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Die Erfindung betrifft eine Bremszangeneinheit mit einer Verschleißsensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Erfassen von Verschleiß einer Bremszangeneinheit.
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Derartige Bremszangeneinheiten sind aufgrund ihrer Bremsleistung in der Eisenbahnindustrie weit verbreitet, insbesondere für Lokomotiven, Straßenbahnen und mehrgliedrige Zugeinheiten.
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Während des täglichen Bremsbetriebs verschleißen die Bremsbeläge und die Bremsscheibe. Aus Sicherheitsgründen muss der Zustand der Bremsen regelmäßig überprüft werden, wobei das derzeitige Prüfverfahren auf der visuellen Überprüfung von Bremsbelägen und Bremsscheiben durch das Wartungspersonal beruht. Dies ist kostenintensiv und erfordert gut geschultes Wartungspersonal.
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Eine automatische Verschleißerkennung ist für Scheibenbremsen bekannt, beispielsweise aus Dokument
WO 2018/178018 A1 . Gemäß diesem Dokument ist ein berührungsloser Betätigungssensor an oder in dem Bremsbelaghalter oder an oder in einem mit dem Bremsbelaghalter verbundenen Bremszangenhebel eingesetzt. Der Sensor misst den Abstand zu einer Seitenfläche der Bremsscheibe, um den Verschleiß der Bremsbeläge berechnen zu können. Eine solche Anordnung wird jedoch als nachteilig angesehen, da sie zu anfällig ist, weshalb für einen robusten Betrieb zu viel Schutz erforderlich ist.
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Darüber hinaus wird nur den Verschleiß eines Bremsbelags erfasst, und ein Verschleiß der Scheibe kann nicht bestimmt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Bremszangeneinheit mit einer automatischen Verschleißerfassung für Bremsbeläge und Bremsscheibe bereitzustellen, wobei gleichzeitig Kosten und Wartungszeit verringert werden.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum Erfassen von Verschleiß von Bremsbelägen und Bremsscheibe einer Bremszangeneinheit anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst
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Ein Erfindungsgedanke besteht darin, den Verschleiß mittels mindestens eines Sensors zu erfassen, der die Positionen und die relativen Positionsänderungen von Bremszangenkomponenten direkt oder indirekt erfasst
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Eine erfindungsgemäße Bremszangeneinheit, insbesondere für Schienenfahrzeuge, umfasst zwei Zangenhebel, einen Bremszylinder, Bremsbeläge und eine Verschleißsensorvorrichtung. Die Verschleißsensorvorrichtung weist mindestens einen Sensor und eine Auswerteeinheit auf, wobei der mindestens eine Sensor eine Position und eine relative Positionsänderung eines Zangenhebels direkt oder indirekt erfasst und mit der Auswerteeinheit verbunden ist.
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Damit wird eine Anwendung eines Sensors geschaffen, um den Verschleißstatus der Bremsbeläge und der Bremsscheibe auf automatisierte Weise zu erfassen.
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Eine direkte Erfassung wird dadurch realisiert, dass der mindestens ein Sensor mit einer Komponente der Bremszangeneinheit verbunden ist und deren Position gegenüber einem ortsfesten Teil oder einer ortsfesten Bezugslinie erfasst. Eine indirekte Erfassung erfolgt dadurch, dass der Sensor die Bewegung eines Teils erfasst, welches eine Positionsänderung einer Komponente der Bremszangeneinheit bewirkt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln von Verschleiß von Bremsbelägen und Bremsscheibe einer Bremszangeneinheit einer Scheibenbremse, insbesondere für Schienenfahrzeuge, aufweisend zwei Zangenhebel, einen Bremszylinder, Bremsbeläge und eine Verschleißsensorvorrichtung weist die Verfahrensschritte auf: (VS1) Erfassen von Positionen und relativen Positionsänderungen von Komponenten der Bremszangeneinheit mit mindestens einem Sensor bei Bremsvorgängen; (VS2) Erzeugen von Messsignalen anhand der erfassten Messwerte und Weiterleiten der Messsignale an eine Auswerteeinheit; und (VS3) Auswerten der Messsignale durch die Auswerteeinheit derart, dass die in den Messsignalen aufsummierten Verschleißwerte für Belagverschleiß und Scheibenverschleiß der Bremszangeneinheit ermittelt werden.
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Ein besonderer Vorteil hierin besteht, dass eine automatische Ermittlung nicht nur von Belagverschleiß sondern auch von Scheibenverschleiß einfach möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer bevorzugten Ausführung ist der mindestens eine Sensor Verschleißsensorvorrichtung ein Winkelsensor, der in einem Gelenk eines der Zangenhebel angeordnet ist und einen Winkel zwischen einer ortsfesten Bezugslinie der Bremszangeneinheit und einer Bezugslinie des Zangenhebels erfasst. Winkelsensoren sind kostengünstige marktübliche Bauteile mit hoher Qualität und einfacher Einbaumöglichkeit. Eine besondere und kostenaufwändige Anpassung an die Einbauumgebung ist nicht erforderlich.
