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Gebiet der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeugbremssystem gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben dieses Fahrzeugbremssystems gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Lastgesteuerte bzw. lastabhängige Druckluftbremsen in Eisenbahnwagen ermöglichen ein Einstellen der Bremskraft jedes Wagens auf die Masse bzw. Last desselben und das Erzielen einer Bremswirkung die lastunabhängig so gleichmäßig wie möglich ist. Dadurch können die Züge mit höherer Geschwindigkeit fahren. Die verfügbare Bremskraft muss insgesamt höher sein. Die Bremskraft für mit höherer Geschwindigkeit fahrenden Eisenbahnwagen höherer Kapazität (120 km/h, Bremsstellung SS) muss daher höher sein als bei Wagen niedrigerer Geschwindigkeit und kleinerer Kapazität (100 km/h, Bremsstellung S). Die betrieblichen Forderungen für lastgesteuerte Bremsventile hängen von der Bremsstärke ab und sind in den einschlägigen Eisenbahnbetriebsvorschriften niedergelegt.
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Im Bremsbetrieb nicht einheitlich bestückter Züge aus Wagen der Bremsstellungen SS und S treten in den Radsätzen der Wagen insbesondere bei längerem Bremsen in Bergen mit längeren Abwärtsstrecken ungleichmäßige thermische Belastungen auf. Wegen ihrer höheren Bremskapazität übernehmen die Bremsen von SS-gebremsten Wagen einen größeren Anteil der Bremsanforderung des Zugs insgesamt als die Bremsen von S-gebremsten Wagen. Das Ergebnis ist ein Überhitzen der Bremsen von SS-gebremsten Wagen. In Bremssystemen von SS-gebremsten Wagen ist daher der Einsatz einer Ventilvorrichtung ratsam, die den Ausgangsdruck zum Bremszylinder bei niedrigerer Bremsanforderung für eine Teilbremsung (um generell die gleiche Geschwindigkeit des Zugs beim Abwärtsfahrten beizubehalten) und so auch die Bremskraft so verringert, dass die Bremskapazität dieser Wagen auf die von S-gebremsten Wagen gesenkt wird. Dieses Prinzip ist bekannt; es wird auch bei Straßen- und landwirtschaftlichen Fahrzeugen eingesetzt, wo die Bremslast zwischen Achsen mit unterschiedlicher Bremskapazität aufgeteilt werden muss.
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Ist weiterhin ein intensiveres Bremsen gefordert, muss das Ventilsystem einen stoßfreien Übergang der Bremsen der SS-gebremsten Wagen auf die nicht abgeschwächte bzw. ursprüngliche Bremswirkung erlauben. Ist dann eine volle oder schnelle (Not-)Bremsung erforderlich, muss das Ventil den freien Durchgang des nicht reduzierten Luftdrucks in die Bremszylinder der Wagen zulassen.
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Dies wird erreicht durch ein ergänzendes Ventil mit einer so genannten ”geknickten” Kennlinie. Dieses Ventil mit geknickte Kennlinie (KV-Ventil) steuert den Druck C (Druck in den Bremszylinder) abhängig von sowohl einem Anschlussdruck C', also dem Ausgangsdruck des lastabhängigen Ventils LV, als auch vom Steuerdruck CV aus dem Bremsverteiler R (vergl. 2a).
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In einem Eisenbahnzug hat zwar jeder Radsatz einen eigenen, mit Druckluft betätigten Bremssatz; jedoch werden sämtliche Bremsen entlang des Zuges mit dem Luftdruck in einer einzigen Leitung angesteuert, die über die gesamte Zuglänge verläuft. Nach dem von George Westinghouse im 19. Jahrhundert entwickelten Prinzip wird der Druck in der Hauptbremsleitung hoch gehalten, wenn keine Bremsung benötigt wird, aber zum Einlegen der Bremsen abgesenkt. Ein solches System ist ausfallsicher, da ein Schaden an der Bremsleitung einen Druckabfall und so ein sofortiges Einlegen der Bremsen im gesamten Zug bewirken würde. In jedem Bremssatz wandelt ein als Vorsteuerventil bzw. ”Verteiler” bekanntes Ventil einen Druckabfall in der Hauptbremsleitung (HL) des Zuges in einen Anstieg des an die Bremszylinder zu legenden Bremsdrucks CV um. Der Verteiler gewährleistet auch, dass ein mit Druckluft gefüllter Behälter PV auf dem vollen Druck der Hauptleitung HL gehalten wird. Die Druckluft in diesem Behälter liefert die Energie für die Bremsung. In seiner einfachsten Form erlaubt der Verteiler R an jedem Bremssatz einen Zufluss von Druckluft aus der Hauptbremsleitung (HL) des Zugs in einen Behälter. Fällt jedoch der Druck in der Hauptbremsleitung ab, was zeigt, dass gebremst werden muss, trennt der Verteiler die Hauptbremsleitung vom Behälter und legt sie stattdessen an den Bremszylinder. Allgemein gesagt ist der Ausgangsdruck CV des Verteilers zu dem auf der Hauptbremsleitung (HL) umgekehrt proportional. Dieser Druck CV stellt also die Stärke der Soll-Bremsung dar. Um ein stoßfreies Arbeiten zu gewährleisten, enthält der Verteiler auch zahlreiche Pneumatikkomponenten einschl. Ventile, Kolben und Drosselstellen, deren Einzelheiten bekannt und in der vorliegenden Beschreibung nicht angegeben sind.
