DE4231549A1

DE4231549A1 - Bremsklotz fuer scheibenbremsen fuer eisenbahnen

Info

Publication number: DE4231549A1
Application number: DE19924231549
Authority: DE
Inventors: Jacques Seidermann; Jean-Luc Bourdel
Original assignee: Flertex SA
Current assignee: Flertex SA
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1992-09-21
Publication date: 1993-04-08
Also published as: FR2681925B1; GB2260173B; FR2681925A1; GB9220446D0; GB2260173A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Scheibenbremsen für Eisenbahnen.

Bekanntlich werden die seit langem für Kraftfahrzeuge bekannten Scheibenbremsen heute immer häufiger bei der Eisenbahn eingesetzt, wo sie die bisher zur Ausrüstung des entsprechenden Materials dienenden Bandbremsen ersetzen.

Wie beim Kraftfahrzeug benutzen die Scheibenbremsen für Eisenbahnen zwei Bremsklötze, die jeder jeweils auf der einen und anderen Seite der Scheibe angeordnet und dort einer Druck betätigungsvorrichtung unterworfen sind, die von einer Zange oder einem Bügel getragen ist. Diese Bremsklötze sind gewöhn lich in Umfangsrichtung unterteilt in zwei Halbklötze und weisen jeder einen Reibbelag, mit dem sie an die Scheibe ange preßt werden können, und eine Druckplatte auf, welche diesen Reibbelag trägt und durch welche sie selbst an einem bezüglich der Scheibe feststehenden Halter angebracht werden können.

Jedoch liegen bei der Eisenbahn ganz besondere Betriebs bedingungen für solche Scheibenbremsen vor.

Zunächst einmal ist der durch Druckluft ausgeübte Druck, durch den der Reibbelag der Bremsklötze gegen die Scheibe gedrückt wird, verhältnismäßig niedrig.

Zugleich aber ist die Lineargeschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen diesem Reibbelag und der Scheibe im Gegenteil sehr viel höher.

Die bei einer Bremsung absorbierte Energie wird als Wärme abgegeben, und die daraus folgende Temperaturerhöhung der Scheibe bewirkt eine Ausdehnung des sie bildenden Materials, gleichgültig, ob es sich um Gußeisen oder Stahl handelt.

Wiederholte Bremsungen bewirken also abwechselnd Erhitzungen und Abkühlungen der Scheibe.

Wenn bei solchen Bremsvorgängen die Erhitzung ausreicht, kann die Grenze der Zugelastizität des die Scheibe bildenden Materials erreicht werden, und es können Ermüdungsrisse an deren Oberfläche auftreten, was deren Lebensdauer und damit die Sicherheit beeinträchtigt.

Um die Erhitzung beim Bremsen zu begrenzen, muß man die mittlere Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Reibbelag und der Scheibe verringern.

Man muß daher eine gute Wärmeverteilung erreichen und dabei dennoch einen maximalen Kontakt zwischen diesem Reib belag und der Scheibe gewährleisten.

So ist es auch unabhängig von jeder anderen Überlegung in dieser Hinsicht besonders erwünscht, daß bei Scheibenbremsen für Eisenbahnen trotz des bei ihnen ausgeübten verhältnismäßig geringen Andrucks der Bremsbelag sich der Scheibe so gut wie möglich anschmiegt, indem er sich auf deren gesamte Oberfläche anlegt.

Es erscheint daher in dieser Hinsicht erwünscht, daß das diesen Reibbelag bildende Reibmaterial verhältnismäßig elastisch ist oder anders gesagt, daß dieses Reibmaterial senkrecht zur Reibfläche einen verhältnismäßig geringen Druckelastizitätsmodul aufweist.

Ein Druckelastizitätsmodul in der Größenordnung von 6800 daN/cm² wird im allgemeinen in dieser Hinsicht bei der Eisenbahn als geeignet angesehen.

Es zeigt sich aber, daß mit einem Reibmaterial, das einen solchen Druckelastizitätsmodul aufweist, beim Bremsen eine sehr erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades beobachtet wird, wenn dieses Bremsen in feuchter Atmosphäre erfolgt, beispielsweise bei Regen oder Schnee.

Diese Verringerung des Wirkungsgrades, die als Bremsweg bis zum Halten bestimmt wird, und gegenwärtig in der Größen ordnung von 30 bis 40% liegt, kann 100% erreichen. Dieses noch schlecht verstandene Phänomen wird im allge meinen auf die Gegenwart eines Wasserfilms zurückgeführt, der sich bei mittleren Geschwindigkeiten zwischen dem Reibbelag und der Scheibe bildet.

