren vorgesehen sein, die
zur Regelung nötige Betriebsparameter ermitteln und der
Regelung zur Verfügung stellen.
-
Die 9A und 9B zeigen
eine alternative Ausgestaltung des Druckelementes 5, welches gemäß den 1 bis 4 als
kugelförmiger Wälzkörper ausgestaltet
ist. Das Druckelement 5 der 9A und 9B hingegen
ist als verzahnter Wälzkörper in Form einer Walze
ausgebildet. Diese rollt auf einer Verzahnung 7 der Windung 1 und
einer gegenüberliegenden Verzahnung 8 des Verstellmechanismus 6.
Vorzugsweise ist zur Führung des Druckelementes 5 ein
Führungselement 11, in 9A als
Schiene dargestellt, vorgesehen. Das Führungselement 11 hält
den Wälzkörper 5 mittig auf der Windung 1 der
Schlingfeder. Die Verzahnung des äußeren Umfangs
der Windung 1 und des inneren Umfangs des Verstellmechanismus 6 kann
ein mögliches Durchrutschen des Druckelementes 5 bei
einer Rotation des Verstellmechanismus 6 verhindern.
-
Es
können andere als die in den Figuren dargestellten Wälzkörperformen
zum Einsatz kommen. Wesentlich ist, dass der verwendete Wälzkörper
hinsichtlich seiner Form an die äußere Oberfläche
der Windungen 1 der Schlingfeder und an die innere Oberfläche
des Verstellmechanismus 6 angepasst ist, so dass durch
Bewegung des Verstellmechanismus 6 eine Wälzen
des Wälzkörpers entlang den Windungen 1 der
Schlingfeder erfolgt.
-
10 zeigt
eine mögliche Form der Laufbahn 7 der Umwindungen 1.
Demgemäß sind die Umlaufflächen so geformt,
dass das Druckelement 5 beim Andrücken einer Windung 1 an
die Welle 4 neben der Normalkraft, welche auf die Achse
der Welle 4 zeigt, eine Kraftkomponente Fa parallel
zur Achse der Welle 4 erzeugt. Hierzu weist die Umlauffläche 7 z.
B. eine Nut 15 auf, welche die axiale Kraft Fa aufnehmen
kann. Dies ermöglicht es, die anliegenden Windungen 1 der
Schlingfeder von den losen Windungen 1 leicht wegzudrücken,
wodurch die Reibung zwischen der letzten der anliegenden und der
ersten der losen Windungen 1 reduziert werden kann. Selbstverständlich
kann die in 10 dargestellte Umlauffläche
auch ausgehend von einem andersartigen Querschnitt des Schlingfederdrahtes
gebildet werden.
-
Die 11A und 11B zeigen
eine alternative Realisierung des Druckelementes 5 und
des Verstellmechanismus 6, wobei 11B einen Schnitt
durch 11A senkrecht zur Achse der
Welle 4 darstellt. Hierbei ist das Druckelement 5 nicht
als Wälzkörper, sondern als Feder ausgestaltet.
Da bei der Bauform der 11A und 11B kein Wälzkörper auf dem äußeren
Umfang der Windungen 1 der Schlingfeder abrollt, müssen
diese keine besondere Kontur oder Umlauffläche aufweisen.
Die Feder 5 ist in den Verstellmechanismus 6 integriert.
Vorzugsweise sind die Feder 5 und der Verstellmechanismus 6 einteilig
ausgeführt, z. B. als Blattfeder. Der Verstellmechanismus 6 ist
als Ring ausgeführt, der sich bei einer rotorischen Antriebs bewegung
schraubenförmig fortbewegt, so dass die Feder 5 Windung
für Windung 1 der Schlingfeder an die Welle 4 drückt.
-
Die
Lagerung des Verstellmechanismus 6 gemäß den 11A und 11B ist
die folgende: der Verstellmechanismus 6 verfügt über
ein Gewinde 20, das in das Gehäuse 18 greift.
Zum Antreiben des Verstellmechanismus 6 dient der Aktor 10,
der mit einem Ritzel über eine Drehscheibe 17 kämmt.
