Druckluftbremse (Eisenbahn)

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Die Druckluftbremse wird vor allem im Bahnbetrieb zur Bremsung der Züge verwendet. George Westinghouse entwickelte sie in den USA um 1869 speziell für den Bahnbetrieb. Auf seine Erfindung erhielt er am 5. März 1872 ein US-Patent.

Die Druckluftbremse verwendet Druckluft sowohl als Energieträger als auch als zur Steuerung des Bremsvorgangs. Die eigentliche Bremswirkung wird durch das Anpressen von Bremsklötzen entweder auf die Laufflächen der Räder oder auf Bremsscheiben ausgeübt. Die Bremsscheiben von Bahnfahrzeugen befinden sich auf der Achse des Radsatzes und bestehen meist aus Doppelscheiben zur besseren Wärmeabführung.

Die Druckluftbremsen der meisten europäischen Bahnen entsprechen einem internationalen Standard und sind miteinander kompatibel. Wesentliche Gründe für die Einführung der Druckluftbremse waren die direkte Steuerbarkeit durch den Triebfahrzeugführer und die Möglichkeit, alle Wagen eines Zuges gleichmäßig bremsen zu können.

Bremse eines Selbstentladewagens

Bremsklötze an den Rädern eines Bahnfahrzeugs

In der Zeit bevor die Druckluftbremse zur Verfügung stand, wurden die Züge von Hand gebremst. Die einzelnen Wagen hatten eine mit einer Person (Bremser) besetzte Handbremse. Auf entsprechende Signale des Lokomotivführers mussten die Bremsen angezogen oder gelöst werden. Die Tätigkeit der Bremser war außerordentlich belastend, da der spezielle Sitz lange Zeit völlig ungeschützt war. Nicht selten sind Bremser im Winter bei ihrer Arbeit erfroren. Erst später boten die so genannten Bremserhäuschen einen gewissen Schutz gegen die Witterungseinflüsse.

[Bearbeiten] Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise

Prinzipiell besteht die Druckluftbremse aus einem System von Druckluftbehältern, Bremszylindern und Druckluftleitungen an jedem Fahrzeug, die bei der Zusammenstellung eines Zuges an den Koppelstellen miteinander verbunden werden.

Alle Fahrzeuge eines Zuges haben eine durchgehende und miteinander verbundene Hauptluftleitung (HLL). Ein Luftpresser am Triebfahrzeug versorgt diese über das Führerbremsventil mit Luft von üblicherweise 5 bar Druck. Die Hauptluftleitung dient neben der Hauptluftbehälterleitung (HBL) gleichzeitig als Energieversorger und Signalübertragungsweg. Jeder Wagen hat zudem einen Hilfsluftbehälter, der ständig über ein Steuerventil von der Hauptluftleitung nachgefüllt wird, außerdem druckluftbetriebene Bremszylinder und Bremsklötze an den Rädern bzw. Scheibenbremsen im Rad oder auf der Achswelle. Das prinzipielle Steuerelement für die Bremsanlage ist das „Führerbremsventil“ auf dem Triebfahrzeug bzw. der Lokomotive.

Die Bremse ist gelöst (inaktiv), wenn alle Hilfsluftbehälter gefüllt sind und in der Hauptluftleitung der Regelbetriebsdruck herrscht. Wird der Druck in der Hauptluftleitung abgesenkt, so leiten die Steuerventile die Druckluft aus den Hilfsluftbehältern in die Bremszylinder, die darauf über ein Bremsgestänge die Bremsklötze an die Räder oder Bremsscheiben drücken bzw. die Bremszangen der Scheibenbremsen betätigen. Die Bremsanlage ist so dimensioniert, dass bei einer Absenken des Druckes der Hauptluftleitung auf etwa 3,5 bar (Vollbremsung) und bei einer vollständig entleerten Hauptluftleitung (0 bar bei einer Schnell-, Not- oder Zwangsbremsung) in den Bremszylindern ein Druck von max. 3,8 bar ansteht. Nach einem Bremsvorgang erfolgt das Lösen der Bremse durch das Wiederauffüllen der Hauptluftleitung auf den Regelbetriebsdruck von 5 bar. Die Steuerventile gehen dadurch in ihre Ausgangsstellung zurück, die Luft aus den Bremszylindern entweicht ins Freie, die Bremsklötze lösen sich und die Hilfsluftbehälter werden gefüllt.

Um die Druckabsenkung in der Hauptluftleitung und damit den Bremsvorgang auszulösen, wird normalerweise durch den Triebfahrzeugführer das „Führerbremsventil“ auf dem Triebfahrzeug bzw. der Lokomotive betätigt. Ebenso gibt es eine Auslösemöglichkeit über das Betätigen von „Notbremsventilen“, die gewöhnlich zusätzlich in Reisezugwagen vorhanden sind. Auch das Reißen der Hauptluftleitung im Falle einer Zugtrennung während der Fahrt führt zum Bremsvorgang. Im Gegensatz zum dosierten Bremsen durch das Führerbremsventil (Betriebsbremsung von der ersten Bremsstufe bis zur Vollbremsung - VB) erfolgt in den beiden letzten Fällen eine Schnellbremsung.

