CN102015393B - 用于监控制动作用的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控制动作用的装置(1)，其中所述装置(1)有支承结构(2)，底盘(3)，至少一个制动单元(4)和至少一个负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)，制动单元(4)固定在支承结构(2)上并将制动力传递到底盘(3)的旋转元件(6)的摩擦面(5)上。为了更好地监控制动作用，本发明建议在制动单元(4)或者支承结构(2)上设置至少一个负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)，负载传感器能够测量在制动单元(4)和摩擦面(5)之间的摩擦力或者由此所产生的力。此外本发明涉及一种包括相应装置(1)的车辆和用于监控汽车制动作用的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控制动作用的装置，其中所述装置具有支承结构、底盘、至少一个制动单元以及至少一个负载传感器，制动单元固定在支承结构上并将制动力传递到底盘旋转元件的摩擦面上的。此外本发明涉及一种带有相应装置的车辆以及一种相应的用于监控该车辆制动作用的方法。
背景技术
轨道车辆传统地装配有块式制动器，特别是踏面制动器，较新的车辆装配有盘式制动器。
块式制动器可理解为机械式的制动器，对于块式制动器底盘的各个车轮通过压紧一个或者多个制动块制动。通过各个制动块施加一个径向的压力在车轮的摩擦面上，经常是在着地面上。通常压紧两个相对的制动蹄。当只压紧一个单个的制动蹄时，称之为踏面制动器。各个制动蹄或者制动片通过一个可以动的机构，即所谓的制动杆，和气压的、液压的、电的、机械的或电磁的驱动装置相连。通常轨道车辆使用压力气体操纵。
对于盘式制动器，制动力不是径向地，而是垂直于此，也就是轴向地，传递到制动盘的摩擦面上，该制动盘与底盘各个车轮的轴稳固地连接在一起。通常为了制动车轮，将两边的制动蹄或者制动片压到制动盘上。制动蹄设置在制动钳上，也称为制动卡钳，该制动钳部分地包围制动盘。由各个制动驱动装置移动的制动活塞，将制动力通过制动钳的制动杆传递到制动蹄上。在一个这样的盘式制动器上产生一个反作用力，直接作为摩擦力出现在制动盘上而且随后作为支撑力由一个或者多个另外的零件承受。
当轨道车辆在冬天的环境下工作时，取决于结构设计、温度、空气湿度、雪的状况和风的情况，可能引起制动杆和制动单元的摩擦面的积雪和结冰。
在此与盘式制动器相比，传统的踏面制动器显示有较低的结冰倾向，因为摩擦副中的至少一个，即车轮的着地面，当车轮每转一周与轨道接触时能够除掉冰。尽管如此踏面制动器也存在制动杆结冰的危险。
盘式制动器更容易结冰，因为摩擦副中没有一个能够自动地除冰。在确定的、不可预见的气候条件下，特别是在盘式制动器上，制动杆和摩擦面可能产生剧烈的结冰现象，以致于制动单元的作用明显地受限或者甚至失效。所述结冰现象可能涉及轨道车辆的个别制动单元直至所有的制动单元。这种制动失效不能够及时地识别，因此在铁路交通上出现严重的安全问题。
在现有技术中没有在行驶时充分地监控轨道车辆的制动单元。最多由控制装置对制动缸压力进行电子监控。例如由RU 2 298 501C1已知一种这样的监控。在此当制动杆或者制动钳结冰或者很紧时，虽然建立了合乎规定的制动缸压力。然而在紧的制动杆上的力却被瓦解了，不能达到相应的制动作用。同样地，在结冰的摩擦面上只达到微弱的效果，因为当结冰的摩擦面摩擦系数相对很小时，施加的力只能引起微弱的减速。在此输入的能量相对很小，以致于在相当长的时间后才能溶化结冰面。
同样已知，在行驶启动前由很低的速度开始实施制动测试。由此可以评估，是否达到足够的制动作用。比主观评估制动作用的问题大的是在接下来的行驶中制动器的状态可能随时而且不可预见地变坏的事实。
作为其它的安全措施已知，在行驶时在规定的时间间隔允许由电子系统引入一个短暂的制动测试。确定汽车的减速度，由此可以诊断制动作用当前的恶化情况。但是如上所述，制动器的状态在继续的行驶中可能随时又变坏。
