DE102016107317A1

DE102016107317A1 - Bremseinrichtung für ein Schienenfahrzeug und Verfahren zum Bestimmen eines Bremsmoments einer Bremseinrichtung

Info

Publication number: DE102016107317A1
Application number: DE102016107317.2A
Authority: DE
Inventors: Marc-Gregory Elstorpff; Michael Mathieu; Bernhard Hämmerl; Alexander Jung; Frederic Soukup; Tomasz Niepala; Harry-Werner KRAUS; Jury Meshenberg; Frank Hellmer; Erich Fuderer
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-10-26
Also published as: WO2017182490A1; EP3445634A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für ein Schienenfahrzeug mit einer Bremszangeneinheit (10), die über eine Konsole (3) an einem Fahrwerk des Schienenfahrzeugs befestigbar ist und die über mindestens einen Bremsbelag (20) auf eine Bremsscheibe (1) einwirkt, wobei an der Konsole (3) und/oder der Bremszangeneinheit (10) und/oder an Verbindungselementen (30) zwischen der Konsole (3) und der Bremszangeneinheit (10) Kraftsensoren angeordnet sind, um ein auf die Bremsscheibe (1) wirkendes Bremsmoment (M_B) zu ermitteln. Die Bremseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mit den Kraftsensoren sämtliche, insbesondere mindestens drei unterschiedliche, in der Ebene der Bremsscheibe (1) wirkende Kräften (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) erfassbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen eines Bremsmoments einer Bremseinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für ein Schienenfahrzeug mit einer Bremszangeneinheit, die über eine Konsole an einem Fahrwerk des Schienenfahrzeugs befestigbar ist und die über mindestens einen Bremsbelag auf eine Bremsscheibe einwirkt. Dabei sind an der Konsole und/oder der Bremszangeneinheit und/oder an Verbindungselementen zwischen der Konsole und der Bremszangeneinheit Kraftsensoren angeordnet, um ein auf die Bremsscheibe wirkendes Bremsmoment zu ermitteln. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bestimmen eines auf die Bremsscheibe wirkendes Bremsmoments bei einer Bremseinrichtung.
Um eine Bremseinrichtung eines Schienenfahrzeugs beim Bremsvorgang möglichst präzise ansteuern zu können, ist im Betrieb eine ausreichend genaue Messung des Bremsmoments, das auf die Bremsscheibe und damit auf die gebremste Fahrzeugachse wirkt, erforderlich. Bei Kenntnis des gemessenen Bremsmoments kann dieses durch eine entsprechende Regelung der Ansteuerung eines Aktivators der Bremszangeneinheit an ein gewünschtes Bremsmoment angepasst werden. Anstelle einer technisch nur schwierig oder gar nicht zu realisierenden direkten Messung des Bremsmoments, wird dieses üblicherweise als Produkt einer Reibkraft, auch Bremskraft genannt, und eines Bremsradius berechnet. Die Reibkraft bezeichnet die beim Bremsen aufgrund der Reibung zwischen dem Bremsbelag und der Bremsscheibe tangential wirkende Kraft. Der Bremsradius gibt den Abstand von der Drehachse der Bremsscheibe bis zu dem Ansatzpunkt der Reibkraft an. Hierbei werden mittlere (effektive) Werte für Bremskraft und Bremsradius angenommen, die die üblicherweise verteilt auf einer größeren Fläche zwischen dem Bremsbelag und der Bremsscheibe wirkenden Kräfte zusammenfassend beschreiben.
Aus der Druckschrift WO 2009/118 350 A2 ist eine Bremseinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der eine Mehrzahl von Kraftsensoren vorgesehen sind, die an der Konsole der Bremszangeneinheit oder der Bremszangeneinheit selbst montiert sind und die mit der Reibkraft in nicht näher beschriebener Weise korrelierte Werte ausgeben. Diese Werte werden als Ist-Werte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, um die Bremseinrichtung bezüglich ihrer Bremswirkung zu regeln.
