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Achterbahn Bremsen - Von der Reib- zur Wirbelstrombremse |
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Viel wird geschrieben über Antriebe bei
Achterbahnen, die Höhe oder Steigung eines Lifthügels ist ein genauso
beliebtes Werbemittel wie ein leistungsfähiger Abschuss. Im Gegensatz dazu
wird das andere Ende der energetischen Nahrungskette ziemlich
stiefmütterlich behandelt. Dabei sind sie für eine Achterbahn
mindestens genauso wichtig: Die Bremsen.
Ein Achterbahnzug erhält zu Beginn der Fahrt durch
einen Lifthügel oder einen Katapultmechanismus ein bestimmtes
Energiepotential, um die folgenden Streckenmeter ohne eigenen Antrieb zu
absolvieren. Die Geschwindigkeit und die Haltemöglichkeit einer
gravitationsbetriebenen Achterbahn wird durch Bremssysteme kontrolliert, welche
an speziellen Punkten des Schienenparcours installiert sind. Durch den Einsatz
einer vollautomatischen Steuerung können mehrere Züge gleichzeitig
auf einem Achterbahn-Rundkurs eingesetzt werden. Selbst wenn ein Zug durch
einen Defekt plötzlich zum Stehen kommen sollte, garantiert die Steuerung
aus redundanten SPS (SpeicherProgrammierbare Steuerung) in Verbindung mit dem
Bremssystem, dass die Züge nicht einander auffahren.
Realisiert wird dies durch lineare, etwa ein bis zwei Meter
lange Bremsmodule, welche zur Geschwindigkeitsreduzierung sowie als Stopp- und
Haltebremse eingesetzt werden. Nahezu auf jeder modernen Achterbahn findet sich
die mechanische Reibbremse, welche Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelt
wurde. Die klassische Bremse besteht aus zwei Bremsschuhen, welche durch eine
permanente Federkraft auf die typischerweise unter den Wagen angebrachten
Bremsschwerter drücken. Das Schwert sticht dabei in einen von den
Bremsschuhen gebildeten Spalt. Die Bewegungsenergie des Zuges wird durch das
physikalische Prinzip der Coulombschen Reibung in Wärme umgesetzt, der Zug
verliert an Geschwindigkeit. Die Wahl der Reibpaarung, also die Materialwahl
von Bremsschuh und Bremsschwert, bestimmt die Bremsperformance wie auch den
Verschleiß der beiden aufeinander gleitenden Materialien. Bei
deaktivierter Bremse werden die Bremsschuhe mechanisch
auseinandergedrückt.
Seit dem Beginn der Verbreitung der Stahlachterbahn, welche
in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts ihren weltweiten Siegeszug antrat,
wurden die Kreationen schneller und die Züge schwerer. Zwar ist die
Entwicklung der mechanischen Reibbremse seitdem kaum fortgeschritten, doch
vermag sie als einzige, einen Achterbahnzug auf abfallender Strecke komplett zu
stoppen und in der Position zu halten. Auch wenn sich die Entwicklung in den
letzten Jahren auf magnetische Wirbelstrombremsen fokussiert hat, sind die
linearen Reibbremsen bis heute ein nicht wegzudenkendes Sicherheitsmerkmal
einer jeden Achterbahn. |
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Rechts: Das Bremsschwert durchsticht die
Bremsmodule |
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Physikalisches Reibungsmodell nach
Coloumb |
Das Fahrzeug wird durch den physikalischen Effekt der
kinetischen bzw. statischen Reibung zwischen zwei festen Körpern
verzögert oder gehalten. Dieser Effekt wird quantitativ durch das Gesetz
der Coloumbschen Reibung beschrieben. Die kinetische Reibung betrachtet zwei
Körper, welche sich gegenseitigen berühren und sich gleichzeitig
relativ zueinander bewegen. Dadurch entsteht eine Reibkraft, welche in die
entgegengesetzte Richtung der Bewegung zeigt.
