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Bei einer bekannten Steuerungsanlage dieser Art (österreichische
Patentschrift 291337) ist eine Füll-und Umwälzpumpe in die Kühlkreislaufleitung
eingebaut. Da die Kapazität der Bremse auch von der Umlaufgeschwindigkeit der Bremsflüssigkeit
im Kühlkreislauf abhängt, muß die genannte Pumpe sehr groß dimensioniert sein und
benötigt daher auch eine hohe Antriebsleistung. Zwar könnte die Pumpe direkt auf
mechanischem Wege von der abzubremsenden Welle angetrieben werden. Dies hätte jedoch
den Nachteil, daß die Pumpe auch außerhalb des Bremsbetriebes Antriebsenergie verzehren
würde; denn ein Trockenlaufen der Pumpe müßte unter allen Umständen vermieden werden.
In jedem Falle ist eine solch große Pumpe teuer und stellt eine gewisse Störquelle
dar. Die bekannte Anlage weist zur Reglung des Bremsmomentes ein unmittelbar nach
der Bremse in den Kühlkreislauf eingebautes Druckregelventil auf. Diese Anordnung
hat den Nachteil, daß
sich im Kühlkreislauf - wegen des unvermeidlichen
Strömungswiderstandes in dem genannten Druckregelventil - eine verringerte Umlaufgeschwindigkeit
der Bremsflüssigkeit einstellt; dies verringert aber die Kühlkapazität der Anlage.
Ferner ist ein Nachkühlkreislauf vorgesehen zum zusätzlichen Kühlen der Bremsflüssigkeit
nach dem Abstellen der Bremse.
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Bei einer anderen bekannten Steueranlage (VDJ-Zeitschrift 1969, S.333
bis 338) wirkt die Bremse selbst als Pumpe für den Kühlkreislauf. Für das Füllen
der Bremse bei Bremsbeginn ist ein sogenannter Einschußzylinder vorgesehen, mit
dem das nötige Füllvolumen mittels Druckluft in die Bremse eingeschossen wird. Im
Inneren dieses Einschußzylinders befindet sich ein Membrankolben, der von der einen
Seite her durch Federkraft in eine Endlage verschoben wird und hierbei aus dem Sumpf
Bremsflüssigkeit ansaugt. Beim Einschalten der Bremse wird die andere Seite des
Membrankolbens mit Druckluft beaufschlagt und der Membrankolben hierdurch entgegen
der Federkraft in die andere Endlage verschoben. Da die hierfür erforderliche Druckluftmenge
beim Zurückschieben des Kolbens durch Federkraft verlorengeht, bringt dieses Schnellfüllprinzip
einen erheblichen Luftverbrauch und einen entsprechenden Energiebedarf mit sich;
unter Umständen muß sogar die Luftversorgungsanlage des Fahrzeuges vergrößert werden.
Außerdem ist neben diesem Einschußzylinder nach wie vor eine wenn auch verhältnismäßig
kleine Füllpumpe erforderlich, und zwar zur Regelung des Bremsmomentes. Hierfür
ist ein Nebenkreislauf vorgesehen mit einer die genannte Füllpumpe aufweisenden,
an den Kühlkreislauf angeschlossenen Fülleitung und mit einer von dieser getrennten
Entleerleitung, in die ein als Regelventil ausgebildetes Überströmventil eingebaut
ist, welches den Druck im Kühlkreislauf in Abhängigkeit von einem veränderbaren
Sollwert konstant hält.
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Bei einer schließlich noch bekannten Steueranlage (deutsche Offenlegungsschrift
1911321) ist außerhalb des Kühlkreislaufes eine Füllpumpe vorgesehen, die nicht
nur zur Regelung des Bremsmomentes, sondern auch zum Füllen der Bremse beim Bremsbeginn
dient. Deshalb muß diese Pumpe wiederum außerordentlich groß ausgebildet sein; andernfalls
würde sich eine zu lange Füllzeit ergeben. Auch diese Anordnung befriedigt daher
nicht, zumal eine Nachkühlung der Bremsflüssigkeit nach dem Abstellen der Bremse
nicht möglich ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steueranlage für
eine hydrodynamische Bremse anzugeben, die bei einem geringstmöglichen Bauaufwand
für Förder- und Steuereinrichtungen einen möglichst kleinen Bedarf an Antriebsenergie
und Druckluft aufweist und die trotzdem die üblichen Anforderungen an eine Bremsanlage
erfüllt, nämlich kurze Ansprechzeiten der Bremse (Füll- und Entleerzeiten) und hohe
Bremsleistung durch hohe Umlaufgeschwindigkeit der Bremsflüssigkeit im Kühlkreislauf.
