Regelung der automatischen Bremse

Bei all den vorher vorgestellten Druckluftbremsen, werden wir uns nun auf eine einzige Bremse konzentrieren. Es ist die indirekt wirkende automatische Bremse. Diese wurde zur standardisierten Bremse und wird überall angewendet. Normalspurige Fahrzeuge, die international eingesetzt werden, müssen über diese Bremse verfügen, so dass es sicherlich sinnvoll ist, wenn wir diese Bremse weiter verfolgen und die anderen Systeme etwas liegen lassen.

Die automatische Bremse arbeitet mit der Reduktion des Druckes in einer geschlossenen Leitung. Der Regeldruck in dieser als Hauptleitung bezeichneten Leitung beträgt 5 bar. Mit diesen Eckdaten können wir noch nicht viel anfangen, denn wir haben die genaue Funktionsweise der Druckluftbremse noch nicht kennen gelernt. Deshalb wird es Zeit, dass wir uns ansehen, wie die automatische Bremse genau geregelt wird.

Wir haben ja schon gehört, dass in den Fahrzeugen ein Bremsventil verwendet wird, dass auf die Druckabsenkung in der Hauptleitung reagiert. Nur, was wir dort nicht erfahren haben, ist die Tatsache, wie das mit der Luftabsenkung denn genau abläuft und ob es dort festgelegte Werte gibt. Schliesslich muss das Bremsventil wissen, wann es reagieren muss und wann nicht. Gerade die Differenzen zur Umsteuerung des Ventils sind doch wichtig.

Gut, die einfachste Variante kann ich jetzt schon liefern, denn wird die Leitung absichtlich oder ungewollt geöffnet, entleert sich die Hauptleitung auf 0 bar. Sie ist folglich komplett leer und besitzt nun den normalen Luftdruck. Eine eigentliche Regelung gibt es dabei jedoch nicht. Wollen wir den Druck dazwischen Regeln, benötigen wir ein weiteres Ventil auf der Lokomotive. Dieses Ventil regelt den Druck in der Hauptleitung und so die Bremse.

Das Führerbremsventil: Das Bremsventil das den Druck in der Hauptleitung reguliert, wird Führerbremsventil genannt. Oft wird aber in der verkürzten Schreibweise von einem Bremsventil gesprochen. Sie können sich das aber einfach merken. Spricht ein Lokführer von einem Bremsventil, meint er für gewöhnlich das Führerbremsventil, denn das ist das Ventil, das er bedient. Die anderen Bremsventile interessieren ihn dann wenig.

Das Führerbremsventil regelt nun den Druck in der geschlossenen Hauptleitung. Es ist also das Ventil, das die Bremsen der automatischen Bremse auch lösen kann. Die in der Schweiz verwendeten Bauarten sind so umfangreich, dass ich hier nicht einmal alle verwendeten Führerbremsventile vorstellen kann.

Würde ich das noch auf Europa erweitern, gäbe das eine eigene Seite mit Modellen und ich hätte womöglich immer noch nicht alle.

Eines der ersten gut funktionierenden Führerbremsventile war das Modell Westinghouse W4. Es kam bei vielen Lokomotiven zum Einbau. Der Druck von 5 bar wurde mit einer Regelung gehalten.

Zum Absenken des Druckes in der Hauptleitung verdrehte man das Ventil so, dass die Leitung entleert wurde. Vorgegebene Drücke gab es hier jedoch nicht. Auch das Lösen der Bremse konnte unerfahrenen Leuten Kopfschmerzen bereiten.

Das Westinghouse W4, kommt mittlerweile nur noch auf musealen und historischen Fahrzeugen zur Anwendung. Die Tatsache, dass jedoch mit diesen Bremsventilen auch modernste Reisezugwagen problemlos gebremst werden können, zeigt auf, wie gut entwickelt diese automatische Bremse und das Westinghouse W4 wirklich waren, denn schliesslich verwendet man dieses Führerbremsventil ohne grössere Probleme seit 1900.

