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Dokumentenidentifikation DE69619294T2 02.10.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0741065
Titel Bremsvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer mehr konstanten Bremskraft
Anmelder The B.F. Goodrich Co., Akron, Ohio, US
Erfinder Shih, Wei-Teh, Yorba Linda, CAL 92686, US
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 69619294
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.04.1996
EP-Aktenzeichen 961063948
EP-Offenlegungsdatum 06.11.1996
EP date of grant 20.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2002
IPC-Hauptklasse B60T 7/12
IPC-Nebenklasse B60T 17/22   B61H 5/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer konstanteren Bremskraft. Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung und das erfindungsgemäße Bremsverfahren bewirken eine Verlangsamung einer Masse, die sich zu dem Zeitpunkt, zu dem die Bremsvorrichtung aktiviert wird, mit einer Anfangsgeschwindigkeit bewegt. Es werden je nach Anfangsgeschwindigkeit mehr oder weniger Bremselemente aktiviert. Die Vorrichtung und das Verfahren bewirken eine Minimierung der Veränderung des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten über weite Bereiche der Anfangsgeschwindigkeit, die für zahlreiche Bremsmaterialien typisch sind.

Es sind verschiedene Arten von Bremsen zum Abbremsen einer Vielzahl von Fahrzeugen bekannt. Bremsen weisen im wesentlichen mindestens zwei Reibungselemente auf, die sich relativ zueinander drehen, und einen Aktuator, der die Reibungselemente zusammendrückt, um ein Bremsmoment zu erzeugen. Es sind verschiedene Materialien für Reibungselemente in Bremsen auf dem Fachgebiet bekannt. Diese Materialien umfassen Stahllegierungen, Gusseisen, Sintermetalle, mit Siliziumkarbidteilchen verstärktes Aluminium, faserverstärkte Verbundstoffe und halbmetallische und organische Bremsklötze. Geeignete faserverstärkte Verbundstoffe umfassen Kohlenstoff-Kohlenstoff- Verbundmaterialien und faserverstärkte Keramikmaterialien.

Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bremsenreibungselemente sind für zahlreiche Anwendungen in der Luftfahrt vorgesehen, insbesondere Scheibenbremsen, da diese bei sehr hohen Temperaturen effizient funktionieren können, und Kohlenstoff- Kohlenstoff-Reibungselemente wiegen im wesentlichen sehr viel weniger als andere Arten von Reibungselementen. Diese Charakteristiken sind für Hochgeschwindigkeitszüge sehr attraktiv. Der Reibungskoeffizient hängt jedoch im wesentlichen von der Anfangsgeschwindigkeit ab, und der Reibungskoeffizient vieler Materialien neigt dazu, bei Änderungen der Anfangsgeschwindigkeit stark zu variieren. Dieses Variieren bei zahlreichen Materialien, einschließlich Kohlenstoff-Kohlenstoff, ist für viele Anwendungen zu groß, bei denen eine konstantere Verlangsamungskraft über einen großen Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten gewünscht ist. Das Problem wird bei Eisenbahnbremsen noch verstärkt, die kein Drucksteuersystem besitzen und in einem Ein- oder Aus- Modus mit einer an die Bremsen angelegten Konstantkraft arbeiten, wenn die Bremsen aktiviert werden. Frühere Entwicklungen auf dem Fachgebiet der Eisenbahnbremsen haben sich auf das Bereitstellen von Bremsmaterialien mit der gewünschten Bremscharakteristik konzentriert: ein Reibungskoeffizient, der der Anfangsgeschwindigkeit gegenüber relativ unempfindlich ist. Diese Vorgehensweise hat jedoch die Verwendung verschiendener Bremsmaterialien für Eisenbahnbremsen eingeschränkt, die andere, sehr wünschenswerte Charakteristiken aufweisen, z. B. ein geringes Gewicht und Temperaturbeständigkeit, wie es bei Kohlenstoff-Kohlenstoff der Fall ist.

EP 0 410 145 B1 zeigt eine Luftbremsenvorrichtung für Schienenfahrzeuge mit Scheibenbremsen sowie Backenbremsen. Während des Bremsvorgangs wird der Anteil des gesamten, von den Backenbremsen aufgebrachten Bremsmoments bei sich verringernder Reisegeschwindigkeit dadurch reduziert, dass die Bremsbacke zumindest teilweise gelöst wird, um eine Beschädigung der Lauffläche des Rads zu vermeiden. Die Luftbremsenvorrichtung ist zum Reduzieren von Verschleiß der Backenbremsen und des Rads vorgesehen. Es besteht jedoch immer noch der Nachteil, dass die Bremskraft über einen großen Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten nicht konstant ist.

Die Lösung dieses Problems erfolgt erfindungsgemäß durch Aktivieren der Bremsen, wie in Patentansprüchen 1 bzw. 12 beschrieben, und die Erfindung ist nicht auf Bremsmaterialien mit Reibungskoeffizienten beschränkt, die der Anfangsgeschwindigkeit gegenüber relativ unempfindlich sind. Die Erfindung betrifft sowohl Vorrichtungen als auch Verfahren und erweitert in hohem Maße den Bereich von Bremsmaterialien für Hochgeschwindigkeitszüge.

Die erfindungsgemäße Bremsvorrichtung und das erfindungsgemäße Bremsverfahren bieten eine konstantere Bremskraft über einen großen Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten und erweitern in hohem Maße den Bereich von Bremsmaterialien für Hochgeschwindigkeitszüge.

Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Hochgeschwindigkeitszugs, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt;

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Reibungskoeffizienten im Verhältnis zu der mittleren Bremsgeschwindigkeit für eine Vielzahl von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Scheibenbremsen;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung entlang der Linie 3-3 von Fig. 1;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform mit mehreren Bremselementen, die einen einzelnen Rotor gemeinsam nutzen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems gemäß einem Aspekt der Erfindung;

Fig. 6 eine grafische Darstellung des durchschnittlichen Reibungskoeffizienten im Verhältnis zu der Anfangsgeschwindigkeit für eine typische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Scheibenbremse;

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Gesamt-Verlangsamungskraft im Verhältnis zu der Anfangsgeschwindigkeit und ein Verfahren zum Steuern der erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Bremsvorrichtung zum Verlangsamen einer Masse ist im wesentlichen in Fig. 1-7 dargestellt, in denen gleiche Komponenten in den verschiedenen Ansichten die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Insbesondere Fig. 1 zeigt eine Masse 10, die sich auf mehreren sich drehenden, mit der Masse 10 verbundenen Radstrukturen 14 bewegt. In dem dargestellten Beispiel ist die Masse 10 eine Eisenbahnlokomotive, die sich auf zwei Schienen 46 bewegt, die Masse 10 könnte jedoch auch ein Eisenbahnwaggon 48 oder eine andere Art von Masse sein. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Masse 10 und der Radstruktur 14 entlang der Linie 3-3 aus Fig. 1 sowie eine Schnittansicht einer Bremsvorrichtung 12 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Die Bremsvorrichtung 12 weist mehrere Bremselemente 16 auf. Jedes Bremselement 16 besitzt Reibungselemente 18 und 20, wobei mindestens ein Reibungselement 18 mit der Masse 10 verbunden ist und mindestens ein Reibungselement 20 mit der Radstruktur 14 verbunden ist. Die Verlangsamungskraft wird durch Zusammendrücken der Reibungselemente durch Aufbringen einer Kraft mittels eines unabhängig gesteuerten Aktuators 24 entwickelt. Somit bedeutet "Bremselement" eine unabhängig gesteuerte Einrichtung, die eine Verlangsamungskraft an der Masse 10 erzeugt.

Gemäß Fig. 3 weist das Reibungselement mindestens zwei Statoren 18, die drehfest mit der Masse 10 verbunden sind, und mindestens einen Rotor 20 auf, der drehfest mit einer der zwischen zwei Statoren 18 angeordneten Radstrukturen 14 verbunden ist. Die Statoren 18 sind derart mit der Masse 10 verbunden, dass sich die Statoren 18 zu dem Rotor 20 hin und von dem Rotor 20 weg bewegen können. Mindestens ein Aktuator 24 ist zum Drücken der Statoren 18 gegen den Rotor 20 vorgesehen, der das Bremselement 16 aktiviert und die Verlangsamungskraft erzeugt. Sämtliche aktivierten Bremselemente 16 erzeugen gemeinsam eine Gesamt-Verlangsamungskraft. Gemäß Fig. 4 weist die Bremsvorrichtung 12 nur drei mit einer einzelnen Radstruktur 14 verbundene Bremselemente 16 auf. Es können jedoch je nach der gewünschten Gesamt-Verlangsamungskraft viel mehr als nur drei Bremselemente 16 vorgesehen sein, und ein oder mehrere Bremselemente 16 können mit einer oder mehreren Radstrukturen 14 verbunden sein. Die in Fig. 3 gezeigten Bremselemente 16 können z. B. mit drei Radstrukturen 14 verbunden sein, wobei nur ein Bremselement 16 pro Radstruktur 14 vorgesehen ist.

Alternativ können z. B. drei Bremselemente 16 mit nur einer Radstruktur 14, zwei Bremselemente 16 mit einer weiteren Radstruktur 14 und vier Bremselemente 16 mit einer weiteren Radstruktur 14 verbunden sein. Es sind zahlreiche Kombinationen bei der Durchführung der Erfindung möglich.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel handelt es sich bei den Bremselementen 16 um eine "Sattel-"Bremse, die nur einen Rotor 20 und zwei Statoren 18 aufweist. Jeder Stator 18 verläuft nur teilweise um den Umfang des Rotors 20. Sattelbremsen sind auf dem Fachgebiet bekannt. Die Radstruktur 14 besitzt eine Achse 40, die zwischen zwei Rädern 42 verläuft, und der Rotor 20 ist mit der Achse 40 verbunden. Die Achse 40 ist über zwei Lager 60 an der Masse 10 befestigt. Geeignete Vorrichtungen zum Befestigen des Rotors 20 an der Achse 40 und zum Befestigen zweier Statoren innerhalb des Sattels 38 derart, dass sich die Statoren 18 zum Rotor hin und vom Rotor weg bewegen können, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Die Statoren 18 sind drehfest mit dem Sattel 38 verbunden, und der Sattel 38 ist drehfest mit der Masse 10 verbunden. Der Aktuator 24 drückt jeden Stator 36 gegen den einen Rotor 20, der eine Reibungskraft an den Grenzflächen zwischen den Statoren 36 und dem Rotor 20 erzeugt. Bei einer Sattelbremse ist ein Sattel 38 mit dem entfernt angeordneten Stator 36 verbunden und wirkt beim Zusammendrücken der Statoren 36 und des Rotors 20 mit dem Aktuator 24 zusammen, wodurch die Verwendung eines einzelnen Aktuators 24 pro Bremselement 16 ermöglicht wird. Es sind verschiedene Sattelanordnungen auf dem Fachgebiet bekannt. Die Reibungskraft an der Grenzfläche erzeugt ein Verlangsamungsmoment, das in einer zu der Drehrichtung der Achse 40 und der Räder 42 entgegengesetzten Richtung auf die Achse 40 wirkt. Die Räder 42 konvertieren das Verlangsamungsmoment in eine Verlangsamungskraft, die in einer zu der Bewegung der Masse 10 entgegengesetzten Richtung wirkt, wodurch sich die Masse 10 verlangsamt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Aktuator 24 einen Kolben 50 auf, der in einer Bohrung 52 derart angeordnet ist, dass sich der Kolben 50 auf den Stator 18 zu und von dem Stator 18 weg bewegen kann. Eine Hydraulik- oder Pneumatikleitung 54, 56 oder 58 liefert ein druckbeaufschlagtes Fluid zu jeder Bohrung 52, wodurch jeder Kolben 50 in Richtung des entsprechenden Stators 18 gedrückt wird. Andere Arten von Aktuatoren, einschließlich elektromagnetischer Aktuatoren, sind in gleicher Weise zur Durchführung der Erfindung geeignet. Jedes Bremselement 16 wird dadurch deaktiviert, dass Druck von jeder Bohrung 52 weggenommen wird, wodurch der Kolben 50 mittels einer Feder von den Statoren 18 weggedrückt werden kann, oder dass der Druck in der Bohrung 52 umgekehrt wird oder dass ein anderes auf dem Fachgebiet bekanntes Verfahren angewandt wird. Die Betätigung von Sattel-Scheibenbremsen, so wie sie hier beschrieben ist, ist auf dem Fachgebiet bekannt.

Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine Sattel-Scheibenbremse beschrieben worden ist, ist sie auch auf andere Arten von Bremselementen anwendbar, einschließlich Vollkreis-Scheibenbremsen, Trommelbremsen oder anderen auf dem Fachgebiet bekannten Bremsen. Vollkreis-Scheibenbremsen werden normalerweise zum Abbremsen von Flugzeugen verwendet, und die Statoren verlaufen um den gesamten Umfang der Rotoren. Bei Trommelbremsen weisen die Reibungselemente Bremsklötze und -trommeln auf, wie auf dem Fachgebiet der Bremsen bekannt.

Fig. 2 zeigt einen durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (Mu) im Verhältnis zu der anfänglichen mittleren Bremsgeschwindigkeit für drei Arten von Scheibenbremsen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Rotoren und -Statoren. Der Reibungskoeffizient variiert in begrenztem Maße, wenn sich die Masse verlangsamt. Die in Fig. 2 gezeigten durchschnittlichen Reibungskoeffizienten repräsentieren einen Durchschnitt aus dem Geschwindigkeitsbereich von einer gegebenen Anfangsgeschwindigkeit zum vollständigen Halten. Die Anfangsgeschwindigkeit bezieht sich auf die Geschwindigkeit der Masse unmittelbar vor der durch die Aktivierung eines oder mehrerer Bremselemente ausgelöste Verlangsamung. Die Reibungskoeffizient wird als die Verlangsamungskraft dividiert durch die Aktivierungskraft, die zum Zusammendrücken der Rotoren und Statoren (senkrecht zur Reibungs-Grenzfläche) aufgebracht wird, definiert. Die Aktivierungskraft wird hier durch den Buchstaben "P" bezeichnet. Die mittlere Bremsgeschwindigkeit ist die lineare Geschwindigkeit des Rotors relativ zu dem Stator am Mittelpunkt zwischen dem Innen- und dem Außendurchmesser der ringförmigen Reibungs-Grenzfläche, an der der Rotor die Statoren berührt. Die mittlere Bremsgeschwindigkeit ist das Produkt der Drehgeschwindigkeit der Achse und des Radius von der Mittellinie der Achse zu dem Mittelpunkt der ringförmigen Reibungs-Grenzfläche. Die Verlangsamungskraft ist das von der Bremse erzeugte Verlangsamungsmoment dividiert durch den mittleren Radius der Reibungs-Grenzfläche vom Drehungsmittelpunkt aus.

In Fig. 2 repräsentiert eine Kurve 64 eine typische Sattel-Scheibenbremse. Eine Kurve 66 repräsentiert eine typische Vollkreis-Scheibenbremse. Eine Kurve 68 repräsentiert eine Bremsvorrichtung, bei der drei Vollkreis-Scheibenbremsen auf einer einzelnen Achse einer Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn montiert sind. Es sei darauf hingewiesen, dass der Reibungskoeffizient normalerweise bei Verringerung der mittleren Bremsgeschwindigkeit ansteigt, und dass sich der Reibungskoeffizient im Verhältnis zu der mittleren Bremsgeschwindigkeit bei einer Sattel-Scheibenbremse (Kurve 64) in sehr viel geringerem Maße verändert als bei der Vollkreis-Scheibenbremse (Kurven 66 und 68). Somit hat eine Sattel-Scheibenbremse einen viel stabileren Reibungskoeffizienten und wird daher bevorzugt verwendet. Jedes Bremselement kann bei einer erfindungsgemäßen Bremsvorrichtung eine Sattel-Scheibenbremse sein. Die Drehgeschwindigkeit der Achse steht in direktem Verhältnis zu der Geschwindigkeit der Masse 10 (Fig. 1). Insbesondere ist die Drehgeschwindigkeit der Achse 14 (Fig. 3) die Geschwindigkeit der Masse 10 (Fig. 1) dividiert durch den Radius des Rads 42 (Fig. 3). Daher steigt die Verlangsamungskraft bei Verringerung der Masse 10 normalerweise an. Ferner hängt die von jedem Bremselement erzeugte Verlangsamungskraft von einer Menge an von dem Bremselement aufgenommener kinetischer Energie ab. Die Verlangsamungskraft verringert sich mit sich erhöhender Menge und steigt mit sich verringernder Menge.