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In einer weiteren Ausführung ist mindestens ein weiterer Sensor der Verschleißsensorvorrichtung ein Winkelsensor, der in einem Gelenk einer oder beider Hängelaschen, welche Bremsbelaghalter mit daran befestigten Bremsbelägen der Bremszangeneinheit und ein zuzuordnendes Drehgestell verbinden, angeordnet ist und einen Winkel zwischen einer ortsfesten vertikalen Bezugslinien und einer Bezugslinie der zugehörigen Hängelasche erfasst.
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Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Sensor ein Wegsensor sein und Längsbewegungen einer Kolbenstange eines Bremszylinders erfassen. Dies ist vorteilhaft einfach realisierbar. Zudem ist auch solch ein Wegsensor ein handelsübliches kostengünstiges Bauteil mit hoher Qualität.
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In einer anderen Ausführung kann alternativ oder zusätzlich der mindestens eine Sensor ein Wegsensor sein und einen Abstand zwischen den Gelenken der Zangenhebel, zwischen welchen der Bremszylinder oder eine Nachstellvorrichtung angeordnet ist, erfassen. Dies ist ebenfalls vorteilhaft einfach zu realisieren.
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In einer noch weiteren Ausführung ist der mindestens eine Sensor der Verschleißsensorvorrichtung ein Winkelsensor, der die relativen Winkelbewegungen eines Exzentergetriebes mit einer Exzentrizität relativ zu einem Gehäuse oder eines Kurbelarms des Exzentergetriebes relativ zu dem Gehäuse oder einer Kolbenstange eines Bremszylinders relativ zu dem Kurbelarm des Exzentergetriebes erfasst. Auf diese Weise kann auch eine so genannte Kompakt-Bremszangeneinheit vorteilhaft mit der Verschleißsensorvorrichtung versehen werden, wobei weitere Anbaustellen für weitere Sensoren, insbesondere zur vorteilhaften Plausibilisierung von erfassten Messwerten, vorhanden sind.
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Bei Bremszangeneinheiten mit Parallelführungseinrichtung kann der mindestens eine Sensor der Verschleißsensorvorrichtung ein Winkelsensor sein, der die Relativbewegungen in der Parallelführungseinrichtung der Bremszangeneinheit erfasst. Dieser Sensor kann sowohl vorteilhaft als einziger Sensor der Verschleißsensorvorrichtung vorgesehen sein, als auch als weiterer Sensor für Plausibilisierungszwecke.
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Es ist vorgesehen, dass der mindestens eine Sensor mindestens einen elektrisch veränderbaren Widerstand, induktive, kapazitive, optische Funktionselemente oder Kombinationen daraus aufweist. Ein elektrisch veränderbarer Widerstand, z.B. als Potentiometer, verliert seine Einstellung und somit den erfassten Messwert bei Stromausfall nicht. Für die anderen Ausführungen können entsprechende Speicher in der Auswerteeinrichtung vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Bremszangeneinheit für eine pneumatische Scheibenbremse ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da die meisten Schienenfahrzeuge mit Druckluft ausgerüstet sind.
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In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens ist der mindestens eine Sensor ein Winkelsensor und erfasst Winkel und Winkeländerungen zwischen einem Zangenhebel und einer ortsfesten Bezugslinie oder/und zwischen einer Hebellasche der Bremszangeneinheit zu einer ortsfesten Bezugslinie. Ein besonderer Vorteil ist es, dass der Sensor den Messwert sowohl statisch als auch dynamisch erfasst und raumsparend ausgebildet ist.
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Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der mindestens eine Sensor ein Wegsensor ist und einen Weg einer Kolbenstange eines Bremszylinders der Bremszangeneinheit oder einen Abstand zwischen Gelenken der Zangenhebel, zwischen welchen der Bremszylinder oder eine Nachstellvorrichtung angeordnet ist, erfasst. Auf diese Weise kann ein Einsatzbereich vorteilhaft erweitert werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die Auswerteeinheit die ermittelten Verschleißwerte mit vorher gespeicherten Grenzwerten für Belagwechsel und Scheibenwechsel vergleicht und entsprechend der Vergleichsergebnisse Anzeigen, Warnungen, usw. auf passenden Medien ausgibt. Damit wird eine einfache und effektive Verschleißermittlung ermöglicht.
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Eine noch weitere Ausführung sieht vor, dass die Auswerteeinheit die Messsignale derart auswertet, dass Informationen über die Strecke oder den Sinuslauf, welcher den Zugradsatz kontinuierlich aus seiner Ausgangsposition auslenkt, ermittelt werden. Ein Vorteil hierbei ist die erweiterte Funktionalität der Auswerteeinheit. Zusätzliche Vorrichtung sind dazu nicht erforderlich.
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Es ist zudem von großem Vorteil, wenn die Auswerteeinheit bei einer Anordnung von mehreren Sensoren deren Messsignale untereinander zur Plausibilisierung der ermittelten Verschleißwerte verwendet, da auf diese Weise eine Fehlerrate der ermittelten Werte verringert werden kann.
