Mechanische Bremsausrüstung von Schienenfahrzeugen. - Entwicklungstrends - Aachen, 13. Dez. 2005

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1 Mechanische Bremsausrüstung von Schienenfahrzeugen - Entwicklungstrends - Aachen, 13. Dez Dr. T. Merkel

2 Faiveley Transport als Systemlieferant Semipermanente Kupplungen Pantographen Kompressoren und Luftaufbereitung Türsysteme Automatische COUPLERS Kupplungen Sandungen und Gleitschutz Bremsgestänge Magnetschienenbremsen Hochleistungsstromversorgung Bremsscheiben und Beläge Bremssteuerungen 2 Dr. T. Merkel

3 Inhalt Einleitung Mechanische Bremskomponenten Haftwertunabhängige Bremsen Elektromagnetschienenbremsen Permanentmagnetschienenbremsen Haftwertabhängige Bremsen Klotzbremsen Scheibenbremsen Auslegung Erprobung 3 Dr. T. Merkel

4 Einleitung Allgemeine Entwicklungsziele Die allgemeinen Entwicklungsziele sind Sicherheit: Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit Life Cycle Costs: Geringer Verschleiß der Komponenten und niedriger Wartungsbedarf sowie und höhere Verfügbarkeit der Komponenten Dabei ist besonderer Wert zu legen auf Niedrigern Platzbedarf der Komponenten Geringe Gewichte Hohe Zuverlässigkeit Höhere thermische und mechanische Belastbarkeit Zusätzliche Herausforderung: Sehr unterschiedlichen Zulassungkriterien der verschiedenen Bahngesellschaften 4 Dr. T. Merkel

5 Einleitung Mechanische Bremsausrüstung Mechanische Bremsen Haftwertabhängige Bremsen Haftwertunabhängige Bremsen Klotzbremsen Scheibenbremsen Magnetschienenbremsen Radbremsscheiben Wellenbremsscheiben Permanentmagnetisch Elektromagnetisch 5 Dr. T. Merkel

6 Magnetschienenbremsen Bauformen Elektrisch erregt Permanentmagnetisch erregt Aufbau des Magneten Gliedermagnet (v > 100km/h) Starrmagnet Aufhängung Tiefaufhängung (Nahverkehr) Hochaufhängung (Vollbahn) Hoch/Tief Auslegung nach UIC , EBA B u. VDE 0580 Einsatz als Zusatzbremse, die (zumeist) nicht auf die Bremsgewichte angerechnet wird 6 Dr. T. Merkel

7 Magnetschienenbremsen Reibwert 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Stahl GGG Ges chwindigkeit [km/h] Bremskraft = Haftkraft x Reibwert Magnetische Haftkraft (typisch) 84kN pro Magnet Reibwerte stark geschwindigkeitsabhängig materialabhängig 7 Dr. T. Merkel

8 Magnetschienenbremsen Stahlpolschuh mit Aufschieferungen Bremskraft (=Haftkraft x Reibwert) wird durch Bildung von Aufschieferungen stark beeinflusst -> Hoher Wartungsaufwand Lösung Aufschieferungsarmer Polschuh 8 Dr. T. Merkel

9 Magnetschienenbremsen Aufbau Aufschieferungsarmer Polschuh Magnetisch gut leitender Stahl für Grundkörper Reibtechnisch optimaler Verschleißkörper aus GGG Verbindung durch Laserschweißung Geringerer Haftkraft wird durch höheren Reibwert ausgeglichen Aufschieferungarmer Polschuh gewährleistet niedrige Wartungskosten GGG-Reibfläche Stahlkörper 9 Dr. T. Merkel

10 Magnetschienenbremsen Verschiedene Bauformen 10 Dr. T. Merkel

11 Klotzbremsen Verschiedene Anordnungen Unterteilte Bremssohle: 1Bgu, 2Bgu Einteilige Bremssohle: 1Bg, (2Bg) Bremsklotzmaterialien GG Sinter Komposit Im Bild: BFC-Einheit mit interner variabler Übersetzung seit Jahrzehnten in 10.ooo-facher Ausführung in Betrieb 11 Dr. T. Merkel

