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Die Erfindung betrifft ein Bremssystem für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einer elektrisch angetriebenen Antriebseinheit mit einer generatorischen Bremse und einer Antriebseinheit-Reibungsbremse und mindestens einer Laufeinheit mit einer Wirbelstrombremse und einer Laufeinheit-Reibungsbremse, wobei das Bremssystem so ausgeführt ist, dass ein energie- und verschleißoptimiertes Bremsen durchführbar ist. Dabei wird im Rahmen der Erfindung unter einer Antriebseinheit ein Triebwagen, ein angetriebenes Drehgestell oder eine angetriebene Achse und unter einer Laufeinheit ein gezogener Wagen, ein antriebsloses Drehgestell oder eine nicht angetriebene Achse verstanden.
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Ein Bremssystem dieser Art ist aus einem Aufsatz in der Zeitschrift „ETR", 53 (2004), H. 4-April, Seiten 187 bis 197 bekannt. Bei diesem bekannten Bremssystem für ICE-Züge sind elektrisch angetriebene Antriebseinheiten beziehungsweise angetriebene Radsätze mit einer generatorischen Bremse und zusätzlich mit einer Reibungsbremse versehen. Die Laufeinheiten beziehungsweise nicht angetriebenen Radsätze sind bei dem bekannten Bremssystem mit einer Wirbelstrombremse versehen, bei der es sich um eine lineare Wirbelstrombremse handelt, die beim Bremsvorgang starke Magnetkräfte zwischen Zug und Schiene aktiviert; außerdem sind nicht angetriebene Laufeinheiten in Form von Radsätzen mit einer Laufeinheit-Reibungsbremse versehen. Das bekannte Bremssystem ist so ausgeführt, dass es energie- und verschleißoptimierte Bremsvorgänge durchführen kann. Insbesondere auf Streckenabschnitten, auf denen die baulichen Eigenschaften des Fahrweges die regelmäßige Nutzung der linearen Wirbelstrombremse gestatten, kann die lineare Wirbelstrombremse im bekannten Bremssystem dazu betragen, den Verschleiß zu reduzieren. Insbesondere im deutschen Bahnnetz trifft dies nur auf einen geringen Anteil der Schienenstrecken zu.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Bremssystem so fortzuentwickeln, dass mit ihm ein optimales Bremsen durchführbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bremssystem der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß die Wirbelstrombremse eine rotierende Wirbelstrombremse und das Bremssystem so ausgeführt, dass mit Einsatz der rotierenden Wirbelstrombremse auch ein haftwertoptimiertes Bremsen durchführbar ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bremssystems wird darin gesehen, dass durch den Einsatz einer rotierenden Wirbelstrombremse das Bremssystem so ausgeführt werden kann, dass mit Einsatz der rotierenden Wirbelstrombremse ein haftwertoptimiertes Bremsen durchführbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Bremssystem lässt sich somit nicht nur in bekannter Weise ein energie- und verschleißoptimiertes Bremsen, sondern auch ein haftwertoptimiertes Bremsen durchführen, wenn – was an sich bekannt ist – mittels Radschlupfdetektoren festgestellt wird, dass durch Witterungseinflüsse oder andere Umstände die Haftung des Rades auf der Schiene vermindert ist, so dass mit haftwertoptimiertem Bremsen ein optimales Abbremsen des Schienenfahrzeugs möglich ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssystems ist dieses so ausgeführt, dass beim haftwertoptimierten Bremsen die Antriebseinheit wesentlich durch die generatorische Bremse und die Laufeinheit wesentlich durch die rotierende Wirbelstrombremse abgebremst wird. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die Reibungsbremsen nur minimal zum Einsatz kommen und damit der Verschleiß. gering bleibt. In dieser Ausführungsform kann auch beim haftwertoptimniertem Bremsen der Verschleiß im Vergleich zum bekannten Bremssystem reduziert werden.