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Diese Aufgabe wird bei einer Steueranlage der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß in der Fülleitung zwischen der Pumpe und der Einmündung
in die Kreislaufleitung ein Hydrospeicher vorgesehen ist, dem ein Füllventil nachgeschaltet
ist, das zusammen mit dem genannten Überströmventil eine Regel-Ventileinheit mit
einem gemeinsamen Steuerkolben bildet, der aus einer neutralen Mittelstellung heraus
in
eine erste, das Zuführen von Bremsflüssigkeit in den Kühlkreislauf bewirkende Arbeitsstellung
und in eine zu dieser entgegengesetzten zweiten, das Abführen von Bremsflüssigkeit
aus dem Kühlkreislauf bewirkende Arbeitsstellung verschiebbar ist.
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Im Gegensatz zu dem bei bekannten Steueranlagen verwendeten Einschußzylinder
ist der Energiebedarf des vorgenannten Hydrospeichers praktisch gleich Null. Denn
ein solcher Hydrospeicher dient lediglich zum Speichern der von der Pumpe erzeugten
hydraulischen Energie, wobei die Bremsflüssigkeit unter dem Druck einer Feder oder
eines Gewichtes oder eines Gases steht. Zweckmäßigerweise wird man einen sogenannten
Windkessel wählen, der zum erstmaligen Füllen mit Druckluft an das Druckluftnetz
des Fahrzeuges angechlossen wird. Hierbei wird also nur einmalig, nämlich bei der
Inbetriebnahme des Fahrzeuges und dann höchstens noch nach langen Stillstandszeiten
Druckluft benötigt.
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Die genannte Pumpe dient nunmehr nur noch zum Zurückführen von Bremsflüssigkeit
aus dem Sumpf und zugleich zum Fördern von Luft in den Windkessel und damit zum
Aufrechterhalten eines stets gleichbleibenden Druckes im Windkessel. Dieser befindet
sich somit in ständiger Bereitschaft, eine Füllung der Bremse oder ein etwaiges
Nachfüllen von Bremsflüssigkeit beim Regeln des Bremsmomentes vorzunehmen.
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Dies bedeutet allerdings, daß im Gegensatz zu der bekannten Steueranlage
mit Einschußzylinder in die Fülleitung ein Füllventil eingebaut werden muß, welches
in ähnlicher Weise wie das genannte, zum Abführen von Bremsflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf
dienende Überströmventil als Regelventil ausgebildet ist und welches dann selbsttätig
öffnet, wenn der Sollwert des Bremsmomentes den Istwert übersteigt.
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Es sind also bei Verwendung eines Hydrospeichers an sich zwei Regelventile
erforderlich, von denen das eine bei Bedarf Bremsflüssigkeit in den Kühlkreislauf
einströmen und das andere im umgekehrten Fall Bremsflüssigkeit aus dem Kreislauf
ausströmen läßt.
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Eine solche Regelung des Bremsmomentes mit zwei parallel arbeitenden
Regelventilen ist aber, wenn überhaupt, nur mit erheblichem Aufwand an Steuerungseinrichtungen
möglich. Es ist deshalb ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung, daß das dem
Hydrospeicher nachgeschaltete Füllventil mit dem genannten Überströmventil eine
einen einzigen Steuerkolben aufweisende Regelventileinheit bildet, die in der oben
angegebenen Weise sowohl das Zu- als auch das Abführen von Bremsflüssigkeit zum
bzw.
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vom Kühlkreislauf bewirkt. Da der Fertigungs-Aufwand für eine solche
Regelventileinheit kaum größer ist als für das bisher schon erforderliche Überströmventil,
wird das durch die Verwendung des genannten Hydrospeichers zunächst auftretende
Regelproblem durch die Erfindung in sehr zweckmäßiger Weise gelöst. Als besonders
vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß der Regelventileinheit - wie an sich bekannt
- ein dem jeweiligen Istwert des Bremsmomentes entsprechender Meßdruck, z. B. der
im Rücklauf von der Bremse zum Wärmetauscher herrschende Druck, und ein willkürlich
veränderbarer, den Sollwert des Bremsmomentes darstellender Steuerdruck zugeführt
wird.