Im Gegensatz zum Westinghouse W4 arbeitet das Führerbremsventil FV4a mit vorgegeben Drücken. Weiter darauf eingehen will ich jetzt noch nicht, denn ich verwende dieses bei den schweizerischen Bundesbahnen SBB verwendete Ventil als Muster für die Steuerdrücke in der Hauptleitung und zur Beschreibung der Funktion.

Moderne Lokomotiven steuern einen Computer und kein direktes Ventil mehr, daher verwende ich dieses ältere Modell als Muster für das Funktionsprinzip. Grundsätzlich gilt aber, die meisten Führerbremsventile arbeiten nach einem ähnlichen Muster, wie das FV4a.

 

Füllen des Systems

Sehen wir uns die Funktion der automatischen Bremse anhand des FV4a an. Das machen wir in zwei Schritten. Gehen wir davon aus, dass wir einen Zug frisch gebildet haben und nun die automatische Bremse in Betrieb nehmen. Danach führen wir unterschiedliche Bremsungen aus. Das mache nicht nur ich so, denn nur so kann die automatische Bremse korrekt funktionieren. Daher muss hier zuerst das System gefüllt werden.

Die Bremsleitung wurde durch den Zug verbunden und ist nach dem kuppeln nahezu oder gänzlich leer. Wir müssen nun die automatische Bremse in einen normalen Zustand bringen. Das heisst, wir müssen dafür sorgen, dass die Bremse los ist. Das geht nur, indem der Druck in der Hauptleitung auf 5 bar ansteigt. Dieses füllen kann dabei sehr lange dauern und hängt von den angeschlossenen Bremsventilen ab. Gefüllt wird die Hauptleitung aber immer nur über ein Führerbremsventil.

Die Löse- oder Füllstellung: Das Füllen der Hauptleitung nennt man bei der Inbetriebnahme der automatischen Bremse Füllstellung. Jetzt wird über das Führerbremsventil Druckluft in die Hauptleitung geleitet und so das System gefüllt. Diese Füllstellung bleibt so lange bestehen, bis der Druck in der Hauptleitung auf den Betriebsdruck von 5 bar angestiegen ist. Sie werden aber gleich erfahren, dass das nicht unbedingt stimmen muss.

Um die Bremsen nach einer Bremsung wieder zu lösen, müssen wir den Druck in der Bremsleitung wieder auf 5 bar erhöhen. Dazu benützen wir die Lösestellung des Führerbremsventils. Diese entspricht jedoch der Füllstellung. Es spielt eigentlich keine Rolle, welchen Begriff wir verwenden. Ich hier verwende die Füllstellung, weil dieser Begriff dem FV4a entspricht. Unten auf dem Bild ist diese Stellung dargestellt.

Wir sehen im Bild farblich markierte Leitungen. Diese Farben werden in der Folge weiterhin verwendet werden. Die Nachbildung der Leitungen und der zusätzlichen Luftbehälter erfolgt jedoch nur hier.

Daher stelle ich diese Behälter kurz vor. Der blau markierte Behälter wird Zeitbehälter genannt, die gelbe Farbe markiert den Steuerbehälter und grün schliesslich den Reduktionsbehälter. Diese drei Behälter sind für die korrekte Funktion des FV4a wichtig.

Was diese drei Behälter genau für Aufgaben haben, wird nachfolgend bei der Vorstellung der genauen Funktion verdeutlicht. Was uns noch fehlen, sind die Leitungen, die nicht mit einem diesen Behältern verbunden sind.

Es sind die Leitungen, die mit dem Ventil verbunden werden. Dabei wird dem Führerbremsventil über die rot eingefärbte Leitung Druckluft von den Hauptluftbehältern zugeführt. Der Druck hier beträgt zwischen 6 und 10 bar.

Die blaue Leitung ist hingegen die Leitung, die zur Hauptleitung führt. Hier herrscht einen Regeldruck von 5 bar. Dieser Regeldruck ist in der Hauptleitung festgelegt worden.

