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Bremsklotz oder-sohle, insbesondere für Schienen- und
Strassenfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf Bremsklötze oder -sohlen, insbesondere für Schienen- und Strassenfahr- zeuge, und bezweckt die Verbesserung ihres Reibbeiwerte unter gleichzeitiger Herabsetzung des spezi- fischen Verschleisses.
Es sind Bremsklötze oder-sohlen bekannt geworden, die quer zu ihrer Reibrichtung verlaufende Ein- schnitte bzw. Fugen besitzen. Für Scheibenbremsen sind geteilte Bremsklötze mit besonderem Bremsstoff- belag bekannt, bei denen ein segmentförmiger Reibkörper Einschnitte in radialer und tangentialer Rich- tung, also quer und längs zur Reibrichtung, besitzt und sich auf seiner Rückseite gegen eine muldenförmige Ausnehmung des Sohlenhalters stützt, die ihm eine Ausdehnung nach hinten erlaubt, wenn die Brems- fläche sich zu werfen droht.
Ferner sind Ausführungen bekannt geworden, bei denen die Bremsfläche schräg, zickzack- oder pfeil- förmig zurReibnCl1tung verlaufende Einschnitte aufweist oder reine Längskanäle, die mit stark schräg zur Reibrichtung geneigten breiten Kanälen kombiniert sind und in erster Linie der Wärmeabführung und der Abführung des Abriebs dienen.
Für elektromagnetische Schienenbremsenendlich wurden Sohlen mit sehr breiten Einschnitten bekannt, die quer oder längs zur Reibrichtung oder in beiden Richtungen angeordnet waren oder ein pfeil-oder scherenförmigesMuster hatten. Die Einschnitte sollten der Aufnahme und Befestigung von Kunstreibstoffen dienen.
Nach der Erfindung sind die Reibkörper der Bremsklötze oder-sohlen ausser mit einer Anzahl bekannter, quer zur Reibrichtung verlaufender Fugen mit einer oder mehreren zur Reibrichtung schräg bzw. zickzack-oder wellenförmig verlaufenden Dehnfugen versehen, die, sofern es sich um zwei oder mehrere handelt, gleichsinnig gerichtet sind. Dabei durchdringen die Fugen den wesentlichen Teil des Verschleissbereiches etwa in Richtung des Bremsdruckes.
In Verbindung mit den schräg bzw. zickzack- oder wellenförmig verlaufenden Dehnfugen können erfindungsgemäss auch die Seitenflächen des Reibkörpers im Bereich der Abnutzung entsprechend, d. h. gleichsinnig schräg, zickzack- oder wellenfbrmig, gegen die Reibrichtung geneigt sein.
Die vorgenannten Massnahmen beruhen auf der in umfangreichen, der Praxis angepassten Vergleichsversuchen bestätigten Erkenntnis, dass es zur Erreichung eines hohen Reibwertes bei niederem Verschleiss für alle vorkommenden Bremsvorgänge und-leistungen u. a. vor allem darauf ankommt, eine, wenn auch geringe Seitenverschiebung des Klotzes oder der Sohle auf der Gegenreibfläche, dem Radreifen, der Bremstrommel oder der Radscheibe einzuleiten und diese Verschiebung während des Ablaufes der Bremsung, je nach der Anlage des gerade tragenden Teiles der Bremsfläche. wieder rückläufig zu gestalten.
Bei Bremsbeginn liegen infolge der beim vorhergehenden Erkalten eingetretenen plastischen Verformung zunächst nur die äusseren Enden des Reibkörpers an, und erst nachdem sich diese stärker erwärmt, abgenutzt und aufgebogen haben, wandert die tragende Fläche, die bei metallischen Bremsflächen nur einen kleinen Teil der Gesamtfläche ausmacht, weiter nach der Mitte des Reibkörpers hin.
Ist nun die Reibfläche mit quer zurReibrichrung verlaufenden Fugen und ausserdem mit schräg bzw. zickzack- oder wellenförmig zur Reibrichtung laufenden Fugen versehen oder sind die Seitenflächen desReibkörpers entsprechend zur Reibrichtung gestellt, so übt die Reibkraft eine Verschiebungswirkung in seitlicher Richtung auf den Bremsklotz
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oder die Sohle aus, die so lange wirksam bleibt,. bis die Bremse gelöst wird oder bis durch den Abrieb bzw. die Verformung Felder zum Tragen kommen, die mit gegenläufigen Schrägfugen versehen oder durch gegenläufig schräge Seitenkanten begrenzt sind. Dieser Wirkung überlagert sich die Verschiebung, die durch die Seitenbewegung des Radsatzes im sogenannten Sinuslauf oder durch die Schrägstellung in der Kurve erfolgt.
