AT522578A4

AT522578A4 - Verfahren zur Bestimmung thermischer und mechanischer Zustände von Fahrzeugbremsen

Info

Publication number: AT522578A4
Application number: ATA50691/2019A
Authority: AT
Inventors: Gutschi Daniela; Weber Franz-Josef; Hengsberger Markus
Original assignee: Siemens Mobility Austria Gmbh
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2020-12-15
Also published as: AT522578B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung thermischer und mechanischer Zustände von einer Bremsanordnung mit zumindest einer ersten Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere von zumindest einer Reibungsbremsanordnung eines Schienenfahrzeugs, wobei als Parameter variierbare Fahrzeugparameter (1) und variierbare Bremsparameter (2) eingelesen werden, mittels der Fahrzeugparameter (1) und der Bremsparameter (2) zumindest ein erster technischer Zustand der Bremsanordnung ermittelt wird und ein entsprechendes Ermittlungsergebnis ausgegeben wird. Um vorteilhafte Verfahrensbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass der zumindest erste technische Zustand der Bremsanordnung mittels zumindest eines variierbaren Fahrparameters (3), variierbarer Streckenparameter (5) und zumindest eines variierbaren Umweltparameters (4) bestimmt wird. Dadurch wird eine besonders präzise Bewertung von Fahrzeugbremsen im Hinblick auf ihr thermisches und mechanisches Verhalten ermöglicht.

Description

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Verfahren zur Bestimmung thermischer und mechanischer

Zustände von Fahrzeugbremsen

Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung thermischer und mechanischer Zustände von einer Bremsanordnung mit zumindest einer ersten Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere von zumindest einer Reibungsbremsanordnung eines Schienenfahrzeugs, wobei als Parameter variierbare Fahrzeugparameter und variierbare Bremsparameter eingelesen werden, mittels der Fahrzeugparameter und der Bremsparameter zumindest ein erster technischer Zustand der Bremsanordnung ermittelt wird und ein

entsprechendes Ermittlungsergebnis ausgegeben wird.

Bremsanordnungen von Fahrzeugen weisen häufig verschiedene Bremseinheiten auf, welche als Reibungsbremsen (z.B. als Scheibenbremsen oder Klotzbremsen, Magnetschienenbremsen etc.), aber beispielsweise auch als elektrodynamische Bremsen, Wirbelstrombremsen usw. ausgebildet sein können. Für eine Bewertung thermischer und/oder mechanischer Zustände von Bremsanordnungen ist eine Ermittlung von Temperaturen, Spannungen und Verschleiß erforderlich, welche sich auf die Reibungsbremsen beziehen, Jedoch auch von einer Bremsleistungsverteilung zwischen den Reibungsbremsen und Bremsen anderer Gattungen abhängen können.

Eine derartige Bewertung ist beispielsweise für eine Optimierung von Wartungs- und Instandhaltungsintervallen der Fahrzeuge von Bedeutung. Weiterhin kann mittels Ausgabe entsprechender Ermittlungsergebnisse (z.B. in Führerständen oder Cockpits der Fahrzeuge) vor einer thermischen und/oder

mechanischen Überlastung der Bremsanordnung gewarnt werden.

Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die EP 2 753 514 Bl bekannt, in welcher eine Recheneinheit und ein computerimplementiertes Verfahren zur Entwicklung von Bremsanlagen für Schienenfahrzeuge offenbart ist. Es wird

eine Simulation von Bremsungen durchgeführt, bei welcher eine

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Bremskraftverteilung auf mehrere Bremseinheiten berücksichtigt wird. Die Recheneinheit weist ein Einlese- und

ein Ausgabegerät sowie eine Simulationseinrichtung auf.

In der WO 2018/054736 Al ist ein Verfahren zur betrieblichen Ermittlung von Temperaturen einer Reibungsbremse eines Fahrzeugs beschrieben, wobei auf Grundlage von Temperaturermittlungen zulässige Fahrgeschwindigkeiten, Verzögerungen oder Fahrprofile etc. vorgegeben werden können und beispielsweise bei unzulässig hohen Temperaturen über

eine Regeleinheit eine Bremsung eingeleitet werden kann.

Genannte Ansätze weisen in ihren bekannten Formen den Nachteil auf, dass entweder keine Variierbarkeit von Verfahrens-Eingabeparametern ersichtlich ist oder bei einer Simulation von Bremsvorgängen keine Umfeldeinflüsse (z.B. aus

einer Infrastruktur) berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren anzugeben, welches eine besonders flexible, präzise und umfassende Ermittlung von thermischen und/oder mechanischen Zuständen

ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem der zumindest erste technische Zustand der Bremsanordnung mittels zumindest eines variierbaren Fahrparameters, variierbarer Streckenparameter und zumindest eines variierbaren Umweltparameters bestimmt wird.

Dadurch wird eine besonders präzise Bewertung von Fahrzeugbremsen im Hinblick auf ihr thermisches und mechanisches Verhalten vor, in oder nach einem Betriebseinsatz ermöglicht.

Neben Fahrzeugparametern, welche beispielsweise statische Massen und rotatorische Massen zumindest eines Radsatzes des

Fahrzeugs umfassen, und Bremsparametern, welche

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beispielsweise Fahrzeugverzögerungen oder Bremskräfte des Fahrzeugs umfassen, werden auch Fahrparameter, Streckenparameter und Umweltparameter berücksichtigt.

