Ing. Peter Berger Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge

Bremssysteme für Schienenfahrzeuge – sicher, zuverlässig, einzigartig
DMG Seminar am IFS der RWTH
Aachen, 08. Dezember 2015
Dr.-Ing. Peter Berger
Knorr-Bremse Group
Inhalt
 Anforderungen an die Bremssysteme der
Schienenfahrzeuge
 Historische Entwicklung
 Besonderheiten im Güterverkehr
 Besonderheiten im Personenverkehr
 Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Knorr-Bremse Group
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Anforderungen an die Bremssysteme der Schienenfahrzeuge
Die Hauptaufgabe des Bremssystems der Schienenfahrzeuge ist es:
 Fahrzeuge/Züge verzögern und Energie umwandeln:
 die Geschwindigkeit des fahrenden Zuges oder
Fahrzeuges entsprechend den betrieblichen
Gegebenheiten, gegebenenfalls bis zum Stillstand, zu
verringern,
 die Geschwindigkeit des fahrenden Zuges oder
Fahrzeuges in einem Gefälle konstant zu halten
 Fahrzeuge/Züge festhalten:
 stillstehende (haltende) Züge oder Fahrzeuge zeitlich
begrenzt gegenüber unbeabsichtigter Bewegung zu
sichern,
 stillstehende (abgestellte) Züge oder Fahrzeuge zeitlich
unbegrenzt gegenüber unbeabsichtigter Bewegung zu
sichern.
 Es wird eine solide Zuverlässigkeit erwartet.
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Anforderungen an die Bremssysteme der Schienenfahrzeuge
und weitere wesentliche Anforderungen an das Bremssystem der Schienenfahrzeuge
Durchgängigkeit
Selbsttätigkeit
Unerschöpfbarkeit
Die Bedienung aller Bremsen im
Zug erfolgt von einer zentralen
Stelle des Zuges, üblicherweise
aus dem besetzten, aktiven
Führerraum.
Im Falle einer unbeabsichtigten
Zugtrennung legen die Bremsen
beider Zugteile an, bringen den
Zug zum Stillstand und halten
ihn fest, bis die Bremsen durch
beabsichtigte Vorgänge gelöst
werden.
Verfügbarkeit einer ausreichend
großen Bremskraft bei
Anforderung der Bremsung.
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Anforderungen an die Bremssysteme der Schienenfahrzeuge
Darüber hinaus ergeben sich Anforderungen auch aus dem Betrieb der
Fahrzeuge, z.B. aus der Art der Zugsicherung – hier Fahren auf Sicht
 Straßenbahnen:
Hindernissen im Fahrweg,
insbesondere einem weiterem
Fahrzeug (besetztes Gleis, andere
Verkehrsteilnehmer bei Fahrten im
Straßenverkehrsraum) bzw. einer
Anhaltestelle zu rechnen.
 Der Fahrzeugführer hat die
Geschwindigkeit so zu wählen, dass
ein rechtzeitiges Anhalten im
einsehbaren Abschnitt möglich ist.
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Anhalteweg
 Grundsatz: Es ist jederzeit mit
Fahren auf Sicht ist die am
weitesten verbreitete
Betriebsart und bedingt damit
besondere Anforderungen
an das Bremsvermögen
dieser Fahrzeuge.
 Vollbahnfahrzeuge, Hochund U-Bahnen:
Fahren auf Sicht ist eine
Betriebsart beim Rangieren
oder im Falle von Störungen
am Signalsystem.
Das Bremsvermögen der
Fahrzeuge/Züge bestimmt in
der Regel die maximal
zulässige Geschwindigkeit.
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Anforderungen an die Bremssysteme der Schienenfahrzeuge
Darüber hinaus ergeben sich Anforderungen auch aus dem Betrieb der
Fahrzeuge, z.B. aus der Art der Zugsicherung – hier Fahren im raumabstand
 Eine Strecke ist in
Hauptsignal
Abschnitte (Blöcke)
eingeteilt.
Vorsignalabstand:
 Feste Abstände:
 Grundsatz: in jedem
z.B. 1.300, 1.000, 700, 400 m
Blockabschnitt darf sich nur
ein Zug/Fahrzeug befinden.
 Der Fahrzeugführer erhält
eine Zustimmung zum
Befahren des nächsten
Blockabschnittes (z.B.
durch ein Hauptsignal).
 Ein Vorsignal kann die
Stellung des nächsten
Hauptsignales anzeigen.
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Vorsignal
Vorsignalabstand definiert
das Bremsvermögen der
Fahrzeuge/Züge.
 Flexible Abstände:
z.B. abhängig von max.
Geschwindigkeit, Neigung,
etc.