Eine relativ stabile oder konstante Verlangsamungskraft über einen weiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten ist bei einem Eisenbahn-Bremssystem generell erwünscht. Wie durch die Kurve 68 in Fig. 2 dargestellt, kann der Reibungskoeffizient um 300% oder mehr über einen Gesamtbereich von Anfangsgeschwindigkeiten von ungefähr 225 km/h bis ungefähr 25 km/h bei einer konstanten Aktivierungskraft P variieren. Diese Abweichung ist bei Hochgeschwindigkeitszügen generell inakzeptabel, bei denen eine Abweichung von ungefähr 100% oder weniger über den gleichen Bereich erforderlich ist. Ferner kann der Gesamtbereich von Anfangsgeschwindigkeiten Anfangsgeschwindigkeiten von 350 km/h oder mehr umfassen. Dies ist auch in Fig. 6 dargestellt, in der eine typische Kurve eines durchschnittlichen Reibungskoeffizienten und einer Anfangsgeschwindigkeit für ein einzelnen Bremselement mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Reibungselementen gezeigt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der durchschnittliche Reibungskoeffizient von der Anfangsgeschwindigkeit abhängt, so dass sich der Reibungskoeffizient bei steigender Anfangsgeschwindigkeit verringert und bei sich verringernder Anfangsgeschwindigkeit steigt. Die von diesem Bremselement erzeugte Verlangsamungskraft folgt dem gleichen Muster, da sie direkt mit dem Reibungskoeffizienten und der Aktivierungskraft in Beziehung steht (Verlangsamungskraft = Mu·P). Die in Fig. 6 dargestellte Abweichung ist für zahlreiche Bremsmaterialien typisch.

Diese Effekte werden durch das neuartige, in den folgenden Beispielen demonstrierte Aktivieren der Bremselemente minimiert.

BEISPIEL 1

Es sei angenommen, dass gemäß dem Stand der Technik drei Bremselemente gleichzeitig mit einer konstanten Aktivierungskraft P aktiviert werden. Jedes Bremselement hat eine Bremscharakteristik wie in Fig. 6 dargestellt. Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 km/h ist Mu 0,15. Daher beträgt die Gesamt-Verlangsamung 3·0,15·P gleich 0,45ºP. Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 km/h ist Mu 0,30. Die Gesamt-Verlangsamungskraft beträgt 3·0,30·P gleich 0,90·P. Bei 100 km/h ist Mu 0,45. Die Gesamt-Verlangsamungskraft beträgt 3·0,45·P gleich 1,35·P. Diese Werte sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt und als Kurve 100 in Fig. 7 dargestellt.

TABELLE 1

BEISPIEL 2

Erfindungsgemäß können drei Bremselemente bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 km/h (Verlangsamungskraft 0,45·P) aktiviert werden und brauchen nur zwei Bremselemente bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 km/h aktiviert zu werden. Gemäß Fig. 6 ist Mu bei der Geschwindigkeit von 200 km/h 0,30. Es nehmen jedoch nur zwei Bremsen die kinetische Energie der Masse auf, wodurch diese Bremsen heißer laufen und der durchschnittliche Reibungskoeffizient gegenüber den in Fig. 6 gezeigten verringert wird. Der verringerte Reibungskoeffizient muss experimentell bestimmt werden, kann hier jedoch als 0,25 angenommen werden. Daher ist beträgt die Gesamt-Verlangsamungskraft 2·0,25·P gleich 0,50·P. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung braucht nur ein Bremselement bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h aktiviert zu werden. Gemäß Fig. 6 beträgt Mu bei dieser Anfangsgeschwindigkeit 0,45, hat jedoch auch hier einen etwas geringeren Wert, da das einzelne Bremselement jetzt die gesamte kinetische Energie aufnimmt, und kann als ungefähr 0,40 angenommen werden. Die Gesamt- Verlangsamungskraft beträgt 1·0,40·P gleich 0,40·P. Diese Werte sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt und als Messpunkte in Fig. 7 dargestellt.

TABELLE 2

Ein Vergleich dieser Beispiele zeigt, dass die in Tabelle 2 aufgeführten Gesamt-Verlangsamungskräfte weit konstanter sind als die in Tabelle 1 aufgeführten Gesamt-Verlangsamungskräfte. Fig. 7 zeigt eine grafische Darstellung der Gesamt-Verlangsamungskraft in Verhältnis zu der Anfangsgeschwindigkeit sowie ein Bremsverfahren zum Verlangsamen einer Masse 10, die sich mit einer Anfangsgeschwindigkeit bewegt. Eine auf die Masse 10 wirkende Gesamt-Verlangsamungskraft wird durch Aktivieren eines ersten Satzes von Bremselementen über einen ersten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten 31 und eines zweiten Satzes von Bremselementen 16 über einen zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten 32 erzeugt. Der Übergang von dem ersten Bereich 31 zu dem zweiten Bereich 32 erfolgt bei der Anfangsgeschwindigkeit 34. Die Anfangsgeschwindigkeiten in dem ersten Bereich 31 sind größer als die Anfangsgeschwindigkeiten in dem zweiten Bereich 32. Gemäß den Beispielen kann der erste Satz drei Bremselemente aufweisen, wenn die Anfangsgeschwindigkeit in den ersten Bereich 31 fällt, und kann der zweite Satz zwei Bremselemente aufweisen, wenn die Anfangsgeschwindigkeit in den zweiten Bereich 32 fällt, wodurch ein Übergang von Kurve 100 zu Kurve 102 bei der Anfangsgeschwindigkeit 34 bewirkt wird. Die durch die Kurve 102 repräsentierte Gesamt-Verlangsamungskraft im Bereich 32 liegt viel näher an der Gesamt-Verlangsamungskraft im Bereich 31 als der erste Satz von Bremselementen allein über beide Bereiche realisieren würde, wie durch Kurve 100 angezeigt. Somit erzeugt gemäß einem Aspekt der Erfindung jedes Bremselement 16 eine Verlangsamungskraft, die bei Aktivierung des Bremselements 16 auf die Masse 10 wirkt, wobei die Verlangsamungskraft von der Anfangsgeschwindigkeit abhängt, so dass sich die Verlangsamungskraft mit steigender Anfangsgeschwindigkeit verringert und mit sinkender Anfangsgeschwindigkeit erhöht, und der zweite Satz weist weniger Bremselemente 16 auf als der erste Satz, damit eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über die ersten und zweiten Bereiche 31 und 32 erzeugt wird als der erste Satz allein über die ersten und zweiten Bereiche 31 und 32 erzeugen würde.