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Ein zusätzliches Kühlen der Bremsflüssigkeit nach dem Abschalten
der Bremse wird dadurch ermöglicht, daß der beim Bremsbetrieb die Bremsflüssigkeit
aufnehmende
Anschluß des Wärmetauschers über eine Zusatzleitung mit dem Flüssigkeitssumpf verbunden
ist, wobei in der Zusatzleitung ein Absperrventil vorgesehen ist, welches durch
einen Thermostaten beim Überschreiten einer gewissen Bremsflüssigkeitstemperatur
in die Stellung »Offen« und beim Unterschreiten dieser Temperatur in die Stellung
»Geschlossen« umschaltbar ist. Ein solches Nachkühlen der Bremsflüssigkeit ist dann
erforderlich, wenn starke Verzögerungsbremsungen die Kapazität der Kühlanlage übersteigen,
wenn also Wärme in der Bremsflüssigkeit gespeichert worden ist und nach der Bremsung
wieder abgeführt werden muß.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Anlage ist es besonders vorteilhaft,
das Schaltventil und das Absperrventil zu einer Ventileinheit zusammenzufassen,
die drei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine Nullstellung, in der der Kühlkreislauf
und die Zusatzleitung unterbrochen sind und der Arbeitsraum der Bremse mit dem Flüssigkeitssumpf
verbunden ist, ferner eine durch den genannten Thermostaten bewirkte Nachkühlstellung,
in der bei unterbrochenem Kühlkreislauf der Arbeitsraum der Bremse mit dem Flüssigkeitssumpf
verbunden und die Zusatzleitung frei ist, und eine Bremsbetriebsstellung, in der
der Kühlkreislauf geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem Arbeitsraum und dem
Flüssigkeitssumpf sowie die Zusatzleitung unterbrochen sind.
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Bekanntlich ist es aus Gründen der Sicherheit zweckmäßig, bei Kraftfahrzeugen
mit Schaltgetrieben die hydrodynamische Bremse dem Schaltgetriebe nachzuschalten,
d.h. den Bremsrotor z.B. an die Kardanwelle zu koppeln. Wenn nun in diesem Falle
die zum Zurückfördern der Bremsflüssigkeit in den Hydrospeicher dienende Pumpe vom
Bremsrotor aus angetrieben wird, so ist deren Drehzahl entsprechend der Fahrgeschwindigkeit
zeitweise sehr niedrig; demgemäß muß die Pumpe größer ausgelegt weruen, als dies
für den oberen Fahrgeschwindigkeitsbereich an sich erforderlich ist. Um diesen Nachteil
zu vermeiden, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die
Pumpe mit einer zur Drehzahl des antriebsmotors des Fahrzeuges proportionalen Drehzahl
angetrieben wird. Dieser Vorschlag kann dadurch verwirklicht werden, daß die Pumpe
mechanisch mit dem Antriebsmotor gekoppelt wird, wobei das Zwischenschalten einer
ausrückbaren Kupplung zweckmäßig ist, um die Pumpe bei Traktionsbetrieb stillsetzen
zu können.
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Statt dessen kann die Pumpe aber auch - gemäß einem weiteren Vorschlag
der Erfindung - durch einen Drehstrommotor angetrieben werden, der von dem ohnehin
vorhandenen und durch den Antriebsmotor angetriebenen Drehstromgenerator gespeist
wird. Hierbei empfiehlt sich in erster Linie die Verwendung eines billigen und platzsparenden
Kurzschlußlaufermotors. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung eines von der
Batterie des Fahrzeuges aus gespeisten Gleichstrommotors möglich. In jedem Falle
gestattet ein elektrischer Antrieb die räumlich günstigste Anordnung der Pumpe.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend an Hand
der Zeichnung beschrieben.
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Darin zeigt F i g. 1 das Schema einer Steuerungsanlage für eine hydrodynamische
Bremse, F i g. 2 das Schema einer gegenüber F i g. 1 abgewandelten Steuerungsanlage
mit einer zusätzlichen Einrichtung zum Nachkühlen der Bremsflüssigkeit nach dem
Abschalten der Bremse.