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Um die gewünschte Bremsstärke zu erreichen, hängt der an die Bremszylinder zu legende Druck von der Belastung der einzelnen Wagen ab. Hierzu wird der Steuerdruck CV einem lastgesteuerten Ventil LV zugeführt, das seinerseits mit dem Bremszylinder verbunden ist.
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Bei einem Fahrzeug mit mehreren Wagen wie einem Güterzug ist es möglich, dass einige der Wagen – im Gegensatz zu anderen – kein lastgesteuertes Ventil aufweisen. Im Ergebnis werden innerhalb des gleichen Fahrzeugs (bspw. eines Zugs) identisch belastete Drehgestelle u. U. unterschiedlich stark gebremst, was zu dem oben erwähnten Überhitzen führen kann. Zum Lösen des Problems wird jeder Wagen, der ein lastgesteuertes Ventil aufweist, auch mit einem Ventil mit geknickter Kennlinie ausgerüstet, dessen Funktion ist, den an die Bremszylinder gelegten Bremsdruck so zu regeln, dass bei schwacher Bremsung die Zunahmesteilheit bezüglich der Soll-Bremsung (durch den Druck CV dargestellt) einen voreingestellten Wert nicht übersteigt. Dieser voreingestellte Wert wäre typischerweise die Zunahmesteilheit für Wagen ohne lastgesteuertes Ventil. So wird verhindert, dass Wagen mit lastgesteuerten Ventile einen größeren als den ihnen zuzumutenden Anteil der Sollbremsung des vollen Fahrzeugs übernehmen. Bei höherer Anforderungen an die Bremsung wirkt sich die geknickte Kennlinie jedoch nicht aus und ist die volle Bremswirkung verfügbar.
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Gattungsbildend für die vorliegende Erfindung ist die
CZ 293852 B6 , die die Eigenschaften eines typischen Ventils
KV mit geknickter Kennlinie, wie es von der Fa. DAKO-CZ, Remosnica, Tschechien, als Modell DLV 3 vertrieben wird, offenbart.
1a zeigt den Aufbau des gattungsbildenden Fahrzeugbremssystems gemäss der
CZ 293852 B6 . Liegt der Zulaufdruck
C' aus dem lastgesteuerten Ventil
LV (der Ausgangsdruck des lastgesteuerten Ventils
LV) niedriger als die Kennline des Bremsdrucks, der dem Bremsen eines S-gebremsten Wagens (Linie L-M-M' in
1a) entspricht, erlaubt das Ventil
KV einen stoßfreien Durchgang der Luft aus dem lastgesteuerten Bremsventil
LV in den Bremszylinder
BV (dies bezieht sich auf die Fläche
A der Wagen unter niedriger Last für alle Intensivbremsanforderungen in den Bereichen
a,
b,
c in Folge eines fortschreitenden Abfalls der Bremssteuerdrucks von links nach rechts in
1a; die Fläche
a stellt also einen Bereich niedriger,
b einen Bereich höherer und
c den Bereich der höchsten Bremsanforderungen dar). In der
1a stellt die Abszisse den Druck HL mit dem Höchstwert am linken Ende des Graphen und von links nach rechts abnehmendem Druck dar.
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Liegt die Kennlinie des Zulaufdrucks C' aus dem lastgesteuerten Ventil LV über der des Bremsdrucks eines S-gebremsten Wagens (Linie L-M-M in 1a), folgt das Ventil KV beim Bremsen der geknickten Kennlinie (vergl. den Bereich B für höhere Wagenlasten in 1a). Bei niedriger Bremsanforderung (Bereich a) folgt das Ventil KV der Linie L-M, bei höhereren Bremsanforderungen (Bereich b) dem Linienzug M-Ni-Oi bei stoßfreiem Übergang zur Kennlinie des Drucks im Bremszylinder BV des SS-gebremsten Wagens. Ist der maximale Speisedruck C' aus dem lastgesteuerten Ventil LV erreicht und sind die Anforderungen an die Bremsstärke am höchsten (Bereich c), wird das Ventil KV erneut zu einem offenen Durchlass für den Speisedruck C', der zum Ausgangsdruck C wird (Linie N-O in 1a).
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Diese für die vorliegende Erfindung gattungsbildende technische Lösung für Bremsen in SS-gebremsten Eisenbahnwagen lässt sich an Hand der 2a beschreiben. Der Bremsverteiler R ist an den Steuerdruck HL der durchgehenden Zugbremsleitung und auch an den Luftbehälter PV gelegt. Bei einem Abfall des Bremssteuerdrucks HL erzeugt der Verteiler R an seinem Ausgang durch Umkehr einen Druckanstieg, der der Ansteuerdruck CV für das lastgesteuerte Bremsventil LV und auch für das Ventil KV mit geknickter Kennlinie ist. Das lastgesteuerte Bremsventil LV wird typischerweise vom Druck aus dem Luftbehälter PV gespeist, obwohl die Verbindung hierzu nicht unbedingt direkt sein muss (sie könnte auch über die CV-Leitung laufen). Gleichzeitig wird das lastgesteuerte Ventil LV im Verhältnis zur Wagenlast durch den weiteren Steuerluftdruck T geregelt.
