Grundlagen der Eisenbahnbremstechnik

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1 Vorlesung Schienenfahrzeugtechnik IVE Hannover Grundlagen der Eisenbahnbremstechnik 1 Frank Minde DB Systemtechnik TZF8 (Bremse und Kupplungen) Weserglacis 2, Minden Tel.: (937) bzw. +49 (571) Fax: Frank.Minde@bahn.de

2 Grundlagen der Eisenbahnbremstechnik Grundlagen Entstehung und Prinzip der heutigen Druckluftbremse Die Grundfunktionen der pneumatischen Hauptbauteile der Druckluftbremse Der Bremsbetrieb Bauteile, Charakteristika und Auslegung von Güterwagenbremsen Bauteile, Charakteristika und Auslegung von Reisezugwagenbremsen Bauteile, Charakteristika und Auslegung von Triebfahrzeugbremsen Normen und Literaturhinweise 2

3 Grundlagen Aufgaben von Bremsen Beim Bremsen ist eine Umwandlung der Bewegungsenergie in andere Energieformen (meist in Wärme) erforderlich. Neben den immer vorhandenen Fahrzeugwiderstandskräften (Lager-, Lauf- und Luftwiderstand) sind dazu im Fahrzeug regulierbare Einrichtungen vorzusehen. Bremsen am Fahrzeug haben folgende Aufgaben: die Fahrgeschwindigkeit aus betrieblichen Gründen in gewollten Grenzen zu verringern bzw. bei Gefällefahrten konstant halten, drohende Gefahren abzuwenden, stehende Fahrzeuge gegen Abrollen zu sichern. Bis auf die bei Bahnen eingesetzten Schienenbremsen (Magnet- u. Wirbelstrombremsen) wirken die Bremsen von Kraft- und Schienenfahrzeugen auf das Rad. Sie dürfen dabei nicht so stark bremsen, dass der Radsatz blockiert. Daher begrenzt die Haftreibung zwischen Rad und Schiene die Bremskraft (Haftwertabhängigkeit). 3

4 Grundlagen Arten von Bremsungen Art der Bremsung Betriebsbremsung Stopp- /Regulierbremsung Dauerbremsung Vollbremsung Schnellbremsung Notbremsung Zwangsbremsung Gefahrenbremsung Haltebremsung Park- /Feststellbremsung Beschreibung Einleitung durch Tf oder automatische Steuerungen (AFB, ATC) Vorrangige Verwendung verschleißfreier Bremsen (Blending), keine Mg-Bremsen 1 % bis 100 % der möglichen Bremskraft Betriebsbremsung, um an einem bestimmten Ort eine bestimmte Geschwindigkeit zu erreichen Betriebsbremsung, um die Geschwindigkeit in einem Gefälle weitgehend konstant zu halten Maximale Betriebsbremsung, 100 % der möglichen Bremskraft Einleitung durch Tf im Gefahrenfall verkürzte Ansprech- und/oder Schwellzeitzeit Verwendung der Bremsen mit der höchsten Verfügbarkeit, auch die Reibungs- u. Mg-Bremsen Einleitung durch Tf, Fahrgast oder Zugbegleitpersonal Wirkung wie Schnell- oder Vollbremsung Einleitung durch Sifa, Zugsicherungssysteme (INDUSI, LZB, ATC) oder bei Zugtrennung Wirkung wie Schnellbremsung Einleitung durch Tf erhöhte Verzögerungen (a = 2,71 m/s 2 ) und Rucke nur bei Fahrzeugen die der BOStrab unterliegen Einleitung durch Tf oder automatische Steuerungen Festhalten des Fahrzeuges/Zuges bei Stillstand für einen begrenzten Zeitraum Einleitung durch Tf oder automatische Steuerungen Dauerhaftes Sichern eines abgestellten Fahrzeuges/Zuges 4

5 Grundlagen Unterschied Straße - Eisenbahn Straße großer Haftwert Gummirad/Fahrbahn (µ H 0,9), kleine abzubremsende Massen (Pkw: 0,8 t/radsatz) dadurch kurze Bremswege max. zwei gekuppelte Fahrzeuge Ausweichen möglich Fahren auf Sicht im relativen Bremswegabstand Kraft-Weg Rückkopplung Bremspedal, unmerklich kurze Reaktionszeit auf Bremskraftanforderung Eisenbahn kleiner Haftwert Stahlrad/Schiene (µ H 0,15), große abzubremsende Massen (5-25 t/radsatz) dadurch lange Bremswege Zugbildung (größere Anzahl von Fahrzeugen) Spurführung (kein Ausweichen, aber Entgleisen möglich) Fahren auf Sicht nicht möglich, daher nach Signalisierung mit festgelegtem Bremsweg (400 m, 700 m- und m- Vorsignalabstände und LZB-Betrieb bei der DB) im absoluten Bremswegabstand lange Reaktionszeiten auf Bremsanforderung handbedienter, winkelabh. Bremssteller 5