Mit der Drehscheibe 17 ist eine Axialführung 16 fest
verbunden. Die Axialführung 16 dient als Mitnehmer
für den Verstellmechanismus 6, der bei Rotation
der Drehscheibe 17 auf der Axialführung 16 in
axialer Richtung gleitet. Diese Axialbewegung des Verstellmechanismus 6 ist
abhängig von der Steigung des Gewindes 20. Vorzugsweise
entspricht die Steigung des Gewindes 20 der Steigung der
Windungen 1 der Schlingfeder, so dass die Feder 5 stets
auf genau eine Windung 1 drückt.
-
Die
Wirkung des als Feder ausgebildeten und des als Wälzkörper
ausgebildeten Druckelementes 5 ist die gleiche: eine der
Windungen 1 der Schlingfeder wird gegen die Welle 4 gedrückt.
Durch dieses Andrücken wird der Umschlingungswinkel festgelegt.
-
In
den erläuterten Ausführungsformen drückt das
Druckelement 5 jeweils mit direktem Kontakt auf eine der
Windungen 1. Alternativ hierzu kann das Druckelement 5 so
ausgestaltet sein, dass es auf indirekte Weise bewirkt, dass eine
der Windungen 1 gegen die Welle 4 gedrückt
wird. Ein Beispiel hierfür ist das Ziehen an einer Seite
einer Windung 1 weg von der Welle 4, wodurch die
gegenüberliegende Seite der Windung 1 an die Welle 4 gezogen
wird.
-
Bisher
wurden Lösungen vorgestellt, welche eine kontinuierliche
Betätigung der Schlingfeder Windung für Windung
bzw. eine kontinuierliche Einstellung des Umschlingungswinkels erlauben.
Eine derart feine Regelbarkeit ist jedoch nicht immer unbedingt
erforderlich. Daher ist es alternativ möglich, die Schlingfeder
segmentweise zu betätigen. In diesem Fall ist eines oder
mehrere Druckelemente vorgesehen, welche an diskreten Positionen
auf die Schlingfeder drücken. Weist die Schlingfeder z.
B. 20 Windungen auf, so kann ein erstes Druckelement ortsfest an
der 5. Windung vorgesehen sein, ein zweites Druckelement ortsfest
an der 10. Windung, ein drittes Druckelement ortsfest an der 15.
Windung, und ein viertes Druckelement ortsfest an der letzten Windung.
Bei Betätigung des ersten Druckelementes bremsen die ersten
5 Windungen, bei Betätigung des zweiten Druckelementes
bremsen die ersten 10 Windungen, bei Betätigung des dritten
Druckelementes bremsen die ersten 15 Windungen, und bei Betätigung
des vierten Druckelementes bremsen alle Windungen der Schlingfeder.
-
Die
Druckelemente für die segmentweise Aktivierung können
z. B. als Elektromagnete ausgebildet sein, welche über
Stößel auf die jeweilige Windung der Schlingfeder
drücken. Mittels Hubmagneten können einzelne Windungen
betätigt werden, indem die jeweilige Windung mit Haken
o. ä. versehen sind, die angezogen oder gedrückt
werden können, um die Schlingfeder zuzuspannen. Anstelle
von Magneten können Piezoaktoren eingesetzt werden, die entweder
direkt auf die Schlingfeder wirken, oder über Haken, Hebel
o. ä., welche fest mit der jeweiligen Windung der Schlingfeder
verbunden sind. Die einzelnen betätigbaren Windungen können über
einen gemeinsamen Aktor oder über jeweils einen einzelnen
Aktor angesteuert werden.
-
Zu
den erläuterten Ausführungsbeispiele können
zahlreiche nicht explizit beschriebene Abwandlungen gefunden werden,
so dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt ist. Insbesondere ist es möglich, Merkmale
der verschiedenen Beispiele miteinander zu kombinieren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005016825
A1 [0039]
- - DE 68902690 T2 [0039]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - P. Iten, L.
Müller: „Schlingfedern: Interessante mechanische
Servoelemente", Antriebstechnik 34 (1995), Nr. 11, S. 67 ff [0002]