Bremswiderstand für ein Fahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bremswiderstand für ein mit einer elektrodynamischen Bremseinrichtung ausgestattetes Fahrzeug .

Ein solcher Bremswiderstand ist beim generatorischen elektri schen Bremsen z. B. eines Schienenfahrzeugs erforderlich, wenn dieses in einem nicht rückspeisefähigen Versorgungsnetz betrieben wird, um die mithilfe von Fahrmotoren erzeugte elektrische Energie anderweitig abzuführen. Der Bremswider stand wandelt dann die elektrische Energie in Wärmeenergie um.

Ein bekannter Bremswiderstand geht beispielsweise aus der DE 10 2017 207 274 B3 hervor. Der dort beschriebene Bremswider stand ist an einem Schienenfahrzeug eingesetzt, in dessen Dachbereich untergebracht und wird im Betrieb des Fahrzeugs dauerhaft von Fahrtwind umströmt, um den Bremswiderstand zu kühlen. Hintergrund dessen ist es, dass im Bremsfall der Bremswiderstand mit Strom aus der elektrodynami schen/generatorischen Bremse des Fahrzeugs beaufschlagt wird. Dieser Strom führt zur Erwärmung des Bremswiderstands, so dass eine nachfolgende Entwärmung erforderlich ist.

Beim Betrieb eines solchen Bremswiderstands ist es erforder lich, seine Temperatur zu überwachen, so dass hitzebedingte Zerstörungen vermieden werden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Bremswiderstand der eingangs genannten Art derart weiter zuentwickeln, dass ein ausreichender Schutz vor Überhitzung erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Bremswiderstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach zeichnet sich der eingangs genannte Bremswiderstand dadurch aus, dass der Bremswiderstand wenigstens eine langge streckte Heizpatrone aufweist, die an ihren Enden Kaltberei che ohne Heizelement und zwischen den Kaltbereichen einen Heißbereich, der sich bei Stromdurchfluss eines sich über die Länge des Heißbereiches erstreckenden Heizelementes thermisch in Längsrichtung der Heizpatrone ausdehnt, aufweist und mit tels einer Lageranordnung gehalten ist, die ein Festlager und wenigstens ein Loslager umfasst, wobei der Bremswiderstand eine Überwachungseinrichtung aufweist, die aufgrund der Fest stellung einer maximal zulässigen Heizpatronentemperatur auf der Basis einer erfassten maximalen thermischen Längenausdeh nung der Heizpatrone den Bremswiderstand abschaltet.

Ein derart ausgebildeter Bremswiderstand verfügt über eine geeignete Überwachung seiner Temperatur, insbesondere der Heizpatronentemperatur. Der Bremswiderstand wird beispiels weise über eine mit der Überwachungseinrichtung in einer Sig nalverbindung stehende Fahrzeugsteuerung im Bedarfsfälle ab geschaltet, nämlich dann, wenn eine maximal zulässige Heiz patronentemperatur erreicht ist.

Vorteilhafterweise kann das Festlager an einem Ende der Heiz patrone in deren Kaltbereich angeordnet sein und die Überwa chungseinrichtung an dem, dem Festlager gegenüberliegenden Ende der Heizpatrone in deren Kaltbereich. Bei dieser Ausfüh rungsform steht eine gesamte Länge des Heißbereichs der Heiz patrone für eine thermische Längenausdehnung zur Verfügung, was eine Genauigkeit des Messergebnisses beispielsweise durch einen Wegaufnehmer erhöht.

Alternativ kann das Festlager im Heißbereich der Heizpatrone angeordnet sein und die Überwachungseinrichtung an wenigstens einem Ende der Heizpatrone in deren Kaltbereich vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der rele vante Längenbereich der Heizpatrone für eine thermische Län genausdehnung kürzer als bei der zuvor beschriebenen Ausfüh rungsform. Der Längenbereich reicht nämlich von dem vorgese- henen Festlager im Heißbereich bis zur Grenzfläche zwischen dem Heißbereich und dem Kaltbereich, in dessen Nähe die Über wachungseinrichtung vorgesehen ist.

Bei Anordnung des Festlagers im Heißbereich der Heizpatrone ist es zudem möglich, eine weitere Überwachungseinrichtung vorzusehen, die am gegenüberliegenden Ende der Heizpatrone in deren Kaltbereich angeordnet ist. In dieser Weise kann die doppelte Anzahl an Überwachungseinrichtungen insbesondere in ihrer Ausführungsform als Wegaufnehmer vorgesehen werden, was die Genauigkeit einer Temperaturmessung für die Heizpatrone erhöht.