Zur Behebung dieses Nachteils wurde vorgeschlagen, für die Herstellung des Reibbelages ein verhältnismäßig hartes Reibmaterial zu verwenden, wie das bereits für Kraftfahrzeuge bekannt ist.

Um einen genügenden Reibungskoeffizienten in feuchter Atmosphäre beizubehalten, wird in der Praxis im allgemeinen angenommen, daß dieses Reibmaterial einen Druckelastizitäts modul höher als 11 000 daN/cm² aufweisen muß.

Es wird angenommen, daß die aus einem solchen Reibmate rial hergestellten Reibbeläge den Wasserfilm zerstören, wenn die Tendenz zur Bildung eines solchen Wasserfilms besteht.

Sie weisen aber als Nachteil auf, daß sie sich nur sehr unvollkommen an die Scheibe anlegen.

Daraus folgt beim Bremsen eine unregelmäßige Erhitzung der Scheibe mit der Gefahr einer örtlichen Überhitzung, die, wie erwähnt, zur Bildung von Rissen führt.

Für eine Scheibenbremse für Eisenbahnen muß also das den Reibbelag der Bremsklötze bildende Reibmaterial zwei gegen sätzliche und unvereinbare Bedingungen erfüllen, nämlich gleichzeitig verhältnismäßig elastisch und verhältnismäßig hart sein.

Aufgabe der Erfindung ist allgemein, eine Anordnung zu schaffen, welche diese Schwierigkeit in einfacher Weise überwindet.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch einen Bremsklotz für Scheibenbremsen für Eisenbahnen, der einen von einer Druck platte getragenen Reibbelag aufweist und im ganzen dadurch gekennzeichnet ist, daß zugleich einerseits der Reibbelag aus einem Reibmaterial mit hohem Druckelastizitätsmodul besteht und daß andererseits zwischen diesem und der Druckplatte eine Zwischenschicht aus einem Material mit niedrigem Druckelasti zitätsmodul angeordnet ist.

In der Praxis wird der Druckelastizitätsmodul des den Reibbelag bildenden Reibmaterials höher als 11.000 daN/cm² und der Druckelastizitätsmodul des die Zwischenschicht bildenden Materials unter 1000 daN/cm² und vorzugsweise in der Größen ordnung von 800 bis 900 daN/cm² gewählt.

Im ganzen ist bei sonst gleichen Bedingungen die absolute Verformung der vom Reibbelag und dieser Zwischenschicht gebil deten Anordnung somit äquivalent derjenigen eines Reibbelages von gleicher Dicke wie die dieser Anordnung und hergestellt aus einem Reibmaterial, dessen Druckelastizitätsmodul kleiner als 7000 daN/cm² und vorzugsweise in der Größenordnung von 6800 daN/cm² ist.

Der erfindungsgemäße Bremsklotz für Scheibenbremsen weist so an der Oberfläche einen Reibbelag aus genügend hartem Reib material auf, um eine wesentliche Verringerung des Wirkungs grades in feuchter Atmosphäre zu vermeiden, und zugleich weist er im Inneren unter diesem Reibbelag eine Zwischenschicht aus einem Material auf, das genügend elastisch ist, so daß dieser Reibbelag sich unter allen Umständen bestens an die Scheibe anschmiegt.

In der Praxis beträgt bei dem erfindungsgemäßen Brems klotz für Scheibenbremsen die Verringerung des Wirkungsgrades in feuchter Atmosphäre weniger als 20% und bleibt meistens unter 15%.

Zwar ist es bereits bekannt, besonders aus dem Patent US-A-37 51 330, in einem Bremselement eine Zwischenschicht aus verhältnismäßig elastischem Material zu verwenden.

Bei diesem amerikanischen Patent handelt es sich aber um einen Bremsschuh für eine Bandbremse.

Außerdem und vor allem bezweckt die Zwischenschicht dort im wesentlichen einen verhältnismäßig hohen tangentialen Scherwiderstand bezüglich der Grenzfläche der Reibung, was durch die Anwesenheit von Filamenten in ihrer Füllung bestä tigt wird.

Es handelt tatsächlich und im wesentlichen darum, eine unter der dynamischen Beanspruchung von Schwingungen eintre tende Ablösung des Reibbelages von der ihn tragenden Druck platte zu verhindern.

