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Strömungsbremse und deren Verwendung, insbesondere für Schienen-und Strasseniahrzeuge.
Die Erfindung betrifft eine Strömungsbremse, insbesondere für Schienen-und Strassenfahrzeuge, und deren Verwendung in Verbindung mit einer Reibungsbremse. Strömungsbremsen sind bisher häufig zum Messen der Leistung raschlaufender Kraftmaschinen verwendet worden. Ihre Hauptvorteile sind : günstige Energievernichtung, leichte Regelbarkeit und die Unmöglichkeit, mit der Strömungsbremse die abzubremsende Einrichtung zu blockieren, da sich bei jeder Strömungsbremse bei gleichem Füllungsgrad die Bremskraft mit dem Quadrat der Antriebsdrehzahl ändert. Derartige Strömungsbremsen bestehen meist aus einem mit Schaufeln oder Widerstandskörpern versehenell Laufrad und einem stillstehenden Gegenkranz ähnlicher Bauart.
Der Hauptnachteil der bisher bekannten Strömungsbremsen ist, dass, wenn die zu bremsenden Einrichtungen kleine Drehzahlen haben, die Strömungsbremse sehr grosse Abmessungen annimmt, so dass sie in vielen Fällen unwirtschaftlich ist.
Gemäss der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, dass die zu bremsende Einrichtung zwei durch ein strömendes Mittel beaufschlagte, gleichachsige Schaufelräder mit entgegengesetzter Drehrichtung gleichzeitig antreibt. Dadurch ist es möglich, die allein für die Bremswirkung in der Flüssigkeit massgebende Relativgeschwindigkeit zwischen den Schaufelkränzen wesentlich zu steigern und somit auch bei niedrigen Drehznhlen der zu bremsenden Einrichtung eine ausreichende Bremswirkung mit Strömungsbremsen kleinerer Abmessungen zu erzielen. Es ist dabei vorteilhaft, die Drehzahl eines der entgegengesetzt laufenden Schaufelräder so hoch zu wählen, als dies mit Rücksieht auf die mechanischen Beanspruchungen möglich ist.
Infolgedessen werden die Drehzahlen zwischen den beiden entgegengesetzt laufenden Schaufelrädern verselhieden, u. zw. um so stärker verschieden, je niedriger die Normaldrehzahl der zu bremsenden Einrichtung ist.
Man kann nun entweder das eine Schaufelrad mit der Antriebswelle unmittelbar und das andere über Antriebsmittel bekannter Art, z. B. Zahnräder oder Reibungsgetriebe mit der Antriebswelle verbinden oder aber man treibt beide Schaufelräder über derartige Elemente an. Das letztere kann dann in Frage kommen, wenn die Strömungsbremse aus räumlichen Gründen nicht gleichachsig mit der zu bremsenden Einrichtung angeordnet werden kann.
Am einfachsten und wirksamsten wird die Strömungsbremse, wenn die Schaufelräder nach Art der an sich bekannten Strömungskupplungen ausgebildet sind, insbesondere dann, wenn die zu bremsende Einrichtung in beiden Drehrichtungen gleichwertig gebremst werden muss. In besonderen Fällen kann es auch Vorteile bieten, wenn ausser den beiden umlaufenden Schaufelrädern noch ein oder mehrere feststehende Schaufelräder, wie bei einem Turbowandler, angeordnet werden. Solche Bremsen geben in der einen Drehrichtung eine erheblich stärkere Bremswirkung als in der andern.
Will man aus besonderen Gründen Strömungsbremsen mit feststehenden Schaufelrädern verwenden, aber trotzdem in beiden Drehrichtungen die gleiche Bremswirkung erzielen, so ordnet man zweckmässig zwei kongruent verschaufelte Strömungskreisläufe gleichaehsig, aber spiegelbildlich an. Für beide Drehrichtungen der zu bremsenden Einrichtungen wird dann die gleiche Bremswirkung erzielt, die sich als Mittelwert zwischen den Bremswirkungen der einzelnen Kreisläufe ergibt. Die geschilderte spiegelbildliche Anordnung der Kreisläufe mit kongruent verschaufelten Schaufelrädern hat den Vorteil, dass die Schaufelräder nach den gleichen Modellen hergestellt werden können.
