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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft nichtverschmutzende Bremsanordnungen, die besonders zur Verwendung an Straßen- oder Schienenfahrzeugen gedacht sind. Die Erfindung betrifft insbesondere Bremsanordnungen, die in der Lage sind, durch Ansaugen Partikel und Staub aufzufangen, die von Abrieb resultieren, der durch Reibbremsung abgegeben wird. Es ist bekannt, dass diese Partikel gesundheitsschädlich sind, wenn sie in die Umwelt freigesetzt werden.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Systeme oder Vorrichtungen zum Auffangen von Staubpartikeln vorgeschlagen worden, die aus dem Abrieb der Reibbremsung resultieren, insbesondere in den Patenten
FR 2 815 099 und
US 8 191 691 . Diese bekannten Lösungen sind schwierig zu realisieren und haben einen negativen Einfluss auf die richtige Kühlung der Bremsscheibe und daher auf die Bremsleistung.
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Es gibt daher Bedarf nach einer Verbesserung der Lösungen zum Auffangen vom Staub und der Partikel, die von der Bremsung her resultieren, um einige oder alle der obigen Nachteile zu beseitigen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung eine nichtverschmutzende Bremsanordnung vor, welche aufweist:
- – einen Rotor,
- – einen beweglichen Belag, der dazu dient, gegen den Rotor zu drücken, um diesen zu bremsen, wobei der Belag Reibmaterial aufweist, das in der Lage ist, vom Abrieb resultierende Partikel freizusetzen,
- – eine autonome Saugvorrichtung zum Absaugen der Partikel, wobei die Saugvorrichtung aufweist:
- – eine Einlassöffnung,
- – eine Sammelkammer zum Sammeln der Partikel,
- – ein Rohr, das von der Einlassöffnung zu der Sammelkammer führt,
- – einen Impeller, der von dem Rotor mittels einer auf den Rotor drückenden Rolle angetrieben ist, um die Partikel durch die Öffnung abzusaugen und diese in die Sammelkammer zu treiben,
wobei die Einlassöffnung in der unmittelbaren Nachbarschaft des Belags und des Rotors angeordnet ist, und die Saugvorrichtung in der Nähe des Belags integriert ist, so dass die Partikel so nahe wie möglich an ihrer Quelle aufgefangen werden.
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Mit diesen Anordnungen fängt die Saugvorrichtung Partikel so nahe wie möglich an ihrer Quelle auf und vermeidet eine Einhausung des Rotors, um die Partikel aufzufangen; in der Erfindung wird durch das Vorhandensein der Saugvorrichtung die Kühlung des Rotors nicht wesentlich reduziert, und daher wird die Bremsleistung durch das Vorhandensein der Saugvorrichtung nicht beeinträchtigt.
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Ferner erlauben die reduzierten Abmessungen der Saugvorrichtung eine gute Integration in die Rotorumgebung, insbesondere in die Nachbarschaft des Bremsbelags.
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Darüber hinaus ist die Konstruktion der Saugvorrichtung besonders einfach: Die Impeller-Antriebsanordnung benötigt keine externe Antriebsquelle und keine Wartung. In der Tat erfordert die Saugvorrichtung keinen externen Rohrleitungen, keine externe Verbindung und ist daher autonom; dies begünstigt die Zuverlässigkeit.
