WO2019185596A1

WO2019185596A1 - MESSSYSTEM UND MESSVERFAHREN ZUM ERMITTELN EINES VERSCHLEIßES EINES BREMSBELAGS EINER REIBUNGSBREMSE

Info

Publication number: WO2019185596A1
Application number: PCT/EP2019/057526
Authority: WO
Inventors: Marc-Gregory Elstorpff; Sebastian Kuss; Frank Hellmer; Ovidiu Parasca; Hamza Bilal; Maximilian Dietrich
Original assignee: Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-10-03
Also published as: CN111919046B; CN111919046A

Abstract

Ein Messsystem zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags (6) einer Reibungsbremse, wobei in den Bremsbelag (6) ein Verschleißelement (11) eingearbeitet ist, dessen Verschleiß stellvertretend für den Bremsbelag (6) ermittelt wird oder durch das ein Verschleiß des Bremsbelags (6) erfasst wird. Das Verschleißelement (11) ist ferromagnetisch ausgebildet und das Messsystem umfasst einen Permanentmagneten (13) und einen Magnetfeldsensor, die so angeordnet sind, dass sich das Verschleißelement (11) in einem Feld des Permanentmagneten (13) befindet und der Magnetfeldsensor eine von dem Verschleiß des Verschleißelements (11) oder des Bremsbelags (6) beeinflusste Magnetfeldstärke erfasst.

Description

Messsystem und Messverfahren zum Ermitteln eines Verschleißes eines

Bremsbelags einer Reibungsbremse

Die Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags einer Reibungsbremse, wobei in den Bremsbelag ein Verschleißelement eingearbeitet ist, dessen Verschleiß stellvertretend für den

Bremsbelag ermittelt wird.

Messsysteme und Messverfahren zur Verschleißermittlung können das Erreichen einer Verschleißgrenze des Bremsbelags während des Betriebs des Fahrzeugs erfassen und einen Hinweis auf einen notwendigen Austausch des Bremsbelags geben. Auf diese Weise kann die Länge eines Inspektionsintervalls, in dem eine Sichtprüfung der Belagstärke erfolgt, verlängert werden, wodurch Kosten der Inspektion und auch Folgekosten durch erhöhte Stillstandszeiten verringert werden.

Aus der Druckschrift DE 10 2006 042 777 B3 ist beispielsweise eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Stellspindel einer Zuspanneinrichtung der Bremse über ein Untersetzungsgetriebe mit einem Geber gekoppelt ist. Ein mit dem Geber bevorzugt berührungslos zusammenwirkender Sensor erkennt anhand der Position des Gebers einen Verschleißwert des Bremsbelags. Vorteilhaft wird bei dieser Anordnung ein jeweils aktueller Verschleißwert des Bremsbelags ausgegeben. Ein übermäßiger Verschleiß kann auf diese Weise erkannt werden, bevor eine Verschleißgrenze erreicht ist. Das System ist aufgrund der mechanischen Kopplung von Sensor und Stellspindel der Zuspanneinrichtung jedoch konstruktiv aufwändig.

Aus der Druckschrift US 2006/0273148 A1 ist ein berührungslos arbeitendes

Messystem der eingangs genannten Art bekannt, bei dem in dem Bremsbelag ein berührungslos auslesbarer Sensor als Verschleißelement eingearbeitet ist. Die

Druckschrift DE 10 2008 01 1 288 B4 zeigt ein ähnliches System, bei dem der Sensor jedoch abweichend nicht in dem Bremsbelag, sondern an dessen Außenseite angeordnet ist. Gemäß den beiden Druckschriften ist der Sensor beispielsweise als RFID (Radio Frequency Identification) Sensor ausgebildet. Über einen extern vom Bremsbelag angeordneten Transceiver kann regelmäßig eine intakte Funktion des eingebetteten Sensors abgefragt werden. Erreicht der Bremsbelag eine vorgegebene Verschleißgrenze, wird auch der eingebettete Sensor mit verschlissen und zerstört, woraufhin eine Anfrage des Transceivers nicht mehr beantwortet wird. Der Transceiver erkennt so das Erreichen der Verschleißgrenze und übermittelt diese bevorzugt drahtlos an eine Anzeigeeinrichtung. Der Aufbau ist konstruktiv einfach, da keine mechanisch bewegten Komponenten involviert sind.

Gegenüber dem zuvor genannten System ist jedoch keine den aktuellen Verschleiß widerspiegelnde Information verfügbar, sondern es wird nur das Erreichen der

Verschleißgrenze detektiert. Das beschriebene System ist konstruktiv einfach

umsetzbar, insbesondere wenn der Sensor an der Außenseite des Bremsbelags angeordnet ist. Geeignete Sensoren sind als Massenartikel auch kostengünstig verfügbar. Der Sensor ist bedingt durch seine Anordnung in oder an dem Bremsbelag unter Umständen jedoch hohen Temperaturen ausgesetzt. Dadurch kann seine

Lebensdauer vermindert sein.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines Verschleißes eines Bremsbelags anzugeben, die berührungslos und ohne zusätzlich mechanisch bewegte Komponenten aufgebaut ist, und die auch bei den hohen Temperaturen, die im Bereich des Bremsbelags auftreten können, zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein erfindungsgemäßes Messsystem der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Verschleißelement ferromagnetisch ausgebildet ist und dass das

Messsystem einen Permanentmagneten umfasst und einen Magnetfeldsensor, die so angeordnet sind, dass sich das Verschleißelement in einem Feld des

Permanentmagneten befindet und der Magnetfeldsensor eine von dem Verschleiß des Verschleißelements und/oder des Bremsbelags beeinflusste Magnetfeldstärke erfasst. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags einer Reibungsbremse ist in den Bremsbelag mindestens ein

Verschleißelement eingearbeitet, dessen Verschleiß stellvertretend für den Bremsbelag ermittelt wird oder durch das ein Verschleiß des Bremsbelags erfasst wird. Das

Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Das Verschleißelement wird mit einem Magnetfeld eines Permanentmagneten beaufschlagt. Es wird eine Magnetfeldstärke vor einer Grenzfläche des Verschleißelements erfasst und ein Verschleißwert des

Verschleißelements und/oder des Bremsbelags anhand der erfassten Magnetfeldstärke bestimmt.

