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1. (WO2019042841) ELECTRO-MECHANICAL BRAKE ACTUATOR WITH INTERNAL POWER ELECTRONICS UNIT AND ENERGY STORE
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BESCHREIBUNG

Elektro-mec hanischer Bremsaktuator mit interner Leistungselektronik und

Energiespeicher

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektro-mechanischen Bremsaktuator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

DE 10 2009 042 965 A1 offenbart einen elektro-mechanischen Bremsaktuator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit: einem Gehäuse; einem Anpressteil, das dazu konfiguriert ist, an eine Bremsscheibe gedrückt zu werden; einem Mittel zum Bewegen des Anpressteils, das dazu konfiguriert ist, das Anpressteil zu der Bremsscheibe hin und von dieser weg zu bewegen; einer Logikeinheit im Gehäuse, die dazu konfiguriert ist, das Mittel zum Bewegen des Anpressteils zu steuern; einem Steuerungsanschluss am Gehäuse für eine Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung des

Schienenfahrzeugs, die sich außerhalb des Gehäuses befindet; einem

Versorgungsanschluss am Gehäuse zum Versorgen des Bremsaktuators mit Energie; und einer Anpresskrafterfassungseinheit im Gehäuse zum Erfassen einer Ist-Anpresskraft des Anpressteils an der Bremsscheibe. Eine solche Eiektro-Mechanik (EM) wird grundsätzlich als Substitutionstechnologie für pneumatische und hydraulische Bremssysteme angesehen.

Elektro-mechanische Bremsaktuatoren werden über den Versorgungsanschluss von einem externen Energiespeicher mit Energie (in diesem Fall mit einer elektrischen Versorgungsspannung) versorgt. Der externe Energiespeicher versorgt dabei mehrere Aktuatoren gleichzeitig. Die Erfinder haben herausgefunden, dass dies vor dem

Hintergrund funktionaler Sicherheit und Systemverfügbarkeit ungünstig ist. Der Ausfall eines externen Energiespeichers oder der zentralen Versorgungsleitung vor einer Abzweigung zu den Aktuatoren führt bei aktiven Aktuatoren zum Ausfall der

Bremswirkung („gefährlicher Fehler") und bei passiven Systemen zu einer

Zwangsbetätigung („sicherer Zustand"), wodurch aber in der Regel die Verfügbarkeit des Schienenfahrzeugs nicht mehr gewährleistet ist.

Darüber hinaus führt ein Leitungsdefekt in einer Versorgungsleitung zu einem Aktuator oder am Versorgungsanschluss zum Ausfall eines Aktuators mit denselben vorstehend geschilderten Nachteilen.

Ferner hat der elektrische Leistungsbedarf von elektro-mechanischen Aktuatoren charakteristische Lastspitzen und im Mittel geringe Leistungsaufnahmen.

Hauptverbraucher bilden in der Regel Elektromagnete und Elektromotoren. Die Energieversorgung aus dem externen Energiespeicher in die Aktuatoren muss auf die Lastspitzen ausgelegt sein. Dies erhöht beispielsweise die Querschnitte in den elektrischen Versorgungsleitungen des Versorgungsanschlusses.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektro-mechanischen

Bremsaktuator für ein Schienenfahrzeug vorzusehen, der die vorstehend geschilderten Nachteile beseitigen kann. Diese Aufgabe wird durch den elektro-mechanischen Bremsaktuator für ein Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die vorliegende Erfindung ist in den Unteransprüchen weitergebildet.

Der Bremsaktuator für ein Schienenfahrzeug hat ein Gehäuse; ein Anpressteil, das dazu konfiguriert ist, an eine Bremsscheibe gedrückt zu werden; ein Mittel zum

Bewegen des Anpressteils, das dazu konfiguriert ist, das Anpressteil zu der

Bremsscheibe hin und von dieser weg zu bewegen; eine Logikeinheit im oder am Gehäuse, die dazu konfiguriert ist, das Mittel zum Bewegen des Anpressteils zu steuern; einen Steuerungsanschluss am Gehäuse für eine Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung des Schienenfahrzeugs, die sich außerhalb des Gehäuses befindet; und einen Versorgungsanschluss am Gehäuse zum Versorgen des

Bremsaktuators mit Energie. Eine Leistungselektronik mit Energiespeicher ist im oder am Gehäuse angeordnet und nur dem einen Bremsaktuator zugeordnet.

Vorzugsweise ist die Logikeinheit dazu konfiguriert, die Leistungselektronik so zu steuern, dass Leistungsflüsse von Verbrauchern im Bremsaktuator bedarfsgerecht gesteuert werden.