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In beiden Figuren ist die hydrodynamische Bremse mit 10 bezeichnet.
Sie weist in bekannter Weise ein Rotor- und ein Statorschaufelrad auf, die miteinander
einen torusförmigen Arbeitsraum 11 bilden. Die Bremse 10 weist einen in der Regel
mit dem Bremsgehäuse zusammengebauten, drucklosen Flüssigkeitsbehälter9 (Sumpf)
auf. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dieser jedoch in der Zeichnung von der
Bremse getrennt angeordnet.
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Beiden Ausführungsbeispielen gemeinsam sind ferner die Pumpe 12 und
der dieser nachgeschaltete und als Windkessel ausgebildete Hydrospeicher 13 mit
einem Sicherheitsventil 14 und mit einer Zuführleitung 15 für Druckluft, in die
ein Druckregelventil 16 eingebaut ist. Dem Windkessel 13 nachgeschaltet ist eine
Regelventileinheit 20, die weiter unten ausführlich beschrieben wird.
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In F i g. 1 bilden die Leitungen 30 und 31 einen Kühlkreislauf, in
dem während des Bremsbetriebes die Bremsflüssigkeit ständig über das Rückschlagventil
32, den Wärmetauscher 33 und das Schaltventil 34 zirkuliert, wobei die Bremse 10
selbst als Umwälzpumpe wirkt. In der gezeigten Stellung des Schaltventils 34 ist
die Bremse über die Leitung 35 entleert. Beim Bremsbeginn wird das Schaltventil
mittels Steuerluft (Leitung 36) in die andere Stellung umgeschaltet.
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Demgegenüber unterscheidet sich der Kühlkreislauf der Steueranlage
gemäß F i g. 2 im wesentlichen nur dadurch, daß die von der Bremse 10 zum Wärmetauscher
33 führende Leitung 40, 40 a ebenfalls durch das Schaltventil 44 hindurchgeführt
und außerhalb des Bremsbetriebes unterbrochen ist. Dadurch entfällt das Rückschlagventil
32.
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Der Füllungsgrad der Bremse 10 und damit das Bremsmoment wird geregelt
durch Zuführen zusätzlicher Bremsflüssigkeit in den Kühlkreislauf bzw.
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durch Abführen überschüssiger Bremsflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf,
beides mittels der Regelventileinheit 20. Diese weist einen Steuerkolben 21 auf,
der durch zwei an seinen beiden Enden angreifende Federn 22, 23 in einer neutralen
Mittelstellung gehalten wird (wie in F i g. 1 dargestellt). In dieser Stellung ist
der mittlere, über die Leitung 24 mit dem Kühlkreislauf 30,31 verbundene Anschluß
25 durch den mittleren Kolbensteg 26 verschlossen. Dieser Anschluß 25 wird jedoch
durch eine nur geringfügige Verschiebung des Kolbens 21 (in der Zeichnung nach oben)
mit der Auslaßleitung 27 oder durch eine ebenso geringfügige Verschiebung nach unten
über die Fülleitung 28 mit dem Windkessel 13 verbunden. Eine Verschiebung des Kolbens
21 nach unten erfolgt durch den beim Einschalten der Bremse über die Leitung 37
dem oberen Druckraum 57 zugeführten Steuerluftdruck. Umgekehrt erfolgt eine Verschiebung
des Kolbens 21 nach oben durch einen dem jeweiligen Bremsmoment proportionalen Meßdruck,
z. B. durch den im sogenannten Austrittsringraum 8 der Bremse 11 herrschenden Druck.
Dieser wird über die Leitung 38 dem unteren Druckraum 58 der Regelventileinheit
20 zugeführt. Halten sich die beiden genannten Drücke die Waage, so hält sich der
Kolben 21 in seiner neutralen Mittelstellung. Solange dagegen der Istwert des Bremsmomentes
von dem durch den Steuerluftdruck vorgegebenen und will-
kürlich
veränderbaren Sollwert abweist, nimmt der Kolben 21 eine von der Mittelstellung
nach oben oder nach unten abweichende Stellung ein, und zwar so lange, bis wieder
Gleichgewicht zwischen Istwert und Sollwert herrscht.
