DE10022759A1 - Bremssystem mit einem elektrochemischen Aktuator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bremssystem mit einem elektrochemischen Aktuator (1). Es ist vorgesehen, dass in einer mechanischen Reihenschaltung dem elektrochemischen Aktuator (1) ein durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbarer Aktuator zugeordnet ist. Dieser kann ein magnetostriktiver (2a) oder ein piezoelektrischer (2b, 14) Aktuator sein und kann bedarfsweise auch als Kraftmesser dienen. Nach dem Bremssystem ist ein Antiblockiersystem realisierbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bremssystem für ein rotatorisch und/oder translatorisch bewegliches Teil mit einem elektro­ chemischen Aktuator, der elektrisch mit einer Stromversorgung über eine Schaltvorrichtung verbunden ist und der mechanisch mit einer Bremsvorrichtung in Verbindung steht, die durch eine Längenänderung des Aktuators aktivierbar ist.

Ein solches Bremssystem ist in der älteren deutschen Patent­ anmeldung 198 51 251.1 beschrieben. Es ist beispielsweise bei Schienenfahrzeugen verwendbar. Bei einer ersten Schaltstel­ lung der Schaltvorrichtung wird die Bremsvorrichtung durch den elektrochemischen Aktuator betätigt. Bei einer zweiten Schaltstellung wird die Bremsvorrichtung wieder gelöst. Man benötigt kein Kompressorsystem und folglich auch keine auf­ wendigen Leitungen zur Verteilung eines gasförmigen oder flüssigen Trägermediums.

Mit dem beweglichen Ende des Aktuators steht die Bremsvor­ richtung, die einen Bremsklotz gegen ein Rad, eine Brems­ scheibe oder auch gegen eine Schiene drücken kann, in Verbin­ dung.

In einer dritten Stellung der Schaltvorrichtung sind die Gleichspannungsanschlüsse des Aktuators offen. In diesem Fall behält der Aktuator seine zuletzt eingenommene Position bei. Die Bremse bleibt also geöffnet bzw. geschlossen.

Die Reaktionszeit des elektrochemischen Aktuators liegt im Sekundenbereich, so dass nach dem Anlegen der Bremse diese erst wieder nach einigen Sekunden gelöst werden kann. Ein Gleitschutz oder Antiblockiersystem mit kurzen Reaktionszei­ ten konnte bisher mit einem Bremssystem, das einen elektrochemischen Aktuator umfasst, nicht realisiert werden, da das System zu langsam reagiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bremssystem mit elektrochemischem Aktuator anzugeben, das bei Beibehaltung der Vorteile eines elektrochemischen Aktuators für ein Anti­ blockiersystem die notwendigen schnellen Umschaltungen zwi­ schen Anlegen und Lösen der Bremse ermöglicht.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass in einer mechanischen Reihenschaltung dem elektrochemischen Ak­ tuator ein durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbarer zusätzlicher Aktuator zugeordnet ist.

Ein solcher durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbarer Aktuator erzeugt sehr kleine Hübe bei hoher Stell­ geschwindigkeit und bei relativ großer Kraft.

Auf Grund der hohen Steifigkeit üblicher Bremssysteme ist es notwendig, die gesamte Bremskraft über einen relativ kleinen Stellweg ab der ersten Berührung, z. B. des Rades durch den Bremsklotz, aufzubringen.

Der weitaus größte Teil der notwendigen Bewegung wird bei der erfindungsgemäßen Kombination durch den elektrochemischen Ak­ tuator verursacht. Der diesem zugeordnete durch ein magneti­ sches und/oder elektrisches Feld anregbare Aktuator ergänzt einen kleinen restlichen Teil der notwendigen Bewegung, der dazu dient, die Kraft auf die Bremse erheblich zu verändern.

Damit wird der Vorteil erzielt, dass, falls z. B. ein Rad ei­ nes Fahrzeuges in Folge einer Blockierung durch die Bremse ins Gleiten gerät, die Bremse sehr schnell entlastet werden kann. Ein Bremsklotz bleibt dabei bedingt durch den elektro­ chemischen Aktuator weiterhin sehr nahe am Rad, so dass bei einer erneuten Aktivierung des zusätzlichen Aktuators sofort wieder die Bremswirkung einsetzen kann. Das Antiblockiersystem wird also durch den zusätzlichen, durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbaren Aktuator verwirklicht. In der Regel wird z. B. ein Bremsklotz durch den elektrochemi­ schen Aktuator bis nahe an das abzubremsende Teil heran ge­ fahren, so dass noch keine oder nur eine sehr kleine Kraft auf das Teil wirkt. Durch den zusätzlichen Aktuator wird dann die eigentliche Bremskraft erzeugt und im Blockierungsfall sehr schnell wieder weggenommen.

