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Bremszylinder, insbesondere für Druckmittelbremsen von Schienenfahrzeugen
Die im Zugverkehr heute üblichen hohen Geschwindigkeiten verlangen große Bremskräfte,
um die Züge innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen zum Halten zu bringen. Diese
Bremskräfte können nur mit entsprechend großen Bremszylindern erreicht werden, welche
wiederum beträchtliche Luftmengen zu ihrem Betrieb erfordern. Der Luftbedarf erreicht
dabei Ausinaße, welche die Beschaffung der Luftmengen für die zu füllenden großen
Vorratsbehälter eines Zuges schwierig machen.
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Es ist schon versucht worden, zum Beseitigen dieser Schwierigkeit
Mittel zu schaffen, um auch bei großen Bremszylindervolumina eine wesentliche Ersparnis
an Druckluft zu erzielen. Dem Versuch liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß der
größte Teil des Kolbenhubes im Bremszylinder zum Anlegen der Bremsklötze an die
Radreifen erforderlich ist, wobei nur ein geringer Überdruck der Luft genügt, um
den Federwiderstand und die Bewegungswiderstände im Bremsgestänge zu überwinden.
Erst nach dem Anlegen der Bremsklötze an die Radreifen bedarf es für den kleinen,
der Gestängedurchbiegung entsprechenden Resthub des Kolbens noch einer hohen Druckbeaufschlagung,
um die erforderliche Bremskraft zu erzeugen. Wird, wie es bisher üblich war, das
gesamte, für Anlege- und Festbremshub erforderliche Zylindervolumen mit Luft von
hohem Überdruck gefüllt, so bedeutet dies eine Verschwendung an Druckluft.
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Um diesen hohen Luftverbrauch zu verringern, ist es bei einer bekannten
Druckluftbremse bereits bekannt, einen besonderen Kolben für das Anlegen der Bremsklötze
an die Radreifen vorzusehen, welcher nur den Widerstand im Bremsgestänge zu überwinden
hat und daher mit kleinem Durchmesser ausgelegt werden kann. Außer diesem Kolben
ist ein weiterer Kolben vorgesehen, welcher die Festbremskraft aufzubringen hat
und daher entsprechend größer dimensioniert ist. Letzterer Kolben ist in dem sogenannten
Festbremszylinder untergebracht, welcher gleichachsig den kleineren Anlegezylinder
als Ansatz trägt. Bei. Beginn einer Bremsung wird zuerst der kleine Anlegezylinder
mit Druckluft beaufschlagt, dessen Kolben die Bremsbacken an die Radreifen heranbringt.
Während dieses Vorganges verbleibt der Festbremskolben in Ruhe, was durch die besondere
Art einer Kupplung ermöglicht ist, welche ein Hindurchbewegen der Kolbenstange des
Anlegekolbens durch eine Mittelöffnung des Festbremskolbens erlaubt. Kommt es nach
entsprechender zeitlicher Verzögerung zum Beaufschlagen des Festbremskolbens, so
sorgt die Kupplung für eine Verbindung des letzteren mit dem Anlegekolben, und die
Bremsklötze werden mit der für die Bremsung erforderliche Kraft an die Radreifen
angepreßt. Sowohl der Anlegekolben als auch der Festbremskolben bleiben mit Druckluft
beaufschlagt, bis beim Lösen der Bremse der Druck im Festbremszylinder auf einen
Mindestwert gefallen ist, bei welchem über entsprechende Mittel die Entlüftung auch
des kleinen Anlegezylinders beginnt.
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Bei einer weiteren bekannten Druckluftbremse sind wiederum ein besonderer
Anlegekolben und ein Festbremskolben vorgesehen, welche sich gegenläufig in zwei
gleichachsig angeordneten Zylindern von verschiedenem Durchmesser bewegen. Bei Beginn
einer Bremsung führt zunächst der Anlegekolben einen Hub aus, während der Festbremskolben
in Ruhe verbleibt. Erst mit einer genügend hohen Beaufschlagung des letzteren Kolbens
setzt dessen Bewegung ein, wobei Sperrmittel dafür sorgen, daß der Anlegekolben
nunmehr in seiner erreichten Stellung blockiert wird, so daß sein Anlenkpunkt am
Bremsgestänge zu einem ortsfesten Drehpunkt des letzteren wird. Die Beaufschlagung
der beiden Kolben dauert auch in diesem Fall so lange an, bis beim Lösen der Bremse
beide Zylinder entlüftet werden.
