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DE102016124610B4 - Selbsttätige geschwindigkeitsabhängige Sicherheitsbremse - Google Patents

Selbsttätige geschwindigkeitsabhängige Sicherheitsbremse Download PDF

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DE102016124610B4
DE102016124610B4 DE102016124610.7A DE102016124610A DE102016124610B4 DE 102016124610 B4 DE102016124610 B4 DE 102016124610B4 DE 102016124610 A DE102016124610 A DE 102016124610A DE 102016124610 B4 DE102016124610 B4 DE 102016124610B4
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

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Abstract

Selbsttätige Bremse, bestehend aus einer Antriebseinheit (1) mit darauf montierten Magnetträgern (7) mit Magneten (8) und einem Induktionsläufer (4), der sich gegenläufig zur Antriebseinheit (1) dreht,
wobei sich die Magnete (8) um eine Kreisbahn drehen,
wobei die Magnetträger (7) über einen Drehpunkt (10) schwenkbar mit der Antriebseinheit (1) verbunden sind, so dass die Magnete (8) den Drehpunkten (10) in Drehrichtung der Antriebseinheit (1) vorauseilen,
wobei die Magnetträger (7) über Federn (9, 11) vorgespannt sind und
wobei die Magnete (8) ab einer bestimmten Geschwindigkeitsübersteigerung über die Zentrifugalkraft zu dem Induktionsläufer (4) bewegt werden und durch die zusätzliche Wirbelstromkraft nach außen in einem für eine Bremswirkung erforderlichen minimalen Abstand zum Induktionsläufer (4) gezogen werden.

Description

  • OBERBEGRIFF:
  • Die Erfindung richtet sich auf eine „Selbsttätige Bremse“
  • TECHNISCHES GEBIET:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige Bremse, die eine unkontrollierte überhöhte Geschwindigkeit von personenbewegten Fahrzeugen verhindert und sie somit wieder in den sicheren Fahrstatus bringt.
  • Einsetzbar ist diese Sicherheitsbremse unter anderem bei Kinderfahrzeugen, wie z.B.: Fahr- und Laufrädern, aber auch bei nicht motorisierten Fahrzeugen wie Rollstühle und dergleichen. Mit dieser Technik wird gewährleistet, dass sich die Geschwindigkeit von Fahrzeugen bei abschüssigem Gelände nicht unkontrolliert erhöht. Dies hilft insbesondere Kleinkindern oder Personen, die eine Bremse nicht selbsttätig bedienen können oder auch die damit verbundene Gefahr falsch einschätzen.
  • STAND DER TECHNIK:
  • Es ist bekannt, das Fahr- und Laufräder für Kinder in der Regel mit Bremsen ausgestattet sind, die vom Fahrer selbst ausgelöst werden. Es gibt aber auch Patente, bei denen mit Hilfe einer Funkfernsteuerung die Bremse ferngesteuert durch eine Aufsichtsperson ausgelöst werden kann. Siehe z.B.:
  • Es ist ferner bekannt, dass es Fliehkraftbremsen und Wirbelstrombremsen im Fahrzeugbau, Motorenbereich, Windkraftanlagen, Sommerrodelbahnen, Aufzügen u. dgl. in vielen Ausführungen gibt. Siehe z.B.:
  • Es ist ferner bekannt, dass es magnetische Bremsen gibt, die eine selbsttätige Bewegung der Bremsmagnete zeigen. Siehe z.B.:
  • MÄNGEL BISHER BEKANNTER AUSFÜHRUNGEN:
  • Nachteile des „Standes der Technik“ ist bei einigen Ausführungen die notwendige Fernbedienung über eine Aufsichtsperson. Diese Technik birgt ein gewisses Gefahrenpotential wie Stromversorgung, Übertragungstechnik und Trägheit der Stellmotoren. Der immerwährende Wartungsaufwand von Akkus/Batterien für Sender, Empfänger und Auslösetechnik darf auch nicht unterschätzen werden.
