DE10164718A1 - Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elekromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse - Google Patents

Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elekromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse, insbesondere einer Schienenfahrzeugbremse, von welchen mindestens eine Bremszuspanneinrichtung (1) wenigstens einen elektrisch betätigbaren Bremsaktuator (2) zum Zuspannen und/oder Lösen der Bremse aufweist. DOLLAR A Die Erfindung sieht vor, daß die Temperatur einer oder mehrerer Komponenten der Bremszuspanneinrichtung (1) und/oder die Umgebungstemperatur gemessen wird, wobei für den Fall, daß eine gemessene Temperatur eine obere Grenztemperatur überschritten hat, der Betrag einer maximal zulässigen Regelabweichung zwischen einer Soll-Zuspannkraft und einer Ist-Zuspannkraft und/oder die Totzeit (Zeitkonstante) der Regelung erhöht wird.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse, insbesondere einer Schienenfahrzeugbremse, nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
  • Im wesentlichen werden derzeit im Schienenfahrzeugbereich drei Bremssysteme eingesetzt: Elektropneumatische Bremssysteme, elektrohydraulische Bremssysteme sowie elektromechanische Bremssysteme. Das Bremssystem kann dabei als aktives oder passives Bremssystem ausgeführt sein, je nachdem ob die Kraft eines Bremsaktuators zum Einbremsen (aktives Bremssystem) oder zum Lösen der Bremse (passives Bremssystem) aufgebracht werden muß. Für den Fall von Betriebsstörungen erfolgt bei elektropneumatischen Systemen eine Energiespeicherung in Druckluftbehältern, bei elektrohydraulischen Systemen in Hydrobehältern und bei elektromechanischen Systemen in Form von Speicherfedern.
  • Die nachveröffentlichte DE 199 45 701 A1 beschreibt eine elektromechanische Bremszuspanneinrichtung für Schienenfahrzeuge mit einem Bremsaktuator, der eine Betriebsbremseinheit sowie eine Speicherbremseinheit mit einem Energiespeicher umfaßt. Die Betriebsbremseinheit beinhaltet einen Bremskrafterzeuger 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. Der elektromotorische Antrieb ist meist durch eine Regelungs- und Leistungselektronik zu schlupfgeregelten (Gleitschutzregelung) und/oder lastkorrigierten Bremsungen ansteuerbar.
  • Aus der gattungsbildenden DE 195 00 834 C2 ist ein Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse bekannt. Hierbei werden die Bremszuspanneinrichtungen im Stillstand des Fahrzeugs wechselweise aktiviert, um eine übermäßige Erwärmung zu verhindern, während bei fahrendem Fahrzeug wieder sämtliche Bremszuspanneinrichtungen eingesetzt werden. Das bekannte Verfahren eignet sich daher nicht zur Reduktion der Temperatur von Bremszuspanneinrichtungen im Fahrbetrieb.
  • Für Komponenten elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen sind in der Regel Temperaturen in einem Temperaturbereich zwischen minus 40 Grad und plus 85 Grad Celsius unproblematisch. Demgegenüber kann die Bremszuspanneinrichtung insbesondere bei Gleitschutzauslösungen oder längeren Gefällebremsungen höheren Temperaturen ausgesetzt sein, wodurch es zu Beschädigungen und Verschleiß an der Bremszuspanneinrichtung, insbesondere n elektrischen oder elektronischen Komponenten kommen kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen zur Verfügung zu stellen, um deren Temperaturbelastung in kritischen Betriebszuständen zu senken.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
    • Vorteile der Erfindung
  • Gemäß dem erfindunfsgemäßen Verfahren wird für den Fall, daß eine gemessene Temperatur eine obere Grenztemperatur überschritten hat, der Betrag einer maximal zulässigen Regelabweichung und/oder die Totzeit (Zeitkonstante) der Regelung erhöht. Durch die Erhöhung der Regelabweichung wird die Anzahl der Aktivierungsvorgänge und die Bestromungshäufigkeit des Stellmotors reduziert, wodurch gleichzeitig die Temperaturbelastung der Bremszuspanneinrichtung sinkt. Das gleiche gilt, wenn die Zeitspanne bis zum Aufbau der Soll-Zuspannkraft erhöht wird.
    • Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer elektromechanischen Bremszuspanneinrichtung, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete, bevorzugte Ausführungsform einer elektromechanischen Bremszuspanneinrichtung bildet eine von mehreren Bremszuspanneinrichtungen eines Schienenfahrzeugs. Die Bremszuspanneinrichtung 1 beinhaltet einen Bremsaktuator 2 mit einer Betriebsbremseinheit und einer Speicherbremseinheit. Die Betriebsbremseinheit hat einen elektrischen Antrieb, beispielsweise einen elektrischen Stellmotor 4, der in einem Aktuatorgehäuse 6 des Bremsaktuators 2 untergebracht ist. Ein mechanischer Kraftumsetzer 8 dient zur Umsetzung der vom Bremsaktuator 2 abgegebenen Energie in eine Bremszuspannbewegung.
  • Der Stellmotor 4 versetzt eine koaxiale Bremsspindel 10 in Drehung, welche durch den Kraftumsetzer 8 in eine Bremszuspannbewegung von Bremsbelägen 12 in Richtung auf eine Wellenbremsscheibe 14 gewandelt werden. Der Kraftumsetzer 8 umfaßt unter anderem eine Mutter-/Spindel-Baueinheit 16 mit einer auf der Bremsspindel 10 drehbar gelagerten Spindelmutter 18, welche bei Drehung der Bremsspindel 10 Linearbewegungen in Richtung der Spindelachse 42 ausführen kann. Das vom Stellmotor 4 abgewandte Ende der Bremsspindel 10 ragt in einen zylindrischen Hohlabschnitt eines Pleuels 20 hinein, der mit der Spindelmutter 18 dreh und axialfest verbunden ist. Außerdem ist der zylindrische Hohlabschnitt des Pleuels 20 in einer Schiebehülse 22 dreh- und axialfest gehalten, auf welche wenigstens eine sich am Aktuatorgehäuse 6 abstützende Speicherfeder 24 wirkt. Die Speicherfeder 24 ist Teil der Speicherbremseinheit und dient als 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. Sowohl die Betriebs- als auch die Speicherbremseinheit wirken auf den Pleuel 20. In Bremslösestellung ist die Speicherfeder 24 durch eine Verriegelungseinrichtung 26 in der vorgespannten Stellung gehalten.
  • Ein Pleuelkopf 28 des Pleuels 20 ragt aus der Schiebehülse 22 heraus und ist an einem Bremshebel 36 mittels eines Gelenks 40 senkrecht zur Spindelachse 42 angelenkt. Bei Antrieb der Bremsspindel 10 in Bremszuspannrichtung bzw. bei Lösen der Verriegelungseinrichtung 26 der Speicherfeder 24 wird aufgrund des dann axial ausfahrenden Pleuels 20 ein Gelenkbolzen des Gelenks 40 unter anderem durch im wesentlichen senkrecht zur Bolzenachse angreifende Scherkräfte beansprucht.
  • Das andere Ende des Bremshebels 36 wirkt auf eine Exzenteranordnung mit einer Exzenterwelle 46, die an einen Zangenhebel 48 angelenkt ist, der zusammen mit einem weiteren Zangenhebel 50 eine Bremszange 52 bildet. An den einen Enden der Zangenhebel 48, 50 sind jeweils Belaghalter 54 mit Bremsbelägen 12 angeordnet, die in Richtung der Achse der Wellenbremsscheibe 14 verschieblich sind. Die von den Bremsbelägen 12 abgewandt liegenden Enden der Zangenhebel 48, 50 sind miteinander über einen Druckstangensteller 56 verbunden, der vorzugsweise elektrisch betätigt ausgelegt ist. Die beschriebene Anordnung bildet ebenfalls einen Teil des Kraftumsetzers 8, der die vom Stellmotor 4 oder von der Speicherfeder 24 veranlaßten Ausfahrbewegungen des Pleuels 20 in eine Bremszuspannbewegung der Bremsbeläge 12 in Richtung auf die Bremsscheibe 14 wandelt.
  • Der Gelenkbolzen des Gelenks 40 wird vorzugsweise durch einen Scherkraftmeßbolzen 58 gebildet. Der Scherkraftmeßbolzen 58 ist mit wenigstens einem aus Maßstabsgründen nicht dargestellten Meßaufnehmer zur Messung von Größen versehen, aus welchen die an den Bremsbelägen 12 wirkende Bremskraft mittelbar oder unmittelbar ableitbar ist. In bevorzugter Ausführungsform wird der Meßaufnehmer durch Dehnmeßstreifen (DMS) gebildet, die am Umfang des Scherkraftmeßbolzens 58 vorzugsweise durch Klebung derart befestigt sind, daß sie den aufgrund der gegensinnig wirkenden Scherkräfte hervorgerufenen Scherverformungen des Scherkraftmeßbolzens 58 proportionale Signale erzeugen. Anstatt am Scherkraftmeßbolzen 58 oder zusätzlich hierzu können auch ein oder mehrere Dehnmeßstreifen am Bremshebel 36 angeordnet sein, um aus den Verformungen des Bremshebels 36 die Bremskräfte ableiten zu können.