Aus der Druckschrift WO 2010/069 520 A2 ist eine ähnliche Anordnung bekannt, bei der zwei Kraftsensoren vorgesehen sind, die an einer Konsole einer horizontal ausgerichteten Bremszangeneinheit die in voneinander beabstandeten Befestigungsstellen der Konsole vertikal wirkenden Kräfte ermitteln. Die Bremszangeneinheit ist dabei entlang einer waagerechten Achse angeordnet, auf der sowohl der Mittelpunkt der Bremsscheibe, als auch der nominelle Kraftangriffspunkt der Reibkraft liegen. Die beiden Kraftsensoren ermöglichen eine quantitative Bestimmung der Reibkräfte unter der Annahme, dass der nominelle Kraftangriffspunkt auf der genannten horizontalen Achse liegt, also bei tangentialer Ausrichtung keine horizontale Kraftkomponente aufweist.
Durch verschiedene äußere Faktoren, beispielsweise eine Einfederung des Fahrwerks, Tragbild der Bremse oder eine inhomogenen Verteilung des Flächenanpressdrucks zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe, kommt es in der Praxis jedoch zu einer Verschiebung des Kraftangriffspunkts der Reibkraft und damit verbunden eine Verdrehung des Reibkraftvektors. Die der Berechnung der Reibkraft zugrunde liegende Annahme, dass der Kraftangriffspunkt der Reibkraft auf der horizontalen Achse liegt, sind dann nicht mehr erfüllt, wodurch ein nicht korrekter Wert der Reibkraft und damit des Bremsmoments ermittelt wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bremseinrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestimmung einer Reibkraft bei einer Bremseinrichtung zu schaffen, die auch bei einer Verschiebung des Kraftangriffspunkts der Reibkraft im Betrieb der Bremseinrichtung die Bestimmung eines korrekten Werts der Reibkraft und des Bremsmoments ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Bremseinrichtung bzw. ein Verfahren mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Bremseinrichtung der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass mit den Kraftsensoren sämtliche in der Ebene der Bremsscheibe wirkende und von der Bremszangeneinheit in die Konsole bzw. in das Drehgestell übertragene Kräfte und Kraftkomponenten erfassbar sind. Durch die Messung von nicht nur parallel zueinander stehenden Kräften in der Aufhängung der Bremszangeneinheit kann auch die Reibkraft in der Ebene der Bremsscheibe vollständig, d.h. bezüglich des Absolutwerts und der Richtung, bestimmt werden. Dadurch kann die tatsächlich tangential wirkende Reibkraft bestimmt werden und nicht nur ihre Projektion auf eine vorgegebene, beispielsweise vertikale Achse. Entsprechend kann das tatsächliche Bremsmoment bestimmt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Bremseinrichtung sind die Kraftsensoren zur Messung von mindestens drei unterschiedlichen, in der Ebene der Bremsscheibe wirkenden Kräften eingerichtet sind, wobei zumindest zwei der Kräfte quer zueinander stehen. Bei geeigneter Anordnung der Kraftsensoren sind die genannten drei Sensoren ausreichend, um alle von der Bremszangeneinheit in die Konsole bzw. in das Drehgestell übertragenen Kräfte und Kraftkomponenten zu erfassen. Bevorzugt verläuft zumindest eine der Kräfte ganz oder zumindest mit einer Kraftkomponente in Richtung einer Längsachse der Bremszangeneinheit. Wenn beispielsweise die Bremszangeneinheit mit ihrer Längsachse horizontal ausgerichtet ist, ist vorteilhaft zumindest eine gemessene Kraft ebenfalls horizontal ausgerichtet oder weist zumindest eine horizontale Kraftkomponente auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Bremseinrichtung sind die Verbindungelemente, über die die Bremszangeneinheit mit der Konsole verbunden ist, drei beidseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklaschen, wobei die drei unterschiedlichen von den Kraftsensoren zu messenden Kräfte entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen wirken. Bevorzugt sind zwei der Zug- und Drucklaschen parallel zueinander ausgerichtet und die dritte verläuft diagonal zwischen den beiden anderen. Diese Art der Aufhängung ermöglicht auf einfache Weise die Messung der benötigten drei Kräfte, beispielsweise durch Dehnungsmessstreifen als Kraftsensoren, die an den Zug- und Drucklaschen angeordnet sind, oder durch Kraftsensoren, die in den Lagerstellen der Zug- und Drucklaschen angeordnet sind.