Solche Gesichtspunkte spielen beim erfindungsgemäßen Bremsklotz für Scheibenbremsen für Eisenbahnen keine Rolle, wo im Gegenteil eine bestimmte Elastizität senkrecht zur Rei bungsgrenzfläche gewünscht wird, um eine gute Anpassung der diese Grenzfläche definierenden Oberflächen aneinander zu erhalten.

Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im übrigen erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die sich auf die beigefügten schema tischen Zeichnungen bezieht. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Aufriß eines erfindungsgemäßen Brems klotzes;

Fig. 2 einen Querschnitt längs II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend dem der Fig. 2 für eine abgewandelte Ausführungsform.

Wie in diesen Figuren gezeigt und in an sich bekannter Weise, weist der Bremsklotz 10 für eine Scheibenbremse, der zur Ausrüstung von Eisenbahnmaterial bestimmt ist, im ganzen einen Reibbelag 11 auf, der von einer Druckplatte 12 getragen ist.

Beispielsweise und wie gezeigt, erstreckt sich die Druck platte 12 nur über einen Teil der Fläche des Reibbelages 11 auf dessen Rücken und, damit die Gesamtanordnung an einem be liebigen Halter 13 befestigt werden kann, der teilweise sche matisch strichpunktiert in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, weist sie an ihrer Rückseite eine Nut 14 auf, die für eine Montage vom Typ Schwalbenschwanz an diesem Halter 13 geeignet ist.

Da entsprechende Ausbildungen an sich bekannt sind und nicht von der Erfindung herrühren, werden sie hier nicht weiter im einzelnen beschrieben.

In an sich bekannter Weise und wie schematisch gestri chelt in Fig. 1 gezeigt, ist der erfindungsgemäße Bremsklotz 10 für eine Scheibenbremse gewöhnlich Ende an Ende mit einem anderen gemäß einem Umfang der betreffenden Scheibe angeord net.

Erfindungsgemäß besteht der Reibbelag 11 aus einem Reib material mit hohem Druckelastizitätsmodul senkrecht zu der Fläche, durch die der Belag gegen eine nicht gezeigte Scheibe angedrückt werden soll, und zusammen damit ist zwischen diesem Reibbelag 11 und der diesen tragenden Druckplatte 12 eine Zwischenschicht 16 aus einem Material mit niedrigem Druck elastizitätsmodul angeordnet.

Vorzugsweise ist der Druckelastizitätsmodul des den Reibbelag 11 bildenden Reibmaterials höher als 11.000 daN/cm² gewählt, und das die Zwischenschicht 16 bildende Material ist so ausgewählt, daß bei im übrigen gleichen Bedingungen die absolute Verformung der von diesem Reibbelag 11 und dieser Zwischenschicht 16 gebildeten Anordnung senkrecht zur Ober fläche 15 des Reibbelags 11 äquivalent zur Verformung eines Reibbelags von gleicher Dicke e wie die Dicke dieser Anordnung ist, wobei dieser Reibbelag aus einem Reibmaterial besteht, dessen Druckelastizitätsmodul E kleiner als 7000 daN/cm² und vorzugsweise in der Größenordnung von 6800 daN/cm² ist.

Angenommen, e′ sei die Dicke des Reibbelags 11 und E′ der Druckelastizitätsmodul des Reibmaterials, aus dem er besteht.

Es sei ferner angenommen, daß e′′ die Dicke der Zwischen schicht 16 und E′′ der Druckelastizitätsmodul des diese Schicht bildenden Materials ist.

Zwischen den verschiedenen hier betrachteten Parametern besteht folgende Beziehung:

Unter Berücksichtigung der oben für die Druckelastizi tätsmodule E, E′ angegebenen Zahlenwerte kann man aus dieser Beziehung die Größenordnung des Druckelastizitätsmoduls E′′ ableiten, den das die Zwischenschicht 16 bildende Material in Abhängigkeit von der Summe der Schichtdicken haben muß.

Beispielsweise kann die Dicke e′ des Reibbelags 11 doppelt so groß sein wie die Dicke e′′ der Zwischenschicht 16, wie in Fig. 2 gezeigt.

Als Variante kann sie auch von gleicher Größenordnung wie jene sein, wie Fig. 3 zeigt.

Im ganzen ist jedoch der Druckelastizitätsmodul E′′, den das die Zwischenschicht 16 bildende Material aufweisen muß, in der Praxis stets kleiner als 1000 daN/cm² und meist in der Größenordnung von 800 bis 900 daN/cm².