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Somit ist also vorteilhafterweise erreicht, dass beim haftwertoptimierten Bremsen die Antriebseinheit-Reibungsbremse und/oder die Laufeinheit-Reibungsbremse lediglich ergänzend eingesetzt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssystems sind eine Betätigungseinrichtung für die rotierende Wirbelstrombremse und eine Ansteuerdruck-Erzeugungseinrichtung der Laufeinheit-Reibungsbremse an einen Luftbehälter der Bremseinrichtung des Schienenfahrzeugs angeschlossen und jeweils separat mit elektrischen Wirbelstrombremse-Steuerimpulsen und elektrischen Laufeinheitreibungsbremse-Steuerimpulsen einer Bremssteuereinrichtung beaufschlagbar. Damit lassen sich in einfacher Weise die Wirkung der Wirbelstrombremse und die der Laufeinheit-Reibungsbremse unterschiedlich einstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssystems mit einer rotierenden Wirbelstrombremse ist die rotierende Wirbelstrombremse pneumatisch ansteuerbar ausgeführt, indem ein mittels der elektrischen Wirbelstrombremse-Steuerimpulse erzeugter Wirbelstrombremse-Ansteuerdruck der Betätigungseinrichtung für die rotierende Wirbelstrombremse als Vorsteuersignal für die rotierende Wirbelstrombremse dient. Der Vorzug dieser Ausführungsart besteht vor allem darin, dass bei ihr nicht nur – wie allgemein üblich – die Laufeinheit-Reibungsbremse, sondern auch die rotierende Wirbelstrombremse pneumatisch beziehungsweise druckbeaufschlagt entsprechend der jeweils gewünschten Bremswirkung ansteuerbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform mit pneumatischer Ansteuerbarkeit ist der einen Ansteuerdruck für die rotierende Wirbelstrombremse erzeugenden Betätigungseinrichtung eine Drucksensoreinrichtung nachgeordnet, deren elektrischer Ausgang mit der Erregerspulenanordnung der rotierenden Wirbelstrombremse verbunden ist.
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Als vorteilhaft wird es ferner angesehen, wenn der einen Ansteuerdruck für die rotierende Wirbelstrombremse erzeugenden Betätigungseinrichtung ein pneumatisch-elektrischer Wandler nachgeordnet ist, der ausgangsseitig mit der Erregerspulenanordnung der rotierenden Wirbelstrombremse verbunden ist. Hierbei kann eine Betätigungseinrichtung wie für eine pneumatisch ansteuerbare rotierende Wirbelstrombremse verwendet werden, was zu einer gewissen Vereinheitlichung der für ein Bremssystem verschiedener Ausführung notwendigen Bauelemente beiträgt.
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Vorteilhaft ist bei einer Ausführungsform mit pneumatischer Ansteuerbarkeit der rotierenden Wirbelstrombremse ferner, wenn bei einem Ausfall des Wirbelstrombremse-Ansteuerdrucks die pneumatische Ansteuerung der rotierenden Wirbelstrombremse durch den Bremszylinderdruck der Laufeinheit-Reibungsbremse erfolgt. Dies lässt sich vorteilhafterweise durch Einsatz eines Doppelrückschlagventils umsetzen, das den jeweils größeren Druck aus der Ansteuerung der Laufeinheit-Reibungsbremse und der rotierenden Wirbelstrombremse zur Ansteuerung der rotierenden Wirbelstrombremse weiterleitet. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass die rotierende Wirbelstrombremse auch dann zum Bremsen herangezogen werden kann, wenn ihr Ansteuerdruck ausfällt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsart des erfindungsgemäßen Bremssystems ist die rotierende Wirbelstrombremse elektrisch ansteuerbar ausgeführt, indem die Erregerspulenanordnung an einen Verstärker angeschlossen sind, der eingangsseitig mit den Wirbelstrombremse-Steuerimpulsen der Bremseinrichtung beaufschlagbar angeordnet ist. Der Vorzug dieser Ausführungsform besteht vor allem darin, dass die rotierende Wirbelstrombremse mit geringer Ausgangslast von der Bremssteuereinrichtung ansteuerbar ist.
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Ferner wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die rotierende Wirbelstrombremse elektrisch ansteuerbar ausgeführt ist, indem ein zur Betätigung der rotierenden Wirbelstrombremse vorgesehener elektrischer Aktor eingangsseitig mit den Wirbelstrombremse-Steuerimpulsen der Bremseinrichtung beaufschlagbar angeordnet ist.
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Ferner wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die rotierende Wirbelstrombremse bei niedrigen Geschwindigkeiten des Schienenfahrzeugs abschaltbar und die Reibungsbremse einschaltbar ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
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1 ein Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bremssystems mit seinen wesentlichen Bestandteilen, in
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2 ein erstes Diagramm zur Erläuterung der Bremskraft-Verteilung bei einem energie- und verschleißoptimierten Bremsen in einer ersten Bremssituation, in
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3 ein weiteres Diagramm mit Bremskraft-Verteilung bei energie- und verschleißoptimierten Bremsen mit höherer Bremskraft in einer zweiten Bremssituation, in
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4 ein Diagramm der Bremskraft-Verteilung bei haftwertoptimierter Verteilung bei vergleichsweise geringer Bremskraft und in
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5 ein weiteres Diagramm bei vergleichsweise hoher Bremskraft und haftwertoptimierter Verteilung der Bremskraft dargestellt.
