DE4426540A1

DE4426540A1 - Bremse für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE4426540A1
Application number: DE4426540A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr Dellmann; Wolfgang Lehmann; Manfred Gronemann; Helmut Ruppert; Fritz Prof Dr Frederich
Original assignee: Bergische Stahl Industrie
Current assignee: Bergische Stahl Industrie
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1995-03-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bremse für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Radbremssystemen sind in der Regel beiderseits des Radkörpers die Radbremsscheiben angebracht, die mit dem Radkörper mitlaufend rotieren, während die Reibbeläge über geeignete Betätigungseinrichtungen gegen die Bremsscheiben gepreßt werden. Bei Scheibenbremsen wird die kinetische Energie des rollenden Fahrzeuges in den Bremsscheiben in Wärmeenergie umgesetzt. Deshalb sind Bremsscheiben thermisch hoch beansprucht. Außerdem treten große dynamische Kräfte auf, da Bremsscheiben meist auf den ungefederten Achswellen oder an den Rädern montiert sind. Die Massen der Bremsscheiben vergrößern die ungefederten Massen der Räder und/oder Radsätze, was einerseits die Beanspruchung der genannten Bauteile vergrößert und andererseits die Laufdynamik des Fahrzeuges beeinträchtigt.

Es ist bekannt, bei Scheibenbremsen mit selbstbelüfteten Bremsscheiben zur Vergrößerung des Luftdurchsatzes und zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft zwischen den Reibflächen. Strömungskanäle anzuordnen und die zwischen den Strömungskanälen verbleibenden Materialstege als Lüfterbeschaufelung auszubilden. Solange die Bremsscheibe rotiert, wird sie von der sie durchströmenden Luft gekühlt.

Nachteilig ist bei selbstbelüfteten Bremsscheiben, daß deren Lüfterwirkung immer vorhanden ist, wenn die Bremsscheibe rotiert. Das verbraucht Lüfterleistung auch wenn nicht gebremst wird und deshalb nicht gekühlt werden muß. Der sogenannte Ventilationsverlust macht sich besonders bei hohen und höchsten Fahrgeschwindigkeiten unangenehm bemerkbar. Ferner ist bei rotierenden Bremsscheiben eine gute Lüfterwirkung kaum zu realisieren, weil der Lüfter aus dem Strom des Fahrtwindes Luft ansaugen muß. Was ungleich schwieriger ist als das Ansaugen von Luft aus einer ruhenden Umgebung.

Bremsscheiben, die als sogenannte Rad-Scheibenbremse direkt am Radkörper befestigt sind, müssen wegen der hohen Temperatur, die sie annehmen können, gegenüber dem Radkörper möglichst gut isoliert sein und Ausdehnungsmöglichkeiten haben. Aus diesen Grunde kann nicht direkt auf der Radscheibe gebremst werden.

Aus der DE OS 22 49 113 ist eine Scheibenbremse bekannt, bei der eine sich drehende mit der Achse oder dem Rad verbundene Bremsscheibe mindestens eine nahezu den gesamten Umfang ausfüllende Reibfläche trägt, die von einer Masse mit hohem Reibungsbeiwert gebildet wird und gegen die jeweils nur ein metallischer Bremsklotz gedrückt wird. Die Reibfläche der rotierenden Reibbeläge ist dabei im Verhältnis zur Reibfläche des Bremsklotzes sehr groß, so daß nur vergleichsweise wenig Wärme über die an den Bremsklötzen angeordneten Kühlflächen abgeführt werden kann.