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Zahlreiche lastgesteuerte Ventile sind bekannt und lassen sich in den bekannten Anordnungen einsetzen. Ihnen allen gemein ist ein Eingang für einen die geforderte Sollbremsung darstellenden Druck. Hierbei handelt es sich um den Steuerdruck CV aus dem Verteiler. Ihnen allen ebenfalls gemein ist ein Ausgang zum Anschluss an den Bremszylinder, an dem ein Druck erscheint, der dem mit einem zur gemessenen Last proportionalen Faktor multiplizierten Eingangsdruck entspricht. Die Multiplikation lässt sich schrittweise oder proportional erreichen. Schrittmultiplikatoren schalten typischerweise den Eingangsdruck abhängig von der gemessenen Last auf unterschiedlich große Membranen in einem Stapel eines Proportionierventils; vergl. bspw. die
DE 27 30 701 A1 . Proportionalmultiplikatoren richten ypischerweise den Drehzapfen eines Hebels/Wippbalkens mit dem Ventilteller eines Proportionierventils aus; vergl. bspw. die
CH 594 520 A5 .
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In der 2a ist der Ausgangsdruck C' des lastgesteuerten Bremsventils LV der Eingangs- bzw. Eingangsdruck des Ventils KV mit geknickter Kennlinie. Der Ausgangsdruck C des Ventils KV mit geknickter Kennlinie ist dann der Eingangsdruck des Bremszylinders BV.
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Bekannte Ventile
KV mit geknickter Kennlinie (wie bspw. in den Patentschriften
GB 1 196 988 A ,
US 3 771 836 A ,
DE 195 11 432 A1 und
CZ 293 852 B6 beschrieben) arbeiten mit einem Vergleich des Steuerdrucks
CV mit einer Federkraft bzw. einem Referenzdruck, um den Beginn des Übergangsbereichs in der geknickten Kennlinie zu definieren (Bereich b in
1a).
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Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2009 013 004 B3 offenbart eine Ventileinrichtung mit Knickventil-unktion, wobei die geknickte Kennliniencharakteristik mittels einer Umstelleinrichtung ein- und ausschaltbar ist
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Obgleich damit sowohl bei betrieblichen Teil- als auch Vollbremsungen der Ausgangsdruck C der geknickten Kennlinie (
KV) folgt, leidet das System unter dem Nachteil, dass das Laden der Bremszylinder
BV dem Abfall des Drucks
HL auf der Hauptbremsleitung (
2a) nachläuft. Dieser Nachlauf wird verursacht durch Reaktionsverzögerungen beim Aufbau des Steuerdrucks (
CV) in Folge von Drosselstellen, Blenden und anderen Komponenten im Verteiler
R. Beim Betrieb von gleich- und mischbestückten Zügen mit Wagen in der Bremsstellung SS mit bekanntem Ventil
KV mit geknickter Kennlinie und bekanntem Steuerdruck
CV wird durch dieses langsame Ansprechverhalten die Bremsstrecke verlängert, obwohl jede derartige Verlängerung der Bremsstrecke ein Sicherheitsrisiko darstellen kann. Ein weiteres Sicherheitsrisiko ergibt sich daraus, wie der Referenzdruck sich aufbaut. In der gattungsbildenden
CZ 293 852 B6 entsteht es aus dem Einsatz eines druckbegrenzenden Reglers, der mit dem Steuerdruck CV aus dem Verteiler gespeist wird. Versagt die Dichtung dieses Verteilers, wird der Referenzdruck gleich dem Steuerdruck; das Ventil mit geknickter Kennlinie erfasst den Anstieg des Steuerdrucks CV nicht und geht nicht zur vollen Bremsleistung über. Neben das langsame Ansprechverhalten tritt also in Störungsfällen eine verminderte Bremsleistung.
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Es ist demgemäss Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugbremsystem vorzusehen, dass die Nachteile des langsamen Ansprechverhaltens sowie die Gefahr verminderter Bremsleistung vermeidet oder zumindest minimiert, sodass eine Verkürzung der Bremswege bei kleinerem Ausfallrisiko erreicht wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Verfahren gemäss Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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In einer Ausführungsform ist eine Bremsvorrichtung für Eisenbahnwagen, insbesondere für Güterwagen, bereit gestellt, die eine Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie an ein lastgesteuertes Bremsventil angeschlossen aufweist, wobei der Steuerdruck des lastgesteuerten Bremsventils der Ausgangsdruck eines Verteilers ist, der sowohl an die Quelle des Bremssteuerdrucks und an einen Luftbehälter angeschlossen ist, und wobei das lastgesteuerte Bremsventil weiterhin an den Luftbehälter und an eine Quelle eines weiteren steuernden Luftdrucks angeschlossen ist, der proportional der Größe der Last des Eisenbahnwagens ist, während der Ausgangsdruck des lastgesteuerten Bremsventils, der von der Höhe des weiteren steuernden Luftdrucks entsprechend der Höhe der Last des Eisenbahnwagens abhängt, den Speisedruck der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie erzeugt. Die Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie ist mit ihrem Steuerdruckeingang an die Quelle des Bremssteuerdrucks und mit ihrem Auslass an den Bremszylinder des Eisenbahnwagens gelegt. Die Quelle des Steuerdrucks der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie kann der Bremssteuerdruck in der Hauptbremsleitung sein. Gleichzeitig kann die Ventilvorrichtung mit ihrem weiteren Steuereingang an die Steuerdruckquelle des lastgesteuerten Bremsventils angeschlossen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vom Steuerdruck beaufschlagte Fläche des Differentialkolbens kleiner als seine vom Ausgangsdruck beaufschlagte Fläche. Das tatsächliche Verhältnis der Flächeninhalte ist nicht wichtig, so lange die Anordnung insgesamt die in 1b gezeigte Kennlinie ergibt. Jede Änderung des Verhältnisses lässt sich also mit dem Übertragungs- bzw. Verstärkungsfaktor des lastgesteuerten Ventils oder dem Ausgangsdruck des Verteilers ausgleichen. Wird jedoch das Ventil mit geknickter Kennlinie zur Nachrüstung eines vorhandenen Systems eingesetzt, dürfen diese anderen Faktoren nicht geändert werden und muss die Ausgangsdruckseite des Verteilerkolbens den größeren Flächeninhalt haben.