Da das Verschleißelement ferromagnetisch ist und dem Magnetfeld des

Permanentmagneten ausgesetzt ist, bündelt es vom Permanentmagneten ausgehende Feldlinien, die an einer Grenzfläche des Verschleißelements austreten und deren Feldstärke von dem Magnetfeldsensor gemessen wird.

Die gemessene Feldstärke ist von der Geometrie des Verschleißelements abhängig, die sich beim Verschleißen verändert. Mit dem Verschleiß der Bremsscheibe, mit dem ein Verschleiß des Verschleißelements einhergeht, ändert sich dementsprechend die gemessene Magnetfeldstärke, wodurch der Verschleißwert bestimmt werden kann. Es wird so eine berührungslose, unmittelbare Messung des aktuellen Verschleißes des Bremsbelags ermöglicht. Das Verschleißelement selbst ist kostengünstig und robust und insbesondere auch hitzebeständig, so dass es zuverlässig auch bei den hohen Temperaturen, die im oder am Bremsbelag erreicht werden können, einsetzbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Messsystems ist das Verschleißelement ein Metallstab, der in eine Bohrung in den Bremsbelag eingesetzt ist. Bevorzugt ist das Verschleißelement im Wesentlichen senkrecht zu der Bremsscheibe in den Bremsbelag eingesetzt und ist an einer der Bremsscheibe gegenüber liegenden Seite mit einer Stirnfläche vor dem Magnetfeldsensor positioniert. Weiter bevorzugt steht das

Verschleißelement an der der Bremsscheibe gegenüber liegenden Seite mit einem Abschnitt über den Bremsbelag hervor, wobei in einem Bereich des Abschnitts der Permanentmagnet seitlich neben dem Verschleißelement angeordnet ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Messsystems ist der

Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor. Bevorzugt sind der Magnetfeldsensor und/oder der Permanentmagnet in einem Sensorkopf angeordnet. Zur Auswertung der Signale des Magnetfeldsensors weist das Messsystem in einer Ausgestaltung eine Elektronikeinheit mit einer Auswerteeinheit auf, die mit dem Magnetfeldsensor verbunden ist. Ein von der Auswerteeinheit bestimmter Verschleißwert kann beispielsweise von einem Funkmodul, das in der Elektronikeinheit angeordnet ist und mit der Auswerteeinheit gekoppelt ist, ausgesendet werden, z.B. zu einer übergeordneten Überwachungs- und/oder

Anzeigeeinrichtung. Weiter bevorzugt weist die Elektronikeinheit eine Batterie zur Stromversorgung der Auswerteeinheit, des Magnetfeldsensors und/oder des

Funkmoduls auf. Eine derartige autarke Energieversorgung ermöglicht es einfache Nachrüstung des Messsystems, auch wenn an einer nachzurüstenden Bremse eine Bordnetzversorgung nicht vorhanden ist.

Die gemessene Feldstärke ist nicht nur von der Geometrie des Verschleißelements abhängig, sondern verändert sich auch, wenn das Verschleißelement in mechanischen Kontakt mit der Bremsscheibe gelangt. Bei Kontakt des Verschleißelements wird ein Teil des vom Permanentmagneten ausgehenden Flusses durch die Bremsscheibe geleitet, was in einer sprunghaften Änderung des magnetischen Feldes am

Magnetfeldsensor resultiert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird mithilfe dieses Effekts zusätzlich ein Zuspannen und/oder Entspannen der Reibungsbremse anhand einer Änderung der erfassten Magnetfeldstärke ermittelt. Bevorzugt wird dabei das

Zuspannen und/oder Entspannen der Reibungsbremse anhand einer

Änderungsgeschwindigkeit der erfassten Magnetfeldstärke von einem Verschleißen des Bremsbelags unterschieden. Es wird so möglich, neben der Verschleißmessung das Messsystem zusätzlich zur Kontrolle der Funktionsfähigkeit der Reibungsbremse eingesetzt werden.

Wenn das Verschleißelement in den Bremsbelag eingebettet ist und erst beim

Erreichen der Verschleißgrenze in Kontakt mit der Bremsscheibe gelangt, kann der Effekt des Aufteilens des magnetischen Flusses durch die Bremsscheibe auch zur Detektion des Erreichens der Verschleißgrenze eingesetzt werden.

In einer dazu geeigneten und vorteilhaften Ausgestaltung des Messsystems ist der Magnetfeldsensor mit dem Permanentmagneten mit einem ferromagnetischen Kern, z.B. einem Eisenkern, in einem geschlossenen Magnetkreis angeordnet. Der Kern kann zweiteilig aus zwei L-förmigen Abschnitten gebildet sein, die sich zu einer u-förmigen Grundform mit einer Basis und zwei Schenkeln ergänzen. Der Magnetfeldsensor ist dabei zwischen den beiden Abschnitten z.B. in der Basis angeordnet, um den durch den Kern fließenden Magnetfluss zu erfassen. Der Permanentmagnet ist zwischen den beiden Schenkeln angeordnet. Stirnflächen der beiden Schenkel sind angrenzend an eine Rückseite des Bremsbelags positioniert, wobei in den Bremsbelag jeweils ein ferromagnetisches Verschleißelement vor jeder der beiden Stirnflächen eingebettet ist. Die Verschleißelemente reichen dabei nicht bis an die Reibfläche des Bremsbelags heran, sondern nur bis zu einer Verschleißgrenze. Erst wenn diese Verschleißgrenze erreicht ist oder bis auf einen sehr kleinen Abstand erreicht ist, setzt beim Bremsen ein magnetischer Schluss über die die Bremsscheibe ein, wodurch sich der magnetische Fluss, der zuvor vor dem Erreichen der Verschleißgrenze nur durch den Kern selbst fließt, aufteilt und teilweise auch durch die Verschleißelemente und die Bremsscheibe fließt. Entsprechend nimmt der vom Magnetfeldsensor gemessene Fluss durch die Basis des Kerns beim Erreichen der Verschleißgrenze sprunghaft ab, was zuverlässig detektierbar ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Messsystems ist das

Verschleißelement ferromagnetisch und so ausgebildet, dass durch das

Verschleißelement und den Permanentmagneten ein zweiter Magnetkreis führt.

