TU Berlin

FG Konstruktion von MaschinensystemenKlotzbremse

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Untersuchung des Verhaltens von Klotzbremsen

Im Güterwagenbereich sind Klotzbremsen die am häufigsten eingesetzten Bremssysteme.

Die Klotzbremse wirkt auf die Umfangsfläche des Rades. Dabei wird Grauguss als Reibwerkstoff der Bremsklötze verwendet. Neben allen guten Eigenschaften der Graugussklötze wie z. B. die guten Reibwerte unter verschiedenen Witterungs- und Temperaturbedingungen hat Grauguss auch negative Eigenschaften. Dazu gehören die starke Geräuschentwicklung beim Bremsen sowie der hohe Verschleiß von Bremsklotz und Rad, verbunden mit einer starken Aufrauung der Radoberfläche. Diese raue Radoberfläche führt zur Beschädigung der Schienenlauffläche durch das Abrollen der Räder. Die aufgeraute Oberfläche der Schiene und der Räder führt wiederum zu erheblich höheren Rollgeräuschen.

Die Gleisanlagen werden jedoch von Hochgeschwindigkeits- und Güterzügen gleichermaßen genutzt. Um hier Komfortbeeinträchtigungen vorzubeugen, müssen die Schienenlaufflächen regelmäßig geschliffen werden. Somit verursachen Klotzbremsen aus Gauguss erhebliche Wartungskosten der Güterwagen durch hohen Verschleiß der Räder und der Bremsklötze sowie Nebenkosten zur Wartung der Gleisanlagen.

In Folge dessen soll es zu einem Austausch der Grauguss-Klötze durch Reibwerkstoffe aus Verbundmaterialien kommen. Vorteile wären eine geringere Geräuschentwicklung, ein geringerer Verschleiß und Aufrauung der Lauffläche des Rades und der Schienen.

Dazu werden an einem Schwungmassenprüfstand Versuche an Reibbelag-Proben unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen durchgeführt. Um unterschiedliche Bedingungen zu simulieren ist der Prüfstand mit einer Klimakammer ausgerüstet, die es ermöglicht einen Temperaturbereich von –30 °C bis +80 °C abzudecken. Ebenfalls ist eine Bewässerungs-einrichtung vorhanden. Zu den Betriebsbedingungen zählen:

  • Bremsungen im warmen Zustand
  • Bremsungen bei Nässe
  • Bremsungen bei tiefen Temperaturen
  • Bremsungen unter Eis

Bild 1 Prinzipskizze des Prüfstandes

Bild 2 Foto vom Prüfstand

Bei dem vorhandenen Prüfaufbau wird eine Reibwerkstoff-Probe von 50 mm x 80 mm gegen eine Scheibe aus C45 gebremst. Dabei sind alle Belastungsdaten des Originalsystems an den Prüfaufbau angepasst worden. Es ermöglicht dem Hersteller von Reibbeläge eine schnelle Aussage über die Eigenschaften der Reibmaterialien unter verschiedensten Bedingungen.

Die Ergebnisse der Versuche am Prüfaufbau lassen sich gut untereinander vergleichen. Selbst die Ergebnissen des Originalsystems sind mit denen des Prüfaufbaus bei Trockenbremsungen unter gleichen Parametern gut vergleichbar. Bild 3 und Bild 4 zeigen mittlere Reibungszahlen von Stoppbremsungen aus verschiedenen Geschwindigkeiten vom Original- und Prüfsystem verschiedener Reibwerkstoffe.

Bild 3 Mittlere Reibungszahlen des Belages A des Original- und des Testsystems

Bild 4 Mittlere Reibungszahlen des Belages B des Original- und des Testsystems

Nachteilig verhalten sich die Verbundwerkstoff-Beläge jedoch vor allem bei Bremsungen unter Nässe. Hier fällt die Reibungszahl im Laufe der Bremsung stark ab und liegt teilweise weit unter dem Niveau von Grauguss, Bild 5. Die Entwickler von Bremsbelägen versuchen dieser Eigenschaft durch Veränderung der Zusammensetzung entgegen zu wirken.

Am Fachgebiet soll versucht werden die Ursachen für das Versagen bei Nässe herauszufinden und evtl. konstruktive Veränderungen der Belaggeometrien vorzunehmen. Dazu wird derzeit ein Versuchsstand aufgebaut, der es ermöglichen soll, den Einfluss von Nässe auf den Reibprozess am Originalsystem zu untersuchen. Bild 6 zeigt den Prüfstand als 3-D-CAD-Zeichnung.

Bild 5 Mittlere Reibungszahlen bei Bremsungen unter Nässe

 

 

 

Bild 6 3-D-CAD-Zeichnung vom Klotzbrems-Prüfstand

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