Vorsignalabstand ergibt
sich aus dem „üblichen“
Bremsvermögen der
Fahrzeuge/Züge.
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Historische Entwicklung
Vorläufer der Eisenbahnen - Pferdekutschen und Pferdebahnen als
Massentransportmittel
Foto: Deutsches Museum
 Durch Pferdebahnen (ab Ende des 18. Jh.) Verminderung des Rollwiderstandes, dadurch
Zugbildung mit Erhöhung der Massen möglich
 Verwendete Bremstechnik bei Pferdekutschen und Pferdebahnen:
- Handbetätigte Reibungsbremsen (Hebelbremsen und Spindelhandbremsen)
- „Dynamische Bremsen“ (Bremskraft der Pferde)
- Hemmschuhe
 Höchstgeschwindigkeit ca. 10 bis 15 km/h
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Historische Entwicklung
Bremstechnik der ersten Eisenbahnen abgeleitet von den Pferdekutschen
Foto: Deutsches Museum
 Antriebstechnik (Dampfmaschine) erlaubt Höchstgeschwindigkeiten bis ca. 60 km/h
 Verwendete Bremstechnik:
- Handbetätigte Reibungsbremsen Hebelbremsen und Spindelhandbremsen auf der Lokomotive
- „Bremskraftmanagement“ (Durchgängigkeit) im Zug durch Besetzung mehrerer Handbremsen der
Wagen mittels Bremsern – akustische „Bremssignalübertragung“
 Technisch und betrieblich beherrschbare Höchstgeschwindigkeit ca. 20 bis 30 km/h
 Als „durchgehende“ Bremse in Europa bis zum ersten Viertel des 20. Jh. im Einsatz (Güterverkehr)
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Historische Entwicklung
Meilenstein bei der Eisenbahn – Einführung der durchgehenden,
automatischen (selbsttätigen, indirekt wirkenden) Druckluftbremse
Führerbremsventil
Hauptluftleitung
Bremszylinder
Steuerventil
Druckluftbeschaffung
Bremsluftvorratsbehälter
 erstes Patent von George Westinghouse um ca. 1870,
 Grundprinzip auch heute noch vielfältig in weiter entwickelter Form weltweit im Einsatz (Güterzüge,
Personenzüge, Hochgeschwindigkeitszüge),
 Technische Grenzen:
- Regelbarkeit und Ansprechzeiten
(pneumatische Signalübertragung und erforderliche Reduzierung der Längskräfte im Zug),
- Erschöpfbarkeit, vor allem bei der einlösigen Druckluftbremse.
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Historische Entwicklung
Weiterentwicklung – Einführung der mehrlösigen Druckluftbremse
 Maßgeblich entwickelt von Georg Knorr (Bauart: Kunze-Knorr Bremse)
 Erstmalig eingeführt um ca. 1915
 Wesentliche Verbesserung:
- Mehrlösigkeit und damit erhebliche Reduzierung der Neigung der selbsttätigen Druckluftbremse
zur Erschöpfbarkeit bei relativ häufigem Wechsel zwischen Brems- und Lösevorgängen
 Anhebung der Höchstgeschwindigkeit der Güterzüge von 30 auf 65 km/h
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Historische Entwicklung
Straßenbahnen – sind baulich kompakt (kurze Triebwagen, Niederflur, …) und
haben kaum Platz für Kompressoren, Führerbremsventile, klassische
Druckluftbremszylinder … etc.
 es entstehen spezifische Bremssysteme:
- alsbald Einführung der generatorischen Bremse
(„Kurzschluß“bremse  elektro-dynamische Bremse),
- Bedienung mit Fahr-/Bremsschalter und ggf.
Handbremshebel,
- Reibungsbremse, anfangs als Handbremse,
- Einführung von Schienenbremsen (in Tiefaufhängung) als
Zusatzbremse.
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Fotos: Thomas Reschke
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Historische Entwicklung
Längere Nahverkehrszüge (z.B. Hoch- und Untergrundbahnen) – nehmen
Anleihe bei der Druckluftbremse
 zur besseren Regelbarkeit für den Fahrzeugführer
kann die Druckluftbremse elektrisch im gesamten
Zugverband angesteuert werden (durchgehende,
direkt wirkende elektro-pneumatische Bremse),
 diese werden anfangs häufig ergänzt durch eine
einfache, indirekt wirkende Druckluftbremse als
sichere (selbsttätige) Rückfallebene.
