DE10106373C1 - Bremsaktuator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Bremsaktuator, insbesondere für eine Schienenfahrzeugbremse, beinhaltend eine Speicherbremseinheit mit einem Energiespeicher (10) zum Speichern und Abgeben von Energie zum Zuspannen der Bremse vorzugsweise im Sicherheits- und/oder Parkbremsfall, und mit einer Verriegelungseinrichtung (90) zum Ver- und Entriegeln des Energiespeichers (10). DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, daß nach Lösen der Verriegelungseinrichtung (90) von einem Teil der aus dem Energiespeicher (10) freiwerdenden Energie eine Schwungmasse (118) zu Dämpfungszwecken in Drehbewegung versetzbar ist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Bremsaktuator, insbesondere für eine
Schienenfahrzeugbremse, nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Im wesentlichen werden derzeit im Schienenfahrzeugbereich drei Radbremssysteme
eingesetzt: Pneumatische oder elektro-pneumatische Bremssysteme, hydraulische
oder elektro-hydraulische Bremssysteme sowie mechanische oder elektro-mecha
nische Bremssysteme. Das Radbremssystem kann dabei als aktives oder passives
Bremssystem ausgeführt sein, je nachdem ob die Kraft des Bremsaktuators zum
Einbremsen (aktives Bremssystem) oder zum Lösen der Bremse (passives Brems
system) aufgebracht werden muß. Für den Fall von Betriebsstörungen erfolgt bei
pneumatischen Systemen eine Energiespeicherung in Druckluftbehältern, bei hyd
raulischen Systemen in Hydrobehältern und bei elektro-mechanischen Systemen in
Form von Speicherfedern.
Aus dem Stand der Technik sind elektro-mechanische Schienenfahrzeugbremsen
bekannt, welche eine Betriebsbremseinheit sowie eine Speicherbremseinheit mit
einem Energiespeicher aufweisen. Die Betriebsbremseinheit beinhaltet einen Brems
krafterzeuger zum Zuspannen und/oder Lösen der Bremse, beispielsweise in Form
eines elektromotorischen Antriebs. Die Speicherbremseinheit umfaßt mindestens
einen Energiespeicher zum Speichern und Abgeben von Energie zum Zuspannen
der Bremse als betriebliche Notbremse im Sinne einer unterlegten Sicherheitsebene
bei Ausfall der Betriebsbremseinheit und/oder als Park- oder Feststellbremse. Die
Speicherbremseinheit ist im allgemeinen als Federspeicherbremse ausgebildet. Ein
Kraftumsetzer sorgt für eine Umsetzung der vom Bremskrafterzeuger und/oder vom
Energiespeicher abgegebenen Energie in eine Bremszuspannbewegung und umfaßt
beispielsweise eine vom elektromotorischen Antrieb getriebene Bremsspindel.
Bei Auslösung der Federspeicherbremse im Park- oder Notbremsfall wird die
in der Speicherfeder gespeicherte potentielle Energie schlagartig freigesetzt und in
eine hohe kinetische Energie der Elemente des Kraftumsetzers umgewandelt, wel
che nach Erreichen der Bremsstellung ebenfalls schlagartig verzögert werden. Hier
bei ist das Bremssystem großen Kräften ausgesetzt, welche zu vorzeitigem Ver
schleiß oder Beschädigung führen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Brem
saktuator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem sich bei Auslösung
der Speicherbremseinheit geringere Belastungen bei zugleich hoher Bremswirkung
ergeben. Darüber hinaus soll dieses Ziel mit geringem Bauaufwand verbunden und
platzsparend verwirklichbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst.
Weil die bei Auslösung der Speicherbremse schlagartig freigesetzte potentielle E
nergie großteils in Rotationsenergie der Schwungmasse umgewandelt wird, reduziert
sich die verbleibende kinetische Energie, mit welcher die Elemente des Kraftumset
zers in Bremszuspannrichtung beschleunigt werden können. Infolgedessen wird die
auf das Bremssystem wirkende Stoßbelastung verringert, wodurch sich dessen Le
bensdauer und Zuverlässigkeit erhöht. Die Schwungmasse ist zusätzlich zu eventu
ell bereits vorhandenen, ausschließlich zur Verriegelung der Speicherbremseinheit
dienenden Rotationskörpern vorgesehen, die sich ebenfalls nach Lösen der Verrie
gelungsvorrichtung drehen. Die Schwungmasse weist insbesondere ein für eine
merkliche Dämpfung der bei Lösen der Verriegelungsvorrichtung schlagartig er
folgenden Energiefreisetzung ausreichendes Massenträgheitsmoment auf. Im Ver
gleich zu linear bewegten Schwungmassen, die zur Erzeugung von nennenswertem
Energieverzehr eine relativ lange Beschleunigungsstrecke brauchen, ist für rotatori
sche Schwungmassen weniger Bauraum nötig. Im Gegensatz zu Öldruck- oder
Gasdruckstoßdämpfern ist die Rotationsschwungmasse zudem temperaturunabhän
gig einsetzbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen
Bremsaktuators möglich.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme sind die vom Energiespei
cher erzeugten Kräfte und/oder Momente bei verriegelter Verriegelungseinrichtung
zumindest über einen Teil der Schwungmasse in ein Gehäuse des Bremsaktuators
einleitbar und dort abstützbar. Infolgedessen bildet die Schwungmasse einen Be
standteil der Verriegelungseinrichtung und ist in deren Kraftfluß integriert. Die
Schwungmasse erfüllt damit eine Doppelfunktion, indem sie außer zum Abbau von
überschüssiger Energie zugleich als Verriegelungselement dient, wodurch sich eine
besonders platzsparende und leichte Bauweise ergibt.
