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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbremsen eines Schienenfahrzeugs
mit wenigstens einem Bremsbelag, der zum Andrücken an eine während der
Fahrt rotierende Bremsfläche
des Schienenfahrzeugs mit einer Andruckkraft eingerichtet ist, und einem
Bremsaktuator zum Erzeugen der Andruckkraft.
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Eine
solche Vorrichtung ist aus der
DE 440 37 40 C2 bereits bekannt. Dort ist
eine elektromechanische Zuspannvorrichtung für Reibungsbremsen beschrieben.
Die Zuspannvorrichtung umfasst einen Elektromotor, der eine Rotationsbewegung
erzeugt. Die Rotationsbewegung des Elektromotors wird mittels eines
Drehkeils in eine axiale Hubbewegung überführt, wobei die Hubbewegung
eines Betätigungsstößels in
den Bremsbelag einer Reibbremse eingeleitet wird. Dadurch wird der
Bremsbelag gegen eine Bremsfläche
einer Bremsscheibe gepresst. Die Bremsscheibe ist drehfest mit einem
Schienenrad oder der Radachse eines Drehgestells verbunden, so dass
aufgrund des Reibschlusses zwischen Bremsbelag und Bremsfläche das
Fahrzeug abgebremst wird.
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Aus
der
US 6,276,497 B1 ist
ebenfalls ein elektromechanischer Aktuator bekannt.
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So
beschreibt die
DE 937
594 B eine Scheibenbremse, insbesondere für elektrische
Triebfahrzeuge. Nach dem Bremsvorgang wird zum Lösen der Bremse eine Druckscheibe
von einer Bremsscheibe abgehoben, wobei dies mittels einer der Druckscheibe
gegenüber
angeordneten elektromagnetischen Verriegelung erfolgt.
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Des
Weiteren beschreibt die
DE
690 13 359 T2 eine Kraftverstärkeranordnung, mit einem Kraft erzeugenden
Teil, das eine oszillierende Axialbewegung mit einer vorbestimmten
Frequenz ausführt.
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Des
Weiteren beschreibt die
DE
93 21 477 U1 eine elektromagnetische Gleichstrom-Abbremsanlage.
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In
Schienenfahrzeugen kommen in der Regel mehrere Bremssysteme zur
Anwendung, wobei eine Bremssteuerung das Zusammenspiel der eingesetzten
Bremssysteme koordiniert. So sind beispielsweise elektrodynamische
Bremsen bekannt, die nahezu verschleißfrei eine Bremswirkung entfalten
können.
Hierbei wird ein zum Antrieb vorgesehener Elektromotor als Generator
betrieben, wobei die dabei gewonnene Elektroenergie entweder in ein
mit dem Antrieb verbundenes Energieversorgungsnetz oder aber in
einen Wärme
abgebenden Bremswiderstand eingeleitet wird. Als Sicherheitsbremse
dienen in der Regel hydraulische oder pneumatische Reibungsbremsen.
Bei Reibungsbremsen wird ein Bremsbelag unter Reibschluss gegen
eine sich bewegende Bremsfläche
gepresst. Aufgrund des Reibschlusses wird die kinetische und/oder
potentielle Energie des Schienenfahrzeugs in Wärmeenergie umgewandelt. Reibungsbremsen
sind in der Regel als Scheibenbremsen oder Klotzbremsen ausgestaltet.
Bei Klotzbremsen wird ein Bremsklotz direkt auf die Lauffläche eines
Schienenrades gepresst, wobei die hierfür erforderliche Andruckkraft
durch einen Aktuator in der Regel pneumatisch oder hydraulisch erzeugt
wird.
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Darüber hinaus
sind auch Wirbelstrom- und Magnetschienenbremsen bekannt, bei denen
elektromagnetische Kräfte
zwischen der Schiene und Bremse erzeugt werden. Bei der Magnetschienenbremse
werden durch die elektromagnetischen Kräfte Bremsschuhe unter Reibschluss
gegen die Schienen gepresst, wodurch das Fahrzeug abgebremst wird.
Wirbelstrombremsen wirken hingegen kontaktfrei über die zwischen Wirbelstrombremse
und Schiene ausgebildeten Magnetfelder.