Bei dieser Ausgestaltung des Messsystems werden somit zwei gekoppelte magnetische Kreise gebildet, deren durch sie führende magnetische Flüsse von dem

Permanentmagneten hervorgerufen werden und die sich bei ausreichend kleiner Reluktanz der beiden Magnetkreise gegenseitig dahingehend beeinflussen, dass ein sinkender Fluss in einem der Kreise zu einer Erhöhung des Flusses in dem anderen Kreis führt und umgekehrt. Eine Messung des Magnetflusses in dem ersten Kreis gibt somit Aufschluss über den Fluss im zweiten Kreis, der wiederum von dem Abrieb des Bremsbelags und damit des eingebetteten Verschleißelements beim Gebrauch der Bremse ist.

Es werden dann zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags einer

Reibungsbremse die folgenden Schritte ausgeführt: In dem ersten Magnetkreis wird ein Messsensor und in einem zweiten, mit dem ersten gekoppelten Magnetkreis das Verschleißelement durch den Permanentmagneten mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Es wird eine Magnetfeldstärke in dem ersten Magnetkreis erfasst und ein

Verschleißwert des Verschleißelements und/oder des Bremsbelags anhand der erfassten Magnetfeldstärke bestimmt.

Wie im Zusammenhang mit dem Messsystem ausgeführt ist, ist die Magnetfeldstärke im ersten Magnetkreis abhängig von der magnetischen Reluktanz des zweiten

Magnetkreises und damit von der Geometrie des Verschleißelements, die sich beim Verschleißen verändert. Mit dem Verschleiß der Bremsscheibe, mit dem ein Abrieb des Verschleißelements einhergeht, ändert sich dementsprechend die gemessene

Magnetfeldstärke, wodurch der Verschleißwert bestimmt werden kann. Es wird so eine berührungslose, unmittelbare Messung des aktuellen Verschleißes des Bremsbelags ermöglicht. Das Verschleißelement selbst ist kostengünstig und robust und

insbesondere auch hitzebeständig, so dass es zuverlässig auch bei den hohen

Temperaturen, die im oder am Bremsbelag erreicht werden können, einsetzbar ist.

Bevorzugt weist das Verschleißelement eine einer Leiter ähnliche Geometrie auf mit zwei voneinander beabstandeten Säulen, die sich senkrecht zur Reibfläche des

Bremsbelags erstrecken, und mindestens einer die Säulen verbindenden und quer zu den Säulen ausgerichtete Sprosse. Dabei liegt jeweils eine der beiden Stirnflächen der Schenkel des Kerns gegenüber einer Stirnfläche jeweils einer der beiden Säulen des Verschleißelements, wodurch die beiden gekoppelten magnetischen Kreise gebildet werden. Das genannte leiterförmige Verschleißelement kann einstückig aus mehreren quaderförmigen Abschnitten gebildet sein oder mehrteilig aus mehreren

quaderförmigen Elementen zusammengesetzt sein. Die leiterförmige Geometrie führt zu einer sich nicht linear mit der Abnutzung des Bremsbelags ändernden Messsignal des Magnetfeldsensors. Beim Abrieb der Sprossen ändert sich das Messsignal stärker als in den zwischen den Sprossen liegenden Abschnitten. Der Abrieb der Sprossen und die damit verbundenen Verschleißzustände können so robust und sicher detektiert werden. Die Position(en) und die Anzahl der Sprossen können z.B. auf relevante

Verschleißzustände abgestimmt sein, beispielsweise derart, dass zwei erste Stufen notwendige Bremsen-Wartungsintervalle anzeigen und eine dritte zum Belagtausch auffordert.

Zuspannen und/oder Entspannen der Reibungsbremse anhand einer

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Reibungsbremse eines Schienenfahrzeuges mit einer

Vorrichtung zur Erfassung eines Verschleißes eines Bremsbelags in einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 1 , in der die Vorrichtung zur

Überwachung des Verschleißes detaillierter dargestellt ist;

Fig. 3a ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung eines

Verschleißes eines Bremsbelags in einer Darstellung analog zu Fig. 2;

Fig. 3b das zweite Ausführungsbeispiel wie in Fig. 3a, jedoch mit einem

Bremsbelag, dessen Verschleißgrenze erreicht ist; Fig. 4 ein Sensorkopf einer Vorrichtung zur Messung eines Verschleißes mit angeschlossener Elektronikeinheit in einem schematischen Blockschaltbild;

Fig. 5a-c ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erfassung eines

Verschleißes in einer in einer Darstellung analog zu Fig. 2 zu verschiedenen Verschleißzuständen des Bremsbelags; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Messsignals zur Messung eines

Verschleißes in Abhängigkeit einer Verschleißzeit.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt einer Reibungsbremse 1 eines Schienenfahrzeuges, beispielsweise eines Güterwagons, teilgeschnittenen wiedergegeben.

Die Reibungsbremse 1 ist eine Scheibenbremse, bei der auf einer Narbe 2 des

Fahrzeugs eine Bremsscheibe 3, vorliegend eine innenbelüftete Scheibe, befestigt ist. Es ist ein hier nicht näher dargestellter Zuspannmechanismus 4 vorhanden, der auf zwei von jeweils einem Belagträger 5 getragene Bremsbeläge 6 einwirkt. Der

Zuspannmechanismus 4 ist vorliegend nicht detaillierter dargestellt. Er kann in bekannter Weise pneumatisch, hydraulisch oder auch elektromotorisch betätigt sein. Beim Betätigen der Reibungsbremse 1 werden die Bremsbeläge 6 über den

Zuspannmechanismus 4 gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt und so in einen

Reibungseingriff mit der Bremsscheibe 3 gebracht.

