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Bremse (Eisenbahn)



Bremsen bei der Eisenbahn und bei Bahnen allgemein haben grob betrachtet ähnliche Wirkprinzipien wie die gemeinhin bekannten Bremsenarten, sind aber systematisch anders aufgebaut. Die Erfordernisse für den heutigen Betrieb führen zu anderen technischen Systemen.

Table of contents
1 Erste Entwicklungen
2 Heutige Betriebserfordernisse
3 Druckluftbremse, Technischer Aufbau
4 Elektromagnetische und elektrische Bremsen
5 Gegentriebs- und Motorbremsen

Erste Entwicklungen

In der allerersten Frühzeit wurde an den Lokomotiven nur der Tender und an den Wagen noch mit Hebeln, die auf hölzerne Bremsklötze wirkten, gebremst. In der späteren Frühzeit der Eisenbahn wurde wie bei Straßenfahrzeugen mit Kurbeltrieben und Bremsklötzen gebremst. Bereits damals wurde nicht nur an der Lokomotive, sondern auch an mehreren oder auch allen Wagen eines Zugeses durch Bremser von Hand nach Pfeifsignalen der Lok gebremst. Die Wagen mit Bremse erkannte man damals an den hochgesetzten Bremserhäuschen an einem Wagenende.

Bald entwickelte man auf Bergbahnen eine Saugluftbremse. Bei dieser wird durch einen Unterdruck in einer durchgehenden Saugleitung die mit Federn vorgespannte Bremse gelöst. Durch Unterdruckänderung in der Bremse konnte die Bremsleistung reguliert werden. Bei einer Zugtrennung sprachen beide Bremsen automatisch an. Der größte Nachteil, der die weitere Verwendung verhinderte, waren die großen Saugzylinder in den Wagen und der hohe Dampfverbrauch der Injektorvakuumpumpe.

Einige Bahnen, vor allem kleine Bahnen oder Schmalspurbahnen verwenden diese Vakuumbremse immer noch, so wie die Rhätische Bahn (RhB) in der Schweiz.

Heutige Betriebserfordernisse

Insbesondere sind bei Eisenbahn-Bremsen für den heutigen Betrieb folgende Anforderungen zu erfüllen: Eine Besonderheit von Eisenbahnzügen ist, dass auch am Ende eines langen Zuges eine genau definierte Bremskraft erforderlich ist, um eine Stauchung oder ein Zerreißen eines längeren Zuges zu vermeiden. So dürfen etwa Schiebe-Lokomotiven nicht stärker bremsen als dies die Bremse der vorauslaufenden Wagen tun kann.

Druckluftbremse, Technischer Aufbau

Die erste Bremse, die diesen Anforderungen entgegenkam, war die 1875 erfundene Westinghouse-Luftdruckbremse. Diese Bremse befindet sich nicht nur an der Lokomotive, sondern an allen Wagen eines Zuges. Sowohl die Bremsenergie-Lieferung als auch die Steuerung erfolgt hier über die Druckluftleitung, die von Wagen zu Wagen durchgekuppelt wird. Mit der Druckluft werden Kolben in Zylindern bewegt, die ihrerseits die Bremsklötze gegen die Radlaufflächen drücken und deren Bewegung bremsen.

Sicherheitstechnisch wichtigste Aufgabe des Bremssystems ist die Abbremsung beider Zugteile nach einer ungewollten Zugtrennung. Dazu müssen in allen Zugabschnitten die zur Abbremsung notwendigen Energien gespeichert sein. Heute werden bei allen Bahnen Druckluftbremsen mit einer durchgehenden Hauptluftleitung (HLL) eingesetzt.
Diese Hauptluftleitung versorgt den ganzen Zug mit 5 bar Druckluft. Sie dient gleichzeitig als Energieversorger und als Signalweg. Jeder Wagen hat zusätzlich einen Hilfsluftbehälter, der ständig über ein Steuerventil von der HLL nachgefüllt wird. Ist der Behälter voll und die HLL steht unter 5 bar Druck, so ist die Bremse gelöst.
Zum Bremsen senkt der Lokführer über sein Führerbremsventil den Druck in der HLL ab. Dadurch steuern die Steuerventile um und leiten die Druckdifferenz zwischen 5 bar und dem jetzt anstehenden Druck der HLL aus den Hilfsluftbehältern in die Bremszylinder um. Die Reserveluftbehälter sind so dimensioniert, dass bei 0 bar in der HLL 3,5 Bar in den Bremszylindern anliegen. Der Kolben der Bremszylinder drückt dadurch die Bremsklötze gegen die Räder. Diese Bremse wird im Normalbetrieb von einem Führerbremsventil auf dem Triebfahrzeug betätigt. Sie spricht auch bei ungewollten Druckverlusten in der HLL an, zum Beispiel einen geplatzten Luftschlauch, aber auch bei gewollten Druckverlusten, zum Beispiel durch ein von einem Reisenden betätigtes Notbremsventil.