In einer dazu alternativen Ausgestaltung der Bremseinrichtung erfolgt die Verbindung der Bremszangeneinheit mit der fahrgestellseitigen Konsole über eine beidseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche und eine einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche, wobei zwei der drei unterschiedlichen Kräfte entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen wirken und die weitere der drei unterschiedlichen Kräfte eine Biegekraft in der einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche ist.
In einer weiteren dazu alternativen Ausgestaltung der Bremseinrichtung ist die Bremszangeneinheit über eine Messkonsole mit zwei beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippen mit der Konsole verbunden, wobei zwei der drei unterschiedlichen Kräfte entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen wirken und die weitere der drei unterschiedlichen Kräfte durch Biegekräfte in den beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippen gegeben ist.
Auch bei diesen alternativen Aufhängungen der Bremszangeneinheit ist die Messung der benötigten drei Kräfte auf einfache Art und Weise möglich, wiederum z.B. durch Dehnungsmessstreifen oder Kraftsensoren, die in den Lagerstellen der Zug- und Drucklaschen angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines auf eine Bremsscheibe wirkendes Bremsmoments bei einer Bremseinrichtung weist die folgenden Schritte auf: Es werden mindestens drei unterschiedliche Kräfte in der Ebene der Bremsscheibe gemessen, wobei die Kräfte auf eine Aufhängung einer Bremszangeneinheit der Bremseinrichtung wirken, und wobei zumindest zwei der Kräfte quer zueinander stehen. Anhand der mindestens drei unterschiedlichen Kräfte wird eine Reibkraft, die in einem mittleren Reibradius zwischen mindestens einem Bremsbelag und der Bremsscheibe wirkt, bestimmt und anschließend aus der Reibkraft und dem mittleren Reibradius das Bremsmoment. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung genannten Vorteile.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 bis 3 jeweils eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer anmeldungsgemäßen Bremseinreichtung.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Bremseinrichtung für ein Schienenfahrzeug.
Die Bremseinreichtung weist eine Bremsscheibe 1 auf, die um einen Mittelpunkt 2 drehbar gelagert ist. Die Bremsscheibe 1 kann in bekannter Weise eine Wellen- oder eine Radbremsscheibe sein. Von der Bremsscheibe 1 ist nur ein äußerer Rand dargestellt, auf den Bremsbeläge 20 wirken, von denen ein vorderer, auf der hier dargestellten Seite der Bremsscheibe 1 angeordneter Bremsbelag 20 in der 1 sichtbar ist.
Die Bremsbeläge 20 werden von einer Bremszangeneinheit 10 gehalten und bei Betätigung der Bremse mit einer Anpresskraft senkrecht auf die Oberfläche der Bremsscheibe 1 gepresst. Die Bremsbeläge 20 sind zu diesem Zweck an Bremszangen 11 gelagert, die mit Hilfe eines hier nicht näher dargestelten Aktuators 12 die Bremsbeläge 20 auf die Bremsscheibe 1 pressen. Die Bremszangeneinheit 10 weist zur Befestigung einen Montagesockel 13 auf, über den sie mit Verbindungselementen 30 an einer Konsole 3 montiert ist. Die Konsole 3 ist fest an einem Fahrwerk, beispielsweise einem Drehgestell, eines Schienenfahrzeugs verankert. Details der Verbindungselemente 30 zwischen der fahrwerksseitigen Konsole 3 und dem Montagesockel 13 der Bremszangeneinheit 10 werden nachfolgend näher erläutert.
Mit der dargestellten Bremseinrichtung wird eine Achse eines Schienenfahrzeuges abgebremst, indem ein Bremsmoment M_B auf diese Achse ausgeübt wird. Dieses Bremsmoment M_B resultiert aus einer Reibkraft F_R, die zwischen den Bremsbelägen 20 und der Bremsscheibe 1 wirkt. Die Reibkraft F_R wirkt tangential an der Bremsscheibe 1 in einem mittleren Bremsradius r_m, wobei für das Bremsmoment M_B gilt: M_B = F_R·r_m (Gl. 1).