In vielen Vergleichsbremsungen mit quer oder querlängs gerichteten Fugen hat sich gezeigt, dass in der Längsrichtung gleichsinnig schräggerichtete Fugen eine bedeutende Erhöhung des Reibwertes und eine Verringerung des Verschleisses bringen. Ebenso eindeutig hat sich dabei gezeigt, dass schräge bzw. zickzack- oder wellenförmige Fugen, die nicht gleichsinnig, sondern gegenläufig angeordnet sind, diesen Vorteil nicht aufweisen, weil die dabei auftretenden Verschiebungskräfte sich gegenseitig aufheben.
Die gemeinsame Anordnung von quer zurReibrichtung verlaufendenFugen mit zur Reibrichtung schräg bzw. zickzack-oder wellenförmig verlaufenden Fugen hat mehrere Vorteile zur Folge : Die gerade tragenden und daher heissen Felder der Bremsfläche können sich nach allen Seiten frei ausdehnen, während sie sonst, in die klihleren Bereiche des Reibkörpers eingespannt, plastisch gestaucht werden und sich in Richtung zur Gegenreibfläche stark ausdehnen, was neben einem geringen Reibwert zu einem hohen örtlichen Verschleiss führt. Die sowohl quer wie schwach-schräg gerichteten Fugen ergeben ausserdem eine grössere Längs-Elastizität des Reibkörpers.
Die Lauffläche des Rades, die nach Berechnungen und Messungen etwa 80% der durch die Bremsarbeit erzeugten Reibwärme abführt und dabei örtlich hoch erhitzt wird, streicht in Umfangsrichtung über die Schrägfugen hinweg und wärmt so ausser der in Schrägrichtung folgenden Felderreihe auch die jenseits der Schrägfuge gelegene Felderreihe stark vor, so dass auch diese Felder sich auszudehnen beginnen und viel eher, als es sonst der Fall wäre, die Bremsarbeit von dem bis dahin tragenden und sich dabei abnutzenden Feld übernehmen ("Zündwirkung").
Auf die rasche Übernahme der Bremsarbeit von einem zum andern Feld, das dabei stets nach allen Seiten frei dehnbar sein muss, kommt aber sowohl für die Erzielung eines hohen Reibwerte wie eines geringen Abriebes alles an ; denn je länger einFeld trägt, umso höher erwärmt es sich, umso niederer wird der Reibwert und umso grösser ist der Verschleiss. Versuche haben bewiesen, dass das Ablösesystem tragender Teilfelder, zum mindesten bei metallischen Reibkörpern, einen höheren Reibwert und einen geringeren Verschleiss ergibt als selbst eine zu 100% tragende Fläche von derselben Gesamtgrösse. Dies erklärt sich dadurch, dass die für den Reibwert und den Abrieb entscheidende durchschnittliche Oberflächentemperatur der tragenden Felder beim Ablösesystem niedriger ist als bei zu 100% tragender Oberfläche.
Die vorstehend beschriebenen Wirkungen, die durch die erfindungsgemässen Merkmale ausgelöst werden, sind von grösster technischer und wirtschaftlicher Bedeutung für die Lösung des Bremsproblems ; denn mit der ständig zunehmenden Geschwindigkeit der Verkehrsmittel verstärkt sich die Forderung nach einer rasch und sicher einsetzendenAbbremsung derFahrzeuge bei einem wirtschaftlich vertretbaren Verschleiss der Reibkörper und nach einer geringen Geschwindigkeitsabhängigkeit des Reibbeiwertes.
An Hand der beigegebenen Fig. 1-5 der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden, wobei gleichzeitig besondere Ausführungsbeispiele und zusätzliche Merkmale, die im Rahmen des Erfindungsgedankens das Optimum des Erreichbaren sichern, beschrieben werden : Fig. l, 2 und 3 stellen im Grund-, Auf- und Seitenriss beispielsweise eine Bremssohle gemäss der Erfindung dar. Fig. 1 und 2 geben eine Ansicht gegen die Bremsfläche sowie die Seitenansicht einer Sohle, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Sohlenmitte wieder. Die Beschreibung gilt sinngemäss auch für den Reibkörper von einteiligen oderMehrfach-Bremsklötzen sowie für Bremsklötze mit unterteilter Sohle, ferner für Bremsbacken von Trommel-und Scheibenbremsen u. dgl.