6 Grundlagen Kraftverhältnisse am Rad Reibungsbremse: F Klotz x µ K F Klotz kinetische und potenzielle Energie des Zuges wird in Wärme umgewandelt m x g Bedingung: F Klotz x µ K < m x g x µ H m x g x µ H 6

7 Grundlagen Reibwert Rad/Schiene µh = f (v, Ort, Zeit) Der Haftreibwert µ H zwischen Rad und Schiene ist eine statistisch verteilte Größe keine exakt zu bestimmende Konstante eine Funktion der Zeit und des Ortes eine Funktion der Geschwindigkeit 0,40 trockene Schiene feuchte Schiene schlüpfrige Schiene Relative Summenhäufigkeit 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Regen Alle Wetterbedingungen 0,35 0,2 0,30 0,1 Quelle: ORE B14/44, 1978 Reibwert Rad/Schiene 0,25 0,20 0,15 0, ,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Mittelwerte der Haftreibung 0,05 0, v in km/h 7

8 Grundlagen Reibwert Rad/Schiene µh = f (Schlupf) Trockene Schiene v U = v F : Rollen, Schlupf = 0 v U > v F : Antreiben, Schlupf < 0 v U < v F : Bremsen, Schlupf > 0 v U = 0 : Gleiten, Schlupf = 1 Kraftschlußbeiwert µ H Feuchte Schiene Schlüpfrige Schiene Schlupf Schlupf = 1 Radumfangsgeschwindigkeit( vu) Fahrzeuggeschwindigkeit( vf) 8

9 Entstehung und Prinzip der heutigen Druckluftbremse Die Anfänge Hebelbremse (1835) Spindelbremse (1842) Heberlein-Bremse (1852) in Lösestellung 9

10 Entstehung und Prinzip der heutigen Druckluftbremse Direkt wirkende durchgehende Druckluftbremse 1- Drucklufterzeugungsanlage, 2- Hauptluftbehälter, 3- Führerbremsventil 4- Hauptluftleitung, 5- Bremszylinder 10

11 Entstehung und Prinzip der heutigen Druckluftbremse Indirekt wirkende durchgehende Druckluftbremse ab Drucklufterzeugungsanlage, 2- Hauptluftbehälter, 3- Führerbremsventil 4- Hauptluftleitung, 5- Bremszylinder, 6- Vorratsluftbehälter, 7- Steuerventil 11

12 Entstehung und Prinzip der heutigen Druckluftbremse Direkte und indirekte Druckluftbremse in einem Tfz 12

13 Drucklufterzeugung und -aufbereitung (5) (6) (4) (1) (2) optional (7) (1) Kompressor (8-10 bar) (2) Vorfilterung (3) Kondensatsammelanlage (4) Ölfeinstfilter (5) Sicherheitsventil 12 bar (6) Sicherheitsventil 10,5 bar (7) Hauptluftbehälter (z.b. BR 101: 800 l) (3) Quelle: Fa. Knorr-Bremse 13

14 Drucklufterzeugung, Kolbenkompressor Kombinierter Zwischenund Nachkühler Hochdruckzylinder Niederdruckzylinder Luftfilter Antriebsmotor Öl Luft Kurbelgehäuse Kurbelwelle Quelle: Fa. Knorr-Bremse 14

15 Drucklufterzeugung, Schraubenkompressor Luftfilter Kombinierter Luft/Öl-Kühler Antriebsmotor Luftentölelement Temperaturschalter Öl Luft Ölsteuerblock Quelle: Fa. Knorr-Bremse Schraubenblock 15

16 Drucklufttrocknung Trockenbehälter Regenerationsbehälter = Hauptluftstrom = Regenerationsluftstrom = Steuerluft a b Ölabscheider trocknen regenerieren a - linker Turm b - rechter Turm T - Umschaltzyklus Zweifachkolbenventil Vorsteuerventil Kondensatauslass Quelle: Fa. Knorr-Bremse 16

17 Drucklufterzeugung und -aufbereitung, ölfrei (5) (6) (1) (2) optional (7) (1) Kompressor (8-10 bar) (2) Vorfilterung (5) Sicherheitsventil 12 bar (6) Sicherheitsventil 10,5 bar (7) Hauptluftbehälter (z.b. BR 101: 800 l) Quelle: Fa. Knorr-Bremse 17

18 Führerbremsventil, Funktionen Grundfunktionen Bremsen und Lösen (zeit- oder stellungsabhängig) Druckerhaltung Sicherstellen Selbsttätigkeit Schnellbremsen Zusatzfunktionen Absperren Angleichen Erste und letzte Bremsstufe Füllen (Schnelllösen, Füllstoß) Koppelfunktionen Elektrodynamische Bremse Automatische Fahr- und Bremssteuerung Funkansteuerung 18

