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Die
Erfindung betrifft eine Nabe, eine Bremsscheibe und ein Bremsscheiben-Naben-Verbindungssystem
für Schienenfahrzeuge.
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Zum
Abbremsen von Schienenfahrzeugen werden Bremsscheiben eingesetzt,
die die kinetische Energie des Fahrzeuges in Wärmeenergie
umwandeln können. Diese Bremsscheiben werden thermisch
hoch beansprucht. Aber auch die Verbindung zur Nabe der rotierenden
Achse stellt ein besonderes Problem dar.
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Weil
die Masse der Bremsscheibe aus bautechnischen Gründen und
wegen einer Gewichtsoptimierung eng begrenzt sein muss, müssen
beson dere Maßnahmen zur Wärmeabfuhr berücksichtigt
werden. So sind Kühlrippen innerhalb zweier Bremsscheiben
und optimierte Luftkanäle zur Wärmeabfuhr der
Bremsenergie ein wichtiger Schritt zur Lösung des Wärmeabfuhrproblems.
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Die
Naben-Bremsscheibenverbindung muss außerdem eine enorme
mechanische Beanspruchung standhalten, wobei um eine möglichst
kompakte Bauform zu erreichen, der zur Verbindung zur Verfügung
stehende Platz relativ eng begrenzt ist. Die Naben-Bremsscheibenverbindung
erfolgt daher in der Regel mit einer hohen Anzahl von Verbindungsschrauben.
Typisch ist der Einsatz von zwölf Schrauben. Diese müssen
nicht nur montiert, sondern auch bei Wartungsarbeiten überprüft
werden, um sicherzustellen, dass keine Lockerung mit der Zeit erfolgt
ist. Jede lockere Schraube stellt eine Gefahrenquelle dar.
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Ein
anderes bisher völlig unbeachtetes Problem ist, dass bei
einer bekannten Naben-Bremsscheibenverbindung keine mechanische
Codierung vorhanden ist. Es kann praktisch eine beliebige Naben-Bremsscheibenkombination
montiert werden, die unerwünscht sein kann.
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Aus
der
DE 10 2007
040 143 A1 ist eine Bremsscheiben-Nabenverbindung mit einer
innenbelüfteten Bremsscheibe bekannt. Die Bremsscheibe hat
zehn radial nach innen gerichtete Stützelemente, die gleichmäßig
verteilt und durch Schraubbolzen mit axialen Befestigungsbohrungen
an der Nabe befestigt sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige
Lösung zu finden, mit der eine Verbindung der genannten
Art so verbessert wird, dass bei einfacher Montage ein besseres
Belüftungsverhalten gegeben ist, wobei eine mechanische
Codierungsmöglichkeit vorhanden sein soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Eine
gute Abstützung der Scheibe bei Entlastung der Schraubverbindungen
wird erreicht, indem zwischen den Befestigungsbohrungen am Befestigungsring
mindestens ein axial gerichtetes Eingreifelement angeordnet ist,
das in einem Zwischenraum zwischen zwei Befestigungsarmen der Bremsscheibe
eintauchbar ist, wobei der Zwischenraum durch Fehlen wenigstens
eines Befestigungsarmes bezüglich einer im Anordnungswinkel
gleichmäßigen Grundstruktur von n Befestigungsarmen
gebildet wird.
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Das
Eingreifelement kann auch alternativ in eine an mindestens einem
Befestigungsarm vorhandenen Nut eintauchbar ausgeführt
sein. Bei mehreren Eintauchelementen kann eines in den Zwischenraum
und ein anderes in die Nut eintauchbar ausgeführt sein.
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Ein
weitere Variante besteht darin, dass das Eingreifelement (18)
stufenartig am Ring (X) einstückig angeformt ist, so dass
der Ring (X) im Bereich des Eingreifelementes (18) in axialer
Richtung verbreitert ist und in den Zwischenraum (20) zwischen zwei
Befestigungsarmen (17) eintaucht.
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Die
Naben-Bremsscheibenverbindung kann dadurch eine hohe mechanische
Beanspruchung standhalten. Das Eingreifelement kann sich nämlich an
den Scheibeninnenrand abstützen. Außerdem wirkt
das Eingreifelement als eine Art Codierungssteg, so dass andere
Scheibenbremsen nicht auf die erfindungsgemäße
Nabe aufgesetzt werden können, weil das Eingreifelement
die Montage blockiert.