Bevorzugt umfasst der Bremswiderstand wenigstens zwei Losla ger, die über die Länge der Heizpatrone verteilt sind. In dieser Weise wird eine zuverlässige Abstützung der Heizpatro ne erzielt, wobei sie mit Hilfe des Festlagers an einem Punkt ihrer Längenausdehnung fixiert ist.

In einer Ausführungsform kann die Überwachungseinrichtung we nigstens einen beispielsweise potentiometrisch, auf Basis des Halleffekts, magnetostriktiv oder induktiv arbeitenden Weg aufnehmer zur Erfassung einer aktuellen thermischen Längen ausdehnung der Heizpatrone aufweisen, wobei die aktuelle Län genausdehnung eine aktuelle Heizpatronentemperatur wieder gibt. Der Wegaufnehmer kann somit dazu verwendet werden, eine aktuelle mittlere Temperatur der Heizpatrone zu ermitteln, wobei ein Erreichen der maximalen zulässigen Heizpatronentem peratur eine Abschaltung des Bremswiderstands nach sich zieht. Für die Berechnung der aktuellen Heizpatronentempera tur ist es erforderlich, den thermischen Ausdehnungskoeffi zienten der Heizpatrone einzubeziehen. Zudem ist durch die Temperaturüberwachung bei einem Schienenfahrzeug die Möglich keit gegeben, einen vorhandenen energetischen Restpuffer, welcher für eine mögliche Bremsung zur Verfügung steht, zu berechnen. Der energetische Restpuffer entspricht der spezi fischen Wärmekapizität des Heizpatronenmaterials, multipli ziert mit der beheizten Masse, multipliziert mit der Diffe- renz aus einer zulässigen Maximaltemperatur der Heizpatronen und der Ist-Temperatur der Heizpatronen.

In einer demgegenüber vereinfachten Ausführung der Erfindung kann auch die Funktion des Wegaufnehmers durch einen z. B. in Verlängerung der Heizpatrone angeordneten Endlagenschalter übernommen werden. Hiermit wird dann lediglich das Vor- oder Nichtvorliegen der maximal zulässigen Heizpatronentemperatur überwacht .

Bei einer Mehrzahl gleichartiger Heizpatronen kann dann die Temperaturüberwachung sowohl über einen jeweiligen Wegaufneh mer (z. B. kontinuierliche Temperaturmessung als auch über einen Endlagenschalter (nur Maximaltemperatur) erfolgen.

Bevorzugt wird der Bremswiderstand eine Mehrzahl von mit der vorstehend näher erläuterten Heizpatrone baugleichen und pa rallel zueinander angeordneten Heizpatronen aufweisen. Diese gesamte Mehrzahl von Heizpatronen können das Festlager als gemeinsames Festlager und die Loslager als gemeinsame Losla ger nutzen. Ebenso treffen die oben für die einzelne Heizpat rone getroffenen Ausführungen hinsichtlich Ausbildung und An ordnung der Überwachungseinrichtung in ihren alternativen Ausführungsformen in gleicher Weise für die Mehrzahl von Heizpatronen zu.

Danach kann es vorgesehen sein, dass die Überwachungseinrich tung für jede Heizpatrone einen Mitnehmer, der an dem zuge ordneten Ende der Heizpatrone angebracht ist, und einen An schlag zum Zusammenwirken mit dem Mitnehmer aufweist, die An schläge gegen einen den Heizpatronen gemeinsamen Schieber ab gestützt sind und eine Ortsposition des Schiebers mittels ei nes Wegaufnehmers erfasst ist und/oder der Schieber einen Endlagenschalter betätigt, wenn die thermische Längenausdeh nung wenigstens einer der Heizpatronen einen Wert erreicht, der der maximal zulässigen Heizpatronentemperatur entspricht. Denkbar ist für alternative Ausführungsformen der Erfindung auch die Verwendung eines Seilzuges statt des Schiebers oder von Hebeln statt der Anschläge.

Vorstehende Maßnahmen gestatten es, die Temperaturbeaufschla gung des Bremswiderstands in geeigneter Weise zu überwachen. Sobald eine der Heizpatronen die maximal zulässige Heizpatro nentemperatur erreicht, wird entweder unmittelbar mittels des Schiebers ein Endlagenschalter betätigt oder ein Ausgangssig nal des Wegaufnehmers wird dahingehend ausgewertet, dass eine Abschaltung vorzunehmen ist. Sofern sämtliche Heizpatronen mit z. B. Wegaufnehmern als Überwachungseinrichtungen ausge stattet sind, lassen sich sämtliche Einzeltemperaturen der Heizpatronen überwachen.

