Linearaktuator-Haltebremse Training

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Konstruktion und Theorie

Grundsätzlich sind Industrie-Linearaktuatoren gegen Zurücklaufen gesichert. Zurücklaufen beschreibt das Phänomen, dass die an einem Gewindetrieb, Aktuator oder Antriebssystem anliegende Last in der Lage ist, die Einheit bei ausgeschaltetem Zustand in entgegengesetzter Richtung zu bewegen.

An industriellen Linearaktuatoren kann das Zurücklaufen durch verschiede Methoden verhindert werden. Einige Aktuatoren enthalten selbsthemmende Gleitgewindetriebe. Aktuatoren mit Kugelgewindetrieb verfügen über spezielle Haltebremsen. Die gängigste Haltebremse ist eine Federbandbremse.

So wird ein Rücklaufen verhindert

Wenn Sie erfahren möchten, wie eine Federbandbremse funktioniert, lesen Sie weiter. Sonst gehen Sie zum nächsten Thema. (Link)

Funktionsweise einer Federbandbremse

Die Hauptkomponente einer Aktuator-Federbandbremse ist eine Federbandkupplung. Eine einfache Federbandkupplung besteht aus zwei Naben und einem Federband. Der Innendurchmesser des Federbands ist geringfügig kleiner als die Außendurchmesser der beiden Naben. Im zusammengebauten Zustand sitzt die Feder auf beiden Naben.

Einfache Federband-Konstruktion

Das Drehen einer Nabe in die Richtung, die ein Abspulen oder Abwickeln der Feder bewirkt, erlaubt den Freilauf der Nabe.

Eine Drehung gegen die Federwicklung bewirkt den Freilauf

Dreht sich die Nabe in die Richtung der Federwicklung, wickelt sich die Feder fest um die Naben du bewirkt den Kraftschluss. Je höher das Drehmoment, desto fester hält die Feder die Naben.

Eine Drehbewegung in Richtung Wickeln/Spannen der Feder bewirkt Kraftschluss

Würde eine der beiden Naben fixiert, könnte diese Anordnung als Bremse dienen. Sie würde jedoch nur in eine Richtung als Bremse fungieren und als Freilauf in die andere. Um in beide Richtungen zu bremsen wie eine Aktuator-Federbandbremse sind mehr Komponenten erforderlich.

Aktuator-Federbandbremse

Die Federbandbremse eines Aktuators besteht im Grunde aus zwei Federbandkupplungen. Die Kupplungen haben eine gemeinsame Antriebsnabe in der Mitte und zwei Abtriebsnaben an den Seiten. Die Antriebsnabe ist mit der motorbetriebenen Spindel verbunden, die das Aus- und Einfahren des Aktuators bewirkt (grün in der Animation).

Aktuatorbremse in Explosionsansicht (vereinfacht)

Das Drehen der Welle und Antriebsnabe (grün) im Uhrzeigersinn windet das Federband enger um die Antriebsnabe und linke Abtriebsnabe, sodass ein Kraftschluss zwischen beiden entsteht. Das Federband löst sich von der rechten Nabe, sodass sie sich frei drehen kann.

Aktuatorbremse dreht im Uhrzeigersinn

Das Drehen der Welle und Antriebsnabe (grün) gegen den Uhrzeigersinn bewirkt einen Kraftschluss zwischen der Antriebsnabe und der rechten Abtriebsnabe. Die linke Abtriebsnabe kann sich frei drehen.

Aktuatorbremse dreht gegen den Uhrzeigersinn

Motorbetriebene Betätigung

Wenn der Motor die Spindel und Antriebsnabe gegen den Uhrzeigersinn dreht, fährt der Aktuator (bzw. die Kolbenstange) aus. Beim Ausfahren drückt die Ausfahrkraft den Aktuator gegen die linke Nabe. Wie zuvor gezeigt, ist die linke Nabe diejenige, die in diese Richtung frei läuft. Dreht der Motor die Spindel im Uhrzeigersinn, fährt der Aktuator ein und die Zugkräfte ziehen den Aktuator gegen die rechte Nabe, die in dieser Richtung frei läuft.

In der nachfolgenden Animation:

Die Kolbenstange mit der verbundenen Mutter werden durch den blauen Zylinder dargestellt.
Die Richtung der äußeren Kraft, Zug oder Druck, sowie die Gegenkraft gegen die Nabe werden durch die orangefarbenen Pfeile dargestellt.
Die gelben Pfeile zeigen die Kräfte, die dem Kraftschluss zwischen Nabe und Feder bewirken, wenn sich die Spindel und Antriebsnabenbaugruppe drehen.

Aktuator-Federbandbremse beim Aus- und Einfahren

Halten einer Last

Damit diese Baugruppe als Bremse funktioniert, wird an den Enden der äußeren Naben Reibbelag hinzugefügt. Wenn die Last versucht, die Kolbenstange in Schubrichtung zu bewegen, wird die linke Abtriebsnabe gegen den Reibbelag gedrückt, sodass sie gebremst wird. Bewegt die Last die Kolbenstange in Zugrichtung, wird die rechte Abtriebsnabe gegen den Reibbelag gedrückt, sodass sie gebremst wird.

Gleichzeitigt bewirkt die auf die Kolbenstange wirkende Schub- oder Zugbelastung ein Rücklaufen oder Drehen der Spindel. Diese versuchte Drehbewegung führt zu einem Kraftschluss zwischen Spindel/Antriebsnabe und einer der Abtriebsnaben. Wenn die Last versucht, die Kolbenstange in Schubrichtung zu bewegen, koppelt die Feder die Antriebsnabe mit der linken Abtriebsnabe. Bewegt die Last die Kolbenstange in Zugrichtung, koppelt die Feder die Antriebsnabe mit der rechten Abtriebsnabe.

In der nachfolgenden Abbildung:

Die Richtung, in welche die Spindel zurücklaufen will, wird durch die roten Pfeile dargestellt.
Der Kraftschluss zwischen Nabe und Feder infolge der Rücklaufneigung von Spindel und Antriebsnabe wird durch die gelben Pfeile symbolisiert.

Links: Bremsen unter Druck. Rechts: Bremsen unter Zug.

Beachten sie, dass die Antriebsnabenbaugruppe mit der Abtriebsnabe gekoppelt ist, die gegen den Reibbelag gedrückt wird, das sie am Drehen hindert. Dies geschieht sowohl im Schub- als auch im Zugfall, sodass die Spindel und Antriebsnabe sich nicht drehen können. Solange die Baugruppe sich nicht drehen kann, bleibt die Kolbenstange in ihrer Position.

Hilfslasten

Eine Hilfslast ist eine Last, die in dieselbe Richtung wirkt, in der sich der Aktuator gerade bewegt: eine Schublast, während der Motor die Kolbenstange einfährt, bzw. eine Zuglast, während der Motor die Kolbenstange ausfährt.

Dieses Szenario ist identisch mit dem des Motors, der den Aktuator antreibt, jedoch mit einem Unterschied. Die Nabe, die gegen den Reibbelag gedrückt wird, ist die gegenüberliegende Abtriebsnabe. Das heißt, die drehende Nabe dreht gegen den Reibbelag (in der Animation pink dargestellt). In diesem Fall überwindet der Motor die Reibkraft und fährt die Kolbenstange ein oder aus. Das führt jedoch zu gewissem Verschleiß am Reibbelag.

Aus- und Einfahren des Aktuators durch eine Hilfslast