Die Fahrparameter umfassen dabei beispielsweise Fahrzeugbeschleunigungen oder Motorleistungen, die Streckenparameter beispielsweise Abstände zwischen Halten, Maximalgeschwindigkeiten und Streckenneigungen, wobei auch Zuladungen oder Zuladungsänderungen und für die Halte auch Stehzeiten vorgegeben werden können. Die Umweltparameter umfassen beispielsweise Umgebungstemperaturen oder RadSchiene-Kraftschlussbeiwerte, welche je nach Werkstoffpaarung zwischen Rad und Schiene sowie Je nach Umgebungsbedingungen (z.B. Nässe) eingestellt werden können.

Durch diese Maßnahme können Bremsvorgänge realistisch simuliert werden. Beispielsweise führt eine Berücksichtigung von Fahrzeugbeschleunigungen, Halten mit Stehzeiten und Umgebungstemperaturen dazu, dass Abkühlvorgänge der Bremsanordnung präzise nachgebildet werden können.

Durch Vorgabe von realistischen Kraftschlussbeiwerten können Bremsvorgänge mit hoher Sicherheit dahingehend bewertet werden, ob Räder des Fahrzeugs während Bremsvorgängen zu gleiten beginnen etc.

Mittels des Verfahrens werden beispielsweise Temperatur-, Wärmespannungs- und Verschleißzustände der Bremsanordnung bestimmt, wobei die Wärmespannungs- und die Verschleißzustände aus den Temperaturzuständen abgeleitet

werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn ein Satz an Fahrzeugparametern und Bremsparametern eingelesen wird, welcher ein technisches Verhalten und ein Zusammenwirken von zumindest der ersten Bremsvorrichtung und einer zweiten Bremsvorrichtung des Fahrzeugs definiert.

Durch diese Maßnahme können unterschiedliche

Bremsvorrichtungen in ihrem Zusammenwirken bewertet werden.

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Es ist günstig, wenn die Streckenparameter als Streckendatenpaket geladen werden.

Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Streckenparameter Öörtlich getrennt von jener Vorrichtung zu erzeugen, auf

welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

Eine günstige Lösung wird erreicht, wenn bei Ermittlung des zumindest ersten technischen Zustands zumindest die erste

Bremsvorrichtung als aktiv oder als inaktiv vorgegeben wird. Durch diese Maßnahme ist eine Simulation von Bremsvorgängen

unter Berücksichtigung von Bremsausfallszenarien möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn bei einer Bestimmung zumindest des ersten technischen Zustands zumindest eine beliebige Kombination an einzulesenden Parametern verarbeitet wird.

Es kann auch günstig sein, wenn eine Mehrzahl an beliebigen Kombinationen einzulesender Parameter definiert wird, aus welchen eine Mehrzahl an Ergebnissen für den zumindest ersten technischen Zustand ermittelt wird.

Durch diese Maßnahme können verschiedene Fahrzeugkonfigurationen, Bremssystemkonfigurationen, Streckenkonfigurationen etc. in Zusammenhänge zueinander gesetzt und bewertet werden. Bremstechnische Auswirkungen von

Konfigurationsänderungen werden dadurch rasch deutlich.

Eine besonders rasche Bewertbarkeit der Bremsanordnung wird erreicht, wenn der zumindest erste technische Zustand, der zweite technische Zustand und der dritte technische Zustand in ein und demselben Verfahrensdurchlauf ermittelt werden. Durch diese Maßnahme wird ein rascher Überblick über relevante Schädigungs- und Verschleißindikatoren der

Bremsanordnung ermöglicht.

Es kann günstig sein, wenn ein Abarbeiten von zur Bestimmung

zumindest des ersten technischen Zustands erforderlichen

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Verfahrensschritten durch ein Einlesen von Datenpaketen ersetzt wird.

Dadurch können einzelnen Verfahrensschritte zeitlich und/oder örtlich getrennt von anderen Verfahrensschritten durchgeführt werden und entsprechende Ergebnisse in das erfindungsgemäße Verfahren eingespeist werden. Beispielsweise ist es möglich, einzelne Verfahrensschritte vorab, d.h. vorbereitend

durchzuführen.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn als Ermittlungsergebnis zumindest ein Temperaturverlauf der Bremsanordnung über einer Zeit oder über einen Weg und zumindest eine Maximaltemperatur der Bremsanordnung ausgegeben werden.

Hierbei ist es auch günstig, wenn neben dem Ermittlungsergebnis auch Eingabeparameter sowie zumindest ein Blendingdiagramm ausgegeben werden.

Durch diese Maßnahme wird eine übersichtliche Darstellung von Ermittlungsergebnissen bewirkt und somit deren rasche

Bewertbarkeit gefördert.

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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1: Ein Flussdiagramm einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung von thermischen und mechanischen Zuständen einer

Bremsanordnung eines Schienenfahrzeugs, und

Fig. 2: Eine Ergebnisanzeige zu einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Temperaturdiagramm und einem

Blendingdiagramm.

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Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm einer beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen, computerimplementierten Verfahrens zur Ermittlung von thermischen und mechanischen Zuständen einer nicht dargestellten Bremsanordnung eines ebenfalls nicht gezeigten Schienenfahrzeugs.

