DE10009331C2

DE10009331C2 - Magnetische Bremse mit Aktuatoren zur Einstellung des Abstandes von der Schienenoberkante

Info

Publication number: DE10009331C2
Application number: DE2000109331
Authority: DE
Inventors: Uwe Kroeger
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH; Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: DE10009331A1

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Bremse, insbesondere eine lineare Wirbel strombremse für Schienenfahrzeuge mit wenigstens einem Bremsmagneten, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung und/oder Re gelung einer magnetischen Bremse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.

Bei magnetischen Bremsen, insbesondere linearen Wirbelstrombremsen handelt es sich um ein Bremssystem, die sich durch vollkommene Verschleißfreiheit und Haft wertunabhängigkeit auszeichnen. In der neuzeitlichen Rad-Schiene-Technik sind derartige Bremssysteme unverzichtbar. Die haftwertunabhängige und berührungslo se lineare Wirbelstrombremse wird insbesondere als hochwirksame Schnell- und Betriebsbremse eingesetzt. Sie besteht aus einem Eisenjoch mit mehreren Polker nen. Elektrische Spulen erregen dabei die Bremse magnetisch so, dass alternieren de, magnetische Nord- und Südpole entstehen. Bei Bewegung der Wirbelstrom bremse über die Schiene ergeben sich durch die zeitlichen Flussänderungen elektri sche Spannungen und Wirbelströme. Dieses sekundäre Magnetfeld der Wirbelströ me ist dem Magnetfeld der Bremse entgegengerichtet. Hieraus ergibt sich eine ent gegengesetzt zur Fahrtrichtung wirkende horizontale Kraftkomponente, die Brems kraft.

Bei einer Wirbelstrombremse sind die Polkerne, die durch Stromerregung die oben genannten Nord- und Südpole ergeben, entlang eines Balkens hintereinander ange ordnet. Betreffend den prinzipiellen Aufbau eines Wirbelstrom- Schienenbremsmagneten wird auf die EP-A 0 640 520 verwiesen, deren Offenba rungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich mitaufgenommen wird.

Aus der EP-A-0 724 998 ist eine magnetische Bremse, insbesondere eine lineare Wirbelstrombremse bekannt geworden, die sich im aktiven Zustand auf dem Radsatzlagergehäuse des Drehgestelles abstützt, wodurch beispielsweise ein gleichmäßiger Luftspalt von 5-7 mm zur Schienenoberkante sicher eingehalten wer den kann.

Bei der magnetischen Bremse gemäß der EP-A-0 724 998 bildet ein Integralträger gleichzeitig den magnetischen Rückschluß für die Spulen und das tragende Teil zur Abstützung der Anzugskräfte über die Tragarme auf die Achslager. Für eine parallele Führung über der Schiene sorgen Spurhalter, die zusammen mit den Trägern einen steifen Bremsrahmen bilden. Die Bremskräfte werden über beidseitig gelenkig gela gerte Bremskraftstützen auf das Drehgestell übertragen. Luftbälge halten den Brems rahmen, wenn nicht gebremst wird, mit Druckluft in Hochlage. Im Bremsfall wird der Rahmen auf die Achslager abgesenkt, wobei im nicht erregten Zustand ein Luftspalt von 7 mm zwischen Bremse und Schiene eingestellt ist. Der Bremsmagnet stützt sich beim Stand der Technik in Form der EP-A-0 724 998 in der Bremsstellung über die Längsträger in dem ungefederten Achslagergehäuse ab.

Nachteilig an der magnetischen Bremse gemäß der EP-A-0 724 998 sind das hohe Gewicht, die Abstützung an den Radsätzen und der große Einbauraum im Drehge stell.