In der Ebene der Bremsscheibe 1 sind zwei orthogonal zueinander verlaufende Richtungen definiert, eine x-Richtung und eine y-Richtung. Ausgehend vom Mittelpunkt 2 der Bremsscheibe 1 wird durch diese beiden Richtungen ein Koordinatensystem mit x- und y-Achsen definiert. Dabei ist die Bremszangeneinheit 10 mit einer Längsachse entlang der x-Achse angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die x-Achse horizontal, d.h. parallel zur Schiene, auf der das Schienenfahrzeug fährt. In alternativen Ausgestaltungen könnte die Bremszangeneinheit 10 jedoch geneigt zur horizontalen Richtung eingebaut sein. In dem Fall stimmt die x-Richtung nicht mit der horizontalen Richtung überein.
Jedes Flächenelement der Bremsbeläge 20 steuert einen Anteil am Bremsmoment M_B bei, wobei dieser Anteil abhängig vom Radius des entsprechenden Flächenelements (d.h. dem Abstand des Flächenelements vom Mittelpunkt 2 der Bremsscheibe 1), dem Reibwert und dem auf das Flächenelement wirkenden Druck ist. Das Bremsmoment M_B ergibt sich dann als Integral über die gesamte Fläche der Bremsbeläge 20. Die Reibkraft der einzelnen Flächenelemente resultiert in der Reibkraft F_R, die an einem mittleren Reibradius r_m wirkt.
In der Regel sind die Bremsbeläge 20 und die Bremszangeneinheit 10 so ausgelegt und positioniert, dass der Flächenschwerpunkt der Bremsbeläge 20 auf der x-Achse liegt.
Unter der Annahme, dass der Anpressdruck der Bremsbeläge 20 konstant über die gesamte Fläche der Bremsbeläge 20 ist und auch der Reibwert über die Fläche der Reibklötze 20 nicht variiert, liegt der Kraftangriffspunkt der Bremskraft F_R auf der x-Achse. In dem Fall weist die Bremskraft F_R in Richtung der (negativen) y-Achse, der Wirkwinkel β, unter dem der Kraftansatzpunkt vom Mittelpunkt 2 der Bremsscheibe 1 aus positiniert ist, ist gleich 0. In diesem Fall hat die Bremskraft F_R keine Kraftkomponente F_Rx in x-Richtung (F_Rx = 0).
Da jedoch die Geometrie der Bremseinrichtung nicht zwingend so gestaltet ist, dass der Kraftangriffspunkt auf der x-Achse liegt und zudem in der Regel weder ein über die Fläche des Bremsbelags konstanter Anpressdruck beziehungsweise Reibwert herrschen, liegt der Kraftangriffspunkt häufig nicht auf der x-Achse, sondern von dem Mittelpunkt 2 aus betrachtet unter einem Wirkwinkel β ungleich Null. Dieses führt dazu, dass die Bremskraft F_R sowohl eine Kraftkomponente F_Ry in y-Richtung, als auch eine Kraftkomponente F_Rx in x-Richtung aufweist.
Die im Folgenden näher erläuterte Aufhängung der Bremszangeneinheit 10 durch die Verbindungselemente 30 und die dabei umgesetzte Kräftemessung ermöglicht eine korrekte Bestimmung der Bremskraft F_R unter Berücksichtung der Kraftkomponente F_Rx in x-Richtung_.
Beim Ausführungsbeispiel der 1 weist die Konsole 3 zwei Aufhängungspunkte auf, einen ersten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 4 und einen zweiten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 5. Diese beiden Aufhängepunkte sind um einen Abstand b voneinander in x-Richtung beabstandet. Die beiden Aufhängepunkte 4 und 5 können auch direkt im Drehgestell realisiert sein. Die Konsole 3 wäre dann fester Bestandteil des Drehgestelles und nicht, wie hier dargestellt, ein separates Bauteil.
In y-Richtung, also in diesem Fall in vertikaler Richtung, sind beide Aufhängepunkte 4, 5 in gleicher Höhe angeordnet. Der Montagesockel 13 an der Bremszangeneinheit 10 weist ebenfalls zwei Aufhängepunkte auf, einen ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 14 und einen zweiten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 15, die gleichermaßen um den Abstand b in x-Richtung voneinander beabstandet sind.
