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Sicherheitsbremse

Mit Sicherheitsbremsen schwere Lasten halten

| Autor: Stefanie Michel

Die Bühnentechnik gehört zu den Anwendungsbereichen für Sicherheitsbremsen: Sie sorgen für das sichere Heben von Lasten – zuverlässig und leise.
Die Bühnentechnik gehört zu den Anwendungsbereichen für Sicherheitsbremsen: Sie sorgen für das sichere Heben von Lasten – zuverlässig und leise. (Bild: Mayr Antriebstechnik)

Was für ein Szenario, wenn ein Aufzug ungebremst durch den Aufzugschacht rauscht! Vor solchen Unglücken schützen Sicherheitsbremsen. Ein Mix aus Elektrik und Mechanik sorgt dafür, dass solche Komponenten zuverlässig funktionieren und angesteuert werden.

Es gibt viele Anwendungen, bei denen schwere Lasten sicher gehalten werden müssen, um sowohl Anlagen als auch Menschen zu schützen. Man denke nur an Krananlagen, Aufzüge oder die Bühnentechnik. Dann kommen Sicherheitsbremsen zum Einsatz – also Bremsen, die ohne Energie schließen und damit Massen aus der linearen oder rotativen Bewegung abbremsen. Damit unterscheiden sie sich von sicheren Bremsen, unter denen ausfallsichere Bremsen zu verstehen sind, die laut deutscher gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) für alle Betriebsarten geeignet ist

Die Bedeutung solcher Komponenten steigt stetig, denn vor allem wenn es um den Schutz von Personen geht, steigen auch die Haftungsansprüche. Das hat zum einen die Hersteller von Sicherheitsbremsen beeinflusst, zum anderen wurde aber auch die Auswahl und Auslegung solcher sicherheitskritischen Bauteile immer komplexer. Fachkundige Beratung ist wichtig, Grundkenntnisse sollte aber jeder Maschinenbauer mitbringen. Auf einige wichtige Aspekte will dieser Beitrag eingehen.

Wie funktioniert eine Sicherheitsbremse?

Um zuverlässig Mensch und Maschine zu sichern, müssen Sicherheitsbremsen nach dem Fail-Safe-Prinzip arbeiten (EN ISO 13849-2 Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen, Teil 2: ). Das heißt, solche Bremsen sind im energielosen Zustand geschlossen und bringen das geforderte Bremsmoment auch bei Not-Stopp oder einem Stromausfall auf. Handelt es sich wie bei Mayr Antriebstechnik um Federdruckbremsen, dann drücken im energielosen Zustand Federn gegen die Ankerscheibe, die den Rotor mit Reibbelägen samt der damit verbundenen (zu bremsenden) Welle fixiert. Fließt Strom, wird über eine Magnetspule ein Magnetfeld erzeugt, das die Ankerscheibe anzieht und auf diese Weise die Bremse „lüftet“. In der Realität setzten die Hersteller von Sicherheitsbremsen mehrere Federn ein, denn die Federkraft muss auch nach einem Federbruch noch vorhanden sein.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung und die Kriterien solcher Federdruckbremsen sind:

  • Einhaltung grundlegender Sicherheitsprinzipien
  • Ein optimales Reibsystem zu finden
  • Ein optimales Zusammenspiel von Magnetfeld, Federkraft, Luftspalt -Verschleißreserve
  • Kurze Schaltzeiten für schnelle Bremszeiten
  • Sicherheitsorientierte Dimensionierung

Welche Normen und Richtlinien gelten für Sicherheitsbremsen?

Auch wenn die Begriffsbestimmung zu der Annahme führt, dass eine elektromagnetische Sicherheitsbremse ein Sicherheitsbauteil ist, lässt sie sich schwer einer Produktnorm zuordnen. Maschinen- und Anlagenhersteller müssen die Anforderungen der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG erfüllen – besonders, wenn es um schwerkraftbelastete Achsen geht. Laut Artikel 1 der Maschinenrichtlinie gilt eine solche Federdruckbremse aber nicht als Maschine sondern als Komponente. Allerdings besagt Artikel 2, dass auf bestimmte Komponenten dennoch die Maschinenrichtlinie anzuwenden ist: beispielsweise auf Sicherheitsbauteile. Kompliziert wird es jedoch im Anhang V, wenn es um die „nicht erschöpfende Liste“ dieser Sicherheitsbauteile geht, denn dort ist die Sicherheitsbremse wiederum nicht aufgeführt.