Aus der DE-A-21 12 359 ist eine elektromagnetische Schienenbremse für Schienen fahrzeuge bekannt geworden, bei der um eine übermäßige unregelmäßige Abnut zung der Reibflächen zu verhindern jeder Magnetschuh der Magnetschienenbremse mit dem benachbarten Magnetschuhen über ein Gelenk verbunden ist, dessen Ach se in einer gewissen Höhe über der wirksamen Gleitfläche eines jeden Magnetschu hes unter dem unteren Profil des Spulenkörpers liegt, wobei die Endmagnetschuhe in fester Lage und die mittleren Magnetschuhe mit einem gewissen Spiel am Spulen körper gelagert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschleißfreie, magnetische Bremse, insbeson dere eine lineare Wirbelstrombremse für Schienenfahrzeuge, anzugeben, die deut lich leichter ist und weniger Bauraum benötigt als die bisher bekannten magneti schen Bremsen sowie ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer derarti gen Bremse zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Bremse und mit dem im Anspruch 10 gekennzeichneten Verfahren gelöst.

Die im Anspruch 1 gekennzeichtene Sensorik ermöglicht es, aktiv den Luftspalt zwi schen Bremsmagnet und Schiene zu regeln. So ist es möglich durch entsprechende Betätigung der Aktuatoren insbesondere im unteren Geschwindigkeitsbereich, in dem die Anzugskraft des Magneten progressiv zunimmt, den vorgegebenen Luftspalt aufrechtzuerhalten, in dem die Gegenkraft des Aktuators auf den Bremsmagneten beispielsweise erhöht wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird neben dem Abstand der magnetischen Bremse von der Schienen oberkante auch die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges oder die Beschaffen heit der Schiene ermittelt. Durch Ermittlung dieser Größen ist es möglich, beispiels weise bei niedrigen Geschwindigkeiten und schlechten Haftwerten der Schienen die Bremsmagnete bis auf die Gleisschiene abzusenken, um dort als Schienenputz bremse zu wirken. Im Falle von permanentmagnetischen Wirbelstrombremsen kann durch Absenken des Bremsmagneten bei Fahrzeuggeschwindigkeit Null dieser auch als Parkbremse genutzt werden.

Neben der Anordnung der magnetischen Bremse an einem Drehgestell ist es auch möglich, die Magnetbremse am Wagenkasten anzuordnen.

Als Aktuatoren sind pneumatische, elektromechanische oder hydraulische Aktuato ren denkbar.

Als Sensoren zur Ermittlung des Abstandes der Wirbelstrombremse von der Schie nenoberkante finden bevorzugt berührungslose Wegmeßsysteme auf Wirbelstrom basis Verwendung.

Neben der magnetischen Bremse stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Steue rung und/oder Regelung einer magnetischen Bremse an einem Fahrzeug, insbeson dere einem Schienenfahrzeug, zur Verfügung, wobei die magnetische Bremse an einem Fahrzeugelement angeordnet ist und mittels von Aktuatoren zur Schienenoberkante hin und von ihr weg bewegt werden kann. Das Verfahren ist gekennzeich net durch nachfolgende Schritte:
Zunächst wird ein bestimmter Abstand der magnetischen Bremse von der Schienen oberkante vorgegeben, die erreicht werden soll. Sodann wird mittels von Sensoren der aktuelle Abstand der Bremse von der Schienenoberkante ermittelt. Ergibt der Vergleich von ermitteltem und vorbestimmtem Abstand eine Abweichung, so wird mittels der Aktuatoren die magnetische Bremse an die Schienenoberkante heran- oder von ihr wegbewegt, so daß der vorbestimmte Abstand eingestellt wird.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß neben dem Abstand des Bremsmagneten von der Schienenoberkante auch die Ge schwindigkeit des Schienenfahrzeuges ermittelt wird und der Abstand der Brems magneten in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eingestellt wird. Auf diese Art und Weise ist es beispielsweise möglich, bei Geschwindigkeit Null den Bremsmag neten vollständig auf die Schiene abzusenken und ihn im Falle einer Wirbelstrom bremse mit Dauermagneten als Parkbremse zu nutzen. Auch ist es möglich bei schlechter Schienenbeschaffenheit, z. B. Nässe, den Bremsmagneten vollständig auf den Schienenkopf abzusenken und als Putzbremse einzusetzen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der erfindungsgemäßen magnetischen Bremse an einem Drehgestellrahmen.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße magnetische Brem se, die bevorzugt als Wirbelstrombremse ausgebildet ist, an einem Drehgestell 1 dargestellt. Das Drehgestell 1 umfaßt einen Drehgestellrahmen 3, an dem die Radachsen und damit die Räder des Drehgestelles 5 elastisch gelagert sind. Der Drehgestellrah men wiederum ist elastisch am Wagenkasten 7 verbunden. Die magnetische Bremse 10 ist über Aktuatoren 12 am Drehgestellrahmen gelagert. Mit Hilfe der Aktuatoren 12 kann die magnetische Bremse 10 entlang der Richtung von der Schiene 14 weg und auf diese hin bewegt werden.