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In 1 ist ein Bremssystem 1 dargestellt, das ein Bremsenmodul 2 aufweist. Dieses Bremsenmodul 2 ist mit einer Ansteuerdruck-Erzeugungseinrichtung 3 für eine Laufeinheit-Reibungsbremse und einer Betätigungseinrichtung 4 für eine rotierende Wirbelstrombremse versehen; außerdem enthält das Bremsenmodul 2 eine Bremssteuereinrichtung 5, die lediglich schematisch dargestellt ist, um die Übersichtlichkeit der Darstellung nicht zu beeinträchtigen. Die Laufeinheit-Reibungsbremse und die rotierende Wirbelstrombremse sind der besseren Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellt. Entsprechendes gilt für eine generatorische Bremse.
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Die 1 zeigt im Einzelnen, dass das Bremsenmodul 2 an eine Luftleitung 6 angeschlossen ist, indem diese an ein Steuerventil 7 geführt ist, das mit einer so genannten, bekannten A-Kammer 8 in Verbindung steht. Am Ausgang 9 des Steuerventils 7 steht in bekannter Weise beim Bremsen ein Vorsteuerdruck an, der proportional zum Bremsdruck ist. Das Steuerventil 7 ist außerdem mit seinem Eingang 10 an eine Leitung 11 angeschlossen, die zu dem nicht dargestellten R-Behälter führt.
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An den R-Behälter beziehungsweise die Leitung 11 ist auch die Betätigungseinrichtung 4 für die nicht dargestellte rotierende Wirbelstrombremse angeschlossen sowie eine Drucksteuereinrichtung 12 der Ansteuerdruck-Erzeugungseinrichtung 3 für die nicht dargestellte Reibungsbremse, die über einen Ausgang 14 des Bremsenmoduls 2 angeschlossen ist. Die Betätigungseinrichtung 4 für die rotierende Wirbelstrombremse enthält einen Analog-Wandler 15, der in nicht dargestellter Weise von der Bremssteuereinrichtung 5 an seinem elektrischen Eingang 16 mit elektrischen Wirbelstrombremse-Steuerimpulsen beaufschlagbar ist. An den Analog-Wandler 15 ist ein Behälter 17 zur Aufnahme von Volumenänderungen beziehungsweise zur Dämpfung angeschlossen. Außerdem ist dem Analog-Wandler 15 ein Umschaltventil 18 nachgeordnet, das in ebenfalls nicht gezeigter Weise von der Bremssteuereinrichtung 5 betätigbar ist und mit dem sich über eine Leitung 19 der Analog-Wandler 15 überbrücken lässt, so dass dann am Ausgang 20 der Druck auf der Leitung 11 ansteht. Dieser Druck liegt auch auf einer Seite 21 eines Doppelrückschlagventils 22 an, das mit seiner anderen Seite 23 mit dem Vorsteuerdruck des Steuerventils 7 beaufschlagt ist. An einem Ausgang 24 steht ein Steuerdruck für die nicht dargestellte Wirbelstrombremse an.
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Die Drucksteuereinrichtung 12 der Ansteuerdruck-Erzeugungseinrichtung 3 ist ähnlich der Betätigungseinrichtung 12 für die rotierende Wirbelstrombremse ausgestaltet; so weist sie einen weiteren Analog-Wandler 26 auf, der an seinem elektrischen Eingang 27 in nicht dargestellter Weise von der Bremssteuereinrichtung 5 mit Steuerimpulsen entsprechend dem gewünschten Bremsdruck beaufschlagt werden kann. Diese Beaufschlagung erfolgt unabhängig und separat von der am Eingang 16 des einen Analog-Wandlers 15 der Betätigungseinrichtung 4. Die Drucksteuereinrichtung 12 weist auch einen Behälter 28 zur Aufnahme von Volumenerweiterungen beziehungsweise zur Dämpfung auf und enthält dem weiteren Analog-Wandler 26 nachgeordnet ein weiteres Umschaltventil 29. Dieses ist ausgangsseitig an einen Eingang 30 eines weiteren Doppelrückschlagventils 31 angeschlossen, dessen andere Seite 32 mit dem Eingang 9 des Steuerventils 7 verbunden ist. Dem Doppelrückschlagventil 31 ist nachgeordnet eine Relais-Ventileinrichtung 33 in bekannter Ausführung, die an ihrem Ausgang 34 in bekannter Weise den Bremszylinderdruck für die nicht gezeigte Laufeinheit-Reibungsbremse erzeugt.