In der DE OS 24 21 351 ist darüber hinaus eine flüssigkeitsgekühlte Scheibenbremse, insbesondere für Schienenfahrzeuge beschrieben, mit umlaufender, von Bremsbacken an einem Teil ihres Umfanges zangenförmig umfaßter Vollbelagscheibe, wobei die Bremsbacken aus wärmeleitendem Material bestehen und von Kühlflüssigkeit durchströmte Hohlräume besitzen. Auch hierbei nimmt die Reibfläche der Bremsbacken nur einen kleinen Teil der gesamten am rotierenden Teil zur Verfügung stehenden Reibfläche ein, so daß die Wirkung nur begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Bremse vorzuschlagen, bei der die vorgenannten Probleme nicht auftreten und insbesondere eine bessere Kühlung möglich ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben. Die Ansprüche 2 bis 19 enthalten sinnvolle Ausführungsformen dazu.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die rotierenden Reibbeläge nur einen Bruchteil der gesamten verfügbaren Reibfläche, vorzugsweise weniger als 50% einnehmen, um den rotierenden Teil der Bremse möglichst kalt zu halten und daß die als Wärme anfallende Bremsenergie dadurch überwiegend auf den feststehenden Teil der Bremse übertragen wird, daß dieser eine möglichst große, die gesamte Ringfläche einnehmende Reibfläche besitzt. Von dort kann sie im Prinzip über eine beliebig große Anzahl von Kühlrippen an den mit Fahrgeschwindigkeit vorbeistreichenden Luftstrom abgegeben werden. Mit einem geeigneten Ventilationssystem (Ventilator) ist auch eine Kühlung nach Stillstand des Fahrzeuges zu realisieren, sowie die Lüfterleistung der jeweils aufgewandten Bremsenergie anzupassen. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Bremskörper mit Kühlräumen zu versehen, die mit einem Kühlmittelumlaufsystem in Verbindung gebracht werden. Damit kann man insbesondere auch große Mengen an Kühlflüssigkeit durch die Kühlräume pumpen und während des Bremsvorganges eine erhebliche bessere Kühlung der Bremskörper erreichen, wobei insbesondere auch beim Stillstand des Fahrzeuges, z. B. nach einer Vollbremsung die Bremsen weiter gekühlt werden können. Dieses System der Kühlung war bei bisher üblichen rotierenden Bremsscheiben nicht möglich.

Es hat sich im Hinblick auf eine günstige Ableitung der Wärme an den feststehenden Teil der Bremse als günstig erwiesen, für den rotierenden Teil der Bremse Reibbeläge mit geringer Wärmeleitfähigkeit und für den feststehenden Teil Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Zusätzlich ist es günstig, zwischen Reibbelägen und dem rotierenden Teil eine wärmeisolierende Zwischenschicht (Kleber, Folie, Scheibe) einzubringen, damit der Wärmefluß in den rotierenden Teil erschwert wird und dieser damit möglichst kalt bleibt. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, daß die Auflagefläche der Reibbeläge auf der Befestigungsfläche möglichst gering gehalten wird. Zusätzlich können in den Reibbelägen, insbesondere in der Nähe der Befestigung zur Kühlung Hohlräume oder Kanäle angeordnet sein.

Die auswechselbaren Reibbeläge bzw. Reibkörper können als Kreisringe, Kreissegmente und insbesondere als kleine Zylinder (sogenannte Ronden oder Noppen) ausgebildet sein und wie in den Ansprüchen 5 bis 8 angegeben, am rotierenden Teil angebracht sein.

Der bzw. die feststehenden Scheiben der Bremse können als räumliche, nach außen vorstehenden Gebilde in Form von Kegelstumpf, Kugelkalotte, Pyramidenstumpf, Glocke etc. ausgebildet sein. Durch diese Form der Bremsscheiben wird der Luftstrom möglichst stetig am rotierenden Rad vorbeigeleitet und damit der aerodynamische Widerstand des Rades gesenkt. Wenn die Bremsscheiben haubenartig gestaltet sind, werden auch vom Rad ausgehende Geräusche nach außen abgeschirmt.

In den Ansprüchen 11 bis 15 sind weiterhin Ausführungsformen zur Betätigung der nicht rotierenden Bremsteile beschrieben unter besonderer Berücksichtigung der gleichmäßigen bzw. synchronisierten Anpressung.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Fig. 1 bis 11 beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den rotierenden Teil 1 der Bremse mit den darauf befestigten Reibbelägen 3, auf welche der feststehende Teil 2 der Bremse gedrückt wird. Die Reibbeläge 3 können als Kreisringe, Kreissegmente, kleine Zylinder, sogenannte Ronden o.a. ausgebildet sein. Die Reibbeläge 3, auch als Bremsbeläge oder Reibkörper bezeichnet, sind schlechte Wärmeleiter; deshalb fließt der größte Teil der Wärme, die in der Berührungsfläche oder Reibfläche zwischen den Reibbelägen 3 und dem feststehenden Teil 2 der Bremse erzeugt wird, in den feststehenden Teil 2, während der rotierende Teil 1 relativ kalt bleibt.

Der Wärmeübergang in den rotierenden Teil 1 kann durch wärmeisolierende Zwischenschichten 4 zwischen Reibbelägen 3 und rotierenden Teil 1 noch erschwert werden.

In Fig. 2 ist eine besonders zweckmäßige Anordnung von nur wenigen als Ronden ausgebildeten Reibbelägen 3 auf dem rotierenden Teil 1 der Bremse dargestellt. Mit dieser nur geringen Anzahl der Reibbeläge können auf einfache Weise gewünschte Belagdrücke von 20 bis 100 n/cm³ ermöglicht werden. Die Reibbeläge 3 sind so angebracht, daß sich die Reibflächen benachbarter Reibkörper in radialer und in Umfangsrichtung geringfügig überdecken und damit unliebsame Stöße an Durchbrüchen oder Schlitzen in der Reibfläche des feststehenden Teils 2 der Bremse von den Reibkörpern stoßarm überstrichen werden.