Eine Kraft ist ein Vektor, hat also eine Richtung und eine
Stärke - den Betrag. Bei der Erläuterung der Reibung ist es sinnvoll,
den Kraftvektor in zwei Komponenten zu zerlegen. Die eine Komponente ist die
Normalkraft Fn, mit der Bremsschwert und Bremsschuh
aufeinandergedrückt werden. Die andere Komponente ist die Reibungskraft
Fr, die senkrecht auf der Normalkraft steht und zu dieser proportional ist:
Fr = Fn x µ .
Die Faktor µ wird als Reibkoeffizient
bezeichnet. Sein Größe hängt von der Materialkombination der
beiden Festkörper unter bestimmten Voraussetzungen ab. Der Reibkoeffizient
ist abhängig von der Andruckkraft, der relativen Geschwindigkeit, der
Temperatur und der Schmierung der beiden aufeinander reibenden
Oberflächen. Der Bremsvorgang generiert Reibung, welche sich in der
Erwärmung und dem Verschleiß der beiden Körper
äußert. Für das Bremsschwert wird üblicherweise ein
gehärteter Stahl verwendet, während die Bremsschuhe mit
auswechselbaren Reibbelägen aus Bronzelegierungen ausgestattet
sind. |
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Auf der Rutschebanen im Tivoli Kopenhagen
bedienen Bremser einen Hebelmechanismus am Zug, um dessen Geschwindigkeit zu
kontrollieren. Dabei werden mittels Muskelkraft Bremsschuhe auf entlang der
Schiene installierte Reibplanken aus Holz gedrückt. |
Technisch gesehen ist eine Achterbahn nichts anderes als
eine Maschine, die ständig kinetische Energie in potentielle Energie
umwandelt und umgekehrt. Dabei wird dem Zug zu Beginn der Fahrt eine gewisse
Energiemenge zugeführt. Entweder wird er durch eine Kette, Reibräder
oder ein Stahlseil einen Lifthügel hinaufgezogen oder mittels
Katapultantrieb abgeschossen - der Effekt auf den Energiehaushalt ist der
gleiche. Während einer Abfahrt wird der Zug auf Kosten seiner potentiellen
Energie schneller, bei einer Auffahrt zu ihren Gunsten langsamer. Gäbe es
keine Reibung, dann hätte der Zug am Ende der Fahrt genauso viel Energie
wie zu Beginn. Daher ist es wichtig, die Energiemenge des Zuges zu
kontrollieren. Dabei gilt selbstverständlich der Energieerhaltungssatz:
Energie kann nicht vernichtet werden, sie lässt sich nur von einer
Erscheinungsform in eine andere umwandeln. Üblicherweise wandeln Bremsen
Bewegungsenergie in Wärme um - im Auto, beim Fahrrad, aber auch bei einer
Achterbahn.
Achterbahnen haben ihren Ursprung in russischen
Eisrutschbahnen. Die hölzernen Gerüste wurden in den Städten im
Winter mit Wasser übergossen und ermöglichten ein eisiges
Rutschvergnügen. 1884 entwickelte Thompson die erste sogenannte Gravity
Switch-Back Railway und beschrieb seine Erfindung in einer Patentschrift. Diese
beinhaltet einen Bremsmechanismus, der es ermöglicht, die Geschwindigkeit
während der Fahrt zu kontrollieren und das Fahrzeug in kritischen
Situationen komplett zu stoppen. Diese Notwendigkeit ergab sich daraus, dass
Thompson die Fahrdynamik nur beschränkt vorherbestimmen konnte, da ihm
sowohl die Erfahrung als auch physikalische Berechnungsmethoden fehlten.
Folglich fuhr der Zug immer zu schnell über den Parcours, um zu
garantieren, dass er auch tatsächlich sein Ziel erreichte.