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Eine bestimmte Ausführungsform ist besonders geeignet für die Nachrüstung. In dieser Ausführungsform sind verschiedene Anschlüsse an das Ventil als Anschlussöffnungen in zwei Flächen des Ventilgehäuses ausgeführt.
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Die Vorbeaufschlagung des Ausgleichskolbens lässt sich mittels einer Druckfeder, die über eine Justierschraube am Körper der Ventilvorrichtung anliegt, oder mittels Druckluft erreichen. Die Vorspannung dieser Druckfeder bzw. der Luftdruck lässt sich auf eine auf den Ausgleichskolben wirkende geeignete Kraft einstellen – vorzugsweise entsprechend dem Bremssteuerdruck von 4,2 bar.
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Ein anderer Auspekt stellt ein Verfahren zum Ansteuern einer Ventileinrichtung mit geknickter Kennlinie für Bremsventile von Eisenbahnwagen, insbesondere Güterwagen, bereit, wo der Speisedruck der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie aus dem Ausgangsdruck eines lastgesteuerten Ventils besteht, der von der Höhe des Steuerdrucks aus dem an die Quelle des Bremssteuerdrucks angeschlossenen Bremsverteiler und von der Höhe des weitere steuernden Luftdrucks abhängt, der poportional zur Höhe der Belastung des Eisenbahnwagens ist. Nach diesem Aspekt wird die Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie dem den Steuerdruck gesteuert, der von den Bremssteuerdruck erzeugt wird, während der Ausgangsdruck der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie den Eingangsdruck für den Bremszylinder des Eisenbahnwagens darstellt. Alternativ kann die Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie von dem Steuerdruck, der vom Bremssteuerdruck erzeugt wird, und gleichzeitig vom Steuerdruck des lastgesteuerten Bremsventils angesteuert werden.
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Der Vorteil der hier beschriebenen verschiedenen Anordnungen liegt besondere in der kürzeren Bremsstrecke für einheitlich und gemischt bestückte Züge mit Eisenbahnwagen für den Hochgeschwindigkeitbetrieb bei einer Last über dem Druckvolumen in den Bremszylinder, der für den Wagenbetrieb bei Normalgeschwindigkeit eingestellt ist. Bei einer vollen Betriebs-, Schnell- oder Notbremsung ist der Abfall des Bremssteuerdrucks erheblich intensiver als bei einem zeitgesteuerten und damit längeren Aufbau des Steuerdrucks aus dem Bremsverteiler. In einem solchen Fall folgt der Ausgangsdruck des Ventils mit geknickter Kennlinie nicht der geknickten Kennlinie L, M, N, O in 1b, sondern springt zur entsprechenden ungeknickten Kennlinie L, Ni, Oi entsprechend dem Eingangsspeisedruck aus dem lastgesteuerten Bremsventil. In dieser Situation schaltet also das Ventil vom Zustand eines Proportionaldruckreglers zu dem eines offenen Durchgangs um.