Fig. 3 zeigt eine Bremse, deren rotierender Teil 1 beidseitig mit Reibbelägen 3 bestückt ist und von zwei feststehenden Teilen 2 beaufschlagt wird.

Fig. 4 ist eine besonders zweckmäßige Form der feststehenden Teile 2 der Bremse als Kegelplatte dargestellt. Durch die räumliche Ausbildung der feststehenden Teile 2 vergrößert sich deren Steifigkeit erheblich, wodurch die Formstabilität der Scheiben 2 nennenswert verbessert wird. Dieser Effekt kann auch dazu genutzt werden, bei gleicher Formstabilität die feststehenden Teile 2 leichter zu bauen. Andere Formen wie Kugelkalotte, Pyramidenstumpf, Glocke, Pilzform usw. erfüllen den gleichen Zweck.

Die in Fig. 5 dargestellten Kühlrippen 5, welche in Richtung der Anströmung z. B. durch Fahrtwind angeordnet sind, verbessern die Wärmeübertragung von den feststehenden Bremsscheiben 2 an die Umgebungsluft. Bei entsprechender Ausgestaltung kann damit die Bremsleitung der Bremse wesentlich erhöht werden.

Fig. 6 bezieht sich auf die zum Bremsen notwendigen Spannkräfte. Die feststehenden Bremsscheiben 2 werden an die Enden eines Spannelementes 6 angeschlossen. Wird das Spannelement 6, das als mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektromagnetisch oder elektromechanisch beaufschlagter Zylinder ausgebildet sein kann, aktiviert, so werden die beiden Bremsscheiben 2 bei der gewählten Anordnung mit den gleichen Spannkräften auf die Bremskörper 3 gedrückt. Gleiche Spannkräfte sind Voraussetzung für gleichmäßige Abnutzung der Reibbeläge 3 auf beiden Seiten der Bremse.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführung zur Erzeugung der Spannkräfte wiedergegeben. Die feststehenden Teile 2 der Bremse sind an zwei oder mehreren Stellen über den Rand des rotierenden Teils 1 hinaus verlängert. Zwischen den Verlängerungen sind Spannelemente 7 angeordnet, welche die feststehenden Scheiben 2 mit gleicher Kraft auf die Reibkörper drücken.

In Fig. 8 ist ersichtlich, daß Spannkräfte auch magnetisch erzeugt werden können. Im Ausführungsbeispiel sind die feststehenden Bremsscheiben 2 Pole der Magneten 8. Wenn der magnetische Kreis über die Reibbeläge 3 und den rotierenden Teil 1 der Bremse geschlossen wird, entstehen zwischen den feststehenden Scheiben 2 und den Reibbelägen 3 große Anziehungskräfte, die als Spannkräfte wirksam werden.

Fig. 9 zeigt, wie ein dauerndes Schleifen der feststehenden Bremsscheibe 2 an den Reibbelägen 3 verhindert werden kann, wenn nicht gebremst wird. Zu diesem Zweck ist an der Achse 9 im dargestellten Beispiel ein federblattartiges Gebilde 10 befestigt, das die Bremsscheibe 2 vom rotierenden Teil 1 der Bremse wegdrückt. Die Enden des Federblattes 10 werden in Ösen 11 geführt, die an der Bremsscheibe 2 befestigt sind und ein Ausweichen des Federblattes 10 in tangentialer (Umfangs-)Richtung der Scheibe 2 verhindern. Derselbe Federblattlenker 10 fungiert bei der beschriebenen Ausgestaltung für die Bremsscheibe 2 auch als Drehmomentstütze, die verhindert, daß sich die Bremsscheibe 2 beim Bremsen mit dem rotierenden Teil 1 der Bremse dreht.

Fig. 10 stellt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar. Zum Schutz der Reibbeläge 3 gegen äußere Beschädigungen weist der rotierende Teil 1 der Bremse Vertiefungen 12 auf, in welche die Reibbeläge 3 eingelassen sind. Einen weiteren Schutz bilden die feststehenden Bremsscheiben 2, welche die Reibbeläge außen überdecken.

In Fig. 11 ist schließlich an dem feststehenden Teil 2 ein Hohlraum 13 zur Aufnahme von Kühlflüssigkeit dargestellt.