19 Führerbremsventile, Hauptmerkmale nach UIC Regelbetriebsdruck Erste Bremsstufe Letzte Lösestufe Vollbremsung Betriebsbremsgradient Entlüftungsleistung bei VB Entlüftungsleistung bei SB Angleichen Absperren 5,0 +/- 0,05 bar Druckabsenkung in HL 0,4 + 0,1 bar mindestens 0,25 bar unter Regelbetriebsdruck Druckabsenkung in HL 1,6 + 0,2 bar Druckabsenkung in HL 5 auf 3,5 bar in 6 bis 10 s 400 l HL-Volumen von 5 auf 3,8 bar in max. 10 s 400 l HL-Volumen von 5 auf 3,8 bar in max. 2,5 s max. 1,0 bar über Regelbetriebsdruck Druckabbau 0,15 bar in 60 bis 75 s Trennung von HL muss möglich sein 19

20 Führerbremsventile, zeit- und stellungsabhängig zeitabhängig stellungsabhängig ngig Fü Fa getastet rastiert Fü-Füllstellung Fa-Fahrtstellung getastet rastiert Fü Fa Lö 0 Br SB getastet rastiert getastet rastiert Lö-Lösestellung 0-Abschlußstellung Br-Bremsstellung VB-Vollbremsstellung SB-Schnellbremsstellung rastiert rastiert rastiert Br VB SB Angleichen Angleichen 20

21 Führerbremsventile, Bauformen Führerbremsventil Führerbremsanlage Bedienteil Steuerleitung 0 0 HL HBL Leistungsteil Leistungsteil Leistungsteil

22 Führerbremsventile, Ausführungsbeispiel (1) Manometer für C und HL, HBL Zusatzbremse (zeitabh.) ED-Bremse (stellungsabh.) Indirekte Druckluftbremse (stellungsabh.) Notbremsventil (Ackermannhahn) 22

23 Druckluftgerüst/Bremsgerätetafel BR Quelle: Bombardier Transportation 23

24 Führerbremsventile, Ausführungsbeispiel (2) stellungsabhängig FB11 der Fa. Knorr-Bremse in VT64x der DB AG Fahr-/Bremshebel (Normalbetrieb, direkte ep-bremse) FB11 (Notsteuerung, indirekte HL-Bremse) 24

25 Notbremseinrichtungen Ackermannhahn Schlagtaster Not-Aus 25

26 Luftabsperrhähne und Schlauchverbindungen Reisezugwagen = 1 Güterwagen = 1 1/4 HL HBL 26

27 UIC-Steuerventile KE1d SW4 27

28 Ein- und mehrlösige Steuerventile HL C einlösig C mehrlösig 28

29 Steuerventile, Druckverlauf bei einer Schnellbremsung Reisezug: 60 Achsen, 15 Wagen, Bremsstellung R Hauptluftleitung Bremszylinder 1 erster Wagen 15 letzter Wagen bei aktiven Schnellbremsbeschleunigern 15' letzter Wagen bei inaktiven Schnellbremsbeschleunigern t 1 Durchschlagzeit 29

30 Steuerventile, Bremsarten P und G Druck abs [kpa] Zeit [s] Brem sz ylind erdruck in P an der Zugs pitz e Brem sz ylind erdruck in G an d er Zugs pitze Brem szy linde rdruck in P am Zugende Brem szy linde rdruck in G am Zu gende Bremsstellung Bremszylinder-Füllzeit Bremszylinder-Lösezeit G s s R, P 3-5 s s 30

31 Bremsstellung der Güterzüge der DB AG Zusammenfassung von Auszügen aus den Richtlinien und Anhang 4 zu den einzustellenden Bremsstellungen Wagenzugmasse Bremsstellung Lok / Wagenzug zu erfüllende Bedingung 800 t P 800 t bis 1200 t GP 1200 t bis 1600 t 1600 t bis 2500 t 2500 t bis 4000 t unabhängig von der Last > 1600 t, wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind Lok + erste 5 Wagen in G / Rest in P (Lange Lok) Lok + erste 5 Wagen in G / Rest in P (Lange Lok) Lok + erste 5 Wagen in G / Rest in P (Lange Lok) Lok + erste 5 Wagen in G / Rest in P (Lange Lok) G der Zug muss ausschließlich aus Wagen mit einem Gesamtgewicht von 32 t gebildet sein der Zug muss ausschließlich aus Wagen mit einem Gesamtgewicht von 40 t gebildet sein alle Fahrzeuge sind mit automatischer Kupplung (UIC-AK) ausgerüstet 31

32 Bremsstellung der Güterzüge der DB AG 32

33 Bremsbetrieb Längsdruckkräfte, qualitativer Vergleich FEBIS-Zug AAR (Füllzeit 60 s, halbe UIC-Abbremsung) EP-Bremse, Bremsstellung P UIC-Bremse mit langer Lok (G5P) Qualitativ: 10m-Längsdruckkräfte zus. Entlüftung an Pos. 15, Brst P zus. Entlüftung am Zugende, Brst P UIC-Bremse, Bremsstellung PP Fahrzeugposition im Zug 33

34 Aufbau der LDK in einer Kuppelstelle F lmax [KN] (10m) 300 F lmax Betrachtung der Kuppelstelle F l(10m) Bremsstellung G/G P/P Zugdaten: Masse 552 t Länge 503 m Bremsweg (m) 34