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Kettenbremse: Optimierung von Bremszeit und Betriebsfestigkeit

 

Kettenbremsen von Motorsägen zeigen teilweise deutlich unterschiedliches Bremsverhalten hinsichtlich der mittleren Bremszeit und deren Streuung. Es wurde ermittelt, welche Parameter hauptsächlich die Bremszeiten und deren Streuungen beeinflussen.

Dazu wurde ein mechanisches Ersatzmodell mit vier Freiheitsgraden entwickelt:

  • Hebelmechanismus mit Bremsband
  • Kupplungstrommel mit Kette
  • Kurbeltrieb (vorne) mit Fliehkraftkupplung
  • hinterer Kurbeltrieb

Lösungen der Bewegungsgleichungen sind gedämpfte, nichtlineare Schwingungen für den Hebelmechanismus. Die Nichtlinearität rührt dabei hauptsächlich vom Straffen des Bremsbandes her.

Für die Kette gibt es zwei qualitativ unterschiedliche Lösungsverläufe. Kurz nach Auslösen des Bremsmechanismus entscheidet sich, ob nur Kupplungstrommel und Kette abgebremst werden (→ kurze Bremszeiten) oder aber der gesamte Kurbeltrieb bis zur Abkoppeldrehzahl an die Kupplungstrommel angekoppelt bleibt (→ lange Bremszeiten). Dieses bistabile Verhalten wird durch mehrere Parameter bestimmt. Wesentlich sind neben den Reibkoeffizienten auch die geometrischen Hebelverhältnisse.

Ausgehend von einem Prototyp konnten durch geometrische Optimierung des Hebelmechanismus und der Bremsbandgeometrie die Bremszeit, die Bremszeitstreuung und die dynamischen Belastungen der Bauteile für die Serienmaschine erheblich reduziert werden.

Rechts ist für den Prototyp und die Serienmaschine der gemessene Drehzahlverlauf der Kette (rot) dem simulierten Verlauf (blau) gegenübergestellt. Im Zoom sind jeweils die simulierten zeitlichen Lösungen der Freiheitsgrade unmittelbar nach Auslösen des Hebelmechanismus dargestellt.

Die Bremszeiten der Serienmaschine ließen sich somit auf 80 [ms] begrenzen, gleichzeitig konnte die maximal auftretende Spannung um 20% verringert werden.

PDF-Download
Kettenbremse 1

Kettenbremse als Vier-Massen-Modell

Kettenbremse 2

Simulation und Messung am Prototyp

Kettenbremse 3

Simulation und Messung an Serienmaschine

© ISMB Dautermann GmbH