12 Klotzbremsen Moderne Klotzbremseinheit BFCB Ersatz für Klotzbremsgestänge Line replacable unit Einfache Integration in Drehegestell (wenige Schnittstellen) Geringer Wartungsaufwand Modular mit erprobten Subkomponenten Patentiert Zwei Funktionstypen Push (wie im Bild) Pull 12 Dr. T. Merkel

13 Klotzbremsen - Grenzen Thermische Leistungsfähigkeit des Rades begrenzt Scheibenbremsen erweitern die Leistungsfähigkeit mechanischer Reibungsbremsen 13 Dr. T. Merkel

14 Scheibenbremsen - Komponenten Bremsgestänge Bremszylinder mit Verschleißnachsteller (Service, Federspeicher) Bremsscheibe Radbremsscheibe Wellenbremsscheibe Bremsbeläge Organisch Sinter 14 Dr. T. Merkel

15 Scheibenbremsen Moderne Aktuatorik Aktuator mit variabler Übersetzung (Servicebremse und Federspeicher) Leichtes kompaktes Bremsgestänge mit Kompaktbremszylinder -> 57kg Entwicklungsziele Leichtbau Kompakter Aufbau Wartungsarm Flexible Integration Durch Alternative Werkstoffe (z.b. Aluminium) Weiterentwicklung von Konstruktionsprinzipien Modularisierung 15 Dr. T. Merkel

16 Scheibenbremsen - Verschiedene Bauformen - Bauform Flanschbremsscheibe Radbremsscheibe Wellenbremsscheibe Konstruktion Ungeteilt Geteilt (als Ersatzteil) Ventilation Massiv Radial (v< km/h) Tangential (v>160km/h) Radial/Tangential Material Grauguß Sphäroguß Stahl Aluminium/ CMC 16 Dr. T. Merkel

17 Scheibenbremsen - Grundaufgabe v E=1/2 m v² + mg h Zuverlässigkeit des Reibwertes unter allen Einsatzbedingungen Zuverlässiger Energieumsatz in allen Servicebedingungen Stoppbremsungen Gefällebremsungen Reduzierbremsungen Niedrige LifeCycleCosts d.h. geringer Verschleiß von Scheibe und Belag Neue WKS-Baureihe von FAIVELEY TRANSPORT 17 Dr. T. Merkel

18 Grenze des Auswuchtbereiches Scheibenbremsen - Leistungsfähigkeit Stoppbremsen Gefälle Kühlung 18 Dr. T. Merkel

19 Scheibenbremsen - Bremsbeläge Max. Leistung/Energie und Temperatur sind im Betrieb wegen drohender Beschädigung von Scheibe/Belag zu begrenzen Scheibe Grauguß Belag Organisch/weich Sphäroguss Organisch/hart Standardstahl Standardsinter Hochleistungsstahl NT-Belag Temperatur Leistung 19 Dr. T. Merkel

20 Scheibenbremsen - Bremsbeläge Baugrößen 350cm³, 400cm³, 500cm³ Material Organisch Sinter Aufbau Organisch: Ein- oder mehrlagig Sinter: Starr oder flexibel Schnittstelle zum Belaghalter Standardschwalbenschwanz nach UIC Zulassung nach UIC Dr. T. Merkel

21 Scheibenbremse NT-Bremsbelag Belagmaterial Sinter Flexible Unterkonstruktion Niedriger Eigen- und Gegenverschleiß Optimale Energieeinbringung in die Bremsscheibe führt zu niedriger Thermoschockbelastung und optimaler Temperaturverteilung auf der Bremsscheibenoberfläche. 21 Dr. T. Merkel