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Ein anderer Vorteil ist die höhere Eigen-Ausfallsicherheit der Vorrichtung, da die Vorbeaufschlagung das Füllventil in den Offenzustand drückt und damit das System weniger wahrscheinlich in einen Zustand fällt, in dem der Arbeitsbremsdruck abfällt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1a zeigt die geknickte Kennlinie der Abhängigkeit des Ausgangsluftdrucks der Ventilvorrichtung (Eingangsdruck des Bremszylinders) vom Bremssteuerdruck in bekannten Systemen;
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1b zeigt die geknickte Kennlinie der Abhängigkeit des Ausgangsluftdrucks der Ventilvorrichtung (Eingangsdruck des Bremszylinders) vom Bremssteuerdruck in erfindungsgemäßen Systemen;
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2a zeigt die Anordnung eines bekannten Bremssystems mit der Kennlinie der 1a;
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2b zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen System s;
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3 zeigt schaubildlich die Ventilvorrichtung für den Einsatz in der vorliegenden Erfindung in einem Arbeitszyustand, in dem der Bremssteuerdruck sich bei höheren Bremsanforderungen im Bereich b der 1b befindet;
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4 zeigt eine beispielhafte Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie nach 3, die für die Bremssysteme der Fa. DAKO-CZ, Resmonica, Tschechien, geeignet ist; und
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5 zeigt eine alternative Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie, die als Zwischenflansch aufgebaut und zwischen ein lastgesteuertes Ventil und eine Trennwand, einen Verteiler oder einen Flansch mit Öffnungen einsetzbar ist, an die ein Verteilerventil und ein Bremszylinder angeschlossen sind.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Bei einem typischen Eisenbahnwagen mit selbstwirkenden Bremsen entstammt der Bremssteuerdruck HL einer Hauptleitung mit variablem Steuer-Luftdruck, die an den Bremsverteiler R angeschlossen ist (vergl. 2b). Der Verteiler R ist auch mit dem Luftbehälter PV verbunden. Bei einem Abfall des Bremssteuerdrucks HL erzeugt der Verteiler R umgekehrt einen Anstieg des Drucks CV, der auch der Steuer-Luftdruck für das lastgesteuerte Bremsventil LV ist, das aus dem Luftbehälter PV gespeist wird. Gleichzeitig wird das lastgesteuerte Bremsventil LV im Verhältnis zur Wagenlast angesteuert, und zwar mit einem weiteren Steuer-Luftdruck T, der proportional zur Wagenlast ist. Der Ausgangsluftdruck C' des lastgesteuerten Bremsventils LV ist der Eingangsluftdruck des Ventils KV mit geknickter Kennlinie.
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Der Bremssteuerdruck HL aus der Hauptbremsleitung (Steuereingang I in 2b) und der Ausgangsdruck des Bremsverteilers R (weiterer Steuereingang II), der auch der Steuerdruck für das lastgesteuerte Bremsventil LV ist, stellen gleichzeitig die Steuer-Luftdrücke für das Ventil KV mit geknickter Kennlinie dar. Der Steuerdruck, also der Bremssteuerdruck der Hauptbremsleitung, dient hier zum Erzeugen der geknickten Kennlinie im Bereich M-N (vergl. 1b), während der Ausgangsdruck des Verteilers R die Kennlinie im Bereich L-M von 1b absenkt. Der Ausgangsdruck C des Ventils KV mit geknickter Kennlinie ist dann der Eingangspeisedruck des Bremszylinders BV.
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Beim Vollbetrieb und einer Schnellbremsung ist der Abfall des Bremssteuerdrucks HL erheblich schneller als der – mittels Düsen zeitgesteuerte – Aufbau des Steuerdrucks CV des Verteilers R. Da der Bremssteuerdruck HL auch der Steuer-Luftdruck für das Ventil KV mit geknickter Kennlinie ist, bewirkt der schnellere Abfall des Steuerdrucks HL in der Hauptbremsleitung einen schnelleren Übergang des Ausgangsdrucks C des Ventils KV in die Vollbremsung als bei einer Ansteuerung durch den Ausgangssteuerdruck CV des Verteilers R. Der Ausgangsdruck C des Ventils KV folgt dann der Kennlinie L, Ni, Oi bis L, N, O in 1b, und ist nicht von den geknickten Linien L, M, Ni, Oi bis L, M, N. O begrenzt. Bei der Schnellbremsung oder beim Bremsen mit dem Bremssteuerdruck HL ≤ 4,2 bar, folgt die Vorrichtung nicht der geknickten Kennlinie, sondern erlaubt ein Füllen des Bremszylinders BV mit dem Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV ohne Begrenzung durch die geknickte Kennlinie, die sonst die Bremsstrecke verlängern würde.
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Die 3 zeigt die Ventilvorrichtung KV in einem Arbeitszustand, in dem der Bremssteuerdruck HL bei höheren Bremsanforderungen sich im Bereich b der 1b befindet. Die Ventilvorrichtung KV weist das zugehörige Füllventil 1 und das Ablassventil 2, den Differentialkolben 4, den Ausgleichskolben 7 und die Feder 9 auf. Das zugehörige Füllventil 1 und das Ablassventil 2 bestehen aus einer Klappe und einem inneren und einem äußeren Sitz, wobei der innere Sitz aus dem Hohlteil 4a (hohlen Kolbenstange) des Differentialkolbens 4 besteht. Der Ausgleichskolben 7 liegt auf der entgegengesetzten Seite des Hohlteils 4a des Differentialkolbens 4 auf. Auf diesen Ausgleichskolben 7 wirken von einer Seite (Fläche 6 auf der Seite des Differentialkolbens 4) der Bremssteuerdruck HL und von der entgegengesetzten Seite 8 die Druckfeder 9. Die Kraft der Feder 9 lässt sich mit einer Schraube 10 einstellen.
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Der am Bremszylinder BV liegende Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV wirkt auf eine Fläche des Differentialkolbens 4 (dem Füll- und des Ablassventils 1, 2. zugewandte größere Arbeitsfläche 3), der Steuerdruck CV aus dem Verteiler R auf dessen entgegengesetzte Fläche (kleinere Arbeitsfläche 5 auf der Seite des Ausgleichskolbens 7). Das Füllventil 1 der Ventilvorrichtung KV wird vom Eingangsdruck C' gespeist, also dem Ausgangsluftdruck des lastgesteuerten Bremsventils LV.
