DE102008003527B3

DE102008003527B3 - Bremszylinder zur Erzeugung einer Bremskraft

Info

Publication number: DE102008003527B3
Application number: DE200810003527
Authority: DE
Inventors: Marc-Oliver Herden; Matthaeus Englbrecht
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: WO2009086923A1

Abstract

Bremszylinder zur Erzeugung einer Bremskraft für die Bremse eines Fahrzeuges, umfassend einen in einem Zylindergehäuse (1) kraftbeaufschlagten Kolben (5) mit Kolbenstange (4) zur Weiterleitung der Bremskraft nach außen, welcher in einer Hubrichtung durch eine ebenalls im Zylindergehäuse (1) integrierte Stahlfeder (8) bewegbar ist, wobei die Kraftbeaufschlagung des Kolbens (5) mindestens ein im Zylindergehäuse (1) zwischen Zylinderboden/Zylinderdeckel (2, 3) und dem Kolben (5) wirkendes EAP-Element (7) nach Maßgabe von diesem zugeführter elektrischer Energie durchführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bremszylinder zur Erzeugung einer Bremskraft für die Bremse eines Fahrzeugs, umfassend einen in einem Zylindergehäuse kraftbeaufschlagten Kolben mit Kolbenstange zur Weiterleitung der Bremskraft nach außen, welcher in einer Hubrichtung durch eine ebenfalls im Zylindergehäuse integrierte Stahlfeder bewegbar ist.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Erzeugung oder Rückhaltung einer Betätigungskraft für Klotzbremsen, Feststellbremsen, Scheibenbremsen, Magnetschienenbremsen mit direkter Krafteinleitung oder indirekter Krafteinleitung über Hebel oder Exzenter im Rahmen von Bremssystemen für Fahrzeuge. Herkömmliche Bremssysteme basieren insbesondere für Schienenfahrzeuge auf einer pneumatischen oder hydraulischen Kraftspeicherung und Aktivierung mittels geeigneter Aktoren, wie insbesondere Bremszylindern. Die Kraftbeaufschlagung des Kolbens kann erfolgen durch Federkraft, pneumatisch oder hydraulisch aufgebrachte Kräfte oder elektromotorisch aufgebrachte Kräfte.
Aus der DE 31 32 581 A1 geht ein derartiger Bremszylinder hervor. Der Bremszylinder ist nach Art eines Federspeicher-Bremszylinders ausgebildet und enthält dementsprechend eine einseitig axial unverschieblich abgestützte Speicherfeder, einen von der Speicherfeder beaufschlagten Kolben sowie einen zwischen dem Kolben und der Kolbenstange angeordneten, bei eingebremstem Bremszylinder drehmomentbelasteten, nicht selbsthemmenden Gewindespindeltrieb, der einen in Drehmomentrichtung sperrenden Freilauf umfasst. Das Spannen der Speicherfeder erfolgt über eine rückwärtige Druckluftbeaufschlagung des Kolbens. Die von der Speicherfeder nach Aktivierung freiwerdende Druckenergie wird durch das Anpressen von Bremsbelegen an Bremsscheiben oder Radreifen in Reibungsenergie umgesetzt, welche indirekt zur Verzögerung des Fahrzeugs genutzt werden. Ein Problem derartiger Lösungen besteht darin, dass zur Erzeugung der Bremskraft die erforderliche hydraulische oder pneumatische Druckenergie mittels Pumpe oder mittels eines Kompressors erzeugt werden muss, d. h. aus einer anderen Energieart umgewandelt werden muss, was entsprechend verlustbehaftet ist. Ferner sind Druckbehälter oder Membranblasenspeicher zur Speicherung der so erzeugten Energie erforderlich, welche einen entsprechenden Platzbedarf im Fahrzeug beanspruchen. Ferner besteht ein erhöhter gerätetechnischer Aufwand, da beispielsweise zwecks Druckregelung Ventile erforderlich sind.
Aus der DE 10 2004 008 384 A1 geht ein alternatives Bremssystem hervor, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet, in dem direkt aus elektrischer Energie über die elektromechanische Vorspannung und Auslösung einer Bremsfeder die notwendige Bremskraft bei einem Reibelement erzeugt wird. Für derartige elektromechanische Bremsen ist jedoch ein Elektromotor zur Erzeugung der mechanischen Kraft erforderlich, was einen recht hohen Aufwand erfordert. Denn im Regelfall ist jeder Bremse ein eigener Elektromotor zuzuordnen.
Aus der DE 40 10 215 A1 geht ein demgegenüber recht einfach konstruierter Bremszylinder für eine Impulsbremsanlage hervor. Es wird hier ein elektrohydraulischer Effekt benutzt, bei dem durch Funkentladung in die elektrischen Flüssigkeiten hohe Drücke realisiert werden können. Insoweit ist hier die ansonsten übliche Druckluft durch diese spezielle Flüssigkeit ersetzt. Nachteilhaft hierbei erscheinen die in Verbindung mit einer Flüssigkeit auftretenden Dichtheits- und Entsorgungsprobleme.