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Eine
Grundstruktur einer Scheibenbremse zeichnet sich durch eine gleichmäßige
Anordnung der Befestigungsarme aus, wobei jeder Befestigungsarm
stets den gleichen Winkelabstand von z. B. 30° zum benachbarten
Befestigungsarm hat. Durch das Fehlen mehrerer Befestigungsarme entstehen
in der Grundstruktur Lücken. D. h., durch die Auslassung
der Befestigungsarme, die vorzugsweise als Verschraubarme ausgeführt
sind, werden Durchbrüche geschaffen. Dadurch ergibt sich
ein besseres Lüftungsverhalten.
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Auch
reduziert sich die Anzahl der Schraubverbindungen, was den Arbeitsaufwand
bei der Montage und Demontage verringert, wobei durch weniger Schrauben
sich die Anzahl der Gefahrenquellen reduziert. Die Reduzierung auf
insbesondere nur neun Verschraubungen sorgt für eine ausreichende
Festigkeit der Naben-Scheibenverbindung, wobei entsprechende Bauteile
eingespart werden.
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Durch
das oder die oder die Eingreifelement(e) der Nabe und die breiten
Zwischenräume zwischen den Befestigungsarmen der Scheibe
wird ein zueinander passendes System geschaffen.
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Das
besondere bei diesem System ist, dass die erfindungsgemäße,
spezielle Scheibe nicht nur auf die erfindungsgemäße
Nabe passt, sondern auch auf alle konventionellen Naben für
Scheiben mit normaler Grundstruktur passt.
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Durch
die Erfindung sind außerdem Hochgeschwindigkeitsanwendungen über
200 km/h möglich.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass das Eingreifelement stufenartig am Befestigungsring einstückig
angeformt ist, so dass der Befestigungsring im Bereich des Eingreifelementes
in axialer Richtung verbreitert ist. Die schafft zusätzliche
Sicherheit beim Versagen der Schraubverbindungen und erlaubt während einer
Montage eine Vorfixierung der Scheibe an der Nabe, was das Anschrauben
von Verbindungsbolzen erleichtert.
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Wenn
das Eingreifelement breiter ist als ein Abstand von eng anliegenden
Befestigungsarmen, hat das die Wirkung, dass die Scheibe nur in
bestimmten Winkelpositionen montierbar ist. Die Montage einer nicht
kompatiblen Scheibe mit voller Anordnung der Befestigungsarme wird
gänzlich verhindert.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Bremsscheibe ist vorgesehen, dass eine Anzahl von x Befestigungsarmen
fehlt. Insbesondere fehlen drei Befestigungsarme (x = 3). Die Befestigungsarmen
fehlen im Winkel gleichmäßig, so dass die Bremsscheibe
insgesamt n-x Befestigungsarme aufweist. Bei einer Grundstruktur
von 12 Armen bzw. einer 12 × 30° Struktur (n =
12) und drei fehlenden Armen (x = 3), verbleiben neun Arme. Jeder
fehlende Arm schafft einen breiten Zwischenraum. Alle drei breiten
Zwischenräume sind im Winkelabstand von 120° angeordnet.
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Vorteilhaft
ist auch, dass mindestens ein Befestigungsarm mit einer Nut versehen
ist, in die ein Eingreifelement der Nabe eintauchbar ist. Die Nut kann
mittig im Befestigungsarm angeordnet sein.
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Dies
hat folgende Vorteile:
- – Es sind wenige
Bohrungen notwendig.
- – Die Ausführung des Eingreifelements als
Kulissenstein ist kostengünstig.
- – Es ist keine separate Befestigung des Kulissensteins
notwendig.
- – Die Lösung erfordert eine kleine Toleranzkette.
- – Die Nabe ist leicht, da diese „sternförmig” ausgeführt
werden kann.
- – Es ist keine Fräsung eines Reibrings an
den Nocken erforderlich.
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Die
Nut kann aber auch seitlich im Befestigungsarm angeordnet sein,
so dass das Eingreifelement bzw. der Kulissenstein zwischen den
Befestigungsarmen greift.
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Dies
hat folgende Vorteile:
- – Die Nabe
wird nur drehbearbeitet, weil eine Fräsbearbeitung (Nuten
für Kulissensteine) entfällt.
- – Es sind größere Gleitflächen
vorhanden.
- – Eine nachträgliche Zentrierung über „Gleitsteine” (Eingreifelemente)
ist auch auf allen konventionellen Naben möglich.