  • Weitere Nachteile aus dem Stand der Technik sind Fliehkraftbremsen, die nur über den Anpressdruck von Bremsklötzen mit Hilfe der Zentrifugalkraft funktionieren, sie sind schwer und träge im Leerlauf, außerdem Verschleißbehaftet.
  • Des Weiteren sind auch Nachteile bei Wirbelstrombremsen aus dem Stand der Technik bekannt, da hier die notwendige Abstandssteuerung von Permanentmagneten zur Metallplatte entweder von Hand oder elektromechanisch stattfindet. Auch das Ein- oder Durchlaufen einer Bremszone ist mit seiner festen Installation nur auf den jeweiligen Einsatzzweck beschränkt. Möglicher Einsatz von Elektromagneten bedürfen zusätzliche Energiequellen und deren Ansteuerung.
  • Bei den aus dem Stand der Technik benannten Wirbelstrombremsen sind zwar solche mit selbsttätig beweglich gelagerten Permanentmagneten bekannt, jedoch keine mit gegenläufiger Drehbewegung zum Induktionsläufer.
  • Weitere mögliche elektronische Geschwindigkeitsüberwachungen mit elektromechanischen Bremskomponenten sind auch mit dem Nachteil der Wartung von Akkus oder Batterien behaftet.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG:
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die selbsttätig ein Fahrzeug bei überhöhter Geschwindigkeit abbremst und gegebenenfalls die Bremskraft bei weiterer unkontrollierter Geschwindigkeitserhöhung steigert. Andererseits soll sich die Bremse im wieder sicheren Bereich - sprich eine akzeptable niedrigere Geschwindigkeit - wieder selbsttätig lösen. Des Weiteren sollte diese Technik verschleißfrei, ohne elektrische Komponenten, gewichtsreduziert, sowie wartungsfrei und im Leerlauf auch ohne großen Wiederstand betrieben werden können.
  • LÖSUNG DER ERFINDUNG:
  • Bei dieser „Selbsttätige Bremse“, wird die Aufgabe erfindungsgemäß nach Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die auf einem Magnetträger montierten Magnete bei einer bestimmten Geschwindigkeitsübersteigung der rotierenden Antriebseinheit aus der inneren Kreisbahn über die Zentrifugalkraft zum außenliegenden gegenläufig drehenden Induktionsläufer bewegt werden.
  • Die Magnete werden dabei aufgrund einer zusätzlichen Wirbelstromkraft nach außen in einen für eine Bremswirkung erforderlichen minimalen Abstand zum Induktionsläufer gezogen.
  • Dies wird erreicht, indem die Magnetträger über einen Drehpunkt schwenkbar mit der Antriebseinheit verbunden sind, so dass die Magnete den Drehpunkten in Drehrichtung der Antriebseinheit vorauseilen.
  • Im unteren sicheren Drehzahlbereich drehen die Magnetträger, gehalten durch vorgespannte Federn, auf der inneren Kreisbahn und somit die Magnete weitab vom Wirkbereich des Induktionsläufers.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG:
  • Die grundlegenden Elemente dieser Erfindung sind in der Zeichnung 1 dargestellt. Die Bremse befindet sich hier im inaktiven Zustand (Leerlaufzustand). Die Teile und Funktionen werden im Folgenden näher beschrieben.
  • Der Antrieb erfolgt, ausgehend von Rad eines Fahrzeuges, direkt auf die Antriebseinheit 1. Diese dreht sich über ein radial gelagertes Lager auf der feststehenden Radachse 2 gleichlaufend in Drehzahl und Richtung mit dem Rad eines Fahrzeuges.
  • Über das Planetengetriebe 3 findet ausgehen von der Antriebseinheit 1 eine Drehzahlübersetzung mit Drehrichtungsumkehr auf den Induktionsläufer 4 statt.
  • Der Induktionsläufer 4 dreht sich demnach, gegenläufig zur Antriebseinheit 1, mit der vom Planetengetriebe 3 vorgegebenen mehrfachen Drehzahl.