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Der Differentialkolben 4, dessen Hohlteil 4a das Füllventil 1 und das Ablassventil 2 steuert, begrenzt den Eingangsdruck C' im Bereich a (vergl. 1b), in dem geringe Bremsanforderungen gelten (Bremssteuerdruck HL im Bereich von 5,0 bis 4,2 bar), so dass der Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV die Kennlinie L-M im Bereich a nicht übersteigt. Unter dem Ausgleichskolben 7 ist die Feder 9 auf eine Kraft justiert, die einem Bremssteuerdruck HL = 4,2 bar entspricht. Da der Bremssteuerdruck HL jedoch höher als 4,2 bar ist wird der Ausgleichskölben 7 vom Differentialkolben 4 hinweg gedrückt und wirkt mit ihm nicht zusammen. In diesem Zustand berührt der Ausgleichskolben 7 den Hohlteil 4a des Differentialkolbens 4 nicht.
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Der Differentialkolben 4 dient dazu, den Eingangsdruck C' aus dem lastgesteuerten Bremsventil LV auf einen Wert zu begrenzen, der vom Verhältnis der Flächeninhalte der beiden Seiten des Differentialkolbens und dem Steuerdruck CV aus dem Verteiler R abhängt. Der Ausgangsdruck C folgt dem Kennlinienabschnitt L-M der geknickten Kennlinie (vergl. 1b). Angemerkt sei, dass der Kennlinienabschnitt L-M nicht lastabhängig ist.
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Bei höheren Bremsanforderungen im Bereich b (1b), der einem Abfall des Bremssteuerdrucks HL auf einen Wert im Bereich von 4,2 bis 3,8 bar entspricht, begrenzt der Differentialkolben 4 den Ausgangsdruck C im Verhältnis zum Eingangsspeisedruck C'. Da die Kraft der Feder 9 beginnt, die Kraft des Bremssteuerdrucks HL von 4,2 bar zu übersteigen, liefert der Ausgleichskolben 7 zusätzliche Kraft an den Hohlteil 4a des Differentialkolbens 4; so beginnt ein Übergangsbereich b (vergl. 1b) der Ventilvorrichtung KV zu entstehen. Je näher der Bremssteuerdruck HL einem Wert von 3,8 bar kommt, desto größer die Kraft des Ausgleichskolbens 7, die auf den Differentialkolben 4 wirkt, und desto näher kommt der Übergangsbereich b der geknickten Kennlinie dem Punkt N.
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Während der höchsten Bremsanforderungen im Bereich c (1b), wenn der Bremssteuerdruck HL niedriger ist als 3,8 bar, ist das Füllventil 1 der Ventilvorrichtung KV vollständig offen, weil die Kraft des Differentialkolbens 4 gemeinsam mit der zusätzlichen Kraft des Ausgleichskolbens 7 höher ist als die Kraft des Ausgangsdrucks C auf der größeren Arbeitsfläche 3 des Differentialkolbens 4 auf der Seite des Füll- und des Ablassventils 1, 2. Die Ventilvorrichtung KV ist vollständig offen und lässt den unbegrenzten Eingangsdruck C' vom lastgesteuerten Ventil LV zum Bremszylinder BV durch. Der Eingangsadruck C' ist damit gleich dem Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV.
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Bei einer Intensivbremsung mit einer einzigen Verringerung des Bremssteuerdrucks HL unter 4,2 bar, bei der Voll- und bei der Schnellbremsung erfolgt ein schneller und erheblicher Abfall des Bremssteuerdrucks HL, der gewöhnlich schneller ist als der Aufbau des Steuerdrucks CV, den die Düsen des Bremsverteilers R steuern. Die Folge dieses raschen Abfalls des Bremssteuerdrucks HL auf der Fläche 6 des Ausgleichskolbens 7 auf der Seite des Differentialkolbens 4 ist, dass die Feder 9, die auf die andere Fläche 8 des Ausgleichskolbens 7 wirkt, eine ausreichend große Kraft und diese rascher liefert und diese auf den Differentialkolben 4 wirkt, so dass das Füllventil 1 vollständig öffnet. Der Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV zum Bremszylinder BV ist in diesem Augenblick gleich dem Eingangsspeisedruck C' aus dem Schwerlastventil LV. Der Druck im Bremszylinder BV. baut sich dann nach der nicht geknickten oder unbegrenzten Kennlinie auf, da die Ventilvorrichtung KV offen und durchgängig ist (vergl. gestrichelte Linie L-Ni in 1b).
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Zur Vereinfachung lässt die vorgehende Beschreibung der Arbeitsweise der Ventilvorrichtung KV sich wie folgt zusammenfassen. Bei schwacher Bremsung mit einem Bremssteuerdruck HL zwischen 5,0 und 4,2 bar arbeitet nur der Differentialkolben 4, was den Ausgangsdruck C im Verlauf der Kennlinie im Bereich a absenkt (1b). Der Ausgleichskolben 7 hat keine Wirkung, da die Feder 9 schwächer ist als die Kraft des Bremssteuerdrucks HL (5,0 bis 4,2 bar) an der Fläche 6 des Ausgleichskolbens 7 auf der dem Kolben 4 zugewandten Seite. Bei höheren Bremsanforderungen mit einem
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Bremssteuerdruck HL im Bereich von 4,2 bis 3,8 bar verringert der Differentialkolben 4 den Ausgangsdruck C der Ventilvorrichtung KV weiter; der Ausgleichskolben 7 liefert aber dem Differentialkolben 4 zusätzliche Kraft und erzeugt so einen Übergangsbereich b der geknickten Kennlinie. Bei einem Abfall des Bremssteuerdrucks HL unter 3,8 bar überwiegt die resultierende Kraft der Feder 9 zusammen und der des Differentialkolbens 4 derart, dass die Ventilvorrichtung KV dem Eingangsspeisedruck C' aus dem Schwerlastventil LV den freien Durchgang erlaubt; dieser Druck wirkt dann im Bremszylinder BV direkt (Bereich c der Kennlinie der Ventilvorrichtung KV).