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Jackmans Patenschrift der Skid Brake (Bild
rechts) in der Umsetzung auf einer der ältesten Stahlachterbahn der Welt
im niederländischen Freizeitpark De Waarbeek |
Thompson setzte auf eine Fahrzeugbremse, die von einer
Person im Zug über einen Hebel betätigt wurde. Ein Mechanismus presst
dabei Bremsschuhe auf eine entlang der gesamten Holzschiene installierten
Reibplanke. Aufgrund der dabei entstehenden Reibung wird ein Teil der
Bewegungsenergie des Zuges in Wärme umgesetzt, der Zug wird langsamer.
Heute ist diese Methode auf den weltweit neun verbliebenden Scenic Railways im
Einsatz, so zum Beispiel auf der Rutschebanen im Tivoli Kopenhagen.
Im Jahre 1904 verlegte Jackman die Bremsmechanik vom Zug auf
den Schienenparcours und beschrieb seine Erfindung mit den folgenden Worten:
"Eine bestimmte Anzahl hintereinander angeordneter Bremsmechanismen, jeweils
bestehend aus einem Paar länglicher Balken, sind derart mit einem
Mechanismus versehen, dass sie auf- und abfahren können. Im hochgefahrenen
Zustand besteht eine Kontaktmöglichkeit mit einem an der Unterseite des
Zuges befindlichen Reibfläche. Der Mechanismus wird von einem Operator
bedient, der mittels eines Hebelmechanismus die Bremsbalken per Muskelkraft
gegen die Reibflächen des heranschnellenden Zuges drückte und so den
Zug stetig verzögert."
Die sogenannte Skid Brake wird auf bestimmten, vorzugsweise
geraden Streckenabschnitten verwendet, um den Wagen zu stoppen oder auf
abschüssigen Abschnitten in einer sicheren Position zu halten. Dabei wird
der nicht allzu schwere Zug regelrecht aufgebockt und die Räder verlieren
den Kontakt zur Schiene. Eine derartige Bremse wird noch auf verschiedenen
Holzachterbahnen in den USA eingesetzt. In Europa findet sich die Skid Brake
auf einer der ältesten Stahlachterbahnen der Welt im niederländischen
Freizeitpark De Waarbeek.
1910 verbesserte Miller die manuell betätigte Skid
Brake durch den Einsatz eines horizontal beweglichen Balkens. Dieser bildet
zusammen mit einem an der Schiene fest angebrachten Balken einen
veränderlichen Spalt, durch den sich ein am Wagen angebrachtes
Bremsschwert bewegt. Bei einem kleinen Spalt wird gebremst, bei einem breiten
Spalt nicht - Die Urversion der mechanischen Achterbahnbremse war geboren, und
das Prinzip ist auch 100 Jahre später in den verschiedensten Designs immer
noch Standard. Millers Erfindung garantierte während des Bremsvorgangs den
ständigen Kontakt der Laufrollen mit der Schiene. Bei Nässe war das
System weitaus effizienter, weil ein Aquaplaning-Effekt wie bei der Skid Brake
nicht auftreten kann, da das Wasser von den senkrechten Bremsbalken
abzufließen vermag. Im Gegensatz zur Skid Brake kann Millers Erfindung
nur auf geraden Streckenabschnitten eingesetzt werden. |
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Heutzutage werden die ein bis zwei Meter langen mechanischen
Bremsmodule auf Achterbahnen weltweit eingesetzt, um die Geschwindigkeit zu
regulieren, die Züge vor dem Stationsbereich auf Schritttempo
herunterzubremsen oder die Züge auf Blockbremsen zu halten.
Das logische Prinzip einer Achterbahn, mehrere antriebslose
Züge gleichzeitig auf einem Rundkurs in Aktion zu erleben, ohne dass diese
überhaupt sich einander zu nahe kommen können, wird durch sogenannte
Blockabschnitte ermöglicht. Jeder Blockabschnitt ist durch kapazitive
Näherungsschalter abgesichert, die Flaggen am Zug detektieren und somit
unterscheiden können, ob der Zug den Schalter passiert hat oder nicht.