Die Bremsanordnung, für welche für diese beispielhafte Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens thermische und mechanische Zustände ermittelt werden, weist eine Mehrzahl an Bremsvorrichtungen auf. Es sind sowohl pneumatische Reibungsbremsen (Wellen- und Radscheibenbremsen, bei welchen über einen Bremszylinder und einen Bremskolben Bremsbeläge gegen Wellen- und Radscheibenbremsen gedrückt werden, um so über entsprechende Reibkräfte Bremsmomente und folglich Verzögerungsvorgänge des Schienenfahrzeugs auszulösen), als auch elektrodynamische Bremsen vorgesehen, bei welchen Elektromotoren des Schienenfahrzeugs in einen Generatorbetrieb geschaltet werden, um so das Schienenfahrzeug zu verzögern.

Erfindungsgemäß ist es auch vorstellbar, dass weitere Bremsvorrichtungen vorgesehen sind, z.B. Magnetschienenbremsen, Wirbelstrombremsen etc. Weiterhin ist es denkbar, anstatt pneumatischer Reibungsbremsen

hydraulische Reibungsbremsen einzusetzen.

Die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in eine nicht gezeigte Recheneinheit außerhalb des Schienenfahrzeugs implementiert. Erfindungsgemäß ist es Jedoch auch vorstellbar, dass die Recheneinheit in dem Schienenfahrzeug vorgesehen ist und beispielsweise als Bordrechner ausgeführt ist. Weiterhin ist es denkbar, dass die Recheneinheit Teil eines Antriebsund/oder Bremssteuergeräts ist.

Das Verfahren läuft auf einem entsprechenden Computerprogrammprodukt, welches in der Recheneinheit installiert ist und in welchem entsprechende

Verfahrensschritte implementiert sind, ab.

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In dieser beispielhaften Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden verschiedene Parameter zur Verarbeitung in das Computerprogrammprodukt eingelesen. Diese umfassen variierbare Fahrzeugparameter 1 (statische Massen und rotatorische Massen von Radsätzen des Schienenfahrzeugs), variierbare Bremsparameter 2 (Fahrzeugverzögerungen a und Fahrzeugverzögerungsverläufe über einer Fahrgeschwindigkeit v). Weiterhin werden zur Berücksichtigung eines Abkühlverhaltens der Reibungsbremsen variierbare Fahrparameter 3, welche als Fahrzeugbeschleunigungsparameter des Schienenfahrzeugs ausgeführt sind, erfindungsgemäß jedoch auch als Motorleistungsparameter ausgebildet sein können, sowie Umgebungstemperaturparameter als variierbare

Umweltparameter 4 vorgeben.

Um Fahrprofile in Bezug auf ein thermisches und mechanisches Verhalten der Bremsanordnung bewerten zu können, werden auch variierbare Streckenparameter 5 eingelesen. Diese Streckenparameter 5 umfassen Abstände zwischen Halten des Schienenfahrzeugs, erreichbare Maximalgeschwindigkeiten des Schienenfahrzeugs zwischen den Halten und Streckenneigungen für Streckenabschnitte mit Steigungen oder Gefällen.

Um eine weitere Genauigkeitssteigerung bei der Berücksichtigung des Abkühlverhaltens der Reibungsbremsen zu erzielen, werden auch Aufenthaltsdauern in Bahnhöfen oder Haltestellen verarbeitet, wobei diese Aufenthaltsdauern von

den Streckenparametern 5 umfasst sind.

Um lastabhängige Bremsungen bewerten zu können, umfassen die Streckenparameter 5 weiterhin auch Informationen über Zuladungen des Schienenfahrzeugs, aus welchen Zuladungsänderungen gebildet werden. Die Informationen über die Zuladungen werden aus statistischen Aufzeichnungen oder konkreter Erfassung (automatische Fahrgastzählung) von in Bahnhöfen zu- oder aussteigenden Fahrgästen erzeugt. Einem Fahrgast ist ein Massenwert zugeordnet. Steigen Fahrgäste in

das Schienenfahrzeug zu, so erhöht sich die Zuladung.

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Verlassen Fahrgäste das Schienenfahrzeug, so nimmt die

Zuladung ab.

Wie oben bemerkt, sind die Fahrzeugparameter 1, die Bremsparameter 2, die Fahrparameter 3, die Umweltparameter 4 und die Streckenparameter 5 variabel, d.h. können entweder über eine nicht gezeigte graphische Benutzerstelle eingegeben werden, als Datenpakete oder Datensätze über Datenträger in das Computerprogrammprodukt geladen werden oder ändern sich während entsprechender Programm- bzw. Verfahrensabläufe.

Die Streckenparameter 5 sind für diese beispielhafte Ausführungsvariante in tabellarischer Form vorgesehen. Es sind darin in Abhängigkeit einer Fahrtstrecke in Metern Fahrgeschwindigkeiten v in Metern pro Sekunde und Streckenneigungen in Promille je Fahrtstreckenabschnitt sowie Aufenthaltsdauern von Halten in Sekunden angegeben. Weiterhin sind für Jeden Halt Werte für die Zuladung in Kilogramm angegeben, um Masseveränderungen des Schienenfahrzeugs aufgrund von zu- und aussteigenden Fahrgästen berücksichtigen

zu können.