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Mit der Relais-Ventileinrichtung 33 ist auch ein Druckwandler 35 verbunden, der eingangsseitig über einen Eingang 36 auch mit einem Luftfederdruck entsprechend der Belastung der einzelnen Wagen eines Schienenfahrzeugs beaufschlagt ist. Ausgangsseitig gibt der Druckwandler 35 somit an einem Ausgang 37 ein lastabhängiges elektrisches Signal für die Bremssteuereinrichtung 5 ab.
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Ergänzend ist noch anzumerken, dass an die Leitung 11 eine Parkbremse-Steuereinrichtung 40 angeschlossen ist, die mit ihrem Ausgang an ein zusätzliches doppeltes Rückschlagventil 41 angeschlossen ist, das außerdem mit dem Ausgang der Relais-Ventileinrichtung 34 verbunden ist. Das zusätzliche doppelte Rückschlagventil 41 ist über einen Ausgang 42 ebenfalls mit dem Bremszylinder der Laufeinheit-Reibungsbremse verbunden.
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Zum haftwertoptimierten Bremsen wird mit dem Bremsenmodul 2 in der Weise gearbeitet, dass von der Bremssteuereinrichtung 5 – nachdem vorrangig in nicht dargestellter Weise generatorische Bremsen des Fahrzeugs betätigt worden sind – zunächst der Analog-Wandler 15 der Betätigungseinrichtung 4 mit Steuerimpulsen beaufschlagt wird, um die nicht dargestellte Wirbelstrombremse über die Betätigungseinrichtung zum Ansprechen zu bringen, indem gezielt der Druck am Ausgang 24 erhöht wird, und zwar so lange, wie ein haftwertoptimiertes Bremsen möglich ist. Die dazu erforderlichen und mit der Bremssteuereinrichtung verbundenen Sensoren sind der Einfachheit halber hier nicht dargestellt. Nur wenn die Bremskraft, die beim haftwertoptimierten Bremsen mittels der nicht dargestellten generatorischen Bremse und der rotierenden Wirbelstrombremse nicht ausreicht, wird zusätzlich eine Beaufschlagung der Steuerdruckeinrichtung 12 von der Bremssteuereinrichtung 5 vorgenommen und damit ein Druck am Ausgang 14 aufgebaut, mit dem der Bremszylinderdruck der Reibungsbremse beaufschlagt wird.
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Wie sich das Bremsenmodul 2 beziehungsweise das erfindungsgemäße Bremssystem im Einzelnen verhält, soll nachfolgend anhand der 2 bis 5 beschrieben werden.
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So zeigt zunächst die 2, wie bei einem bestimmten Bremskraftbedarf die Bremskraft-Verteilung vorgenommen wird, wenn ein energie- und verschleißoptimiertes Bremsen erfolgen soll. In der Darstellung ist als angetriebene Antriebseinheit jeweils ein angetriebener Wagen angenommen und ferner vorausgesetzt, dass die Wagen 1, 3, 6 und 8 eines Schienenfahrzeugs angetrieben und somit mit einer generatorischen Bremse versehen sind. Die Wagen 2, 4, 5 und 7 stellen nicht angetriebene Laufeinheiten dar und sind jeweils mit einer rotierenden Wirbelstrombremse versehen. Es ist zu erkennen, dass bei den angetriebenen Wagen bevorzugt die generatorische Bremse eingesetzt wird – schräg schraffiert und damit 100% Ausnutzung der Kannkraft dieser Bremse –, während die Laufeinheiten beziehungsweise nicht angetriebenen Wagen 2, 4, 5 und 7 mit der Wirbelstrombremse allein (horizontal schraffiert) abgebremst werden unter etwa 75% Ausnutzung ihrer Kannkraft. Die Reibungsbremsen werden nicht eingesetzt, um einen Verschleiß zu vermeiden (ihre Kannkraft ist strichliert markiert).
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Muss die Bremskraft im Vergleich zu der Situation gemäß der 2 beim energie- und verschleißoptimierten Bremsen erhöht werden, dann geschieht dies mit einer Verteilung der Bremskraft, wie es in 3 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass bei den angetriebenen Wagen 1, 3, 6 und 8 die generatorische Bremse wiederum voll eingesetzt wird, während der Anteil der rotierenden Wirbelstrombremse gegenüber der Situation gemäß 2 erheblich bis zu 100% Ausnutzung der Kannkraft erhöht wird (wiederum horizontal schraffiert). Es wird angenommen, dass mit der generatorischen Bremse und den rotierenden Wirbelstrombremsen allein nicht genügend Bremskraft erzeugt wird, weshalb auch noch gleichmäßig die Reibungsbremsen zum Einsatz kommen (vertikal schraffiert).