Zudem findet sich vor jedem Blockabschnitt die Blockbremse, welche
schließt, sobald ein Zug in den Abschnitt eingefahren ist und erst wieder
öffnet, wenn dieser den Abschnitt verlässt. Jede Blockbremse ist mit
einer bestimmten Anzahl an Bremsmodulen ausgestattet, die selbst im schlimmsten
Falle den Zug zum Stillstand bringen können. Dieser Fall ist durch
technische Zustände definiert: Bei der Auslegung wird der schwerste und
schnellste Zug, in Kombination mit nassen und maximal verschlissenen
Bremsbelägen, theoretisch betrachtet.
Im Bereich einer Blockbremse weist die Schiene
üblicherweise ein Gefälle von bis zu 5° auf, sodass der Zug auch
nach dem Stillstand aus eigener Gravitationskraft wieder durchstarten kann. Die
Höhe gegenüber der Stationsbremse ist dabei derart ausgelegt, dass
die Züge die Station aus eigener Kraft problemlos erreichen. Im
Normalbetrieb, also wenn der folgende Block frei ist, sind die Blockbremsen
vollständig deaktiviert. Da eine Blockbremse zwangsläufig an einem
geraden Schienabschnitt angebracht ist, stört sie die Fahrdynamik auch
dann, wenn sie nicht greift. Daher ist es das Ziel den Ingenieure, die
Blockbremse möglichst kurz zu gestalten. Da die Bremswirkung einerseits
technisch und andererseits durch die maximal auf die Fahrgäste wirkenden
Kräfte begrenzt ist, darf die Höchstgeschwindigkeit des Zuges einen
von der Länge der Blockbremse abhängigen Maximalwert nicht
überschreiten. Eine Blockbremse wird üblicherweise mit einer
gemäßigten Geschwindigkeit zwischen 10 bis 30 Stundenkilometern
passiert. Dies ist ein weiterer Grund, warum Blockbremsen immer bei hohen
Streckenabschnitten zu finden sind: Dort ist der Zug langsam.
Neben der Blockbremse besitzen Achterbahnen auch Reduzier-
und Stationsbremsen. Die Stationsbremse wird als Stopp- und Haltebremse
verwendet. Sie bremst den Zug kurz vor der Station auf Schritttempo herunter,
damit dieser kontrolliert in den Stationsbereich einfahren kann.
Die Reduzierbremse agiert als Steuerungsbremse, etwa wenn
ein Zug einen bestimmten Streckenabschnitt ausschließlich mit einer
Maximalgeschwindigkeit passieren darf, da ansonsten die
Beschleunigungskräfte für Passagiere und Material zu groß
werden oder um den Abstand unterschiedlich beladener Züge zueinander zu
regulieren. Eine Reduzierbremse kann beliebig auf offener Strecke, also auch
durchaus in einem Tal oder auf einer Hügelkuppe, platziert werden, da die
Bremse einen Zug nicht zum Stehen bringen kann. Die für die Mitfahrer
unauffälligste Platzierung ist dabei in einer Auffahrt, da das Gehirn
ohnehin erwartet, dass die Geschwindigkeit abnimmt. In einer Abfahrt wirkt eine
Reduzierbremse jedoch einer erwarteten positiven Beschleunigung entgegen.
Es gibt steuerbare und nicht steuerbare Reduzierbremsen.
Letztere üben immer die gleiche Bremswirkung auf einen Zug aus. Steuerbare
Reduzierbremsen hingegen können an die vorherrschenden Bedingungen
angepasst werden. Im einfachsten Fall werden sie je nach Witterungsbedingungen
wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Wind ein- oder ausgeschaltet. Es gibt
aber auch komplexe Steuerungen, die die Bremswirkung in Abhängigkeit der
Zuggeschwindigkeit regulieren. Da sich die Normalkraft, und damit die
Bremskraft, nur mit viel Aufwand einstellen lässt, wird stattdessen die
Dauer der Bremswirkung beeinflusst. Sobald der Zug auf seine
Sollgeschwindigkeit heruntergebremst wurde, wird die Bremse gelöst. Damit
ist eine äßerst exakte Steuerung möglich.
