Rail vehicle brake with hydraulic-mechanical brake torque control

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff
• Subject Area: Traffic and Transport Systems, Intelligent and Automated Traffic ; Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2017 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 329131681

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die Bremsmomente von reibungsbasierten Bremsen schwanken in der Praxis aufgrund von veränderlichen Reibbedingungen stark. Ein wohlbekanntes Praxisbeispiel hierfür sind nasse Bremsbeläge am Fahrrad. Um solche Schwankungen im Reibmoment zu kompensieren, war es Ziel des Projektes eine Bremsmomentregelung zu erforschen. Als Anwendungsbeispiel wurde dabei eine Scheibenbremse für eine Straßenbahn gewählt. Die Firma Hanning & Kahl GmbH & Co KG hat sich dazu freundlicherweise als Anwendungspartner aus der Industrie zu Verfügung gestellt und das Forschungsprojekt maßgeblich unterstützt. Ohne die Expertise und Unterstützung von Hanning & Kahl wäre das Projekt in der Form nicht durchführbar gewesen. Die Regelung sollte mechanisch-hydraulisch erfolgen, um ein möglichst robustes und zu bestehenden Systemen kompatibles Regelungssystem zu erhalten. Zur Erfassung des wirkenden Bremsmomentes wurde die Stützkraft des Bremssattels gewählt, da die direkte Bremsmomenterfassung mechanisch sehr schwierig wäre und die Stützkraft im Vorfeld des Projektes auf Basis von Messungen des Anwendungspartners auf einem Großprüfstand als direkt proportional zum Bremsmoment identifiziert wurde. Im Projektverlauf sind Regler für zwei Bremsentypen entwickelt und experimentell untersucht worden. In der Entwicklung ist dabei eine erweiterte Bremsmomentberechnung hergeleitet worden, aufgrund derer gezeigt werden konnte, dass es entgegen bisheriger Annahmen größere Einflüsse auf die Proportionalität von Stützkraft zu Bremsmoment gibt. Diese wirken sich in einer Bremsmomentregelung auf Basis der Stützkraft als Störgröße aus. Weiter sind die Prototypen der Regler gefertigt und in Prüfstandsversuchen untersucht worden. Dabei konnte die Funktionsfähigkeit beider Regler nachgewiesen werden. In den Experimenten konnte unter anderem auch gezeigt werden, dass die Bremsmomente auf Basis der Stützkraft nur sehr wenig besser erfasst werden können, als das Verhältnis von Bremsdruck zu Bremsmoment im Versuch bereits war. Das bedeutet, dass im Versuch nicht ausreichend große Reibwertschwankungen produziert werden konnten, damit eine Regelung auf Basis der Stützkraft Verbesserung bringen kann. Eine tatsächliche Zuverlässigkeitssteigerung der Bremsmomente konnte daher nur unter sehr extremen Bedingungen erreicht werden.

Publications

• “Development of a Prototype Valve for a Hydro-mechanical Braking-torque Control used on Railway Disc Brakes”, Proceedings of the 24th International Conference on Hydraulics and Pneumatics, 2018, Prag, Tschechien
  Bordovsky, P., Merkel, A., Murrenhoff, H., Reinertz, O., Schmitz, K.
  
• “Simulation of an Active Disc Brake with a Hydro-Mechanical Torque Control”, Proceedings of the Global Fluid Power society PhD Symposium, GFPS 2018, 2018, Samara, Russland
  Bordovsky, P., Adibpoor, S. H., Murrenhoff, H., Reinertz, O.
  
• „Hydro-Mechanical Closed-Loop Brake Torque Control for Railway Disc Brakes“, Proceedings of the 2nd International Railway Symposium Aachen, IRSA 2019, S. 594-607, 2020, Aachen
  Merkel, A., Murrenhoff, H., Reinertz, O., Schmitz, K.
  
• „Hydro-Mechanical Closed-Loop Brake Torque Control – Experimental Investigation and Influence Analysis“, 10th International Conference on Fluid Power Transmission and Control – ICFP 2021, Hangzhou, China
  Merkel, A., Murrenhoff, H., Reinertz, O., Schmitz, K.