Die Bremszangeneinheit 10 ist nun durch drei Zug- und Drucklaschen 31–33 als Verbindungselemente 30 mit der Konsole 3 verbunden. Die erste Zug- und Drucklasche 31 verbindet beidseitig gelenkig den ersten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 4 mit dem ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 14. Die zweite Zug- und Drucklasche 32 verbindet beidseitig gelenkig den zweiten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 5 mit dem zweiten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 15. Schließlich verbindet die dritte Zug- und Drucklasche 33 den ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 14 mit dem zweiten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 5.
Es versteht sich, dass die drei genannten Zug- und Drucklaschen 31–33 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Bremsscheibe 1 ausgedehnt sein können, um eine Drehung der Bremszangeneinheit 10 um die y-Achse zu verhindern.
An der gezeigten Anordnung sind drei hier nicht dargestellte und auf Zug- oder Druck sensitive Kraftsensoren angeordnet, die jeweils eine Zug- oder Druckbelastung der jeweiligen Zug- und Drucklasche 31–33 messen. Die Sensoren können entweder als Dehnungssensoren, z.B. Dehnungsmessstreifen, an den Zug- oder Drucklaschen 31–33 angeordnet sein oder auch in den Gelenkaugen an den Aufhängepunkten 4, 5, 14, 15 positioniert sein.
Im Resultat sind die drei Sensoren dazu eingerichtet, drei Kräfte F₁, F₂ und F₃ zu messen, die in Richtung der Längserstreckung der Zug- und Drucklaschen 31–33 wirken. Die drei Kräfte F₁–F₃ sind in der 1 eingezeichnet.
F₁ ist der ersten Zug- und Drucklasche 31, F₂ der zweiten Zug- und Drucklasche 32 und F₃ der dritten Zug- und Drucklasche 33 zugeordnet. Die Kräfte F₁ und F₃ wirken in Richtung der y-Achse bzw. der negativen y-Achse. F₂ wirkt in einer Richtung, die um den Winkel α gegenüber der y-Achse geneigt ist. Dieser Winkel α ist bekannt und ergibt sich aus dem Abstand b in horizontaler Richtung zwischen den Aufhängepunkten 4, 5 bzw. 14, 15 und dem Abstand der Aufhängepunkte 4, 5 bzw. 14, 15 in y-Richtung, der der Länge der ersten bzw. dritten Zug- und Drucklasche 31, 33 entspricht. Neben den Größen b und α, die bekannt und somit vorgegeben sind, ist weiterhin die Position des ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkts 14 relativ zum Mittelpunkt 2 der Bremsscheibe 1 vorbekannt. Dieser Aufhängepunkt hat die Koordinaten e_x, e_y, ist also um den Abstand e_x vom Mittelpunkt 2 in x-Richtung und um den Abstand e_y vom Mittelpunkt 2 in y-Richtung beabstandet.
Beim Betrieb der Bremseinrichtung werden die Kräfte F₁, F₂ und F₃ gemessen. Die gemessene Kraft F₂ teilt sich dabei in eine in y-Richtung wirkende Kraftkomponente der Größe F₂·cos(α) und eine in x-Richtung wirkende Kraftkomponente der Größe F₂·sin(α) auf. Da die x- bzw. y-Komponenten F_Rx, F_Ry der Bremskraft F_R von den jeweiligen Kräften bzw. Kraftkomponenten in x- und y-Richtung der Kräfte F₁ bis F₃ aufgebracht werden müssen, gilt: F_Rx = –F₂·sin(α); F_Ry = F₁ + F₂·cos(α) – F₃ (Gl. 2).
Aus den Kraftkomponenten F_Rx und F_Ry lässt sich schließlich die resultierende Bremskraft F_R sowie der Wirkwinkel β über folgende trigonometrische Beziehung bestimmen: F_R = (F_Rx ² + F_Ry ²)^1/2; β = arctan(F_Rx/F_Ry) (Gl. 3).
Die Kräfte F₃ und F_Ry lassen sich über das Hebelgesetz in eine weitere Beziehung miteinander setzen: F_Ry·a = F₃·b(Gl. 4).