Durch eine Bremsennutzung verschleißen sowohl die Bremsscheibe 3 als auch die Bremsbeläge 6, indem die Belagstärke (Belagdicke) abnimmt. Zur Vermeidung von direktem Reibkontakt der Bremsbelagträger 5 mit der Bremsscheibe 3 dürfen sich die Bremsbeläge 6 nur bis maximal auf ein vorgegebenes zulässiges Verschleißmaß abnutzen, das in der Fig. 1 beispielhaft jeweils durch eine gestrichelte Linie symbolisiert ist.

Zur Beobachtung des zunehmenden Verschleißes der Bremsbeläge 6 und zur

Überwachung, ob die Bremsbeläge 6 das maximal zulässige Verschleißmaß erreicht haben, ist bei der Reibungsbremse 1 ein Messsystem 10 zur Überwachung der

Belagstärke der Bremsbeläge 6 vorgesehen. Das Messsystem 10 umfasst ein

Verschleißelement 11 sowie einen Sensorkopf 12. Bei dem in Fig. 1 gezeigten

Ausführungsbeispiel ist das Messsystem 10 nur auf einer Seite der Reibungsbremse 1 , also bei einem der Bremsbeläge 6 ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung ist es möglich, bei beiden Bremsbeläge 6n ein entsprechendes Messsystem 10

vorzusehen.

Das Bremssystem 10 ist in der Fig. 2 in Form einer schematischen Schnittzeichnung detaillierter dargestellt. Das Verschleißelement 1 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein ferromagnetischer Stab, der in den Bremsbelag 6 eingesetzt ist. Das

Verschleißelement 11 hat beispielsweise einen runden Querschnitt und ist eine entsprechende Bohrung im Bremsbelag 6 eingepresst. Es ist bevorzugt aus einem mechanisch weichen ferromagnetischen Metall gefertigt und wird beim Verschleißen des Bremsbelags 6 von der Bremsscheibe 3 abgerieben, ohne dass die Bremsscheibe 3 dadurch übermäßig, d.h. mehr als die Bremsbeläge 6, abgenutzt wird.

Das Verschleißelement 1 1 steht auf der der Bremsscheibe 3 gegenüberliegenden Seite über den Bremsbelag 6 hinaus, wobei der Belagträger 5 in diesem Bereich gekürzt oder ausgespart ist, so dass das Verschleißelement 1 1 sich nicht im mechanischen Kontakt mit dem Belagträger 5 befindet. Das Verschleißelement 1 1 endet vor dem Sensorkopf 12. Dieser umfasst im dargestellten Beispiel einen Permanentmagneten 13 sowie einen Hall-Sensor 14, der über ein Anschlusskabel 15 mit einer in der Fig. 2 nicht

dargestellten Elektronikeinheit gekoppelt ist.

Der Permanentmagnet 13 ist seitlich am Verschleißelement 1 1 positioniert, so dass sich das Verschleißelement 1 1 in einem Feldbereich des Permanentmagneten 13 befindet. Da das Verschleißelement 1 1 ferromagnetisch ist, bündelt es vom Permanentmagneten 13 ausgehende Feldlinien. Diese treten insbesondere an den Stirnflächen des

Verschleißelements 11 aus. An der der Bremsscheibe 3 gegenüberliegenden Stirnseite des Verschleißelements 1 1 ist dieses vor dem Hall-Sensor 14 des Sensorkopfs 12 positioniert. Der Hall-Sensor 14 kann damit die Feldstärke des stirnseitig am

Verschleißelement 11 vorliegenden magnetischen Feldes ermitteln. Die vom Hall-Sensor 14 gemessene Feldstärke ist von der magnetischen Feldstärke des Permanentmagneten 13 abhängig und von der Geometrie des Verschleißelements

11 sowie dessen Positionierung vor dem Hall-Sensor 14. Mit der Annahme, dass sich weder die Positionierung des Verschleißelements 1 1 vor dem Hall-Sensor 14, noch die Feldstärke des Permanentmagneten 13 ändert, spiegelt die vom Hall-Sensor 14 gemessene Feldstärke die Geometrie des Verschleißelements 1 1 wider.

Mit fortschreitendem Verschleiß des Verschleißelements 1 1 wird dessen Länge reduziert und damit die Geometrie des Verschleißelements 1 1 verändert. Diese

Geometrieänderung spiegelt sich in der Größe des vom Hall-Sensor 14 gemessenen Magnetfelds wider. Entsprechend kann mit der dargestellten Anordnung ein

fortschreitender Verschleiß des Verschleißelements 1 1 und damit des Bremsbelags 6 aufgrund der Größe des vom Hall-Sensor 14 gemessenen Magnetfelds ermittelt werden.

In den Fig. 3a und 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur

Erfassung eines Verschleißes eines Bremsbelags dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende Elemente wie beim ersten

Ausführungsbeispiel. Ähnlich zu Fig. 2 ist nur ein Ausschnitt einer Bremse

wiedergegeben. Die Anordnung der Fig. 3a und 3b kann beispielsweise in einer Bremse, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eingesetzt werden.

Die Fig. 3a zeigt eine Anordnung mit einem Bremsbelag 6 im Auslieferungszustand bzw. mit einer Bremsbelagdicke, die über der Verschleißgrenze liegt. In der Fig. 3b ist die gleiche Anordnung gezeigt, wobei der Bremsbelag 6 jedoch seine Verschleißgrenze erreicht hat.

