DE2941700A1 - Eisenbahn-scheibenbremse - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

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PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE MANDATAIRES ACRiES PRES L'oPFICE EUROP£EN DES BREVETS

DR.-ING. PRANZ VUESTHOFF DR. PHIL. FREDA VUESTHOFF (19I7-I956) DIPL.-INC. GERHARD PULS (19J2-I971) DIPL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON PECHUANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-INC.; DIPL.-VIRTSCH.-ING. RUPERT COETZ

1A-52 814

29-41700 ^D-⁸⁰⁰⁰ München 90

SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089) 66 ίο ji telegramm: protectpatent telex: 514070

15. Oktober 1979

Anmelderin:

Lucas Industries Limited Great King Street Birmingham, West Midlands Großbritannien

Titel

Eisenbahn-Scheibenbremse

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PATENTANWÄLTE

WUESTHOFF - ν. PECHMANN - BEHRENS - GOETZ

FtOFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE BUROFEAN FATENT OFFICE MANDATAIRES AGREiS FRES lOfFICE EUROFEBN DES BREVETS

DR.-ING. FRANZ VUES£H&>L(. j /00 DR. FHIL. FREDA VUESTHOFF (1927-I956) DIFL.-ING. GERHARD FULS (1952-I971) DIFL.-CHEM. DR. E. FREIHERR VON FBCHIiANN DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DI FL.-VI RTSC H.-I NG. RUFERT COBTZ

1A-52 814

D-8000 MÜNCHEN 90 SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 ίο ft

TELEGRAMM: FROTBCTFATENT

TB LB χ: 524070

Beschreibung

Eisenbahn-Scheibenbremse

Die Erfindung bezieht sich auf die Befestigung von Bremsscheiben-Ringelementen an einem Rotor, beispielsweise an einem Laufrad eines Eisenbahnfahrzeuges.

Es ist bekannt, Bremsringe an einem Eisenbahnfahrzeug-Rad mit sogenannten Durchsteckbolzen zu befestigen, die mit beträchtlichem Spiel Löcher im Rad durchdringen. Die Bolzen werden ausreichend stark angezogen, um durch den Reibschluß zwischen der Bremsscheibe und dem Rad Bewegungen der Bremsscheibe in bezug auf das Rad bei normalen Bremslasten zu verhindern, jedoch gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen der Bremsscheibe und dem Rad bei den großen Kräften zuzulassen, die durch ihre Temperaturunterschiede hervorgerufen werden, welche beim Betätigen der Bremse zwischen einer Bremsscheibe und dem Eisenbahnfahrzeug-Rad, an dem sie angeordnet ist, auftreten können. Wenn die Bremsscheibe durch eine starre Befestigung an einer Bewegung in bezug auf das Rad gehindert wird, unterliegen die Bremsscheibe und das Rad Spannungen von nichtakteptabler Größe. Wenngleich das vorstehend beschriebene

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bekannte Verfahren der Bremsscheibenbefestigung für die notwendige Bewegung der Bremsscheibe infolge von Wärmeausdehnung sorgt, hat es den Nachteil, daß wiederholtes Ausdehnen und Zusammenziehen zu einer Gesamtverlagerung führen können, welche die Zentrierung und den unwuchtfreien Umlauf der Bremsscheibe zunichte macht.

Als mögliche Lösung dieses Problems ist vorgeschlagen worden, halbkreisringförmige Ringelemente an der Radscheibe eines Eisenbahnfahrzeug-Rades mit Durchsteckbolzen der vorstehend beschriebenen Art anzubringen und zusätzlich für jedes Ringelement zwei Haltebolzen zu verwenden, die Löcher in der Radscheibe mit satter Anlage durchdringen. Diese eingesetzten bzw. eingepaßten Bolzen sollten nach diesem Vorschlag an den entgegengesetzten Enden des bogenförmigen Ringelementes angeordnet sein. Zwar halten die eingepaßten Bolzen das Ringelement in seiner richtigen, ausgewuchteten Stellung, doch war diese konstruktive Anordnung nicht völlig zufriedenstellend, da die eingepaßten Bolzen Bewegungen des Bremsscheibenelementes infolge von Wärmeausdehnung einschränkten, mit dem Ergebnis, daß die weiter oben beschriebenen Nachteile, die mit dem Entstehen von Wärme Spannungen im Bremsscheibenelement und im Rad verbunden sind, weiter fortbestanden.