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Bei der Steueranlage nach F i g. 2 ist noch dafür gesorgt, daß nach
dem Abschalten der Bremse 10 (durch völliges Entleeren ihres Arbeitsraumes 11) ein
Nachkühlen der Bremsflüssigkeit stattfinden kann, sofern deren Temperatur einen
bestimmten Wert übersteigt. Hierzu sind in der Regelventileinheit 20 die beiden
Federn 22 a, 23 a derart ausgelegt, daß der Kolben 21 eine aus der Mitte etwas nach
unten verschobene Stellung einnimmt, sofern die Steuerleitungen 37 und 38 drucklos
sind. (Die oben beschriebene Regelfunktion der Regelventileinheit 20 ist hierdurch
nicht beeinträchtigt.) Ferner ist an die vom Schaltventil 44 zum Wärmetauscher 33
führende Leitung 40a eine Zusatzleitung 60 angeschlossen, die über ein Äbsperrventil
61 zum Sumpf 9 führt. Das Absperrventil 61 ist mit dem Schaltventil 44 zu einer
Ventileinheit zusammengefaßt, die drei Schaltstellungen aufweist, nämlich eine Nullstellung
(wie in F i g. 2 dargestellt), in der der Kühlkreislauf 40, 40 a, 41 und die Zusatzleitung
60 unterbrochen sind und die Entleerleitung 35 frei ist, ferner eine Nachkühlstellung
(Steuerkolben nach oben verschoben), in der bei unterbrochenem Kühlkreislauf sowohl
die Entleerleitung 35 als auch die Zusatzleitung 60 frei sind, und eine Bremsbetriebsstellung
(Steuerkolben nach unten verschoben), in der der Kühlkreislauf geöffnet ist und
die Entleerleitung 35 sowie die Zusatzleitung 60 unterbrochen sind.
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Die Nullstellung wird bei ausgeschalteter Bremse durch die beiden
Federn 42 und 43 bewirkt. Das Umschalten auf die Bremsbetriebsstellung erfolgt wie
beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 durch den
Steuerluftdruck (Leitung 36 a),
während das Umschalten auf die Nachkühlstellung durch ein Druckmittel erfolgt (in
der Regel ebenfalls Druckluft), welches über die Leitung 50 zugeführt wird. In dieser
Leitung ist ein thermostatisch gesteuertes Absperrventil (51) vorgesehen, das nur
dann geöffnet ist, wenn der an der Leitung 41 angebrachte Temperaturfühler 52 das
Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur in der Bremsflüssigkeit meldet, und
im übrigen auch nur dann, wenn die Steuerleitung 36 b drucklos, d. h. wenn die Bremse
entleert ist. Sofern also die Ventileinheit 44, 61 in die Nachkühlstellung umgeschaltet
ist, wird Bremsflüssigkeit aus dem Windkessel 13 über die Regelventileinheit20,
Kühler 33, Zusatzleitung 60, Sumpf 9 und Pumpe 12 im Kreislauf geführt, so lange,
bis die Grenztemperatur wieder unterschritten ist.
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Die vorzugsweise als Zahnradpumpe ausgebildete und durch den MotorM
angetriebene Pumpe 12 wird dann eingeschaltet, wenn sich die Ventileinheit 44, 61
in der Bremsbetriebsstellung oder in der Nachkühlstellung befindet; in der Nullstellung
ist sie dagegen ausgeschaltet. Die Pumpe 12 kann verhältnismäßig klein dimensioniert
werden; denn sie dient nur zum Zurückfördern von Bremsflüssigkeit aus dem Sumpf9
in den Windkessel 13. Die Ansprechzeit der Bremse bei Bremsbeginn hängt allein vom
Druck im Windkessel 13 und von den Rohrleitungswiderständen ab, nicht jedoch von
der Größe der Pumpe 12.
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An Stelle des mehrfach erwähnten, zur Kühlung der Bremsflüssigkeit
dienenden Wärmetauschers 33 kann auch ein einfacher Flüssigkeitsspeicher benutzt
werden. Beispielsweise kann als Flüssigkeitsspeicher der in Eisenbahnwagen ohnehin
vorhandene Waschwasserbehälter benutzt werden, wobei man als Bremsflüssigkeit das
Waschwasser verwendet.