Dabei kann der Schieber derart vorgespannt sein, dass er bei Abkühlen der Heizpatronen zurück in seine Nulllage verbracht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert, wobei funktionsgleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen be zeichnet sind. Es zeigen:

Figur 1: eine Querschnittsansicht einer Heizpatrone zur Ver wendung bei einem Bremswiderstand für ein Schienenfahrzeug,

Figur 2: eine schematische Seitenansicht der Heizpatrone von Figur 1 in Kombination mit einer Lager-Anordnung für die Heizpatrone in einer ersten Ausführungsform und einer Überwa chungseinrichtung (oben Kaltzustand, unten Heißzustand),

Figur 3 eine schematische Seitenansicht der Heizpatrone von Figur 1 in Kombination mit einer Lager-Anordnung für die Heizpatrone in einer zweiten Ausführungsform und einer Über wachungseinrichtung (oben Kaltzustand, unten Heißzustand) und Figur 4: eine schematische Ansicht von oben auf einen Endab schnitt einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Heiz patronen in Kombination mit einer Überwachungseinrichtung (oben Kaltzustand, unten Heißzustand).

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Heizpatrone 1 zur Verwendung bei einem Bremswiderstand für ein Schienen fahrzeug, der für seine Entwärumg durch Fahrtwind auf dessen Dach untergebracht sein kann. Typischer Weise wird ein sol cher Bremswiderstand eine Mehrzahl (z. B. ca. 20 bis 100) von mit der Heizpatrone 1 gleichartigen Heizpatronen aufweisen, die parallel zueinander (eine Anordnung sowohl nebeneinander als auch höhenversetzt zueinander ist denkbar) angeordnet und gelagert ist. Die Heizpatrone 1 hat eine zylinderförmige äu ßere Form und wird nach außen von einem Metallmantel 2 be grenzt. Im Inneren des Metallmantels 2 befindet sich eine Füllung 3 aus verdichtetem Keramikpulver, wobei die Füllung 3 ein zentral auf der Längsachse der Heizpatrone 1 befindliches Heizelement 4 umgibt. In dem Fall, wenn eine elektrodynami sche Bremseinrichtung eines Fahrzeugs betätigt wird und elektrische Energie mit Hilfe des Bremswiderstands durch Wär meabgabe abzuführen ist, wird das Heizelement 4 von Strom durchflossen, so dass es sich erheblich aufheizt.

Figur 2 zeigt in ihrem oberen Teil die Heizpatrone 1 in ihrem Kaltzustand. An ihren freien Enden ist die Heizpatrone 1 mit elektrischen Anschlüssen 5 ausgestattet. Die freien Enden der Heizpatrone 1 sind als Kaltbereiche 6 der Heizpatrone 1 aus gebildet, d.h. sie weisen keinen Längenabschnitt des eigent lichen Heizelementes 4 auf und zeigen selbst bei Stromdurch fluss für das Heizelement 4 nur eine verhältnismäßig geringe Temperaturerhöhung. Zwischen den beiden endständigen Kaltbe reichen 6 liegt ein Heißbereich 7 der Heizpatrone 1, der über seine gesamte Länge mit dem Heizelement 4 ausgestattet ist. Ein Stromdurchfluss des Heizelementes 4 im Bremsfall bewirkt somit eine thermische Längenänderung der Heizpatrone 1. Bei spielsweise vergrößert sich die Länge der Heizpatrone 1, wenn deren Heißbereich 76m lang ist, bei der Erwärmung von 20 °C auf 600 °C um ca. 60 mm. Dies entspricht ca. 1 % bezogen auf die Länge des Heißbereichs 7. Der thermische Ausdehnungskoef fizient der Heizpatrone 1 entspricht im Wesentlichen dem von Edelstahl.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist die Heizpatrone 1 in einem ihrer Kaltbereiche 6 mit Hilfe eines Festlagers 8 ört lich fixiert. Dazu weist eine Lageranordnung für die Heizpat rone 1 noch zwei Loslager 9 auf, die entlang des Heißbereichs 7 zur Abstützung der Heizpatrone 1 geeignet verteilt angeord net sind.