为了防止制动单元的各个零件，特别是制动杆，在行驶时逐渐结冰，定期地通过手动或者电动操作制动单元。通过各个零件的移动避免附着上冰。为了找到一种有效的操作算法，当然需要进行广泛的现场试验。因为结冰过程取决于各种不同的气候条件，所需要的操作算法同样取决于气候。但是经常使用这种方法导致能量消耗提高和与行车计划相关的时间损失。
发明内容
本发明的任务是规定一种车辆、一种相应的制动单元和一种方法，以此改善对制动作用监控。
根据本发明的第一个方面，前述任务通过开始时提到的装置以下列方式得以解决，至少一个负载传感器设置在制动单元或者支承结构上，它可以测量制动单元和摩擦面之间的摩擦力或者由此产生的力。
通过在制动单元上安装一个或者多个负载传感器，可以在制动测试或者常规的制动时测量制动单元的各个零件上的负载，制动力传递到旋转元件例如制动盘或者车轮的摩擦面上，作为制动力的反作用产生上述负载。除了摩擦力本身之外，还可以是在和制动单元相连的零件上的支承力。该支承力可以作用在另一个方向，作为将制动单元压在摩擦面上的力。因为相应的负载，即力、力矩、应变、机械应力等等，它们的大小和变化随着制动单元的结冰程度而变，有可能的是，将测量的负载和之前确定的理论值相比较，并由此得出结冰的程度和制动作用。换句话说，可以已知，当尽管施加了作用力，制动器装置仍不起作用时，因为在摩擦副之间实际存在的摩擦系数部分地降低或几乎降到零，这例如可能是由结冰引起的。在相反地，本发明的解决方案中，负载传感器的设置使它可以检测由实际的制动器作用或者制动器不作用所产生的反作用力。该反作用力可能例如由制动器零件之间的实际的摩擦产生。
依据本发明的装置的一个设计方案是，负载传感器设置在制动单元的制动杆上，因为制动杆承受并继续传递在制动时由于反作用力而相对高的负载，这与制动器的种类无关。
依据本发明的装置的另一个设计方案，制动单元是盘式制动器或者块式制动器特别是踏面制动器的组成部分。对于盘式制动器的情况，可以考虑，将负载传感器设置在制动杆的一个组成部分上，特别在支架和/或至少一个操纵杆和/或至少一个铰链上。也可以作为替代方案或附加方案的是，将负载传感器设置在制动单元的至少一个制动蹄上。负载传感器也可以设置在制动单元和尤其是具有一个车辆转向架框架的支承结构之间，例如设置在制动钳的支架和车辆转向架之间的连接处上。也可以设想的是，将负载传感器设置在将制动单元和支承结构相连的连接元件上，例如螺钉。所有这些制动单元的零件承受作为制动力的反作用的负载并且相应地变形或必要时改变它们的温度。该反作用力可以作为摩擦力作用在制动单元上，例如是一个支承力。该支承力可以作为制动力指向另一个方向而且可以相应地通过另一个测量与制动力相区分。相应地也可能的是，确定在这些零件上的力、力矩、应变和/或机械应力，特别是弯曲，其中确定的用于负载的反作用力的值，即所谓的理论值，作为制动单元结冰程度如何剧烈和是否由此导致制动作用降低的标志。
可以考虑不同的传感器种类作为负载传感器，取决于要测量的负载的种类和负载传感器的安装位置。例如，应变传感器型的负载传感器可以放置在监控零件的表面，特别地在制动钳的一个零件的表面，优选放置在支架和/或操纵杆上。也可以考虑的是，在每个零件之间设置力测量盘、测量块、力接收器或者压力传感器。力测量盘可以例如设置在支承结构特别是车辆转向架框架和制动单元特别是制动钳的支架之间，使制动单元和支承结构之间的相对运动传递到负载传感器。尤其是电阻应变片可以作为负载传感器或者负载传感器的组成部分使用。根据电阻应变片的朝向可以区分作用的制动力和反作用的力的测量，反作用力作为摩擦力的结果产生并与实际的制动作用有关。
依据本发明的装置的另一设计方案是，底盘每一个可制动的车轮设置至少一个负载传感器。尤其是制动单元的多个零件配备这种负载传感器。如此可以可靠地检测底盘的每个车轮的制动作用的变化。
依据本发明的装置的另一个设计方案是，在本发明的装置上设有一个控制装置，它可以将从各个负载传感器获取的实际值和预先规定的、特别是保存的理论值相比较。尤其是，该控制装置可以接收和比较作用的制动力的实际值以及反作用的摩擦力的实际值。该比较结果和/或所测量的实际值可以通过显示装置例如在驾驶台显示并且优选触发一个紧急情况程序，执行一次或者多次制动测试和/或制动杆的操作。不再需要的是，在开始行驶前或者在行驶中定期地执行制动测试或者操作制动杆，因为依据本发明这仅在需要时即当结冰超过规定的程度时进行。