Die Bremsfläche 1 weist beispielsweise gegen die Reibrichtung gleichsinnig geneigte Schrägfugen 2 auf, die im vorliegenden Fall jeweils mehrere der beispielsweise sieben Querfugen 3 überspannen und mit seitlicher Versetzung in der gleichen Richtung
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überspannt werden, ohne die Festigkeit der sich ergebenden Teilblöcke zu gefährden. Läuft die Gegenreibfläche des Rades in der Pfeilrichtung am Reibkörper vorbei, so übt sie auf diesen eine Verschiebung in der Querrichtung, in Fig. l nach oben, aus, die jeweils aufgehoben bzw. vermindert wird, wenn die Sohle vor- übergehend abgehoben wird oder sich Senkungen im Bremsdruck ergeben. Dadurch wird der Wechsel der tragenden Felder beschleunigt.
Nimmt man an, dass einlaufseitig beim Bremsbeginn der Teilblock 4 den Hauptteil derBremsarbeit leistet, wobei sich die inBerührung befindlichen Oberflächenteile hoch erhitzen, so wird die Gegenfläche des Rades bei ihremWeitereilen inPfeilrichtung nicht nur die Teilblöcke 5 und 6, sondern ausserdem die jenseits der Schrägfugen liegenden Blöcke 7 und 8 überstreichen, wobei glühende Abriebteile mitgerissen werden, so dass diese Blöcke durch Leitung und Strahlung vorgewärmt und ausge-
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dehnt werden und sich der Gegenfläche rasch nähern, sie inniger berühren, dadurch weiter erhitzt und aus- gedehnt werden und endlich die Reibarbeit übernehmen.
Dabei gibt es ein Optimum für die Grösse der Teilkörper : denn je kleiner diese sind. umso unbehinderte und somit spannungsfreier ist zwar die Wärme- ausdehnung der gesamten Bremsfläche und damit des Reibkörpers, umso geringer aber auch die Wärme- aufnahmefätiigkeitdes einzelnen Tellblockes, der sich folglich rascher und höher erhitzt, womit wiederum der Reibbeiwert ab-und der Verschleiss zunimmt. Für Bremsklötze und-sohlen von Eisenbahnfahrzeugen hat sich bei den heute üblichen Aussenabmessungen ergeben, dass Teilblöcke von etwa 5 - 20 cm2 zu einem Optimum führen, wobei der Teilblock zweckmässig länger als breit bemessen wird, da seine Durch- w ärmung in der Umfangsrichtung rascher erfolgt als in derQuerrichtung und das Widerstandsmoment gegen die Bremsbeanspruchung höhere Werte bekommt.
Auf eine Anpassung der seitlichenAussenbegrenzung an die Richtung der Schrägfugen ist in Fig. 1 ver- zichtet. Die Seitenverschiebung kann aber durch eine gleichsinnig zu den Schrägfugen verlaufende abge- setzte Aussenbegrenzung des Reibkörpers verstärkt werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausbildungsmerkmale der Erfindung, wobei lediglich die Ansicht gegen die Reibfläche dargestellt ist, um deren Aufteilung und äussere Begrenzung zu zeigen.
Die Bremsfläche gemäss Fig. 4 ist durch zwei gleichsinnige Schräg- bzw. Zickzack- sowie durch bei- spielsweise sieben Querfugen in 3 x 8 = 24 annähernd gleich grosse Felder aufgeteilt. In den Endbereichen liegen die Schrägfugen 10 so, dass der Reibkörper, wenn er hier anliegt, in gleicher Richtung, d. h. nach oben, verschoben wird. Sobald die äusseren Enden infolge ihrer Erwärmung sich aufbiegen, sich daher von der Gegenfläche entfemen, und weiter zur Mitte gelegeneFelder zum Tragen kommen, kehrt sich die Ver- sctuebungsrichtung um, wobei aber die oben schon beschriebene"ZUndwirkung"auch bei den gegenläufi- gen Schrägfugen 11 erhalten bleibt.