  • In einer eine DMS-Brückenschaltung beinhaltenden Auswerteelektronik findet eine Umrechnung der Scherverformungssignale in Signale für die jeweils an den Bremsbelägen 12 wirkende Ist-Zuspannkraft statt, welche über eine Signalleitung 59 an eine Steuer- und Regeleinrichtung 60 weitergeleitet werden, um anhand eines Soll-Ist-Vergleichs eine Regeldifferenz zwischen einer Soll-Zuspannkraft und der Ist-Zuspannkraft zu berechnen. Die Bremskraft-Sollwertvorgabe orientiert sich beispielsweise am Erreichen einer geforderten Soll-Zuspannkraft in möglichst kurzer Zeit beispielsweise 75% der maximalen Zuspannkraft in 0,3 Sekunden.
  • Die Steuer- und Regeleinrichtung 60 steuert ein Leistungsteil 62 an, welches in Abhängigkeit der berechneten Regeldifferenz einen Betriebsstrom für den Stellmotor 4 aussteuert, der durch einen an eine zwischen dem Leistungsteil 62 und dem Stellmotor 4 verlaufende elektrische Leitung 64 angeschlossenen Stromsensor 66 gemessen wird, wobei eine Rückmeldung an die Steuer- und Regeleinrichtung 60 durch ein entsprechendes, über eine Signalleitung 68 rückgeführtes Motorstromsignal erfolgt. Außer zur Einregelung einer Soll- Zuspannkraft dienen die in die Steuer- und Regeleinrichtung 60 eingesteuerten Signale für die Ist-Zuspannkräfte und für den jeweiligen Motorstrom zur Überwachung der Krafteinsteuerung und Funktionsfähigkeit der Bremszuspanneinrichtung 1 bei sicherheitsrelevanten Bremsungen. Zur Verifizierung der Meßergebnisse kann auch der antriebsseitig durch den Stromsensor 66 gemessene Motorstrom in der Steuer- und Regeleinrichtung 60 mit dem Signal für die Ist-Zuspannkraft abgeglichen werden.
  • Ein in der Motorwicklung des Stellmotors 4 angeordneter Temperatursensor 70 dient zur Temperaturüberwachung während des Betriebs und liefert über eine Signalleitung 72 entsprechende Signale an die Steuer- und Regeleinrichtung 60. Zusätzlich können weitere Temperatursensoren zur Temperaturüberwachung von einzelnen oder mehreren Komponenten der Bremszuspanneinrichtung 1 vorgesehen sein, beispielsweise ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Leistungsteils 62. Darüber hinaus kann auch ein Temperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur Werte an die Steuer- und Regeleinrichtung 60 liefern.
  • Die Bremszuspanneinrichtung 1 ist vorzugsweise zur Erzeugung von lastkorrigierten und/oder schlupfgeregelten Bremskräften ausgebildet, wobei unter einer lastkorrigierten Bremskraft eine im wesentlichen an das jeweils vorliegende Gewicht des Schienenfahrzeugs angepaßte Bremskraft und unter einer schlupfgeregelten Bremskraft eine Bremskraft verstanden werden soll, durch welche die Bremsung mit idealem Radschlupf erfolgt (Gleitschutzregelung). Hierzu weist Steuer- und Regeleinrichtung 60 entsprechende Regelfunktionen auf.
  • Vor diesem Hintergrund wird die elektromechanische Bremszuspanneinrichtung 1 nach folgendem temperaturreduzierenden Verfahren betrieben:
  • Für den Fall, daß die Ist-Temperatur des Stellmotors 4, des Leistungsteils 62, einer weiteren Komponente der Bremszuspanneinrichtung 1, die Umgebungstemperatur oder ein aus diesen Größen gebildeter Temperaturwert eine obere Grenztemperatur erreicht oder überschritten hat der Betrag der maximal zulässigen Regelabweichung der jeweils vorliegenden, vom Scherkraftmeßbolzen 58 gemessenen Ist-Zuspannkraft von der Soll-Zuspannkraft erhöht. Wenn beispielsweise die zulässige Zuspannkraft-Regelabweichung bei Temperaturen niedriger als die obere Grenztemperatur einen Wert von 1% überschreitet, so wird der Stellmotor 4 von der Steuer- und Regeleinrichtung 60 zur Nachregelung der Zuspannkraft angesteuert. Wenn sich der Stellmotor 4 hingegen in einem überhitzten Zustand befindet, so kann die maximal zulässige Regelabweichung durch die Steuer- und Regeleinrichtung 60 auf ein Mehrfaches heraufgesetzt werden, beispielsweise auf 7%. Dies hat zur Folge, daß der Stellmotor 4 erst dann wieder bestromt wird, wenn die Ist-Zuspannkraft von der Soll-Zuspannkraft um mehr als 7% abweicht.
  • Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, daß für den Fall, daß die Ist-Temperatur des Stellmotors 4, des Leistungsteils 62, einer weiteren Komponente der Bremszuspanneinrichtung 1, die Umgebungstemperatur oder ein aus diesen Größen gebildeter Temperaturwert eine obere Grenztemperatur erreicht oder überschritten hat die Totzeit (Zeitkonstante) der Zuspannkraft-Regelung verlängert wird. Dies bedeutet daß sich die Zeitspanne bis zum Aufbau der Soll- Zuspannkraft erhöht. Infolgedessen sinkt die Bestromungshäufigkeit des Stellmotors 4.
  • Bei dem bisher beschriebenen Verfahren orientiert sich das Eintrittskriterium, ab welchem durch die Steuer- und Regeleinrichtung 60 Maßnahmen zur Temperatursenkung ergriffen werden, am Überschreiten einer oberen Grenztemperatur durch die gemessene(n) Ist-Temperatur(en) (Stufenkriterium). Alternativ oder zusätzlich hierzu kann diese Maßnahme in im wesentlichen stufenloser Abhängigkeit von der gemessenen Ist-Temperatur umgesetzt werden, beispielsweise in einem proportionalen Verhältnis zu ihr. Dies würde beispielsweise bedeuten, daß die maximal zulässige Regelabweichung ausgehend von einem Minimalwert etwa proportional zur Ist-Temperatur des Stellmotors 4 erhöht wird. Denkbar ist auch, daß einem Intervall gemessener Ist-Temperaturen ein bestimmter Grad an Umsetzung der Maßnahme zugeordnet wird. Demgemäß wird dann beispielsweise jedem Ist-Temperatur-Intervall eine bestimmte Regelabweichung zugeordnet mit der Maßgabe, daß mit steigender Ist- Temperatur eine größere Regelabweichung hervorgerufen wird.
  • Möglich ist aber auch eine Kombination der beiden genannten Vorgehensweisen, dergestalt, daß erst ab Überschreiten einer oberen Grenztemperatur durch die gemesse(nen) Ist-Temperatur(en) mit der Anpassung von Regelabweichung und Zeitkonstante begonnen wird und dann diese Größen proportional zur gemessenen Ist-Temperatur verändert werden. Die obere Grenztemperatur, ab welcher die genannten Maßnahmen zum Tragen kommen, beträgt vorzugsweise 85 Grad Celsius. Bezugszahlenliste 1 Bremszuspanneinrichtung
    2 Bremsaktuator
    4 Stellmotor
    6 Aktuatorgehäuse
    8 Kraftumsetzer
    10 Bremsspindel
    12 Bremsbelag
    14 Bremsscheibe
    16 Mutter-/Spindel-Baueinheit
    18 Spindelmutter
    20 Pleuel
    22 Schiebehülse
    24 Speicherfeder
    26 Verriegelungseinrichtung
    28 Pleuelkopf
    36 Bremshebel
    40 Gelenk
    42 Spindelachse
    46 Exzenterwelle
    48 Zangenhebel
    50 Zangenhebel
    52 Bremszange
    54 Belaghalter
    56 Druckstangensteller
    58 Scherkraftmeßbolzen
    59 Signalleitung
    60 Steuer- und Regeleinrichtung
    62 Leistungsteil
    64 elektrische Leitung
    66 Stromsensor
    68 Signalleitung
    70 Temperatursensor
    72 Signalleitung

Claims (1)

1. Verfahren zur Reduktion der Betriebstemperatur elektromechanischer Bremszuspanneinrichtungen einer Fahrzeugbremse, insbesondere einer Schienenfahrzeugbremse, von welchen mindestens eine Bremszuspanneinrichtung (1) wenigstens einen elektrisch betätigbaren Bremsaktuator (2) zum Zuspannen und/oder Lösen der Bremse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur einer oder mehrerer Komponenten der Bremszuspanneinrichtung (1) und/oder die Umgebungstemperatur gemessen wird, wobei für den Fall, daß eine gemessene Temperatur eine obere Grenztemperatur überschritten hat, der Betrag einer maximal zulässigen Regelabweichung zwischen einer Soll-Zuspannkraft und einer Ist- Zuspannkraft und/oder die Totzeit (Zeitkonstante) der Regelung erhöht wird.
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