Der Bremsaktuator kann in vorteilhafter Weise bei Ausfall der externen Spannungsversorgung vorher definierte Betätigungen oder auch Lastprofile

selbstständig ausführen. Der Energiespeicher der Leistungselektronik ermöglicht in vorteilhafter Weise, Leistungsspitzen zu puffern, indem ein Teil des Leistungsbedarfs aus dem Energiespeicher der Leistungselektronik und ein anderer Teil aus einer externen, übergeordneten Energieversorgung des Schienenfahrzeugs gespeist werden kann.

Vorzugsweise ist der Energiespeicher der Leistungselektronik ein Akkumulator oder ein Kondensator. Die Leistungselektronik kann Verstärker-, Umrichter- und/oder

Gleichrichterschaltungen unter anderem mit Schalttransistoren aufweisen, die gewünschte Versorgungsspannungen bereitstellen können.

Vorzugsweise ist das Mittel zum Bewegen des Anpressteils ein Spindeltrieb oder ein Linearantrieb mit einer eigenen Logikeinheit. Weiter bevorzugt ist der Spindeltrieb oder Linearantrieb mit entsprechenden Sensoren kraft- oder positionsgeregelt. Diese

Lineartriebe sind als aktive Elemente klassifiziert, d.h. dass sie Kräfte im bestromten Zustand aufbauen. In vorteilhafter Weise kann die Anpresskraft dadurch variiert werden.

Alternativ kann das Mittel zum Bewegen des Anpressteils eine passive Komponente sein. Das passive Mittel zum Bewegen des Anpressteils kann dann einen

Federspeicher haben, der das Anpressteil an die Bremsscheibe drückt. Der

Federspeicher wird durch einen Aktuator wie zum Beispiel einen elektro-mechanischen Krafterzeuger, einen Pneumatikzylinder oder einen Hydraulikzylinder beim Lösen der Bremse so betätigt, das sich das Anpressteil von der Bremsscheibe entfernt. Die Bremsenergie wird dem Federspeicher entnommen und muss nicht aktiv aufgebaut werden, was zum Beispiel bei Ausfall der Energieversorgung vorteilhaft ist.

Vorzugsweise hat der Bremsaktuator eine Anpresskrafterfassungseinheit im Gehäuse zum Erfassen einer Ist-Anpresskraft des Anpressteils an der Bremsscheibe, wodurch eine Regelung der Anpresskraft oder eine Nachspeisung des Bremsaktuators bewirkt werden kann.

Vorzugsweise hat die Leistungselektronik einen Versorgungseingang, der mit dem Versorgungsanschluss verbunden ist, und zumindest einen Versorgungsausgang, der mit der Logikeinheit und/oder dem Mittel zum Bewegen des Anpressteils verbunden ist. Die Leistungselektronik wird vorzugsweise über eine Steuerleitung von der Logikeinheit angesteuert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Bremsaktuator 1 für ein Schienenfahrzeug hat ein Gehäuse 1 1 ; ein Anpressteil 8, das dazu konfiguriert ist, an eine Bremsscheibe 9 gedrückt zu werden; ein Mittel 5, 6 zum Bewegen des

Anpressteiis 8, das dazu konfiguriert ist, das Anpressteil 8 zu der Bremsscheibe 9 hin und von dieser weg zu bewegen; eine Logikeinheit 2 im Gehäuse 1 1 , die dazu konfiguriert ist, das ittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 zu steuern; einen Steuerungsanschluss 3 am Gehäuse 1 1 für eine Verbindung mit einer übergeordneten Steuerung des Schienenfahrzeugs, die sich außerhalb des Gehäuses befindet; einen Versorgungsanschluss 4 am Gehäuse 1 1 zum Versorgen des Bremsaktuators 1 mit Energie; und eine Anpresskrafterfassungseinheit 10 im Gehäuse 1 1 zum Erfassen einer Ist-Anpresskraft F des Anpressteils 8 an der Bremsscheibe 9. Darüber hinaus hat der Bremsaktuator 1 eine Leistungselektronik 99 mit Energiespeicher, die im Gehäuse 1 1 angeordnet ist und nur dem einen Bremsaktuator 1 zugeordnet ist. Durch die

Anordnung der Leistungselektronik 99 und der Logikeinheit 2 im Gehäuse 1 1 werden dieselben gegen äußere Einflüsse geschützt. Alternativ können die Leistungselektronik 99 und die Logikeinheit 2 vollständig außerhalb des Gehäuses 1 1 aber am Gehäuse 1 1 angeordnet sein. Es ist auch denkbar, die Leistungselektronik 99 teilweise im und teilweise außerhalb des Gehäuses 1 1 anzuordnen. Zum Beispiel kann der

Energiespeicher der Leistungselektronik 99 außerhalb des Gehäuses 1 1 aber am Gehäuse 11 angeordnet sein, während der restliche Teil der Leistungselektronik 99 im Gehäuse 11 angeordnet ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der