Gemäß einer Weiterbildung ist dem Energiespeicher und der Schwungmasse ein
Übersetzungsgetriebe mit vorzugsweise großem Übersetzungsverhältnis zwischen
geordnet. Hierdurch werden die Kräfte, welche zur Arretierung der zugleich als Ver
riegelungselement wirkenden Schwungmasse in Lösestellung aufgebracht werden
müssen, reduziert. Wenn die Schwungmasse beispielsweise durch elektro-magne
tische Haltekräfte arretiert wird, reichen Magnetspulen mit geringerer Magnetkraft
aus, wodurch der Stromverbrauch und die Erwärmung des Bremsaktuators sinken.
Gleichzeitig erhöht sich aufgrund der großen Übersetzung die Drehzahl der
Schwungmasse, welche in die Rotationsenergie quadratisch eingeht, so daß bei
Auslösung der Speicherbremseinheit ein hoher Dämpfungsgrad gegeben ist.
Zweckmäßig kann die Schwungmasse mit dem Energiespeicher mittels einer
Rutschkupplung lösbar gekoppelt sein, welche derart ausgelegt ist, daß nach Errei
chen einer Bremsstellung die Schwungmasse vom Energiespeicher entkoppelt ist.
Falls die Schwungmasse und die Lagerreibungen so ausgelegt sind, daß sich die
Schwungmasse nach Erreichen der Bremsstellung weiterdreht, kann durch diese
Maßnahme ein allmählicher Abbau der in ihr gespeicherten Rotationsenergie statt
finden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Bremsaktuators auswirkt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Bremsaktuators in Lösestellung;
Fig. 2 eine Verriegelungseinrichtung einer Speicherbremseinheit des Bremsaktua
tors als vergrößerter Ausschnitt von Fig. 1.
Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete und in einer Lösestellung gezeigte
bevorzugte Ausführungsform eines Bremsaktuators dient als Antriebseinheit einer
elektromechanischen Bremszuspanneinrichtung 2 eines Schienenfahrzeugs. Der
Bremsaktuator 1 hat ein im wesentlichen hohlzylindrisches Aktuatorgehäuse 3, das
zu einem axialen Ende hin von einem Deckelabschnitt 4 abgeschlossen wird, wel
cher eine endseitige Öffnung 6 aufweist. Ausgehend vom Deckelabschnitt 4 ist das
Aktuatorgehäuse 3 im wesentlichen doppelwandig ausgebildet, wobei in dem Raum
zwischen einer inneren Wandung 7 und einer äußeren Wandung 8 eine innere Spei
cherfeder 10 und eine hierzu koaxiale äußere Speicherfeder 12 angeordnet sind,
wobei die äußere Speicherfeder 12 die innere Speicherfeder 10 umschließt.
Die Speicherfedern 10, 12 sind vorzugsweise als Schraubenfedern ausgebildet und
stützen sich jeweils mit ihrem einen Ende am Aktuatorgehäuse 3 ab. Die äußere
Speicherfeder 12 stützt sich mit ihrem anderen Ende auf einem Ringkragen 14 einer
äußeren Schiebehülse 16, die innere Speicherfeder 10 mit ihrem anderen Ende auf
einem Ringkragen 18 einer inneren Schiebehülse 20 ab, wobei die innere Schiebe
hülse 20 der äußeren Schiebehülse 16 und der inneren Wandung 7 des Aktuatorge
häuses 3 zwischengeordnet ist. Ferner sind die innere und die äußere Schiebehülse
16, 20 in axialer Richtung aneinander und die innere Schiebehülse 20 an einer radial
inneren Umfangsfläche der inneren Wandung 7 des Aktuatorgehäuses 3 verschieb
lich geführt, wobei die äußere Schiebehülse 16 in der Lösestellung an einem axialen
Anschlag 22 der inneren Schiebehülse 20 zur Anlage kommt. Ferner überragt der
Ringkragen 14 der äußeren Schiebehülse 16 den Ringkragen 18 der inneren Schie
behülse 20 in axialer und radialer Richtung.