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Der
gattungsgemäßen Vorrichtung
haftet der Nachteil an, dass die Umwandlung der elektromagnetischen
Kräfte
des Elektromotors in eine Drehbewegung und schließlich in
eine axiale Hubbewegung umständlich
und kostenintensiv ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine eingangs genannte Vorrichtung bereitzustellen,
die einfach ausgelegt und kostengünstig ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs
8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß werden
elektromagnetische oder elektrische Kräfte direkt zwischen einer sich
bei der Fahrt am Schienenfahrzeug bewegenden oder rotierenden Bremsfläche und
dem Bremsbelag erzeugt. Dabei kommt es zu einer Anziehungskraft
zwischen Bremsbelag und Bremsfläche
und somit zu einem Reibschluss zwischen diesen beiden Bauteilen.
Dieses Prinzip war bislang nur im Zusammenhang mit Schienenbremsen
bekannt, bei denen der Bremsbelag gegen die Schienen gepresst wird. Aufgrund
von unterschiedlich starke Beanspruchung der Schienen kommt es jedoch
oftmals zur Ausbildung von Vorsprüngen und scharfen Kanten im Schienenbereich,
wodurch die Bremsbeläge
im Bremsfall beschädigt
werden können.
Erfindungsgemäß wird der
Bremsbelag oder mit anderen Worten der Bremsschuh nicht mehr gegen
die Schiene sondern gegen eine während
der Fahrt des Schienenfahrzeugs sich bewegende Bremsfläche gepresst, wobei
die Bremsfläche
am Schienenfahrzeug ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist somit
eine am Schienenfahrzeug ausgebildete Reibbremse bereitgestellt, deren
Energieversorgung ausschließlich
elektrisch erfolgt. Eine aufwändige
Aufbereitung von pneumatischer oder hydraulischer Energie ist erfindungsgemäß überflüssig geworden.
Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch kostengünstig,
da im Gegensatz zu hydraulischen oder pneumatischen Bremsen eine
aufwändige
Verrohrung mit ansteuerbaren Ventilen und/oder Schaltelementen entfallen kann.
Auch die Energieimpedanz der erfindungsgemäßen Bremse ist im Vergleich
zum nächstkommenden
Stand der Technik verbessert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dar über hinaus
auch leicht, so dass gegenüber
Schienenfahrzeugen mit pneumatischer und/oder hydraulischer Bremse
für eine
Gewichtsverminderung gesorgt ist. Auch die Überwachung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist im Vergleich zu pneumatischen Reibungsbremsen vereinfacht, da
lediglich die eingestellte Bestromung oder sonstige elektrische
Energieversorgung der Krafterzeugungsmittel zu überwachen ist.
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Gemäß der Erfindung
umfassen die Krafterzeugungsmittel einen Elektromagneten, der zum
Erzeugen eines magnetischen Feldes in dem Bremsbelag eingerichtet
ist, das im eingebauten Zustand der Vorrichtung die Bremsfläche durchsetzt.
Hierdurch wird aufgrund des magnetischen Feldes des Elektromagneten
eine Reluktanzkraft erzeugt. Die Reluktanzkraft beruht darauf, dass
sich ein magnetisches Feld bevorzugt in einem Material mit möglichst
geringem magnetischem Widerstand ausbreitet. Der magnetische Widerstand
der Luft ist um ein vielfaches höher
als der magnetische Widerstand eines ferromagnetischen Materials,
wie beispielsweise Eisen, Stahl oder dergleichen, aus dem Bremsbelag
und Bremsfläche
bevorzugt bestehen. Im ungebremsten Zustand des Fahrzeugs sind Bremsbelag
und Bremsfläche
so zueinander angeordnet, dass sie einen ein Luftspalt begrenzen.
Dabei sind Bremsbelag und Bremsfläche relativ zueinander beweglich
geführt,
so dass der Luftspalt mechanisch im Bremsfall geschlossen werden
kann. Wird ein Magnetfeld erzeugt, durchsetzt dieses den von Bremsbelag
und Bremsfläche
begrenzten Luftspalt. Bei einem großen Luftspalt, liegt das aus
Bremsbelag und Bremsfläche bestehende
System auf einem weitaus höheren
Potenzial als in einem Zustand, in dem der Luftspalt unter Reibschluss
zwischen Bremsbelag und Bremsfläche
geschlossen ist. Durch Gradientenbildung zwischen diesen Zuständen erhält man die
auf das Schließen
des Luftspaltes gerichtete Kraftwirkung.