  • Auf der Antriebseinheit 1 ist die Ausgleichseinheit (bestehend aus Ausgleichsring 5 und Ausgleichsgestänge 6) sowie die Magnetträger 7 mit aufgesetzten Magneten 8 montiert.
  • Bei niedriger Geschwindigkeit des Fahrzeuges bleibt die Zentrifugalkraft der Magnete 8 unterhalb des Schwellwertes der einstellbaren Kraft der Rückholfeder 9, die somit alle Magnetträger 7 auf der inneren Kreisbahn hält. Die auf den Magnetträger 7 aufgesetzte Magnete 8, befinden sich somit im ausreichend großem Abstand zum Induktionsläufer 4 und damit außerhalb einer nennenswerten induktiven Bremswirkung.
  • Besteht der Induktionsläufer 4 aus einem Leichtmetall, ist auch deren Trägheitswiederstand im Leerlauf des Fahrzeuges zu vernachlässigen.
  • Die radial kugelgelagerte Ausgleichseinheit - bestehend aus dem Ausgleichsring 5 und dem Ausgleichsgestänge 6 - verhindert, dass eine Unwucht der Magnetträger 7 und deren Magnete 8 in ihrer Kreisbahn aufgrund der Gewichtskraft entsteht.
  • In diesem unteren Drehzahlbereich befindet sich das Fortbewegungsmittel freilaufend ohne nennenswerten Widerstand der „selbsttätigen Bremse“.
  • Der Übergang vom inaktiven Bremszustand siehe 1 zum aktiven Bremszustand wird, mit Hilfe der Zeichnungen 2 und der Erklärungsergänzung 3, im Folgenden näher beschrieben.
  • Überschreitet - aufgrund überhöhter Geschwindigkeit - die Zentrifugalkraft der Magnete 8 und der Magnetträger 7 den eingestellten Schwellwert der Rückholfeder 9, schwingen alle Magnetträger 7 über ihren jeweiligen Drehpunkt 10 einheitlich (aufgrund der Ausgleichsgestänge 6 und des Ausgleichringes 5) nach außen Richtung Induktionsläufer 4 (siehe hierzu auch die Auswärtsbewegung 18 von 3). Der Schwellwert ergibt sich aus dem Widerstand der voreingestellter Spannung der Rückholfeder 9 und Federvorspannung 11 über die Ausgleichseinheit (bestehend aus Ausgleichsring 5 und Ausgleichsgestänge 6) zur Gegenkraft der Zentrifugalkraft aller Magnetträger 7 und deren Magnete 8.
  • Sobald die Magnete 8 in den Wirkbereich des gegenläufigen Induktionsläufers 4 kommen (siehe hierzu auch gegenläufige Drehrichtung 15 von 3), entsteht aufgrund des Wirbelstroms (siehe auch Wirbelstromfeld 17 von 3) zwischen beiden über die Drehpunkte 10 der schwenkbaren Magnetträger 7 zusätzlich zur Zentrifugalkraft eine weitere Zugkraft der Magnete 8 nach außen zum Induktionsläufer 4.
  • Wichtig hierbei ist, dass die Drehpunkte 10 aller Magnetträger 7 hinter den Magneten 8 und innerhalb der Tangente 16 Richtung Achsmittelpunkt (siehe 3) angeordnet sind und damit die Magnete 8 den Drehpunkten 10 in Drehrichtung der Antriebseinheit 1 vorauseilen, was die zusätzliche Kraft nach außen (siehe hierzu Auswärtsbewegung 18 von 3) zum gegenläufigen Induktionsläufer 4 erklärt.
  • Über dieser Zugkraft bleiben die Magnete 8 bei überhöhter Geschwindigkeit auf dem erforderlichen Minimum zum Induktionsläufer 4.
  • Aufgrund des jetzt kleinen Abstands zwischen den Magneten 8 zum Induktionsläufer 4 und der gegenläufigen Drehrichtung (siehe auch 15 von 3) entsteht jetzt einen Wirbelstrom (siehe auch Wirbelstromfeld 17 3) und damit eine induktive Bremswirkung zwischen den Magneten 8 und dem Induktionsläufer 4.