Im Deckelabschnitt 4 ist an der von den Speicherfedern 10. 12 abgewandten Seite
ein im Vierquadrantenbetrieb betreibbarer SR-Motor 24 (switched reluctance motor)
aufgenommen. Der SR-Motor 24 beinhaltet einen radial äußeren, gehäusefesten
Stator 30, welcher einen Rotor 32 umschließt, der mittels einer Haltebremse 34, vor
zugsweise einer Permanentmagnetbremse abbremsbar ist, welche stromlos ge
schlossen und bestromt geöffnet ist. Wie am besten anhand von Fig. 2 zu sehen ist,
sitzt der Rotor 32 auf einer Hohlwelle 36, die über Kugellager 38 im Aktuatorgehäuse
3 drehbar gelagert und an ihrer radial inneren Umfangsfläche mit einer axial verlau
fenden Keilwellenverzahnung 40 versehen ist, in welche radial äußere und in Axial
richtung verlaufende Flügel 42 einer Zwischenhülse 44 eingreifen. Infolgedessen ist
die Zwischenhülse 44 relativ zur Hohlwelle 36 unverdrehbar aber axial verschieblich
geführt.
Ein endseitiger Zapfen 46 einer Bremsspindel 48 ragt koaxial in ein den Speicherfe
dern 10, 12 zugewandtes Ende der Zwischenhülse 44 und ist dort dreh- und axialfest
gehalten. Das andere Ende der Bremsspindel 48 ragt in einen becherförmigen Ab
schnitt 50 eines Pleuels 52 für einen Exzenterhebel 53 hinein, wie Fig. 1 zeigt. Der
becherförmige Abschnitt 50 des Pleuels 52 ist in der äußeren Schiebehülse 16 axi
alfest gehalten, kann aber durch eine Kugelkalotte seitlich ausschwenken. An die
von den Speicherfedern 10, 12 abgewandte Stirnseite des Pleuels 52 ist ein Auge
angeformt, in das ein Bolzen 55 eingreift, welcher mit einem Ende des Exzenterhe
bels 53 einer Exzenteranordnung verbunden ist. Die Exzenteranordnung weist eine
Exzenterwelle 56 auf, die an einen Zangenhebel 57 angelenkt ist, der zusammen mit
einem weiteren Zangenhebel 57' eine Bremszange bildet. An den einen Enden der
Zangenhebel 57, 57' sind jeweils Belaghalter mit Bremsbelägen 58 angeordnet, die
in Richtung der Achse einer Bremsscheibe 59 verschieblich sind. Die von den
Bremsbelägen 58 abgewandt liegenden Enden der Zangenhebel 57, 57' sind mitein
ander über einen Druckstangensteller 59' verbunden, der vorzugsweise elektrisch
betätigt ausgelegt ist.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Bremsspindel 48 innerhalb der inneren Schiebehül
se 20 drehbar gelagert, vorzugsweise mittels eines zweireihigen Rillenkugellagers
61, welches sowohl Axial- als auch Radialkräfte aufnehmen kann und von welchem
ein Innenring durch eine auf einen Außengewindeabschnitt der Bremsspindel 48
aufgeschraubte Mutter 60 gegen eine Schulter 62 der Bremsspindel 48 gespannt
und dadurch an der Bremsspindel 48 dreh- und axialfest gehalten wird. Ein Außen
ring des Rillenkugellagers 61 ist in der inneren Schiebehülse 20 ebenfalls dreh- und
axialfest gehalten.
Die Bremsspindel 48 ist von einer Mutter/Spindelbaueinheit 64 umfaßt, die vorzugs
weise als Wälzegewindetrieb wie beispielsweise Kugelumlaufspindel, Rollengewin
detrieb, Gewinderollenschraubtrieb oder als Planeten-Wälzgewindetrieb ausgebildet
sein kann. Der becherförmige Abschnitt 50 des Pleuels 52 ist dabei in die äußere
Schiebehülse 16 soweit eingesetzt, daß die Mutter 66 der Mutter/Spindelbaueinheit
64 zwischen einem radial inneren Ansatz 68 der äußeren Schiebehülse 16 und einer
Stirnfläche des becherförmigen Abschnitts 50 des Pleuels 52 eingespannt ist, so daß
sie diesem gegenüber verdrehsicher gehalten ist. Bei Drehungen der Bremsspindel
48 wird daher die Mutter 66 entlang der Bremsspindel 48 translatorisch geführt und
nimmt dabei die äußere Schiebehülse 16 und den Pleuel 52 mit.