Das heisst jedoch nicht, dass beim Füllen des Systems in jedem Fall exakt dieser Druck vorherrscht. Die automatische Bremse lässt durchaus einen etwas höheren Druck zu, doch dazu kommen wir später, denn nun muss unsere Hauptleitung erst einmal gefüllt werden.

Dazu verbringen wir das Führerbremsventil in die Füllstellung. Es kann nun Druckluft von den Hauptluftbehältern in die Hauptleitung strömen. Dabei werden die beiden Leitungen mehr oder weniger miteinander verbunden.

Beim Ventil Westinghouse W4 war das tatsächlich so. beim Führerbremsventil FV4a haben wir jedoch eine Eigenart, die nur in der Füllstellung wirksam wird und die schon manchen Lokführer in blankes Entsetzen versetzte.

Nachdem wir den Bedienhebel des FV4a in die Füllstellung verbracht haben, strömt Luft von der roten Leitung über das Ventil direkt in die blaue Leitung zur Hauptleitung. Der Druck in der Hauptleitung steigt dabei an und die Leitung wird gefüllt. Diese Verbindung nennt man nun Hochdruckfüllstoss. Der Druck in der Bremsleitung steigt nun kurzzeitig auf 7.5 bis 8 bar an. Diesen Druck wird der Lokführer an seinen Anzeigen auch sehen.

Gleichzeitig wird auch der Reduktionsbehälter (grün) gefüllt. Er reguliert den Druck in der Hauptleitung und ist nun von entscheidender Wichtigkeit. Neben der Hauptleitung wird nun auch der Reduktionsbehälter gefüllt. Erreicht die Hauptleitung einen Druck von 5.4 bar, schliesst der Reduktionsbehälter die Zufuhr und der Hochdruckfüllstoss wir schlagartig abgebrochen. An den Anzeigen kann der schnelle Druckabfall auf diesen Wert erkannt werden.

Die Füllzeit, also die Zeit, die benötigt wird um die Bremsapparate wieder auf den Regeldruck zu erhöhen, hängt von der Länge des Zuges ab. Diese wird durch die Füllstellung und den Hochdruckfüllstoss reduziert, weil die Leitung damit schnell auf den Druck von 5.4 bar erhöht wird. Auf die Füllzeit der Bremsausrüstung des einzelnen Fahrzeuges kann kein Einfluss genommen werden. Wir füllen einfach die Hauptleitung schneller.

Der Hochdruckfüllstoss ist mit der Absenkung des Druckes auf 5.4 bar abgeschlossen und es beginnt nun die Phase der Niederdrucküberladung. Wie hoch der Hochdruckfüllstoss und die Dauer desselbigen letztlich ist, hängt von der benötigten Füllzeit, der Länge des Zuges und der vorhandenen Druckdifferenz ab. Bei leerer Hauptleitung kann der Hochdruckfüllstoss durchaus mehrere Sekunden anstehen und so unerfahrene Lokführer nervös machen.

Der Hochdruckfüllstoss ist eine Eigenart des Führerbremsventils FV4a, des Vorgängermodells FV 4 und von neueren Führerbremsventilen aus dem Hause Oerlikon. Verwendet werden diese Führerbremsventile nahezu ausschliesslich bei den schweizerischen Bundesbahnen SBB. Dabei funktioniert der Hochdruckfüllstoss sehr gut und generiert kaum Störungen. Er ist ein Instrument um Bremsen schnell zu lösen.

Die Niederdrucküberladung beträgt 5.4 bar und sichert auch ein lösen eines Zuges, wenn es kleine Differenzen zwischen zwei Führerbremsventilen gibt. Diese Niederdrucküberladung kann jedoch nicht von allen europäischen Führerbremsventilen erzeugt werden. Bei einem Hochdruckfüllstoss entsteht automatisch eine Niederdrucküberladung. Darum ist es gewissen Fällen verboten die Füllstellung des Führerbremsventils FV4a zu benutzen.