Der durch ein magnetisches Feld anregbare Aktuator ist bei­ spielsweise ein magnetostriktiver Aktuator. Der durch ein elektrisches Feld anregbare Aktuator ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktuator.

Bei der Magnetostriktion wird eine Längenänderung durch die Änderung eines magnetischen Feldes in einer bevorzugten Rich­ tung bewirkt. Beim piezoelektrischen Effekt wird die Längen­ änderung durch ein elektrisches Feld ausgelöst.

Zur Erzeugung einer grundlegenden Ausdehnung kann der magne­ tostriktive Aktuator einen Permanentmagneten enthalten, durch den er bereits vorerregt ist. Es wird dann für die Erzeugung des erforderlichen variablen Magnetfeldes weniger Energie be­ nötigt.

Beispielsweise ist dem durch ein magnetisches und/oder elek­ trisches Feld anregbaren zusätzlichen Aktuator ein Kraftmess­ glied zugeordnet, so dass die momentan auf die Bremse einwir­ kende Kraft gemessen werden kann.

Nach einer Variante ist der zusätzliche, durch ein magneti­ sches und/oder elektrisches Feld anregbare Aktuator selbst auch als Kraftmessglied betreibbar, wozu ihm eine Umschalt­ vorrichtung zugeordnet ist. Durch diesen Schalter kann das Bauteil wahlweise als Aktuator oder als Kraftmessglied ge­ schaltet werden.

Beispielsweise ist das Kraftmessglied mit einer Steuereinheit verbunden, die mit dem zusätzlichen durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbaren Aktuator und/oder mit dem elektrochemischen Aktuator in Verbindung steht. Mit die­ ser Steuereinheit wird der Vorteil erzielt, dass die Brems­ wirkung, insbesondere, wenn es zu einem Gleiten eines Rades gekommen ist, zuverlässig gesteuert werden kann, um eine Blo­ ckade des Rades aufzulösen.

Die Steuereinheit kann auch einen Speicher aufweisen, der In­ formationen über die benötigte Bremswirkung enthält.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass ein Brems­ system mit elektrochemischem Aktuator derart ertüchtigt wor­ den ist, dass ein sehr schnelles Loslassen und Anlegen der Bremse möglich ist, was wesentlich für ein Antiblockiersystem ist.

Das Bremssystem nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Bremssystem für ein Rad mit elektrochemischem und magnetostriktivem Aktuator.

Fig. 2 zeigt ein Bremssystem mit piezoelektrischem statt magnetostriktivem Aktuator.

Fig. 3 zeigt ein Bremssystem mit einem magnetostriktiven Aktu­ ator und mit einem Kraftmessglied.

Fig. 4 zeigt ein Bremssystem mit einem piezoelektrischen Aktu­ ator, der über eine Schaltvorrichtung auch als Kraftmessglied dienen kann.

Fig. 5 zeigt ein Bremssystem, das statt auf ein Rad auf eine Schiene einwirkt.

Fig. 1 zeigt ein Bremssystem bestehend aus einer Reihen­ schaltung aus elektrochemischem Aktuator (ECA) 1 und magne­ tostriktivem Aktuator (MSA) 2a. Ein Schalter 10a dient zum Verbinden und Trennen des MSA 2a mit bzw. von einer Strom­ quelle 3a.

Mittels eines Schalters 11 ist bei der Schalterstellung a mit dem ECA 1 eine Stromversorgung 13 verbunden. Der ECA 1 dehnt sich dabei, z. B. durch die Erzeugung von Wasserstoff, aus. In der Schalterstellung c ist der ECA 1 kurgeschlossen, so dass sich der ECA 1 zusammenzieht. In der Schalterstellung b ver­ harrt der ECA 1 im jeweiligen Zustand, da seine Anschlüsse offen sind. Die Bewegung des ECA 1 erfolgt stets relativ langsam.

Durch den ECA 1 werden die Bremsbeläge 5a und 5b über Brems­ zangenhebel 4a, 4b an eine Bremsscheibe 6, die ein Rad sein kann, angelegt bzw. von dieser gelöst. Die Bremsbeläge 5a und 5b sind auf Bremsbelagshaltern 12a und 12b angeordnet.

In einer mechanischen Reihenschaltung ist der MSA 2a direkt mit dem ECA 1 verbunden. Die Bewegungen beider Aktuatoren werden überlagert, wobei der MSA 2a eine überlagerte schnel­ lere Bewegung der Bremsbeläge 5a und 5b und dadurch ein Anti­ blockiersystem ermöglicht. Wenn ein Rad gleitet, wird mittels des MSA 2a die Bremse relativ schnell gelöst, so dass das Rad wieder rollen kann. Anschließend wird die Bremse genauso schnell wieder angelegt.

