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Bremsen fĂŒr Sicherheit und Energiemanagement

Kendrion10214Fachartikel

Sowohl Federdruck- als auch Permanentmagnet-Bremsen haben ihre Berechtigung. Doch welche ist die richtige fĂŒr den jeweiligen Einsatzfall? Da bei der Auswahl sehr unterschiedliche Aspekte zu berĂŒcksichtigen sind, sollte der Anwender auf kompetente Beratung vertrauen. Dann ist es natĂŒrlich von Vorteil, wenn der beratende Bremsenhersteller beide Wirkprinzipien im Programm hat und ohne Eigeninteresse berĂ€t. Der Beitrag von Kendrion zeigt, dass Bremse nicht gleich Bremse ist.


Kendrion20214Je nach Einsatzbedingung unterscheidet man zunĂ€chst einmal zwischen Halte- und Arbeitsbremse. Die Haltebremse hat die Aufgabe, Lasten im Stillstand zu halten. Das Abbremsen der Bewegung wird dabei vom Antrieb ĂŒbernommen. Nur im Fehlerfall, z. B. beim Not-Stopp, leistet die Haltebremse Bremsarbeit, um das System zum Stillstand zu bringen und anschließend in Ruhe zu halten. Im Gegensatz dazu hat die Arbeitsbremse die Aufgabe, die Bewegungsenergie zu vernichten und wiederum anschließend das System im Stillstand in Ruhe zu halten. Typische Einsatzbereiche (Bild 1) fĂŒr Halte- und Arbeitsbremsen finden sich bei AufzĂŒgen, HĂ€ngebahnen und Windkraftanlagen ebenso wie in der Robotik und im Maschinenbau.

Der Einsatz von Arbeitsbremsen tritt mehr und mehr in den Hintergrund, da moderne Antriebe und Steuerungen die Bremsaufgabe sicher bewĂ€ltigen und zudem verschleißfrei arbeiten können. Applikationen, in denen Arbeitsbremsen zum Einsatz kommen, werden durch Federdruckbremsen bedient, da die dort eingesetzten organischen Reibsysteme – Ă€hnlich wie die BremsbelĂ€ge beim Auto – sich gut dafĂŒr eignen, eine hohe Gesamtarbeit ĂŒber die Lebensdauer zur VerfĂŒgung zu stellen. FĂŒr den zahlenmĂ€ĂŸig deutlich ĂŒberwiegenden Anteil der Haltebremsen-Applikationen kommen sowohl Permanentmagnet- als auch Federdruckbremsen zum Einsatz. Der Anwender hat hier die Qual der Wahl, wie in so vielen anderen Bereichen auch. Er muss entscheiden, welches Funktionsprinzip sich fĂŒr seine Applikation am besten eignet. Beide haben dabei jeweils charakteristische Eigenschaften, die sie fĂŒr die unterschiedlichen Einsatzbereiche prĂ€destinieren.

Zwei Wirkprinzipien – unterschiedliche Eigenschaften

Kendrion40214FĂŒr beide Bremsentypen gilt, dass sie im stromlosen Zustand geschlossen sind. Es handelt sich um Sicherheitsbremsen: Bei Stromausfall oder Versagen der Energieversorgung wie durch Leitungsbruch wird das System sicher gehalten. DarĂŒber hinaus gibt es jedoch grundsĂ€tzliche Unterschiede. Bei der Federdruckbremse, die ĂŒblicherweise an der B-Lagerseite eines Elektromotors angebaut wird, drĂŒcken im unbestromten Zustand Federn gegen die Ankerscheibe der Bremse. Die ReibbelĂ€ge des Rotors, der ĂŒber eine Verzahnung mit der Motorwelle verbunden ist, werden zwischen dieser Ankerscheibe und der AnbauflĂ€che der Bremse auf der MotorrĂŒckseite eingespannt. Wird die Spule der Bremse bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe anzieht und so den Rotor mit den ReibbelĂ€gen freigibt. Die Bremse lĂŒftet.