Für eine billige Herstellung ist es von wesentlicher Bedeutung, dass bei derartigen Strömungsbremsen die Wände der Strömungskanäle nicht bearbeitet zu sein brauchen. Wird ein Strömungskreislauf als Strömung-
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bremse verwendet, so spielt der Wirkungsgrad dieses Kreislaufes keine Rolle und es ist gleichgültig, ob in den Strömungskanälen eine grössere oder kleinere Reibung auftritt. Man kann dann das Augenmerk ausschliesslich auf eine billige Herstellung richten, die erreicht werden kann, wenn die Wände der Strömungskanäle nicht geglättet, sondern unbearbeitet gelassen werden.
Die beim Bremsen erzeugte Erwärmung der Bremsflüssigkeit kann durch an sieh bekannte Mittel, wie z. B. Kühlung durch starke Berippung und Belüftung der Aussenwände, Rückkühlung mit besonderen Kühlern oder auch durch teilweise Verdampfung der Betriebsflüssigkeit beseitigt werden.
Die Strömungsbremse wird in an sich bekannter Weise dadurch geregelt, dass der Fillltingsgrad beeinflusst wird. Diese Beeinflussung geschieht in den meisten Fällen willkürlich, ist aber auch mit an sich bekannten Mitteln in Abhängigkeit von der Drehzahl oder vom Bremsdrehmoment nach gewünschter Gesetzmässigkeit möglich. Dabei kann die Drehzahl in einfachster Weise durch ein mit der Bremsflüssigkeit selbst gefülltes Flüssigkeitstachometer gemessen werden. Das Drehmoment kann am einfachsten mittels einer Abstützvorrichtung für das Reaktionsdrehmoment gemessen werden, die federnd eingerichtet ist. Der Ausschlag dieser Drehmomentstütze ist dann proportional dem ausgeübten Bremsdrehmoment.
Soll die Strömungsbremse in gemeinsamer Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment geregelt werden, so ist es besonders vorteilhaft, die Zu-oder Abflussleitung der Strömungsbremse durch ein für beide Regelgrössen gemeinsames Regelorgan zu beeinflussen. Zweckmässig lässt man dieses Regelorgan durch den Messdruck des oben beschriebenen Flüssigkeitstachometers sowie ferner durch den von der Drehmomentstütze beschriebenen Ausschlag in dem jeweils gewünschten Sinne bewegen. In besonderen Fällen ist es erforderlich, den Füllungsgrad ausser in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem Bremsdrehmoment auch noch willkürlich beeinflussen zu können.
Das Fällen und Leeren der Bremse ist besonders einfach, wenn es mit Hilfe eines an sieh bekannten - meist stillstehenden-Schopfrohres geschieht.
Die neuzeitlichen Bestrebungen, die Fahrgeschwindigkeiten sowohl bei Schienen-als auch bei Strassenfahrzeugen erheblich zu steigern, haben zu erheblichen Bremsschwierigkeiten geführt, weil die beim Abbremsen zu vernichtende Bewegungsenergie eines Fahrzeuges mit dem Quadrat der Fahrgeschwindigkeit wächst. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen hat es sich gezeigt, dass die für modernen Schnellverkehr verlangten Geschwindigkeiten von 140-160 km pro Stunde die bisher übliche Reibungsbremse, die für Fahrgeschwindigkeiten bis 100 km einen ausserordentlich hohen Grad von Betriebssicherheit hat, den Anforderungen nur schwer zu genügen vermag. Die Schwierigkeiten erwachsen vor allen Dingen daraus, dass die gesamte Bewegungsenergie an den Reibklötzen in Reibungswärme umgesetzt werden muss, welche die Bremseinrichtung ausserordentlich stark erhitzt.