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In einer noch weiteren Ausführung verwendet die Auswerteeinheit das/die von dem/den Sensoren gelieferte/n Messsignal/e dazu, um den Verlust eines Bremsbelags zu erfassen oder/und zu prüfen, ob die Bremszangeneinheit betätigt oder gelöst ist. Damit kann die Funktionalität der Auswerteeinheit vorteilhaft erweitert werden.
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Es ist außerdem ein großer Vorteil, dass die Auswerteeinheit aus all den erfassten Messwerten und daraus ermittelten Verschleißwerten anhand von Vergleichswerten einen Verschleiß von Bremsbelägen und Bremsscheibe der gesamten Scheibenbremse ermittelt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht einer konventionellen Bremszangeneinheit;
- 2 eine schematische Perspektivansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit mit einer Verschleißsensorvorrichtung;
- 3 - 4 kinematische Schemata der Bremszangeneinheit des ersten Ausführungsbeispiels nach 2 in verschiedenen Verschleißzuständen;
- 5 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit nach 4 im eingebauten Zustand;
- 6 - 7 schematische Draufsichten eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit in Ausführung einer Kompakt-Bremszangeneinheit mit einer Verschleißsensorvorrichtung;
- 8 eine schematische Draufsicht einer Variation des zweiten Ausführungsbeispiels nach 6 - 7;
- 9 ein schematisches Schaubild von Verschleißgraphen; und
- 10 ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht einer konventionellen Bremszangeneinheit 1.
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Koordinaten x, y, z dienen in den Figuren zur Orientierung. Die Koordinate x verläuft in Längsrichtung der Bremszangeneinheit 1, die Koordinate y quer dazu, wobei die Koordinate z hier ein vertikale Richtung bildet. Andere Lagen der Bremszangeneinheit 1 sind natürlich auch möglich.
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Die Bremszangeneinheit 1 bildet eine Scheibenbremse für ein Schienenfahrzeug und umfasst hier zwei doppelwangige Zangenhebel 2, 3, zwei Bremsbeläge 4, 5, Zugstange 6 und einen Bremszylinder 7. Die doppelwangigen Zangenhebel 2, 3 weisen jeweils in zwei Horizontalebenen (x-y-Ebene) jeweils zwei Hebelabschnitte 2a, 2b; 3a, 3b auf. In einem jeweiligen gedachten Verbindungspunkt der Hebelabschnitte 2a, 2b; 3a, 3b sind die Zangenhebel 2, 3 mit einem jeweiligen Gelenk B um eine jeweilige Hebelachse in z-Richtung verschwenkbar angebracht. Die Gelenke B sind in den beiden Horizontalebenen jeweils durch Zugstange 6 und in Vertikalrichtung jeweils durch eine Vertikalstange 16 (siehe 2) verbunden.
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Auf einer Seite der Zangenhebel 2, 3 sind die Bremsbeläge 4, 5 über Belaghalter an freien Enden der Zangenhebel 2, 3 in Gelenken A verschwenkbar angebracht. An den anderen freien Enden der Zangenhebel 2, 3 ist der Bremszylinder 7 mit oder ohne Verschleißnachsteller in Gelenken C gelenkig angelenkt. Der Bremszylinder 7 kann z.B. pneumatisch, hydraulisch, elektromechanisch o.dgl. angetrieben sein. Die Bremsbeläge 4, 5 sind beidseitig einer hier nicht dargestellten Bremsscheibe 13 (siehe 2), die als Wellen-Bremsscheibe oder Rad-Bremsscheibe 13' ausgeführt ist (siehe 5), angeordnet.
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Während eines Bremsvorgangs wird der Bremszylinder 7 beim Zuspannen der Bremse aktiviert und vergrößert den Abstand in y-Richtung zwischen den Gelenken C. Da die Zugstangen 6 die Positionen der Zangenhebel 2, 3 in den Gelenken B fixiert, wird der Abstand in y-Richtung zwischen den Bremsbelägen 4, 5 und ihren Gelenken A verringert. Die Bremsbeläge 4, 5 werden so gegen die Bremsscheibe 13 gedrückt.
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Wenn die Bremse gelöst wird, wird der Bremszylinder 7 nicht betätigt, der Abstand zwischen den Gelenken C wird daher verringert, und der Abstand zwischen den Belaghaltern, d.h. den Bremsbelägen 4, 5 und ihren Gelenken A wird vergrößert. Die Bremsbeläge 4, 5 werden nicht mehr gegen die Bremsscheibe 13 gedrückt.
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Die Verwendung eines Verschleißnachstellers stellt sicher, dass das Bremsspiel, das auch als Lüftspiel bezeichnet wird, während der Betriebsdauer bei gelöster Bremse konstant gehalten wird.
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Während des Betriebs der Bremse nehmen der Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 und der Bremsscheibe 13 zu und bewirken, dass sich der Abstand zwischen den Gelenken C vergrößert und der Abstand zwischen den Belaghaltern, d.h. den Bremsbelägen 4, 5 und ihren Gelenken A verringert wird.