Im ungebremsten Zustand wird die magnetische Bremse 10 durch die Aktuatoren 12 am Drehgestellrahmen gehalten. Der Bremsmagnet entfaltet keinerlei Wirkung in dieser Stellung. Zum Bremsen wird der Bremsmagnet 10 mit Hilfe der Aktuatoren 12 vom Drehgestellrahmen 3 in Richtung der Schiene 14 abgesenkt und in die in Fig. 1 darge stellte Position verbracht. Zwischen Bremsmagnet und Schienenoberkante 14 besteht ein Luftspalt 16. Der Luftspalt weist eine Größe δ, beispielsweise von 7 mm auf. Die Wirbelstrombremse kann aus einem Eisenjoch mit mehreren Polkernen bestehen. Mit Hilfe elektrischer Spulen wird die Bremse magnetisch so erregt, daß alternierend mag netische Nord- und Südpole entstehen. Bei Bewegung der Wirbelstrombremse unter dem Luftspaltabstand von beispielsweise 7 mm entlang der Schiene ergeben sich durch die zeitlichen Flußänderungen elektrische Spannungen und Wirbelströme. Die ses sekundäre Magnetfeld der Wirbelströme ist dem Magnetfeld der Bremse entgegen gerichtet. Hieraus ergibt sich dann eine entgegengesetzt zur Fahrtrichtung wirkende horizontale Kraftkomponente, die als Bremskraft genutzt wird. Betreffend Wirbelstrom bremsen wird auf "Bremsen für Schienenfahrzeuge, Handbuch Bremstechnische Beg riffe und Werte, der Knorr Bremse AG München, 1990, Seiten 58 sowie 81" verwiesen, deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung mit einge schlossen wird.

Mit Hilfe der Sensorik 15, die vorliegend nach dem Prinzip berührungsloser Wegmeß systeme auf Wirbelstrombasis arbeitet, kann der Abstand des Bremsmagneten von der Schienenoberfläche 14, mithin der Luftspalt bestimmt werden.

Berühungslose Wegmeßsysteme auf Wirbelstrombasis können für Messungan an Me ßobjekten aus elektrisch leitenden Werkstoffen verwendet werden. Die Meßobjekte dürfen sowohl ferromagnetische als auch nicht-ferromagnetische Eigenschaften haben. Vorliegend ist das Meßobjekt die Schienenoberfläche. Eine in ein Sensorgehäuse ein gegossene Spule wird von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen. Das elektro magnetische Spulenfeld induziert im leitfähigen Meßobjekt, vorliegend der Schiene, Wirbelströme. Dadurch ändert sich der Wechselstromwiderstand der Spule. Diese Im pedanzänderung bewirkt ein dem Abstand des Meßobjekts - vorliegend der Schiene - zum Sensor proportionales lineares, elektrisches Signal, aus der dann die Größe des Luftspaltes wird.

Mit Hilfe einer Regelung ist es dann möglich, unabhängig von der Schienenbeschaf fenheit und der Fahrzeuggeschwindigkeit durch entsprechende Nachregelung einen vorbestimmten Luftspaltabstand δ mit Hilfe der entsprechend angesteuerten Aktuato ren aufrecht zu erhalten. So können beispielsweise die bei niedrigen Fahrgeschwindig keiten auf den Bremsmagneten wirkenden hohen Anzugskräfte durch entsprechende Gegenkräfte der Aktuatoren 12 kompensiert werden, und ein Berühren der Schienen oberkante durch den Bremsmagneten 10 verhindert werden.