Energiespeicher ein austauschbarer Akku oder eine austauschbare Batterie ist, der von der Außenseite des Gehäuses 1 1 zugänglich sein soll. In der Fig. 1 sind

Versorgungsleitungen als durchgezogene Linien dargestellt, und Steuerleitungen sind als gestrichelte Linien dargestellt. Die Leistungselektronik 99 hat einen

Versorgungseingang, der mit dem Versorgungsanschluss 4 verbunden ist, und zumindest einen ersten und einen zweiten Versorgungsausgang, wobei der erste Versorgungsausgang mit der Logikeinheit 2 verbunden ist und der zweite

Versorgungsausgang mit dem Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 verbunden ist. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik 99 über eine Steuerleitung durch die Logikeinheit 2 angesteuert.

Der Bremsaktuator 1 kann in vorteilhafter Weise bei Ausfall einer externen

Spannungsversorgung vorher definierte Betätigungen oder auch Lastprofile

selbstständig ausführen. Bei Ausfall der externen, übergeordneten Energieversorgung ist zudem eine Notversorgung gewährleistet. Die Leistungselektronik weist Verstärker-, Umrichter- und/oder Gleichrichterschaltungen unter anderem mit Schalttransistoren auf, die gewünschte Versorgungsspannungen bereitstellen können.

Der Energiespeicher der Leistungselektronik 99 ermöglicht ferner in vorteilhafter Weise, Leistungsspitzen zu puffern, indem ein Teil des Leistungsbedarfs aus dem

Energiespeicher der Leistungselektronik 99 und ein anderer Teil aus einer externen, übergeordneten Energieversorgung des Schienenfahrzeugs gespeist werden kann. Dadurch können die Querschnitte in den elektrischen Versorgungsleitungen des

Versorgungsanschlusses 4 verkleinert werden, wodurch einerseits Kosten der

Verkabelung und andererseits die Baugröße reduziert werden können.

Die Logikeinheit 2 ist dazu konfiguriert, die Leistungselektronik 99 so zu steuern, dass Leistungsflüsse von Verbrauchern im Bremsaktuator 1 bedarfsgerecht gesteuert werden. Dadurch kann zum Beispiel der Energieverbrauch optimiert werden.

Der Energiespeicher der Leistungselektronik 99 ist ein Akkumulator, es kann jedoch auch ein Kondensator wie zum Beispiel ein Super-Cap verwendet werden.

Das Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 hat einen aktiven Linearantrieb 5 mit einer eigenen Logikeinheit (nicht gezeigt) und eine Hebelmechanik 6, die nur schematisch dargestellt ist. Der Linearantrieb 5 ist mit entsprechenden Sensoren (nicht gezeigt) kraft- oder positionsgeregelt. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine

Bremsbaugruppe bestehend aus dem Anpressteil 8, der Bremsscheibe 9 und einem Anpresshalter, der das Anpressteil 8 hält,

Alternativ kann das Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 eine passiv betriebene Komponente sein, wie sie in der Beschreibungseinleitung genannt ist.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel, und nur seine Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel werden nachfolgend beschrieben. Die Leistungselektronik 99 hat nur einen Versorgungsausgang, der sowohl mit der Logikeinheit 2 als auch dem Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 verbunden ist.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel, und nur seine Unterschiede zum ersten

Ausführungsbeispiel werden nachfolgend beschrieben. Die Leistungselektronik 99 hat nur einen Versorgungsausgang, der sowohl mit der Logikeinheit 2 als auch dem Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 verbunden ist. Der Versorgungsausgang ist zudem direkt mit dem Versorgungseingang der Leistungselektronik 99 verbunden.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Bremsaktuators für ein

Schienenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung. Das vierte Ausführungsbeispiel ähnelt dem ersten Ausführungsbeispiel, und nur seine Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel werden nachfolgend beschrieben. Die Leistungselektronik 99 hat nur einen Versorgungsausgang, der mit dem Mittel 5, 6 zum Bewegen des Anpressteils 8 verbunden ist. Der Versorgungseingang der Leistungselektronik 99 ist zudem direkt mit einem Versorgungseingang der Logikeinheit 2 verbunden.

Die vorstehend beschriebenen Konfigurationen der Ein- und Ausgänge der

Leistungselektronik 99 sind nicht einschränkend und können durch den Fachmann abgewandelt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Bremsaktuator

2 Logikeinheit

3 Steuerungsanschluss

4 Versorgungsanschluss

5 Linearantrieb

6 Hebelmechanik

7 Bremsbaugruppe

8 Anpressteil

9 Bremsscheibe

10 Anpresskrafterfassungseinheit

1 1 Gehäuse

99 Leistungselektronik mit Energiespeicher

F Ist-Anpresskraft