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Die Feder 9 wird auf das Gleichgewicht des Ausgleichskolbens 7 justiert, wo der Bremssteuerdruck HL von 4,2 bar (an der Grenze zwischen den Bereichen a und b) auf die Fläche 6 des Ausgleichskolbens 7 auf der dem Differentialkolben zugewandten Seite 4 wirkt. Folglich ist keine zusätzliche Vorrichtung (Druckregler) nötig, um eine Kraft fester Höhe auf dem Ausgleichskolben 7 zu erzeugen, der auf den Hohlteil 4a des Ausgleichskolbens 4 wirkt.
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Die stabilisierende Feder 11, die mit der entgegengesetzten Seite am Differentialkolben 4 anliegt und in Öffnungsrichtung des Füllventil 1 wirkt, kann am Körper 12 der Ventilvorrichtung KV anliegen. Die 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Ventilvorrichtung nach 3, wobei die Bezeichnung der einzelnen Teile und Flächen derselben sowie auch deren Beschreibung und Arbeitsweise denen der 3 entsprechen.
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Der Verteiler R, der Behälter PV, das lastabhängige Ventil LV und der Bremszylinder BV des Bremssystems in 2b können denen des bekannten Systems der 2a entsprechen, wie oben beschrieben.
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Eine alternative Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie lässt sich aufbauen, wie die 5 zeigt. In der 5 dienen die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile in den 3 und 4 und auch die Arbeitsweise ist die gleiche, sofern nichts Anderes angegeben ist. In der Anordnung nach 5 ist das Ventil KV mit geknickter Kennlinie als Zwischenflansch auf einer Trennwand ausgebildet, der Leitungen, die vom Verteiler R abgehen, sowie eine Leitung enhält, die zu einem Bremszylinder BV verläuft. In einem SS-gebremsten System ohne ein Ventil KV mit geknickter Kennlinie ist ein lastgesteuertes Ventil LV so auf die Trennwand B geschraubt, so dass die Ausgangsleitung eines Verteilers R mit einem Zulauf des lastabhängigen Ventils fluchtet. Abhängig vom Druck T aus Lastsensoren wird im lastabhängigen Ventil LV ein Bremsdruck erzeugt und zurück in die Trennwand und von dort zum Bremszylinder BV geführt. Um die in 1b gezeigte Bremscharakteristik zu erhalten, ist das Ventil KV mit geknickter Kennlinie der 5 zwischen die Trennwand B und das lastabhängige Ventil LV eingefügt. Hierzu muss nur das lastabhängige Ventil LV abgeschraubt und an seiner Stelle das Ventil KV so montiert zu werden, dass der Fühleingang des Ventils mit geknickte Kennlinie mit dem Ausgangs des Verteilers R fluchtet, so dass der Steuerdruck CV in das Ventil KV gelangt und die linke Fläche des Differentialkolbens 5 der 5 beaufschlagt. Der Ausgangs des Ventils KV mit geknickter Kennlinie tritt an Stelle des Ausgangs des lastabhängigen Ventils und führt den Ausgangsdruck C zum Bremszylinder BV. Danach wird das lastabhängige Ventil LV auf die der Trennwand entgegengesetzte freie Außenfläche des Ventils KV geschraubt. Das Ventil KV hat eine Anschlussöffnung, die direkt von der Trennwand von der Trennwand ab- und den Ausgangsdruck CV des Verteilers R zum Eingang des lastabhängigen Ventils LV hindurchführt. Der Auslass des lastabhängigen Ventils liefert den Speisedruck C' für das Ventil KV mit geknickter Kennlinie und fluchtet direkt mit dessen Speiseeinlass. Anstatt also direkt zum Bremszylinder läuft der Ausgangsdruck des lastabhängigen Ventils LV nun durch das Ventil KV mit geknickter Kennlinie hindurch. Das Ventil KV der 5 ist folglich eine Nachrüsteinheit, die zwischen ein lastabhängiges Ventil und eine Trennwand mit Leitungen einfügbar ist, die vom Verteiler R und zum Bremszylinder BV hin führen, und zwar ohne Änderungen an den Leitungen mit Ausnahme einer zusätzlichen Verbindung zur Hauptbremsleitung HL. In dieser Anordnung hat das Ventilgehäuse zwei Stirnflächen, wobei das Layout der beiden Anschlussöffnungen auf einer Stirnfläche ein Spiegelbild der beiden Anschlussöffnungen auf der anderen Fläche darstellen. Der Steuerdruck CV kann von einer zur anderen Stirnfläche direkt hindurchgehen und der Speiseanschluss C' auf einer Stirnfläche entspricht dem Auslassanschluss C auf der anderen. Eine zum Anschluss an die Hauptbremsleitung HL vorgesehene fünfte Anschlussöffnung kann in der gleichen Stirnfläche wie die vom Verteiler R kommenden Anschlussöffnungen und die Anschlussöffnung zum Bremszylinder (d. h. linke Seite in 5) vorliegen – abhängig davon, ob die Trennwand eine geeignete Ausgangsöffnung enthält.