Verbleibt nun der Bedienhebel des FV4a in der Füllstellung, ändert sich am Druck in der Hauptleitung nichts mehr. Das heisst, die Leitung zu unserem Bremszylinder bleibt bei 5.4 bar und verändert sich nicht. Der Lokführer muss nun mit dem Bedienhebel die Fahrstellung einstellen. Der Vorgang des Füllens ist nun abgeschlossen und wir kommen daher zur nächsten wichtigen Stellung des Führerbremsventils FV4a.

Die Fahrstellung: Mit dem Verbringen des Griffes in die Fahrstellung, also in die Stellung, die normalerweise eingestellt ist, wird der Druck in der Hauptleitung langsam abgesenkt und wir erreichen den Regeldruck von 5 bar. Diese Absenkung muss langsam erfolgen, da sonst die Bremsventile auf die Absenkung des Druckes reagieren und der Zug ungewollt gebremst wird. Die anfänglich verwendeten Zeiten wurden nach Störungen massiv erhöht und liegen heute bei mehreren Minuten. Gesteuert wird das durch den Zeitbehälter.

Der Druck in der Hauptleitung bleibt nach dem Abbau der ursprünglichen Niederdrucküberladung auf 5 bar. Im Ventil ist nun die Kammer des Reduktionsbehälters entleert.

Er ist somit grundsätzlich wieder bereit für einen Hochdruckfüllstoss, dieser würde aber wegen dem Druck in der Hauptleitung gar nicht mehr erfolgen.

Würde man nun wieder die Füllstellung einstellen, ergäbe sich einfach erneut eine Niederdrucküberladung. Der vorherige Hochdruckfüllstoss bleibt jedoch aus.

Ein allfälliger Luftverlust in der Hauptleitung wird nun automatisch durch das Führerbremsventil ergänzt.

Sinkt der Druck in der Leitung wegen einem Luftverlust ab, öffnet sich im Führerbremsventil ein Ventil und die Luft aus dem Druckluftsystem der Lokomotive strömt nach, bis wieder ein ausgeglichener Druck von 5 bar vorhanden ist.

Diese Nachspeisung kann jedoch einen grösseren Luftverlust nicht vollständig auf 5 bar ergänzen.

Verbringt man nun den Bedienhebel in die Abschlussstellung wird die automatische Nachspeisung des FV4a unterbrochen. Die Leitung zum Bremszylinder ist isoliert und man kann nun kontrollieren, ob das Bremssystem vollständig gefüllt ist oder ob es einen ungewollten Luftverlust gibt. Die Stellung beim Ventil ist nur mit dem heben eines Nockens möglich. Dadurch wird verhindert, dass das Ventil aus versehen in die Abschlussstellung verbracht werden kann.

So lange wir nichts mehr mit den Bremsen anstellen und das Führerbremsventil in der Stellung „Fahren“ belassen, bleibt diese Situation bestehen. Deshalb spricht man ja auch von einer Fahrstellung, weil wir diese Stellung beim Fahren mit dem Zug anwenden. Es ist durchaus möglich, die Hauptleitung auch in der Fahrstellung zu füllen. Das ist dann erforderlich, wenn die Vorschriften die Anwendung eines Hochdruckfüllstosses mit anschliessender Niederdrucküberladung verbieten.

 

Absenken des Druckes

Nachdem wir im ersten Schritt das System und somit die Hauptleitung gefüllt haben, ist die Bremse betriebsbereit. Wir können nun eine Bremsung einleiten. Dazu müssen wir den Druck in dieser Hauptleitung absenken. Dabei sind jedoch bestimmte Differenzen vorgeschrieben. Diese sind besonders bei einem geregelten Führerbremsventil, wie dem FV4a wichtig. Ungeregelte Ventile kennen diese festgelegten Werte nicht.

