DE1563966A1

DE1563966A1 - Nichtreibende Bremsvorrichtung fuer Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE1563966A1
Application number: DE19671563966
Authority: DE
Inventors: Yoshio Nomura; Hisakazu Sookawa
Original assignee: Japan National Railways
Current assignee: Japan National Railways
Priority date: 1966-07-15
Filing date: 1967-07-13
Publication date: 1970-10-22
Also published as: DE1563966B2; US3506862A

Description

DH. INO. ERNST MAIER PATKIiTANWAIT

8 MÜNCHEN 82

A 51867 15. Juli I967 i

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Firma NIPPON KOKUYU TETSUDO, 1, 1-Chome, Marunouchi, Chiyoda-Ku, Tokyo-To, Japan/

Nichtreibende Bremsvorrichtung für Schienenfahrzeuge

Die Erfindung betrifft Bremsvorrichtungen für Fahrzeuge, die auf einer oder mehreren Schienen laufen.

Bei Bremsvorrichtungen, die Trommel-, Scheiben- oder dynamische Bremsen (elektrische Gene'ratorbremsen) verwenden, um auf Schienen laufende Räder abzubremsen, kann die Bremskraft höchstens das Produkt aus der Haftzahl zwischen Rad und Schiene und dem Fahrzeuggewicht sein. Wird dieser Grenzwert überschritten, so gleitet das Rad nicht nur, wobei

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Rad und Schiene beschädigt werden, sondern der Bremsweg nimmt ebenfalls zu, so daß die Gefahr des Aufpralls erhöht ist.

Die Haftzahl zwischen Rad und Schiene nimmt mit zunehmender Radgeschwindigkeit und damit Fahrzeuggeschwindigkeit zu, wie später noch erläutert wird. Polglich wird die mögliche Bremskraft mit steigender Geschwindigkeit immer kleiner. Diese Beziehung stellte bisher für die Bremssicherheit sehr schneller Schienenfahrzeuge ein ernst-zunehmendes Hindernis dar.

Aus diesem Grund ist es üblich, die Bremskraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit entsprechend der Geschwindigkeits-Bremskraft-Kurve zu steuern und die Bremskraft in mehreren Stufen mit abnehmender Geschwindigkeit zu erhöhen. Im Falle einer dynamischen Bremse, bei der die Bremskraft dadurch erhöht werden kann, daß der Grenzstrom heraufgesetzt wird, ergibt sich der Nachteil, daß das Bremssystem sehr kompliziert wird.

Es sind außerdem elektromagnetische Bremsen bekannt, bei denen mit Hilfe eines Elektromagneten ein Bremskörper direkt auf die Schienen heruntergezogen wird. Diese Bremsen

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haben jedoch den Nachteil, daß sich die Mäghetbremskörper und die Schienen stark abnutzen» Bei derartigen Bremsen ergibt sich die Bremskraft jeder Einheit als Produkt der Anziehungskraft und derüReibungskoeffizienten zwischen Schiene und Elektromagnet. Da es sich um einen Reibungskoeffizienten der gleitenden Reibung handelt, der nicht mit der bereits erwähnten Haftzahl gleichzusetzen ist, ist der erreichbare Wert dieses Reibungskoeffizienten beträchtlich, kleiner als di^ Haftzahl bei gleicher Geschwindigkeit. Ba außerdem die magnetische Anziehungskraft,bei hoher Geschwindigkeit nachläßt, wird auch das Produkt aus der Anziehungskraft und dem Reibungskoeffizienten, also die Bremskraft selber, bei zunehmender Geschwindigkeit immer geringer,

Ziel der Erfindung ist es also, die beschriebenen Nachteile der bekannten Bremssysteme für auf Schienen laufende Räder zu überwinden und ein Bremssystem zu schaffen, das sehr einfach ist. .

Genauer gesagt ist es Aufgabe der Erfindung, ein nicht mit Reibkraft arbeitendes Bremssystem für auf Schienen laufende Räder zu schaffen, das als Summe der Bremskräfte einer dynamischen Bremse und einer Wirbelstrombremse eine

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sehr hohe resultierende Bremskraft unabhängig von der Haftzahl zwischen Schiene und Rad erzeugt und das für die WirbeIstrombremsanordnung keine eigene Energiezufuhr benötigt.