Wie bei der Anordnung des ersten Ausführungsbeispiels ist auf einer der Reibfläche des Bremsbelags 6 gegenüberliegenden Rückseite des Bremsbelags 6 ein Sensorkopf

12 eines Messsystems 10 angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind ein Permanentmagnet 13 und ein Magnetfeldsensor, vorteilhaft wiederum ein Hall-Sensor 14, zusammen mit einem Kern 16 innerhalb des Sensorkopfs 12 angeordnet. Der Kern 16 ist ferromagnetisch, beispielsweise ein Eisenkern. Er ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig aus zwei L-förmigen Abschnitten gebildet, die sich zusammen zu einer u-förmigen Grundform mit einer Basis und zwei Schenkeln ergänzen. Der Hall-Sensor 14 ist in der Basis zwischen den beiden Abschnitten positioniert. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Abschnitte vollständig durch den Hall-Sensor 14 voneinander getrennt. Entsprechend misst der Hall-Sensor 14 den gesamten durch den Kern 1 6 verlaufenden magnetischen Fluss.

Der in seiner Gesamtform u-förmige Kern 16 ist innerhalb des Sensorkopfs 12 so angeordnet, dass Stirnflächen seiner Schenkel zum Bremsbelag 6 weisen und bevorzugt an dem Bremsbelag 6 anliegen. Zwischen den Schenkeln ist der

Permanentmagnet 13 angeordnet.

In den Bremsbelag 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Verschleißelemente 1 1 in etwas jeweils mittig vor den Stirnflächen der Schenkel des Kerns 1 6 eingebettet. Die Verschleißelemente 1 1 reichen in Richtung der Dicke des Bremsbelags 6 von der Rückseite bis zur Verschleißgrenze. Anders als im ersten Ausführungsbeispiel erstrecken sich im Auslieferungszustand des Bremsbelags 6 die Verschleißelemente 1 1 also nicht bis zur Reibfläche.

In der in Fig. 3a dargestellten Situation verläuft der magnetische Fluss innerhalb des Kerns 1 6 vollständig durch die Basis des Kerns 1 6 und den zwischen dem

Permanentmagneten 13 und der Basis liegenden Teil der Schenkel des Kerns 16 und damit vollständig durch den Hall-Sensor 14. Der Hall-Sensor 14 misst einen

entsprechend hohen magnetischen Fluss.

Erst wenn die in Fig. 3b dargestellte Situation erreicht ist, bei der die ebenfalls ferromagnetische Bremsscheibe 3 die Verschleißelemente 1 1 berührt oder fast berührt, verläuft ein Teil des magnetischen Flusses des Permanentmagneten 13 auch über die Stirnflächen der Schenkel des Kerns 1 6 und den zwischen den Verschleißelementen 1 1 liegenden Teil der Bremsscheibe 3. Der magnetische Fluss des Permanentmagneten 13 teilt sich somit in zwei Teilflüsse auf, wodurch der durch den Hall-Sensor 14 führende Anteil des magnetischen Flusses absinkt. Dieses Absenken ist insbesondere während des Bremsprozesses, in dem der Bremsbelag 6 gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt wird, zu beobachten. Ein derartiger starker Abfall des magnetischen Flusses durch den Hall-Sensor 14 zeigt somit das Erreichen der Verschleißgrenze sicher an.

In Fig. 4 ist eine mögliche Auswertung des Hall-Sensors 14 des Sensorkopfs 12 in einem Blockschaltbild dargestellt. Der Sensorkopf 12 kann beispielsweise der in den Fig. 2 oder den Fig. 3a, b gezeigte sein, wobei auf die Darstellung weiterer

Komponenten des Sensorkopfs 12 verzichtet wurde. Es wird in diesem Zusammenhang angemerkt, dass der Permanentmagnet 13 z.B. beim Beispiel der Fig. 2 auch nicht notwendigerweise im oder am Sensorkopf 12 angeordnet sein muss, sondern auch separat davon positioniert sein kann. Relevant ist bei dem genannten ersten

Ausführungsbeispiel, dass das Verschleißelement 11 sich in einem Feldbereich des Permanentmagneten 13 befindet, so dass an seiner dem Hall-Sensor 14

gegenüberliegenden Stirnfläche des Verschleißelements 11 ein Magnetfeld messbar ist.

Gemäß Fig. 4 ist der Sensorkopf 12 über das Anschlusskabel 15 mit einer

Elektronikeinheit 17 verbunden ist. Diese kann beispielsweise im Bereich der

Reibungsbremse, beispielsweise befestigt am Zuspannmechanismus 4 angeordnet sein.

Die Elektronikeinheit 17 umfasst eine Auswerteeinheit 18, die den Hall-Sensor 14 mit einem geeigneten Betriebsstrom beaufschlagt und die Signale des Hall-Sensors 14 auswertet. Die Auswerteinheit ist im gezeigten Beispiel mit einem Funkmodul 19 gekoppelt, über das die ausgewerteten Signale des Hall-Sensors 14 an eine hier nicht dargestellte übergeordnete Diagnoseeinheit weitergegeben werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise auch eine Nachrüstung erfolgen, ohne dass im Schienenfahrzeug entsprechende Kabel zur Übertragung der Signale verlegt sind.

Dabei kann vorgesehen sein, dass von der Auswerteeinheit 18 ein Verschleißwert ermittelt und vom Funkmodul 19 weitergegeben wird. Auf diese Weise kann die übergeordnete Diagnoseeinheit den kontinuierlichen Verschleiß eines oder beider der Bremsbeläge 6 der Reibungsbremse 1 nachvollziehen. Es ist dann beispielsweise möglich, durch einen Vergleich des Verschleißes an verschiedenen Achsen und/oder verschiedenen Bremsen auf einer Achse einen übermäßigen Verschleiß eines

Bremsbelags 6 bereits zu detektieren, bevor dessen Verschleißgrenze erreicht ist.

Zusätzlich kann bereits in der Auswerteeinheit 18 ein Vergleich des ermittelten

Verschleißwerts mit einem vorgegebenen maximalen Verschleißwert erfolgen, so dass von dem Funkmodul 19 unmittelbar ein Signal, das das Erreichen der Verschleißgrenze anzeigt, ausgegeben werden kann.