还可以设有其它的监控系统，其与之前所描述的制动作用监控的种类无关，例如制动缸压力的电子监控。
此外根据本发明的第二个方面，本发明通过一种包括如之前所描述的装置的车辆，特别是轨道车辆得以解决。为监控制动作用，该装置具有至少一个如之前所详细描述的负载传感器。
最后根据本发明的第三个方面，本发明通过用于监控车辆尤其是轨道车辆的制动作用的方法得以解决，该车辆优选包括一个如上所述的装置，其中在制动单元上的或者在支承结构上的或者在制动单元和支撑结构之间的负载作为摩擦力的结果得以确定，该摩擦力是从底盘旋转元件的摩擦面传递到汽车的制动单元。
通过确定制动单元上的负载，该负载是传递到摩擦面上的制动动力的一个反作用，并且通过负载的大小和变化必然地与制动单元的结冰程度有关，能够及时地认识到降低制动作用的结冰现象而且在需要时能够采取措施，例如一次或多次制动测试或者操作制动杆。
如之前所描述地根据本方法的一个设计方案，通过至少一个在制动单元上设置的负载传感器确定负载。该负载传感器可以是应变传感器、力测量盘、测量块、力接收器或者压力传感器。也可以结合使用不同的传感器种类。优选使用电阻应变片作为负载传感器或者作为负载传感器的一部分。如已经所描述的，根据电阻应变片的朝向区分作用的制动力和反作用的力的测量，反作用力作为摩擦力的后果产生并且与实际的制动作用有关。
依据本发明的方法的另一个设计方案是，负载传感器传递与确定的负载相应的实际值到控制装置，其中控制装置将实际值与预先规定的、特别是储存的理论值相比较，并且确定可能发生的偏差。特别地，控制装置可以接收并比较作用的制动力的实际值以及反作用的摩擦力的实际值。偏差和/或实际值可以显示而且可以作为诱因，用来在需要时触发克服结冰的措施，例如制动测试或者操作制动杆。尤其是当实际值和理论值之间的偏差大于预先规定的边界值时，会触发一个这样的紧急情况程序，如理论值一样边界值同样可以储存在控制装置里。
附图说明
有各种方案来设计和改进依据本发明的车辆、依据本发明的制动单元和依据本发明的方法。对此一方面参见权利要求1的从属权利要求，另一方面参见与附图相联系的实施例的描述。附图中：
图1示出了在轨道车辆上安装了依据本发明的制动单元的一个实施例，
图2a)到d)示出了在监控图1的制动单元时的典型曲线图。
具体实施方式
图1示出了一种用于监控轨道车辆(未示出)上的制动作用的装置1。在当前的情况，通过连接元件15将制动单元4安装在车辆支承结构2的一个部分上，这里是在车辆转向架框架8上，其中制动单元4将制动力传递到车辆底盘3的旋转元件6的摩擦面5上，在这里仅部分地示出了车辆底盘3。本实施例中，旋转元件6指制动盘9，制动盘和一个旋转的并且驱动底盘3的车轮的轴可靠地相固定。
在图1所示的情况，制动单元4包括一个制动钳10，在制动单元4上设置了多个负载传感器7a、7b、7c、7d和7e，这些负载传感器中有几个是电阻应变片18a、18b、18c、18d，有一个由力测量盘17构成。
在此电阻应变片18a位于制动钳10的一个操纵杆12a的表面上，另一个电阻应变片18b在制动钳10上相对的操纵杆12b的表面上。另外两个应变片18c和18d设置在制动钳10的支架11的表面上，支架11通过铰链13a和13b与操纵杆12a和12b相连接。
力测量盘17设置在车辆转向架框架8和制动钳10或者支架11之间的连接处上，为了包围螺栓形式的连接元件15，连接元件15将制动钳10与车辆转向架框架8相连接。
制动时通过加压的汽缸-活塞-组件19，使制动钳10的两个操纵杆12a和12b彼此相对移动，从而安装在操纵杆12a和12b上的制动蹄14a和14b压上制动盘9的摩擦面5。由于将制动蹄14a和14b压上制动盘9的摩擦面5的制动力，在制动钳10的各个部分，特别是在操纵杆12a和12b以及支架11上，产生负载。作为对制动力的反作用，制动钳10也相对于车辆转向架框架8移动，导致了在车辆转向架框架8和制动钳10之间的连接处区域的负载。此外，由于反作用力，即由摩擦面5和制动盘9之间的摩擦力引起的反作用力，同样地在制动钳10的各个部分，具体地说在操纵杆12a和2b以及支架11上，产生负载。该负载规律性地作用于另一个方向，作为由作用的制动力产生的负载。