Eine derartige Regelung erlaubt aber auch, beispielsweise ab einer bestimmten Ge schwindigkeit, z. B. 50 km/h, den Bremsmagneten vollständig auf die Schiene abzusen ken und als Putzbremse bzw. im Falle der mit Permanentmagneten erregten Brems magneten bei Geschwindigkeit Null auch als Parkbremse einzusetzen.

Neben einer Anordnung der erfindungsgemäßen magnetischen Bremse an einem Drehgestell wäre es auch möglich, beispielsweise bei zweiachsigen Fahrzeugen, in einer nicht dargestellten Ausführungsform am Wagenkasten direkt anzubringen.

Mit der Erfindung wird erstmals eine magnetische Bremse angegeben, die sich durch ein niedriges Gewicht auszeichnet sowie einen geringen Einbauraum. Desweiteren kann nunmehr die Masse der Wirbelstrombremse auch in der Bremsstellung über die Primärfederung abgefedert werden.

Bezugszeichenliste

1

Drehgestell

3

Drehgestellrahmen

5

Drehgestellräder

7

Wagenkasten

10

magnetische Bremse

12

Aktuatoren

14

Schiene

15

Sensorik

16

Luftspalt
δ Luftspaltgröße
δ_vor

vorgegebene Luftspaltgröße
δ_akt

aktuelle Luftspaltgröße

Claims

1. Magnetische Bremse, insbesondere lineare Wirbelstrombremse, für Schie nenfahrzeuge mit wenigstens einem Bremsmagneten (10), der über eine Auf hängevorrichtung an einem Fahrzeugelement angeordnet und in Richtung der Schiene (14) sowie von dieser weg bewegbar ist,
wobei
die Aufhängevorrichtung Aktuatoren (12) umfaßt, die den Bremsmagneten (10) in der Bremsstellung halten,
dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Bremse (10) eine Sensoreinrichtung (15) Zum Ermitteln einer oder mehrerer der nachfolgenden Größen:

- des Abstandes (δ) der magnetischen Bremse (10) von der Schienen oberkante
- der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges
- der Beschaffenheit der Schiene (14)

und
eine Steuer/Regeleinrichtung umfaßt, die mit Hilfe der Aktuatoren (12) auf grund der von der Sensoreinrichtung ermittelten Größen den Abstand von magnetischer Bremse (10) und Schienenoberkante (14) einstellt, wobei dieser Abstand auch den Wert 0 annehmen kann.

2. Magnetische Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (12) derart ausgebildet sind, daß sie den Bremsmagneten (10) in der Ruhestellung am Fahrzeugelement halten.

3. Magnetische Bremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeugelement ein Drehgestell (1) des Schienenfahrzeuges ist.

4. Magnetische Bremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeugelement der Wagenkasten (7) des Schienenfahrzeuges ist.

5. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (12) pneumatische Aktuatoren sind.

6. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (12) elektromechanische Aktuatoren sind.

7. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktuatoren (12) hydraulische Aktuatoren sind.

8. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Aktuatoren mit Federelementen kombiniert sind.

9. Magnetische Bremse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Bremse (10) eine Wirbelstrombremse ist.

10. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung einer magnetischen Brem se an einem Schienenfahrzeug, wobei die magnetische Bremse (10) an einem Fahrzeugelement angeordnet ist und mittels von Aktuatoren (12) zur Schienenoberkante hin und von ihr weg bewegt werden kann, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1. 10.1 es wird ein vorbestimmter Abstand (δvor) der magnetischen Bremse (10) von der Schienenoberkante (14) vorgegeben;
2. 10.2 es wird mittels von Sensoren der aktuelle Abstand (δakt) der Bremse von der Schienenoberkante ermittelt;
3. 10.3 wenn der ermittelte (δakt) vom vorbestimmten (δvor) Abstand abweicht, wird mittels der Aktuatoren die magnetische Bremse an die Schienenober kante heran- oder von ihr wegbewegt, so daß der vorbestimmte Abstand (δvor) eingestellt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand (δvor) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges gesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten einer Mindestgeschwindigkeit oder bei Fahrzeugstill stand die Bremse auf die Schiene abgesenkt wird.