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2 stellt eine schematische Perspektivansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit 1 mit einer Verschleißsensorvorrichtung 10 dar. In den 3 und 4 sind kinematische Schemata der Bremszangeneinheit 1 des ersten Ausführungsbeispiels nach 2 in verschiedenen Verschleißzuständen gezeigt.
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Zur besseren Unterscheidung der einzelnen Gelenken A, B, C sind diese jeweils unterschiedlich mit A1, A2; B1, B2 und C1, C2 bezeichnet.
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Durch jedes Gelenk A1, A2; B1, B2; C1, C2 verläuft jeweils eine in z-Richtung (hier in vertikaler Richtung) liegende Gelenkachse A10, A20; B10, B20; C10, C20.
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Im Unterschied zu der konventionellen Bremszangeneinheit 1 nach 1 weist die erfindungsgemäße Bremszangeneinheit 1 die Verschleißsensorvorrichtung 10 auf. Die Verschleißsensorvorrichtung 10 umfasst hier zwei Sensoren 11 und eine Auswerteeinheit 12.
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Die Sensoren 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Winkelsensoren ausgebildet und in den Gelenken B1 und B2 angebracht. Die Sensoren 11 können elektrisch veränderbare Widerstände (Potentiometer), induktive (Hall-Sensor), kapazitive, optische Funktionselemente oder auch Kombinationen daraus aufweisen.
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Die Sensoren 11 erfassen Änderungen von Winkeln β1, β2 der Zangenhebel 2, 3 zu einer gedachten, ortsfesten Bezugslinie 8. Dazu sind die gedachte Bezugslinie 8 und eine weitere gedachte Bezugslinie 8a des Zangenhebels 3 in 2 angedeutet. Die Bezugslinie 8 verbindet die Gelenke B1 und B2. Die Bezugslinie 8a verläuft durch die Gelenke B2 und C2. In gleicher Weise ergibt sich eine weitere, hier nicht gezeigte Bezugslinie des anderen Zangenhebels 2, die im Zusammenhang mit den 3 und 4 noch ausführlich erläutert werden.
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Alternativ können beide Sensoren 11 entweder in den Gelenken C1, C2 oder in den Gelenken A1, A2 befestigt werden.
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Jeder Sensor 11 ist über eine Verbindungsleitung L mit der Auswerteeinheit 12 verbunden. Die Verbindungsleitung L steht stellvertretend für eine elektrisch leitende Leitung, eine optische Übertragungsstrecke, eine drahtlose Übertragungsstrecke (z.B. Funk, Ultraschall), oder dgl.
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Die Auswerteeinheit 12 empfängt von den Sensoren 11 in Abhängigkeit von den gemessenen Winkeln und den Winkeländerungen erzeugten Messsignale und wertet diese zur Erfassung des Verschleißes der Bremszangeneinheit 1 aus. Dies wird unten noch weiter beschrieben.
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Außerdem liefert die Auswerteeinheit 12 elektrische Versorgungsenergie an die Sensoren 11. Im Falle von drahtlos mit der Auswerteeinheit 12 verbundenen Sensoren 11 sind diese mit entsprechenden elektrischen Energiespeichern, z.B. Akkumulator, ausgerüstet.
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In 2 sind zudem Hängelaschen 14, 15 dargestellt, welche die Bremsbelaghalter und ein nicht gezeigtes Drehgestell des Schienenfahrzeugs, an dem die Bremszangeneinheit 1 angeordnet ist, verbindet. Jede Hängelasche 14, 15 weist zwei Hängeachsen 14a, 14b; 15a, 15b auf, welche jeweils in x-Richtung verlaufen. Die Verbindungen der Hängelaschen 14, 15 mit dem Drehgestell liegen in Gelenken D1 und D2. Mit der Bremszangeneinheit 1 sind die Hängelaschen 14, 15 über weitere Gelenke E1 und E2 verschwenkbar verbunden.
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3 zeigt das kinematische Schema der Bremszangeneinheit 1 des ersten Ausführungsbeispiels nach 2 im Neuzustand ohne Verschleiß. Den Zustand bei Verschleiß stellt 4 in einem kinematischen Schema dar.
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Die Zangenhebel 2, 3 sind mit ihren Hebelabschnitten 2a, 2b; 3a, 3b nur schematisch mit geraden Linien dargestellt. Diese Hebelgeometrien und die Zugstange 6 werden jeweils als steif angesehen.
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Ein Abstand a ist zwischen den Gelenken A1 und A2, welche die Bremsbeläge 4, 5 aufweisen, angegeben. Ein weiterer Abstand c, der hier als eine weitere Bezugslinie 9 bezeichnet ist, liegt zwischen den Gelenken C1 und C2, zwischen denen der Bremszylinder 7 angebracht ist.