Bei der Lösung nach DE 199 33 962 C2 wird die vorstehend geschilderte Problematik dadurch vermieden, dass der Bremszylinder per elektromotorischen Antrieb betätigbar ist. Diese Antriebsart ist allerdings im Gegensatz zu fluidtechnischen Antrieben recht aufwendig.
Bei der Lösung nach DE 699 33 254 T2 kommt ein Bremszylinder zur Anwendung, welcher neben einer hydraulischen auch eine elektrische Betätigung aufweist, wobei die elektrische Betätigung über einen Elektromagneten erfolgt. Bei dieser Hybridlösung ist der elektrische Antrieb zwar weniger aufwendig als ein Elektromotor, jedoch bestehen weiterhin die Nachteile der parallelen hydraulischen Betätigung, welche vorstehend angegeben worden sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Bremszylinder zur Erzeugung einer Bremskraft zu schaffen, welcher auf einfache Weise elektrische Energie direkt in eine Kraft umsetzt, die zum Bremsen genutzt wird.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Bremszylinder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Kraftbeaufschlagung des Kolbens mindestens ein im Zylindergehäuse zwischen Zylinderboden oder Zylinderdeckel und dem Kolben wirkendes EAP-Element nach Maßgabe von diesem zugeführter elektrischer Energie durchführt. Das EAP-Element kann dabei auch eine durch Federkraft aufgebrachte Bremskraft zurückhalten, wie dies bei einem Federspeicherzylinder genutzt wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass eine direkte Umsetzung elektrischer Energie in eine Bremskraft platzsparend innerhalb des Bremszylinders durchführbar ist. Es sind keine Energiespeichergeräte, wie Behälter, und keine weitere aufwendige Apparatetechnik, wie Ventile, Pumpen und dergleichen erforderlich. Im Gegensatz zu Elektromotoren erweist sich ein EAP-Element als weniger aufwendig. Die Abkürzung EAP bedeuetet Elektro-Aktives-Polymer. Dies bezeichnet einen an sich bekannten Werkstoff, welcher unter Zugabe elektrischer Energie kontrahiert und sich damit zur Erzeugung einer Kraft eignet.
Die erfindungsgemäße Lösung kommt in zwei bevorzugten Ausführungsformen zum Einsatz. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das EAP-Element zur Aufbringung der Bremskraft vorgesehen, wogegen die Stahlfeder die Rückstellkraft für den Kolben erzeugt. Somit wird das EAP-Element hier zur aktiven Bremskrafterzeugung genutzt. Gemäß der anderen bevorzugten Ausführungsform wird eine demgegenüber passive Bremskrafterzeugung dadurch realisiert, dass die Stahlfeder die Bremskraft aufbringt, wogegen das EAP-Element für die Rückstellung der Stahlfeder sogt.
Gemäß einer für beide vorstehend erläuterten Ausführungsformen geeigneten Weiterverbesserung wird vorgeschlagen, dass das EAP-Element mit der Stahlfeder gemeinsam in der selben Kammer des Zylindergehäuses angeordnet ist. Die Anordnung kann in derjenigen Kammer erfolgen, welche durch Einfahren der Kolbenstange die Bremskraft erzeugt. Auf diese Funktionsart sind recht viele Bremssysteme ausgelegt. Es ist jedoch auch möglich, durch eine entsprechend andere zylindergehäuseinterne Anordnung der krafterzeugenden Elemente die Bremskraft durch Ausfahren der Kolbenstange zu erzeugen, falls ein Anwendungsfall dies erfordert.
Falls EAP-Element und Stahlfeder in einer gemeinsamen Kammer untergebracht werden, ist es vorteilhaft, das EAP-Element hohlzylinderförmig auszubilden. Dies schafft die Voraussetzung dafür, das EAP-Element derart platzsparend innerhalb der als Spiralfeder ausgebildeten Stahlfeder unterzubringen, dass die Stahlfeder das EAP-Element koaxial umgibt. Das EAP-Element kann daneben auch aus einen oder mehreren im wesentlichen stabartigen Faserelementen bestehen, die benachbart zueinander in der Kammer angeordnet sind.