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Die
Auslassung einzelner Befestigungsarme hat einen Ansaugkanaleffekt
für Kühlluft, so dass es besonders zweckmäßig
ist, wenn Kühlrippen und/oder Luftzirkulationskanäle
an der Scheibe vorhanden sind und diese als innenbelüftete
Scheibe ausgeführt ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher
erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen
Nabe,
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2 eine
Darstellung einer erfindungsgemäßen Scheibe,
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3 eine
Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Verbindungssystem,
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4 eine
schaubildliche Ansicht einer Grundstruktur einer Bremsscheibe
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5 eine
schaubildliche Ansicht einer konventionellen Nabe,
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6 eine
Ausschnittsansicht einer Variante der Scheibe, und
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7 eine
Ausschnittsansicht einer Scheibe.
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In
den Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine Nabe 10 für Schienenfahrzeuge, die zusammen
mit einer in 2 gezeigten Bremsscheibe 11 ein
Bremsscheiben-Naben-Verbindungssystem 100 bildet, das in 3 gezeigt
ist.
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Wie 1 deutlich
zeigt, ist die Nabe 10 mit einem Befestigungsansatz 12 versehen,
der auf einer nicht gezeigten Achse eines Schienenfahrzeuges montierbar
ist. Weiterhin ist die Nabe 10 mit einem Befestigungsring 13 mit
einer Anzahl von über den Befestigungsring 13 verteilten
Befestigungsbohrungen 14 zur Befestigung der Bremsscheibe 11 ausgestattet.
Die Nabe 10 besteht hier aus einem rechten Nabenteil 15 und
einem linken Nabenteil 16, zwischen denen die Bremsscheibe 11 gehalten
wird.
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Die
in 2 gezeigte Bremsscheibe 11 umfasst Befestigungsarme 17,
die mit den Befestigungsbohrungen 14 korrespondieren und
die jeweils mit einer axialen Öffnung 19 für
die Verbindung mit der Nabe 10 versehen sind. Die Bohrungen 14 des Befestigungsringes 13 verlaufen
parallel zur Achse.
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Wie 1 deutlich
zeigt, ist zwischen den Befestigungsbohrungen 14 bzw. 14a, 14b der
Nabe 10 am Befestigungsring 13 ein axial gerichtetes
Eingreifelement 18 angeordnet. Dieses Element 18 ist
in einem in 3 gekennzeichneten breiten Zwischenraum 20 zweier
Befestigungsarme 17a, 17b der Bremsscheibe 11 eintauchbar.
D. h., er ersetzt praktisch die Position eines Befestigungsarmes.
Der Zwischenraum 20 entsteht durch Fehlen wenigstens eines
Befestigungsarmes 17 bezüglich einer im Anordnungswinkel
gleichmäßigen Grundstruktur G von n Befestigungsarmen.
Die wird näher anhand der 4 erläutert,
die eine Grundstruktur G einer Bremsscheibe zeigt. An der Nabe 10 können
ein, zwei, drei oder mehr Eingreifelemente 18 vorgesehen
werden, wobei drei aus Symmetriegründen zu bevorzugen sind.
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Die
Grundstruktur G besteht aus einer Vielzahl n von gleichmäßig
im Winkel verteilten Befestigungsarmen 17. Vorzugsweise
sind zwölf Arme 17 im Winkelabstand von 30° vorhanden.
Jeweils jeder vierte (y = 4) Arm 17 wird ausgelassen, so
dass drei (z) breite Zwischenräume (n/y = 12/4 = 3 = z)
entstehen. Es können ein oder mehrere z. B. drei Eingreifelemente
vorhanden sein. Die drei Eingreifelemente sind dann im Abstand zueinander
von jeweils 120° am Befestigungsring 13 angeordnet
und tauchen jeweils in die Lücken 20a, 20b, 20c,
ein, die in 3 gekennzeichnet sind. Es verbleiben
sozusagen drei (bzw. mehrere) Gruppen von drei (bzw. mehrere) eng nebeneinander
liegenden Befestigungsarmen 17.
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Das
Eingreifelement 18 ist stufenartig am Befestigungsring 13 einstückig
angeformt, so dass der Befestigungsring 13 im Bereich des
Eingreifelementes 18 in axialer Richtung verbreitert ist.
Das Eingreifelement 18 ragt dadurch deutlich in den Bereich der
Scheibe 11. Außerdem ist das Eingreifelement 18 breiter
als ein Abstand von eng anliegenden Befestigungsarmen 17b, 17c,
die in 3 gekennzeichnet sind. Dieser Abstand entspricht
dem Abstand der Arme 17 gemäß der in 4 gezeigten
Grundstruktur G. Insgesamt sind drei Eingreifelemente 18 im 120° Abstand
vorhanden.