Die Gesamt-Verlangsamungskraft wird ferner durch Aktivieren von mindestens einem dritten Satz von Bremselementen über mindestens einen dritten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten gegenüber der Kurve 100 modifiziert. Die Geschwindigkeiten in dem zweiten Bereich 32 sind größer als die Geschwindigkeiten in dem dritten Bereich 33. Gemäß den Beispielen braucht der dritte Satz nur ein Bremselement aufzuweisen, wenn die Anfangsgeschwindigkeit in den ersten Bereich 33 fällt, was bei einer Anfangsgeschwindigkeit 35 zu einem Übergang von Kurve 102 zu Kurve 104 führt. Die durch die Kurve 104 repräsentierte Gesamt-Verlangsamungskraft im Bereich 33 liegt viel näher an der Gesamt-Verlangsamungskraft in den Bereichen 31 und 32 als der erste Satz von Bremselementen allein über die ersten, zweiten und dritten Bereiche 31, 32 und 33 realisieren würde, wie durch Kurve 100 angezeigt. Somit weist der dritte Satz mindestens ein Bremselement weniger auf als der zweite Satz, um eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über die ersten, zweiten und dritten Bereiche 31, 32 und 33 zu erzeugen als die ersten oder zweiten Sätze allein über die ersten, zweiten und dritten Bereiche 31, 32 und 33 realisieren würden.

Obwohl in den Beispielen nur drei Bereiche und drei Bremselemente beschrieben worden sind, kann jede beliebige Anzahl von Bereichen und Bremselementen vorgesehen sein, die zum Erzeugen einer Gesamt-Verlangsamungskraft in einem gewünschten Verlangsamungskraft-Bereich über einen großen Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten erforderlich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform variiert die Gesamt-Verlangsamungskraft um weniger als plus/minus 60% und kann um weniger als plus/minus 30% von einer durchschnittlichen Gesamt-Verlangsamungskraft über die ersten und zweiten Bereiche von Anfangsgeschwindigkeiten 31 und 32 abweichen. Gemäß Fig. 7 wird die Gesamt-Verlangsamungskraft über einen Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten von ungefähr 25 km/h bis 350 km/h zwischen 0,30·P und 0,60·P gehalten.

Der gewünschte Verlangsamungskraft-Bereich variiert entsprechend der Anwendung und wird generell von dem Fahrzeughersteller festgelegt. Die Erfindung ist besonders zum Abbremsen von Zügen geeignet, bei denen im wesentlichen ein Ein- oder Aus-System mit einer konstanten Aktivierungskraft P verwendet wird. Bei einem solchen System ist die Kraft P über sämtliche Anfangsgeschwindigkeits-Bereiche, einschließlich des ersten, zweiten und dritten Bereichs, im wesentlichen konstant. Eine konstante Verlangsamungskraft ist einfacher zu implementieren und bietet eine bessere Sicherheit und einen höheren Komfort für die Passagiere, wenn sich der Zug verlangsamt. Bei den Überlegungen hinsichtlich der Festlegung einer gewünschten Verlangsamungskraft werden die zum Stoppen des Zugs in einem Notfall bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Sicherheit und des Komforts der Passagiere erforderliche Mindest-Verlangsamungskraft und der Reibungskoeffizient zwischen den Rädern 42 und den Schienen 46 (Fig. 3) berücksichtigt. Ein Rutschen der Räder 42 auf den Schienen 46 während des Stoppens ist höchst unerwünscht.