Jede Bremsvorrichtung des Schienenfahrzeugs kann für eine Bewertung oder eine Vorhersage von thermischen und mechanischen Zuständen der Bremsanordnung über die graphische Benutzeroberfläche des Computerprogrammprodukts aktiviert oder deaktiviert werden, d.h. es wird beispielsweise eine erste Bremsvorrichtung als aktiv, eine zweite Bremsvorrichtung als inaktiv usw. vorgegeben. Dadurch können Bremsausfallsszenarien nachgebildet und bewertet werden, d.h. beispielsweise überprüft werden, wie sich ein Ausfall einer Radscheibenbremse auf die thermischen Zustände der übrigen

Reibungsbremsen auswirkt.

Entsprechend eingelesene Parameter können beliebig miteinander kombiniert werden, d.h. es können bei einer Bestimmung von technischen Zuständen (z.B. eines ersten

technischen Zustands) beliebige Kombinationen an

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einzulesenden Parametern verarbeitet werden. Beispielsweise kann ein erster Satz von Fahrzeugparametern 1 (z.B. bezüglich eines ersten Fahrzeugs mit vier Radsätzen und entsprechend spezifizierten ersten statischen Massen und ersten rotatorischen Massen) mit verschiedenen Sätzen von Streckenparametern 5 (z.B. ein erster Streckendatensatz für eine Strecke mit fünf Halten und ein zweiter Streckendatensatz für eine Strecke mit zehn Halten) kombiniert werden, um den ersten Satz von Fahrzeugparametern l bzw. das erste Fahrzeug bremstechnisch auf verschiedenen Strecken bewerten zu können.

Dabei ist es auch vorstellbar, dass eine Mehrzahl an beliebigen Kombinationen einzulesender Parameter definiert wird, aus welchen eine Mehrzahl an Ergebnissen für die technischen Zustände ermittelt wird. Beispielsweise kann neben dem ersten Satz von Fahrzeugparametern 1 auch ein zweiter Satz von Fahrzeugparametern 1 (z.B. bezüglich eines zweiten Fahrzeugs mit sechs Radsätzen und entsprechend spezifizierten zweiten statischen Massen und zweiten rotatorischen Massen) definiert werden, welcher ebenfalls mit dem ersten Streckendatensatz und dem zweiten Streckendatensatz der Streckenparameter 5 kombiniert wird, um Änderungen an einer Fahrzeugkonfiguration bezüglich

verschiedener Strecken bremstechnisch bewerten zu können.

Auf Grundlage der Fahrzeugparameter 1, der Bremsparameter 2, der Fahrparameter 3, der Umweltparameter 4 und der Streckenparameter 5 werden mittels des Computerprogrammprodukts als erste technische Zustände Temperaturen T der Reibungsbremsen während Bremsvorgängen des Schienenfahrzeugs ermittelt (Temperaturermittlung 6).

Diese Temperaturen T werden mittels einer aus dem Stand der Technik bekannten ersten Bildungsvorschrift bestimmt, welche aus einer bekannten eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung

gebildet wird:

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2Pyt

A,/Apc

N X to X (Herfc——=-4—-—Perfc

T=To + ° 2yart CB 2yart

)

In dieser ersten Bildungsvorschrift sind eine Bremsausgangstemperatur To einer Bremsscheibe, eine Bremsleistung P mit P=m'a'vy, welche aus einer Bremsmasse m, einer Fahrzeugverzögerung a aus den Bremsparametern 2 (d.h. aus einer erforderlichen Bremskraft) sowie einer Bremsausgangsgeschwindigkeit vo aus den Streckenparametern 5 gebildet wird, eine Zeit t, ein Flächeninhalt A einer Reibfläche der Bremsscheibe, eine Wärmeleitzahl 2A, eine Dichte p, eine spezifische Wärme c, eine

VE EEG ; A ; ; Temperaturleitfähigkeit ar = 5er eine Distanz x gemessen von

einer Reibkörper-Oberfläche sowie eine Bremsdauer tg mit ip =

2 enthalten.

Die Wärmeleitzahl A, die Dichte p sowie die spezifische Wärme c sind den Fahrzeugparametern 1 zugeordnet und können für jede Reibungsbremsvorrichtung spezifisch eingestellt werden. Die Temperaturleitfähigkeit ar wird jeweils aus der Wärmeleitzahl A, der Dichte p sowie der spezifischen Wärme c ermittelt.

Die Bremsmasse m ist der Reibungsbremse, für welche die Temperatur T bestimmt wird, zugeordnet. Sie wird aus der statischen Masse und der rotatorischen Masse (d.h. aus den Fahrzeugparametern 1) jenes Radsatzes, auf welchen die Reibungsbremse wirkt, sowie aus Jenem Teil einer Wagenkastenmasse des Schienenfahrzeugs, welcher dem genannten Radsatz zugeordnet ist, gebildet. Der genannte Teil der Wagenkastenmasse umfasst auch die aus den Streckenparametern 5 stammende, aktuelle Zuladung jenes Wagenkastens, auf welchen die Wagenkastenmasse bezogen ist. In dieser beispielhaften Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens weist der genannte Wagenkasten vier Radsätze mit je zwei Bremsen auf. Die Bremsmasse m der oben genannten

Reibungsbremse umfasst daher eine Hälfte der statischen Masse

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des Radsatzes, eine Hälfte der rotatorischen Masse des

Radsatzes und ein Achtel der Wagenkastenmasse,

In Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs wird eine Bremskraft des Schienenfahrzeugs auf die in dem Schienenfahrzeug vorhandenen Bremsvorrichtungen aufgeteilt, wobei es sich um ein sogenanntes Bremsblending handelt (siehe auch Blendingdiagramm 7 in Fig. 2). Übernehmen beispielsweise die Reibungsbremsen des Schienenfahrzeugs und die elektrodynamischen Bremsen des Schienenfahrzeugs bei einer definierten Fahrgeschwindigkeit v je 50% der angeforderten Bremskraft, so wird die auf die Reibungsbremsen bezogene Bremsmasse m entsprechend halbiert.