Weitere Schwierigkeiten erwachsen daraus, dass die Reibziffer von der Gleitgeschwindigkeit sehr stark in dem Sinne abhängt, dass mit zunehmender Geschwindigkeit die Reibziffer abnimmt. Dies hat zur Folge, dass beim Übersehreiten der Reibungskraft zwischen Rad und Schiene durch die Bremskraft der Radsatz sofort blockiert wird und sich nur wieder löst, wenn der Führer die Bremse löst.
Diese Schwierigkeiten werden vermieden, wenn man die vorhandene Reibungsbremseinrichtung durch eine Strömungsbremse, wie sie im vorhergehenden beschrieben wurde, derart ergänzt, dass im Bereich der höheren Fahrgeschwindigkeiten hauptsächlich die Strömungsbremse, im Bereich der niederen und zum Anhalten die Reibungsbremse die Bremswirkung ausübt.
Durch Änderung des Füllgrades der Strömungsbremse ist es möglich, bei jeder Geschwindigkeit jede beliebige Bremswirkung bis zu der mit der Strömungsbremse überhaupt möglichen zu erzielen.
Dabei hat man folgende Vorteile :
1. Die Bremswirkung tritt allein in der Flüssigkeit auf, es besteht daher kein Verschleiss der Bremseinrichtung.
2. Die Bremsenergie wird in Flüssigkeitswärme umgewandelt, die sich mühelos der Flüssigkeit durch Kühlmittel bekannter Art entziehen lässt.
3. Ein Blockieren des Radsatzes kann nicht vorkommen. Sollte zufälligerweise die ausgeübte Bremskraft grösser sein als die Reibung zwischen Rad und Fahrbahn, so verlangsamt sich die Drehzahl des gebremsten Rades so lange, bis zwischen der Bremswirkung und der Reibkraft an der Fahrbahn Gleichgewicht hergestellt ist. Dies tritt deshalb ein, weil bei der Strömungsbremse die Bremskraft mit dem Quadrat der Drehzahl des Radsatzes abnimmt.
Dieser überaus wichtige Vorteil hat auf der andern Seite die nachteilige Folge, dass man mit Hilfe der Strömungsbremse das Fahrzeug nicht zum Halten bringen kann, sie ist daher nur als Zusatzbremse zu der sowieso vorhandenen Reibungsbremse anwendbar. Die Reibungsbremse selbst braucht dann auch nur für kleine Geschwindigkeiten ausgebildet zu werden und ist keinem nennenswerten Verschleiss mehr unterworfen. Damit sinken die Unterhaltungskosten für die Bremseinrichtung und damit auch die Betriebskosten des Fahrzeuges in ganz erheblichem Masse, während die Betriebssicherheit in hohem Grade zunimmt.
Eine derartige Bremseinrichtung wird dann besonders wertvoll, wenn zu ihrer Bedienung die bisher üblichen Einrichtungen, wie Bremshebel, Bremsventil usw., beibehalten werden, damit der Führer die Strömungsbremse genau so bedienen kann wie die bisher übliche reine Reibungsbremse
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und damit Fahrzeuge mit und ohne Strömungsbremse ohne weiteres in dem gleichen Zug eingestellt werden können. Bei den vorwiegend verwendeten Luftbremsen, seien es Druck-oder Saugluftbremsen, wird die Bremskraft durch den Druckunterschied auf einen Kolben erzeugt und durch Änderung dieses
Druckunterschiedes geregelt. Die Strömungsbremse soll während der Fahrt von Flüssigkeit entleert sein und wird zum Bremsen um so mehr gefüllt, je grösser die Bremswirkung sein soll.
Bei leerer
Strömungsbremse wird die Flüssigkeit in einem Behälter aufbewahrt. Erfindungsgemäss bewirken nun dieselben Vorgänge, die sonst einen Druckluftunterschied auf den beiden Kolbenseite der Reibungsbremse herbeiführen, einen Luftdruekunterschied zwischen Behälter und Strömungsbremse in dem
Sinn, dass bei beabsichtigter stärkerer Bremswirkung die Strömungsbremse mehr gefüllt wird und umgekehrt. Die Gesamteinrichtung wird dabei so getroffen, dass zunächst nur die Strömungsbremse die Bremswirkung ausübt und erst wenn diese ganz gefüllt ist, von einer gewissen Fahrgeschwindigkeit an abwärts die Reibungsbremse zusätzlich zum Bremsen herangezogen wird.