Später wurde vorgeschlagen, die eingepaßten Bolzen dicht beieinander anzuordnen, um die Wärme spannungen so klein wie möglich zu halten, und sie gleichmäßig beiderseits der das Ringelement halbierenden radialen Ebene oder tatsächlich an dieser Ebene anzuordnen. Derartige Anordnungen sind in den GB-PSen 1 359 388 und 1 526 204 beschrieben. Grund für das Anordnen der eingepaßten Bolzen an der Mittelebene oder gleichmäßig beiderseits derselben ist, sicherzustellen, daß Wärmebewegungen in beiden Richtungen von der Ebene weg gleich sind, so daß das rotatorische Gleichgewicht nicht beeinträchtigt wird. Durch das Anordnen der eingepaßten Bolzen mit vergleichsweise geringem

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Zwischenabstand werden die Wärmespannungen herabgesetzt, aber andere Schwierigkeiten hervorgerufen. Weil die eingepaßten Bolzen an oder sehr nahe der Mittelebene des Hingelementes angeordnet sind, sind die größeren Abschnitte des Ringelementes an jeder Seite der Mittelebene ohne jede feste Abstützung in bezug auf das Rad. Unter dem Einfluß von Zentrifugal- und Stoßkräften, hervorgerufen durch das Schlagen des Rades an der Schiene, können folglich die Enden des Ringelementes in bezug auf das Rad schwingen, wobei sie im Ringelement Spannungen erzeugen, die sich auf den Bereich der eingepaßten Bolzen in der Mitte des Ringelementes konzentrieren. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Spannungen zu einem Versagen durch Bruch des Ringelementes oder der Bolzen führen können.

Bei einer aus der GB-PS 1 526 204 bekannten Bremsscheiben-Ringelement- und Rad-Baugruppe wird ein eingepaßter Bolzen verwendet und verhindert ein zweiter Bolzen, der in einem zum eingepaßten Bolzen ausgerichteten Schlitz gleitet, Drehbewegungen des Ringelementes um den eingepaßten Bolzen. In diesem Falle wird keine Behinderung der Wärme ausdehnung und der Zusammenziehung des Ringelementes in bezug auf das Rad durch die beiden Bolzen hervorgerufen, die das Ringelement in der richtigen Lage halten. Um sicherzustellen, daß an beiden Seiten der Mittelebene gleiche Wärmebewegungen stattfinden, müssen jedoch die beiden Führungsbolzen an der Mittelebene angeordnet sein, und es treten dieselben Schwierigkeiten mit den übermäßigen Spannungen auf, die durch die Zentrifugal- und Stoßkräfte im zentralen Bereich des Ringelementes hervorgerufen werden. Außerdem ergibt sich der zusätzliche Nachteil, daß der einzige eingepaßte Bolzen einen vergrößerten Anteil der Zentrifugal- und Stoßlasten aufnehmen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Scheibenbremse zu schaffen, bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile ausgeschaltet sind.