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Abweichend
davon sind die Krafterzeugungsmittel zum Erzeugen eines Wirbelstromes
im Bremsbelag eingerichtet. Wirbelstrombremsen sind dem Fachmann
bestens bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren Aufbau nicht
näher eingegangen
zu werden braucht.
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Bei
einer abweichenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfassen die Krafterzeugungsmittel wenigstens einen Permanentmagneten.
Gemäß dieser
vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bremsbelag in seiner Fahrtstellung
zweckmäßigerweise
verklinkt, so dass der Bremsbelag trotz der vom Permanentmagneten über das
Magnetfeld erzeugten Andruckkraft mit Abstand zur Bremsfläche gehalten
ist. Wird die Verklinkung im Bremsfall gelöst, wird der Bremsbelag jedoch
gegen die Bremsfläche
gepresst. Abweichend davon ist sowohl ein Permanentmagnet als auch
ein Elektromagnet im Bremsaktuator vorgesehen, wobei die Bestromung des
Elektromagneten die Magnetkraft des Permanentmagneten beispielsweise
soweit erhöht,
dass die Haltekraft einer Feder überwunden
und somit der Bremsbelag gegen die Bremsfläche gepresst wird. Der Elektromagnet
kann auch zur Schwächung
des Magnetfeldes des Permanentmagneten eingerichtet sein.
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Die
Ausgestaltung der Bremsfläche
ist im Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig. So kann die
Bremsfläche
beispielsweise einstückig
oder wie bei Magnet- oder Schienenbremsen üblich, aus mehreren Gliedern
zusammengesetzt sein. Dabei verfügt
beispielsweise jedes Glied über
einen eigenen Elektromagneten oder einen eigenen Permanentmagneten.
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Der
Bremsbelag kann aus jedem zweckmäßigen Material
hergestellt sein. Nur beispielhaft seien ferromagnetische Materialien,
wie Eisen, Stahl oder dergleichen, aufgezählt. Wesentlich bei der Materialauswahl
ist jedoch, dass eine ausreichend große Andruckkraft durch das durch
den Elektro- oder Permanentmagneten hervorgerufene Magnetfeld beziehungsweise
durch den daraus resultierenden magnetischen Fluss erzeugt wird,
wobei gleichzeitig eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit
bereitgestellt ist, da es ansonsten zu einem hohen Materialverschleiß beim Bremsen
kommen könnte.
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Zweckmäßigerweise
wird die erfindungsgemäße Vorrichtung
als Not- oder Sicherheitsbremse eingesetzt, wobei die Betriebsbremse
beispielsweise eine elektrodynamische Bremse ist.
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Die
Mittel zum Bestromen des Elektromagneten sind beispielsweise durch
einen Hilfsbetriebsumrichter bereitgestellt, der darüber hinaus
einen Energiespeicher, wie einen Kondensator oder dergleichen umfasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei
gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und
wobei
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer nicht bremsenden Stellung mittels einer schematischen Darstellung,
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2 die
Vorrichtung gemäß 1 in
einer bremsenden Stellung,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
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4 einige
mögliche
Anordnungen eines Bremsbelags der erfindungsgemäßen Vorrichtung verdeutlichen.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung en Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
die einen Bremsaktuator 2 mit einem figürlich nicht dargestellten Bremsbelag
aufweist. Die Vorrichtung 1 verfügt ferner über einen schematisch angedeuteten
Elektromagneten 3 als Krafterzeugungsmittel, sowie Bestromungsmittel 4 zur
Bestromung des Elektromagneten 3. Dabei sind die Bestromungsmittel 4 über eine
Stromversorgungsleitung 5 mit dem Elektromagneten 3 verbunden,
wobei ein Unterbrechungsschalter 6 zum Öffnen und Schließen der
Stromversorgungsleitung 5 vorgesehen ist. Ferner ist eine
Halterung 7 schematisch angedeutet, die zur beweglichen
Halterung des Bremsaktuators 2 und somit des Bremsbelags
eingerichtet ist.
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Mit
der Halterung 7 ist die Vorrichtung 1 an einem
Drehgestell 8 eines Schienenfahrzeugs befestigt, wobei
das Drehgestell 8 Radachsen 9 aufweist, die drehfest
mit Schienenrädern 10 verbunden
sind.