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In verschiedenen Ausführungen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Anordnungen verwendet werden:
- – die Höhe der Einlassöffnung relativ zur Rotoroberfläche kann zwischen 0,5 mm und 2 mm betragen; und bevorzugt etwa 1 mm; dieses Merkmal maximiert die Menge der gesammelten Partikel;
- – die Umfangsabmessung der Einlassöffnung kann weniger als 10 mm betragen, bevorzugt etwa 4 mm, so dass der Einfluss auf die Bremsleistung minimiert wird;
- – die Rolle kann auf den Rotor außerhalb des vom Belag überstrichenen Bereichs drücken; wodurch die Antriebsrolle keinen Einfluss auf die vom Belag überstrichene Rotoroberfläche hat und die Bremsleistung nicht beeinträchtigt;
- – die Vorrichtung kann ferner ein Rückschlagventil aufweisen, um einen etwaigen Rückfluss der Partikel von der Sammelkammer zu verhindern; hierdurch wird, bei der Rückwärtsbewegung, ein ungewünschter umgekehrter Betrieb vermieden;
- – der Impeller und die Rolle können koaxial angeordnet sein; so dass die Abmessungen und die Herstellungskosten minimiert werden;
- – die Sammelkammer kann einen Filter aus fasrigen Medien aufweisen; so dass alle Partikel in dem Filter aufgefangen werden;
- – die Sammelvorrichtung ist mit einem Bremssattel oder einer Bremsankerplatte mittels eines Trägerbeschlags verbunden; hierdurch wird die Installation der Vorrichtung vereinfacht;
- – die Sammelvorrichtung ist mit dem Bremssattel oder einer Bremsankerplatte mit Vorspannung zum Rotor hin verbunden; so dass der Lagerdruck der Rolle auf dem Rotor richtig gesteuert wird;
- – die Vorrichtung kann ferner eine Hilfseinlassöffnung aufweisen, die symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Rotorscheibe angeordnet ist; so dass nur ein Impeller erforderlich ist, um beide Seiten der Scheibe zu behandeln;
- – der Impeller kann bevorzugt zwischen der Einlassöffnung und der Sammelkammer, die einen Filter darin aufweist, eingefügt sein; hierdurch wird der Saugverlust reduziert, da der Impeller die Luft in den Filter drückt (und nicht Luft aus dem Filter saugt).
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungen der Erfindung ersichtlich, die als nicht einschränkende Beispiele angegeben sind. Die Erfindung wird auch unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen besser verständlich, worin:
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1 ist eine Seitenansicht einer Bremsanordnung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung, die mit einer Saugvorrichtung ausgestattet ist,
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2 ist eine schematische Perspektivansicht der Bremsanordnung von 1,
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3 ist eine partielle vertikale Schnittansicht der Saugvorrichtung von 1,
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4 zeigt ein Schnittdetail des Saugbereichs,
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5 ist eine Seitenansicht einer Bremsanordnung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung, die mit einer Saugvorrichtung ausgestattet ist,
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6 ist eine schematische Perspektivansicht einer Bremsanordnung in einer Variante der ersten Ausführung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder ähnliche Elemente.
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1 zeigt eine Bremsanordnung 2 gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung, die eine Scheibenbremskonfiguration betrifft. Eine solche Scheibenbremskonfiguration ist in Automobilen, kommerziellen Fahrzeugen, Schwerlastwagen, Bussen und rollendem Schienenmaterial, sowie in Zweirädern, sehr verbreitet. In dieser Konfiguration wirkt die Bremsaktion auf einen Rotor, genannt „Scheibe”, die mit der Felge des Rads oder mit der Achswelle starr ist, sich aber von der Radfelge selbst unterscheidet.
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Jedoch betrifft die Erfindung auch eine Bremskonfiguration, wo die Bremsung direkt auf die Radfelge einwirkt, wie sie zum Beispiel in rollendem Material wie etwa Straßenbahnen, U-Bahnen oder herkömmlichen Zügen verwendet wird. Es ist auch möglich, die Erfindung auf andere Konfigurationen anzuwenden wie etwa eine Trommelbremse.
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Aufgrund des zunehmenden Fahrzeugverkehrs, insbesondere in städtischen Gebieten, gibt es eine zunehmende Menge von Partikeln, die von Bremssystemen freigesetzt werden. Medizinische Studien bestätigen die Toxizität dieser Partikel im Atemsystem von Menschen und für die Gesundheit im Allgemeinen. Es ist daher wichtig, die Emission dieser Partikel in die Umgebung signifikant zu reduzieren, worauf die vorliegende Erfindung abzielt.
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Selbst wenn man danach strebt, wo immer möglich reibungslose Reibsysteme zu verwenden, wie etwa regenerative oder Wirbelstrombremsen, können Reibbremssysteme nicht vollständig vermieden werden, da sie bei allen Geschwindigkeiten effizient sind und dazu benutzt werden können, ein Fahrzeug im stationären Zustand still zu halten.