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Erfindungsgemäß hat eine Eisenbahn-Scheibenbremse einen Rotor und eine Bremsscheibe, die aus mehreren bogenförmigen Bremsringelementen zusammengesetzt ist, von denen jedes an einer Stirnfläche des Rotors mit Befestigungshilfsmitteln befestigt ist, die so ausgelegt sind, daß sie Bewegungen des Ringelementes infolge von Wärmeausdehnung in bezug auf den Rotor ermöglichen, wobei jedes Ringelement am Rotor von einem Paar Fixiervorrichtungen an entgegengesetzten Seiten einer das Ringelement halbierenden axialen Ebene positioniert ist, wobei die erste Fixiervorrichtung an einer ersten Stelle angeordnet ist, um das Ringelement an der ersten Stelle gegen translatorische Bewegungen in bezug auf den Rotor zu sichern, und die zweite Fixiervorrichtung an einer zweiten Stelle in beträchtlichem Abstand von der ersten Stelle angeordnet ist, um das Ringelement in seiner Bewegung ungefähr zur ersten Stelle hin zu führen, wodurch eine Wärmeausdehnung des Ringelementes zwischen den Fixiervorrichtungen nicht eingeschränkt wird.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß sich alle Teile eines gleichmäßig erwärmten Körpers von einem Festpunkt des Körpers weg linear ausdehnen. Bei der Scheibenbremse nach der Erfindung werden übermäßige Wärmespannungen in den Bremsscheibenelementen und dem Rotor vermieden, weil das Bremsscheibenelement an der ersten Fixiervorrichtung mit dem Rotor verankert ist und die zweite Fixiervorrichtung Bewegungen des Bremsscheibenelementes zur ersten Fixiervorrichtung hin und von ihr weg zu ermöglichen vermag. Gleichzeitig stellen die beiden Fixiervorrichtungen im Zusammenwirken miteinander sicher, daß bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung und Zusammenziehung des Bremsscheiben elementes und des Rotors das Bremsscheibenelement sich in einer vorbestimmten und genau definierten Weise bewegt.

Die Fixiereinrichtung nach der Erfindung ist asymmetrisch in bezug auf die Mittelebene, die das Bremsscheibenelement

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halbiert. Dies stellt eine bedeutsame Abweichung von den bisher ausprobierten Anordnungen dar, die alle symmetrisch waren; daraus ergibt sich, daß bei Auftreten von Wärmeausdehnung oder Zusammenziehung die beiden Hälften des Bremsscheibenelementes an jeder Seite der Mittelebene sich nicht gleichmäßig bewegen. Wenngleich die genaue Zentrierung des Bremsscheibenelementes verlorengehen kann, kann das rotatorieche Gleichgewicht bzw. die Ausgeglichenheit der Drehbewegung durch gemeinsames Anbringen von zwei halbkreisringförmigen Elementen am Rotor erhalten werden, wobei die Elemente zueinander spiegelbildlich aufgebaut und befestigt sind, so daß die von einem Element herrührenden Uawuchtkräfte durch die vom anderen Element hervorgerufenen Unwuchtkräfte aufgehoben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Fixiervorrichtungen gleichmäßig in bezug auf die Mittelebene angeordnet; dies ist jedoch für die Wirksamkeit bzw. Ausführung der Erfindung nicht wesentlich.

Die Fixiervorrichtung an der zweiten Stelle ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sie eine lineare Bewegung des Elementes zum Ort der ersten Fixiervorrichtung hin und von ihm weg ermöglicht. Es ist jedoch auch möglich, daß die zweite Fixiervorrichtung eine leichte Drehung des Elementes um die erste Fixiervorrichtung während einer Wärmebewegung zuläßt. Beispielsweise kann die zweite Fixiervorrichtung so ausgelegt sein, daß sie nur eine lineare Bewegung des Elementes in einer Richtung ermöglicht, die etwas von der Verbindungslinie der beiden Fixiervorrichtungen abweicht, so daß mit einer Bewegung an der zweiten Stelle zur ersten Stelle hin und von ihr weg eine kleine Winkelbewegung des Elementes einhergeht. Es ist auch möglich, die zweite Fixiervorrichtung als Exzenter auszubilden, der ebenfalls eine kleine Drehbewegung des Elementes während einer Wärmebewegung hervorrufen würde.