Friktionsbremsen auf Achterbahnen sind wichtige
Sicherheitseinrichtungen. Damit der geschlossene Zustand auch im Falle eines
Stromausfalls gewährleistet werden kann, ist die Bremsmechanik
üblicherweise durch eine mechanische Feder vorgespannt. Diesen Zustand
nennt man im Fachjargon "fail safe". Erste Erfindungen wurden 1947 und 1952 zum
Patent angemeldet, wobei hier noch ein Gegengewicht verwendet wurde, um die
Bremse permanent sicher zu schließen und die Bremskraft auf das
Bremsschwert des Zuges aufzubringen. Damit der Zug die Bremse ohne
Geschwindigkeitsreduzierung passieren kann, ist diese von einem Bediener zu
öffnen. Erfinder Schmidt beschreibt in seiner Patentschrift einen
luftdruckgesteuerten Aktuator, welcher von Eisenbahnbremsen inspiriert wurde
und die notwendige Kraft aufbringt, um die Bremse gegenüber der
Federvorspannkraft zu öffnen.
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Links: Die exzentrisch gelagerte
Reibbremse von Gerstlauer im Detail - Rechts: Im Einsatz auf einer Blockbremse
von Typhoon im belgischen Bobbejaanland |
Beide technischen Merkmale sind noch heute auf modernen
Achterbahn-Reibbremsen zu finden. Wenn kein elektrisches Signal der durch die
SPS überwachten Steuerung die Bremseinheit öffnet, bleibt diese
geschlossen. Die dazu benötigte Energie wird durch mechanische Druck- oder
Blattfedern oder auch geschlossene, permanente Luftdruckvolumen
gewährleistet.
Seit 1970 dominieren Stahlachterbahnen die
Freizeitparkindustrie. Über die Jahrzehnte hat das eingebrachte
Ingenieurwissen zu grundlegenden Veränderungen geführt. Die Bahnen
erreichen heutzutage durch präzise dynamische Berechnungsgrundlagen sowie
deutliche Verbesserungen in der Schienenproduktion Geschwindigkeiten, wie sie
noch vor fünfzig Jahren als undenkbar galten. Fuhren die Wagen auf den
ersten Stahlachterbahnen mit Spitzengeschwindigkeiten von rund 60 km/h, ist
heute die doppelte Geschwindigkeit Standard. Moderne
Hochgeschwindigkeitsachterbahnen werden 2010 sogar Maximalgeschwindigkeiten von
bis zu 240 km/h erreichen.
Neben der Geschwindigkeit hat sich das Gewicht der Fahrzeuge
drastisch erhöht, damit die verschweißten oder verschraubten
Fahrzeuge die Belastungen bei 5g in Tälern und Kurvenzügen sicher
über die Fahrwerke auf die Schiene bringen und sich nicht zu stark
verformen oder gar auseianderreißen.