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Ebenso in Verbindung mit 5 sei angemerkt, dass die Feder 9, die die linke. Seite des Ausgleichskolbens 7 beaufschlagt, unmittelbar an der Trennwand anliegt, mit der das Ventil verschraubt ist. Daher gibt es keine einfache Methode, die Federkraft zu justieren wie mit der Schraube 10 der Anordnung in 4. Eine Justage ist jedoch möglich durch Wahl einer Beilagscheibe 10a entsprechender Dicke beim ersten Montieren des Ventils KV mit geknickter Kennlinie. Der Ausgleichskolben 7 lässt sich problemlos auf richtiges Arbeiten prüfen, indem man an Stelle des Hauptbremsleitungsdrucks HL einen Prüfdruck an die rechte Seite des Ausgleichskolbens legt. Die Dicke der Beilagscheibe würde dann durch Austausch oder durch gegenseitiges Verdrehen eines Paares aufeinander liegender Nockenscheiben justiert werden Werden aufeinander liegende abgeschrägte Beilagscheiben (”snail cam disks”) verwendet und sind die Anschlussöffnungen geringfügig bogenförmig, lässt sich eine Justage durch Drehen des gesamten Ventils auf der Trennwand erreichen.
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Jedenfalls sollte die Feder so ausgewählt und/oder justiert werden, dass der Ausgleichskolben 7 auslenkt, wenn der ihn auf der rechten Seite (in 5) beaufschlagende Hauptbremsleitungsdruck HL unter 4,2 bar abfällt.
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Die gleiche Justage wäre durch eine kleine axiale Verschiebung der Sitze des Einlassventils 1 möglich, wie sie durch Justierschrauben (nicht gezeigt) erreichbar ist.
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Das in den diskutierten Bremssystemen verwendete Druckmittel ist vorzugsweise Druckluft. Es ist jedoch ins Auge gefasst, dass die gleichen Prinzipien und Strukturen sich auch auf Hydrauliksysteme sowie auf Systeme anwenden lassen, die mit einem anderen gasförmigen Fluid als Luft arbeiten.
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Gewerbliche Anwendung
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Die vorliegende Erfindung ist für die lastgesteuerten Bremsventile von Druckluftbremsen in Eisenbahnwagen einsetzbar, um die thermische Belastung der Wagenräder zu verringern. Sie ermöglicht auch ein Verkürzen der Bremsstrecke von sowohl einheitlich als auch gemischt bestückten Zügen mit Wagen für den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Bremsstellung SS sowie einen allgemeine Zunahme der betrieblichen Sicherheit von Eisenbahnzügen, wo Bedarf für vollen Betrieb und schnell wirkende Notbremsungen besteht. Die Erfindung ist nicht auf Eisenbahnzüge beschränkt. Sie ist auch anwendbar auf mehrachsige Straßen- und landwirtschaftliche Fahrzeuge, sofern sie ein Hauptbremsleitungssystem verwenden, in denen die Bremsung durch einen Druckabfall aktiviert wird. Andere Anwendungen sind u. a. Fabrik-Fördersysteme mit verteilter Bremsung.
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Bezugszeichenliste
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- R
- Bremsverteiler
- PV
- Luftbehälter
- LV
- lastgesteuertes (lastabhängiges) Ventil
- KV
- Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie
- BV
- Bremszylinder
- HL
- Hauptbremsleitungsdruck des Zugs
- C
- Auslassdruck der Ventilvorrichtung KV (Druck zum Bremszylinder BV)
- CV
- (An-)Steuerdruck (Ausgangsdruck des Bremsverteilers)
- C'
- Eingangsspeisedruck des Ventils KV (Ausgangsdruck des lastgesteuerten Bremsventils LV)
- T
- weiterer Ansteuer-Luftdruck, proportional zur Wagenlast
- I
- Steuereingang der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie
- II
- weiterer Steuereingang der Ventilvorrichtung mit geknickter Kennlinie
- a
- Bereich geringer Bremsanforderung
- b
- Bereich höherer Bremsanforderung
- c
- Bereich der höchsten Bremsanforderung
- A
- Bereich niedriger Wagenbelastung
- B
- Bereich höherer Wagenbelastung
- 1
- Füllventil
- 2
- Ablassventil
- 3
- größere Arbeitsfläche des Differentialkolbens auf der dem Füll- und dem Ablassventil zugewandten Seite
- 4
- Differentialkolben
- 4a
- Hohlteil des Differentialkolbens
- 5
- kleinere Arbeitsfläche des Differentialkolbens auf der dem Ausgleichskolben zugewandten Seite
- 6
- Fläche des Ausgleichskolbens auf der dem Differentialkolben zugewandten Seite
- 7
- Ausgleichskolben
- 8
- Fläche des Ausgleichskolbens auf der der Feder zugewandten Seite
- 9
- Feder
- 10
- Justierschraube der Feder
- 10a
- Justier-Beilegscheibe
- 12
- Körper der Ventilvorrichtung
