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Intelligentes, Integriertes Einzelrad-Antriebs-Brems-Modul (EABM) für Schienenfahrzeuge

Heute übliche Schienenfahrzeugentwicklung erfolgt in Bezug auf die am Vortrieb und Bremsen beteiligten Komponenten meist in Differentialbauweise. Im Rahmen des Projektes wurde eine integrale Betrachtung und Entwicklung von Rad, Antrieb und Reibungsbremsen vorangetrieben. Dadurch sollte die Entwicklungszeit verkürzt, spezifische Konstruktionen vermieden, die Fahrzeuge tendenziell leichter und die Möglichkeit zur anforderungsbezogenen Fahrzeuggestaltung verbessert werden. Dazu wurde ein mechatronisch integriertes Antriebsmodul entwickelt, das wenige präzise definierte mechanische, energetische und datentechnische Schnittstellen aufweist. Um die Ziele zu erreichen, wurde das Projekt unter enger Zusammenarbeit interdisziplinär von wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen bearbeitet. Beteiligt waren das Institut für Regelungstechnik (IRT), das Institut für Schienenfahrzeuge und Fördertechnik (IFS), das Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) sowie das Institut für Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS), alle RWTH Aachen.

Integrierte Drehmomentquelle und –senke für Einzelradantriebe
Bild 1: Integrierte Drehmomentquelle und –senke für Einzelradantriebe

Entwicklung einer Reibungsbremse

Das IFAS bearbeitete bei dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projekt die Entwicklung einer für das Gesamtkonzept geeigneten Reibungsbremse. Besonderer Fokus wurde auf Integration und energetische Autarkie gelegt. In konventionellen Schienenfahrzeuganwendungen kommen pneumatische Bremsen häufig zum Einsatz. Da die Leistungsdichte dieser Systeme prinzipbedingt gering ist, werden vergleichsweise große Aktoren benötigt. Da der damit einhergehende höhere Bauraumbedarf im Zielkonflikt mit dem Wunsch nach Integration in einem EABM-Modul stand, wurde eine hydraulische Reibungsbremse entwickelt. Unter den Aspekten Sicherheit, Regelbarkeit, Energieeinsatz und Wartbarkeit wurde untersucht, inwiefern eine energetische Autarkie realisierbar ist.

Selbstverstärkende Elektro-Hydraulische Bremse (SEHB)

Ergebnis der Forschungsarbeiten war ein hydraulisches Bremssystem, das vollständig auf eine externe Leistungsversorgung verzichtet. Möglich wurde dies durch die Anwendung des Prinzips der hydraulischen Selbstverstärkung. Das Konzept (siehe Bild 2) nutzt die Abstützkraft, die von der Bremse in das Fahrwerk geleitet wird zur Erzeugung eines hydraulischen Drucks in einem Abstützzylinder.

Prinzipskizze der hydraulisch selbstverstärkenden Bremse
Bild 2: Prinzipskizze der hydraulisch selbstverstärkenden Bremse

Dieser Druck kann über ein elektrisch angesteuertes Regelventil zum Spannen oder Lösen der Bremse mittels des Bremsaktors genutzt werden. Das Regelventil hat dabei die Aufgabe, die Bremskraft zu dosieren. Da der Druck im Abstützzylinder dem Bremsmoment proportional ist, kann mit dem neuartigen Bremsenkonzept das tatsächliche Verzögerungsmoment geregelt werden. Die Vorgehensweise zum Erreichen eines Funktionsprototyps ist in Bild 3 dargestellt.

Vorgehensweise bei der Entwicklung der SEHB
Bild 3: Vorgehensweise bei der Entwicklung der SEHB

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden verschiedene Prototypen aufgebaut, mit denen die Praxistauglichkeit nachgewiesen wurde (Bild 4). In Verbindung mit gefundenen Regelungsstrategien wurde sowohl simulativ als auch experimentell ein Bremsenkonzept entwickelt, das für die Anforderungen des Schienenverkehrs geeignet ist und sich gut in das Gesamtkonzept EABM eingliedert.

Prototyp der selbstverstärkenden hydraulischen Bremse
Bild 4: Prototyp der selbstverstärkenden hydraulischen Bremse

Durch die Möglichkeit zur Regelung des wahren Verzögerungsmomentes ergeben sich Chancen für die autonome Fahrzeugführung und Regelvorgänge wie dem Gleitschutz. Die SEHB ist für alle Anwendungen geeignet, bei denen ein niedriger Energieverbrauch und eine einfache elektrische Ansteuerung von Bedeutung sind. In einem Nachfolgeprojekt wird zurzeit eine Verflechtung aus Regelungsstrategie und maßgeschneiderten Ventilen für die SEHB untersucht und entwickelt.

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