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Die
in 2 gezeigte Bremsscheibe 11 für Schienenfahrzeuge
ist mit den axialen Öffnungen 19 für
die Verbindung mit der Nabe 10 vorgesehen, jedoch ist die
Bremsscheibe 11 einer im Anordnungswinkel gleichmäßigen
Grundstruktur G von n Befestigungsarmen zugeordnet. Dies bedeutet,
dass die Bremsscheibe gemäß 2 zwölf
gleichmäßig verteilte Stellen hat (12 × 30°).
Nicht jede Stelle ist jedoch mit einem Befestigungsarm besetzt.
An jeder 4.Stelle (y) fehlt ein Arm 17, so dass insgesamt
drei Befes tigungsarme fehlen. Wenn von der Grundstruktur wenigstens
ein Befestigungsarm fehlt, dann ergibt sich dass enge Zwischenräume 22 zwischen
benachbarten Befestigungsarmen vorhanden sind und wenigstens ein
breiter Zwischenraum 20 zwischen zwei Befestigungsarmen 17a, 17b vorhanden
ist.
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In
der dargestellten Ausführungsform bedeutet das, dass eine
Anzahl von x = 3 Befestigungsarmen 17 fehlt, wobei die
Befestigungsarme im Winkel gleichmäßig fehlen,
so dass die Bremsscheibe insgesamt n-x (d. h. 12 – 3),
also neun Befestigungsarme aufweist, wobei mindestens drei Befestigungsarme 17 auf
der Scheibe 11 verbleiben. Der Bremsscheibe 11 liegt
daher eine Grundstruktur von zwölf Befestigungsarmen zugrunde,
wobei drei Befestigungsarme 17 fehlen.
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Die
Bremsscheibe 11 kann nicht nur auf die Nabe gemäß 1 aufgesetzt
werden, sondern auch auf eine herkömmliche Nabe, d. h.
eine Nabe ohne ein Eingreifelement, so dass die Scheibe 11 mit der
Nabe gemäß 5 ein Verbindungssystem schafft.
Die Scheibe 11 hat den Vorteil, dass sie universell einsetzbar
ist.
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Die
Befestigungsarme 17 werden durch Bolzenverbindungen d.
h. Schraubverbindungen 23 mit der Nabe verbunden.
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Die
Bremsscheibe 11 hat außerdem innenliegende Kühlrippen 24 und/oder
Luftzirkulationskanäle, so dass sie eine innenbelüftete
Scheibe ist.
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6 zeigt
eine Variante der Bremsscheibe 11, die mindestens eine
an einem Befestigungsarm intrigierte Nut 26 hat, und zeigt
eine ungeteilte Wellenbremsscheibe mit der 3 × 3 Anbindung,
wobei die Befestigungsarme als Nocken ausgeführt sind.
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Für
die Anbindung der Wellenbremsscheibe 11 ist eine Anbindung
mit neun Nocken mit der Nockenaufteilung 3 × 3 vorhanden.
Für diese 3 × 3 Anbindung kann auch eine 3 × 3
Nabe mit neun Bohrungen verwendet werden.
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Die
Zentrierung findet über drei Eingreifelemente 18 bzw.
drei Kulissensteine statt, von denen jeweils einer in der mittleren
Anbindungsnocke einer Nockengruppe angebracht ist.
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Jede
Nut 26 ist als Führungsnut ausgeführt. Die
Führungsnuten 26 für die Kulissensteine
werden durch Fräsbearbeitung in die Nabe 10 eingebracht. Dadurch
ist eine einfache Zentrierung möglich, die ansonsten über
den Außendurchmesser der Nabe 10 durch die geringe
Oberflächengüte nicht möglich ist.
