Intelligentes, integriertes Einzelrad-Antriebs-Brems-Modul für Schienenfahrzeuge (EABM) - Ansteuerleistungsminimierte Bremse
Final Report Abstract
Die Vision des Projektes „Ansteuerungsleistungsminimierte Bremse für ein Einzelrad- Antriebs-Brems-Modul (EABM)“ ist ein Bremsmodul als integrierte Drehmomentsenke für Einzelradantriebe, welches den von der übergeordneten Fahrzeugsteuerung vorgegebenen Verzögerungssollwert selbst einregelt, sich durch geringen elektrischen Leistungsbedarf und einfache mechanische Schnittstellen auszeichnet. Innovative hydraulische Bremsen in Form wartungsfreier, autarker Teilmodule bieten Vorteile bezüglich des kompakten Aufbaus, ihrer Dynamik, Redundanz, Robustheit und Umweltfreundlichkeit. Das IFAS Teilprojekt erforscht dabei ein neuartiges Schaltungskonzept für eine ansteuerleistungsminimierte hydraulische Scheibenbremse auf Basis eines selbstverstärkenden Effektes. Die minimierte Ansteuerungsleistung ergibt sich dadurch, dass die Energie zum Einregeln des Anpressdrucks aus dem Bremsprozess selbst, bzw. aus der kinetischen Energie des Fahrzeugs, gewonnen wird. Der Vorteil der hydraulischen Selbstverstärkung ist dabei die Möglichkeit, Kräfte flexibel in unterschiedliche Richtungen leiten und gleichzeitig fein einstellen zu können. Die vorgespannte Feder am Bremsaktor kann eine Initialbremskraft erzeugen. Die Initialbremskraft wird nicht starr am Fahrwerksrahmen eingeleitet, sondern beweglich über einen Abstützzylinder abgestützt und erzeugt einen Abstützdruck. Durch geeignete Wahl der Flächenverhältnisse ist dieser Druck hoch genug, um im Bremsaktor eine Kraft zu erzeugen, welche die Bremskraft und somit den Abstützdruck weiter erhöht. Durch Druckmessung am Abstützzylinder und entsprechender Ansteuerung des Regelventils kann eine beliebige Verzögerungskraft eingeregelt werden. Am Ende des Bremsprozess wird eine kleine Menge während der Bremsung gespeicherter Druckflüssigkeit zum definierten Öffnen des Bremsaktors und Vorspannen seiner Feder genutzt. Die Grundlagen der ansteuerleistungsminimierten Bremse wurden sowohl theoretisch durch Simulation und Systemanalyse erforscht, als auch experimentell umgesetzt. Durch einen ersten Versuchsträger und einen Funktionsprototypen konnten zunächst das Prinzip und anschließend alle für das EABM relevanten Funktionen verifiziert werden. Die Anforderungen an die Bremsdynamik von Schienenfahrzeugen werden erfüllt. Das System bietet für Bahnen viele Vorteile durch geringen Bauraum und Gewicht, durch den Verzicht auf eine Leistungsschnittstelle und die selbständige Regelung des Verzögerungsmoments. Die bauliche Integration als Bremseinheit für ein Einzelrad-Antriebs-Brems-Modul stellt eine Herausforderung für zukünftige Arbeiten dar, da die notwendige Beweglichkeit des Bremssattels den Bauraumbedarf achsnah prinzipiell erhöht. Gesamtgewicht und Platzbedarf der Bremstechnik können jedoch durch den Wegfall von Versorgungsleitungen, Luftbehältern, Schalttafeln und Kompressoren deutlich gesenkt werden. Die Bremse bietet gegenüber allen anderen Bremsen prinzipbedingt die Möglichkeit, die wirkliche Verzögerung zu regeln, da das Bremsmoment mit dem Druck im Abstützzylinder berechenbar ist. Hierdurch ergeben sich Chancen für die autonome Fahrzeugführung und Regelvorgänge wie dem Gleitschutz. Die ständige Verzögerungsmessung gibt Aufschluss über den winkelabhängigen Reibwert des Kontaktes zwischen Belägen und Scheibe. Es ist zu klären, ob durch diese Information Reibwertschwankungen kurzfristig ausgeregelt bzw. langfristig gedämpft werden können, um die Standzeit der Reibpaarung zu erhöhen oder das Geräuschverhalten zu optimieren. Neue Anwendungsfelder der Bremse können alle stationären und mobilen Bremsanwendungen sein, bei denen niedriger Energieverbrauch und eine einfache elektrische Ansteuerung von Bedeutung sind.
Publications
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Development of A Self-energising Electro-Hydraulic Brake (SEHB) for Rail Vehicles. The Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power, SICFP’07, May 21-23, 2007, Tampere, Finland
Liermann, M., Stammen, C.
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Recent Research Achievements in Fluid Power. The Second International Forum on Systems and Mechatronics, IFSM 2007, Tainan, Taiwan
Murrenhoff, H.