Bremst das Schienenfahrzeug in einem Streckenabschnitt, welcher eine Steigung oder ein Gefälle aufweist, so wird die entsprechende Streckenneigung aus den Streckenparametern 5 in eine Ermittlung einer Hangabtriebskraft eingesetzt, welche die erforderliche Bremsleistung P vergrößert (bei einem Gefälle) oder verkleinert (bei einer Steigung).

Weiterhin wird die erforderliche Bremsleistung P durch einen nach der Europäischen Norm (EN) 14531-1 ermittelten

Laufwiderstand reduziert.

Die Bremsausgangstemperatur To variiert von Bremsung zu Bremsung. Beispielsweise entspricht sie vor der ersten Bremsung zu Beginn eines Durchlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens der Umgebungstemperatur von 20°C aus den Umweltparametern 4, Die Umgebungstemperatur ist variabel, sie kann dementsprechend über die graphische Benutzeroberfläche eingestellt werden. Bei einer Sequenz an Bremsungen (siehe beispielsweise Temperaturdiagramm 8 in Fig. 2) wird eine Veränderung der Bremsausgangstemperatur To in Abhängigkeit einer Erwärmung der Reibungsbremse durch eine vorangegangene Bremsung und in Abhängigkeit einer Abkühlung aufgrund einer Wärmeabgabe der Reibungsbremse an eine Umgebung der

Bremsanordnung berücksichtigt. Bei der Abkühlung wird die

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Temperatur T gemäß einer quadratischen Funktion in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit v und der Zeit t verringert. Entsprechende Parameter dieser Funktion sind dem Verfahren als Fahrzeugparameter 1 vorgegeben. Sie werden über Temperaturmessungen in Feldversuchen vorab bestimmt und über die graphische Benutzeroberfläche des Computerprogrammprodukts vorgegeben. Bei der Bestimmung der Abkühlung werden auch Fahrzeugbeschleunigungen (aus den Fahrparametern 3) nach Bremsungen und, aus den Streckenparametern 5, Örtlich und zeitliche Abstände zwischen einzelnen Halten sowie Aufenthaltsdauern in Bahnhöfen berücksichtigt. Dadurch werden Abkühlzeiten der

Reibungsbremse mit großer Genauigkeit ermittelt.

Diese erste Bildungsvorschrift wird auf die erste Bremsvorrichtung, welche als Radscheibenbremse ausgeführt ist, bzw. auf die Radbremsscheibe der ersten Radscheibenbremse angewendet, wobei als Wärmeleitzahl A, Dichte p etc. die Wärmeleitzahl, Dichte etc. der ersten Radbremsscheibe eingesetzt werden. Dabei wird für eine Bremsung der ersten Radscheibenbremse eine erste Temperatur T11 gebildet.

Weiterhin wird die erste Bildungsvorschrift nach selbem Schema für weitere Bremsvorrichtungen und deren spezifische Parameter angewendet, beispielsweise für weitere Radbremsscheiben und Wellenbremsscheiben, und es werden daraus eine zweite Temperatur Tz1 bis zu einer nl-Temperatur

Tnı bestimmt.

Je Bremsscheibe, für welche eine erste Temperatur Tıı bis zu einer nl-Temperatur Tx1 bestimmt werden, wird geometrisch diskretisiert und dabei in eine definierte Anzahl an Scheibensegmenten unterteilt. Jedes Scheibensegment weist eine definierte Distanz x gemessen von einer BremsscheibenReibfläche auf. Für jedes Scheibensegment wird nach oben genannter erster Bildungsvorschrift eine Temperatur T

bestimmt. Für das erste Scheibensegment wird in der ersten

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Bildungsvorschrift die Distanz x = 0 gesetzt, es bezieht sich auf eine Reibfläche der Bremsscheibe. So wird eine Reibflächentemperatur Tr ermittelt. Zumindest ein weiteres Scheibensegment bezieht sich auf eine Kühlfläche bzw. einen

5 Bereich mit Kühlrippen der Bremsscheibe. Für dieses Segment wird die Distanz x gleich dem Abstand der Kühlfläche von der

Reibfläche gesetzt und die Kühlflächentemperatur Tx bestimmt.

Es ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, die X

10 Integrale der Komplemente der Fehlerintegrale üerfcz—— und T üBerfc *_ in der oben genannten ersten Bildungsvorschrift zu 2,yart

lösen. Entsprechende Lösungen können beispielsweise aus

Tabellenwerken entnommen werden. In dieser beispielhaften

Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind 15 die genannten Integrale bzw. entsprechende Lösungen als

Funktionen in dem Computerprogrammprodukt implementiert.