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Eine Reibungsbremse beruht auf einem sich um eine Achse X herum drehenden Rotor, gegen den ein Belag gedrückt wird, um Reibung zu erzeugen, um dessen Geschwindigkeit zu reduzieren, während die kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird. Der fragliche Rotor kann die Radfelge selbst sein oder eine Scheibe, die auf die Bremsfunktion abgestellt ist, wie oben bereits erwähnt wurde.
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In dem in den 1 bis 4 dargestellten Beispiel umfasst die Bremsanordnung 2 einen Rotor 6 in der Form einer Scheibe mit gleichmäßiger Dicke, die starr an dem zu bremsenden Rad gesichert ist (oder den Rädern der zu bremsenden Achse), und einen Belag 5, der dazu dient, in der Achsrichtung X auf den Rotor zu drücken, um diesen zu bremsen, wobei der Belag 5 relativ zu einem Bremssattel 4 beweglich angebracht ist. In der gezeigten herkömmlichen Konfiguration sind in der Tat zwei Beläge 5 vorhanden, die durch den Effekt von den Rotor zwischen sich aufnehmenden Kolben 7 aufeinander zu gedrückt werden können, um hierdurch eine Kraft zu erzeugen, die parallel zur Achsrichtung X des Rads ist. In 2 sind nur die oberhalb der Scheibe angeordneten Elemente dargestellt; der zweite Belag ist nicht gezeigt.
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Jeder Bremsbelag 5 (oder „Bremsschuh”) weist eine Metallbasis 5 und einen Reibungskörper 51 auf, der ein Reibmaterial 3 aufweist, das in der Lage ist, Partikel 30 freizusetzen, die aus dem Abrieb aufgrund von Reibung resultieren.
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In anderen Konfigurationen, die in den Figuren nicht gezeigt sind, könnte auch nur ein Belag vorhanden sein, der eine radiale Kraft in Richtung der Radachse X ausübt, wie zum Beispiel in herkömmlichem rollendem Material, wo die Bremsung auf einen ringförmigen Umfangsbereich der Radfelge ausgeübt wird. In diesem Fall ist nicht wirklich ein „Sattel” vorhanden, sondern stattdessen ein Belagträger 4',
Insbesondere enthält die Bremsanordnung 2 eine Saugvorrichtung 1, die in der Lage ist, den Staub und Partikel aufzufangen, die den Überrest von durch Bremsung verursachtem Abrieb darstellen. Die Saugvorrichtung 1 hat reduzierte Abmessungen, die deren Integration in der unmittelbaren Umgebung des Sattels 4 erleichtern.
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Insbesondere weist die Saugvorrichtung 1 auf:
- – eine Einlassöffnung 11, die in der unmittelbaren Nachbarschaft des Belags 5 und des Rotors 6 angeordnet ist,
- – eine Sammelkammer 13 zum Sammeln der Partikel von Reibmaterial 3, wobei die Kammer einen Filter aufweist,
- – ein Rohr 12, das von der Einlassöffnung 11 zu der Sammelkammer 13 führt, wobei das Rohr gegebenenfalls auch „Gehäuse” oder „Aufnahme” genannt wird,
- – einen Impeller 14, der von dem Rotor mittels einer auf den Rotor drückenden Rolle 15 angetrieben wird, wobei der Impeller die Partikel durch die Einlassöffnung 11 absaugt und diese in die Sammelkammer treibt, wobei der Impeller innerhalb des Rohrs 12 angeordnet ist.
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Die Einlassöffnung 11 (kann auch „Einlassdurchgang” genannt werden) ist als ein Mund 21 gezeigt, der in einer Ebene parallel zur Rotoroberfläche 60 angeordnet ist, daher senkrecht zur Achse X des Rotors. Diese Öffnung 21 ist bevorzugt weniger als 5 mm von der Oberfläche des Rotors entfernt angeordnet, und besonders bevorzugt weniger als 2 mm von der Oberfläche des Rotors.