Bezugszeichenliste

1 rotierender Teil (Bremsscheibe, Rad)
2 feststehender Teil des Bremskörpers
3 Reibbeläge, Bremsbeläge, Reibkörper
4 wärmeisolierende Zwischenschicht
5 Kühlrippen
6, 7 Spannelemente
8 Magnete
9 Achse
10 Federblattlenker
11 Ösen
12 Vertiefungen
13 Hohlraum für Kühlflüssigkeit

Claims

1. Bremse für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, wobei ein- oder beidseitig am rotierenden Teil (1), vorzugsweise am Rad oder der Bremsscheibe, auswechselbare Reibbeläge (3) angebracht sind und die zugehörigen feststehenden Teile des Bremskörpers (2) mit einer Betätigung zur Anpressung an die Reibbeläge (3) versehen sind dadurch gekennzeichnet, daß die Reibbeläge (3) nur einen Bruchteil, vorzugsweise weniger als 50%, der am gesamten Umfang zur Verfügung stehenden Reibfläche einnehmen und die feststehenden Teile (2) als Vollscheibe oder Vollringscheibe mit einer durchgehenden Kreisringfläche als Reibfläche ausgebildet sind.

2. Bremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibbeläge (3) aus Werkstoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit und die feststehenden Teile (2) aus Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Leichtmetall, bestehen.

3. Bremse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibbeläge (3) als Kreisringe, Kreissegmente oder Zylinder ausgebildet sind.

4. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reibbelägen (3) und dem rotierenden Teil (1) eine wärmeisolierende Zwischenschicht (4) angeordnet ist.

5. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibbeläge (3) auf dem rotierenden Teil (1) der Bremse in konzentrischen Ringen angeordnet sind.

6. Bremse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring die gleiche Anzahl an Reibbelägen (3) und/oder die gleiche wirksame Reibfläche zwischen den Reibbelägen (3) und dem feststehenden Teil (2) des Bremskörpers aufweist.

7. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Reibflächen der Reibbeläge (3) sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung gegenseitig überdecken.

8. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Reibfläche zwischen den Reibbelägen (3) und dem feststehenden Teil (1) von der Drehachse zum äußeren Rand proportional mit dem Abstand zur Drehachse größer wird.

9. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil (2) des Bremskörpers zur besseren Wärmeübertragung an die vorbeiströmende Luft an der Außenseite, vorzugsweise über den gesamten Bereich der Reibfläche angeordnete Kühlrippen (5) besitzt.

10. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil (2) des Bremskörpers Kühlräume (13) besitzt, die vorzugsweise mit einem Kühlmittelumlaufsystem, in Verbindung stehen.

11. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Teile (1) auf einer Hohlwelle gelagert sind und die vorzugsweise als Spannzylinder (6) ausgebildete Betätigungseinrichtung für den feststehenden Teil (2) durch die Hohlwelle geführt ist und vorzugsweise mit den Mitten der beiden feststehenden Teile (2) verbunden ist.

12. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die feststehenden Teile (2) über den Umfang des rotierenden Teiles (1) hinaus verlängert sind und an diesen Stellen die Betätigungseinrichtungen angreifen, mit denen der oder die feststehenden Teile (2) auf den rotierenden Teil (1) gedrückt oder gezogen werden.

13. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtungen aus mindestens einem einfach oder doppelt wirkenden Druck- oder Zugzylinder oder einer Spindel mit Rechts- und/oder Linksgewinde besteht.

14. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtungen zur Synchronisation mit einem hydraulischen Tandemgeberzylinder oder einer umlaufenden Rollenkette verbunden sind.

15. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende (2) und/oder der rotierende Teil (1) Teil eines Magneten (8), vorzugsweise eines Elektro- oder Dauermagneten ist, der die zum Bremsen erforderliche Spannkraft erzeugt.

16. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich des in den Reibflächen beim Bremsen entstehenden Drehmomentes an der den Reibflächen (3) zugewandten Seite der feststehenden Teile (2) ein Lenker, vorzugsweise ein Federblattlenker (10) angeordnet ist, der in seiner Mitte unverdrehbar befestigt ist und mit seinen Enden in radialen Führungen gleitend die Bremsscheibe am Mitdrehen hindert.

17. Bremse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem rotierenden Teil (1) befestigten Reibbeläge (3) zum Schutz gegen äußere Beschädigungen in seitlichen Vertiefungen angeordnet sind und von dem feststehenden Teil (2) nach außen abgedeckt werden.

18. Bremse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die an beiden Enden gelenkig gelagerten Lenker, vorzugsweise als Rohre ausgebildet sind.

19. Bremse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die als Drehmomentstützen ausgebildeten Rohre zur Zu- und Abfuhr der Kühlflüssigkeit für die Bremsscheiben dienen.