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In
3,
4 entspricht die ortsfeste Bezugslinie 8 der schematisierten Zugstange 6. Zwischen den Hebelabschnitten 2a, 2b wird um das Gelenk B1 der Winkel β eingeschlossen. Dieser Winkel β ist unter der Voraussetzung, dass der Zangenhebel 2, 3 als steif angenommen wird, konstant und wird durch die Bezugslinie 8 in zwei Teilwinkel β
1, β
2 geteilt. Der Hebelabschnitt 2b des Zangenhebels 2 und die Bezugslinie 8 schließen den Winkel β
1 ein, wohingegen der Hebelabschnitt 2a des Zangenhebels 2 und die Bezugslinie 8 den Winkel β
2 einschließen. In dem Gelenk B1 gilt der Zusammenhang
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Im Gelenk B2 sind diese Winkelverhältnisse wie im Gelenk B1 vorhanden, die hier aber nicht eingetragen sind, da die Ausführungen für das Gelenk B1 auch für das Gelenk B2 gelten.
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Die Bezugslinien 8 und 9 verlaufen parallel zueinander und in der y-Koordinate rechtwinklig zu der x-Koordinate. Eine Mittelebene 13a der Bremsscheibe 13 liegt in der Längsachse der Bremszangeneinheit 1.
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Der Hebelabschnitt 2a und die Bezugslinie 9 schließen in dem Gelenk C1 einen Winkel γ ein. Dies gilt auch für das Gelenk C2.
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Der Sensor 11 der Verschleißsensorvorrichtung 10 ist hier symbolisch als Kästchen um das Gelenk B1 eingezeichnet. Der Sensor 11 kann sowohl den Winkel β1, den Winkel β2 oder auch beide jeweils zu der ortsfesten Bezugslinie 8 erfassen.
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4 zeigt den Zustand der Bremszangeneinheit 1 schematisch bei Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 und der Bremsscheibe 13.
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Der Abstand a ist durch den Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 und der Bremsscheibe 13 auf einen Abstand a' verringert. Dabei sind die Teilwinkel β'1 und β'2 entstanden, die jedoch jeweils unterschiedlich zu den Teilwinkeln β1 und β2 im Zustand ohne Verschleiß sind. Gleichzeitig ist der Abstand c auf einen Abstand c' vergrößert. Hierbei hat sich der Winkel γ' verglichen mit dem Winkel γ zu diesem verkleinert.
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Aus dem Messwert des Winkels β1 bzw. β'1 (β2 bzw. β'2) kann der Abstand a anhand der Geometrie und somit der Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 sowie der Bremsscheibe 13 ermittelt werden.
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Ebenfalls ist es möglich, aus einem Messwert des Winkels γ den Abstand a zu bestimmen.
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Da das Verschleißverhalten normalerweise symmetrisch zu der Mittelebene 13a ist, kann es ausreichend sein, nur einen Sensor 11 pro Bremszangeneinheit 1 zu verwenden.
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Es ist auch möglich, dass jedes Gelenk B1, B2; C1, C und/oder auch für die Gelenke A1, A2 mit einem Sensor 11 ausgerüstet ist. Die zusätzlichen Sensoren 11 können dabei zur Plausibilisierung des ermittelten Wertes für den Verschleiß dienen.
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5 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit 1 nach 4 im eingebauten Zustand mit einer Rad-Bremsscheibe 13' innerhalb eines Rades R.
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Alternativ kann ein kumulierter Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 und der Bremsscheibe 13, 13' auch bestimmt werden, indem die Relativbewegungen, d.h. Winkeländerungen, in den Gelenken D1, D2; E1, E2 einer oder beider Hängelaschen 14, 15 um die jeweilige zugehörige Hängeachse 14a, 14b; 15a, 15b ausgewertet werden, welche die Bremsbelaghalter mit den daran befestigten Bremsbelägen 4, 5 und das Drehgestell verbindet.
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Hierbei schließen ortsfeste vertikale Bezugslinien 8b und Bezugslinien 8c der beweglichen Hängelaschen 14, 15 jeweils einen zu messenden Winkel ϕ ein. Die Bezugslinien 8b und die Bezugslinien 8c schneiden sich jeweils in den Hängeachsen 14a, 15a der Gelenke D1, D2. Die Bezugslinien 8c verlaufen in dem gezeigten Beispiel jeweils durch die Hängeachse 14a des Gelenks D1 sowie durch die Hängeachse 15a des Gelenks D2. In entsprechender Weise können weitere, hier nicht gezeigte aber leicht vorstellbare Bezugslinienpaare durch die Hängeachsen 14b, 15b der Gelenke E1 und E2 verlaufen, wenn z.B. in den Gelenken E1, E2 Sensoren 11 angebracht sind.
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In diesem Fall können mindestens ein, vorzugsweise zwei oder mehr Sensoren 11 als Winkelsensoren eingesetzt sein, welche an der Auswerteeinheit 12 angeschlossen sind. Natürlich ist es auch möglich, dass diese Sensoren 11 allein oder zusammen mit den anderen Sensoren 11 in den Gelenken A1, A2; B1, B2; C1, C2 zum Einsatz kommen.