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Besonderheiten im Güterverkehr
Ständige Weiterentwicklung der selbsttätigen Druckluftbremse bei Beibehaltung
des Grundprinzips (Hauptluftleitung)
 Weiterentwicklung der Antriebstechnik führt zu höheren Zugkräften und Antriebsleistungen
 Bremstechnik der Lokomotiven wird an moderne Fahrzeugleittechnik angepasst (elektronische
Steuerungen)
 Weiterentwicklung der selbsttätigen Druckluftbremse, z.B. Einführung des KNORR
KE-Ventilbaukastens:
- Erhöhung der Durchschlagsgeschwindigkeit durch Beschleunigungseinrichtungen
- Erhöhung der Verfügbarkeit durch reduzierten Wartungsaufwand (verbesserte Ventiltechnik)
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Besonderheiten im Güterverkehr
Güterverkehr weltweit – die wesentlichen „Standards“ für Bremssysteme
AAR-System
GOST-System
ARA-System
UIC-System
AAR-China
Vakuum-System
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Besonderheiten im Güterverkehr
Regionale Besonderheiten in der Bremstechnik der Güterzüge (Beispiele)
UIC
AAR
GOST
 Kürzere, schnellere
 Lange, schwere Güterzüge
 Lange Züge bis 1.500 m
Güterzüge bis zu ca. 800 m
Zuglänge, viele
Gefällestrecken
 Mehrlösigkeit
 G/P – Umstellung
(veränderliches
Zeitverhalten)
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



bis zu mehreren km
Zuglänge
Einlösigkeit
Schnellbremsbeschleuniger
Betriebsbremsbeschleuniger
Lösebeschleuniger




Zuglänge
Einlösigkeit
Mehrlösigkeit für
Gefällestrecken (umstellbar)
Betriebsbremsbeschleuniger
Lösebeschleuniger
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Besonderheiten im Güterverkehr
Weiterentwicklung der Bremstechnik für lange Güterzüge
 Beginn der Einführung der elektronischen Güterzugbremse ECP für sehr lange Güterzüge
(Knorr Bauart EP60)
 Eigenschaften:
- Verkürzte Brems- und Lösezeiten, Mehrlösigkeit, Integration der Lastabbremsung,
Diagnosefähigkeit
- Reduzierung der Längskräfte (Vermeidung von Zugtrennungen) und Verringerung der
erforderlichen Traktionsenergie
 Erhöhung der Durchschnittsgeschwindigkeit der Züge und damit Steigerung der Streckenkapazität
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Besonderheiten im Personenverkehr
Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit auf bis zu 160 km/h erfordert neue
technische Lösungen in der Bremstechnik
Foto: Bundesarchiv
 Erhöhung der Höchstgeschwindigkeit erfolgt bei weitestgehend unveränderter Infrastruktur, der
Bremsweg ist damit bestimmt durch den vorhandenen Vorsignalabstand
 Einführung neuer Technologien
- Magnetschienenbremse für Vollbahnen
- Hochleistungsklotzbremse mit geschwindigkeitsabhängiger Umschaltung der Bremskraft
- Blockierschutzeinrichtungen (mechanischer Gleitschutz)
- Versuche mit Trommelbremsen und Scheibenbremsen zur thermischen Entlastung der Räder
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Besonderheiten im Personenverkehr
Weiterentwicklung der Schienenfahrzeugtechnik und der Zugsicherungstechnik
ermöglichen Geschwindigkeiten von 200 km/h und mehr
Bremsenergie je Radsatz bei
15 t bzw. 20 t Radsatzlast
*
E kinetisch [MJ]
100
80
60
40
20
0
0
 Begrenzung des Verschleißes der Reibungsbremse
100
200
300
400
Geschwindigkeit [km/h]
- Berücksichtigung der Wirkung von dynamischen Bremsen in der Bremssteuerung
 Hohe umzusetzende kinetische Energien
- Einführung und Weiterentwicklung der Scheibenbremse
 Erhöhung des Fahrkomforts
- Einführung der elektropneumatischen Zusatzbremse
 Beherrschung des Kraftschlusses Rad/Schiene beim Bremsen
- Entwicklung und Einführung von Gleitschutzeinrichtungen
* Foto: Deutsches Museum
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Besonderheiten im Personenverkehr
Geschwindigkeitssteigerungen bis zu ca. 350 km/h führen zu einer
zunehmenden Einführung von verteilten Antrieben
 Reduzierter Einbauraum insbesondere bei den in einem zunehmenden Anteil verwendeten
angetriebenen Fahrwerken
- Bremsscheiben aus Stahlguss und ISOBAR®-Bremsbeläge zur Reduzierung der Anzahl der
erforderlichen Krafterzeuger trotz höherer umzusetzender Bremsenergien
- Entwicklung und Einführung von kompakten Bremszangeneinheiten für Wellen- und