22 Scheibenbremsen - Aluminiumbremsscheibe Leistungsfähigkeit (Richtwerte) Bremsenergie bis 15MJ/450kW Temperaturen max 400 C Homogene Wärmeverteilung Geringer Eigen- und Gegenverschleiß Niedrige Masse Al MMC Bremsring WKS 640 x 100 Al nach UIC km/h Programm 22 Dr. T. Merkel

23 Scheibenbremsen - Hochenergiebremsscheiben Kohlefaserverstärkte- Keramikbremsscheibe Bremsenergie bis 55MJ Temperaturen bis 1200 C Ausführung ohne Ventilation Geringes Gewicht 23 Dr. T. Merkel

24 Scheibenbremsen - Auslegung Strömungsanalyse und Temperaturfeldberechnung mit Hilfe von CFD (Computational Fluid Dynamics) Temperaturverteilung im Anbindungsbereich der WAKS 640 G-NB für eine Dauerbremsung mit 22 kw, 520 U/min 24 Dr. T. Merkel

25 Scheibenbremsen - Auslegung Strukturanalyse mit FEM (Instationär und nichtlinear) 25 Dr. T. Merkel

26 Scheibenbremsen - Auslegung Routensimulation: Analytisches Modell berechnet die Scheibentemperatur auf +/-10K genau (Versuch/Simulation Strecke Gießen-Frankfurt) temperature [ C] calculated temperature friction side mean temperature friction side dynamometer travel time [s] Dr. T. Merkel

27 Scheibenbremsen - Auslegung Routensimulation: Vergleich von Rechen- und Messergebnissen: Abkühlkurven zeigen gute Übereinstimmung des Modells (Beispiel WKG 640 S-NB) 500 Disc surface temperature [ C] disk cooling dynamometer disk cooling TeSicalculation Time [s] 27 Dr. T. Merkel

28 Erprobung - Einleitung Zur Erprobung von Kupplungen Magnetschienenbremsen Scheibenbremsen und Belägen sowie deren Subkomponenten unterhält Faiveley Transport ein modernes Entwicklungszentrum. 28 Dr. T. Merkel

29 Erprobung - Scheibenbremsen Faiveley verfügt über drei leistungsfähige Bremsenprüfstände zur Simulation von Stopp- und Reduzierbremsungen Gefällebremsungen Vollständigen Routen unter Berücksichtigung aller wichtigen Fahrzeug- und Streckenparameter Trocken- und Naßbremsungen Messung Aller Bremsparameter Temperaturen Dehnungen 29 Dr. T. Merkel

30 Erprobung - Scheibenbremsen Experimentelle Untersuchung der Temperaturverteilung auf der Bremsscheibenoberfläche mit Hilfe der Thermographie als wichtiges Werkzeug zur Beurteilung des Tragverhaltens von Bremsbelägen Untersuchung konstruktiv bedingter Temperaturgradienten und der daraus resultierenden Spannungsgradienten und Deformationen 30 Dr. T. Merkel

31 am 45 Erprobung - Scheibenbremsen Grenze des Auswuchtbereiches E-H 60 Abschnitte gleichmaessig Umfang verteilt 31 Dr. T. Merkel Z , R R2 R18 R 7,5 7,5 R R3 R R2 R R2 R 7,5 7,5 R6 R K F R R2 13 H Y G E R18 R18 R6 R Ventilationsverlustleistung Ansicht X R z ,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Rotational Speed [1/min] 4,92 1,63 Ventilation Loss [kw] 0, Velocity [km/h] (wheel dia 890mm)

32 Erprobung - Mechanische Bauteile Hydropulseranlage zur Betriebsfestigkeitsuntersuchung an mechanischen Strukturbauteilen Vibrationsfestigkeitsuntersuchung von Baugruppen 32 Dr. T. Merkel

33 Zusammenfassung Entwicklungsziele & Spezifikation Erprobung Mechanische Bremsausrüstung von Schienenfahrzeugen Entwicklung & Auslegung 33 Dr. T. Merkel