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Wie in 4 gezeigt, kann die Höhe H des Munds 21 der Einlassöffnung 11 relativ zur Rotoroberfläche als zwischen 0,5 mm und 2 mm ausgewählt werden, und kann insbesondere als 1 mm ausgewählt werden, um das Ansaugen der Partikel zu optimieren, während ein Kontakt mit der Scheibe vermieden wird und Alterung des Kunststoffmaterials des Munds in Kontakt mit der Scheibe, die sehr heiß werden kann, verhindert wird.
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Der Mund 21 der Einlassöffnung 11 hat im Wesentlichen die Form eines Rechtecks, das sich in radialer Richtung über die gesamte radiale Distanz D des Rotors erstreckt, die von dem Belag überstrichen wird, zum Beispiel typischerweise von 3 cm bis 6 cm, und erstreckt sich in der Umfangsrichtung über eine Distanz E von weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm. Insbesondere kann eine Abmessung in der Umfangsrichtung von etwa 4 mm ausgewählt werden. Übrigens bleibt die Dicke der Wand relativ zu dieser Umfangsabmessung E relativ klein.
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Die Einlassöffnung 11 ist an einer Umfangsdistanz K stromab des Reibkörpers 51 des Belags 5 angeordnet (siehe 4), bevorzugt zwischen 2 mm und 10 mm; man kann eine optimale Distanz K von etwa 5 mm auswählen. Wenn die Einlassöffnung 11 parallel zum stromabwärtigen Rand des Reibkörpers 51 des Belags 5 angeordnet ist, ist die Distanz K konstant; dies könnte jedoch auch anders sein, insbesondere dann, wenn die Einlassöffnung 11 auf einem Radius ausgerichtet ist oder wenn der stromabwärtige Rand des Reibkörpers 51 des Belags 4 nicht strikt radial orientiert ist.
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Bei den oben aufgelisteten gegebenen Dimensionen kann die Fläche des Munds 21 der Einlassöffnung 11 kleiner als 5 cm2 sein, bevorzugt weniger als 2 cm2. Auf diese Weise hat das Vorhandensein der Einlassöffnung einen vernachlässigbaren Effekt auf die Rotorkühlung.
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Da die Partikel 30 direkt dort abgesaugt werden, wo sie freigesetzt werden, an der Grenze zwischen dem Belag 5 und der Rotoroberfläche 60, ist es nicht erforderlich, irgendein zusätzliches Element anzubringen, das einen Abschnitt des Rotors umschließt, und daher bleibt die Kühlleistung erhalten.
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Es wird somit möglich, nahezu alle Partikel 30 aufgrund des Bremsabriebs abzusaugen, insbesondere mehr als 95% aller Partikel, ob magnetisch oder nicht magnetisch. Partikel oder Staub beliebiger Größe werden aufgefangen, einschließlich jenen von mikrometrischen und sogar nanometrischen Abmessungen.
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In einem vorteilhaften Aspekt erfolgt die Lagerung von der Rolle 15 über eine Ringfläche 66, die außerhalb der vom Belag überstrichenen Fläche angeordnet ist (3), was sich mit der Rotoroberfläche 60 nicht stört, die vom Belag überstrichen wird, und daher den Einfluss des Vorhandenseins der Rolle 15 auf die Bremsleistung minimiert.
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In einem bevorzugten Aspekt sind der Impeller 14 und die Rolle 15 koaxial um eine Impeller-Achse Y herum angeordnet, welche senkrecht zur Radachse X ist.
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Der Impeller 14 im gezeigten Beispiel ist an einem Lager 16 drehbar angebracht, das in dem Impeller-Gehäuse 17 angeordnet ist. Der Impeller weist eine Mehrzahl von Schaufeln 24 auf, um eine Zentrifugalbewegung zu erzeugen, mit der Wirkung, die Luft zur Sammelkammer 13 hin zu treiben, sowie eine zentrale Welle 18, die in dem Lager 16 aufgenommen ist und die auch ein Ende 19 zur Verbindung mit der Rolle aufweist. Im gezeigten Beispiel beträgt der Impeller-Durchmesser 5 cm, obwohl dieser Durchmesser gemäß dem verfügbaren Raum zwischen der Scheibe und der Radfelge justiert werden kann, und auch gemäß der axialen Länge des Impellers und den Sauganforderungen im Bezug auf die Größe des Belags 5 und die betreffende Bremsanordnung.