Die Geschwindigkeits- wie auch Gewichtserhöhung
bedeutet auf Seiten der Bremseinrichtungen einen drastisch erhöhten Bedarf
an Bremsleistung. Heutige durchschnittliche Bremssysteme müssen die
zehnfache Energiemenge umwandeln als zu Beginn der Ära der
Stahlachterbahnen. Diese Entwicklung führte zum Einsatz von
hochbelastbaren Bremsbelägen wie auch weiterentwickelten Bremssystemen. So
werden stark belastete Bremsen zum Beispiel luftgekühlt, damit die bei der
Bremsung entstehende Wärme die Beläge nicht zu stark erhitzt. Die
Temperatur hat einen großen Einfluss auf das Verschleißverhalten
der bevorzugt eingesetzten Bremsbeläge aus Messingbronze. Werden diese zu
stark erhitzt, beginnt das Material plastisch zu fließen. Eine derartig
belastete Bremse kann schon nach wenigen Betriebsstunden nicht mehr
einsatzfähig sein. Eine Luftkühlung wurde auf Space Mountain im
Disneyland Paris notwendig, wo alle 36 Sekunden ein Zug die Block- und
Stationsbremsen passiert und die Reibbeläge aufheizt. In den ersten Wochen
nach Eröffnung im Jahre 1995 waren die bronzenen Bremsbeläge durch
den ständigen und hochfrequenten Energieeintrag nach wenigen
Betriebswochen nahezu verschlissen. Die Luftkühlung minimierte den
plastischen Verschleiß drastisch und ermöglichte eine annehmbare
Standzeit der Reibbeläge. |
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Die verschiedenen
Gestaltungsprinzipien des Bewegungsmechanismus heutiger Acherbahnbremsen und
beispielhafte Benennung der Anwender |
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Moderne lineare Reibbremsen unterscheiden sich durch den
eingesetzten Bewegungsmechanismus, welcher die auf den Bremsschuhen
angebrachten Reibbeläge gegen das am Wagen angebrachte Bremsschwert
drückt. Typische Ausführungen sind in der oberen Abbildung
dargestellt.Die Bremsen werden durch pneumatische Aktuatoren gegen die
Federvorspannkraft geöffnet. Prominentestes Gegenbeispiel ist Vekoma,
deren Bremsen durch Luftdruck geschlossen werden. Dies setzt jedoch eine
Redundanz im Pneumatikkreislauf voraus.
Die Kraft der Feder bestimmt die Bremskraft eines
Bremsmoduls. Die Bremskraft ist von der Größe der Reibfläche
unabhängig, nicht jedoch von der Anzahl der im Eingriff mit dem Zug
stehenden Bremsmodule. Bei der Bremsung erfährt der Zug mit dem geringsten
Beladungsgewicht und der langsamsten Eintrittsgeschwindigkeit den
kürzesten Bremsweg. Gegenüber dem schwersten und schnellsten Zug sind
Unterschiede in der Bremsdistanz von bis zu 60 Prozent keine Seltenheit. Durch
den Einsatz von Sensoren auf der Bremsstrecke erkennt die Steuerung das
Bremsverhalten des Zuges und kann noch während der Abbremsung Module
öffnen, etwa wenn der Zug zu schnell zum Stehen kommen würde. Durch
diese aktive Steuerung kann der Bremspunkt des Zuges optimiert werden, so dass
dieser nicht langsam durch die Bremse rollen muss und wichtige Zykluszeit
verliert. |
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1996 feierte die lineare Wirbelstrombremse ihren
ersten Einsatz auf der Intamin-Achterbahn Lethal Weapon Pursuit in der
deutschen Movie World. Vorher wurde sie auf den hauseigenen Giant Drop
Freifalltürmen eingesetzt, um die Gondel aus dem freien Fall heraus auf
Schrittgeschwindigkeit sicher abzubremsen. Entwickelt wurde sie von der
InTraSys GmbH in München, die seit damals unangefochtener Marktführer
bei derartigen Systemen für Fahrgeschäfte ist, in Zusammenarbeit mit
Intamin.
Bei der linearen Wirbelstrombremse der Münchner werden
in ihrer Polung alternierende Permanentmagnete einander gegenübergestellt
und bilden einen schmalen, etwa 20 Millimeter breiten Luftspalt, in dem ein
Magnetfeld mit in Fahrtrichtung sinusförmig abwechselnder Feldrichtung
herrscht und in den das Bremsschwert eintaucht. Dabei sind die Magnete entweder
am Fahrzeug oder an der Schiene angebracht. Bei der Racing Coaster Achterbahn
in der Movie World waren die Magnete an der Schiene und das Bremsschwert am
Fahrzeug montiert. Bei Bahnen mit geringer Maximalgeschwindigkeit oder vielen
Fahrzeugen ist das die günstigere Wahl, da die Magnete deutlich teurer
sind als die Bremsschwerter. Bei hohen Geschwindigkeiten und somit vielen
Bremselementen in der Schiene ist es dagegen vorteilhafter, die Magnete am
Fahrzeug anzubringen. Neben dem Kostenaspekt hat diese Variante den Vorteil,
dass die bei der Bremsung erzeugte Wärme auf eine Vielzahl von
Bremsschwertern verteilt wird.