Die Elektronikeinheit 17 umfasst im dargestellten Beispiel weiterhin eine Batterie 20 zur autarken Energieversorgung der Elektronikeinheit 17. Auch dieses ist insbesondere bei Nachrüstlösungen interessant, die so ermöglicht werden, auch wenn kein Kabel zur Energieversorgung aus einem Bordnetz vorhanden ist. Um eine möglichst große Betriebsdauer der Elektronikeinheit 17 mit der Batterie 20 zu erzielen, bevor diese ausgetauscht oder aufgeladen werden muss, kann vorgesehen sein, dass

Informationen über das ermittelte Verschleißmaß nur intervallweise, beispielsweise stündlich oder initiiert durch Bremsvorgänge, ausgegeben werden.

Beim ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 kann das Messsystem 10 dazu eingerichtet sein, ein Zuspannen oder Lösen der Reibungsbremse 1 unabhängig von dem

Verschleiß des Bremsbelags zu erfassen. Das ist möglich, da bei einem Zuspannen der Reibungsbremse 1 die der Bremsscheibe 3 zugewandte Seite des Verschleißelements 1 1 in Kontakt mit der Bremsscheibe 3 kommt, wodurch ebenfalls eine Änderung des Magnetfelds an der gegenüberliegenden, vor dem Flall-Sensor 14 positionierten

Stirnseite des Verschleißelements 11 resultiert. Eine vom Hall-Sensor 14 detektierte Magnetfeldänderung aufgrund des Zuspannens der Reibungsbremse 1 führt zu einer schnellen, annähernd sprunghaften Änderung der detektierten Feldstärke. Bereits dadurch kann ein solches Zuspannereignis von einer Magnetfeldänderung, die sich aufgrund von Verschleiß des Bremsbelags 6 und des Verschleißelements 11 ergibt, unterschieden werden.

Die Auswerteeinheit 18 kann dazu ausgebildet sein, eine Änderung die sich aufgrund des Zuspannens oder Lösens der Reibungsbremse 1 ergibt, zu erfassen und ein entsprechendes Signal über das Zuspannen oder Lösen der Bremse abzugeben. In diesem Zusammenhang kann weiter vorgesehen sein, dass nach einem erkannten Lösen der Bremse eine Messung über den Verschleiß des Bremsbelags 6 erfolgt, die dann von daher Auswerteeinheit 18 über das Funkmodul 19 abgegeben wird.

In den Fig. 5a-c ist in Form jeweils einer schematischen Schnittzeichnung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines anmeldungsgemäßen Bremssystems 10 detaillierter in gleicher Weise wie in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 5a zeigt eine Anordnung mit einem Bremsbelag 6 im Auslieferungszustand bzw. mit einer Bremsbelagdicke, die weit über der Verschleißgrenze liegt. In der Fig. 5b ist die gleiche Anordnung bei fortschreitendem Verschleiß gezeigt. In der in Fig. 5c wiedergegebenen Anordnung hat der Bremsbelag 6 seine Verschleißgrenze erreicht.

Das Verschleißelement 1 1 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein ferromagnetisches Element, das in den Bremsbelag 6 eingesetzt ist. Das Verschleißelement 11 besteht im dargestellten Beispiel aus einer Anordnung mehrerer quaderförmiger Elemente 11 1 - 1 15, wobei sich jeweils zwei beabstandet nebeneinanderliegende quaderförmige Elemente 1 11 , 1 13, 1 15 mit größeren stabförmigen Elementen 112, 1 14 abwechseln. Die kleineren quaderförmige Elemente 11 1 , 113, 1 15 werden nachfolgend auch als Längselemente 1 1 1 , 113, 1 15 bezeichnet und die längeren stabförmigen Elemente 1 12, 1 14 als Querelemente 1 12, 1 14.

Die quaderförmigen Elemente 1 11 -1 15 bilden so eine leiterförmige Struktur, deren Querschnitt in Verschleißrichtung des Bremsbelags (d.h. in einer Richtung senkrecht zur Bremsfläche des Bremsbelags 6 bzw. zur Oberfläche der Bremsscheibe 3) in Stufen variiert. Das Verschleißelement 1 1 ist bevorzugt aus einem mechanisch weichen ferromagnetischen Metall gefertigt und wird beim Verschleißen des Bremsbelags 6 von der Bremsscheibe 3 abgerieben, ohne dass die Bremsscheibe 3 dadurch übermäßig, d.h. mehr als durch die Bremsbeläge 6, abgenutzt wird.

Im dargestellten Beispiel ist das Verschleißelement 1 1 auf der der Bremsscheibe 3 gegenüberliegenden Seite bündig mit dem Bremsbelag 6 ausgeführt, wobei der

Belagträger 5 in diesem Bereich gekürzt oder ausgespart ist, so dass das

Verschleißelement 11 sich nicht im mechanischen Kontakt mit dem Belagträger 5 befindet. Das Verschleißelement 1 1 könnte alternativ auch über den Bremsbelag 6 hervorstehen. Das Verschleißelement 1 1 endet vor dem Sensorkopf 12. Dieser umfasst im dargestellten Beispiel einen Permanentmagneten 13 sowie einen Magnetfeldsensor, vorteilhaft einen Hall-Sensor 14, der über ein Anschlusskabel 15 mit einer in den Fig. 5a-c nicht dargestellten Elektronikeinheit gekoppelt ist. Eine geeignete Elektronikeinheit ist beispielsweise die in Fig. 4 dargestellte Elektronikeinheit 17.