Die ersten, zweiten und dritten Anfangsgeschwindigkeits-Bereiche 33, 32 und 31 brauchen bei der Durchführung der Erfindung nicht festgelegt zu werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden diese Bereiche experimentell bestimmt und wird der erste Satz aktiviert, wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer ist als eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit 34. Der zweite Satz von Bremselementen wird aktiviert, wenn die Anfangsgeschwindigkeit geringer ist als die erste vorbestimmte Geschwindigkeit 34 und größer ist als eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit 35, und der dritte Satz von Bremselementen wird aktiviert, wenn die Anfangsgeschwindigkeit geringer ist als die zweite vorbestimmte Geschwindigkeit 35. Die ersten und zweiten vorbestimmten Geschwindigkeiten 34 und 44 werden experimentell bestimmt und sind abhängig von den Charakteristiken der speziellen Scheibenbremse und dem gewünschten Verlangsamungskraft-Bereich im Verhältnis zu der Geschwindigkeit. Auch hier kann jede beliebige Anzahl von Bremselementen und vorbestimmten Geschwindigkeiten vorgesehen sein, und zwar abhängig von der erforderlichen Gesamt-Verlangsamungskraft und den gewünschten Verlangsamungskraft-Bereichen im Verhältnis zu der Geschwindigkeit.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der das Bremselement 36 mit einem oder mehreren Bremselementen 16 der Bremsvorrichtung 12 (Fig. 3) kombiniert werden kann. Jedes Bremselement 16 und 36 weist zwei mit der Masse 10 verbundene Statoren 18 auf (Fig. 3). Die Bremselemente 16 und 36 nutzen gemeinsam einen einzelnen Rotor 20, der mit der Radstruktur 14 (Fig. 3) verbunden und zwischen den Statoren 18 angeordnet ist. Das Bremselement 36 weist ferner einen (nicht gezeigten) Sattel 38 und einen (nicht gezeigten) Aktuator 24 auf und ist ähnlich wie das in Fig. 3 gezeigte Bremselement 16 mit der Masse 10 verbunden. Jeder Aktuator 24 ist zum unabhängigen Drücken zweier Statoren 18 gegen einen einzelnen Rotor 20 vorgesehen. Somit wird jedes Bremselement 16 und 36 unabhängig gesteuert und erzeugt jedes Bremselement 16 und 36 unabhängig eine Verlangsamungskraft, wobei sie gemeinsam einen einzelnen Rotor 20 nutzen. Es können mehrere Bremselemente vorgesehen sein, wie in Fig. 4 gezeigt, und es können zwei oder mehr Bremselemente gemeinsam einen einzelnen Rotor nutzen. Die Betriebsweise der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Erfindung ist in den folgenden Beispielen dargestellt.

BEISPIEL 3

Es sei angenommen, dass gemäß dem Stand der Technik sechs Bremselemente gleichzeitig mit einer konstanten Aktivierungskraft P aktiviert werden. Die sechs Bremselemente sind in drei Zweiergruppen angeordnet, wobei jede Gruppe einen Rotor gemeinsam nutzt, wie in Fig. 4 dargestellt. Es sei ferner angenommen, dass der von jedem Bremselement erzeugte Reibungskoeffizient 0,5 bei 100 km/h, 0,3 bei 200 km/h und 0,1 bei 300 km/h beträgt. Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 300 km/h beträgt die Gesamt-Verlangsamungskraft 6·0,1·P gleich 0,6·P. Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 km/h beträgt die Gesamt-Verlangsamungskraft 6·0,30·P gleich 1,8·P. Bei 100 km/h beträgt die Gesamt-Verlangsamungskraft 6·0,5·P gleich 3,0·P. Diese Werte sind in Tabelle 3 aufgeführt.

TABELLE 3

BEISPIEL 4

Bei 300 km/h sind wie im Beispiel 3 sämtliche sechs Bremselemente aktiviert, was zu einer Gesamt-Verlangsamungskraft von 0,6·P führt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung braucht nur ein Bremselement in jeder Gruppe, also insgesamt drei Bremselemente, bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 km/h aktiviert zu sein. Der Reibungskoeffizient für jedes Bremselement unterscheidet sich von dem aus Beispiel 3, da hier nur ein Bremselement in jeder Gruppe aktiviert ist (nur ein Statorpaar 18 anstatt zwei Statorpaaren 18 pro Rotor 20). Dadurch steigt der Reibungskoeffizient leicht auf 0,35 bei 200 km/h und 0,35 bei 100 km/h an. Bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 200 km/h beträgt die Gesamt-Verlangsamungskraft 3·0,35·P gleich 1,05·P. Ähnlich brauchen bei einer Anfangsgeschwindigkeit von 100 km/h nur drei Bremselemente aktiviert zu werden, was zu einer Gesamt- Verlangsamungskraft von 3·0,55·P gleich 1,65·P führt. Diese Werte sind in Tabelle 4 aufgeführt.

TABELLE 4

Ein Vergleich der Tabellen 3 und 4 zeigt, dass die im Beispiel 4 erzeugten Gesamt-Verlangsamungskräfte über den Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten viel konstanter sind als die in Beispiel 3 erzeugten Gesamt-Verlangsamungskräfte. Obwohl sich die Beschreibung nur auf sechs Bremselemente bezieht, ist die Erfindung auf jede beliebige Anzahl von Bremselementen anwendbar. Außerdem können die Sätze von Bremselementen jede beliebige Anzahl von Bremselementen aufweisen. Schließlich kann jede beliebige Anzahl von Sätzen mit entsprechenden Bereichen von Anfangsgeschwindigkeiten vorgesehen sein. Solche Varianten fallen in den Umfang der Erfindung.

Fig. 5 zeigt ein Steuerungssystem 26 zum Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens. Das Steuerungssystem 26 ist zum Steuern der Aktivierung der Bremselemente 16 (Fig. 3) über Pneumatik- oder Hydraulikleitungen 54, 56 und 58, die mit den Aktuatoren 24 (Fig. 3) verbunden sind, vorgesehen. Das Steuerungssystem 26 kann jedoch auch zum Steuern anderer Arten von Aktuatoren, einschließlich elektromagnetischer Aktuatoren, vorgesehen sein. Das Steuerungssystem 26 weist eine Steuereinrichtung 78, Steuerventile 80 und Steuerleitungen 84, 86 und 88 auf. Bei einem Pneumatik- oder Hydrauliksystem kann ein Druckbehälter 82 vorgesehen sein, der ein druckbeaufschlagtes Fluid über eine Zuführleitung 90 zu den Steuerventilen 80 liefert. Es kann eine Geschwindigkeitserfassungsleitung 92 vorgesehen sein, die zum Erfassen der Geschwindigkeit der Masse 10 (Fig. 1) mit einem Wandler oder einer Steuerkonsole kommunizieren kann. Die Steuereinrichtung ist zum Steuern der Steuerventile 80 vorgesehen, so wie es entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren zum Aktivieren der Bremselemente 16 (Fig. 3) über die Aktuator-Steuerleitungen 54, 56 und 58 erforderlich ist. Die Steuereinrichtung kann derart programmiert sein, dass sie eine Anfangsgeschwindigkeit von der Geschwindigkeitserfassungsleitung 92 abliest und die Anfangsgeschwindigkeit mit mehreren Anfangsgeschwindigkeits-Bereichen vergleicht. Die Steuereinrichtung entscheidet dann, in welchen Bereich die Anfangsgeschwindigkeit fällt, und aktiviert den entsprechenden Satz von Bremselementen durch Anregen der entsprechenden Steuerventile 80.