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Während des Betriebs des Zuges erfolgen viele Relativbewegungen in den Gelenken A, B, C, D, E der Bremszangeneinheit 1, welche vom Betrieb und der Strecke hervorgerufen werden.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 ermöglicht es, über den Verschleiß hinausgehende Informationen zu erfassen. Dies können Informationen über die Strecke oder den Sinuslauf, welcher den Zugradsatz kontinuierlich aus seiner Ausgangsposition auslenkt, sein. Diese Bewegungen wirken bei den Bremszangeneinheiten 1 auf die Hängelaschen 14, 15 oder bei Kompaktbremszangen (siehe 6) auf die Zangenhebel 2, 3.
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Derartige Informationen können mittels der Auswerteeinheit 12 aus den Messsignalen der verwendeten Sensoren 11 im Zusammenhang mit vorher gespeicherten Daten aus der Zugsteuerung, z.B. über den Streckenverlauf, verglichen und ausgewertet werden. Auf diese Weise lassen sich Abweichungen von einem Normalverhalten der Messsignale bei Zugbetrieb erkennen. Entsprechende Warnungen und Maßnahmen können frühzeitig erfolgen.
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In 6 ist eine schematische Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bremszangeneinheit 1 in Ausführung einer Kompakt-Bremszangeneinheit 1 mit einer Verschleißsensorvorrichtung 10 gezeigt. 7 zeigt eine Unterseite des zweiten Ausführungsbeispiels nach 6.
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Diese Bremszangeneinheit 1 wird auch kompakte Bremszangeneinheit 1 genannt. Sie umfasst zwei Zangenhebel 2, 3, wobei von diesen jeweils ein Ende mit den Bremsbelägen 4, 5 über deren Belaghalter in den Gelenken A1, A2 und das andere mit einer zwischen den Gelenken C1, C2 angeordneten Nachstellvorrichtung 25 verbunden ist.
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Das Dokument
EP 0 777 598 B1 gibt eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus und der Funktion einer konventionellen kompakten Bremszangeneinheit 1 an, worauf hier verwiesen wird.
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Die Mittelteile der Zangenhebel 2, 3 sind in Gelenken B1, B2 mit einem Gehäuse 6a gekoppelt, wobei der Kopplungspunkt des Zangenhebels 3 im Gelenk B2 die Form eines einfachen Drehlagers 17 hat. Der Kopplungspunkt des anderen Zangenhebels 2 ist in dem Gelenk B1 als ein Exzentergetriebe 20 ausgebildet, das von einer Kolbenstange 23 eines Bremszylinders 24 im Gehäuse 6a über einen Kurbelarm 22 in Richtung der beiden Zangenhebel 2, 3 bewegt wird. Die Kolbenstange 23 ist mit dem Kurbelarm 22 in einer Schwenkachse 23a verschwenkbar verbunden. Die Schwenkachse 23a verläuft in z-Richtung.
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Das Exzentergetriebe 20 weist eine Welle 18 auf, die im Gehäuse 6a um eine Drehachse 18a drehbar ist. Die Drehachse 18a ist mit einer Exzentrizität 21, welche schräg nach hinten und außen von der Bremsscheibe 13 weg gerichtet ist, versehen und trägt einen Zapfen 19. Eine Achse des Zapfens 19 ist die Gelenkachse B10 des Gelenks B1. Das Exzentergetriebe 22 ermöglicht ein Hochleistungsumwandlungsverhältnis mit relativ kurzen Zangenhebeln 2, 3.
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Die kompakte Bremszangeneinheit 1 eines Schienenfahrzeugs umfasst einen oder mehrere Sensoren 11 in den Gelenkpunkten (A1, A2; B1, B2; C1, C2) oder in den Gelenkverbindungen des Exzentergetriebes 20 oder zwischen einem Gelenkkopf 23a der Kolbenstange 23 des Bremszylinders 24 und dem Kurbelarm 22. Diese Sensoren 11 können wie schon oben beschrieben Winkelsensoren sein.
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Es ist auch möglich, dass mindestens ein Sensor 11 der Verschleißsensorvorrichtung 10 als Winkelsensor die relativen Winkelbewegungen des Exzentergetriebes 20 mit der Exzentrizität 21 relativ zum Gehäuse 6a oder des Kurbelarms 22 relativ zum Gehäuse 6a oder der Kolbenstange 23 relativ zum Kurbelarm 22 erfasst.
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Alternativ kann der Verschleiß (auch zusätzlich) bestimmt werden, indem die Längsbewegungen der Kolbenstange 23 des Bremszylinders 24 mittels eines Wegsensors 11a erfasst werden. Ein solcher Wegsensor 11a ist an die Auswerteeinheit 12 in oben beschriebener Weise angeschlossen. Er ist beispielsweise an Linearpotentiometer, induktiver oder kapazitiver Wegaufnehmer, oder/und als optischer Wegaufnehmer ausgebildet.
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In 7 ist gezeigt, dass anstelle des Winkels β2 (siehe 3, 4) zwischen der Bezugslinie 8 und einer Bezugslinie 9 des Zangenhebels 2, 3 auch ein Winkel δ zwischen einer zu der Bezugslinie 8 rechtwinkligen Bezugslinie 13b, 13c, die parallel zu der Mittelebene 13a in Längsrichtung der Bremszangeneinheit 1 in x-Richtung verläuft, und einer Bezugslinie 9a des Zangenhebels 2, 3 verwendet werden kann.