Die in der Strömungsbremse auftretenden Flüssigkeitsdrücke gestatten, in einfacher Weise die Geschwindigkeit und die Bremskraft mit einer für die Bremsregelung genügenden Genauigkeit zu messen und die Verteilung der Bremswirkung auf die Strömungs- und Reibungsbremse von diesen beiden Grössen aus selbsttätig so zu beeinflussen. dass in keinem Betriebszustand die Reibungsgrenze zwischen Rad und Fahrbahn Überschritten wird.
Endlich ist es ohne besondere Zusatzeinrichtung möglich, soweit dies überhaupt noch erforderlich ist, die Reibungsbremse mit der Betriebsflüssigkeit der Strömungsbremse zu kühlen.
Die Bremseinriehtung wird baulich besonders vorteilhaft, wenn die Strömungsbremse aus zwei durch ein strömendes Mittel beaufschlagten, gleichachsigen Schaufelrädern besteht, die von der zu bremsenden Einrichtung gleichzeitig in entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben werden.
Bei Triebwagen mit eigener Kraftquelle und Leistungsübertragung durch Strömungsgetriebe ergibt sich eine vorteilhafte Anordnung dadurch, dass als Strömungsbremse eines oder mehrere der vorhandenen Strömungsgetriebe verwendet werden. In solchen Fällen entfällt die Anordnung einer besonderen Strömungsbremse.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 eine Strömungsbremse im Schnitt mit Stirnradübersetzungen, Fig. 2 eine solche mit Planetenradgetriebe, Fig. 3 eine solche, wobei beide Schaufelräder von der Achse über Stirnräder angetrieben werden, Fig. 4 eine Strömungsbremse mit zwei drehbaren Schaufelrädern und einem feststehenden Leitrad mit Planetenradgetriebe, Fig. 5 eine Anordnung der Strömungsbremse mit Momentenmessung, Fig. 6 ein Steuerschema zur Betätigung der Strömungsbremse, Fig. 7 eine Bremsanordnung mit Strömungs- und Reibungsbremse und Fig. 8 einen Bremskreislauf mit Schöpfrohren.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist mit der Laufachse 1, die die Laufräder 14 und 15 trägt, das Schaufelrad 2 fest verbunden. Ein zweites Schaufelrad 3, das auf der Hohlwelle 11 a sitzt, wird über die Stirnradübersetzungen 7, 8, 9, 10, 11 in entgegengesetzter Richtung als das Schaufelrad 2 angetrieben. Die beiden Schaufelräder 8 und. 3 sind von dem Gehäuse 6 umgeben, das zur Kühlung der in diesem Gehäuse befindliehen Betriebsflüssigkeit mit Kühlrippen versehen ist. Die Stirnradgetriebe 7, 8, 9 sind von einem Gehäuse 7 a und die Stirnräder 10 und 11 von einem Gehäuse 10 a umgeben.
Durch einen Rahmen 13, der um die Achse 1 schwenkbar ist, werden die bei der Bremsung auftretenden Momente über einen Hebel 12 a auf den Punkt 12 übertragen, wo sie z. B. zum Steuern der Bremsflüssigkeit benutzt werden können.
In Fig. 2 ist die Ausführung einer Strömungsbremse gezeigt, die über Kegelräder 16, 17 von der die Räder 14 und 15 tragenden Laufachse 1 angetrieben wird. Über die Welle 18 wird das Schaufelrad 2 des Strömungskreislaufes in der einen Richtung angetrieben, während das Schaufelrad. 3 durch ein Planetengetriebe 21, 22, 2. 3 entgegengesetzt dem Schaufelrad 2 gedreht wird. Die beiden Zwischenräder 22 drehen sich lose in den festen Achsen 24, die ihrerseits mit der feststehenden Hohlwelle 20 verbunden sind. Von dieser Hohlwelle 20 aus wird das beim Bremsen entstehende Moment über den Hebelarm 12 a wiederum auf den Momentensteuerpunkt 12 übertragen. Der Strömungskreislauf und das Planetengetriebe sind von einem gemeinsamen Gehäuse 19 umgeben.