Wir senken nun den Druck in der Leitung auf verschiedene vorgegebene oder frei gewählte Drücke ab. Dabei sind gewisse Drücke vorgegeben und andere können in einem bestimmten Bereich verändert werden. Die genauen Werte werden wir noch genauer kennen lernen. Ausgangslage ist ein Druck in der Hauptleitung von 5 bar. Wir beginnen also beim Regeldruck und das Führerbremsventil FV4a ist in der Fahrstellung.

Die Bremsstufen: Wir sprechen zwar von Bremsstufen, das Führerbremsventil FV4a kann aber in einem gewissen Bereich stufenlos arbeiten. Der Begriff Bremsstufe gibt es auch bei den elektrischen Bremsen. Dabei wird dort nur die Stellung des Stufenschalters und somit die Bremskraft bezeichnet. Wir hier nehmen uns aber den Bremsstufen der Druckluftbremsen an, obwohl es keine geben soll? Doch auch hier erreichen wir mit den Stufen eine bestimmte Bremskraft.

Definiert durch die Vorschriften ist nur die 1. Bremsstufe. Dieser Bremsstufe ist ein bestimmte Druckabfall vorgeschrieben. Dieser Abfall von 0,4 bar wird benötigt, dass alle Bremsapparate des Zuges umsteuern können.

Damit diese Stufe sicher eingestellt wird, ist eine Rastrierung am Bediengriff vorhanden. Legt man den Griff in diese Rastrierung, sinkt der Druck auf 4.6 bar ab. Die Bremsung wurde eingeleitet.

Auf dem Bild sehen Sie, was im Führerbremsventil FV4a dabei passiert. Näher darauf eingehen wollen wir nicht. Uns reicht, wenn wir wissen, dass der Druck in der Hauptleitung abgesenkt wird.

Dabei ist jedoch nur die erste Absenkung auf 4.6 bar vorgeschrieben. Die weiteren Absenkungen des Druckes auf einen Wert von 3,5 bar können jedoch frei gewählt werden. Eine Rastrierung in diesem Bereich ist nicht mehr vorhanden.

Der Druck in der Hauptleitung kann irgendwo zwischen 4.6 und 3.5 bar liegen. Bremsungen, die in diesem Bereich ausgeführt werden, werden Betriebsbremsungen genannt. Welcher Druck genau eingestellt ist, hängt von der Stellung des Bedienhebels ab.

Die auf dem FV4a ausgebildeten Lokführer wissen, bei welcher Stellung sie einen bestimmten Druck erwarten können. Daher müssen sie nicht immer die Drücke in der Hauptleitung kontrollieren.

Das FV4a ist in jeder Bremsstellung mehrlösig. Das heisst, wird der Bedienhebel wieder ein wenig gegen die Fahrstellung verschoben, wird der Druck in der Leitung auf den neuen Wert ergänzt. Das Ventil wechselt dabei automatisch und nur sehr kurz in die Füllstellung. So kann zwischen 3.5 und 4.6 bar der Druck in der Hauptleitung sehr feinfühlig reguliert werden. Der Lokführer regelt so die Bremskraft des Zuges.

Die Vollbremsstellung: Wird eine Absenkung auf 3.5 bar erreicht, spricht man von einer Vollbremsstellung. Diese Stellung merkt der Lokführer wieder, da hier erneut eine Rastrierung vorhanden ist. Damit haben wir nun eine zweite durch das Führerbremsventil FV4a vorgegebene Stellung. Beim FV4a spricht man hier von der ersten Vollbremsstellung, warum das so ist, werden wir gleich erfahren, denn noch müssen wir die Reaktion der Bremsen ansehen.

Die Bremsen im Zug haben nun die volle Bremswirkung erreicht. Daher spricht man hier auch von der Vollbremsstellung. Ein weiterer Druckabfall in der Hauptleitung führt zu keiner besseren Bremswirkung mehr. Wir haben somit das Ende der Betriebsbremsungen erreicht und bei der Vollbremsstellung spricht man bereits nicht mehr von einer Betriebsbremsung. Daher arbeitet man bei der automatischen Bremse in der Regel mit Drücken zwischen 5 und 3.5 bar.