Weiter ist die Aufgabe, darin"zu sehen, ein Bremssystem genannter Art zu schaffen, mit dem eine hohe Bremskraft im wesentlichen unabhängig davon erzeugt wird, ob das Fahrzeug schnell oder langsam fährt»

Das erfindungsgeraäße Bremssystem soll keine Teile enthalten, die auf der Schiene unter Reibung gleiten, so daß das Bremssystem sehr dauerhaft und zuverlässig arbeitet und damit die Sicherheit und die Wirtschaftlichkeit des Fahrzeugs erhöht.

Weiterhin soll die resultierende Bremskraft des Bremssystems steuerbar sein.

Erfindungsgemäß wird ei<n nicht mit Reibkraft arbeitendes Bienssystem geschaffen, in welchem der von einer dynamischen Bremsvorrichtung, die mit einer Bremskraft arbeitet, welche nicht zum Gleiten der Räder führt, erzeugte Laststrom einer nicht mit Reibkraft arbeitenden Wirbel-

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strombremsvorrichtung zugeführt wird> mit deren Hilfe in der Schiene oder den Schienen, auf denen das Fahrzeug läuft •oder in zu diesen benachbarten Schienen Wirbelströme erzeugt werden, die eine Wirbelstrombreinskraft bewirken, die ihrerseits zusammen mit der Bremskraft der dynamischen Bremseinrichtung am Fahrzeug angreift, so daß dadurch eine hohe, steuerbare resultierende Bremskraft von im wesentlichen konstanter Größe unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit (abgesehen von sehr niedrigen·Geschwindigkeitswerten) entsteht.

Weitere Vorteile, Eigenahaften und Merkmale der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren der Zeichnung herin .:_,: ,,■■;. ■■■■ vor/3er zeigent

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Haftzahl und des Koeffizienten der gleitenden Reibung von der Fahrzeuggeschwindigkeit; ■:■/-■ . ·

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Bremskraft und der Anziehungskraft gegenüber der Schiene, abhängig vqä der Fahrzeuggeschwindigkeit bei $inem nicht isibenden Bremssystem, bei * dem Wirb4latJöme in der Sahiene er.-? zeugt werdenj ;

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Pig, 3 die Abhängigkeit der Bremskraft yon der FahrZeuggeschwindigkeit bei Verwendung einer normalen dynamischen Bremse als Adhäsionsbremse und bei Zusammenwirken einer dynamischen Bremse mit der■Schienen-Wirbelstrombremse* *

Fig. 4 eine elektrisches Überslehtsschaltbild der Bremsanordnung nach der Erfindung!

Fig. 5 die Seitenansicht eines Eisenbahndrehgestelles, in das, vereinfacht dargestellt, eine Bremse gemäß der Erfindung eingebaut ist; und

Fig. 6 und 7 ·

Seiten- und Endansichten, die die Anordnung der Magnetpole bei der erfindungsgemäßen Bremse wiedergeben.

Aus der Kurve 1 in Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Haftzahl zwischen Schiene und Rad mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt, wie dies bereits ausgeführt wurde» Es

größeren
können deshalb keine/Bremskräfte in einem Bremssystem, das

von der Haftzahl zwischen Rad und Schiene abhängig ist, erzeugt werden, als durch die Kurve 2 in Fig. 3 dargestellt ist. Es ist deshalb gängige Praxis, die Bremskraft in der Weise zu steuern, daß sie der Kurve 2 in Fig. 3 folgt, wenn die Fahzeuggeschwindigkeit geringer wird, oder die Bremskraft in Stufen zu steigern, wie dies durch die Kurve 3 in Fig. 3 wiedergegeben ist. _t

In der Fig. 1 ist.außerdem durch die Kurve 4 der bereits erwähnte bemerkenswert niedrige Wert des Koeffizienten

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der gleitenden Reibung im Vergleich zur Haftzahl bei derselben Geschwindigkeit dargestellt* weshalb die Bremskraft einer direkt wirkenden elektromagnetischen Reibungsbremse, (Solenoidbrerase) auf den Schienen bei zunehmender Geschwindigkeit erheblich abnimmt* wozu überdies die Abnahme der magnetischen Anziehungskraft bei hohen Geschwindigkeiten noch weiter beiträgt.