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Schließlich ist eine Druckluftbremse mit Hilfszylinder zum Anlegen
der Bremsklötze bekannt, wobei dieser Hilfszylinder in völliger baulicher Trennung
vom eigentlichen Bremszylinder senkrecht zum Bremsgestänge angeordnet ist. Wird
der Kolben im Hilfszylinder beaufschlagt, so betätigt er eine Zahnstange, die ihrerseits
über ein Ritzel sowie eine Mutter und Gewindeteile das Bremsgestänge bis zur Anlage
der Bremsklötze bewegt. Zum gegebenen Zeitpunkt wird auch der Festbremszylinder
mit Druckluft beaufschlagt. Erst beim Lösen der Bremse sinkt der Druck im Anlegezylinder
wieder so weit ab, daß die Teile in ihre Anfangsstellung zurückkehren können.
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Im Gegensatz zu diesen bekannten Bauarten von Anlege- und Festbremszylindern
liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Anlege- und einen
Festbremskolben gleichachsig in einem Zylinder unterzubringen, wobei diese beiden
Kolben so zusammenwirken sollen, daß dem Festbremskolben bei seiner Beaufschlagung
mit hohem Druck in dem gemeinsamen Zylinder, in welchem sich auch der Anlegekolben
bewegt, nur das für ihn erforderliche Zylindervolumen zur Verfügung steht. Damit
ist der Verbrauch an Druckluft mit hohem Überdruck auf das für den Festbremsvorgang
unbedingt erforderliche Maß verringert, so daß der luftsparende Bremszylinder gemäß
der Erfindung auch in allen Fällen verwendet werden kann, in denen große Bremskräfte
entsprechend große Durchmesser der Bremskolben erfordern.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Bremszylinder, in welchem zwei
gleichachsige Kolben zusammen und einzeln beweglich sowie getrennt zu beaufschlagen
gelagert sind, dadurch gelöst, daß der eine Kolben nach seinem unter Mitnahme des
anderen Kolbens zurückgelegten, mindestens für das Anlegen der Bremsklötze an die
Radreifen erforderlichen Hub durch selbsttätig wirksam werdende Überwachungsmittel
von der Druckmittelzufuhr getrennt und in an sich bekannter Weise gegen weitere
Bewegung gesperrt wird, so daß er eine ortsfeste Zylinderstirnwand bildet, von welcher
ausgehend der andere Kolben unter weiterer Druckmittelbeaufschlagung den für das
Anpressen der Bremsklötze notwendigen Resthub durchführt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Bremszylinders nach
der Erfindung mit verschiedenen Betriebsstellungen seiner Kolben dargestellt.
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Gemäß Fig. 1 sind im Zylinder 1 ein Kolben 3 und ein Kolben 5 hin
und her schiebbar angeordnet, wobei der Kolben 5 das Widerlager für ein Ende einer
Feder 7 bildet, deren anderes Ende sich am Boden des Zylinderdeckels 9 abstützt.