Die Bremsvorrichtung nach Fig. 2 ist weitgehend mit der Bremsvorrichtung der Fig. 1 identisch. Es ist lediglich statt des MSA 2a ein piezoelektrischer Aktuator PEA 2b vor­ handen. Dieser ist mit einer Spannungsquelle 3b über einen Schalter 10b verbunden.

Der MSA oder der PEA können auch als Kraftmessglied einge­ setzt werden. Wenn die genannten Aktuatoren zusammengedrückt werden, erzeugt der MSA einen Strom und der PEA eine Span­ nung, die mit der einwirkenden Kraft korreliert sind.

Fig. 3 zeigt ein der Fig. 1 ähnliches Bremssystem, bei der jedoch dem MSA 2a ein magnetostriktives Kraftmessglied 7 me­ chanisch zugeordnet ist. Zwischen dem MSA 2a und dem Kraft­ messglied 7 ist ein elektrischer Isolator 9 angeordnet. Man kann jedoch auch ohne einen solchen Isolator auskommen. Zum Bestimmen der Kraft ist das Kraftmessglied 7 mit einem Strom­ messer 8a verbunden, da die gemessene Stromstärke mit der Kraft in bekannter Weise korreliert ist.

Falls man statt des MSA 2a ein PEA einsetzt, tritt an die Stelle des Strommessers 8a ein Spannungsmesser, da dann die gemessene Spannung mit der Kraft in bekannter Weise korre­ liert ist.

In der in Fig. 4 gezeigten Variante des Bremssystems, die mit der Variante der Fig. 2 vergleichbar ist, dient ein PEA 14 sowohl als Aktuator als auch als Kraftmessglied. Dazu ist eine Umschaltevorrichtung 15 erforderlich, die den PEA 14 wahlweise mit der Spannungsquelle 3b und mit einem Spannungs­ messer 8b verbinden kann.

Eine entsprechende Anordnung ist auch bei Verwendung eines MSA an Stelle des PEA 14 möglich. Es ist jedoch dann an die Stelle des Spannungsmessers 8b ein Strommesser zu setzen.

Zur Steuerung des Bremssystems als Antiblockiersystem erkennt eine Steuereinheit 22 (Fig. 3 oder 4) mittels einer Kraftmes­ sung oder mittels anderer Methoden, ob ein Blockieren der Bremse und ein Gleiten des Rades auf der Schiene vorliegt. Es werden dann der PEA 14 bzw. der MSA 2a so gesteuert, dass in Verbindung mit der Funktion des ECA 1 eine Blockierung der Bremse unmöglich ist. Es kann auch über eine eigene Verbin­ dung das ECA 1 durch die Steuereinheit 22 gesteuert werden.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Bremssystem. Es handelt sich um ein sogenanntes translatorisches Bremssystem, bei dem ein Bremsschuhhalter 32 mit Bremsschuh 31 über Absenkführun­ gen 33 z. B. gegen eine Schiene 30 gedrückt wird. Dieses Bremssystem als Kombination von ECA einerseits und MSA bzw. PEA andererseits ist in vergleichbarer Weise wie das rotato­ rische System der Fig. 1 bis 4 aufgebaut.

Das Bremssystem nach Fig. 5 vermeidet in Folge der geeigne­ ten Steuerung einen schnellen Wechsel zwischen Heft- und Gleitreibung, was zu einem störenden Rattern führen würde.

Claims (8)

1. Bremssystem für ein rotatorisch und/oder translatorisch bewegliches Teil mit einem elektrochemischen Aktuator (1), der elektrisch mit einer Stromversorgung (13) über eine Schaltvorrichtung (11) verbunden ist und der mechanisch mit einer Bremsvorrichtung in Verbindung steht, die durch eine Längenänderung des Aktuators (1) aktivierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in ei­ ner mechanischen Reihenschaltung dem elektrochemischen Aktua­ tor (1) ein durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbarer zusätzlicher Aktuator zugeordnet ist.

2. Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch ein magnetisches Feld anregbare Aktuator ein magne­ tostriktiver Aktuator (2a) ist.

3. Bremssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktive Aktuator (2a) einen Permanentmagneten ent­ hält.

4. Bremssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch ein elektrisches Feld anregbare Aktuator ein piezo­ elektrischer Aktuator (2b, 14) ist.

5. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbaren Aktuator ein Kraftmessglied (7) zugeordnet ist.

6. Bremssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch ein magnetisches und/oder elektrisches Feld anregbare Aktuator als Kraftmessglied betreibbar ist und dass dazu eine Umschaltvorrichtung (15) vorhanden ist.

7. Bremssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftmessglied (7) mit einer Steuereinheit (22) verbunden ist, die mit dem durch ein magnetisches und/oder elektri­ sches Feld anregbaren Aktuator und/oder mit dem elektrochemi­ schen Aktuator (1) in Verbindung steht.

8. Bremssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Speicher aufweist.