Die Temperatur T wird in ihrem zeitlichen Verlauf bestimmt und in dem in Fig. 2 gezeigten Temperaturdiagramm 8 20 ausgegeben. Weiterhin wird eine Maximaltemperatur Tmax für

t ı eine Distanz x = 0 zur Zeit t=> nach einer folgenden,

ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten, zweiten Bildungsvorschrift bestimmt und auf einer in Fig. 2

dargestellten Ergebnisanzeige ausgegeben:

25 Tre T 4 my a°3 max 93 2mApc A

Weiterhin werden als zweite technische Zustände der Bremsanordnung Wärmespannungen 6, in dieser beispielhaften 30 Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens maximale Wärmespannungen Omax der Bremsanordnung mittels folgender, aus dem Stand der Technik bekannter, dritter Bildungsvorschrift auf Grundlage eines ebenen Formänderungszustands einer Bremsscheibe ermittelt

35 (Spannungsermittlung 9):

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2Ea&,mvoa E artz

max 7 "301 = UA

Mittels der dritten Bildungsvorschrift wird die maximale Wärmespannung Omax in Abhängigkeit eines Elastizitätsmoduls E als erstem Materialkennwert, eines Wärmeausdehnungskoeffizienten a, als zweitem Materialkennwert, einer Querdehnzahl v als drittem Materialkennwert sowie einer von einem Bremsbelag überstrichenen Kontaktfläche As, der Bremsmasse m, der Bremsausgangsgeschwindigkeit vo, der Fahrzeugverzögerung a, der Wärmeleitzahl A, der Temperaturleitfähigkeit ar und der Bremsdauer ts ermittelt.

Die dritte Bildungsvorschrift wird auf alle Bremsvorrichtungen der Bremsanordnung des Schienenfahrzeugs, welche als Reibungsbremsen (Radscheibenbremsen und Wellenscheibenbremsen) ausgebildet sind, angewendet. Dadurch werden für alle Radbremsscheiben und Wellenbremsscheiben maximale Wärmespannungen Omax bestimmt und auf der Ergebnisanzeige, welche in Fig. 2 dargestellt ist, ausgegeben.

Der erste Materialkennwert, der zweite Materialkennwert, der dritte Materialkennwert sowie die Kontaktfläche As sind für die Bremsscheibe spezifiziert und als Fahrzeugparameter 1 in dem Computerprogrammprodukt für jede zu bewertende

Reibungsbremse gespeichert.

Darüber hinaus wird mittels dieser beispielhaften Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens als dritter technischer Zustand der Bremsanordnung auch ein Verschleiß W der Bremsanordnung aus Belastungsgrößen der Bremsanordnung (kinetische Energie, Temperatur T) ermittelt (Verschleißermittlung 10).

Hierzu ist folgende vierte Bildungsvorschrift vorgesehen:

mv? 2

W=C-:Agp:( BE -TR}

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Auf Grundlage einer Konstanten C, einer Bremsbelagfläche Ag, der Bremsmasse m, der Fahrgeschwindigkeit v, der Reibflächentemperatur Tr der Bremsscheibe sowie eines ersten Materialexponenten ß und sowie eines zweiten Materialexponenten yY, welche zusammen mit der Konstanten C aus Bremsenprüfstandversuchen und/oder Betriebsbeobachtungen von Schienenfahrzeugen mit regelmäßigen BremsenVerschleißmessungen bestimmt werden (siehe hierzu auch die WO 2016/119929 Al) und gemeinsam mit der Konstanten C und der spezifizierten Bremsbelagfläche Ag als Fahrzeugparameter 1 in dem Computerprogrammprodukt für jede zu bewertende Reibungsbremse gespeichert sind, wird eine Verschleißrate W eines Bremsbelags ermittelt. Diese wird mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten numerischen Integrationsverfahren zeitlich über die Bremsdauer tz integriert, woraus ein Verschleiß W bestimmt wird.

Für Jede Reibungsbremse bzw. für Jeden Bremsbelag wird ein

Verschleiß W ermittelt.

Der Verschleiß W kann auch auf der in Fig. 2 gezeigten Ergebnisanzeige ausgewiesen werden, jedoch ist dies nur dann zweckmäßig, wenn sehr viele Bremsungen, beispielsweise über eine spezifizierte Lebensdauer eines Bremsbelags, bewertet

werden und einzelne Verschleißbeträge summiert werden.

Der erste technische Zustand, der zweite technische Zustand und der dritte technische Zustand werden in ein und demselben Verfahrensdurchlauf ermittelt. Am Ende des Verfahrensdurchlaufs wird zumindest der erste technische Zustand (die Temperatur T bzw. ein Temperaturverlauf) über eine in Fig. 2 dargestellte Ergebnisanzeige ausgegeben (Ergebnisausgabe 11).

Erfindungsgemäß ist es auch denkbar, dass einzelne oder alle der genannten technischen Zustände (z.B. der erste technische Zustand oder Teile davon, wie z.B. eine Ermittlung der Bremsleistung P etc.) nicht zur Laufzeit des

Verfahrensablaufs, sondern davon zeitlich und/oder EÖrtlich

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unabhängig bestimmt werden und entsprechende Ermittlungsergebnisse als Datenpakete in das Computerprogrammprodukt geladen werden.