制动力传递到制动盘9，与之相应地，带有负载传感器的零件变形，由此可以测量各个负载，即反作用力。操纵杆12a的弯曲作为摩擦力的后果由电阻应变片18a测量，操纵杆12b的弯曲作为摩擦力的后果通过电阻应变片18b测量，一个与确定的负载相应的实际值传递到一个控制装置16。在支架11上的弯曲作为摩擦力的后果又通过电阻应变片18c和18d测量，其中同样地相应的实际值传递到控制装置16。力测量盘17测量将制动钳压在车辆转向架框架8上的力，并同样地传递一个相应的实际值到控制装置16。
理论值储存在控制装置16，确定的实际值和该理论值相比较。因为在制动钳10的各个零件上的作为摩擦力后果的负载的大小和变化随结冰的程度而改变并且总是更多地偏离正常温度时的情况，随着结冰增加，在制动情况下的测量值也改变，该测量值由负载传感器确定并且传递到控制装置16。
控制装置16，例如定期地或者根据用户的要求，通过将实际值和相应的理论值比较，确定一个可能出现的偏差值并显示。当确定的偏差值大于事先规定的边界值时，会在规定的时间段一次或者多次操作制动单元4用来降低结冰的程度。
图2示出了一个曲线图，其中示出了经过一段时间的制动作用，一方面按照与作用的制动力相应的制动缸压力(图2b))，另一方面按照与反作用的摩擦力相应的在制动钳的表面上的应变(图2c)和d))。
图2a)示出了制动时轨道车辆速度(单位km/h)随时间的下降。
图2b)示出了制动时在制动缸里的压力(单位bar)变化，即作用的制动力。在此虚线表示事先给出的理论值变化而实线表示实际的压力变化，也就是实际值变化。通过比较图2a)和b)可以认识到，在制动开始时制动缸压力剧烈地升高到一个最大值，然后经过制动的整个时间段直至轨道车辆的静止状态，制动缸压力保持恒定。此外可以认识到，实际的压力变化与最理想的压力变化相符而且没有明显的偏差。
图2c)示出了作为反作用的摩擦力的后果，在操纵杆12a和12b的表面上的应变随时间的变化(单位10-3mV/V)，由电阻应变片18a和18b测量。与之相应的，在图2d)示出了在制动钳10的支架11的表面上的应变随时间的变化。
在图2c)和d)可以认识到，尽管在图2b)实际压力变化与理论压力变化没有明显的偏差，但是在制动钳10的零件的应变情况上有明显的偏差，可以判断出零件有一定的结冰程度。结冰使磨擦面5和制动盘9之间的摩擦系数更低，由此产生更微小的反作用力和因此更微小的变形。在图2c)和d)中通过一条虚线示出了理论值的变化并且通过一条实线示出了在各个零件的表面上的变形的实际值变化。在此在制动开始时可以确定一个相对大的变形变化量作为对制动力的反作用，其中在没有零件结冰的理想的情况下(理论值变化)，变化量大于在实际情况下的变化量(实际值变化)。直到轨道车辆的静止状态反作用力很少改变，因而所测量的变形很少改变，但是在车辆静止状态时又回到0，因为之后在制动蹄14a和14b与制动盘9之间不再有相对运动。
在图2a)到d)中所示的图示出了，仅仅监控制动缸压力是不适合来显示由于制动单元4的零件结冰所造成的制动作用的下降。在制动单元4的零件上设置压力传感器，在此清楚地示出了在理想状态时的反作用力和实际状态时的反作用力之间的不同。如此能够及时地采取克服结冰的方法，由此长期地保持最理想的制动作用。
Claims (19)
1.一种用于监控制动作用的装置(1)，所述装置(1)包括：
-支承结构(2)，
-底盘(3)，
-至少一个具有制动杆的制动单元(4)，该制动单元固定在支承结构(2)上并将制动力传递到底盘(3)的旋转元件(6)的摩擦面(5)上，
-至少一个负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)，该负载传感器设置在所述制动单元(4)或者所述支承结构(2)上或在所述制动单元(4)和所述支承结构(2)之间或在将所述制动单元(4)与所述支承结构(2)相连接的连接元件(15)上，它能够测量在所述制动单元(4)和所述摩擦面(5)之间的摩擦力或者由此产生的力，
