Die Verzahnungsgeräusche bei Federdruckbremsen reduzieren

Federdruckbremsen, die sowohl bei Asynchron- als auch bei Servomotoren häufig eingesetzt werden, nutzen die Kraftwirkung eines elektromagne­tischen Feldes zum Aufheben der durch Federkraft erzeugten Bremswirkung. Die Federdruckbremse ist also im stromlosen Zustand geschlossen und öffnet beim Anlegen einer Spannung. Die Verbindung zur Welle des Motors übernimmt meist eine zentral angeordnete Nabe, die auf der Motorwelle befestigt ist. Im bestromten Zustand, also bei geöffneter Bremse, dreht der Bremsenrotor mit der Nabe mit. Und genau dabei kann es durch mechanisches Spiel in der integrierten Passverzahnung zwischen Motorwelle und Rotor der Bremse zu störenden Geräuschen kommen. Verstärkt werden sie oft noch durch Resonanzen bei Rampenfahrten oder in unterschiedlichen Drehzahlbereichen, durch Rastmomente der Motorpole oder rückwirkende Schwingungseinkopplungen von einem Getriebe. Zunehmender Verschleiß der Verzahnung führt zu größerem Verdrehspiel und damit auch zu einem höherem Geräuschpegel. Befinden sich Menschen in unmittelbarer Nähe der Bremse, ist dieses Geräusch besonders störend. Lärmsensible Anwendungen finden sich quer durch alle Branchen. Unangenehm sind die rasselnden Umlaufgeräusche der Bremse vor allem bei Personenaufzügen oder Rolltreppen; sie tragen schließlich nicht zum Vertrauen in die Technik bei.

Um die Geräusche zu reduzieren, gibt es unterschied­liche Möglichkeiten: Die einfachste und oft verwendete Lösung ist ein O-Ring aus NBR-Gummi, der den Rotor auf der Nabe klemmt. Vor allem bei höheren Temperaturen verschleißt er allerdings schnell. Dadurch entsteht zwar kein Sicherheitsrisiko, weil ja in der Passverzahnung wieder Alu auf Stahl läuft, aber das störende Rasseln ist dann wieder zu hören.

Eine weitere Möglichkeit ist eine vorgespannte Verzahnung über einen oder mehrere elastische Zähne. Eine solche Dämpfung ist nicht ganz so verschleißanfällig wie ein O-Ring, funktioniert allerdings nur bei Kunststoffnaben und eignet sich ebenfalls nur für eingeschränkte Temperaturbereiche.

Der Bremsenspezialist Kendrion favorisiert deshalb zwei weitere Dämpfungsmethoden, die die Verzahnungsgeometrie nicht verändern: Die Geräuschdämpfung mithilfe eines Druckstücks in der Nabe oder einen Zahnzwischenring aus hochfestem Polyamid, die sich beide für unterschiedliche Anwendungsbereiche eignen.

Die Druckstücklösung von Kendrion wird vor allem für Federdruckbremsen mit Monoblock-Rotor verwendet, die bei Servomotoren eingesetzt werden. Die Bremsen dieser Servo-Line-Baureihe decken Drehmomente von 0,3 bis 30 Nm ab. In ihre Nabe wird ein federgelagertes Druckstück integriert, das die Verzahnung vorspannt. Die Feder unter dem Druckstück ist langzeitstabil und es gibt praktisch keinen Verschleiß. Druckstück und Feder bestehen aus Stahl; dadurch ist die Lösung temperaturbeständig. Da sich die Verzahnungsgeometrie durch das Druckstück nicht ändert, bleibt die Drehmomentübertragung unbeeinträchtigt, die axiale Bewegung der Reibscheibe ist gegeben und es entsteht kein zusätzlicher Montageaufwand.

Für Federdruckbremsen mit Drehmomenten von 2,5 bis 1 500 Nm, die für leistungsstarke Drehstromantriebe beziehungsweise den Aufzugbetrieb ausgelegt sind, bietet sich die Geräuschdämpfung mit einem Zahnzwischenring an, der direkt im Aluminium-Reibbelagträger verbaut ist. Das dünnwandige Material ist extrem widerstandsfähig und legt sich zwischen die Zahnflanken. Dadurch verhindert es, dass Metall auf Metall läuft. Die Nabe mit Außenverzahnung nach DIN 5480 bleibt dabei im Serienmaß.

Beim innenverzahnten Rotor ist die Verzahnung etwas größer ausgelegt. Der Zahnzwischenring wird in die Rotorverzahnung geschoben, verrastet und durch Einschieben der Nabe zusätzlich verblockt. Die Innenverzahnung entspricht dann wieder den Abmessungen, die zur Außenverzahnung der Serien-Nabe passen. Das Verdrehspiel ist ähnlich wie bei einer ungedämpften Ausführung. Durch das Aufschieben des Zahnzwischenrings entsteht ein Blattfedereffekt, also eine leichte Vorspannung; der Rotor wird dadurch auch bei unrundem Lauf gedämpft mitgenommen. Auch die Anregung von Schwingungen im Aluminium-Rotor werden verhindert; der Rotorlauf in der Bremse erzeugt keine störenden Geräusche und die Bremse eignet sich damit auch für lärmsensible Anwendungen in Medizin-, Förder- oder Aufzugtechnik. Zusätzlicher Montageaufwand entsteht bei dieser Lösung ebenfalls nicht.

Der Zahnzwischenring erhöht auch die Lebensdauer: Wenn beim Bremsen ein hohes Moment gegeben ist, legen sich die Flanken der Verzahnung flächig über den Zahnzwischenring an. Dabei wird durch die elastische Zwischenschicht die Flächenpressung deutlich gleichmäßiger, was wiederum den Verschleiß der Verzahnung stark verringert. Die Lebensdauer steigt beträchtlich: Statt der sonst üblichen ein bis 3 Mio Lastwechsel erreichen Federdruckbremsen mit Zahnzwischenring etwa 10 bis 15 Mio Lastwechsel. In einer typischen Fördertechnik-Anwendung kann die Bremse dank des Zahnzwischenrings also statt einem halben Jahr bis zu fünf Jahre zuverlässig arbeiten. aru