Beim Wirkprinzip „Permanentmagnet“ dagegen wird im unbestromten Zustand der Anker bzw. der Rotor vom Permanentmagnetfeld gegen den Stator bzw. das Erregersystem gezogen. Im bestromten Zustand entsteht ein elektromagnetisches Feld, das die Anziehungskraft der Permanentmagnete aufhebt und so den Anker durch die Zugkraft der Federn zwischen Anker und Flanschnabe vom Erregersystem löst. Die Bremse lĂŒftet. Durch die kraftschlĂŒssige Verbindung zwischen Anker, Nabe und Welle ist die Permanentmagnetbremse spielfrei. Es gilt allerdings definierte Einbaubedingungen einzuhalten, um im Motor einen definierten Luftspalt zu gewĂ€hrleisten.

Permanentmagnet-Bremsen

Kendrion50214Aus diesen beiden Wirkprinzipien mit ihren unterschiedlichen Reibpaarungen, Stahl/Stahl bei der Permanentmagnetbremse sowie organische ReibbelĂ€ge/Stahl bei der Federdruckbremse resultieren definierte, wesentliche Eigenschaften, aus denen sich fĂŒr beide Bremsenarten typische Anwendungsfelder ergeben: Permanentmagnet-Bremsen (PE) eignen sich gut fĂŒr Servomotoren, beispielsweise in der Handhabungstechnik und Robotik. Hier ĂŒberzeugen sie vor allem durch ihre kompakten Abmessungen und ihr vergleichsweise geringes Gewicht. Die Leistungsdichte ist dank der Permanentmagnete doppelt so hoch wie bei Federdruckbremsen (FD) ĂŒblich. Aber auch aus anderen GrĂŒnden wird man den leichten und gleichzeitig dynamischen und nahezu abriebfreien Bremsen in der Robotik gern den Vorzug geben.

Die Abriebsfreiheit der PE-Bremse wird durch das Wirkprinzip der Bremse sichergestellt. Der Anker wird vollstĂ€ndig durch die Feder gelĂŒftet. Bei der FD-Bremse entsteht ein Anlaufverschleiß, da sich bei Drehzahlerhöhung erst ein Luftpolster zwischen Belag und ReibflĂ€chen aufbauen muss. Dieser Verschleiß kann sich durch Beschleunigungen der Reibscheibe, z. B. der Erdbeschleunigung bei vertikaler Anordnung des Antriebs oder durch FliehkrĂ€fte bei der Drehung der RotorblĂ€tter einer Windkraftanlage erhöhen. Dabei ist hier meist nur ein Reibbelag betroffen.

Die PE-Bremse verhĂ€lt sich beim Einsatz als reine Haltebremse mit Notstoppfunktion anders als die FD-Bremse. Die PE-Bremse ist auf Grund ihres Aufbaus restmomentfrei. Es gibt nur Abrieb bei den Notstopps. Im Betrieb wird der Anker vollstĂ€ndig durch die Feder gelĂŒftet. DemgegenĂŒber hat die FD-Bremse ein Anlaufmoment, was zu einem gewissen Verschleiß bei jedem Anlauf fĂŒhrt. Erschwerend kommt noch der oben erwĂ€hnte Verschleiß durch BeschleunigungskrĂ€fte hinzu. Oftmals kann dieser zusĂ€tzliche Verschleiß nicht genau bestimmt werden, da meist nur eine Seite der Reibscheibe betroffen ist.

Ein weiterer Unterschied liegt im Verhalten ĂŒber den Temperaturbereich. PE-Bremsen sind sehr temperaturstabil und haben ĂŒber den gesamten Temperaturbereich ein garantiert hohes Drehmoment. Anders sieht es bei den FD-Bremsen aus. Hier wird die TemperaturstabilitĂ€t im Wesentlichen durch die Zusammensetzung des organischen Reibbelags beeinflusst. Man kann dies mit einem Autoreifen vergleichen, der auch fĂŒr verschiedene Einsatzbedingungen entwickelt wird. Genauso wenig wie ein Formel 1 Reifen im Winter verwendet werden kann, verhĂ€lt es sich mit einigen organischen ReibbelĂ€gen bei Bremsen.