  • Die Begrenzungsbolzen 12 sorgen für den minimalsten erforderlichen Luftspalt zwischen den Magneten 8 und dem Induktionsläufer 4, so dass kein mechanischer Kontakt entsteht.
  • Mit dem variablen einstellbaren Exzenterbolzen 13 kann die maximale Drehung des Ausgleichringes 5 begrenzt werden, was in Folge den minimalen Abstand aller Magnete 8 zum Induktionsläufer 4 bestimmt und somit die maximale Bremswirkung beeinflusst.
  • Diese induktive Bremswirkung bewirkt aufgrund der Gegenläufigkeit von Antriebseinheit 1 zum Induktionsläufer 4 über das Planetengetriebe 3 die gewünschte Bremswirkung auf das Rad des Fahrzeuges.
  • Tritt trotz der Bremswirkung noch eine weitere Geschwindigkeitssteigerung ein, verstärken sich die Wirbelströme (siehe auch Wirbelstromfeld 17 3) und somit auch die induktive Bremswirkung.
  • Erst nach deutlicher Geschwindigkeitsreduzierung schwenken die Magnetträger 7 - abhängig zum einen von der Einstellung der Federvorspannung 11 sowie Rückholfeder 9 und zum anderen durch die resultierende Abnahme der Zentrifugalkraft aller Magnete 8 und deren induktiven Zugkraft nach außen - in die Ausgangslage und damit in den wieder sicheren Leerlauf zurück.
  • Über die Auslösesperre 14 kann, wenn gewünscht, das Drehen des Ausgleichringes 5 blockiert werden, was wiederum die Magnetträger 7 über die Ausgleichsgestänge 6 in ihrer inneren Umlaufbahn hält und somit das Auslösen der Bremse verhindert.
  • Der Wirbelstrom zwischen Magnete 8 und Induktionsläufer 4 und somit in Folge die Bremswirkung auf das Rad des Fahrzeuges kann im Durchmesser des Induktionsläufers 4, der Übersetzung im Planetengetriebe 3, der Anzahl, Magnetrichtung und Stärke der Magnete 8, des Abstandes der Magnete 8 zum Induktionsläufer 4, sowie der Beschaffenheit (Abmessungen und Leitfähigkeit) des Induktionsläufers 4 bestimmt werden.
  • Auch die wechselseitigen Anordnung der Magnete 8 Nord-Süd-Nord-Süd ... verstärkt den Wirbelstrom gegenüber gleichgerichteter Anordnung.
  • Bezugszeichenliste
  • 1.
    Antriebseinheit
    2.
    feststehende Radachse und Planetenradträger
    3.
    Planetengetriebe
    4.
    Induktionsläufer
    5.
    Ausgleichsring
    6.
    Ausgleichsgestänge
    7.
    Magnetträger
    8.
    Magnete
    9.
    Rückholfeder
    10.
    Drehpunkt der Magneteinheit (Magneteinheit bestehend aus Magnetträger 7 und Magnete 8)
    11.
    Federnvorspannung
    12.
    Begrenzungsbolzen
    13.
    Exzenterbolzen
    14.
    Auslösesperre
    15.
    gegenläufige Drehrichtung
    16.
    Tangente zur Mittelpunktsachse
    17.
    Wirbelstromfeld
    18.
    Auswärtsbewegung der Magnete zum Induktionsläufer
  • DARSTELLUNG DER ERZIELTEN VORTEILE:
  • Ein erzielter Vorteil dieser Erfindung liegt gegenüber dem „Stand der Technik“ in der selbsttätigen Auslösung einer Bremse - aus einem fast widerstandsfreiem Leerlauf - zum einen über die Zentrifugalkraft der Masse von Magneten und zum anderen unterstützt durch die induktive Bremskraft des gegenläufigen Induktionsläufer.