Im Deckelabschnitt 4 des Aktuatorgehäuses 2 ist ein Ringraum 70 ausgebildet, in
welchem ein mit einer Verriegelungsmutter 72 durch eine Rutschkupplung 74 in trei
bender Verbindung stehendes Tellerrad 76 koaxial zur Bremsspindel 48 aufgenom
men ist. Das Tellerrad 76 sitzt auf der radial äußeren Umfangsfläche der Verriege
lungsmutter 72 und ist mit dieser durch die Rutschkupplung 74 bis zu einem oberen
Grenzdrehmoment drehfest verbunden. Die Rutschkupplung 74 wird vorzugsweise
durch axial ineinander greifende Stirnverzahnungen 78 am Tellerrad 76 und an der
Verriegelungsmutter 72 gebildet, wobei ein sich am Aktuatorgehäuse 3 durch einen
Sprengring 80 axial abstützendes Tellerfederpaket 82, welches auf ein radiales Ril
lenkugel
lager 84 wirkt, das die Verriegelungsmutter 72 relativ zum Aktuatorgehäuse 3 lagert,
die für einen Kraft- und Formschluß der Stirnverzahnungen 78 notwendige Axialkraft
bereitstellt. Das Tellerrad 76 ist an seiner von den Stirnverzahnungen 78 weg wei
senden Seite durch ein Axialnadellager 86 gegenüber dem Aktuatorgehäuse 3 axial
gelagert. Die Verriegelungsmutter 72 umschließt die innere Schiebehülse 20 und ist
auf dieser mittels eines nicht-selbsthemmenden Gewindes 88 drehbar gelagert.
Eine vorzugsweise elektro-magnetisch betätigbare Verriegelungsvorrichtung 90 hat
ein Gehäuse 92, das an einer radialen Öffnung des Ringraumes 70 angeflanscht ist.
Die Verriegelungsvorrichtung 90 umfaßt eine Welle 94, an deren radial innerem En
de ein Kegelrad 96 und an deren gegenüberliegenden, radial äußeren Ende eine
zylindrische Schwungscheibe 98 angeordnet ist. Das Kegelrad 96 kämmt mit der
Verzahnung des Tellerrades 76 und bildet mit diesem ein Kegelradgetriebe, welches
vorzugsweise ein relativ hohes Übersetzungsverhältnis aufweist, welches beispiels
weise in einem Bereich von 3,0 bis 8,0 liegt. Die Welle 94 ist im Gehäuse 92 der Ver
riegelungsvorrichtung 90 durch Rillenkugellager 100 drehbar gelagert, wobei die
Welle 94 senkrecht zur Bremsspindel 48 angeordnet ist.
Die Schwungscheibe 98 hat an ihrer zur Bremsspindel 48 weisenden Stirnfläche ei
ne Ringausnehmung 102 für einen Ring 104, der koaxial zur Welle 94 angeordnet
und entlang sich in axialer Richtung erstreckenden Zapfen 106 verschieblich aufge
nommen ist, wodurch er mit der Schwungscheibe 98 drehfest verbunden ist. Der
Ring 104 weist außerdem an seiner von der Schwungscheibe 98 weg weisenden
Stirnfläche einen radial äußeren Zahnkranz 108 auf, welcher einem weiteren, sich
am Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrichtung 90 abstützenden Zahnkranz 108' ge
genüberliegt und durch die Wirkung von Druckfedern 110 von diesem weg gedrängt
ist. Dem Ring 104 liegen im weiteren zwei im Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrich
tung 90 in Axialrichtung hintereinander angeordnete Magnetspulen 112, 112' gegen
über, welche durch einen elektrischen Anschluß 114 bestrombar sind. Der Ring 104,
die beiden Zahnkränze 108, 108' und die beiden Magnetspulen 112, 112' bilden zu
sammen eine Magnetzahnbremse 116.
Bei bestromten Magnetspulen 112, 122' entstehen magnetische Anziehungskräfte,
die den Ring 104 gegen die Wirkung der Druckfedern 110 entlang der Zapfen 106 in
axialer Richtung auf die Magnetspulen 112, 112' zu bewegen, wodurch der Zahn
kranz 108 des Ringes 104 mit dem am Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrichtung 90
gehaltenen Zahnkranz 108' in Eingriff kommt und somit eine drehfeste Verbindung
mit diesem eingeht. Dann kann ein über das Tellerrad 76 in die Verriegelungsvorrichtung
90 eingeleitetes Drehmoment am Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrichtung
90 abgestützt werden, wobei der Kraftfluß durch das Kegelrad 96, die Welle 94 und
die Schwungsscheibe 98 läuft.
In Lösestellung der Magnetzahnbremse 116 sind die Magnetspulen 112, 112' dage
gen unbestromt, so daß der Zahnkranz 108 des Ringes 104 durch die Wirkung der
Druckfedern 110 mit dem am Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrichtung 90 gehalte
nen Zahnkranz 108' außer Eingriff kommt und infolgedessen sich das Tellerrad 76
zusammen mit dem Kegelrad 96, der Welle 94 und der Schwungscheibe 98 gegen
über dem Gehäuse 92 der Verriegelungsvorrichtung 90 frei drehen kann. Die
Schwungscheibe 98, der Ring 104, die Welle 94 und das Kegelrad 96 bilden dann
zusammen eine senkrecht zur Bremsspindel 48 oder zur Bremszuspannrichtung
drehbare und bezogen auf die Rutschkupplung 74 jenseits der Verriegelungsmutter
72 angeordnete Schwungmasse 118, wobei der Anteil der Schwungscheibe 98 am
Massenträgheitsmoment der Schwungmasse 118 aufgrund Ihres Radius am größten
ist.