Der Permanentmagnet 13 und der Hall-Sensor 14 sind zusammen mit einem Kern 16 innerhalb des Sensorkopfs 12 angeordnet. Der Kern 16 ist ferromagnetisch,

beispielsweise ein Eisenkern. Er ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig aus zwei L-förmigen Abschnitten gebildet, die sich zusammen zu einer u-förmigen

Grundform mit einer Basis und zwei Schenkeln ergänzen. Der Hall-Sensor 14 ist in der Basis zwischen den beiden Abschnitten positioniert. Beim dargestellten

Ausführungsbeispiel sind die beiden Abschnitte vollständig durch den Hall-Sensor 14 voneinander getrennt. Entsprechend misst der Hall-Sensor 14 den gesamten durch den Kern 16 verlaufenden magnetischen Fluss.

Permanentmagnet 13 angeordnet. Es ist auf diese Weise ein erster Magnetkreis gebildet, der nachfolgend auch als Primärkreis bezeichnet wird.

Die beiden beabstandeten quaderförmigen Elemente des Verschleißelements 1 1 sind so in den Bremsbelag 6 eingebettet, dass sie jeweils mittig vor den Stirnflächen der Schenkel des Kerns 16 positioniert sind. Die Verschleißelemente 1 1 reichen in Richtung der Dicke des Bremsbelags 6 von der Rückseite annähernd bis zu dessen Reibfläche.

Durch das Verschleißelement 11 und den Permanentmagneten 13, sowie die dem Verschleißelement 11 zugewandte Randbereiche des Kerns 16 wird neben dem

Primärkreis ein zweiter Magnetkreis gebildet, der nachfolgend auch als Sekundärkreis bezeichnet wird. Durch den Permanentmagneten 13 selbst verlaufen beide

magnetischen Kreise. In der in Fig. 5a dargestellten Situation teilt sich der von dem Permanentmagneten 13 erzeugte magnetische Fluss auf den Primärkreis und den Sekundärkreis auf. Der Hall- Sensor 14 misst einen entsprechend kleinen magnetischen Fluss im Primärkeis.

Mit zunehmendem Verschleiß (vgl. Fig. 5b) des Bremsbelags 6 wird auch das

Verschleißelement 11 abgetragen. Damit geht eine Zunahme der magnetischen Reluktanz des Sekundärkreises einher, durch die das Verhältnis der magnetischen Flüsse beider Kreise untereinander verändert wird. Im Ergebnis steigt der vom Hall- Sensor 14 gemessene Fluss im Primärkeis.

Maximal wird der Fluss im Primärkreis, wenn das Verschleißelement 1 1 vollständig abgetragen ist und der Fluss im Sekundärkreis auf null abgefallen ist. Bei dem hier eingesetzten Verschleißelement 1 1 tragen die Querelemente 112, 114 stärker zum magnetischen Fluss im Sekundärkreis bei als die Längselemente 11 1 , 113, 1 15, da die Querelemente 1 12, 114 den Sekundärkreis schließen. Ein Abtragen der Elemente 1 12, 114 zeigt sich deutlich im gemessenen Magnetfluss, wohingegen ein Abtragen der Elemente 1 11 , 1 13, 1 15 sich nur gering auf den Magnetfluss auswirkt. Aus diesem Grund wird der maximale Fluss im Wesentlichen bereits bei der Verschleißsituation gemäß Fig. 5c erreicht.

Der sich nicht linear mit dem Abrieb des Verschleißelements bzw. des Bremsbelags 6 ändernde vom Hall-Sensor 14 gemessene magnetische Fluss im Primärkreis ist in Fig. 6 schematisch in Form eines Diagramms wiedergegeben. Auf der x-Achse des

Diagramms ist der Verschleiß in % angegeben und auf der y-Achse der magnetische Fluss in beliebigen Einheiten. Eine Messkurve 21 gibt den gemessenen Fluss wieder. Die Messkurve 21 verläuft innerhalb der verschiedenen Abschnitte des

Verschleißelements 11 linear, wobei die Steigung in Abschnitten der längeren quaderförmige Elemente 1 12, 1 14 um ein Vielfaches größer ist als in Abschnitten der beabstandeten kleineren Elemente 1 1 1 , 1 13, 1 15. In letzteren verläuft die Messkurve 21 annähernd horizontal. Der Verlauf der Messkurve mit den ausgeprägten Absätzen beim Abrieb eines der Elemente 1 12, 1 14 ermöglicht eine sichere und robuste Detektion der mit der Position der Elemente 1 12, 1 14 verbundenen Verschleißzustände. Die Position und die Anzahl der Querelemente 1 12, 1 14 kann auf relevante Verschleißzustände abgestimmt sein, beispielsweise derart, dass zwei erste Stufen notwendige Bremsen-Wartungsintervalle anzeigen und eine dritte zum Belagtausch auffordert.

Das beschriebene System ist dazu ausgelegt, den magnetischen Fluss zu messen, wenn die Bremse nicht verwendet wird. Beim Betätigen der Reibungsbremse 1 wird der Bremsbelag 6 gegen die Bremsscheibe 3 gedrückt und die Bremsscheibe 3 wird Teil des Sekundärkreises. Dadurch ändert sich ebenfalls der Fluss im Primärkreis, konkret wird er abgesenkt, wenn die Bremse betätigt wird.

Bezugszeichen

1 Reibungsbremse

2 Narbe

3 Bremsscheibe

4 Zuspannmechanismus

5 Belagträger

6 Bremsbelag

10 Messsystem

11 Verschleißelement 11 1 -115 quaderförmiges Element

12 Sensorkopf

13 Permanentmagnet

14 Hall-Sensor

15 Anschlusskabel

16 Kern

17 Elektronikeinheit

18 Auswerteeinheit

19 Funkmodul

20 Batterie

21 Messkurve

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Messsystem (10) zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags (6) einer Reibungsbremse (1 ), wobei in den Bremsbelag (6) ein Verschleißelement (1 1 ) eingearbeitet ist, dessen Verschleiß stellvertretend für den Bremsbelag (6) ermittelt wird oder durch das ein Verschleiß des Bremsbelags (6) erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschleißelement (1 1 ) ferromagnetisch ausgebildet ist und dass das Messsystem einen Permanentmagneten (13) umfasst und einen Magnetfeldsensor, die so angeordnet sind, dass sich das Verschleißelement (1 1 ) in einem Feld des Permanentmagneten (13) befindet und der Magnetfeldsensor eine von dem Verschleiß des Verschleißelements (1 1 ) oder des Bremsbelags (6) beeinflusste Magnetfeldstärke erfasst.