Vorzugsweise besteht das EAP-Element aus dielektrischem oder ionischem elektro-aktiven Polymermaterial. Dielektrische EAP's erzeugen eine Kraft durch elektrostatische Kräfte zwischen zwei Elektronen, welche das Polymer quetschen. Diese Art von EAP's erfordern eine hohe Betriebsspannung von bis zu einigen 1000 V, zeichnen sich jedoch durch einen relativ geringen Energieverbrauch aus. Der Trend in der Technik geht dahin, die Versorgungsspannung zu senken, so dass die Anwendung im Fahrzeugbereich noch interessanter wird. Dagegen erzeugen ionische EAP's eine Kraft durch Verschiebung von Ionen innerhalb des Polymers. Lediglich eine geringe Betriebsspannung ist zur Aktivierung erforderlich, jedoch erfordert der Innenfluss eine vergleichsweise höhere elektrische Energie.
Die innenliegend im Zylindergehäuse untergebrachten EAP-Elemente müssen mit einer außerhalb angeordneten elektrischen Energieversorgungsquelle verbunden werden und es wird diesbezüglich vorgeschlagen, die elektrischen Anschlüsse des innenliegenden EAP-Elements über beide gegenüberliegende Stirnseiten am Zylinderboden/Zylinderdeckel sowie dem Kolben mittels integrierter elektrischer Leitungen vorzunehmen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die elektrischen Leitungen den Bewegungen gehäuseinterner Bauteile folgen müssen, also hinreichend flexibel verlegt sein müssen, beispielsweise in Form von Spiraldrähten. Die Zuführung der elektrischen Energie zum EAP-Element folgt vorzugsweise über mindestens eine außen am Zylindergehäuse angeordnete elektrische Anschlussbuchse.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher dargestellt. Es zeigt:
1 einen schematischen Seitenschnitt durch einen Bremszylinder mit aktiver Bremskrafterzeugung in der Bremsposition,
2 einen schematischen Seitenschnitt durch einen Bremszylinder mit aktiver Bremskrafterzeugung in der Ruheposition,
3 einen schematischen Seitenschnitt durch einen Bremszylinder mit passiver Bremskrafterzeugung in der Ruheposition, und
4 einen schematischen Seitenschnitt durch einen Bremszylinder mit passiver Bremskrafterzeugung in der Bremsposition.
Gemäß 1 umfasst der hier dargestellte Bremszylinder ein Zylindergehäuse 1 mit einem Kolbenboden 2 sowie einem Kolbendeckel 3, durch welchen eine Kolbenstange 4 geführt ist. Die Kolbenstange 4 ist mit ihrem proximalen Ende mit einem innerhalb des Zylindergehäuses 1 untergebrachten Kolben 5 verbunden.
Für eine aktive Bremskrafterzeugung ist in einer zylinderdeckelseitigen ersten Kammer 6 ein EAP-Element 7 angeordnet. Das EAP-Element 7 weist eine hohlzylinderartige Gestalt auf und ist von einer als Druckfeder ausgebildeten Stahlfeder 8 koaxial umgeben. Eine zur gegenüberliegenden Seite des Kolbens 5 vorhandene Kammer 9 steht über eine Atmungsbohrung unter Atmosphärendruck.
Die Versorgung des EAP-Elements 7 mit elektrischer Energie erfolgt über elektrische Leitungen 10a und 10b, welche seitens des Zylinderbodens 2 bzw. seitens des Zylinderdeckels 3 in das Zylindergehäuse 1 eintreten, um im Bereich des Zylinderdeckels 3 sowie des Kolbens 5 intern das EAP-Element 7 stirnseitig anzuschließen. Zum elektrischen Anschluss ist außen am Zylindergehäuse 1 eine elektrische Anschlussbuchse 11a und 11b vorgesehen.
Das EAP-Element 7 befindet sich im bestromten Zustand, so dass dieses kontrahiert und die Kolbenstange 4 in die Bremsposition ausgefahren ist.
Erfolgt gemäß 2 keine Bestromung des EAP-Elements 7, so entspannt sich dieses, was den Kolben 5 durch die Stahlfeder 8 derart bewegt, dass die Kolbenstange 4 in die eingefahrene Ruheposition gelangt. Hierbei wird die Stahlfeder 8 entspannt.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform setzt eine passive Bremskraft der Erzeugung um. Dementsprechend wird die Bremskraft durch die Stahlfeder 8' aufgebracht, welche hier zwischen dem Zylinderboden 2 und dem Kolben 5 wirkt. Die Kolbenstange 4 gelangt durch Kontraktion des EAP-Elements 7' in die eingefahrene Position.
Wird gemäß 4 das EAP-Element 7', welche koaxial zu der Stahlfeder 8' angeordnet ist nicht bestromt, so bewegt sich der Kolben 5 und mit ihm die Kolbenstange 4 durch die Stahlfeder 8' in die ausgefahrene Bremsposition.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es können vielmehr auch Abwandlungen hiervon realisiert werden, welche vom Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So lässt sich durch Umpositionierung von Stahlfeder und EAP-Element auch eine passive Bremskrafterzeugung durch Ausfahren der Kolbenstange umsetzen.