Der SR-Motor 24 bildet einen Bremskrafterzeuger, die weiteren Elemente des Kraft
übertragungsweges vom SR-Motor 24 bis zu den Zangenhebeln 57, 57' einen
Bremskraftumsetzer 120. Besonders bevorzugt wird als Bremskrafterzeuger ein E
lektromotor 24 eingesetzt. Alternativ könnte der Bremskrafterzeuger aber auch ein in
eine oder zwei Betätigungsrichtungen wirkender hydraulischer oder pneumatischer
Bremszylinder sein oder eine andere in eine oder zwei Richtungen wirkende Einheit.
Die Verriegelungsvorichtung 90, die Permanentmagnetbremse 34 und der SR-Motor
24 sind von einer nicht dargestellten elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung
ansteuerbar. Vor diesem Hintergrund hat der Bremsaktuator 1 folgende Funktion:
In der in Fig. 1 gezeigten Lösestellung des Bremsaktuators 1 sind die äußere und die innere Speicherfeder 10, 12 vorgespannt. Die Kraft der inneren Speicherfeder 10 wird von der inneren Schiebehülse 20 über das nicht-selbsthemmende Gewinde 88 auf die Verriegelungsmutter 72 und von dort über die Rutschkupplung 74 auf das Tellerrad 76 und die Schwungscheibe 98 übertragen. Infolge der Federkraft der inne ren Speicherfeder 10 wird in dem nicht-selbsthemmenden Gewinde 88 ein Drehmo ment erzeugt, d. h. die Verriegelungsmutter 72 möchte sich zusammen mit der Schwungmasse 118 drehen, was aber durch die bestromte und damit geschlossene Magnetzahnbremse 116 verhindert wird.
In der in Fig. 1 gezeigten Lösestellung des Bremsaktuators 1 sind die äußere und die innere Speicherfeder 10, 12 vorgespannt. Die Kraft der inneren Speicherfeder 10 wird von der inneren Schiebehülse 20 über das nicht-selbsthemmende Gewinde 88 auf die Verriegelungsmutter 72 und von dort über die Rutschkupplung 74 auf das Tellerrad 76 und die Schwungscheibe 98 übertragen. Infolge der Federkraft der inne ren Speicherfeder 10 wird in dem nicht-selbsthemmenden Gewinde 88 ein Drehmo ment erzeugt, d. h. die Verriegelungsmutter 72 möchte sich zusammen mit der Schwungmasse 118 drehen, was aber durch die bestromte und damit geschlossene Magnetzahnbremse 116 verhindert wird.
Die Kraft der äußeren Speicherfeder 12 wird von der äußeren Schiebehülse 16 an
der Mutter 66 der Mutter/Spindelbaueinheit 64 abgestützt, obwohl die Mutter/
Spindelbaueinheit 64 nicht-selbsthemmend ist. Denn das infolge der Kraft der äuße
ren Speicherfeder 12 in der Bremsspindel 48 entstehende Drehmoment wird über
die in Lösestellung geschlossene Permanentmagnetbremse 34 in das Aktuatorge
häuse 3 eingeleitet. Von der Mutter 66 läuft der Kraftfluß über die Bremsspindel 48
und das zweireihige Rillenkugellager 61 in die innere Schiebehülse 20 und nimmt
von dort aus den gleichen Weg in das Tellerrad 76 wie die Kraft der inneren Spei
cherfeder 10. Das bedeutet, daß in Lösestellung sowohl die äußere wie auch die
innere Speicherfeder 10, 12 von der Verriegelungsvorrichtung 90 in gespanntem Zu
stand gehalten werden.
Beim Übergang von der Lösestellung zur einer Betriebsbremsung wird die Perma
nentmagnetbremse 34 durch die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung be
stromt, dadurch öffnet die Bremse 34 und ermöglicht eine Drehung des SR-Motors
24, welcher von der Steuer- und Regeleinrichtung ebenfalls mit elektrischer Energie
versorgt wird. Durch die Drehung des Rotors 32 und der Bremsspindel 48 wird die
Mutter 66 der Mutter/Spindelbaueinheit 64 zusammen mit der äußeren Schiebehülse
16 und dem Pleuel 52 in Betriebsbremsstellung ausgefahren. Diese Ausfahrbewe
gung des Pleuels 52 wird von der äußeren Speicherfeder 12 unterstützt, welche
funktionsbezogen dem SR-Motor 24 parallelgeschaltet ist.
Die Ansteuerung des SR-Motors 24 durch die Steuer- und Regeleinrichtung und die
äußere Speicherfeder 12 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, daß die äußere
Speicherfeder 12 alleine einen definierten Bremskraftwert erzeugt, welcher zwischen
einer minimalen und einer maximalen Bremskraft liegt und einen Betriebsnullpunkt
definiert. Der SR-Motor 24 ist im Betriebsnullpunkt stromlos geschaltet. Die Größe
der im Betriebsnullpunkt wirkenden Bremskraft ist daher unter anderem abhängig
von der Federrate der äußeren Speicherfeder 12 und dem Grad der Vorspannung.