2. Messsystem (10) nach Anspruch 1 , bei dem das Verschleißelement (1 1 ) ein

Metallstab ist, der in eine Bohrung in den Bremsbelag (6) eingesetzt ist.

3. Messsystem (10) nach Anspruch 2, bei dem das Verschleißelement (1 1 ) im

Wesentlichen senkrecht zu der Bremsscheibe (3) in den Bremsbelag (6) eingesetzt ist und an einer der Bremsscheibe (3) gegenüberliegenden Seite mit einer Stirnfläche vor dem Magnetfeldsensor positioniert ist.

4. Messsystem (10) nach Anspruch 3, bei dem das Verschleißelement (1 1 ) sich im unbenutzten Zustand des Bremsbelags (6) über mindestens dessen gesamte Dicke erstreckt.

5. Messsystem (10) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Verschleißelement (1 1 ) an der der Bremsscheibe (3) gegenüberliegenden Seite mit einem Abschnitt über den Bremsbelag (6) hervorsteht, wobei in einem Bereich des hervorstehenden Abschnitts der Permanentmagnet (13) seitlich neben dem Verschleißelement (1 1 ) angeordnet ist.

6. Messsystem (10) nach Anspruch 1 , bei dem der Magnetfeldsensor mit dem

Permanentmagneten (13) in einem ferromagnetischen Kern (16) in einem geschlossenen Magnetkreis angeordnet ist.

7. Messsystem (10) nach Anspruch 6, bei dem der Kern (16) mehrteilig aus

mindestens zwei L-förmigen Abschnitten gebildet ist, die sich zu einer u-förmigen Grundform mit einer Basis und zwei Schenkeln ergänzen, wobei der

Magnetfeldsensor zwischen den beiden Abschnitten in der Basis angeordnet ist und der Permanentmagnet (13) zwischen den beiden Schenkeln angeordnet ist.

8. Messsystem (10) nach Anspruch 7, bei dem der Kern (16) mit Stirnflächen der beiden Schenkel angrenzend an eine Rückseite des Bremsbelags (6) positioniert ist, wobei in den Bremsbelag (6) jeweils ein ferromagnetisches Verschleißelement (1 1 ) vor jeder der beiden Stirnflächen eingebettet ist.

9. Messsystem (10) nach Anspruch 8, bei dem die Verschleißelemente (1 1 ) dabei nicht bis an eine Reibfläche des Bremsbelags (6) heranreichen, sondern nur bis zu einer Verschleißgrenze.

10. Messsystem (10) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Verschleißelement (1 1 ) so ausgebildet, dass durch das Verschleißelement (1 1 ) und den

Permanentmagneten (13) ein zweiter Magnetkreis führt.

1 1. Messsystem (10) nach Anspruch 10, bei dem der Kern (16) mit Stirnflächen der beiden Schenkel angrenzend an eine Rückseite des Bremsbelags (6) positioniert ist, wobei beide Stirnflächen an dem Verschleißelement (1 1 ) anliegen.

12. Messsystem (10) nach Anspruch 7 und 10, bei dem das Verschleißelement (1 1 ) die

Geometrie einer Leiter aufweist mit zwei voneinander beabstandeten Säulen, die sich senkrecht zur Reibfläche des Bremsbelags erstrecken, und mindestens einer die Säulen verbindenden Sprosse.

13. Messsystem (10) nach Anspruch 1 1 und 12, bei dem jeweils eine der beiden

Stirnflächen der Schenkel des Kerns (16) gegenüber einer Stirnfläche jeweils einer der beiden Säulen des Verschleißelements (1 1 ) liegt.

14. Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, bei dem das

Verschleißelement (1 1 ) mehrere quaderförmige Abschnitte oder Elemente (11 1 - 1 15) aufweist.

15. Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der

Magnetfeldsensor ein Hall-Sensor (14) ist.

16. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Magnetfeldsensor und/oder der Permanentmagnet (13) und/oder der Kern (16) in einem Sensorkopf (12) angeordnet sind.

17. Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, aufweisend eine

Elektronikeinheit (17) mit einer Auswerteeinheit (18), die mit dem

Magnetfeldsensor verbunden ist.

18. Messsystem nach Anspruch 17, bei dem die Elektronikeinheit (17) ein Funkmodul (19) aufweist, das mit der Auswerteeinheit (18) gekoppelt ist.

19. Messsystem nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die Elektronikeinheit (17) eine Batterie (20) zur Stromversorgung aufweist.

20. Verfahren zur Ermittlung eines Verschleißes eines Bremsbelags (6) einer

Reibungsbremse (1 ), wobei in den Bremsbelag (6) mindesten ein

ferromagnetisches Verschleißelement (1 1 ) eingearbeitet ist, aufweisend die folgenden Schritte:

- Beaufschlagen des Verschleißelements (1 1 ) mit einem Magnetfeld eines Permanentmagneten (13);

- Erfassen einer Magnetfeldstärke vor einer Grenzfläche des

Verschleißelements (11 ); Ermitteln eines Verschleißwerts des Verschleißelements (11 ) und/oder des Bremsbelags (6) anhand der erfassten Magnetfeldstärke.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Magnetfeldstärke von einem Hall- Sensor (14) erfasst wird, der vor der Grenzfläche des Verschleißelements (1 1 ) positioniert ist.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , bei dem zusätzlich ein Zuspannen und/oder Entspannen der Reibungsbremse (1 ) anhand einer Änderung der erfassten Magnetfeldstärke ermittelt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Zuspannen und/oder Entspannen der Reibungsbremse (1 ) anhand einer Änderungsgeschwindigkeit der erfassten Magnetfeldstärke von einem Verschleißen des Bremsbelags (6) unterschieden wird.