In einem Bremssystem entsprechend der Erfindung kann eine große*, im wesentlichen konsUsfce Bremskraft über einen Geschwindigkeitsbereiöh von sehr hohen bis zu verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten ...erzeugt werden. Das .Bremssystem hat außerdem die Eigenschaft, daß die Bremskraft einfach durch Ändern der Durchflutung der Magnetspulen gesteuert werden kann, wie dies in einer Parameterdarstellung durch die Kurven 5, 6 und 7 in der Fig. 2 wiedergegeben ist.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiei, das als elektrischer Schaltkreis in,-der Fig.Λ wiedergegeben ist, sind mehrere Wirbelstrombremsvorrichtungen 9 mit Belastungswiderständen 8 der dynamischen Bremsen in Reihe geschaltet, und den Wirbelstrombremsen 9 liegen eine Induktionsspule 10

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und Widerstände 11 als induktives Shunt parallel. Die dynamische Bremsvorrichtung besteht aus zwei Reihenschlußgeneratoren mit ihren Ankern 12 und den entsprechenden Feldspulen IJ. Schalter 14 und 15 sind vorgesehen, um die einzelnen Widerstände 8 und 11 zu- und abschalten zu können. Mit Hilfe eines weiteren Schalters 16 kann der Stromkreis, der Wirbelstrombremsen 9 kurzgeschlossen werden. ' ^%

Die Bremskraft dieser elektromagnetischen Wirbelstrombremse mit Wirbelstrom in den Schienen nach der Erfindung wird durch Verändern der Durchflutung der Elektromagnete gesteuert, indem die Höhe des Stroms durch die Elektromagnetspulen gesteuert wird. Nimmt dieser Strom nun mit Abnahme der Pahrzeuggeschwindigkeit ab, so kann die Bremskraft abhängig von der Pahrzeuggeschwindigkeit durch Stromänderung, wodurch man von einer Kurve der Kurven 5> 6 und 7 nach Fig. 2 auf die andere gelangt, vergrößert werden. Andererseits nir.imr jedoch auch die magnetische Anziehungskraft zwischen Schiene und Bremse zu, wie dies durch die Kurven I¹J, 16 und I9 in Fig. 2* gezeigt ist.

Bei Konstantem Strom ist die Bremskraft oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit im wesentlichen konstant,

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was beispielsweise aus der Kurve 5 (Fig. 2) ersichtlich ist, und die magnetische Anziehungskraft der Schienen nimmt mit steigender Geschwindigkeit ab.

Die Stromsteuerung wird mit Hilfe der Schalter 14 und 15 durchgeführt. Die Bremskraft der dynamischen Brems- " einrichtung und diejenige der Schienenbremseinrichtung wird durch Ein- und Ausschalten der Schalter 14 an den Belastungswiderständen 8 der dynamischen Bremse für beide Systeme gleichzeitig verändert, wogegen das Zu- und Abschalten der Schalter I5 die Bremskraft der dynamischen Bremse nicht beeinflußt, so daß dadurch nur die Bremskra-f t der Wirbelstrom-Schienenbremse verändert wird. Wird der Kurzschlußschalter 16 eingelegt, so ist die Wirbelstrom-Schienenbremse außer Betrieb.

In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bremse, das in der Fig. 5 wiedergegeben ist, ist die Wirbelstrom-Bremsanordnung 9 ^als Schienenbremse im Drehgestell mit einem bestimmten Luftspalt 21 zwischen der untersten Fläche der Bremsvorrichtung 9 und der Oberkante der Schiene 20 auf beiden Seiten des Drehgestells angebracht. Der Laststrom der dynamischen Bremse wird durch die Schienenbremse.9 in der Art durchgeführt, wie es in der !Pig. 4 gezeigt ist.

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Während des Betriebs muß die Bremsvorrichtung 9 sich an einem Punkt abstützen, der unterhalb der Achsfedern liegt, damit der Luftspalt 21 einen fest vorgegebenen Wert hat, jedoch kann die Bremsanordnung 9, wenn sie nicht in Betrieb ist, durch einen entsprechenden Mechanismus von dieser Abstützung abgehoben werden, so da3 sie dann ebenfalls durch die Achsfedern abgefedert ist. D.h., daß die Bremsanordnung 9 derart* angebracht ist, daß sie in ihrer Ruhelage vom Drehgestellrahmen 2^, der auf den Achsfedern 22 ruht, über eine Traganordnung mit Federn 24 und Haltestangen 25 getragen wird, daß sie jedoch in Arbeitsstellung auf Backen 29 ruht, die an einem Träger 28 hängen, welcher die Lagerkasten 27 der Räder 26 miteinander verbindet, wobei die Anziehungskraft der Wirbelstiommagnete gegenüber der Schiene 20 dafür sorgt, daß die Bremsanordnung auf den Backen 29 aufliegt und damit der Luftspalt 21 konstant ist.