  • Ein weiterer erzielter Vorteil ist, dass die Bremsmagnete durch die Anordnung der nachgelagerten Drehpunkte aller Magnetträger über die induktive Bremskraft zum Induktionsläufer gezogen werden, was den Abstand zum Induktionsläufer auf ein Minimum reduziert und somit das induktive Bremsverhalten im überhöhten Drehzahlbereich optimal aufrecht erhält.
  • Ein weiterer erzielter Vorteil liegt darin, dass aufgrund der Anordnung des Magnetträgers das Abfallen der Magnete erst im unteren, sicheren Drehzahlbereich einsetzt und damit den Bremsvorgang wieder beendet.
  • Ein weiterer sehr wesentlicher erzielter Vorteil liegt in einem verschleißfreien, mechanischen Aufbau. Dies ermöglicht ein Weglassen von Komponenten, die eine Stromversorgung benötigen. Somit ist die selbsttätige Bremse wartungsfreifrei.
  • Die Gefahr eines „Nichtfunktionieren“ wird mit dieser Technik minimiert.

Claims (11)

  1. Selbsttätige Bremse, bestehend aus einer Antriebseinheit (1) mit darauf montierten Magnetträgern (7) mit Magneten (8) und einem Induktionsläufer (4), der sich gegenläufig zur Antriebseinheit (1) dreht, wobei sich die Magnete (8) um eine Kreisbahn drehen, wobei die Magnetträger (7) über einen Drehpunkt (10) schwenkbar mit der Antriebseinheit (1) verbunden sind, so dass die Magnete (8) den Drehpunkten (10) in Drehrichtung der Antriebseinheit (1) vorauseilen, wobei die Magnetträger (7) über Federn (9, 11) vorgespannt sind und wobei die Magnete (8) ab einer bestimmten Geschwindigkeitsübersteigerung über die Zentrifugalkraft zu dem Induktionsläufer (4) bewegt werden und durch die zusätzliche Wirbelstromkraft nach außen in einem für eine Bremswirkung erforderlichen minimalen Abstand zum Induktionsläufer (4) gezogen werden.
  2. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass sich die Magnete (8) im unteren sicheren Leerlauf weitab vom Induktionsläufer (4) bewegen.
  3. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass über eine Ausgleichseinheit (5, 6) alle Magnetträger (7) und deren Magnete (8) so miteinander gekoppelt sind, dass eine Unwucht aufgrund der Gewichts- und Fliehkräfte auf ihrer Kreisbahn verhindert wird.
  4. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schwellwert und damit der gewünschte Einsatzpunkt der Bremswirkung durch die Vorspannung der Rückholfeder (9, 11), einstellen lässt.
  5. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass sich der Induktionsläufer (4) über ein Getriebe (3) infolge seiner Übersetzung mit entsprechend hoher Geschwindigkeit bewegt.
  6. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1 und 5, dass sich der Induktionsläufer (4) über ein Getriebe (3) zu den Magneten (8) gegenläufig bewegt.
  7. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1 und 3, dass sich über einen Exzenterbolzen (13) die Drehung des Ausgleichringes (5) variabel begrenzen lässt, was den minimalsten Abstand aller Magnete (8) zum Induktionsläufer (4) bestimmt.
  8. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1 und 3, dass sich über eine Auslösesperre (14) das Drehen des Ausgleichringes (5) und damit das Auslösen der Bremse verhindern lassen.
  9. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass die Anordnung der Magnete (8) (z.B.: Nord-Süd-Nord-Süd ...) die Stärke des Wirbelstrom bestimmt.
  10. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass die Begrenzungsbolzen (12), den maximalen Ausschlag der Magnetträger (7) begrenzen, damit sich die Magnete (8) und der Induktionsläufer (4) mechanisch nicht berühren.
  11. Selbsttätige Bremse nach Anspruch 1, dass eine geringe Masse des Induktionsläufers (4) den Trägheitswiederstand und damit den Leerlauf des Fahrzeuges positiv beeinflusst.
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