Speziell  beim FV4a ist jedoch die Vollbremsstellung 2. Hier wird der Druck auf 2.1 bar abgesenkt und wir haben erneut eine Rastrierung. Die Bremsstellung ermöglicht jedoch keine Verstärkung der Bremsung mehr, denn die maximale Bremskraft haben wir bei 3.5 bar erreicht. Jedoch kann eine Lokomotive, die bisher mit der elektrischen Bremse gearbeitet hat, und daher nicht mit der Luft gebremst werden durfte, auch noch mit der Luft gebremst werden.

Diese Vollbremsstellung 2 ist nicht bei allen Fahrzeugen vorhanden und auch nicht international vorgeschrieben. Es handelt sich daher um eine Eigenart der Lokomotiven mit FV4a. Der Grund liegt beim Aufbau der Lokomotiven, denn bei diesem Druckabfall ist der Auslöseknopf für die automatische Bremse nicht mehr aktiv. Die Lokomotive beginnt automatisch mit der automatischen Bremse zu bremsen.

Im Betrieb kommt die Vollbremsstellung normalerweise nicht zur Anwendung. Sie wird vom Lokomotivpersonal aber bei Bremsungen in steilen Abschnitten verwendet. Die Distanz zwischen Vorsignal und Hauptsignal ist in der Schweiz so ausgelegt, dass man bei wirkender Vollbremsung sicher vor dem Signal zu stehen kommt. Jedoch arbeiten die Lokführer nie mit diesem theoretischen Wert, denn in so knappen Situationen wird die Schnellbremsstellung verwendet.

Die Schnellbremsung: Verbringt der Lokführer den Bedienhebel in die Schnellbremsstellung hat er den Anschlag erreicht, eine weitere Druckabsenkung ist nicht mehr vorgesehen und daher wird die Hauptleitung in dieser Stellung komplett entleert. Wir erreichen damit jedoch keine weitere Verstärkung der Bremsung mehr. Daher verkürzt eine Schnellbremsung den Bremsweg bei wirkender Vollbremse nicht mehr. Trotzdem ist die Schnellbremsung schneller.

Bei der Schnellbremsung wird im Ventil eine zusätzliche Öffnung frei. Der Druck in der Hauptleitung wird dadurch schneller auf 0 bar abgesenkt. Dadurch erhöht man die Geschwindigkeit in der die Bremsen im Zug ansprechen. Hier liegt auch der Grund für diese spezielle Bezeichnung der Schnellbremsung. Wichtig ist, dass jetzt die Hauptleitung über zwei Auslässe entleert wird. Die Bremsung wird so viel schneller eingeleitet.

Die Schnellbremse hat jedoch den Vorteil, dass bei gelöstem Zug die Bremsen der Wagen durch den schnellen Druckabfall in der Hauptleitung schneller ansprechen. Durch dieses schnelle Ansprechen der Bremsen bei der Schnellbremse können kürzere Bremswege erreicht werden. Man verwendet den Begriff Schnellbremse nur, wenn diese Bremsung durch den Lokführer eingeleitet wurde.

Sie werden nachfolgend noch andere Situationen kennen lernen, bei denen die Hauptleitung entleert wird. Jedoch ist die Schnellbremse mit Abstand die am schnellsten wirkende Bremse. Nur, wenn das FV4a in der Stellung für die Schnellbremsung ist, findet keine Nachspeisung durch das Führerbremsventil mehr statt. In allen anderen Fällen versucht das Ventil den Druck in der Hauptleitung wieder zu ergänzen.

Wir haben nun die Funktion des FV4a kennen gelernt. Andere Führerbremsventile arbeiten ähnlich, haben jedoch andere Stellungen. Das heisst, sie haben eine Füll-, Brems-, Vollbrems- und Schnellbremsstellung. Die Bedienung kann sich aber vom hier beschriebenen Ventil unterscheiden. Wie genau jedes Führerbremsventil bedient wird, ist Sache der Schulung und wird meistens mit der Schulung des Fahrzeugs verbunden.

 

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