Am Boden des Zylinders 1 ist ein Gehäuse 11 mittels Schrauben 13 befestigt. In diesem
Gehäuse ist ein Rohr 15 axial verschiebbar gelagert, das mittels einer Dichtung
17 gegen Durchlaß von Druckluft an seinem Umfang abgedichtet ist. Das Rohr 15 dient
als Leitung für Druckluft, welche, überwacht durch ein bekanntes und daher nicht
gezeigtes Steuerventil, durch die Gehäuseöffnung 19 hindurch zugeführt wird. Zur
zeitweiligen Verhinderung des Austrittes von Druckluft aus dem Rohr 15 an seinem
der Gehäuseöffnung 19 entgegengesetzten Ende ist an dem letzteren eine Dichtung
21 vorgesehen, an welcher sich im Ruhezustand der Bremse sowie während des Anlegens
der Bremsklötze der Kolben 5 durch die Wirkung der Feder 7 dichtend abstützt. Der
Kolben 5 betätigt in bekannter Weise über eine Kolbenstange 23 das nicht gezeigte
Bremsgestänge. Das Rohr 15 trägt ein Außengewinde 25, in welches das Innengewinde
einer Mutter 27 eingreift. Diese Mutter stützt sich in einer Axialrichtung mit einem
Kugellager 29 am Zylinderboden 1 ab, welcher außerdem an seiner Mittelöffnung in
der aus den Figuren ersichtlichen Weise so ausgebildet ist, daß er mit einem Lappen
31 in eine Axialnut 33 des Gewinderohres 15 eingreift und dieses Gewinderohr 15
dadurch gegen Drehung sichert. Damit ist außerdem auch der Kolben 3 gesichert, welcher
vom Gewinderohr 15 getragen wird. Die Mutter 27 ist in der anderen Axialrichtung
mittels eines Kugellagers 35 abgestützt, wobei dieses Kugellager 35 seinerseits
gegen eine Feder 37 anliegt, die ihr Widerlager im Gehäuse 11 findet. Nach Zusammendrücken
dieser Feder kommt es zu einem Kraftschluß zwischen einer Stirnfläche 39 der Mutter
27 und einer Gegenfläche 41 des Gehäuses 11. Die Mutter 27 hat an ihrem U:.ifang
Aussparungen 43, in welche ein Riegel 45 einrasten kann. Dieser Riegel 45 ist von
quadratischem Querschnitt und liegt nur mit Streifen 49 an der Innenwand der Büchse
47 an, so daß in axialer Richtung desselben Druckluft aus dem Raum 51 in den Raum
53 und durch die Öffnung 55 des Zylinderbodens 1 hindurch weiter in den Zylinderraum
54 vor den Kolben 3 gelangen kann. Dieser Druckluftweg ist überwacht durch ein Ventil
57, welches auf einen Sitz 59 der Büchse 47 zu liegen kommt, und durch eine Feder
61, welche sich mit ihrem einen Ende an einem Kolben 63 abstützt, offengehalten
wird. Der Kolben 63 ist mit dem Ventil 57 über einen rohrförmigen Ansatz 65 zu einem
Bauteil vereinigt, wobei im Innern des Rohres 65 das Ende des Riegels 45 gleitend
gelagert ist. Dabei wird mittels einer Feder 67 das bandförmige Ende dieses Riegels
an eine Gegenfläche des Rohres 65 gedrückt. Die über die Öffnung 19 zuströmende
Druckluft gelangt in das Innere des Rohres 15, wo ihr weiterer Weg durch die Anlage
des Kolbens 5 an der Dichtung 21 zunächst .gesperrt ist. Es besteht außerdem vom
Inneren des Gewinderohres 15 zum Zylinderraum 69 zwischen den beiden gleichachsigen
Kolben 3 und 5 ein gedrosselter, jedoch ständig offener Durchlaß 71. Die Druckluft
aus der Öffnung 19 gelangt außer in das Innere des Rohres 15 auch in einen Kanal
73 des Gehäuses 11, von welchem sie über weitere entsprechende Gehäuseaussparungen
einerseits zum Raum 75 vor dem Kolben 63 und andererseits zum Raum 51 strömt.
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Die Wirkungsweise des beschriebenen Bremszylinders ist folgende: Im
gelösten Zustand der Bremse nehmen die Teile desselben die aus Fig. 1 ersichtliche
Lage ein. Hierbei ist mittels der Feder 7 der Kolben 5 gegen die Dichtung 21 des
Gewinderohres 15 gedrückt, wobei dieses Rohr 15 seine in der Zeichnung linke Endlage
einnimmt. Damit befindet sich auch der auf dem Rohr 15 befestigte Kolben 3 in seiner
Anfangsstellung. Sämtliche zur Aufnahme von Druckluft bestimmten Räume sind entlüftet,
so daß der Riegel 45 infolge des Fehlens der Druckbeaufschlagung des Hilfskolbens
63 die Mutter 27 zur Drehung freigegeben hat.