Schließlich können beim Verlangsamen der Masse Abweichungen in der momentanen Verlangsamungskraft auftreten. Solche Abweichungen können auf Erhitzen der Bremselemente und tribologische Effekte an der Reibungs-Grenzfläche zurückzuführen sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können ein oder mehrere Bremselemente nach dem Aktivieren der ersten, zweiten oder dritten (oder mehr) Sätzen von Bremselementen aktiviert oder deaktiviert werden, um eine gleichmäßigere unverzögerte Gesamt-Verlangsamungskraft zu erzeugen, wenn sich der Zug verlangsamt. Das Steuerungssystem 26 kann zum Aktivieren und Deaktivieren von Bremselementen gemäß diesem Verfahren vorgesehen sein.


Anspruch[de]

1. Bremsvorrichtung zum Verlangsamen einer Masse (10), die sich mit einer Anfangsgeschwindigkeit bewegt, und mehrerer sich drehender Radstrukturen (14), die mit der Masse verbunden sind (10), mit:

mehreren Bremselementen (16), von denen jedes bei Aktivierung eine auf die Masse (10) einwirkende Verlangsamungskraft erzeugt, wobei die Verlangsamungskraft von einer Aktivierungskraft (P) und dem Reibungskoeffizienten (Mu) abhängt, der von der Anfangsgeschwindigkeit abhängig ist, derart, dass die Verlangsamungskraft mit sinkendem Reibungskoeffizienten (Mu), d. h. mit steigender Anfangsgeschwindigkeit, sinkt und derart, dass die Verlangsamungskraft mit steigendem Reibungskoeffizienten (Mu), d. h. mit sinkender Anfangsgeschwindigkeit, steigt;

wobei eine Gesamt-Verlangsamungskraft durch Aktivieren eines ersten Satzes der Bremselemente (16) erzeugt wird, wenn die Anfangsgeschwindigkeit innerhalb eines ersten Bereichs von Anfangsgeschwindigkeiten (31) liegt, und eines zweiten Satzes von Bremselementen (16), wenn die Anfangsgeschwindigkeit innerhalb eines zweiten Bereichs von Anfangsgeschwindigkeiten (32) liegt, wobei die Geschwindigkeiten innerhalb des ersten Bereichs (31) größer sind als die Geschwindigkeiten innerhalb des zweiten Bereichs (32) und der zweite Satz mindestens ein Bremselement (16) weniger aufweist als der erste Satz, damit eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) aufgebracht wird, als der erste Satz allein über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) aufbringen würde,

gekennzeichnet durch

mindestens einen dritten Satz der Bremselemente (16), der über mindestens einen dritten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (33) aktiviert wird, wobei die Anfangsgeschwindigkeiten im zweiten Bereich (32) größer sind als die Anfangsgeschwindigkeiten im dritten Bereich (33), wobei der dritte Satz mindestens ein Bremselement (16) weniger aufweist als der zweite Satz, damit eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über den ersten, zweiten und dritten Bereich (31, 32, 33) aufgebracht wird, als der erste oder der zweite Satz allein über den ersten, zweiten und dritten Bereich (31, 32, 33) aufbringen würde.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gesamt-Verlangsamungskraft um weniger als plus/minus 60% von einer durchschnittlichen Gesamt- Verlangsamungskraft über den ersten und zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (31, 32) abweicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Gesamt-Verlangsamungskraft um weniger als plus/minus 30% von einer durchschnittlichen Gesamt- Verlangsamungskraft über den ersten und zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (31, 32) abweicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Satz aktiviert wird, wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer ist als eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit (31).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die von jeder der mehreren Bremselemente (16) aufgebrachte Verlangsamungskraft ferner von einer Menge an von dem Bremselement (16) aufgenommener kinetischer Energie abhängt, wobei die Verlangsamungskraft mit steigender Menge sinkt und mit sinkender Menge steigt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Bremselement (16) aktiviert oder deaktiviert wird, wenn sich die Masse nach Aktivierung des ersten, zweiten oder dritten Satzes (31, 32, 33) verlangsamt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Satz von Bremselementen (16) aktiviert wird, wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer ist als eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit (34), und der zweite Satz von Bremselementen (16) aktiviert wird, wenn die Anfangsgeschwindigkeit kleiner ist als die erste vorbestimmte Geschwindigkeit (34) und größer ist als eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit (35).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes Bremselement. (16) mindestens ein mit der Masse (10) verbundenes Reibungselement (18) und mindestens ein mit der Radstruktur (14) verbundenes Reibungselement (20) aufweist und die Verlangsamungskraft durch Zusammendrücken der Reibungselemente (18, 20) mit einer Kraft (P) erzeugt wird, wobei die Kraft (P) über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) im wesentlichen konstant ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jedes der mehreren Bremselemente (16) zwei mit der Masse (10) verbundene Statoren (18), einen zwischen den Statoren (18) und an der Radstruktur (14) angeordneten einzelnen Rotor (20) und einen Aktuator (24) zum Drücken der Statoren (18) gegen den Rotor (20) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein erstes und ein zweites Bremselement (16) jeweils zwei Statoren (18) aufweisen, die mit der Masse (10) verbunden sind und einen zwischen den Statoren (18) und an der Radstruktur (14) angeordneten Rotor (20) gemeinsam nutzen, und einen Aktuator (24) zum unabhängigen Drücken von jeweils zwei Statoren (18) gegen den gemeinsamen Rotor (20) aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Bremselement (16) aktiviert oder deaktiviert wird, wenn sich die Masse (10) nach Aktivierung des ersten oder zweiten Satzes verlangsamt.