Bei bewegtem Fahrzeug erzeugt der magnetische Fluß der Elektromagnete J50 im Betrieb der Bremsanordnung 9 in der Schiene 20 einen Wirbelstrom, der in bekannter Weise so gerichtet .ist, daß das Fahrzeug verzögert wird. D.h. das Zusammenwirken des magnetischen Flusses, der durch den

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Wirbelstrom erzeugt wird, und des magnetischen Flusses von den Elektromagneten 30 erzeugt die Bremskraft.

In diesem Bremssystem besteht kein direkter mechanischer Kontakt zwischen der Bremsanordnung 9, die mit konstantem Luftspalt 21 oberhalb der Schiene 20 gehalten wird, und der Schiene 20. Es können deshalb die Schiene und die Elektromagnete 30 nicht durch gegenseitige Reibung abgenutzt oder zerstört werden.

Die Bremskraft, die durch eine derartige Schienenbremse hervorgerufen wird, ist in der Fig. 2 durch die Kurven 5, 6 und 7 wiedergegeben. Es fließt also ein Strom, der in der dynamischen Bremsanordnung unter gleichzeitiger Erzeugung einer Bremskraft gemäß Kurve 3* in Fig. 3 erzeugt wird, durch die Wirbelstrom-Bremsanordnung 9, so wird in dieser eine Bremskraft gemäß Kurve 32 erzeugt, die zusammen mit der Bremskraft nach Kurve Jl die in der Kurve 33 wiedergegebene Bremskraft ergibt. Es ließe sich also, verglichen mit den sonst erzielbaren Bremskräften, z.B. lediglich mit einer dynamischen Bremsanordnung, eine Bremskraft erzeugen, die sehr gro3 ist und über den gesamten Geschwindigkeitsbereieh bis zu sehr hohen Gesciwindigkeitswerten aufrecht-erhalten v/erden kann, ohne daß die

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Abnahme des Haftwertes eine Verringerung der Bremskraft erforderlich macht. '

Die Elektromagnet^ 30 liegen auf beiden Selten des Drehgestells in einer Reihe in Richtung der Schiene hintereinander, wie es die Fig. 6 zeigt. Versuche ergaben, daß die Anordnung der Magnetpole 37 mit wechselnder Polarität, wie sie sich schon wegen der Bemessung der Polkerne 35 und der Spulen J>6 derElektromagnete 30 anbietet, vorteilhaft auch bezüglich einer kleinen Anziehungskraft und einer großen Bremskraft ist. Die Magnete werden im Hinblick auf die Schienenabmessungen so gewählt, daß der Streufluß klein und die Induktion möglichst hoch gehalten wird, wie dies in der Fig. 7 gezeigt ist.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten greift außerdem eine mechanische Bremse (angedeutet durch die Kurve J>k in Fig. 3) ein, da dann eine dynamische Bremse und die Wirbelstrombremse wirkungslos werden, was jedoch erst in einem Bereich nötig ist, in dem die Haftzahl sehr groß ist, so daß dadurch die Abnahme der Bremskraft der elektromagnetischen Bremsanordnung ausgeglichen wird. Zwar nimmt bei Abnahme der Geschwindigkeit die Anziehungskraft bei herkömmelichen Systemen zwischen der Schiene

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und den Magneten zu, jedoch wird bei der Bremsanordnung gemäß der Erfindung der in der dynamischen Bremsvorrichtung erzeugte Strom für die Erregung der Magnete der Wirbelstrombremsanordnung verwendet, so daß bei abnehmender Geschwindigkeit und damit abnehmender Stromerzeugung in der dynamischen Bremsanordnung auch die Anziehungskraft zwischen Magneten und Schiene abnimmt.