In Fig. 3 ist eine ähnliche Anordnung der Strömungsbremse wie in Fig. 1 dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass die beiden Schaufelräder von der Laufachse 1 über Stirnräder 25,, 26 bzw.
27, 28, 29 angetrieben werden. Auf der Laufachse 1 sind wiederum zu beiden Seiten die Laufräder 14 und 15 befestigt. Die entgegengesetzt laufenden Schaufelräder 2 und 3 sind von einem mit Kühlrippen versehenen Gehäuse 6 umgeben. Das Schaufelrad 3 ist über die Hohlwelle. 30 mit dem Stirnrad 29 verbunden, während das Schaufelrad 2 auf der durchgehenden Achse 1 a befestigt ist. Die Stirnradgetriebe 25, 26 sind von einem Gehäuse. 32 umgeben, während die Getriebe 27, 28, 29 in einem Gehäuse 33 eingeschlossen sind. Zur Momentenübertragung dient ein um die Achse 1 schwenkbarer Rahmen 31 mit dem Hebelarm 12 a und dem Momentensteuerpúnkt 12.
Die Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ausführung wie Fig. 2 mit dem Unterschied, dass zwischen die beiden umlaufenden Schaufelräder. 38 und 39 ein feststehendes Leitrad 40 eingeschaltet ist.
Die Fig. 5 zeigt die Momentenübertragung auf den Punkt 12 in Seitenansicht. Der um die Achse 1 schwenkbare Rahmen 7- drückt auf eine Feder : ; 4, die z. B. am Fahrzeugrahmen festgehalten
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ist. Durch einen Zeiger 12 b wird der dem Bremsmoment entsprechende Ausschlag auf einer Skala 33 sichtbar gemacht. Der Momentenaussehlag kann zum Steuern der Bremseinrichtung benutzt werden.
In der Fig. 5 ist das Stirnradgetriebe 7, 8, 9 eingezeichnet.
In Fig. 6 ist ein Steuerschema zur Betätigung der Strömungsbremse dargestellt, wobei die
Beeinflussung der Füllung des Strömungskreislaufes von der Drehzahl der Laufaehse, vom Druck im Strömungskreislauf, von dem beim Bremsen auftretenden Moment oder von Hand erfolgen kann.
Auf der Laufradachse 1 sind wiederum die beiden Fahrzeugräder 14 und 15 angeordnet Das Schaufelrad S ist mit der Welle 1 fest verbunden, während das entgegengesetzt und gegebenenfalls auch schneller laufende Schaufelrad. 3 durch Zwischenübersetzungen 7, 8, 9, 10, 11 angetrieben wird. Zwischen dem
Stirnrad 11 und dem Schaufelrad. 3 ist die Hohlwelle 11 a angeordnet. Die Strömungsbremse selbst ist von dem Gehäuse 42 umgeben, während die Stirnradgetriebe von einem Gehäuse 41 umschlossen sind. An diesem Gehäuse 41 ist ein Hebel 12 a angebracht, der auf den Momentensteuerpunkt 12 wirkt und von dort über das Gestänge 58 ein Regelventil 44 betätigt.
Auf dieses Regelventil 44 kann auch von Hand über die Hebel 56 und 57 eingewirkt werden, ebenso über die mit dem Bremskreislauf verbundene Druckleitung 49, das Zwischenventil 50 und den Betätigungshebel 55. Endlich kann noch in Abhängigkeit von der Drehzahl der Fliehkraftregler 33 über das Gestänge 54 auf das Regelventil 44 einwirken. Der Antrieb des Fliehkraftreglers 53 erfolgt von der Laufradaehse 1 über die Winkelräder 51 und die Achse 52. Wird z. B. Druckluft als Steuermittel benutzt, so wird diese Druckluft dem Regelventil 44 durch eine Leitung 46 zugeführt.
