Mechanische Bremsausrüstung von Schienenfahrzeugen - Entwicklungstrends - Aachen, 13. Dez. 2005 1 Dr. T. Merkel
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
Inhalt Einleitung Mechanische Bremskomponenten Haftwertunabhängige Bremsen Elektromagnetschienenbremsen Permanentmagnetschienenbremsen Haftwertabhängige Bremsen Klotzbremsen Scheibenbremsen Auslegung Erprobung 3 Dr. T. Merkel
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
Einleitung Mechanische Bremsausrüstung Mechanische Bremsen Haftwertabhängige Bremsen Haftwertunabhängige Bremsen Klotzbremsen Scheibenbremsen Magnetschienenbremsen Radbremsscheiben Wellenbremsscheiben Permanentmagnetisch Elektromagnetisch 5 Dr. T. Merkel
Magnetschienenbremsen Bauformen Elektrisch erregt Permanentmagnetisch erregt Aufbau des Magneten Gliedermagnet (v > 100km/h) Starrmagnet Aufhängung Tiefaufhängung (Nahverkehr) Hochaufhängung (Vollbahn) Hoch/Tief Auslegung nach UIC 541-06, EBA B012-2002 u. VDE 0580 Einsatz als Zusatzbremse, die (zumeist) nicht auf die Bremsgewichte angerechnet wird 6 Dr. T. Merkel
Magnetschienenbremsen Reibwert 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Stahl GGG 0 50 100 150 200 Ges chwindigkeit [km/h] Bremskraft = Haftkraft x Reibwert Magnetische Haftkraft (typisch) 84kN pro Magnet Reibwerte stark geschwindigkeitsabhängig materialabhängig 7 Dr. T. Merkel
Magnetschienenbremsen Stahlpolschuh mit Aufschieferungen Bremskraft (=Haftkraft x Reibwert) wird durch Bildung von Aufschieferungen stark beeinflusst -> Hoher Wartungsaufwand Lösung Aufschieferungsarmer Polschuh 8 Dr. T. Merkel
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
Magnetschienenbremsen Verschiedene Bauformen 10 Dr. T. Merkel
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
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
Klotzbremsen - Grenzen Thermische Leistungsfähigkeit des Rades begrenzt Scheibenbremsen erweitern die Leistungsfähigkeit mechanischer Reibungsbremsen 13 Dr. T. Merkel
Scheibenbremsen - Komponenten Bremsgestänge Bremszylinder mit Verschleißnachsteller (Service, Federspeicher) Bremsscheibe Radbremsscheibe Wellenbremsscheibe Bremsbeläge Organisch Sinter 14 Dr. T. Merkel
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
Scheibenbremsen - Verschiedene Bauformen - Bauform Flanschbremsscheibe Radbremsscheibe Wellenbremsscheibe Konstruktion Ungeteilt Geteilt (als Ersatzteil) Ventilation Massiv Radial (v< 140-160km/h) Tangential (v>160km/h) Radial/Tangential Material Grauguß Sphäroguß Stahl Aluminium/ CMC 16 Dr. T. Merkel
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
Grenze des Auswuchtbereiches Scheibenbremsen - Leistungsfähigkeit Stoppbremsen Gefälle Kühlung 18 Dr. T. Merkel
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
Scheibenbremsen - Bremsbeläge Baugrößen 350cm³, 400cm³, 500cm³ Material Organisch Sinter Aufbau Organisch: Ein- oder mehrlagig Sinter: Starr oder flexibel Schnittstelle zum Belaghalter Standardschwalbenschwanz nach UIC 541-3 Zulassung nach UIC 541-3 20 Dr. T. Merkel
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
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 541-3 300 km/h Programm 22 Dr. T. Merkel
Scheibenbremsen - Hochenergiebremsscheiben Kohlefaserverstärkte- Keramikbremsscheibe Bremsenergie bis 55MJ Temperaturen bis 1200 C Ausführung ohne Ventilation Geringes Gewicht 23 Dr. T. Merkel
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
Scheibenbremsen - Auslegung Strukturanalyse mit FEM (Instationär und nichtlinear) 25 Dr. T. Merkel
Scheibenbremsen - Auslegung Routensimulation: Analytisches Modell berechnet die Scheibentemperatur auf +/-10K genau (Versuch/Simulation Strecke Gießen-Frankfurt) temperature [ C] 400 350 300 250 200 150 100 50 0 95 99 67 74 20 20 124 130 46 46 161 179 168 176 60 60 192 194 92 92 213 212 125 124 244 242 196 147 145 260 254 191 204 269 284 281 262 274 273 286 278 221 197 212 216 209 224 215 213 206 278 271 203 199 267 262 165 166 231 232 180 179 241 241 161 163 231 248 253 234 246 255 180 177 244 249 248 251 186 233 236 250 252 224 229 231 234 233 246 250 239 189 182 180 166 183 183 174 165 165 168 162 156 170 168 161 calculated temperature friction side mean temperature friction side dynamometer 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 travel time [s] 254 257 185 188 208 211 313 322 274 279 353 357 213 215 226 223 359 368 278 272 301 292 368 358 325 322 261 256 361 320 295 26 Dr. T. Merkel
Scheibenbremsen - Auslegung Routensimulation: Vergleich von Rechen- und Messergebnissen: Abkühlkurven zeigen gute Übereinstimmung des Modells (Beispiel WKG 640 S-NB) 500 Disc surface temperature [ C] 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 disk cooling dynamometer disk cooling TeSicalculation 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Time [s] 27 Dr. T. Merkel
Erprobung - Einleitung Zur Erprobung von Kupplungen Magnetschienenbremsen Scheibenbremsen und Belägen sowie deren Subkomponenten unterhält Faiveley Transport ein modernes Entwicklungszentrum. 28 Dr. T. Merkel
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
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
am 45 Erprobung - Scheibenbremsen Grenze des Auswuchtbereiches E-H 60 Abschnitte gleichmaessig Umfang verteilt 31 Dr. T. Merkel Z 18 10 7,5 20 38 12 R R2 R18 R 7,5 7,5 R2 25 34 R3 R R2 R R2 R 7,5 7,5 R6 R2 22 29 K F R R2 13 H Y G E R18 R18 R6 R2 28 355 401 360 440 480 520 566 615 Ventilationsverlustleistung Ansicht X R z 63 50 120 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Rotational Speed [1/min] 4,92 1,63 Ventilation Loss [kw] 0,82 67 135 200 Velocity [km/h] (wheel dia 890mm)
Erprobung - Mechanische Bauteile Hydropulseranlage zur Betriebsfestigkeitsuntersuchung an mechanischen Strukturbauteilen Vibrationsfestigkeitsuntersuchung von Baugruppen 32 Dr. T. Merkel
Zusammenfassung Entwicklungsziele & Spezifikation Erprobung Mechanische Bremsausrüstung von Schienenfahrzeugen Entwicklung & Auslegung 33 Dr. T. Merkel