Das festlagerfreie Ende, das ebenfalls als Kaltbereich 6 vor liegt, ist als Überwachungseinrichtung für eine Temperatur des Heißbereichs 7 der Heizpatrone 1 mit einem als Potentio meter ausgeführten Wegaufnehmer 10 ausgestattet. Mit Hilfe des Wegaufnehmers 10 wird eine thermische Längenausdehnung der Heizpatrone 1 gemessen und bei Erreichen einer maximal zulässigen Heizpatronentemperatur eine Abschaltung des Brems widerstands herbeigeführt. Dazu wird das Messsignal des Weg aufnehmers 10 von einer Fahrzeugsteuerung (z. B. Zugsteuerge rät und Antriebssteuergerät) ausgewertet und durch diese wird eine Bestromung des Bremswiderstandes gestoppt. Zusätzlich gestattet es der Wegaufnehmer 10 den Restwärmepuffer, welchen der Bremswiderstand noch vorhält, zu berechnen. Anhand von diesem kann berechnet werden, wie schnell z. B. ein mit dem Bremswiderstand ausgestattetes Schienenfahrzeug maximal fah ren darf, damit noch genügend Rückhalt für eine Schnellbrem sung gegeben ist. Wenn eine Schnellbremsung eingeleitet wird und der Bremswiderstand heißer als die festgelegte Grenztem peratur werden sollte, muss das Schienenfahrzeug dennoch bis zum Stopp gebremst werden können.

Der untere Teil von Figur 2 zeigt die Heizpatrone 1 in ihrem Heißzustand, d.h. in dem Fall, wenn der Heißbereich 7 auf grund von Stromdurchfluss erhitzt ist und somit eine thermi sche Längenausdehnung des Heißbereichs 7 vorliegt. Da die Heizpatrone 1 thermisch sehr träge ist und sich langsam ab- kühlt (Minutenbereich) ist der Heißzustand nicht zwingend dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement 4 von Strom durchflossen ist. In Figur 2 ist eine Nulllage für die Heiz patrone 1 mit einer gestrichelten Linie 11 und eine neue Lage mit thermisch gedehntem Heißbereich 7 mit einer gestrichelten Linie 12 veranschaulicht. Für die Überwachungseinrichtung ergibt sich eine Translation 13 zwischen den beiden Linien 11 und 12, wobei die Translation 13 mit Hilfe eines thermischen (Längs-)Ausdehnungskoeffizienten des Heißbereichs 7 in eine mittlere Temperatur dieses Heißbereichs 7 umgerechnet und für die Zwecke einer Abschaltung des Bremswiderstands bei Errei chen der maximal zulässigen Heizpatronentemperatur zu dessen Abschaltung herangezogen werden kann.

Im Vergleich zur Figur 2 ist in Figur 3 allein die Lagerung der Heizpatrone 1 geändert. Bei der Ausführungsform nach Fi gur 3 befindet sich das Festlager 8 in einem zentralen Län genbereich der Heizpatrone 1. Die beiden Loslager 9 sind je weils zu beiden Seiten des Festlagers 8 angeordnet. Durch die Änderung der Lagerung ergibt sich insbesondere ein abweichen der relevanter Abschnitt des Heißbereichs 7 für eine vorzu nehmende Abschaltung des Bremswiderstands. Während bei der Ausführungsform nach Figur 2 der gesamte Heißbereich 7 in seiner Längenausdehnung erfasst wird, umfasst bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 3 ein relevanter Heißbereich 14 lediglich die Strecke von dem Festlager 8 bis zu der Grenzfläche zwi schen dem Heißbereich 7 und dem mit dem Wegaufnehmer 1Oausgestatteten Kaltbereich 6 der Heizpatrone 1. In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann auch der lagerfreie Kaltbereich 6 mit einem weiteren Wegaufnehmer, der mit dem Wegaufnehmer 10 gleichartig ist, ausgeführt sein.

Was in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, gilt gleichermaßen für eine Mehrzahl von mit der Heizpatrone 1 gleichartigen Heizpatronen, die zu demselben Bremswiderstand gehören. Dann findet für jede der Heizpatronen eine geeignete Temperatu rüberwachung mittels Wegaufnehmern statt, die vorzugsweise mit dem Wegaufnehmer 10 baugleich sind. Sämtliche Wegaufneh- mer signalisieren dann der Fahrzeugsteuerung aktuelle Tempe raturen der Heizpatronen.