Somit gibt es keine eigene Produktnorm für Sicherheitsbremsen sondern nur einzelne Vorschriften, die definieren, was nicht passieren darf beziehungsweise welche Aufgabe gelöst werden muss. Die Anforderungen an eine solche Bremse sind deshalb in einem Report des Instituts für Arbeitsschutz (IFA) der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung oder in einem Fachinformationsblatt der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) festgehalten:

  • Bremsen mit Not-Stopp-Eigenschaften
  • Maßnahmen gegen ungewolltes Herabsinken von schwerkraftbelasteten Achsen
  • Maßnahmen zum Stillsetzen und Hochhalten von Lasten nach Ausfall der Energieversorgung

Daraus resultieren für die Konstruktion einer Sicherheitsbremse folgende Punkte:

  • Richtige Dimensionierung und Auslegung der Bremse
  • Sichere Ansteuerung der Bremse,
  • geeignete Reaktionszeit und Schutzart
  • Einsatz ausgewählter Werkstoffe und bewährter Federn,
  • ausreichende (Über-)Dimenionierung von Teilen.

Die Bremse als elektromagnetische Komponente

Hinsichtlich der Normung ist die Bremse eine elektromagnetische Komponente nach VDE 0580. Diese Norm für „Elektromagnetische Geräte und Komponenten“ definiert die elektrische Sicherheit, Test-, Prüf- und Anwendungsbedingungen sowie die Temperaturbedingungen.

Die Magnetspulen werden mit Gleichspannung betrieben. Sobald sie bestromt werden, steigt die Magnetkraft; ist diese größer als die Federkraft, beginnt sich die Ankerscheibe zu bewegen, ein Luftspalt entsteht. Wird die bestromte Magnetspule ausgeschaltet, muss die gespeicherte Energie umgewandelt werden, um das Magnetfeld abzubauen: wechselspannungsseitig durch Freilauf (lange Schaltzeit) oder gleichstromseitig durch ein Schutzelement (kurze Schaltzeit).

Wenn Wechselspannung zur Verfügung steht, erfolgt die Stromversorgung der elektromagnetischen Bremsen über Gleichrichterbausteine. Sie werden nach der Versorgungsspannung und dem notwendigen Betriebsstrom bemessen. Schnellschaltgleichrichter kommen zum Einsatz, wenn die Bremsen mit unterschiedlichen Spannungen versorgt werden sollen. So können Bremsen wenige Sekunden mit einer höheren Spannung übererregt werden (größere Drehmomente, höherer Verschleiß und schnellerer Anzug der Ankerscheibe möglich). Nach Anzug der Ankerscheibe kann die Spannung anschließend abgesenkt werden, was die Einfallzeit der Ankerscheibe, den Energieverbrauch und damit die Spulentemperatur positiv beeinflusst.

Wie lassen sich Sicherheitsbremsen ansteuern und überwachen?

Ihre Sicherheitsfunktion kann die Sicherheitsbremse dann übernehmen, wenn eine zuverlässige Abschaltung von der Stromversorgung möglich ist. Vor allem beim Personenschutz ist es von großer Bedeutung, mit einer sicheren Bremsenansteuerung die Bremsen zuverlässig zu schalten. Das kann über Sicherheits-Schützschaltungen erfolgen, oder auch über Sicherheitsrelais, wie das PNOZ s50 von Pilz. Das wurde gemeinsam mit Mayr entwickelt und ist als Roba-SBC plus verfügbar.

Zur sicheren Ansteuerung einer Bremse erfüllen die Relais folgende Funktionen:

  • sicheres Schließen
  • sicheres Öffnen
  • Überwachung aller Spannungen
  • Überwachung des Zeitverhaltens beim Ein- und Ausschalten
  • Signalauswertung der Luftüberwachung

Da die Bremse im Einsatzfall zuverlässig funktionieren muss, ist es wichtig, relevante Parameter zu überwachen. Die Lüftüberwachung nimmt die Position beziehungsweise die Bewegung der Ankerscheibe beim Lüften der Bremse auf. Daraus schließt das System, ob die Ankerscheibe angezogen wurde. Letztendlich ist es ein Prozessrückmeldesignal, das aussagt, ob sich die Ankerscheibe noch bewegen kann. Diese Überwachung erfolgt entweder über Mikroschalter (Lebensdauer ist abhängig von der Anzahl der Schaltspiele) oder über Näherungsinitiatoren (Lebensdauer ist unabhängig von der Schalthäufigkeit). Die Verschleißüberwachung detektiert einen zu hohen Verschleiß der Bremsbeläge (der Luftspalt wird größer).