-控制装置(16)，该控制装置能够将从相应的负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)获取的实际值与预先规定的理论值进行比较，其特征在于，当实际值和理论值之间的偏差大于预先规定的边界值时，所述控制装置(16)触发制动单元(4)的操作，以降低制动单元(4)的结冰程度，其中，执行一次或者多次制动测试和/或制动杆的操作。
2.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，所述支承结构(2)有一个车辆转向架框架(8)。
3.按照权利要求1或2的装置(1)，其特征在于，所述旋转元件(6)是制动盘(9)或者车轮。
4.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)设置在制动单元(4)的制动杆上。
5.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，所述制动单元(4)是盘式制动器或者块式制动器的组成部分。
6.按照权利要求5的装置(1)，其特征在于，所述块式制动器是踏面制动器。
7.按照权利要求5或6的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)设置在所述制动单元(4)的制动钳(10)的零件上。
8.按照权利要求7的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)设置在所述制动单元(4)的制动钳(10)的支架(11)上和/或在至少一个操纵杆(12a、12b)上和/或在至少一个铰链(13a、13b)上。
9.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)设置在制动单元(4)的至少一个制动蹄(14a、14b)上。
10.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)是应变传感器、力测量盘(17)或者压力传感器。
11.按照权利要求10的装置(1)，其特征在于，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)具有电阻应变片(18a、18b、18c、18d)。
12.按照权利要求1的装置(1)，其特征在于，底盘(3)的每个可制动的车轮设有至少一个负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)。
13.一种车辆，包括根据上述权利要求中任意一项的装置(1)。
14.一种用于监控车辆制动作用的方法，其中，
-确定在具有制动杆的制动单元(4)上或者在车辆的支承结构(2)上或者在制动单元(4)和支承结构(2)之间的负载，该负载是从底盘(3)的旋转元件(6)的摩擦面(5)传递到车辆的制动单元(4)上的摩擦力的结果，
-将与确定的负载相应的实际值与预先规定的理论值相比较，其特征在于，当实际值和理论值之间的偏差大于预先规定的边界值时，触发操作制动单元(4)以降低制动单元(4)的结冰程度，其中，执行一次或者多次制动测试和/或制动杆的操作。
15.按照权利要求14的方法，其特征在于，所述车辆是轨道车辆。
16.按照权利要求14的方法，其特征在于，通过至少一个在制动单元(14)上设置的负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)确定负载。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，当实际值和理论值之间的偏差大于预先规定的边界值时，通过一个控制装置(16)，比较所述实际值与理论值触发操作制动单元(4)，所述负载传感器(7a、7b、7c、7d、7e)将实际值传递给所述控制装置(16)。
18.按照权利要求14至17中任一项的方法，其特征在于，显示所述实际值和/或所述偏差。
19.按照权利要求14的方法，其特征在于，所述车辆包括一个如权利要求1到11中任一项所述的装置。
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