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Die Antriebsrolle 15 ist an dem Verbindungsende 19 der Welle 18 angebracht, so dass sie sich mit dem Impeller um die Achse Y herum dreht. Der Umfangsrand 66 der Rolle drückt gegen die Oberfläche des Rotors. Die Antriebsrolle 15 ist zum Beispiel aus Aluminium hergestellt, obwohl auch Hochleistungskunststoff gewählt werden könnte. Es sollte angemerkt werden, dass die Achse Y durch die Achse X hindurch geht, um zu erlauben, dass die Rolle mit minimalem Widerstand abrollt.
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In einem vorteilhaften Aspekt könnten der Impeller 14 und die Rolle 15 auch ein einziges Stück bilden, zum Beispiel aus Hochtemperatur-Kunststoffmaterial hergestellt.
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Das Rohr 12 und das Gehäuse 17 können aus PVC (Polyvinylchlorid)-Kunststoff hergestellt sein; die Einlassöffnung 11 ist zum Beispiel aus Hochtemperatur-PVC oder Polyvinyliden-Fluorid oder PEEK (Polyetheretherketon) hergestellt, das Temperaturen bis zum 250°C oder sogar über 300°C widersteht.
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Nachfolgend wird der Betrieb der Kopplungsanordnung erläutert. Wenn sich der Rotor dreht, insbesondere in der Drehrichtung „F” entsprechend der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs, wird die Rolle 15 in Drehung versetzt, die wiederum den Impeller dreht. Der Zentrifugalimpeller erzeugt dann an der Einlassöffnung einen Unterdruck.
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Es ist möglich, den Durchmesser der Rolle und das Volumen des Impellers zu justieren, um eine Saugrate zu erhalten, die der Auswurfrate der Partikel entspricht, die im Wesentlichen die Lineargeschwindigkeit der Rotoroberfläche ist. Der Anmelder hat herausgefunden, dass diese Saugrate einem Optimum entspricht, das das Auffangen von mehr oder weniger allen Partikeln erlaubt, ohne vorzeitigen Verschleiß des Reibmaterials zu verursachen; ein zu hoher Wert wäre nachteilig, weil er die Aufnahme von unstabilen Teilchen erzwingen würde, die sich zwischen dem Belag und der Rotoroberfläche befinden, was im frühzeitigen Verschleiß des Belags resultiert.
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In einem spezifischen Beispiel unter den vielen Auswahlmöglichkeiten kann die Drehzahl des Impellers 17.000 Umdrehungen pro Minute für eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h betragen, für einen Scheibendurchmesser, der ein herkömmlicher Durchmesser in Kraftfahrzeugen ist.
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Es sollte angemerkt werden, dass der Großteil der von der Bremsvorrichtung abgegebenen Partikel 30 erzeugt werden, wenn bei mäßigen oder höheren Geschwindigkeiten gebremst wird; die Menge der Partikel, die bei der Bremsung mit niedrigen Geschwindigkeiten ausgeworfen werden, ist nicht signifikant.
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In einem optionalen bevorzugten Aspekt weist die Saugvorrichtung 1 ferner ein Rückschlagventil 9 auf, das an dem Rohr angeordnet ist, zum Beispiel zwischen der Einlassöffnung 11 und dem Impeller 14 oder, wie dargestellt, zwischen dem Impeller und der Sammelkammer. Wenn sich somit das Rad und der Rotor (und daher der Impeller) in Richtung „R” drehen, die einer Rückwärtsbewegung des Fahrzeugs entspricht, verhindert diese Anordnung, dass die Partikel aus der Sammelkammer herausgesaugt werden.
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Es ist natürlich auch möglich, eine Saugvorrichtung 1 an jeder Seite der Scheibe anzuordnen, was zwei ähnliche Saugvorrichtungen bedeutet, die symmetrisch jederseits der Scheibe angeordnet sind.