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8 zeigt eine schematische Draufsicht einer Variation des zweiten Ausführungsbeispiels nach 6 bis 7.
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Alternativ kann der Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5 der Bremszangeneinheit 1 bestimmt werden, indem die Relativbewegungen in einer Parallelführungseinrichtung 26 der Bremszangeneinheit 1 erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Zahnrädern 27, welche mit Verzahnungsabschnitten 37a von beispielsweise Parallellenkern 37 in Eingriff stehen, realisiert werden. Die Zahnräder 27 sind ihrerseits direkt oder indirekt mit Sensoren 11, insbesondere Winkelsensoren, gekoppelt. Die Zahnräder 27 weisen jeweils Achsen 27a auf, die hier parallel zu den Achsen der Gelenke A1, A2; B1, B2; C1, C2 verlaufen.
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Die Parallelführungseinrichtung 26 umfasst zwei Teile:
- - Eine Führungsvorrichtung 26 mit einem Führungsschlitz 26a, die starr mit dem Gehäuse 6a verbunden ist (oder auch Teil des Gehäuses 6a sein kann)
- - Die Parallellenker 37, die starr mit den Belaghaltern der Bremsbeläge 4, 5 verbunden sind (oder auch Teil des jeweiligen Belaghalters sein können), und im Führungsschlitz 26a geführt werden.
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Die Führung der Führungsvorrichtung 26 ist so ausgelegt, dass der Belaghalter unabhängig von der Stellung eines Haupthebels immer rechtwinklig zum Gehäuse 6a verbleibt. Dies wird erreicht, indem die Zangenhebel 2, 3 in den Führungsschlitzen 26a mit dem gleichen Radius wie der Haupthebel zwischen Gehäuse 6a und Belaghalter geführt werden.
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Eine Drehung eines jeweiligen Zahnrades 27 um seine Achse 27a weist einen Drehwinkel ε auf, der gemessen und für die Verschleißmessung verwendet werden kann. Hierbei gibt es viele Einflussparameter, die diese Messung beeinflussen können. Diese Parameter müssen bei einer Auswertung der Beziehung zwischen Belagverschleiß sowie Scheibenverschleiß und dem Drehwinkel ε vorher bestimmt bzw. im Verlauf einer Messung angepasst werden.
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9 stellt ein schematisches Schaubild 28 von Verschleißgraphen der Bremszangeneinheit 1 dar.
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Aufgetragen ist das Messsignal S eines oder mehrerer Sensoren 11 der Verschleißsensorvorrichtung 10 der Bremszangeneinheit 1 als Funktion der Zeit t. Das Messsignal S wird von der Auswerteeinheit 12 empfangen, verstärkt und ausgewertet. Auswertungsergebnisse werden von der Auswerteeinheit 12 an passende Anzeige-, Datenverarbeitungs- und Speichereinrichtungen weitergeleitet.
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Das Messsignal S zeigt die Längs- oder Winkelbewegungen und entspricht der Summe aus Verschleiß der Bremsbeläge 4, 5, der Bremsscheibe 13 und dem Lüftspiel.
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Die Kurve Bremsvorgang 29 (Bremse zuspannen, Bremse lösen) verläuft rhombusförmig zu höheren Verschleißwerten, wenn das Messsignal S kontinuierlich erfasst wird. Das Bezugszeichen 30 kennzeichnet einen Bremshub beim Zuspannen der Bremse. Ein Belagverschleißgraph 31 verläuft wie eine Dreieckfunktion ansteigend bis zu einem maximalen Verschleißwert Belagverschleiß 33, bei welchem dann Belagwechsel der Bremsbeläge 4, 5 stattfindet.
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Ein Scheibenverschleißgraph 34 weist ein längliches Sägezahnprofil auf. Ein Wechsel der Bremsscheibe 13 ist als Scheibenwechsel 35 erst nach etlichen Belagwechseln 32 erforderlich, wenn ein maximaler Scheibenverschleiß 36 vorliegt.
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Die Form des Messsignals 3 des Bremsbelagverschleißes 31 ist ebenfalls ein Sägezahnprofil, aber die Bremsbeläge 4, 5 müssen häufiger gewechselt werden als die Bremsscheibe 13.
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Mittels der kontinuierlichen Erfassung des Messsignals dem Verschleiß entsprechend kann eine ständige Überwachung des Verschleißes auf Besonderheiten und solche Ereignisse wie frühzeitiger oder abnormer Verschleiß schnell festgestellt werden.
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In 10 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Verschleiß von Bremsbelägen 4, 5 und Bremsscheibe 13, 13' der Bremszangeneinheit 1 gezeigt.
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In einem ersten Verfahrensschritt VS1 werden Positionen und die relativen Positionsänderungen von Bremszangenkomponenten wie Zangenhebel 2, 3 bei Bremsvorgängen mit mindestens einem Sensor 11 erfasst.