Bei einem hohen Reibkoeffizienten hat der Belag eine gute Haftung, man erreicht hohe Drehmomente, dafĂŒr verschleißt der Belag aber sehr schnell. FĂŒr BelĂ€ge in FD-Bremsen heißt dies: BelĂ€ge mit hohen Reibkoeffizienten zeigen einen stĂ€rkeren Abfall ĂŒber den gesamten Temperaturbereich und haben teilweise nur noch das halbe Drehmoment bei 120° oder -40 °C. Generell kann gesagt werden, dass FD-Bremsen entweder sehr gute Drehmomente erzielen, dann aber nicht so temperaturstabil sind oder dass bei einem temperaturstabilem Belag der Reibkoeffizient vergleichsweise niedriger liegt. Hervorzuheben ist jedoch, dass sich in einem vorgegebenen Temperaturbereich das Drehmoment der FD-Bremse sehr genau auf das vom Kunden spezifizierte Drehmoment im Designprozess einstellen lĂ€sst.

Allrounder Federdruckbremse

Kendrion60214Hub- und Fahrantriebe mit hohen Bremsenergien und definiertem Bremsmoment, sprich kontrolliertem Verzögern bei Notstopp, können durch PE nicht bedient werden. DarĂŒber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen keine hohe Dynamik und Leistungsdichte erforderlich ist. Krane, HĂ€ngeförderer oder Rolltore liefern dafĂŒr typische Beispiele. Die Bremse muss im Fall der FĂ€lle bremsen, bei Not-Stopp gegebenenfalls hohe Verzögerungswerte pro Bremsung liefern und das Gewicht zuverlĂ€ssig halten. Die Schaltzeit und Leistungsdichte spielen nur eine untergeordnete Rolle. Hohe Bremsarbeit ist fĂŒr die organischen ReibbelĂ€ge der Federdruck-Bremsen kein Problem und sie lassen sich bei Bedarf auch als Arbeitsbremse nutzen.

Außerdem ist das TrĂ€gheitsmoment durch das vergleichsweise geringe Gewicht der Reibscheibe niedriger als bei Permanentmagnet-Bremsen. Hinzu kommt, dass in diesen Applikationen meist IEC-Standard-Normmotoren eingesetzt sind, an denen sich Federdruckbremsen einfach und schnellmontieren lassen. Die Bremse, deren Aufbau im Vergleich zu Permanentmagnet-Bremsen weniger komplex ist, bleibt in der Regel gut zugĂ€nglich. Wer in einer Applikation einen kostengĂŒnstigen Standard-Normmotor einsetzen kann, wird daher normalerweise zu einer Federdruck-Bremse greifen. FĂŒr den jeweiligen Einsatzbereich, z. B. fĂŒr einen bestimmten Einsatztemperaturbereich, kann ein auf die Anwendung optimierter Reibbelag ausgewĂ€hlt werden.

Die FD-Bremse kann bei richtiger Auswahl des organischen Reibbelags und der Auslegung der Federn gut auf ein gewĂŒnschtes Drehmoment mit einer relativ kleinen Toleranz eingestellt werden. Ist zudem der Temperaturbereich noch vergleichsweise klein, kann ĂŒber diesen Bereich das Drehmoment gut gehalten werden. Außerdem ist auch bei Federdruckbremsen die Entwicklung nicht stehen geblieben: Mit den neuen Kobra-Bremsen von Kendrion können 80 % mehr Drehmoment oder die dreifache Lebensdauer im Vergleich zu bisher marktĂŒblichen Lösungen erreicht werden. Durch Reduktion der Ansteuerleistung wird der Stromverbrauch um ein Drittel gesenkt. Es entsteht weniger WĂ€rme, was die Alterung der Komponenten verringert.
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