Jedenfalls wird er vorzugsweise so bestimmt, daß bei vollständiger Abnutzung des Reibbelags 11 die Verformung noch ausreichend ist.

Ferner enthält die Zwischenschicht 16 vorzugsweise Kaut schuk oder ein zusammengesetztes Material mit Elastomermatrix.

In Gewichtsanteilen und auf reinen Kautschuk bezogen, liegt ihr Kautschukgehalt dann zwischen 10 und 30%, vorzugs weise in der Größenordnung von 15%.

Wenn die Zwischenschicht 16 einen Füllstoff enthält, ist außerdem vorzugsweise dieser Füllstoff frei von Filamenten.

Im folgenden wird als Beispiel, ohne Begrenzung darauf, eine mögliche Zusammensetzung für das den Reibbelag 11 bildende Reibmaterial und eine mögliche Zusammensetzung für das die Zwischenschicht 16 bildende Material angegeben.

A. Reibbelag 11
Gewichts-%
Stahlwolle
23,3
Steinwolle (Gesteinsfaser)	10
Nitrilkautschuk	3,95
Schwefel	1,05
Phenol-formaldehydharz	10,95
Hexamethylentetramin	0,85
Messingspäne	19,15
Eisenoxid	12
Steinkohlenkoks	10,7
Magnesia	7,5
Siliciumcarbid	0,55
	100

B. Zwischenschicht 16
Gewichts-%
Stahlwolle
40
Steinwolle (Gesteinsfaser)	15
Styrol-Butadien-Kautschuk	15
Schwefel	0,5
Zinkoxid	3,5
Magnesia	3
Phenol-formaldehydharz	1
Baryt	16
Eisenoxid	3
Graphit	3
	100

Bei einer solchen Zusammensetzung behält das die Zwi schenschicht 16 bildende Material vorteilhafterweise seine dynamischen elastischen Eigenschaften bis etwa 100°C, was für die meisten Anwendungen ausreicht.

Für bestimmte Anwendungen, welche extremen Bedingungen entsprechen, wie sie im Fall der Bremsung von Hochgeschwin digkeitszügen vorkommen können, wird vorzugsweise ein bestän digerer Kautschuk, wie Nitril-Kautschuk, Ethylenacryl-Kaut schuk, fluoriertes Elastomer ausgewählt, und dieser Kautschuk wird vorzugsweise verstärkt, indem er beispielsweise mit Aramid-Fasern vereinigt wird.

In diesem letztgenannten Fall behält das die Zwischen schicht 16 bildende Material seine Eigenschaften bis etwa 250°C.

Jedenfalls haben die aufgrund der jeweiligen Zusammenset zung im Reibbelag 11 und/oder in der Zwischenschicht 16 vor handenen Fasern eine Länge von höchstens 1 oder 2 cm. Es handelt sich also keinesfalls um Filamente.

Falls gewünscht, können der Reibbelag 11 und die Zwi schenschicht 16 gemeinsam unmittelbar auf der Druckplatte 12 geformt und vulkanisiert werden.

In diesem Fall sollen die Umwandlungstemperaturen der jeweiligen diese Schichten bildenden Materialien vorzugseise sehr nahe beieinanderliegen.

Man kann beispielsweise wie folgt verfahren.

Man stellt zunächst eine Mischung A her, welche dem für den Reibbelag 11 benötigten Material entspricht, und eine Mischung B, welche dem für die Zwischenschicht 16 gewünschten Material entspricht.

Beispielsweise wird die Mischung A etwa 16 Minuten lang in einem Mischer mit Zähnen und Messern behandelt, und die Mischung B 13 Minuten lang in einem Innenmischer behandelt.

Als Abwandlung wird die Mischung B in eine Knetmaschine gegeben, in die man ein Lösungsmittel gießt, um eine Auflösung des Kautschuks zu erhalten, und dieser pastenförmige Kautschuk wird dann getrocknet und schließlich fein zerkleinert (gemahlen).

Im übrigen gibt man dann in eine Form, in welcher zuvor die Druckplatte 12 angeordnet wurde, zunächst die Mischung B mit einer möglichst gleichbleibenden Schichtdicke und dann die Mischung A.

Diese Mischungen A und B werden anschließend durch einen Kolben unter einem Druck von 500 daN/cm² bei Raumtemperatur oder heiß gepreßt.

Schließlich unterwirft man die Anordnung einer Härtung im Ofen bei 200°C während 5 Stunden, um die Harze zu polymeri sieren und die Kautschukprodukte zu vulkanisieren.