einlösige Bremse

In den ersten Entwicklungen der Druckluftbremse konnte man den Zug stufenweise abbremsen, aber bei einer nur geringfügigen Druckerhöhung zum Lösen, löste die Bremse jedoch vollständig aus. Damit kann man eine solche Bremse an einer Gefällestrecke erschöpfen, indem man nur zwei oder dreimal auslöst ohne die Bremse wieder voll mit Druckluft aufzufüllen.

mehrlösige Bremse

Um das Erschöpfen der Bremse zu vermeiden entwickelte man mehrlösige Bremsen. Dies führte in Deutschland 1918 zur Einführung der Kunze-Knorr-Güterzugbremse, die später variiert auch für Personenzüge verwendet wurde.

Die Hildebrand-Knorr-Bremse ist eine Weiterentwicklung. Mit dieser kann man stufenweise Bremsen und Lösen. Beim Lösen füllt das Steuerventil den Reserveluftbehälter sogleich wieder auf.

Hochabbremsung

Die Hochabbremsung ist eine Erweiterung der Druckluftbremse für höhere Geschwindigkeiten. Die Kennlinie einer Reibungsbremse nimmt bei höheren Gleitgeschwindigkeiten der Reibelemente ab. Um das zu kompensieren, wurde die geschwindigkeitsabhängige Abbremsung eingeführt. Dabei regelt ein Achslagerbremsdruckregler mit einem Druckübersetzer den aktuellen Bremsdruck. Für einen höheren Bremsdruck ist natürlich eine Druckversorgung mit mehr Druck notwendig. Deshalb wird in diesen Zügen die Hauptbehälterleitung mitgekuppelt, die den Wagenzug mit 10 bar Druckluft versorgt. Um rückwärtskompatibel und ausfallsicher zu bleiben, arbeitet die Bremse genauso wie eine mehrlösige Bremse. Nur zwischen den Bremszylindern und dem Steuerventil ist der Druckübersetzer zwischengeschaltet. Bei Geschwindigkeiten über 80 km/h erhöht der Druckübersetzer den Druck auf maximal 6 bar und ab 120 km/h auf 8 bar. Sinkt die vom Achslagerbremsdruckregler gemessene Geschwindigkeit, wird der Druck automatisch dem neuen Geschwindigkeitsbereich angepasst. Die Druckluft dafür wird der Hauptluftbehälterleitung entnommen.

Gleitschutzregler

Durch den niedrigen Haftwiderstandsbeiwert von Stahl auf Stahl können Eisenbahnräder leicht blockieren. Dadurch bekommt auch das stillstehende Rad, bedingt durch die Gleitreibung auf der Schiene, eine Flachstelle, die die Laufruhe beeinträchtigt. Um diese Schäden zu minimieren, wurden zunächst Fliehkraftregler als Gleitschutz verwendet. Zwei federbelastete Fliehgewichte drehen sich mit der Achse und halten das Gleitschutzventil geschlossen. Kommt es zu einer abrupten Drehzahländerung, werden die Gewichte ausgelenkt und lösen die Bremse der Achse. Beschleunigt sich die Achse wieder, so schließen die Fliehgewichte das Ventil wieder zur fortgesetzten Bremsung. Neuere elektronische Gleitschutzrechner ermitteln die Achsdrehzahl durch magnetische Sensoren und vergleichen sie mit einer virtuellen Fahrzeuggeschwindigkeit. Kommt es zum Gleiten der Achse, so wird der Bremsdruck erst gehalten und dann schrittweise gesenkt bis die Achse sich wieder dreht. Anschließend wird der geforderte Bremsdruck wieder aufgebaut..

Schnellbremsbeschleuniger

Bremsen bei hohen Geschwindigkeiten ist eine Zeitfrage. Wer schneller anfängt zu Bremsen kann mit geringerer Bremskraft eher zum Stehen kommen. Die Geschwindigkeit mit der sich eine Druckwelle in einem Rohr fortbewegt ist mit maximal 290 m/s² recht langsam. Damit die Züge gleichmäßig bremsen wurde die Reaktionsgeschwindigkeit der langen Züge künstlich gebremst. Für Hochgeschwindigkeitszüge ist das natürlich nicht machbar. Um die Welle zu beschleunigen, werden Ventile eingebaut die einen Druckabfall in der Hauptluftleitung registrieren und unterstützen.