1: Zylindergehäuse
2: Zylinderboden
3: Zylinderdeckel
4: Kolbenstange
5: Kolben
6: Kammer
7: EAP-Element
8: Stahlfeder
9: Kammer
10: elektrische Leitung
11: elektrischer Anschluss

Claims

Bremszylinder zur Erzeugung einer Bremskraft für die Bremse eines Fahrzeuges, umfassend einen in einem Zylindergehäuse (1) kraftbeaufschlagten Kolben (5) mit Kolbenstange (4) zur Weiterleitung der Bremskraft nach außen, welcher in einer Hubrichtung durch eine ebenfalls im Zylindergehäuse (1) integrierte Stahlfeder (8) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein im Zylindergehäuse (1) zwischen Zylinderboden oder Zylinderdeckel (2, 3) und dem Kolben (5) wirkendes EAP-Element (7) angeordnet ist, das durch Zuführung elektrischer Energie die Kraftbeaufschlagung des Kolbens (5) durchführt, wobei das EAP-Element (7; 7') mit der Stahlfeder (8; 8') gemeinsam in der selben Kammer (6) des Zylindergehäuses (1) angeordnet ist.
Bremszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur aktiven Bremskrafterzeugung das EAP-Element (7) vorgesehen ist und die Stahlfeder (8) zur Erzeugung der Rückstellkraft vorgesehen ist.
Bremszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur passiven Bremskrafterzeugung die Stahlfeder (8') vorgesehen ist und das EAP-Element (7') zur Erzeugung der Rückstellkraft vorgesehen ist.
Bremszylinder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremskraft durch Einfahren der Kolbenstange (4) erzeugbar ist.
Bremszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das EAP-Element (7) hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
Bremszylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Spiralfeder ausgebildete Stahlfeder (8) das EAP-Element (7) koaxial umgibt.
Bremszylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das EAP-Element (7) aus dielektrischem oder ionischem elektro-aktiven Polymermaterial besteht.
Bremszylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse das EAP-Elementes (7) über die einander gegenüberliegenden Stirnseiten am Zylinderboden oder Zylinderdeckel (2, 3) und Kolben (5) mittels integrierter elektrischer Leitungen (10a, 10b) erfolgt.
Bremszylinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zuführung elektrischer Energie zum EAP-Element (7) außen am Zylindergehäuse (1) eine elektrische Anschlussbuchse (11a, 11b) angeordnet ist.