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Jedoch kann in einem optionalen vorteilhaften Aspekt, wie in 6 gezeigt, die Saugvorrichtung 1 auch eine Hilfseinlassöffnung 110 enthalten, die symmetrisch an der der Rotorscheibe entgegengesetzten Seite angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein einzelner Impeller Partikel von zwei Belägen 5, 5' aufsaugen, die die Scheibe zwischen sich aufnehmen. Ein Hilfsrohr 120 verbindet die Hilfsöffnung 110 mit dem Hauptrohr 12, unter Umgehung des radial äußeren Bereichs der Scheibe.
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Was die Montage der Saugvorrichtung 1 betrifft, kann diese an dem Sattel gesichert werden oder kann direkt an dem Belag gesichert werden. Alternativ kann die Saugvorrichtung 1 an der Bremsankerplatte oder am Achsschenkel gesichert werden. Im gezeigten Beispiel ist die Saugvorrichtung 1 am Bremssattel mittels eines Trägerbeschlags 8 gesichert (siehe 2). Er kann so angeordnet sein, dass dieser Trägerbeschlag 8 eine bestimmte Elastizität hat, um die Saugvorrichtung in Richtung des Rotors entlang der Achsrichtung X vorzuspannen.
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Vorteilhaft trägt diese Vorspannung „P” zu dem Rotor hin dazu bei, den Lagerdruck der Rolle 15 auf der Rotoroberfläche, unabhängig von Herstellungs- und Montagetoleranzen, im Wesentlichen konstant zu halten.
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Dieser Vorspanneffekt kann jedoch auch durch eine Anordnung mit einer eher herkömmlichen Feder (nicht gezeigt) erhalten werden.
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In einem vorteilhaften Aspekt überschreitet das Gewicht der Saugvorrichtung 1 50 Gramm nicht, in Abhängigkeit von den verwendeten Materialien, oder möglicherweise sogar 30 Gramm, was erlaubt, den Einfluss des Vorhandenseins der Vorrichtung auf das dynamische Verhalten des Rads und der Fahrzeuganordnung zu begrenzen.
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In 5 übt der Bremsbelag einen radial einwärtigen Druck zu der Radachse hin aus. Wie in der vorherigen Konfiguration ist die Saugvorrichtung 1 stromab des Belags 5 angeordnet, in der normalen Fahrtrichtung „F”; sie kann auch, ähnlich zum oben Diskutierten, an einem Belagträger 4' gesichert werden.
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Für Fahrzeuge, die in beide Richtungen fahren können, wie etwa städtische Schienenfahrzeuge, ist es möglich, eine Saugvorrichtung an jeder Seite des Belags vorzusehen, insofern sie mit dem oben erwähnten Rückschlagventil 9 ausgestattet sind.
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Es sollte angemerkt werden, dass im Kontext der vorliegenden Erfindung verschiedene Alternativen in Betracht gezogen werden können. Zum Beispiel könnte die Antriebsrolle 15 auf einer ringförmigen Oberfläche innerhalb des vom Belag 5 überstrichenen Bereichs aufliegen. In einem anderen Beispiel könnte die Rolle auf dem Scheibenrand aufliegen. Sie könnte auch mit einem Zwischengetriebe zwischen der Rolle und dem Impeller angeordnet werden, um zum Beispiel die optimale Drehzahl einzustellen, oder um die Impellerachse unabhängig von der Drehachse der Rolle zu machen.
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Die Form des Rohrs und des Gehäuses könnte an die Raumbeschränkungen um den Belag herum angepasst werden, wobei der Mund der Einlassöffnung relativ zur Scheibenoberfläche etwas gewinkelt sein könnte, und der Bereich benachbarte Einlassöffnung jede geeignete Form haben könnte.
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Die Sammelkammer könnte an jedem geeigneten Ort angeordnet werden, der dem in den Figuren gezeigten verschieden ist.
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Der Reibkörper 51 könnte jede Form haben, und könnte diskontinuierliche Elemente enthalten.
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Für die Wartung des Systems könnte man bei jedem Belagwechsel planen, die Sammelkammer zu leeren, den Faserfilter zu ersetzen oder sogar die Saugvorrichtung zu ersetzen.