Noch weiter gehen intelligente Module wie der Roba-brake-checker, der über die Analyse von Strom und Spannung die Bewegung der Ankerscheibe erkennt und registriert, in welchem Zustand sich die Bremse befindet. Neben dem Schaltzustand können solche Module auch rückschließen auf Temperatur, Verschleiß und Zugweg- oder Zugkraftreserve. Mit solchen intelligenten Modulen werden bei der Überwachung deutlich mehr Parameter als bislang erfasst. Werden Fehler erkannt, geht die Warnmeldung so frühzeitig aus, dass Wartungsintervalle geplant werden können.

Was ist bei der Auslegung von Sicherheitsbremsen zu beachten?

Die Sicherheit der Federdruckbremse kommt aus dem Bremsmoment und einer schnellen Schaltzeit. Deshalb muss die Bremse mit den entsprechenden Sicherheitsfaktoren ausgelegt beziehungsweise richtig dimensioniert sein. In der Praxis stellt sich allerdings schnell die Frage, nach welchen Lasten man die Bremse auslegt. So muss das Bremsmoment ausreichend hoch gewählt werden, sollte in vielen Anwendungen aber auch nicht zu hoch gewählt werden. Übernehmen beispielsweise Reibverluste im Antriebsstrang bereits einen Teil der Last, so kann die Bremse eventuell mit einem niedrigeren Bremsmoment und somit kleiner, kostengünstiger und leichter ausgewählt werden. Die daraus resultierende geringere Belastung durch das geringere Bremsmoment bringt nicht nur die genannten Vorteile bei der Bremse, sondern auch für die Dimensionierung der weiteren Komponenten im Antriebsstrang. Gerade in Branchen wie der Robotik bringt dies immense Vorteile.

Um die Größenordnung der Bremse festzulegen, ist zunächst eine Vorauslegung nötig, bei der man unter anderem wissen muss:

  • Um welche Anwendung handelt es sich?
  • Welche Normen gelten und was geben diese vor?
  • Welche technische Daten der Abtriebs- und Antriebsseite liegen vor?

Das Bremsmoment berechnet sich aus der Federkraft, dem Reibradius, dem Reibbeiwert und der Anzahl Reibflächen. Die Federkraft wird bei der Federdruckbremse durch Spiraldruckfedern erzeugt und ist von der Längenänderung der Feder abhängig. Von Vorteil ist, die erforderliche Federkraft durch möglichst viele Federn zu erzeugen, um den Einfluss einzelner Unregelmäßigkeiten zu minimieren. Der Reibbeiwert wird vorrangig von der Gleitgeschwindigkeit, der Flächenpressung und der Temperatur beeinflusst.

Der aktive Reibradius ist der Radius der in Kontakt stehenden Reibfläche zwischen Rotor (Reibbelag) und Gegenreibfläche (Ankerscheibe). Diese Fläche ist keine Konstante, weil sie sich durch Verschleiß und Verformung der Gegenreibfläche verändert. Damit ändert sich auch proportional da Bremsmoment.

Um die Reibungskraft zu beschreiben, geben Belaghersteller den Reibbeiwert als Maß für die in Umfrangsrichtung wirkende Reibungskraft im Verhältnis zur vorhandenen Anpresskraft an. Die Anzahl der Reibflächen hingegen wir durch die Konstruktion der Bremse bestimmt und ist somit konstant.

Vielfältige Einflussfaktoren für die richtige Auslegung

Um Sicherheitsbremsen richtig auszulegen sind also vielfältige Einflussfaktoren zu beachten, die den Umfang des vorliegenden Artikels sprengen würden. Grundlegend lässt sich aber festhalten, dass zahlreiche Akteure involviert sind, um vielfältige Antworten zu liefern:

  • Abstimmung der Bremse auf die Systemkomponenten (Motor, Getriebe) beziehungsweise die Maschine
  • Vorauslegung des Bremsmoments
  • Ermittlung der Bremsendaten anhand der Katalogdaten der Hersteller (beispielsweise Bremsmoment, Schaltzeit, Massenträgheit)

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