Aus der vorangegangenen Beschreibung wird deutlich, daß mit der Erfindung ein Bremssystem geschaffen ist, in dem Elektromagnete, die durch den Strom aus einer elektrodynamischen Bremsvorrichtung gespeist werden, in jedem Drehgestell eines auf Schienen laufenden Fahrzeugs eingebaut sind und über einen konstanten Luftspalt in den Schienen eine Wirbelstrombremskraft erzeugen, die sich mit der Bremskraft der elektrodynamischen Bremsvorrichtung addiert und so auf sehr einfache Weise eine sehr hohe Bremskraft erzeugt wird, die unabhängig vom Haftwert zwischen den Rädern und den Schienen am Drehgestell angreift.

Die Bremsanordnung nach der Erfindung hat folgende Hauptmerkmale:

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1. Da die dynamische Bremsvorrichtung mit der Wirbelstrombremsanordnung in Reihe liegt, wird die in der dynamischen Bremsanordnung erzeugte Energie in der Schienenwirbelstrombremsanordnung verbraucht, so daß eine besondere Energiequelle für die Wirbelstrombremsanordnung nicht erforderlich ist. Folglich wird die Bremskraft auf sehr wirtschaftliche Weise erzeugt, und das Bremssystem ist sehr sicher.

2. Die Bremskraft kann sehr einfach durch entsprechendes Steuern des Erregerstromes der Bremsmagnete eingestellt werden. Außerdem kann Ungleichheit der Bremskräfte zwischen der linken und der rechten Seite jedes Fahrgestells ausgeschaltet werden.

j5. Da die Wirbelstrombremsvorrichtung im Drehgestell eingebaut ist und keinen Kontakt mit der Schiene hat, werden die Bremsvorrichtung und die Schiene nicht abgearbeitet und damit zerstört, was weiterhin der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit dienlich ist.

4. Es wird hohe Bremskraft und niedrige Anziehungskraft

ι erzeugt, wenn die Polarität der einzelnen Magnetpole, die

der Schiene gegenüber stehen, wechselt.

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5. Durch eine derartige Anordnung mit der Schiene gegenüberstehenden Elektromagneten kann im Bereich zwischen sehr hoher Geschwindigkeit und sehr niedriger Geschwindigkeit eine im wesentlichen konstante Bremskraft erzeugt werden, was als die günstigste Bremskraft für ein Bremssystem eines Fahrzeugs angesprochen werden kann.

6. Da das Bremssystem nicht von der Haftzahl zwischen den Rädern und den Schienen abhängig ist, können recht hohe Bremskräfte erzeugt werden, ohne daß dabei für die Fahreigenschaf teri des Fahrzeugs Nachteile zu befürchten sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Ohne Reibkräfte arbeitende Bremsvorrichtung für ein mit Rädern auf wenigstens einer Schiene laufendes Fahrzeug, gekennzeichnet durch die Kombination einer mit den Rädern gekuppelten dynamischen Bremseinrichtung (12, IJ) und eine WirbeIstrombremsvorrichtung mit Elektromagneten (S-; j50), die im Fahrzeug so angebracht sind, daß sie wenigstens einer Schiene (2C) oder einer parallel dazu verlaufenden Sonderschiene mit konstantem Luftspalt (21) gegenüberstehen, die Magnete (^j 30) durch den Strom der dynamischen Bremseinrichtung (12, Ij) erregt sind und in der Schiene (2C) Wirbelströme und damit eine Wirbelstrorr.breinskraf t erzeugen, die sich mit der Bremskraft der dynamischen Bremsanordnung zur Gesamtbremskraft am Fahrzeug zusammensetzt.

2. Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, aal eine Steuereinrichtung zur Steuerung des durch die Elek^rcmagnete - fließenden Stroms vorgesehen

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3. Bremsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (30) in Richtung der Schiene ausgerichtet sind und die der Schiene gegenüberstehenden Polschuhe (37) wechselnde Polarität auf-weisen«

4. Bremsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem auf zwei Schienen laufenden Fahrgestell dadurch gekennzeichnet, daiS im Fahrgestell (23) beidseits je eine Reihe von Elekcromagneten (30) vorgesehen ist.

5. Bremsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Tragvorrichtung für jede Magnetreihe mit einem auf beiden Seiten des Drehgestells (23) an den Radlagerkästen (27) befestigten Trägerkörper (28, 29), auf dem die Magnete (30) in Arbeitsstellung starr ruhen, eine Federvorrichtung (24, 25)j die die Magnete (30) in ausgeschaltetem Zustand über die Arbeitslage anhebt, und eine Steuereinrichtung, die die Magnete (30) augenblicklich zwischen der zurückgezogenen und der Arbeitslage hin- und herbewegt.

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