Bei diesem Bremsflächenmuster und beim Muster derFig. 5 folgtauch die äussere Begrenzung desReib- körpers der Richtung der Schräg-bzw. Zickzackfugen, wodurch die seitliche Verschiebungswirkung verstärkt wird. Diese Seitengleitwirkung hat in Verbindung mit der nicht geradlinigen Seitenbegrenzung noch die zusätzliche Wirkung, dass sich auf dem Radreifen keine Rillen bzw. Erhebungen bilden können, was sich ebenfalls zu Gunsten eines gleichmässigen geringen Verschleisses auswirkt.
Fig. 5 zeigt ein netzförmiges Bremsflächenmuster, dessen Schrägfugen wellenförmig, d. h. zickzack- förmig mit beim Richtungswechsel abgerundeten Übergängen, gestaltet sind, wobei jedoch das Fugennetz symmetrisch zur Quer-Mittellinie angeordnet ist. Diese Lösung führt zu optimalen Reibwert- und Ver- schle1ssziffern bei Fahrzeugen, die in beiden Fahrtrichtungen ungefähr gleich oft bzw. gleich stark gebremst werden müssen und bei denen jeder Bremsklotz für sich genügend eigene Seitenbeweglichkeit besitzt, Das Muster gemäss Fig.
4 dagegen führt bei vorwiegend in einer Fahrtrichtung gebremsten Zügen zu optimalenErgebnissen und ist auch dann vorteilhaft, wenn die korrespondierenden Bremsklötze einer Fahrzeugachse ohne genügende eigene Seitenbeweglichkeit fest miteinander verbunden sind, sich also in der Seitenrichtung nur gleichsinnig verschieben können.
In den äusseren Bereichen von Bremsklötzen mit eigener Seitenbeweglichkeit gemäss Fig. 5 sind die Schrägfugen 12 so zur Reibrichtung zu stellen, dass bei Bremsbeginn einlaufseitig ein seitliches Gleiten vom Spurkranz nach aussen eintritt. Da einlaufseing stets ein grösserer Teil des Bremsdruckes wirksam ist als auslaufseitig, überwiegt auf dieser Seite dieQuergleitung, was ihre Gesamtwirkung noch erhöht, da der Reibkörper dadurch etwas mehr schräg gestellt wird. Die gleiche Wirkung tritt em, wenn die Hauptanlage zwischen Rad und Reibkörper mehr nach der Reibkörpermitte hin fortschreitet. Alle Quer- und Schrägfugen können in der Tiefenrichtung den wesentlichen Teil des Verschleissbereiches durchdringen, unter Umständen also bis etwa zur Verschleissgrenze durchgeführt werden, wenn die Festigkeit dies erlaubt.
Bei seitlich fest miteinander verbundenen Bremsklotzen einer Fahrzeugachse müssen die Neigungen beider korrespondierender Bremsklötze gleichsinnig sein, um eine Seitenbewegung des Bremsklotzpaares zu ermöglichen. Die Verschiebungskräfte würden einander sonst aufheben. Die Neigung braucht jedoch bei verschiedenen Radsätzen oder Radsatzseiten nicht gleichsinnig zu sein.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung empfiehlt es sich, die Schrägfugen vor den Klotzenden zu verengen oder ganz zu verschliessen, um diese keiner zu grossen örtlichen Abkühlung durch den Drehund Fahrtwind auszusetzen. Ferner kann erfindungsgemäss ein Teil der Fugen mit schornsteinartigen Öffnungen 13 nach dem Reibkörperrücken hin versehen sein, um aus der am meisten erwärmten Mitte des Bremskörpers den WärmeUberschuss durch Entlüftung abzuführen und so den Rücken elastisch zu erhalten.
Die Öffnungen 13 im Rückenbereich des Reibkörpers können beispielsweise die halbe Breite des Reibkörpers aufweisen.
Zum Ausgleich der Rückenschwächung durch die Quer- und gegebenenfalls angeordneten Entlüftungs-
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fugen wird empfohlen, oberhalb der Abnutzungsgrenze ein Stahlband 14 in den Reibkörper einzugiessen und mit diesem genügend zu verankern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Bremsklotz oder-sohle, insbesondere für Schienen- und Strassenfahrzeuge, dessen Reibkörper quer zur Reibrichtung verlaufende Fugen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reibkörper ausserdem eine und mehrere zur Reibrichtung schräg bzw. zickzack- oder wellenförmig verlaufende Dehnfugen besitzt, die, sofern es sich um zwei und mehrere handelt, gleichsinnig gerichtet sind, wobei die Fugen den wesentlichen Teil des Verschleissbereiches etwa in Richtung des Bremsdruckes durchdringen.