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Wird vom Lokomotivführer des Zuges in bekannter und daher nicht zu
erläuternder Weise eine Druckluftbremsung eingeleitet, so strömt die Druckluft,
überwacht durch ein Steuerventil, durch die Gehäuseöffnung 19 hindurch ein und gelangt
in das Innere des Gewinderohres 15, wo ihr jedoch der weitere Weg durch das Anliegen
der Dichtung 21 an der Kolbenscheibe 5 versperrt ist. Dagegen kann die Druckluft
über den Kanal 73 in den Raum 51 und weiter über das offene Ventil 57, 59 entlang
dem Riegel 45 und dem Weg 53, 55 zum Zylinderraum 54 vor den Kolben 3 gelangen.
Dieser Kolben bewegt sich bereits bei einem kleinen Überdruck gegen die Kraft der
Feder 7, wobei er das Rohr 15 axial mitnimmt, dessen Gewinde 25 durch die dadurch
gedrehte Mutter 27 hindurchgezogen wird. Der Lappen 31 des Zylinders 1 schützt Rohr
15 und Kolben 3 gegen Drehung, während sich die Mutter 27 in axialer Richtung am
Kugellager 29 abstützt. Bei der Bewegung des Kolbens 3 wird über die Dichtung 21
auch der Kolben 5 mitgeschoben, der seinerseits das Bremsgestänge 23 bewegt, wobei
sich die nicht gezeigten Bremsklötze dem Radreifen nähern. Während dieses Vorganges
gelangt über die Drosseldüse 71 bereits Druckluft in den Raum 69 zwischen den beiden
Kolben, wobei diese Düse den Druckaufbau aber in einem solchen Maße verzögert, daß
ein Druckgefälle vom Raum 54 zum Raum 69 bestehenbleibt, welches so groß ist, -daß
der Überdruck im Raum 54, bezogen auf die Fläche des Kolbens 3, die
für
die Anlegebewegung erforderliche Kraft liefert. Ein Lösen des Kolbens 5 von der
Dichtung 21 tritt bei dem über die Düse 71 erzeugten Druckaufbau noch nicht ein.
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Wenn die Bremsklötze am Umfang des Radreifens anliegen, ist bei der
in Fig. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellten Kolbenstellung die Anlegebewegung
beendet, wobei infolge des sich nicht mehr weiter vergrößernden Volumens im Raum
54 der Druck in diesem und in den mit ihm verbundenen Räumen eine steigende Tendenz
aufweist. Der Hilfskolben 63 überwindet jetzt die Feder 61. und wandert in die aus
Fig.2 ersichtliche Stellung, wobei er den Riegel 45 axial mitnimmt und außerdem
das Ventil 57 auf seinen Sitz 59 preßt. Letzterer Ventilschluß unterbricht die weitere
Druckluftzufuhr zum Raum 54 vor dem Anlegekolben 3, während der Riegel 45 in eine
der auf den Umfang der Mutter 27 verteilten Aussparungen 43 einrastet. Um dieses
Einrasten des Riegels bei allen gegenseitigen Lagen von Mutter und Riegel sicher
zu erreichen, kann derselbe gegen die Wirkung der Feder 67 axiale Ausweichbewegungen
machen. Die Mutter 27 ist durch den Riegel 45 nun gegen weitere Drehbewegungen gesperrt.