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Auf Intamins Speed Monster im norwegischen
Tusenfryd sind die Magnetmodule (Bild rechts) am Zug angebracht und bilden
einen Luftspalt, in den an der Schiene befestigte Kupferschwerter eingreifen
(Bild links) |
Bei einer Magnetbremse wird im Bremsschwert ein Wirbelstrom
erzeugt. Für die Entstehung des Wirbelstroms gibt es zwei
Erklärungsansätze. Der eine, eher mathematisch-physikalische, basiert
auf dem Induktionsgesetz und besagt, dass eine Änderung des magnetischen
Flusses, von dem ein leitfähiges Objekt durchsetzt wird, eine
Induktionsspannung zur Folge hat. Bei einer Wirbelstrombremse bewegt sich das
Bremsschwert durch ein inhomogenes Magnetfeld, auf einen fixen Punkt auf dem
Bremsschwert bezogen ändert sich das Feld also über die Zeit. Die
dadurch erzeugte Induktionsspannung verursacht den Wirbelstrom.
Der zweite, anschaulichere Ansatz geht von der
Lorentzkraft aus und soll hier anhand der Figur 1 erklärt
werden. Diese zeigt einen Magneten einer Magnetleiste seitlich vom Luftspalt
aus gesehen. Das Magnetfeld steht senkrecht auf der Zeichenebene, das
Bremsschwert bewegt sich in Richtung des Pfeils v von links nach rechts.
Die im Bremsschwert enthaltenen Elektronen bewegen sich daher ebenfalls von
links nach rechts. Auf ein sich in einem Magnetfeld bewegendes Elektron wirkt
die Lorentzkraft, die senkrecht auf dem Magnetfeld und der Bewegungsrichtung
steht. Im Bereich des Südpols des Magneten in Figur 1 wird ein
Elektron nach unten abgelenkt, im Bereich des Nordpols nach oben. Insgesamt
wird ein Elektron also auf eine Kreisbahn gezwungen und es bildet sich der
Wirbelstrom WS.
Ein Strom, also eine bewegte Ladung, hat wiederum ein
magnetisches Feld zur Folge. Der Wirbelstrom erzeugt ein Magnetfeld, das
senkrecht auf der Oberfläche des Bremsschwerts steht und dem Magnetfeld
der Permanentmagnete entgegengesetzt ist. Die Figur 2 zeigt den Magneten
aus der Figur 1 von oben gesehen. Zusätzlich ist das vom
Wirbelstrom WS erzeugte Magnetfeld als kleiner Permanentmagnet
dargestellt, da es die gleiche Wirkung wie ein solcher Magnet hat: Es übt
eine Kraft auf die Permanentmagnete der Bremse aus. In der Figur 2 ist
nur die abstoßende Kraft Fm zwischen den Nordpolen des vom
Wirbelstrom erzeugten Magnetfeldes und des Permanentmagneten gezeigt. Diese
schräg wirkende Kraft lässt sich in zwei Komponenten zerlegen: Eine
Kraft FL in die Bewegungsrichtung des Bremsschwerts (und damit des
Zuges) und eine Kraft FN senkrecht auf dem Bremsschwert. Die Kraft
FN ist unerwünscht, da sie nicht zur Bremsung beiträgt, aber
auf die Struktur der Bremse wirkt. Sie lässt sich jedoch nicht vermeiden.
Die Kraft FL hingegen erzeugt die gewünschte Bremswirkung. In der
Figur 2 nicht dargestellt sind die Kräfte zwischen dem vom
Wirbelstrom erzeugten Magnetfeld und dem Südpol des gezeigten
Permanentmagneten (eine anziehende Kraft, die ebenfalls eine bremsende
Komponente hat) sowie dem Magneten auf der gegenüberliegenden
Magnetleiste.