Die zwischen dem Reibbelag 11 und der Zwischenschicht 16 am Ende dieser Verfahren erhaltene Grenzschicht ist damit verhältnismäßig unregelmäßig und annähernd, da der Reibbelag 11 und die Zwischenschicht 16 sich längs dieser Grenzfläche ineinander verzahnen, was günstig für die Scherfestigkeit ist.

In Abwandlung dieses Herstellungsverfahrens können der Reibbelag 11 und die Zwischenschicht 16 jedoch auch getrennt voneinander geformt und vulkanisiert werden, bevor sie zusam mengefügt und dann in geeigneter Weise miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Kleben.

Jedenfalls geht man so vor, daß der Reibbelag 11 auf seiner Fläche 15 vorzugsweise ein Gitternetz von hohlen Rinnen 18 aufweist.

Erfindungsgemäß haben diese Rinnen 18 eine genügende Tiefe, um auch in die Zwischenschicht 16 einzuschneiden.

Der Reibbelag 11 ist so in voneinander unabhängige Blöcke 20 unterteilt, was die Ausbildung einer guten Einzelberührung jedes dieser Blöcke 20 mit der zugehörigen Scheibe begünstigt.

Tatsächlich können diese Blöcke 20 somit unter der Feder wirkung der darunterliegenden elastischen Zwischenschicht 16 unabhängig voneinander arbeiten.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt sondern umfaßt auch Abwandlungen derselben.

Claims

1. Bremsklotz für eine Scheibenbremse für Eisenbahnen mit einem von einer Druckplatte (12) getragenen Reibbelag (11) dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag (11) aus einem Reibmaterial mit hohem Druckelastizitätsmodul, d. h. einem Reibmaterial, dessen Druckelastizitätsmodul größer als 11 000 daN/cm² ist, besteht und zusammen damit zwischen diesem Reibbelag (11) und der Druckplatte (12) eine Zwischenschicht (16) aus einem Material mit niedrigem Druckelastizitätsmodul, d. h. einem Material, dessen Druckelastizitätsmodul kleiner als 1000 daN/cm², vorzugsweise in der Größenordnung von 800 bis 900 daN/cm² ist, angeordnet ist.

2. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absolutverformung der vom Reibbelag (11) und der Zwischenschicht (16) gebildeten Anordnung äquivalent der eines Reibbelags (11) von gleicher Dicke wie die dieser Anordnung ist, der aus einem Reibmaterial hergestellt ist, dessen Druckelastizitätsmodul kleiner als 7000 daN/cm², vorzugsweise in der Größenordnung von 6800 daN/cm² ist.

3. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen schicht (16) Kautschuk enthält.

4. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kautschukgehalt der Zwischen schicht (16) zwischen 10 und 30 Gewichts-%, vorzugsweise in der Größenordnung von 15 Gewichts-%, berechnet als reiner Kautschuk, beträgt.

5. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff, den die Zwischenschicht (16) zusammen mit Kautschuk enthält, frei von Filamenten ist.

6. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Reibbelag (11) bildende Material eine Zusammensetzung von folgendem Typ hat: Gewichts-% Stahlwolle 23,3 Steinwolle (Gesteinsfaser) 10 Nitril-Kautschuk 3,95 Schwefel 1,05 Phenol-Formaldehyd-Harz 10,95 Hexamethylentetramin 0,85 Messingspäne 19,15 Eisenoxid 12 Steinkohlenkoks 10,7 Magnesia 7,5 Siliciumcarbid 0,55 100

7. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zwischenschicht (16) bildende Material eine Zusammensetzung von folgendem Typ hat: Gewichts-% Stahlwolle 40 Steinwolle (Gesteinsfaser) 15 Styrol-butadien-Kautschuk 15 Schwefel 0,5 Zinkoxid 3,5 Magnesia 3 Phenol-Formaldehyd-Harz 1 Baryt 16 Eisenoxid 3 Graphit 3 100

8. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag (11) und die Zwischenschicht (16) gemeinsam geformt und vulkanisiert sind.

9. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag (11) und die Zwischenschicht (16) getrennt geformt und vulkanisiert sind, bevor sie miteinander vereinigt werden.

10. Bremsklotz für eine Scheibenbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibbelag (11) an seiner Fläche (15) ein Netz von ausgehöhlten Rinnen (18) aufweist, die auch in seine Zwischenschicht (16) einschneiden.