Ein Abarbeiten von zur Bestimmung einzelner oder aller technischer Zustände erforderlichen Verfahrensschritten kann also bei Bedarf durch ein Einlesen von Datenpaketen mit

vorbereiteten Ermittlungsergebnissen ersetzt werden.

In Fig. 2 ist eine Ergebnisanzeige zu dem erfindungsgemäßen, computerimplementierten Verfahren, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ist, dargestellt, über welche Ermittlungsergebnisse ausgegeben werden (Ergebnisausgabe 11).

Es ist ein Temperaturdiagramm 8 gezeigt, welches einen Temperaturverlauf einer Bremsscheibe über einer Zeit t angibt.

Auf einer ersten Abszisse 12 des Temperaturdiagramms 8 ist eine Zeit t angegeben. Auf einer ersten Ordinate 14 des Temperaturdiagramms 8 ist eine wie im Zusammenhang mit Fig. beschrieben, als Reibflächentemperatur Tr ermittelte Temperatur T angezeigt. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch vorstellbar, auf der ersten Abszisse 12 einen Weg anzugeben. Das Temperaturdiagramm 8 zeigt, erkennbar an Temperatursteigerungen, eine erste Bremsung und eine zweite Bremsung eines Schienenfahrzeugs.

Vor der ersten Bremsung hat die Bremsscheibe eine Umgebungstemperatur als Bremsausgangstemperatur To. Nach der ersten Bremsung und der zweiten Bremsung kühlt die Bremsscheibe gemäß einer in das erfindungsgemäße Verfahren implementierten Abkühlfunktion, welche im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben und in Fig. 2 vereinfachend linear

dargestellt ist, ab.

Weiterhin weist die Ergebnisanzeige ein Blendingdiagramm 7 auf, in welchem auf einer zweiten Abszisse 13 eine Fahrgeschwindigkeit v und auf einer zweiten Ordinate 15 eine

Bremskraft aufgetragen ist. Das Blendingdiagramm 7 zeigt ein

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Zusammenwirken von Bremsvorrichtungen, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.

In einem ersten Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich 16, in einem zweiten Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich 17 und in einem dritten Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich 18 wirken Reibungsbremsen als erste Bremsvorrichtungen, in einem vierten Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich 19 eine

elektrodynamische Bremse als zweite Bremsvorrichtung.

Darüber hinaus umfasst die Ergebnisanzeige einen ersten Anzeigebereich 20, in welchem eine wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ermittelte und kumulierte Maximaltemperatur Tmax nach der zweiten Bremsung ausgegeben ist. Die Maximaltemperatur Tmax ist auf eine Bremsscheiben-

Reibfläche bezogen.

In einem zweiten Anzeigebereich 21 sind weitere Informationen über die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Bildungsvorgänge ausgegeben, beispielsweise eine Bremsmasse m, eine Bremsleistung P und eine maximale Wärmespannung Onmax. Ein dritter Anzeigebereich 22 zeigt verschiedene Eingabeparameter für das erfindungsgemäße Verfahren, wie Fahrzeugparameter 1 (z.B. statische Massen und rotatorische Massen), Bremsparameter 2 (z.B. eine Fahrzeugverzögerung a), Umweltparameter 4 (die Umgebungstemperatur), Streckenparameter 5 (z.B. Aufenthaltsdauern in Bahnhöfen) sowie Fahrparameter 3 (z.B. eine Fahrzeugbeschleunigung).

In einem vierten Anzeigebereich 23 sind Blendinginformationen dargestellt. Es ist angegeben, welche Bremskraft auf die jeweilige Bremsvorrichtung entfällt.

Ein fünfter Anzeigebereich 24 gibt an, welche Bremsvorrichtungen aktiv und welche Bremsvorrichtungen zur Bewertung von Bremsausfallszenarien inaktiv gesetzt sind (z.B. „erste Bremsvorrichtung erster Radsatz inaktiv“,

„zweite Bremsvorrichtung erster Radsatz aktiv“ etc.).

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Liste der Bezeichnungen

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Fahrzeugparameter

Bremsparameter

Fahrparameter

Umweltparameter

Streckenparameter

Temperaturermittlung

Blendingdiagramm

Temperaturdiagramm

Spannungsermittlung

Verschleißermittlung

Ergebnisausgabe

Erste Abszisse

Zweite Abszisse

Erste Ordinate

Zweite Ordinate

Erster Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich Zweiter Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich Dritter Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich Vierter Bremskraft-Fahrgeschwindigkeitsbereich Erster Anzeigebereich

Zweiter Anzeigebereich

Dritter Anzeigebereich

Vierter Anzeigebereich

Fünfter Anzeigebereich

Fahrzeugverzögerung Fahrgeschwindigkeit Temperatur Bremsausgangstemperatur Bremsleistung

Bremsmasse Bremsausgangsgeschwindigkeit Zeit

Flächeninhalt

Wärmeleitzahl

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AT

tz Tı1 T21 Tn1 TR Tx

Tmax

Omax

Dichte

spezifische Wärme Temperaturleitfähigkeit Distanz

Bremsdauer

Erste Temperatur

Zweite Temperatur nl-Temperatur Reibflächentemperatur Kühlflächentemperatur Maximaltemperatur Wärmespannung