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Figur 1 und Figur 2 zur Erläuterung
des Funktionsprinzips der Wirbelstrombremse |
Soweit zu der Frage, woher die Kraft kommt, die den Zug
abbremst. Es bleibt noch zu klären, was mit der Energie passiert: Das
Bremsschwert besteht aus einem leitenden Material mit einer begrenzten
Leitfähigkeit. Für den Wirbelstrom stellt es somit einen ohmschen
Widerstand dar. In einem stromdurchflossenen Widerstand wird eine
"Verlustleistung" als Wärme abgestrahlt. Die abgestrahlte Leistung ist
abhängig vom Quadrat der Stärke des Wirbelstroms und dem Widerstand
des Leiters.
Die Bremskraft ist von der Geschwindigkeit des Zuges
abhängig: Mit ansteigender Geschwindigkeit steigt die Bremskraft, erreicht
dann ein Maximum und fällt schließlich bei weiter ansteigender
Geschwindigkeit wieder ab. Bei welcher Geschwindigkeit die maximale Bremskraft
auftritt ist eine Frage der elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes des
Bremsschwertes. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Bremswirkung ergibt
sich daraus, dass der Wirbelstrom im Bremsschwert umso größer ist,
je schneller sich das Bremsschwert bezogen auf die Permanentmagnete bewegt. Mit
stärkerem Wirbelstrom wird auch das von ihm erzeugte Magnetfeld und daraus
die Magnetkraft Fm größer.
Im Vergleich zur mechanischen Reibbremse minimiert der
Einsatz von Wirbelstrombremsen die Wartungs- und Servicekosten, da die Bremse
frei von Verschleiß ist. Während des Bremsvorgangs berühren
sich die Magnete und das Bremsschwert nicht. Außerdem setzt die
Bremswirkung nicht schlagartig ein, sondern steigt an, je weiter sich das
Bremsschwert in den Luftspalt hineinbewegt hat. Gegenüber den Vorteilen
der Wirbelstrombremse stehen die zwei- bis dreimal so hohen Anschaffungskosten
im Vergleich zur Reibbremse wie der Nachteil, dass eine Wirbelstrombremse bei
Stillstand des Zuges keine Bremskraft generiert und somit bei extrem langsamen
Geschwindigkeiten stark an Wirkungsgrad verliert und den Zug auf einem
Gefälle im Gegensatz zur Reibbremse nicht halten kann.
Die Wirbelstrombremse ist ideal für hohe
Eintrittsgeschwindigkeiten geeignet, etwa bei Reduzierbremsen. Heute werden auf
Hochgeschwindigkeitsanlagen die Züge selbst bei Tempo 200 problemlos mit
Wirbelstrombremsen verzögert. Eine klassische mechanische Reibbremse
wäre dabei deutlich überfordert.
Durch den Einsatz von beiden Funktionsprinzipien auf einem
Bremsabschnitt lassen sich die Vorteile der Technologien kombinieren: Zuerst
fährt der Zug durch eine Anzahl Magnetbremsen, welche die Aufgabe haben,
die Geschwindigkeit zu reduzieren, dann empfangen ihn mechanische Reibbremsen,
welche den Zug auch komplett stoppen und auf einem abschüssigen Abschnitt
halten können. Derartige Kombinationen finden sich bei vielen
Achterbahnherstellern im Einsatz. Marktführer Intamin verzichtet jedoch
auf die klassische Reibbremse und lässt den Magnetmodulen stattdessen
Reibräder folgen, welche den Zug ebenfalls von Schrittgeschwindigkeit auf
Tempo Null herunterbremsen und halten können. Somit ist es nicht
erforderlich, an den Zügen zusätzliche Bremsschwerter zu
installieren.
Text: Coastersandmore - jp Bilder /
Skizzen: Coastersandmore, Gerstlauer, Patentschrift 749,691
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