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In 1 ist
die Vorrichtung 1 in einer Stellung gezeigt, in der das
Schienenfahrzeug beziehungsweise das Drehgestell 8 ungebremst
ist. Der Unterbrechungsschalter 6 befindet sich in einer
geöffneten
Stellung, so dass ein Stromfluss in der Stromversorgungsleitung 5 unterbrochen
ist. Zwischen dem Bremsbelag beziehungsweise Bremsaktuator 2 und
einem Laufbereich 11 des Schienenrads 10 als Bremsfläche werden
keine Kräfte
erzeugt. Daher ist die Anziehungskraft einer kleinen Spannfeder 12 ausreichend,
um den Bremsbelag beziehungsweise Bremsaktuator 2 mit Abstand
zur Bremsfläche oder
Lauffläche 11 zu
halten.
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In 2 ist
hingegen der Unterbrecherschalter 6 geschlossen, so dass
ein Stromfluss über
die Stromversorgungsleitung 5 ermöglicht ist. Der Elektromagnet 3 wird
daher von einem Strom durchflossen, der ein magnetisches Feld erzeugt,
das den figürlich
nicht dargestellten Bremsbelag den zwischen Bremsbelag und Laufbereich 11 definierten
Luftspalt und teilweise das Rad 10 durchsetzt. Aufgrund
der bereits oben beschriebenen Reluktanzkraft kommt es zu einer
Anziehung zwischen der Bremsfläche 11, also
hier dem Laufbereich, und dem Bremsbelag des Bremsaktuators 2,
so dass die Federkraft der Feder 12 überwunden wird und es zu einem
Reibschluss zwischen dem Bremsbelag und der Bremsfläche 11 und
somit zu einer gewünschten
Verzögerung
des Schienenfahrzeugs kommt.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
wobei jedoch lediglich der Bremsaktuator 2 mit Bremsfläche und dessen
Aufhängung 13 am
Fahrzeug verdeutlicht ist. Im Gegensatz zu dem in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist der Bremsaktuator 2 in dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel nicht
mehr verschwenkbar ausgeführt.
Vielmehr ist eine starre Befestigung mittels Haltestifte vorgesehen,
wobei der Bremsaktuator der in 3 gezeigten Pfeilrichtung
entlang der Haltestifte beweglich geführt ist. Wiederum halten Rückhaltefedern 12 den Bremsaktuator 2 im
ungebremsten Zustand mit Abstand zum Laufbereich 11 des
Schienenrades 10.
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4 zeigt
ein Schienenrad 10 in einer quer geschnittenen Seitenansicht.
Es ist erkennbar, dass das Schienenrad 10 eine Lauffläche 11,
einen Radsteg 14, einen Radkranz 15, einen Übergangsbereich 16,
der sich zwischen dem Radkranz 15 und dem Radsteg 14 erstreckt,
eine Radnabe 17 und einen Übergangsbereich 18 umfasst,
der sich zwischen der Radnabe 17 und dem Radsteg 14 erstreckt.
In 4 sind mögliche
Anordnungen des Bremsaktuators 2 und somit des Bremsbelags
figürlich
dargestellt, wobei entweder eine der gezeigten Anordnungen oder
mehrere Bremsaktuatoren 2 an verschiedenen Stellen des
Schienenrads 10 im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein
können.
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Der
Bremsbelag ist im Rahmen der Erfindung beispielsweise einfach die
Oberfläche
des Bremsaktuators 2 beispielsweise eine auf dem Bremsaktuator 2 aufgebrachte
Schicht mit erhöhter Reibfestigkeit,
um so den Materialverschleiß zu
verringern mit weniger Wartungsarbeiten im Gefolge. Die bewegliche
Aufhängung,
also die Richtung, in der der Bremsaktuator 2 mit seinem
Bremsbelag bewegt werden kann, ist in 4 durch
Pfeile angedeutet. Es ist aus 4 erkennbar,
dass selbst verschiedene Anordnungsmöglichkeiten im Rahmen der Erfindung vorgesehen
sind, so dass eine platzsparende und somit kostengünstige Anordnung
im Rahmen der Erfindung bereitgestellt ist.