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Eine Ausführungsform einer Eisenbahn-Scheibenbremse nach der Erfindung und mehrere abgewandelte Ausführungsformen werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Scheibenbremse, bei der aus Gründen der Übersichtlichkeit der Rotor weggelassen und einige Teile weggebrochen sind,

den Schnitt H-II in Pig. 1,

den Schnitt IH-III in Fig. 1 durch eine Einzelheit,

einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Fixiervorrichtung,

eine Endansicht einer anderen abgewandelten Ausführungsform einer Fixiervorrichtung und

einen Querschnitt durch dieselbe Fixiervorrichtung.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte Eisenbahn-Scheibenbremse hat einen Rotor, der von einem Fahrzeugrad gebildet ist, das sich aus einer Nabe 1, einem ümfangsflansch 2 und einer sie miteinander verbindenden Radscheibe 3 zusammensetzt.

An den einander abgewandten Stirnflächen der Radscheibe 3 sind Bremsringe angeordnet, die sich je aus zwei getrennten Ringelementen 4 zusammensetzen, die beim gezeigten Beispiel als Halbringe ausgebildet sind. Es wird nun die Befestigung eines Ringelementes 4 im einzelnen beschrieben; die anderen Ringelemente 4 sind an der Radscheibe 3 in genau der gleichen Weise befestigt. Das Ringelement 4 ist an der Radscheibe 3 mit zwölf Befestigungshilfsmitteln in Gestalt von Durchsteckbolzen 5 befestigt, die gemäß Fig. 3 mit beträchtlichem Spiel entsprechende Löcher in der Radscheibe 3 durchdringen. Derselbe Satz Durchsteckbolzen 5 dient zum Befestigen des Ringelementes 4 an der entgegengesetzten Seite der Radscheibe 3; die Bolzenköpfe und die Sicherungsmuttern sind in den freiliegenden Bremsflächen der Ringelemente 4 versenkt angeordnet. Die Durchsteckbolzen 5 sind

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genügend stark angezogen, um sicherzustellen, daß jegliches Bestreben der Ringelemente 4, sich wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnung an den Bremsflächen und den übrigen Abschnitten der Ringelemente 4 zu verwerfen, vereitelt wird. Die Zugspannung in den Durchsteckbolzen 5 ist so, daß gleichzeitig eine Wärmebewegung des Ringelementes 4 in bezug auf die Radscheibe 3 möglich ist.

Um jedes Ringelement 4 in einer vorbestimmten Stellung am Rad zu halten, sind an entgegengesetzten Seiten der das Ringelement 4 halbierenden Ebene an in beträchtlichem Abstand voneinander gelegenen Stellen zwei Fixiervorrichtungen 6 und 9 symmetrisch angeordnet. Die erste Fixiervorrichtung 6 weist einen Stift auf, der in ein Loch in der Radscheibe 3 eingetrieben worden ist und an seinem herausragenden Ende eine darauf aufgesteckte festsitzende Muffe 7 hat. Die Muffe 7 ist mit satter Anlage in einer kreisrunden Vertiefung 8 aufgenommen, die in die Rückfläche des Bremsscheiben-Ringelementes 4 eingearbeitet ist. Daraus ergibt sich, daß das Ringelement 4 an der Stelle der ersten Fixiervorrichtung 6 gegen jegliche translatorische Bewegung in bezug auf das Rad fest verankert ist.

Xn ähnlicher Weise hat die zweite Fixiervorrichtung 9 einen Stift, der in ein Loch in der Radscheibe 3 eingetrieben worden ist. Sie weist ein Paar Anflächungen auf, die an entgegengesetzten Seiten ihres freiliegenden Endstückes ausgebildet sind, das verschieblich in eine schlitzförmige Ausnehmung eingreift, die in die Rückfläche des Ringelementes 4 eingearbeitet ist, von überwiegender Längsausdehnung ist und sich in Längsrichtung zur ersten Fixiervorrichtung 6 hin erstreckt. Gemäß Fig. 1 und 2 wird die schlitzförmige Ausnehmung erzielt durch spanendes Einarbeiten einer kreisrunden Ausnehmung in das Ringelement 4 und Einsetzen eines Paares kreissegmentförmiger Füllstücke 10 aus gehärtetem Stahl in diese Ausnehmung. Die Füllstücke 10 dienen dazu, sowohl die Berührungsbeanspruchungen zwischen dem Stift der

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Pixiervorrichtung 9 und dem Ringelement 4 zu verringern als auch die spanende Bearbeitung zum Herstellen des Schlitzes zu vereinfachen.