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Wie 7 zeigt,
kann die Nut auch seitlich am Befestigungsarm bzw. an zwei Befestigungsarme 17 angeordnet
werden. Diese Lösung ermöglicht eine ungeteilte
Wellenbremsscheibe mit einer 3 × 3 Anbindung mit Kulissensteinen
zwischen den Anbindungsnocken. Diese Lösung ist vorzugsweise
eine Alternative einer vorgegebenen Innenzentrierung. Die Zentrierung
der Bremsscheibe 11 kann auch hier über den zwischen
den Nocken (Befestigungsarm 17) angebrachten Kulissenstein
(Eingreifelement 18) realisiert werden. Bei dieser Ausführung
müssen die Außenseiten 26 der Befestigungsarme 17 bearbeitet werden,
um eine definierte Gleitfläche herzustellen. Das Eingreifelement 18 wird
an den Stellen, wo kein Befestigungsarm 17 zwischen der
3 × 3 Anbindung vorliegt, montiert. Die Verbindung zwischen
dem Eingreifelement 18 und der Nabe 10 kann, wie 7 veranschaulicht,
durch eine Einspannbuchse 28 erfolgen.
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Bei
der Ausführung gemäß 7 taucht
das Eingreifelement 18 auch in einem Zwischenraum ein, der
jedoch durch die seitlichen Nuten 26 entsteht.
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Bei
den beschriebenen Nabenkonstruktionen kann ein als Kulissenstein
ausgeführtes Eingreifelement 18 direkt in die
Nabe 10 integriert werden oder als Anbauteil realisiert
werden. Der Kulissenstein kann wahlweise massiv angeformt sein,
stoffschlüssig verbunden werden oder mittels Befestigungselementen
verbunden sein. Der Kulissenstein kann wahlweise auf einem Nabensteg
oder einem Spannring angeordnet sein.
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Die
Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen sind folgende:
- – Durch ein geringeres Gewicht, sind
geringere, ungefederte Massen im Radsatz vorhanden und es erfolgt
eine Reduzierung des Energieverbrauchs durch geringere, zu beschleunigende Massen.
- – Es ist eine bessere Lüftung durch größere
Lufteintrittsöffnungen vorhanden.
- – Es erfolgt eine Einsparung von Bauteilen und eine
Reduzierung des Arbeitsaufwandes bei einer Demontage und bei einer
Montage.
- – Es erfolgt eine günstige Beeinflussung einer Schwingungserregung
(Ausbildung von Eigenschwingungsformen) durch die ungleichmäßige Teilung,
insbesondere der 3-er Teilung.
- – Es entsteht eine Interoperabilität von 3 × 3
Reibringen gegenüber einer Nabe mit Verbindungsbohrungen
mit einer Teilung von 12 × 30° und/oder 6 × 60
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Beispiel beschränkt,
so kann das Eingreifelement auch eine andere Ausgestaltung haben,
wie z. B. eine zylinderförmige Form. Auch ist erwähnenswert, dass
die Schaffung der Zwischenräume die Anordnung von Gleit-
oder Stützelementen beliebiger Art ermöglicht,
die zur Entlastung der Schraubverbindungen führen. Das
Eingreifelement kann wahlweise an einem Nabensteg oder an einem
Spannring angeordnet sein. Ebenso möglich ist eine geteilte
Version der Wellenbremsscheibe, und zwar insbesondere eine zweigeteilte
Version. Hierbei ist vorzugsweise die eine Hälfte der Scheibe
mit fünf und die andere Hälfte mit vier Nocken
bzw. Befestigungselementen 17 versehen. Die beiden Reibringhälften
werden mit Schrauben zu einem Vollring verschraubt.
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Die
Bremsscheibe 11 kann so in zwei Scheibenhälften
geteilt sein, so dass eine Hälfte eine höhere
Anzahl an Befestigungsarmen 17 aufweist als die andere
Scheibenhälfte. Die eine Scheibenhälfte kann z.
B. fünf Befestigungsarme 17 haben und die andere Scheibenhälfte
vier Befestigungsarme haben.
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Weiterhin
sind die Begriffe „eng” und „breit” als „enger” und „breiter” zu
verstehen. D. h. dass der Zwischenraum 20 „breiter” als
der Zwischenraum 22 ist.
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- 10
- Nabe
- 11
- Bremsscheibe
- 12
- Befestigungsansatz
- 13
- Befestigungsring
- 14
- Befestigungsbohrung
- 15
- Rechtes
Nabenteil
- 16
- Linkes
Nabenteil
- 17
- Befestigungsarme
- 18
- Eingreifelement
- 19
- Axiale Öffnung
- 20
- Breiter
Zwischenraum
- 21
- -
- 22
- Enger
Zwischenraum
- 23
- Schraubverbindung
- 24
- Kühlrippe
- 25
- -
- 26
- Nut
- 27
- -
- 28
- Einspannbuchse
- 100
- Verbindungssystem
- G
- Grundstruktur
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007040143
A1 [0006]