Von dem Regelventil 44 führt dann eine
Steuerleitung 48 zu dem Behälter 45, der die Betriebsflüssigkeit enthält, welche mittels Druckluft je nach Massgabe der mehr oder weniger geöffneten Regelventile durch die Leitung 47 in den Bremskreislauf 2 und 3 gedrückt wird.
In Fig. 7 ist ein Steuerschema dargestellt, welches die Verbindung einer hydraulischen Strömungsbremse mit einer Reibungsbremse als Zusatzbremse zeigt. Von der Laufradachse 1, welche die Laufräder 14 und 15 trägt, wird die Welle 18 über ein Winkelgetriebe 16, 17 angetrieben. Mit der Welle 18 ist wiederum das Schaufelrad 2 fest verbunden, während das Schaufelrad 3 über Planetenräder 21, 22,23 angetrieben wird. Der Bremskreislauf 2,3 ist von einem Mantel 59 umgeben, den seinerseits wieder das Gehäuse 60 umschliesst. In den so gebildeten Hohlraum wird Kühlflüssigkeit geleitet, die durch die Pumpe 62 über einen Kühler 63 durch die Leitungen 64 und 61 zu-und abgeführt wird.
Zur Regelung der Bremswirkung kann wiederum ein mechanisch betätigter Hebel 82, ein Fliehkraftregler 53 oder eine Momentenregelung von dem Punkt 12 aus angewendet werden. Der Fliehkraftregler 53 erhält seinen Antrieb über die Wellen 18 und 88 sowie über die Kegelräderpaare 89 und 90.
Die verschiedenen Steuenmgsbeeinflussungen auf die Strömungsbremse wirken auf die Regelventile 69 und 73, u. zw. derart, dass durch die Gestänge 83 und 84 bzw. 85 und 86 eine wechselseitige Beeinflussung automatisch oder von Hand hervorgerufen werden kann. Unter der Annahme, dass, wie im vorhergehenden beschrieben, Luft als Steuermedium Verwendung findet, wird durch die Leitung 75 dem Vorsteuerventil 73 Druckluft zugeführt. Von dort aus kann je nach Massgabe der im Augenblick des Bremsens herrschenden Geschwindigkeit eine Beeinflussung des Strömungskreislaufes 2, 3 oder der Reibungsbremse 80 stattfinden. Hat das Fahrzeug eine gewisse Geschwindigkeit unterschritten, so wird durch die Einrichtung selbsttätig die Reibungsbremse als Zusatz zur Strömungsbremse eingeschaltet.
Durch die Leitung 74 wird in den Behälter 72 Druckluft eingeleitet, die ihrerseits die Betriebsflüssigkeit durch die Leitung 70 dem Strömungskreislauf zuführt. Eine zweite Leitung 76 führt von dem Ventil 73 nach dem Steuerkolben 77, der über das Gestänge 78, 79 auf die Reibungsbremse 80 einwirkt. Zur Lösung der Reibungsbremse dient eine Zugfeder 81. Zur Betätigung des Regelventils 69 kann auch noch der im Strömungskreislauf 2, 3 herrschende Druck herangezogen werden. Durch eine Einrichtung 67, die von der Welle 18 über das Winkelgetriebe 65 und die Welle 66 angetrieben wird, können ebenfalls je nach Höhe des herrschenden Druckes die Steuervorgänge beeinflusst werden. In die Leitung 68 ist ein Absperrorgan 68 a eingebaut.
In Fig. 8 ist endlich ein Schöpfrohr 92 dargestellt. Dieses Schöpfrohr ist als stillstehendes Element in den Strömungskreislauf eingebaut und führt die Flüssigkeit unter dem im Augenblick herrschenden Druck durch die Leitung 68 zum Regelventil 69.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Strömungsbremse, insbesondere für Schienen- und Strassenfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durch ein strömendes Mittel beaufsehlagte, gleichachsige Schaufelräder mit entgegengesetzter Drehrichtung angeordnet sind, die von der zu bremsenden Einrichtung gleichzeitig angetrieben werden.