[Bearbeiten] Einlösige Bremse

Eine als „einlösig“ bezeichnete Bremse lässt ein stufenweises Zurücknehmen der Bremsung nicht zu. Bei einer nur geringfügigen Druckerhöhung nach einer Bremsung löst das Steuerventil aus, geht also in Grundstellung. Wenn sich das Führerbremsventil nach einer geringfügigen Druckerhöhung nicht in der Fahrtstellung befindet, wird der Hilfsluftbehälter nicht wieder mit Druckluft aufgefüllt. Ferner wird die Luft aus den Bremszylindern ins freie geleitet. Soll in dieser Situation stärker gebremst werden - etwa weil der Lokführer sich verschätzt hat, muss der Druck in der Hauptluftleitung weiter als in der vorherigen Bremsung abgesenkt werden. Bei mehreren Regulierungen der Bremskraft - ohne das Führerbremsventil in die Fahrtstellung zu bringen und damit die Bremsanlage zu befüllen - kann die Luft aus Hauptluftleitung vollständig aufgebraucht werden. Zu diesem Zeitpunkt steht keine Luft mehr für eine Bremswirkung zur Verfügung. Im Fachjargon spricht man vom „Erschöpfen der Bremse“.

[Bearbeiten] Mehrlösige Bremse

Um das Erschöpfen der Bremse zu vermeiden, entwickelte man mehrlösige Bremsen. Dies führte in Deutschland 1918 zur Einführung der von Knorr mitentwickelten Kunze-Knorr-Bremse-Güterzugbremse (Kkg), die später variiert auch für Personenzüge (Kkp) 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.

Während die Kunze-Knorr-Bremse (Kkbr) noch mit einem Bremszylinder mit zwei Arbeitskammern ausgerüstet war (Zweikammerbremse), ist die Hildebrand-Knorr-Bremse (Hikbr) eine Einkammerbremse. Eine wichtige Neuerung der Hikbr gegenüber der Kkbr ist die Einführung des Dreidruckprinzips. Während bei der Kkbr nur das Druckverhältnis zwischen Hauptluftleitung (HLL) und Bremszylinder für die Ansteuerung benutzt wurde, was bei undichtem Bremszylinder durch die ständige Entleerung des Vorratsluftbehälters zu nachlassender Bremswirkung führte, wird bei der Hikbr auch der Behälterdruck einbezogen. Bei undichtem Bremszylinder und Unterschreiten des Hll-Drucks durch den Vorratsbehälterdruck wird Druckluft direkt aus der HLL in den Bremszylinder geleitet und damit ein Erschöpfen der Bremskraft verhindert. Zur Ausnutzung dieser Funktion wurde gleichzeitig das selbstregelnde Führerbremsventil entwickelt, das allerdings erst etwa 20 Jahre später in größerer Anzahl zum Einsatz kam und heute zur Standardausrüstung der Triebfahrzeuge gehört.

[Bearbeiten] 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 eine Druckversorgung mit mehr Druck notwendig, dieser Weg ist aber nur bei Triebfahrzeugen möglich. 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 70 km/h erhöht der Druckübersetzer den Druck auf maximal 5,5 bar (Bremsstellung P2) oder auf 8 bar (Bremsstellung R). Sinkt die vom Achslagerbremsdruckregler gemessene Geschwindigkeit unter etwa 55 km/h (Schalthysterese), wird der Druck im Bremszylinder automatisch auf den Wert der normalen Niedrigabbremsung angepasst. Die Druckluft für die Hochabbremsung wird den Hauptluftbehältern entnommen. Zwar wird in Reisezügen die Hauptluftbehälterleitung (HBL) mitgekuppelt, die den Wagenzug mit 10 bar Druckluft versorgt, im Falle einer Zugtrennung wird diese Leitung aber geöffnet und es stände kein erhöhter Druck mehr zur Verfügung. Die Hochabbremsung wird bei den Reisezugwagen durch größere Vorratsbehälter (bis 200 Liter pro Wagen) und meist zwei großvolumige Bremszylinder erzeugt. Bei normaler Abbremsung beträgt der höchste Bremszylinderdruck etwa 1,7 bar, bei Hochabbremsung etwa 3,8 bar.

[Bearbeiten] Gleitschutzregler

Durch den niedrigen Haftwiderstandsbeiwert von Stahl auf Stahl können Eisenbahnräder leicht blockieren. Dadurch bekommt 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..

[Bearbeiten] Schnellbremsbeschleuniger

Bei hohen Geschwindigkeiten ist die zeitliche Abstimmung sehr wichtig. Die Geschwindigkeit mit der sich eine Druckwelle in einem Rohr fortbewegt ist mit maximal 290 m/s (größenordnungsmäßig die Schallgeschwindigkeit) relativ langsam, der reale Druckabfall infolge der Dehnung der Luft ist noch langsamer. Damit die Züge gleichmäßiger bremsen, wurde die Reaktionsgeschwindigkeit der Bremsventile für lange Güterzüge künstlich verlangsamt. Für Schnellzüge mit einheitlicherem Wagenmaterial und kürzeren Zuglängen ist dies weder notwendig, noch erwünscht. Um den Druckabfall zu beschleunigen und damit die Ansprechzeit der Bremsen im Zug zu verkürzen, werden Ventile eingebaut, die einen schnellen Druckabfall in der Hauptluftleitung registrieren und durch Öffnen zusätzlicher Ausströmungen diesen Druckabfall weiter beschleunigen. Damit wird zwar nicht die Durchschlaggeschwindigkeit erhöht, jedoch die Geschwindigkeit des Druckabfalls, die für das Ansprechen der Schnellbremsung im Bremsventil notwendig ist.

[Bearbeiten] 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 Hauptluftleitung 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.