Zum Erreichen der maximalen Bremskraft wird der SR-Motor 24 durch die Steuer-
und Regeleinrichtung im Vierquadrantenbetrieb so gesteuert, daß er die äußere
Speicherfeder 12 durch Drehen in Bremszuspannrichtung und durch Abgabe eines
positiven Bremsmoments unterstützt, was beispielsweise einem Betrieb im ersten
Quadranten entspricht. Zum Erreichen einer Bremskraft kleiner als im Betriebsnull
punkt dreht der SR-Motor 24 zwar in Bremszuspannrichtung, liefert jedoch ähnlich
einem Generator ein negatives Drehmoment, welches über die Mutter/Spindelbau
einheit 64 gegen die äußere Speicherfeder 12 wirkt (Betrieb im zweiten Quadranten).
Die innere Speicherfeder 10 ist bei der Erzeugung der Betreibsbremskraft nicht be
teiligt und verbleibt in gespanntem Zustand, da die Verriegelungsmutter 72 durch die
weiterhin bestromte Magnetzahnbremse 116 arretiert ist.
Das geregelte Einlegen der Feststell oder Parkbremse wird eingeleitet durch die o
ben beschriebene Betriebsbremsung bis zum Erreichen einer Bremskraft, die etwa
20% geringer ist als die mit der Feststellbremse zu erzielende Endkraft. Durch ent
sprechende Steuersignale der Steuereinrichtung wird der SR-Motor 24 stillgelegt, die
Permanentmagnetbremse 34 durch Unterbrechung der Stromzufuhr geschlossen
und die Magnetzahnbremse 116 durch Abschalten der Bestromung gelöst. Aufgrund
der auf die innere Schiebehülse 20 wirkenden, von der inneren Speicherfeder 10
erzeugten Federkraft wird in dem nicht-selbsthemmenden Trapezgewinde 88 zwi
schen der Verriegelungsmutter 72 und der inneren Schiebehülse 20 ein Drehmo
ment erzeugt, welches von der nun frei drehbaren Schwungmasse 118 nicht mehr
abgestützt wird. Folglich beginnt die Verriegelungsmutter 72 auf der inneren Schie
behülse 20 zu rotieren, welche sich daraufhin in Bremszuspannrichtung bewegt und
über ihren axialen Anschlag 22 die äußere Schiebehülse 16 mit dem Pleuel 52 mit
nimmt. Gleichzeitig kann sich die entriegelte äußere Schiebehülse 16 aufgrund der
Federkraft der äußeren Speicherfeder 12 in Bremszuspannrichtung bewegen. Dabei
ist unerheblich, ob die Permanentmagnetbremse 34 geöffnet oder geschlossen ist,
da sich die Zwischenhülse 44 zusammen mit der Bremsspindel 48 bei diesem Vor
gang in der Keilwellenverzahnung 40 der Hohlwelle 36 des Rotors 32 axial ver
schiebt. In der Feststellbremsstellung wirkt daher eine Gesamtbremskraft, welche
sich aus der Summe der Federkräfte der beiden parallel wirkenden Speicherfedern
10, 12 ergibt.
Während der Bremszuspannbewegung wird die Rotation der Verriegelungsmutter 72
über das Kegelradgetriebe 76, 96 in eine mit höherer Drehzahl stattfindende Drehung
der Schwungmasse 118 übersetzt, so daß ein großer Teil der potentiellen E
nergie der sich entspannenden Speicherfedern 10, 12 in Rotationsenergie umge
wandelt wird. Wenn die Bremsstellung erreicht ist, kann die gesamte Energieversor
gung abgeschaltet werden und das Schienenfahrzeug ist durch die Federkräfte der
inneren und äußeren Speicherfeder 10, 12 zuverlässig in Feststellbremsstellung
gehalten. Um die dadurch erzielte Feststellbremskraft über einen längeren Zeitraum
aufrecht zu erhalten, darf bei der inneren und der äußeren Speicherfeder 10, 12 nur
geringe Relaxation zugelassen werden. Vorzugsweise bestehen beide Speicherfe
dern 10, 12 aus hochfestem Siliziumfederdraht CrSiVa TH-381 HRA der Fa. Trefileu
rope.
Mit Erreichen der Bremsstellung stoppt die Rotation der Verriegelungsmutter 72. Die
Rutschkupplung 74 zwischen Verriegelungsmutter 72 und Tellerrad 76 ist derart
ausgelegt, daß das obere Grenzdrehmoment, ab dem eine Relativdrehung zwischen
den Stirnverzahnungen 78 stattfinden kann, durch das Drehmoment aus dem Pro
dukt des Massenträgheitsmoments der Schwungmasse 118 und der nach Durch
laufen des Bremsanlegehubes vorhandenen Verzögerung in Bremsendstellung ü
berschritten wird, so daß die Schwungmasse 118 nach Erreichen der Bremsstellung
zunächst weiterdrehen kann und im wesentlichen durch die zwischen den Stirnver
zahnungen 78 von Tellerrad 76 und Verriegelungsmutter 72 stattfindenden Reibung
langsam zum Stillstand gebracht wird. Hierdurch kann ein allmählicher Abbau der in
der Schwungmasse 118 gespeicherten Rotationsenergie stattfinden.