Radscheibenbremsen
 Serienmäßige Einführung der linearen Wirbelstrombremse
 Zugweites Bremskraftmanagement
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Besonderheiten im Personenverkehr
Bremsleistung [MW]
Bremsmanagement – Beispiel für die Verteilung der Bremsleistung über der
Geschwindigkeit beim ICE3 bei einer mittleren Bremsanforderung
Wirbelstrombremse
Scheibenbremse
Elektrodynamische-Bremse
Geschwindigkeit [km/h]
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Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
In Schienenfahrzeugen verwendete Bremssysteme
Bremssysteme
für
Schienenfahrzeuge
Kraftschlussabhängig *
Reibungsbremsen
Dynamische
Bremsen
Kraftschlussunabhängig *
Schienen
Bremsen
Sonstige
Klotzbremse
Elektrodynamische Bremse
Magnetschienenbremse
Aerodynamische
Bremse
Scheibenbremse
Hydrodynamische Bremse
Lineare
Wirbelstrombremse
Fahrwiderstand
Kombinierte
Klotz-/Scheibenbremse
Trommelbremse
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Rotierende
Wirbelstrombremse
…
* Kraftschluss zwischen Rad und Schiene
│21
Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Bauarten der Reibungsbremse bei Schienenfahrzeugen
(Prinzip der Ansteuerung, „Wirkmedium“)
Bremsbauart
Druckluftbremse
Handbremse
ElektroHydraulische
Bremse
Aktiv
Direkt
Wirkend
Sonstige
Passiv
Indirekt
Wirkend
Vakuumbremse
Seilzugbremse
Pneumatisch
ElektroPneumatisch
Pneumatisch
ElektroPneumatisch
Elektromechanische
Bremse
…
Aktiv
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Passiv
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Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Heute verwendete Bremssysteme in den verschiedenen Fahrzeugen
Fahrzeuggattung
Indirekte Direkte
Druckluft- EPBremse
Bremse
Elektrohydraul.
Bremse
Dynam.
Bremse
Schienenbremse
Federspeicherbremse
Nahverkehrsfahrzeuge
Straßenbahn
-
-
X
X
X
X
Stadtbahn
-
(x)
(x)
X
X
X
U-Bahn
-
X
-
X
-
x
Eisenbahnfahrzeuge (Vollbahnfahrzeuge)
Lokbesp. Zug
X
-
-
(x)
(x)
(x)
S-Bahn Triebzug
(x)
X
-
X
(x)
X
Regionaltriebzug
(x)
X
-
X
X
X
HGV-Triebzug
X
(x)
-
X
(x)
X
(x) – Verwendung ein einigen Fahrzeugen
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│23
Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Stand der Entwicklung in der Bremstechnik der Schienenfahrzeuge
Foto: Thomas Reschke
 Moderne Hochleistungselektronik in der Antriebstechnik erlaubt die Möglichkeit der
Energierückspeisung der elektro-dynamischen Bremse (regenerative Bremse),
 Die Verwendung elektronischer Bremssteuerung ermöglicht insbesondere eine
verschleißoptimierte Bremskraftverteilung zwischen den verfügbaren Bremssystemen (Blending,
Zugbremsmanagement) und eine einfachere Integrierbarkeit von Zusatzfunktionen (z.B.
Gleitschutz, Haltebremse, Bremsproben, Diagnose) für beinahe alle Fahrzeuggattungen,
 Kompakter, modulare und mechatronische Produkte führen zu universellerem Einsatz,
einfacherer Montage und reduzierten Einbauräume.
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Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Entwicklungsfelder der Bremstechnik im Güterverkehr
Foto: Georg Krause
 Priorität:
-
Geringer Beschaffungspreis
Lärmreduzierung
Optimierung der LCC für Fahrzeuge und Betrieb
Erhöhung der Laufleistung der Güterwagen, z.B. durch Reduzierung notwendiger
Stillstandszeiten im Betrieb (z.B. für Bremsproben)
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Zusammenfassung und Entwicklungsfelder
Entwicklungsfelder im Personenverkehr
Foto: Thomas Reschke






weitere Automatisierungen im Betrieb der Züge, zum Teil auch durch fahrerlose Systeme,
Gewährleistung einer hohen Fahrzeugverfügbarkeit,
weitere Reduzierung der LCC (Beschaffungs- und Betriebskosten, Energieverbrauch, Verschleiß, etc.),
weitere Systemoptimierung hinsichtlich der Reibung zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe,
weitere Optimierung der Kraftübertragung im Aufstandspunkt zwischen Rad und Schiene,
integrierte, baulich kompakte Bremseinheiten.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH
Herr Dr.-Ing. Peter Berger
Moosacher Straße 80
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