12. Bremsverfahren zum Abbremsen einer Masse (10), die sich mit einer Anfangsgeschwindigkeit bewegt, und mehrerer sich drehender Radstrukturen (14), die mit der Masse (10) verbunden sind, mit folgenden Schritten:

Erzeugen einer auf die Masse (10) einwirkenden Gesamt-Verlangsamungskraft durch Aktivieren eines ersten Satzes von Bremselementen (16) über einen ersten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (31) und eines zweiten Satzes von Bremselementen (16) über einen zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (32), wobei jedes Bremselement (16) bei Aktivierung eine Verlangsamungskraft auf die Masse (10) erzeugt, wobei die Verlangsamungskraft von einer Aktivierungskraft (P) und dem Reibungskoeffizienten (Mu) abhängt, der von der Anfangsgeschwindigkeit abhängig ist, derart, dass die Verlangsamungskraft mit sinkendem Reibungskoeffizienten (Mu), d. h. mit steigender Anfangsgeschwindigkeit, sinkt und derart, dass die Verlangsamungskraft mit steigendem Reibungskoeffizienten (Mu), d. h. mit sinkender Anfangsgeschwindigkeit, steigt, wobei der zweite Satz weniger Bremselemente (16) aufweist als der erste Satz, damit eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) aufgebracht wird, als der erste Satz allein über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) aufbringen würde,

gekennzeichnet durch

den Schritt des Aktivierens mindestens eines dritten Satzes der Bremselemente (16) über mindestens einen dritten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (33), wobei die Geschwindigkeiten in dem zweiten Bereich (32) größer sind als die Geschwindigkeiten in dem dritten Bereich (33), wobei der dritte Satz mindestens ein Bremselement (16) weniger aufweist als der zweite Satz, damit eine konstantere Gesamt-Verlangsamungskraft über den ersten, zweiten und dritten Bereich (31, 32, 33) aufgebracht wird, als der erste oder der zweite Satz allein über den ersten, zweiten und dritten Bereich (31, 32, 33) aufbringen würde.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Gesamt-Verlangsamungskraft um weniger als plus/minus 60% von einer durchschnittlichen Gesamt- Verlangsamungskraft über den ersten und zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (31, 32) abweicht.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Gesamt-Verlangsamungskraft um weniger als plus/minus 30% von einer durchschnittlichen Gesamt- Verlangsamungskraft über den ersten und zweiten Bereich von Anfangsgeschwindigkeiten (31, 32) abweicht.

15. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Aktivierens des ersten Satzes, wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer ist als eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit (34).

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die von jeder der mehreren Bremselemente (16) aufgebrachte Verlangsamungskraft ferner von einer Menge an von dem Bremselement (16) aufgenommener kinetischer Energie abhängt, wobei die Verlangsamungskraft mit steigender Menge sinkt und mit sinkender Menge steigt.

17. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Aktivierens oder Deaktivierens von mindestens einem Bremselement (16), wenn sich die Masse (10) nach Aktivierung des ersten, zweiten oder dritten Satzes (31, 32, 33) verlangsamt.

18. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit den Schritten des Aktivierens des ersten Satzes von Bremselementen (16), wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer ist als eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit (34), und des Aktivierens des zweiten Satzes von Bremselementen (16), wenn die Anfangsgeschwindigkeit kleiner ist als die erste vorbestimmte Geschwindigkeit (34) und größer ist als eine zweite vorbestimmte Geschwindigkeit (35).

19. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem jedes Bremselement (16) mindestens ein mit der Masse (10) verbundenes Reibungselement (18) und mindestens ein mit der Radstruktur (14) verbundenes Reibungselement (20) aufweist und die Verlangsamungskraft durch Zusammendrücken der Reibungselemente (18, 20) mit einer Kraft (P) erzeugt wird, wobei die Kraft (P) über den ersten und den zweiten Bereich (31, 32) im wesentlichen konstant ist.

20. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem jedes der mehreren Bremselemente (16) zwei mit der Masse (10) verbundene Statoren (18), einen zwischen den Statoren (18) und an der Radstruktur (14) angeordneten einzelnen Rotor (20) und einen Aktuator (24) zum Drücken der Statoren (18) gegen den Rotor (20) aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem mindestens ein erstes und ein zweites Bremselement (16, 36) jeweils zwei Statoren (18) aufweisen, die mit der Masse (10) verbunden sind und einen zwischen den Statoren (18) und an der Radstruktur (14) angeordneten Rotor (20) gemeinsam nutzen, und einen Aktuator (24) zum unabhängigen Drücken von jeweils zwei Statoren (18) gegen den gemeinsamen Rotor (20) aufweisen.

22. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt der Aktivierung oder Deaktivierung mindestens eines Bremselements (16), wenn sich die Masse (10) nach Aktivierung des ersten oder zweiten Satzes (31, 32) verlangsamt.







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