Falls die Stromversorgung des Bremsaktuators 1 und/oder die Steuer- und Regelein
richtung und eine übergeordnete Fahrzeugsteuerung bei einer Betriebsbremsung
ausfallen, werden die Magnetspulen 112, 112' der Verriegelungsvorichtung 90 nicht
mehr bestromt, so daß die Druckfedern 110 den Ring 104 in Richtung Schwung
scheibe 98 zurückziehen und damit die Magnetzahnbremse 116 lösen. Die daran
anschließenden Ereignisse sind identisch mit den zuvor anläßlich einer Feststell-
oder Parkbremsung beschriebenen, so daß auch für den Fall einer Not- oder Sicher
heitsbremsung sich die Gesamtbremskraft aus einer Summe der Federkräfte der
beiden parallel wirkenden Speicherfedern 10, 12 ergibt.
Das Lösen der Bremse ausgehend von der Feststellbrems- oder Notbremsstellung
erfolgt in zwei Schritten, wobei zunächst die innere Speicherfeder 10 gespannt wird.
Die Permanentmagnetbremse 34 wird von der Steuer- und Regeleinrichtung
bestromt und damit geöffnet und der SR-Motor 24 wird in Bremszuspannrichtung
angetrieben. Dabei stützt sich die drehende Bremsspindel 48 an der Mutter 66 der
Mutter/Spindelbaueinheit 64 ab und bewegt sich zusammen mit der inneren Schie
behülse 20 in Richtung auf die Lösestellung zu. Dabei rotiert die Verriegelungsmutter
72 auf der inneren Schiebehülse 20 bei geöffneter Verriegelungsvorrichtung 90. Bei
Erreichen des gespannten Zustands der inneren Speicherfeder 10, welche dem Zu
stand in der Lösestellung entspricht, wird der SR-Motor 24 durch die Steuer- und
Regeleinrichtung gestoppt und die Verriegelungsvorichtung 90 durch Bestromen der
Magnetspulen 112, 112' in Verriegelungsstellung gebracht. Aber auch bei schon
bestromten Magnetspulen 112, 112' und damit geschlossener Verriegelungsvorrich
tung 90 ist das Spannen der inneren Speicherfeder 10 möglich.
In einem weiteren Schritt wird die äußere Speicherfeder 12 gespannt, indem der SR-
Motor 24 in Gegendrehrichtung, d. h. in Löserichtung betrieben wird, wobei sich die
Bremsspindel 48 an der verriegelten inneren Schiebehülse 20 abstützt durch ihre
Drehung die Mutter 66 der Mutter/Spindelbaueinheit 64 zusammen mit der äußeren
Schiebehülse 16 in Richtung auf die Lösestellung zu schraubt. Anschließend wird
der SR-Motor 24 abgeschaltet und die Permanentmagnetbremse 34 aktiviert.
1
Bremsaktuator
2
Bremszuspanneinrichtung
3
Aktuatorgehäuse
4
Deckelabschnitt
6
Bohrung
7
innere Wandung
8
äußere Wandung
10
innere Speicherfeder
12
äußere Speicherfeder
14
Ringkragen
16
äußere Schiebehülse
18
Ringkragen
20
innere Schiebehülse
22
axialer Anschlag
24
SR-Motor
30
Stator
32
Rotor
34
Haltebremse
36
Hohlwelle
38
Kugellager
40
Keilwellenverzahnung
42
Flügel
44
Zwischenhülse
46
Zapfen
48
Bremsspindel
50
becherförmiger Abschnitt
52
Pleuel
53
Exzenterhebel
55
Bolzen
56
Exzenterwelle
57
Zangenhebel
57
' Zangenhebel
58
Bremsbeläge
59
Bremsscheibe
59
' Druckstangensteller
60
Mutter
61
Rillenkugellager
62
Schulter
64
Mutter/Spindelbaueinheit
66
Mutter
68
Ansatz
70
Ringraum
72
Verriegelungsmutter
74
Rutschkupplung
76
Tellerrad
78
Stirnverzahnungen
80
Sprengring
82
Tellerfederpaket
84
Rillenkugellager
86
Axialnadellager
88
nicht-selbsthemmendes Gewinde
90
Verriegelungsvorrichtung
92
Gehäuse
94
Welle
96
Kegelrad
98
Schwungscheibe
100
Rillenkugellager
102
Ringausnehmung
104
Ring
106
Zapfen
108
Zahnkranz
108
' Zahnkranz
110
Druckfedern
112
Magnetspule
112
' Magnetspule
114
elektr. Anschluß
116
Magnetzahnbremse
118
Rotationsschwungmasse
120
Bremskraftumsetzer
Claims (13)
1. Bremsaktuator, insbesondere für eine Schienenfahrzeugbremse, beinhaltend
eine Speicherbremseinheit mit einem Energiespeicher (10) zum Speichern und Ab
geben von Energie zum Zuspannen der Bremse vorzugsweise im Sicherheits-
und/oder Parkbremsfall, und mit einer Verriegelungseinrichtung (90) zum Ver- und
Entriegeln des Energiespeichers (10), dadurch gekennzeichnet, daß nach Lösen
der Verriegelungseinrichtung (90) von einem Teil der aus dem Energiespeicher (10)
freiwerdenden Energie eine Schwungmasse (118) zu Dämpfungszwecken in Dreh
bewegung versetzbar ist.
2. Bremsaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
vom Energiespeicher (10) erzeugten Kräfte und/oder Momente bei verriegelter Ver
riegelungseinrichtung (90) zumindest über einen Teil der Schwungmasse (118) in ein
Gehäuse (3) des Bremsaktuators (1) einleitbar und dort abstützbar sind.
3. Bremsaktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem
Energiespeicher (10) und der Schwungmasse (118) ein Übersetzungsgetriebe (76,
96) mit einem Übersetzungsverhältnis im Bereich von 3,0 bis 8,0 zwischengeordnet
ist.
4. Bremsaktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwungmasse (118) mit dem Energiespeicher (10) mittels einer Rutschkupplung
(74) lösbar gekoppelt ist, welche derart ausgelegt ist, daß nach Erreichen einer
Bremsstellung die Schwungmasse (118) vom Energiespeicher (10) entkoppelt ist.
5. Bremsaktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schwungmasse (118) wenigstens eine Schwungscheibe (98), eine in einem Gehäu
se (92) der Verriegelungseinrichtung (90) drehbar gelagerte Welle (94), sowie ein
Kegelrad (96) umfaßt, wobei die Schwungsscheibe (98) an einem Ende der Welle
(94), das Kegelrad (96) am anderen Ende der Welle (94) angeordnet ist und das Kegelrad
(96) zusammen mit einem senkrecht zu ihm angeordneten Tellerrad (76) das
Übersetzungsgetriebe bildet.
6. Bremsaktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Tellerrad (76) durch die Rutschkupplung (74) mit einer koaxialen Verriegelungsmut
ter (72) drehfest koppelbar ist, die durch ein nicht-selbsthemmendes Gewinde (88)
entlang eines in Bremszuspannrichtung linear verschieblichen Bremsbetätigungsor
gans (20) schraubbar ist, auf welches der Energiespeicher (10) wirkt.
7. Bremsaktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rutschkupplung (74) durch aufgrund axialer Federvorspannung in drehfestem Ein
griff gehaltene Axialstirnverzahnungen (78) von Tellerrad (76) und Verriegelungs
mutter (72) gebildet wird.
8. Bremsaktuator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Energiespeicher wenigstens eine Schraubenfeder (10) aufweist, welche sich einer
seits an einem Gehäuse (3) des Bremsaktuators (1) und andererseits am Bremsbe
tätigungsorgan (20) abstützt.
9. Bremsaktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bremsbetätigungsorgan eine Hülse (20) beinhaltet, an deren Außenumfang das
nicht-selbsthemmende Gewinde (88) ausgebildet ist.
10. Bremsaktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Welle (94) der Schwungmasse (118) im wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung der
Schraubenfeder (10) verläuft.
11. Bremsaktuator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Verriegelungseinrichtung (90) eine Bremse (116) beinhaltet, welche an der
Schwungmasse (118) und insbesondere an der Schwungscheibe (98) angreift.
12. Bremsaktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bremse durch eine elektromagnetisch betätigbare Magnetzahnbremse (116) gebildet
wird, mit einem von der Schwungscheibe (98) axial verschieblich gehaltenen und
von wenigstens einer Druckfeder (110) in Bremslösestellung gedrängten Ring (104)
mit einem Zahnkranz (108), welcher durch Bestromen wenigstens einer Magnetspule
(112, 112') gegen die Wirkung der Druckfeder (110) mit einem weiteren, sich am
Gehäuse (3) des Bremsaktuators (1) abstützenden Zahnkranz (108') in Eingriff
bringbar ist.
13. Bremsaktuator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ring (104) koaxial zur Welle (94) angeordnet und in einer axialen Ringausnehmung
(102) der Schwungsscheibe (98) entlang sich von diesem in axialer Richtung erstre
ckenden Zapfen (106) verschieblich aufgenommen ist.
Priority Applications (8)
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AU2002228006A AU2002228006A1 (en) | 2000-12-19 | 2001-12-13 | Brake actuator comprising an energy accumulator and an inertia weight |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN109812520A (zh) * | 2019-01-29 | 2019-05-28 | 长沙三占惯性制动有限公司 | 一种带打开保持装置的惯性制动器及控制方法 |
CN113788002A (zh) * | 2021-10-09 | 2021-12-14 | 中车青岛四方车辆研究所有限公司 | 气动停放电制动缸及制动夹钳 |
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2001
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- 2001-12-13 DE DE50104636T patent/DE50104636D1/de not_active Expired - Lifetime
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