Durch Ausrichten des Schlitzes nach der Fixiervorrichtung wird der Wärme ausdehnung und Zusammenziehung des Ringelementes 4 in bezug auf das Rad durch die feststehenden Stifte der Fixiervorrichtungen 6 und 9 nicht entgegengewirkt und es werden übermäßige Wärme spannungen im Ringelement 4 und im Rad vermieden.

Gemäß Fig. 2 werden von jeder Fixiervorrichtung 6 und 9 zwei Ringelemente 4 an entgegengesetzten Seiten der Radscheibe 3 fixiert. Die ersten Fixiervorrichtungen 6 der beiden an jeder Stirnfläche der Radscheibe 3 befestigten Ringelemente 4 sind spiegelbildlich zu den beiden Ringelementen 4 diametral einander gegenüber angeordnet, so daß der ganze Ring in seiner Drehbewegung ausgeglichen bleibt, selbst wenn sich die getrennten Ringelemente 4 infolge Wärmebewegung in außermittige Stellungen verlagern. Die von den beiden Ringelementen 4 herrührenden Unbalanzkräfte sind einander entgegengesetzt und heben sich gegenseitig auf.

Im Betrieb der beschriebenen Rad-Bremsscheiben-Baugruppe setzt sich die am Schwerpunkt jedes Ringelementes 4 wirkende Kraft aus einer radialen, nach außen gerichteten Zentrifugalkraft und einer damit kombinierten Drehstoßkraft mit etwa der Hälfte ihrer Größe zusammen. Die sich daraus ergebende, nach außen gerichtete Schwingungskraft erzeugt im Ringelement 4 Spannungen, die an den radialen Ebenen c-d, die das Ringelement 4 halbieren, und den radialen Ebenen e-f und g-h durch die Fixiervorrichtungen 6 und 9 Höchstwerte aufweisen. Die Spannungen an diesen Ebenen c-d, e-f und g-h können beträchtlich herabgesetzt werden, wenn die Fixiervorrichtungen 6 und 9 jedes Ringelementes 4 an Linien a-b angeordnet sind, die zur axialen Symmetrieebene

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des Ringelementee 4 parallel in einem Abstand voneinander liegen, der den zweifachen mittleren Radius R des Ringelementes 4 beträgt.

Sie in Fig. 4 dargestellte abgewandelte Ausführungsform einer Fixiervorrichtung ist anstelle der Fixiervorrichtungen 9 verwendbar. Es wird ein runder Stift 11 ohne Anflächungen verwendet, der in ein rundes Loch oder eine runde Ausnehmung 12 von größerem Durchmesser in der Rückfläche des Ringelementes 4 eingreift. In der Ausnehmung 12 ist ein einzelnes Füllstück 13 aus gehärtetem Stahl an der der Radachse am nächsten gelegenen Seite des Stiftes 11 und so angeordnet, daß seine ebene Fläche zum Stift der ersten Fixiervorrichtung 6 linear ausgerichtet ist. Zwischen dem Stift 11 und der Ausnehmung 12 ist an der dem Füllstück 13 entgegengesetzten Seite eine kleine Lücke belassen, die entsprechend größere Wannebewegungen der Ringelemente k am Stift 11 in Richtung der ersten Fixiervorrichtung 6 zuläßt. Durch die Zentrifugalkräfte ist gewährleistet, daß der Stift 11 stets in Anlage am Füllstück 13 bleibt.