Für diese Gleichung 4 wird davon ausgegangen, dass sich der Montagesockel 13 um den im Raum festliegenden ersten bremszangenseitigen Aufhängungspunkt 14 drehen kann, wobei ein Hebel der Länge b gebildet ist, an dessen Ende die Kraft F₃ wirkt. Weitehin ist in Verlängerung des Hebels mit der Länge b ein gedachter Hebel der Länge a angeordnet, an dessen Ende die Kraft F_R wirkt. Die Länge a des Hebels ergibt sich aus dem Schnittpunkt der verlängerten Verbindung zwischen der zweiten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 15 und dem ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 14 einerseits, sowie der Verlängerung der Kraftwirkungslinie der Kraft F_R andererseits. Bei dieser mathematisch zulässigen Verschiebung der Reibkraft in diesen Schnittpunkt ist die x-Komponente F_Rx der Kraft F_R irreleveant für die Kraft F₃ und Gleichung 4 ist gültig.
Die Länge des Hebelarms a ist zudem über geometrische bzw. trigonometrische Funktionen mit dem mittleren Bremsradius r_m und den Koordiaten e_x und e_y der Position des ersten bremszangenseitigen Aufhängepunkt 14 verbunden, wodurch aus Gleichung 4 sowie dem bereits berechneten Wirkwinkel β sich der mittlere Bremsradius r_m berechnen lässt. Damit sind sowohl die Bremskraft F_R als auch der mittlere Bremsradius r_m bekannt, so dass sich gemäß Gleichung 1 das Bremsmoment M_B bestimmen lässt.
Das auf diese Weise aus den gemessenen Kräften F₁ bis F₃ berechnete Bremsmoment M_B kann beispielsweise verwendet werden, um ein gewünschtes Bremsmoment einzustellen, dass zu einer gewünschten vorbestimmen Verzögerung des Schienenfahrzeuges führt. Die Anpresskraft, mit der die Bremsbeläge 20 dann auf die Bremsscheibe 1 durch den Aktuator 12 gepresst werden, kann so geregelt werden, dass das gewünschte Bremsmoment M_B erreicht wird.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer anmeldungsgemäßen Bremseinrichtung in gleicher Weise wie in 1 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in dieser wie der nächsten Figur gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei 1. Vom Grundaufbau her entspricht die Bremseinrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels der gemäß 1, auf deren Beschreibung hiermit explizit verwiesen wird.
Unterschiedlich bei den beiden Ausführungsbeispielen sind die Verbindungselemente 30, mit denen der Montagesockel 13 der Bremszangeneinheit 10 an der Konsole 3 befestigt ist. Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist anstelle der ersten und zweiten beidseitig drehbar gelagerten Zug- und Drucklaschen 31, 32 eine einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche 34 vorgesehen. Diese ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel auf Seiten des Montagesockels 13 der Bremszangeneinheit 10 fest verbunden und nur im zugeordneten ersten fahrgestellseitigen Aufhängepunkt 4 drehbar gelagert.
Mit dieser einseitig gelagerten Zug- und Drucklasche 34 sind zwei Kraftsensoren verbunden, mit denen die Kräfte F₁ in Richtung der y-Achse sowie F₂’ in Richtung der (negativen) x-Achse gemessen werden. Beide Drucksensoren können wiederum als Biegebzw. Strecksensoren an der einseitig gelagerten Zug- und Drucklasche 34 angeordnet sein oder auch im Lagerauge des ersten fahrgestellseitigen Aufhängepunkts 4.
Der zweite fahrgestellseitige Aufhängepunkt 5 ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel über eine beidseitig gelagerte Zug- und Drucklasche 33 mit dem zugeordneten Aufhängepunkt 15 des Montagesockels 13 verbunden. An dieser bzw. im Zusammenhang mit dieser beidseitig gelagerten Zug- und Drucklasche wird die Kraft F₃ in Richtung der (negativen) y-Achse gemessen.
Wiederum werden die Kräfte F₁ bis F₃ im Betrieb der Bremse gemessen. Geometrisch vorgegeben sind die Koordiaten e_x und e_y, die vorliegend die Position des ersten fahrgestellseitigen Aufhängepunkts 4 relativ zum Mittelpunkt 2 der Bremsscheibe 1 angeben, sowie der Abstand b der beiden fahrgestellseitigen Aufhängepunkte 4, 5 in x-Richtung.
Analog zu den Gleichungen 2 beim ersten Ausführungsbeispiel gelten hier folgende Beziehungen: F_Rx = F₂; F_Ry = F₁ – F₃(Gl. 5).