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Ist eine haftwertoptimierte Verteilung der Bremskraft im Hinblick auf die Situation auf den Schienen erforderlich, dann wird bei relativ geringem Bremskraftbedarf, wie es in 4 unterstellt wird, die Bremskraft auf die Wirkung der generatorischen Bremsen der Wagen 1, 3, 6 und 8 und die Wirkung der rotierenden Wirbelstrombremsen auf die Wagen 2, 4, 5 und 7 gleichmäßig verteilt, um eine haftwertoptimale Bremswirkung ohne Verschleiß zu erzielen. Die nicht ausgenutzte Kannkraft der generatorischen Bremsen ist hier punktiert dargestellt.
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Ist – wie 5 zeigt – der Bremskraftbedarf relativ hoch, dann wird zunächst die Wirkung der generatorischen Bremsen in den Wagen 1, 3, 6 und 8 weitgehend ausgeschöpft (etwa 80% der wiederum punktiert dargestellten Kannkraft dieser Bremsen); die Wirkung der rotierenden Wirbelstrombremse wird voll ausgenutzt. Es ergibt sich jedoch, dass in diesem Falle zur haftwertoptimierten Verteilung der Bremskraft hinsichtlich der angetriebenen Wagen 2, 4, 5 und 7 noch zusätzlich die Reibungsbremsen eingesetzt werden müssen, um eine haftwertoptimierte Verteilung der Bremskraft auch in diesem Bremsfall zu erreichen, was erfindungsgemäß angestrebt und auch erreicht wird.
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Unter Benutzung des erfindungsgemäßen Bremssystems wird also in der Weise vorgegangen, dass für den Bremsbetrieb die verfügbare Bremskraft des Schienenfahrzeugs beziehungsweise Zuges bei Bremsungen mit folgender Priorität eingesetzt wird (energie- und verschleißoptimierte Verteilung):
- 1. Generatorische Bremse
- 2. Rotierende Wirbelstrombremse
- 3. Reibungsbremse
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Die jeweiligen Bremskräfte werden entsprechend der Bremssystemverfügbarkeit gleich auf alle Wagen aufgeteilt, die mit dem jeweiligen Bremssystem ausgestattet sind. Bei schlechten Schienenverhältnissen kann es vorkommen, dass der Haftwert Rad-Schiene eingeschränkt ist. Mit der genannten Verteilung wird möglicherweise an einzelnen Achsen der Rad-Schiene-Kontakt überlastet, was zu unerwünscht erhöhtem Schlupf führen würde. Bei solchen Verhältnissen ist es zielführend, die Bremskraft gleichmäßiger auf die Achsen zu verteilen.
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So wird eine Verteilung angesetzt, in der für jede Achse/Drehgestell-/Wagen das Verhältnis der jeweiligen Achs-/Drehgestell-/Wagenlast zum Gesamtgewicht des Zuges bestimmt wird und entsprechend die Sollbremskraft in Abhängigkeit von der Bremskraftanforderung des gesamten Zuges bestimmt wird. Die jeweils zuzuordnende Bremskraft wird achs-/drehgestell-/wagensweise in folgender Priorität auf die einzelnen Bremssysteme aufgeteilt (haftwertoptimierte Verteilung):
- 1. Generatorische Bremse
- 2. Rotierende Wirbelstrombremse
- 3. Reibungsbremse
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Je nach Schienenverhältnissen werden die beiden Bremskraftverteilungen für gute Verhältnisse (energie- und verschleißoptimierte Verteilung) mit letztgenannter haftwertoptimierter Verteilung arithmetisch mit einem Faktor gewichtet, der bei unerwünschtem Schlupf zugunsten der haftwertoptimierten Verteilung, bei sich bessernden Schienenverhältnissen zugunsten der energie- und verschleißoptimierten Verteilung bemessen ist.
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Daher gilt stets für jede Bremse des Bremssystems hinsichtlich der Bremskraft F: F = y·Fer + (l – y)·Fn, worin Fer die Bremskraft bei energie- und verschleißoptimierter Verteilung und Fn die Bremskraft bei haftwertoptimierter Verteilung bedeutet. Dabei gilt y = l bei energie- und verschleißoptimierter Verteilung bei guten Schienenverhältnissen und y = O bei haftwertoptimierter Verteilung bei schlechten Schienenverhältnissen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „ETR”, 53 (2004), H. 4-April, Seiten 187 bis 197 [0002]