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Der mindestens eine Sensor 11 ist ein Winkelsensor und erfasst Winkel und Winkeländerungen zwischen einem Zangenhebel 2, 3 und einer ortsfesten Bezugslinie 8 oder/und zwischen einer Hebellasche 14, 15 der Bremszangeneinheit 1 zu einer ortsfesten Bezugslinie 8b.
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Der mindestens eine Sensor 11a kann auch ein Wegsensor sein und erfasst einen Weg einer Kolbenstange 23 eines Bremszylinders 24 der Bremszangeneinheit 1. Es ist auch möglich, dass ein Sensor 11 ein Winkelsensor und ein weiterer Sensor 11a ein Wegsensor ist.
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Der mindestens eine Sensor 11 erzeugt in einem zweiten Verfahrensschritt VS2 Messsignale S anhand der erfassten Messwerte und leitet diese an eine Auswerteeinheit 12.
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Die Auswerteeinheit 12 wertet die Messsignale S in einem dritten Verfahrensschritt VS3 derart aus, dass die in den Messsignalen S aufsummierten Verschleißwerte für Belagverschleiß und Scheibenverschleiß der Bremszangeneinheit 1 ermittelt werden.
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Die Verschleißwerte werden sodann mit vorher gespeicherten Grenzwerten für Belagwechsel und Scheibenwechsel verglichen. Entsprechend der Vergleichsergebnisse werden Anzeigen, Warnungen, usw. auf passenden Medien ausgegeben.
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Außerdem können die Messsignale derart ausgewertet werden, dass Informationen über die Strecke oder den Sinuslauf, welcher den Zugradsatz kontinuierlich aus seiner Ausgangsposition auslenkt, ermittelt werden.
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Bei einer Anordnung von mehreren Sensoren 11, 11a können deren Messsignale untereinander zur Plausibilisierung der ermittelten Verschleißwerte verwendet werden.
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Zudem kann/können das/die von dem/den Sensoren 11, 11a gelieferte/n Messsignal/e ebenfalls dazu verwendet werden, den Verlust eines Bremsbelags 4, 5 zu erfassen oder/und zu prüfen, ob die Bremszangeneinheit 1 betätigt oder gelöst ist.
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Aus all den erfassten Messwerten und daraus ermittelten Verschleißwerten kann die Auswerteeinheit 12 zudem anhand von Vergleichswerten einen Verschleiß der gesamten Bremszangeneinheit 1 ermitteln.
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Die Erfindung ist durch das oben angegebene Ausführungsbeispiel nicht eingeschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche modifizierbar.
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So ist z.B. denkbar, dass alternativ anstelle der Messung der Winkeländerungen in den Gelenken A, B, C die Veränderung der Entfernung, also der Abstand c bzw. a zwischen den Zangenhebeln 2, 3 mittels eines Längenmessgerätes gemessen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bremszangeneinheit
- 2, 3
- Zangenhebel
- 2a, 2b; 3a, 3b
- Hebelabschnitt
- 4, 5
- Bremsbelag
- 6
- Zugstange
- 6a
- Gehäuse
- 7
- Bremszylinder
- 8, 8a, 8b, 8c; 9, 9a, 9b
- Bezugslinie
- 10
- Verschleißsensorvorrichtung
- 11
- Sensor
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- Bremsscheibe
- 13a
- Mittelebene
- 13b, 13c
- Bezugslinie
- 14, 15
- Hängelasche
- 14a, 14b; 15a, 15b
- Hängeachse
- 16
- Vertikalstange
- 17
- Drehlager
- 18
- Welle
- 18a
- Drehachse
- 19
- Zapfen
- 20
- Exzentergetriebe
- 21
- Exzentrizität
- 22
- Kurbelarm
- 23
- Kolbenstange
- 23a
- Schwenkachse
- 23b
- Gelenkkopf
- 24
- Bremszylinder
- 25
- Nachstellvorrichtung
- 26
- Parallelführungseinrichtung
- 26a
- Führungsschlitz
- 27
- Zahnrad
- 27a
- Achse
- 28
- Schaubild
- 29
- Bremsvorgang
- 30
- Bremshub
- 31
- Belagverschleißgraph
- 32
- Belagwechsel
- 33
- Belagverschleiß
- 34
- Scheibenverschleißgraph
- 35
- Scheibenwechsel
- 36
- Scheibenverschleiß
- 37
- Parallellenker
- 37a
- Verzahnungsabschnitt
- A, A1, A2
- Gelenk
- B, B1, B2
- Gelenk
- C, C1, C2
- Gelenk
- D1, D2; E1, E2
- Gelenk
- A10, A20; B10, B20; C10, C20
- Gelenkachse
- L
- Verbindungsleitung
- R
- Rad
- S
- Messsignal
- VS1, VS2, VS3
- Verfahrensschritt
- x, y, z
- Koordinaten
- β, γ, ϕ, δ, ε
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/178018 A1 [0004]
- EP 0777598 B1 [0076]