Maximale Wärmespannung Elastizitätsmodul Wärmeausdehnungskoeffizient Querdehnzahl Kontaktfläche Verschleiß

Konstante Bremsbelag£fläche

Erster Materialexponent Zweiter Materialexponent

Verschleißrate

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Claims

15 20 25 30 35 201907338 Patentansprüche

1. Computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung thermischer und mechanischer Zustände von einer Bremsanordnung mit zumindest einer ersten Bremsvorrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere von zumindest einer Reibungsbremsanordnung eines Schienenfahrzeugs, wobei als Parameter variierbare Fahrzeugparameter und variierbare Bremsparameter eingelesen werden, mittels der Fahrzeugparameter und der Bremsparameter zumindest ein erster technischer Zustand der Bremsanordnung ermittelt wird und ein entsprechendes Ermittlungsergebnis ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet,

dass der zumindest erste technische Zustand der Bremsanordnung mittels zumindest eines variierbaren Fahrparameters (3), variierbarer Streckenparameter (5) und zumindest eines variierbaren Umweltparameters (4) bestimmt

wird.

2. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugparameter (1) zumindest eine statische Masse und zumindest eine rotatorische Masse

zumindest eines Radsatzes des Fahrzeugs umfassen.

3. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsparameter (2) zumindest eine Fahrzeugverzögerung (a) oder zumindest eine Bremskraft

des Fahrzeugs umfassen.

4. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satz an Fahrzeugparametern (1) und Bremsparametern (2) eingelesen wird, welcher ein technisches Verhalten und ein Zusammenwirken von zumindest der ersten Bremsvorrichtung und

einer zweiten Bremsvorrichtung des Fahrzeugs definiert.

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5. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Fahrparameter (3) als Fahrzeugbeschleunigungsparameter oder

als Motorleistungsparameter des Fahrzeugs ausgeführt ist.

6. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Umweltparameter (4) als Umgebungstemperaturparameter

ausgeführt ist.

7. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckenparameter (5) zumindest einen Abstand zwischen zwei Halten, zumindest eine Maximalgeschwindigkeit und zumindest eine

Streckenneigung umfassen.

8. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckenparameter (5) zumindest eine

Aufenthaltsdauer umfassen.

9. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckenparameter (5) zumindest eine Zuladung des Fahrzeugs oder zumindest eine

Zuladungsänderung des Fahrzeugs umfassen.

10. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Streckenparameter (5) als Streckendatenpaket geladen werden.

11. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ermittlung des zumindest ersten technischen Zustands zumindest die erste Bremsvorrichtung als aktiv oder als

inaktiv vorgegeben wird.

12. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der

Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer

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Bestimmung zumindest des ersten technischen Zustands

zumindest eine beliebige Kombination an einzulesenden

Parametern verarbeitet wird.

13.

bis

Computerimplementiertes Verfahren einem der Ansprüche 1

12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an

beliebigen Kombinationen einzulesender Parameter definiert

wird, aus welchen eine Mehrzahl an Ergebnissen für den

zumindest ersten technischen Zustand ermittelt wird.

14.

Computerimplementiertes Verfahren nach einem der

Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als

zumindest erster technischer Zustand der Bremsanordnung

zumindest eine Temperatur (T) der Bremsanordnung ermittelt

wird.

15.

Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Temperatur

(T)

aus einer Bremsleistung (P) ermittelt wird, für eine

Temperaturermittlung eine Wärmeleitungsgleichung als

Bildungsvorschrift eingesetzt wird und bei der

Temperaturermittlung eine Wärmeabgabe der Bremsanordnung an

eine Umgebung der Bremsanordnung berücksichtigt wird.

16. 15, (Tr)

Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 14 oder dadurch gekennzeichnet, dass eine Reibflächentemperatur

und eine Kühlflächentemperatur (Tx) einer Bremsscheibe

ermittelt werden.

17.

Computerimplementiertes Verfahren nach einem der

Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter

technischer Zustand zumindest eine Wärmespannung (6) der

Bremsanordnung ermittelt wird.

18.

Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Wärmespannung

(6)

aus der zumindest einen Temperatur (T) mittels eines

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ersten Materialkennwerts, eines zweiten Materialkennwerts und

eines dritten Materialkennwerts ermittelt wird.

19. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als dritter technischer Zustand zumindest ein Verschleiß (W) der

Bremsanordnung ermittelt wird.

20. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Verschleiß (W) aus zumindest einer Belastungsgröße der Bremsanordnung

ermittelt wird.

21. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest erste technische Zustand, der zweite technische Zustand und der dritte technische Zustand in ein und demselben

Verfahrensdurchlauf ermittelt werden.

22. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abarbeiten von zur Bestimmung zumindest des ersten technischen Zustands erforderlichen Verfahrensschritten durch

ein Einlesen von Datenpaketen ersetzt wird.

23. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vor Ermittlung des zumindest ersten technischen Zustands zumindest die erste Bremsvorrichtung geometrisch

diskretisiert wird.

24. Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Ermittlungsergebnis zumindest ein Temperaturverlauf der Bremsanordnung über einer Zeit (t) oder über einen Weg und zumindest eine Maximaltemperatur (Tmax) der Bremsanordnung

ausgegeben werden.

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25. Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Ermittlungsergebnis auch Eingabeparameter sowie zumindest ein Blendingdiagramm

5 (7) ausgegeben werden.

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