Die Verwendung von Stiften für die Fixiervorrichtungen 6 und 9 ist nicht wesentlich; an ihrer Stelle sind andere Hilfsmittel, z.B. Bolzen, verwendbar. Eine Fixiervorrichtung mit einem Bolzen 15 ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Der Bolzenkopf ist in einer becherförmigen Zwischenscheibe 16 angeordnet, die auf den Bolzen aufgesteckt ist und an einer Seite eine kleine Anflächung aufweist. Der Bolzen 15 durchdringt ein Loch in der Radscheibe 3 und ist in eine Mutter 17 eingeschraubt, die außen der Zwischenscheibe 16 ähnlich gestaltet ist. Die Zwischenscheibe 16 und die Mutter 17 sind je zusammen mit einem Füllstück 18 in einer kreisrunden Ausnehmung in der Rückfläche des zugehörigen Ringelementes aufgenommen, wobei die Anflächungen an der Zwischenscheibe 16 und der Mutter 17 an der ebenen Fläche des Füllstückes anliegen und zwischen sowohl der Zwischenscheibe 16 als auch

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der zugehörigen Ausnehmung an der der Anflächung abgewandten Seite eine Lücke belassen ist, so daß diese Fixiervorrichtung im Betrieb der Fixiervorrichtung gemäß Fig. 4 genau gleichwertig ist.

Gemäß Fig. 5 ist um die Zwischenscheibe 16 an ihrer dem Füll stück 18 abgewandten Seite ein Dichtungsstreifen 19 angeordnet. Durch die Verwendung von verschiedenen Füllstücken 18 und/oder Dichtungsstreifen 19 läßt sich ein bestimmter Grad der Ausgeglichenheit bzw. Auswuchtung der Drehbewegung der Ringelemente 4 erzielen.

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1. Eisenbahn-Scheibenbremse mit einem Rotor und einer Bremsscheibe, die aus mehreren bogenförmigen Ringelementen zusammengesetzt ist, von denen jedes an einer Stirnfläche des Rotors so befestigt ist, daß es infolge von Wärmeausdehnung in bezug auf den Rotor beweglich ist, wobei jedes Ringelement in einer vorbestimmten Stellung am Rotor von einem Paar Fixiervorrichtungen gehalten ist, von denen die erste an einer ersten Stelle angeordnet ist, um das Ringelement an dieser Stelle gegen translatorische Bewegungen in bezug auf den Rotor zu sichern, und die zweite Fixiervorrichtung an einer zweiten Stelle angeordnet ist, um das Ringelement in seiner Bewegung zur ersten Stelle hin und von ihr weg zu führen, ohne eine Wärmeausdehnung des Ringelementes zwischen den Fixiervorrichtungen einzuschränken, dadurch gekennzeichnet , daß die Fixiervorrichtungen (6,9) mit einem beträchtlichen Zwischenabstand an entgegengesetzten Seiten der das Ringelement (4) halbierenden axialen Ebene (c-d) angeordnet sind.

2. Scheibenbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixiervorrichtungen (6,9) symmetrisch in bezug auf die halbierende Ebene (c-d) angeordnet sind.

3. Scheibenbremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Fixiervorrichtungen (6,9) näher an den Enden des Ringelementes (4) als an der halbierenden Ebene (c-d) angeordnet sind.

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4. Scheibenbremse nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Fixiervorrichtungen (6,9) in zugehörigen Ebenen (a-b) angeordnet sind, die zur halbierenden Ebene (c-d) parallel und in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der etwa den zweifachen mittleren Radius (R) des Ringelementes (4) beträgt.

5. Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwei halbkreisringförmige Ringelemente an einer gemeinsamen Stirnfläche des Rotors befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Fixiervorrichtungen (6) und die zweiten Fixiervorrichtungen (9) der beiden Ringelemente (4) in bezug auf die Rotorachse diametral sich gegenüberliegend angeordnet sind.

6. Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die zweite Fixiervorrichtung einen geraden Schlitz aufweist, der sich mit überwiegender Längsausdehnung in Richtung von der zweiten zur ersten Stelle erstreckt, und ein im Schlitz verschieblich aufgenommenes Bauteil, dadurch gekennzeichnet , daß der Schlitz im Ringelement (4) von einem oder mehreren kreissegmentförmigen Füllstücken (10) gebildet ist, die in eine kreisrunde Vertiefung (8) im Ringelement (4) eingesetzt sind.

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