Alternativ kann für eine Mehrzahl von Heizpatronen wie folgt vorgegangen werden: Stellvertretend für einen Bremswider stand, der mit einer Vielzahl von mit der Heißpatrone 1 gleichartigen Heizpatronen ausgestattet ist, zeigt Figur 4 einen Endbereich von drei versetzt angeordneten Heizpatronen 1. Die jeweiligen (hier nur teilweise dargestellten) Kaltbe reiche 6 der Heizpatronen 1 sind sämtlich mit einem Mitnehmer

14 ausgestattet. In einem Abstand in Längsrichtung der Heiz patronen 1 ist ein Schieber 15 vorgesehen, der orthogonal zu den Heizpatronen 1 verläuft und damit entlang deren Enden an geordnet ist. Für jede Heizpatrone 1 weist der Schieber 15 einen Anschlag 16 auf, der in Längsrichtung der Heizpatronen 1 verläuft und an seiner einen Seite am Schieber 15 ange bracht ist, während seine gegenüberliegende Seite gegen den Mitnehmer 14 stößt. Im oberen Teil von Figur 2 ist wiederum die Lage der Heizpatronen 1 in deren Kaltzustand gezeigt.

Dies bedeutet, dass sich der Schieber 15, die Anschläge 16 und die Mitnehmer 14 jeweils in einer Nulllage befinden. Zur Überwachung der Position des Schiebers 15 ist dieser mit ei nem als Potentiometer ausgeführten Wegaufnehmer 17 ausgestat tet.

Der untere Teil von Figur 4 zeigt die Heizpatronen 1 in ihrem Heißzustand, bei dem die einzelnen Heizpatronen 1 jeweils ei ne thermische Längenausdehnung erfahren, die bei den drei dargestellten Heizpatronen 1 jeweils unterschiedlich stark ausfällt. Während die in Figur 4 ganz unten dargestellte Heizpatrone 1 die größte thermische Längenausdehnung erfährt, liegen die thermischen Längenausdehnungen der weiteren Heiz patronen 1 niedriger. Durch die Anschläge 16 und den Schieber

15 wird für die Erfassung der maximalen Heizpatronentempera tur lediglich ein Wegaufnehmer 17 benötigt.

Während in Figur 4 die Überwachungseinrichtung die Mitnehmer 14, die Anschläge 16, den Schieber 15 und den Wegaufnehmer 17 umfasst, kann alternativ oder, wie in Fig. 4 dargestellt, zu- sätzlich auch vorgesehen sein, dass der Schieber 15 unmittel bar einen passend zum Erreichen einer maximal zulässigen Heizpatronentemperatur angeordneten Endlagenschalter 18 un mittelbar betätigt. Bei Bedarf können auch mehrere Endlagen schalter 18 vorgesehen sein.

Mit Hilfe geeigneter Rückholeinrichtungen 19, die beispiels weise von Zugfedern, aber auch weiteren Aktuatoren, wie ge eignet geführte Schraubendruckfedern, Gasdruckfedern oder ähnliches, gebildet sein können, ist der Schieber 15 in Rich tung auf die benachbarten Enden der Heizpatronen 1 vorge spannt, so dass er bei Abkühlen der Heizpatronen 1 wieder seine Nulllage erreicht.

Der Endlagenschalter 18 gibt bevorzugt ein binäres Signal aus, welches von der Fahrzeugsteuerung ausgewertet wird, die ses führt gegebenenfalls dazu, dass die Bestromung des Brems widerstandes gestoppt wird.

Die Stromzufuhr wird von der Fahrzeugsteuerung beendet, da der Strom, welcher durch den Bremswiderstand fließt, nicht direkt von dem Endlagenschalter 18 unterbrochen werden soll, da hier mehrere hundert Kilowatt an Leistung vorliegen. Die Messung der Maximaltemperatur über den Wegaufnehmer wird ge nutzt, um die zulässige Zuggeschwindigkeit zu begrenzen, um genug thermischen Puffer für eine Schnellbremsung in diesem Moment vorzuhalten ohne, dass der Bremswiderstand überhitzt.

In dem Fall, wenn die Schnellbremsung eintritt und der Brems widerstand trotz des thermischen Rückhaltes die maximal zu lässige Grenztemperatur, welche gesondert über den Endlagen schalter (18) detektiert wird, überschreitet, wird der Brems widerstand, gesteuert von der Fahrzeugsteuerung für zukünfti ge Bremsungen nicht mehr genutzt. Dies geschieht, da das Überhitzen trotz des thermischen Puffers darauf hindeutet, dass z.B. mittlerweile zu viele Heizpatronen ausgefallen sind (nicht heizen) und der thermische Puffer demnach kleiner ist als der theoretische, oder sehr viele Worst-Case Szenarien Zusammentreffen, wie Bremsen an einem heißen trockenen Som mertag mit Rückenwind und Gefälle.