Damit ist auch eine Axialbewegung des Gewinderohres 15, 25 sowie des auf demselben
befestigten Kolbens 3 nicht mehr möglich. Dagegen erreicht der Druck im Inneren
des Gewinderohres 15, 25 nunmehr eine solche Höhe, daß der Kolben 5 unter diesem
Druck von der Dichtung 21 abgehoben wird, so daß die Druckluft durch das Rohr 15
hindurch ungehindert in den verhältnismäßig kleinen, druckmäßig durch die gedrosselte
Strömung über die Düse 71 bereits vorbereiteten Raum 69 zwischen den Kolben 3 und
5 gelangen kann. Der in diesem Raum sich rasch aufbauende Überdruck versucht den
Kolben 3 in seine Anfangsstellung zurückzuzwingen. Dabei wird die durch den Riegel
45 blockierte Mutter 27 unter Zusammendrücken der Feder 37 axial um einen geringen
Betrag bis zum Anliegen der Stirnfläche 39 an der Gegenfläche 41 mitgenommen. Mit
Erreichen dieses Kraftschlusses stützt sich der Kolben 3 über das Gewinderohr 15
und die Mutter 27 am Gehäuse 11 ab, das seinerseits die Stützkraft über die Schrauben
13 zum Zylinder 1 weiterleitet. Der Kolben 3 ist somit nach der von den beiden Kolben
durchgeführten Anlegebewegung der Bremsklötze gegen jede weitere ßewegung blockiert
und bildet nunmehr einen in Richtung des Kolbenhubes axial verlagerten Zylinderboden
mit der Folge, daß der zwischen diesem Boden und dem Festbremskolben 5 verbleibende,
zur Füllung mit Luft von hohem, für die Aufbringung der Bremskraft erforderlichen
Überdruck bestimmte Raum 69 wesentlich kleiner ist, als es der gesamte, dem Anleg-
und Festbremshub entsprechende Zylinderraum wäre. Der Festbremskolben 5 führt nunmehr
nur noch den geringen, der Gestängeelastizität entsprechenden Hub bis zu der in
Fig.2 strichpunktiert eingezeichneten Lage aus, in welcher die Bremsklötze mit der
erforderlichen Kraft an dem Radreifen angepreßt sind.
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Beim Lösen der Bremse wird, wiederum überwacht durch das nicht gezeigte
Steuerventil, der Druck in der Zuleitung 19 verringert, wobei zunächst der Kolben
5 infolge der Wirkung der Feder 7 seine Bewegung unter Annäherung an den Kolben
3 beginnt. Hat der Kolben 5 den Kolben 3 erreicht und sich mit seiner Fläche an
die Dichtung 21 angelegt, so ist inzwischen der Druck im Gewinderohr 5 und damit
vor dem Hilfskolben 63 so weit gesunken, daß der Hilfskolben durch die Feder 61
unter Öffnen des Ventils 57 und Herausziehen des Riegels 45 aus der Verzahnung 43
in der Zeichnung nach links in seine Anfangsstellung bewegt wird. Infolge der Abnahme
des Druckes im Raum 69 gelingt es auch der Feder 37, die Teile 15, 27 und 3 um den
geringen, zum Lösen der Fläche 39 von der Fläche 41 erforderlichen Weg axial zu
verschieben, so daß die Mutter 27 wieder frei drehbar ist. Die Luft im Raum 54 kann
nunmehr über das offene Ventil 57 ebenfalls entweichen, so daß die Kolben
3 und 5 unter der Wirkung der Feder 7 gemeinsam in ihre Anfangsstellung zurückkehren,
wobei das axial mitbewegte Gewinderohr 15 die mit diesem im Eingriff stehende Mutter
27 zur Drehung veranlaßt. Ein Restdruck im Raum 69 kann sich über die Düse 71 entladen.
Schließlich nehmen die Teile wieder die aus Fig. 1 ersichtliche, dem Lösezustand
der Bremse entsprechende Stellung ein.
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Es bleibt zu bemerken, daß die selbsttätige Betätigung des Ventils
57 und des Riegels 45 anstatt in der beschriebenen und gezeigten druckabhängigen
Weise auch in anderer Abhängigkeit, z. B. vom Ablauf einer gewissen Zeit oder von
einem zurückgelegten Kolbenweg, erfolgen könnte.
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Außerdem ist es ohne weiteres möglich, den erfindungsgemäß ausgebildeten
Bremszylinder außer bei Schienenfahrzeugen auch bei druckluftgebremsten Straßenfahrzeugen
zu verwenden, wobei Aufbau und Wirkungsweise unabhängig davon, ob es sich um Klotzbremsen,
Backenbremsen oder Scheibenbremsen handelt, grundsätzlich immer die gleichen bleiben.