Die Gleichungen 3 und 4 gelten gleichermaßen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Wiederum lässt sich aus dem gemessenen Kräften F₁ bis F₃ sowohl die Bremskraft F_R und der Wirkwinkel β berechnen, ebenso wie der mittlere effektive Bremsradius r_m und schließlich das Bremsmoment M_B.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer anwendungsgemäßen Bremseinrichtung in gleicher Darstellungsweise wie bei den 1 und 2. Es wird wiederum auf die Beschreibung, insbesondere zu 1, verwiesen.
Auch dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich durch die Art der Verbindungselemente 30 zwischen der Konsole 3 und dem Montagesockel 13 der Bremszangeneinrichtung 10.
Die Verbindungselemente 30 zwischen der Konsole 3 und dem Montagesockel 13 sind in diesem Fall beidseitig eingespannt. Sie werden nachfolgend als beidseitig eingespannte Zug- und Druckrippen 35, 36 bezeichnet. Die Zug- und Druckrippen 35 und 36 sind beispielsweise Teil einer einstückigen Messkonsole 37, die im Querschnitt ein doppeltes H-Profil aufweist. Vergleichbar mit der einseitig gelagerten Zug- und Drucklasche 34 des zweiten Ausführungsbeispiels ist hier bei jeder der beiden beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippen 35, 36 eine Sensorik angeordnet, die zum einen eine in y-Richtung weisende und zum anderen eine in x-Richtung weisende Kraftkomponente messen kann. Die in y-Richtung wirkende Kraft in der beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippe 35 ist als Kraft F₁ bezeichnet, die in y-Richtung wirkende Kraft in der beidseitig eingespannten Zug- und Drucklasche 36 als Kraft F₃. Die jeweilige in y-Richtung wirkende Kraft ist als Kraft F_2a bzw. F_2b bezeichnet. Beispielsweise können zu beiden Seiten der jeweiligen beidseitig vorgespannten Zug- und Druckrippen 35, 36 Dehnungsmessstreifen angebracht sein. Aus der Summe der Dehnungungen bzw. Stauchungen ergibt sich die jeweilige Kraft komponente in y-Richtung. Aus der Differenz der beiden Messwerte von Dehnung bzw. Stauchung ergibt sich die Kraftkomponente in x-Richtung.
Im Betrieb der Bremseinrichtung werden die Kräfte F₁, F_2a, F_2b und F₃ gemessen. Durch die Geometrie der Bremseinrichtung vorgegeben sind wiederum der Abstand b der beidseitig vorgespannten Zug- und Druckrippen 35, 36 sowie die Koordiaten e_x und e_y. Diese Koordiaten beschreiben die Lage des ersten Hebelpunkts in der Aufhängung des Montagesockels 13, der beim vorliegenden Fall durch die Position der Mitte der ersten beidseitig vorgespannten Zug- und Druckrippe 35 gegeben ist.
Für die Bremskraftkomponenten F_Rx und F_Ry gilt die folgende Beziehung: F_Rx = F_2a + F_2b; F_Ry = F₁ – F₃(Gl. 6).