Scheibenbremse

Die Scheibenbremse weist eine auf der Achse des Radsatzes befestigte mitlaufende Metallscheibe auf. Mit Druckluft werden an diese Scheibe beiderseits Bremsbacken angedrückt, die großflächig auf die Scheibe einwirken. Die Bremsscheiben bestehen meist aus zwei durch Stege verbundene Scheiben, damit zwischen den beiden Scheiben Luft zur Wärmeabführung durchstreichen kann.

elektropneumatische Bremse (ep-Bremse)

Die elektropneumatische Bremse (besser elektropneumatische Bremssteuerung) ist eine Überlagerung der Bremssteuerung über die Druckluftleitung durch die zusätzliche, jedoch abschaltbare, Steuerung der Bremsventile durch elektronische Signale. Mit der elektropneumatischen Bremssteuerung fällt der Nachteil der niedrigen Durchschlagsgeschwindigkeit der Luftdruckbremse weg. Daneben ermöglicht sie dem Lokführer im Zweifelsfall eine gezogene Notbremse zu überbrücken (so genannte Notbremsüberbrückung NBÜ), um den Zug an einem günstigen Ort zum Stillstand zu bringen.

Bei einigen nicht UIC Konformen Bauarten wird die elektropneumatische Bremse sogar ohne die Wirkung der Hauptluftleitung betrieben. Die HLL wird überhaupt nur im Abschleppfall zugeschaltet. Sämtliche Bremssteuerungen laufen über Bremsrechner und elektropneumatische Umsetzer. Bei dieser Bauweise können elektrische Wirkstrombremsen mit pneumatischen Bremsen zeitgleich arbeiten und auch beim Gleiten der Achsen noch zusammen agieren.

Elektromagnetische und elektrische Bremsen

Magnetschienenbremse

Eine Magnetschienenbremse hat einen eisernen Schleifschuh, der durch Elektromagnete an die Schiene gezogen wird. Dabei treten zwei bremswirksame Kräfte auf. Die Hauptkomponente ist die Reibungskraft durch die Anpressung der Schleifschuhe an die Schiene. Als kleinere Komponente tritt eine Kraft durch Wirbelstrominduktion in der Schiene auf, die der Bewegung entgegenwirkt. Da die Reibungskräfte mit steigender Gleitgeschwindigkeit ab- und Wirbelstromkräfte zunehmen, wirkt die Bremse im Vergleich zu einer Bremse mit metallenen Bremsklötzen im gesamten Bereich relativ linear. Bei Fernverkehrszügen wird sie jedoch unterhalb einer Geschwindigkeit von 50 km/h ausgeschaltet, da sie hier eine zu hohe Bremskraft entwickeln würde. In Deutschland ist sie Voraussetzung um bei Geschwindigkeiten oberhalb von 140 km/h noch den Bremsweg von 1000 m (Vorsignalabstand) einhalten zu können.

Wirbelstrombremse

Die Wirbelstrombremse ist eine Neuentwicklung für die ICE-3-Züge. Im Gegensatz zur Magnetschienenbremse wird hier das Magnetfeld längs und nicht quer zur Schiene erzeugt. Der eiserne Kern des Elektromagneten setzt nicht auf, sondern wird durch Anbindung an die Radsatzlager 7 mm oberhalb der Schiene gehalten. Die Bremse erzeugt Wirbelströme in der Schiene die der Bewegung entgegenwirken. Problematisch ist dabei der Skineffekt der durch die hohen Frequenzen den Wirbelstrom an die Außenränder des Schienenquerschnitts zwingt. Das soll in der Entwicklungszeit zum Ausglühen der Schienenoberfläche geführt haben. Bei der Wirbelstrombremse wird die abzuführende Bremsenergie in den Schienen in Wärme umgewandelt.

Gegentriebs- und Motorbremsen

Riggenbach-Gegendruck-Bremse

In den Zeiten der Dampflok wurde vor allem bei Bergbahnen gelegentlich die bergab leer mitlaufende Kolbendampfmaschine mit gedrosselten Zylinder-Schließventilen als Bremse eingesetzt.

Elektromotorische Bremsen

Zum motorischen Bremsen an elektrischen Triebfahrzeugen wird der Elektromotor in den Generatorbetrieb umgeschaltet. Die dabei erzeugte „Abfallenergie“ wurde zunächst in Akkumulatoren für Hilfsbetriebe gesammelt oder in Bremswiderständen „vernichtet“ bzw. in Wärme umgesetzt. Elektrische Lokomotiven verfügten zur Wärmeableitung extra über voluminöse „Bremslüfter“. Bei Zahnrad-Bergbahnen wird der „Bremsstrom“ in die Heizkörper in den Personenabteilen geleitet.
Die Bremsstromrückspeisung von elektrischen Neubaufahrzeugen der Deutschen Bahn und anderer Bahnen beruht auf den Möglichkeiten der Traktionsstromrichter. Die Bremsenergie wird wieder hochtransformiert und in die elektrische Fahrleitung zurückgespeist.

Noch weiter geht die Entwicklung beim Lirex von Alsthom/LHB. Dieser Zug speist in der Dieselversion die Bremsenergie in einen Schwungradspeicher ein. Zur Anfahrt wird die Energie aus dem Speicher wieder zurückgeführt.

Weblinks: http://www.bremsenbude.de/




     
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