Die in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Gleichungen 3 und 4 gelten auch in diesem Fall. Wiederum kann sowohl die Bremskraft F_R als auch der Wirkwinkel β bestimmt werden, sowie der effektive mittlere Bremsradius r_m. Aus diesen Größen lässt sich gemäß Gleichung 1 das Bremsmoment M_B bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Bremsscheibe
2: Mittelpunkt der Bremsscheibe
3: Konsole
4: erster fahrgestellseitiger Aufhängungspunkt
5: zweiter fahrgestellseitiger Aufhängungspunkt
10: Bremszangeneinheit
11: Bremszange
12: Aktuator
13: Montagesockel
14: erster bremszangenseitiger Aufhängungspunkt
15: zweiter bremszangenseitiger Aufhängungspunkt
20: Bremsbelag
30: Verbindungselement
31–33: beidseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche
34: einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche
35, 36: beidseitig eingespannte Zug- und Druckrippe
37: Messkonsole
x, y: Koordinaten in der Ebene der Bremsscheibe
F_R: Reibkraft
F_Rx: x-Komponente der Reibkraft
F_Ry: y-Komponente der Reibkraft
F₁, F₂, F₃: gemessene Kraft
F_2a, F_2b: gemessene Kraft
r_m: mittlerer Bremsradius
M_B: Bremsmoment
β: Wirkwinkel
α: Ausrichtungswinkel der zweiten Druck- und Zuglasche
e_x, e_y: Koordianten des ersten effektiven Aufhängungspunkts der Bremszangeneinheit
a: scheinbare Hebelarmlänge in x-Richtung
b: Abstand der Aufhängungspunkte in x-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/118350 A2 [0003]
WO 2010/069520 A2 [0004]

Claims

Bremseinrichtung für ein Schienenfahrzeug mit einer Bremszangeneinheit (10), die über eine Konsole (3) an einem Fahrwerk des Schienenfahrzeugs befestigbar ist und die über mindestens einen Bremsbelag (20) auf eine Bremsscheibe (1) einwirkt, wobei an der Konsole (3) und/oder der Bremszangeneinheit (10) und/oder an Verbindungselementen (30) zwischen der Konsole (3) und der Bremszangeneinheit (10) Kraftsensoren angeordnet sind, um ein auf die Bremsscheibe (1) wirkendes Bremsmoment (M_B) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Kraftsensoren sämtliche in der Ebene der Bremsscheibe (1) wirkende, von der Bremszangeneinheit (10) in die Konsole bzw. in das Drehgestell übertragene Kräfte (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) und Kraftkomponenten erfassbar sind.
Bremseinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kraftsensoren zur Messung von mindestens drei unterschiedlichen Kräften (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) in der Ebene der Bremsscheibe (1) eingerichtet sind, wobei zumindest zwei der Kräfte (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) quer zueinander stehen.
Bremseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest eine der Kräfte (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) ganz oder zumindest mit einer Kraftkomponente in Richtung (x) einer Längsachse der Bremszangeneinheit (10) verläuft.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Bremszangeneinheit (10) über drei beidseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33) mit der Konsole (3) verbunden ist, wobei die Kräfte (F₁, F₂, F₃) entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33) wirken.
Bremseinrichtung nach Anspruch 4, bei der zwei der beidseitig drehbar gelagerten Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33) parallel zueinander ausgerichtet sind und die dritte der Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33) diagonal zwischen den beiden anderen verläuft.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Bremszangeneinheit (10) über eine beidseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche (33) und eine einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche (34) mit der Konsole (3) verbunden ist, wobei zwei der Kräfte (F₁, F₃) entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen (33, 34) wirken und die weitere der Kräfte (F₂) eine Biegekraft in der einseitig drehbar gelagerte Zug- und Drucklasche (34) ist.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Bremszangeneinheit (10) über eine Messkonsole (37) mit zwei beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippen (35, 36) mit der Konsole (3) verbunden ist, wobei zwei der Kräfte (F₁, F₃) entlang jeweils einer der Zug- und Drucklaschen (33, 34) wirken und eine weitere der Kräfte (F_2a, F_2b) durch Biegekräfte in den beidseitig eingespannten Zug- und Druckrippen (35, 36) gegeben ist.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Kraftsensoren Dehnungssensoren an den Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33, 34) oder Zug- und Druckrippen (35, 36) sind.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der Kraftsensoren in den Lagerstellen der Zug- und Drucklaschen (31, 32, 33, 34) angeordnet sind.
Verfahren zum Bestimmen eines auf eine Bremsscheibe (1) wirkendes Bremsmoments (M_B) bei einer Bremseinrichtung mit den folgenden Schritten: – Messen von mindestens drei unterschiedlichen Kräften (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) in der Ebene der Bremsscheibe (1), die auf eine Aufhängung einer Bremszangeneinheit (10) der Bremseinrichtung wirken, wobei zumindest zwei der Kräfte (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃) quer zueinander stehen; – Bestimmen, anhand der mindestens drei unterschiedlichen Kräfte (F₁, F₂, F_2a, F_2b, F₃), einer Reibkraft (F_R), die in einem mittleren Reibradius (r_m) zwischen mindestens einem Bremsbelag (20) und der Bremsscheibe (1) wirkt; und – Bestimmen des Bremsmoments (M_B) aus der Reibkraft (F_R) und dem mittleren Reibradius (r_m).