-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion längsdynamischer Kräfte in einem
Zugverband. Sie ist dafür
bestimmt, Bremskraftunterschiede innerhalb eines Zugverbandes zu
minimieren und somit den Aufbau längsdynamischer Kräfte im Zugverband
während
Abbremsvorgängen
zu verringern. Es werden dadurch höhere Zuglängen und Massegrenzen ermöglicht,
der Fahrkomfort sowie die Ladungsschonung werden verbessert und
der Verschleiß an
Bremsen und mechanischen Baugruppen der Fahrzeuge wird verringert.
-
Bremssysteme
an Schienenfahrzeugen werden seit langer Zeit und bis heute mit
Druckluft betrieben. Druckluft als Medium hat dabei die Aufgaben
zu erfüllen,
sowohl die Ansteuerung der innerhalb des Zugverbandes vorhandenen
Bremseinrichtungen zu übernehmen
als auch die Stellkraft zum Antrieb der Bremsvorrichtungen selbst
zu erzeugen.
-
Das
klassische System der Druckluftbremse besteht aus einer meist auf
dem Triebfahrzeug angeordneten Drucklufterzeugung, einem Hauptluftbehälter zum
Speichern der Druckluft, einer Hauptluftleitung zum Transport der
Druckluft entlang des Zugverbandes und zur Übertragung von Steuerbefehlen,
einem Führerbremsventil
zum Regulieren des Druckes in der Hauptluftleitung, Steuerventilen
und Vorratsluftbehältern
auf den Wagen sowie den Bremszylindern. Funktionell ist das System
der Druckluftbremsen so angelegt, dass zum Bremsen der Druck in
der Hauptluftleitung durch Betätigung
des Führerbremsventils
unter eine Empfindlichkeitsschwelle abgesenkt wird, dadurch die
Steuerventile auf den Wagen ansprechen und ihrerseits Druckluft
aus den Vorratsluftbehältern
in die Bremszylinder leiten. Zum Lösen der Bremsen wird der Druck
in der Hauptluftleitung wieder angehoben, die Steuerventile entlüften die
Bremszylinder und füllen
die Vorratsluftbehälter
wieder auf.
-
Nach
Jahren ihrer intensiven Anwendung und Weiterentwicklung sind diese
konventionell aufgebauten Druckluftbremssysteme vor den Anforderungen
an den modernen Schienenverkehr jedoch zunehmend an Grenzen gestoßen, die
mit diesen vorrangig pneumatisch arbeitenden Funktionseinheiten
nicht mehr zu überwinden
sind.
-
Ein
Hauptnachteil pneumatischer Bremssysteme besteht darin, dass Bremsanforderungen
als Druckwelle in der Hauptluftleitung übertragen werden. Hierdurch
werden die zu bildenden Zuglängen
begrenzt, da die Folge nacheinander ansprechender Steuerventile
auch eine fortwährende
Erhöhung
von Reaktions zeiten bedingt. Dies setzt sich fort bis zum Erreichen
eines letzten Steuerventils im Zugverband, mit dessen aufsummierter
Reaktionszeit schließlich
eine sogenannte Durchschlagszeit erreicht wird. Erst nach Ablauf
dieser Zeit sind tatsächlich
alle Bremsen des Zugverbandes aktiviert. Zum Ende des Zugverbandes
hin verflacht sich zudem die Steilheit der Druckabsenkung, wodurch
nochmals eine Zeitverzögerung
beim Aufbau der angeforderten Bremskraft eintritt. Durch diesen
Zeitversatz im Bremskraftaufbau entlang des Zugverbandes besteht
die Gefahr eines Auflaufens des hinteren schwächer gebremsten Zugteils auf
den vorderen stärker
gebremsten Zugteil. Das kann Beschädigungen an Zug- und Stoßeinrichtungen
und im ungünstigsten
Fall sogar Entgleisungen zur Folge haben. Wegen des nur schrittweisen
Aufbaus des vollen Bremsvermögens
verlängert
sich überdies
auch der Bremsweg. Es werden somit gleichermaßen die maximal möglichen
Zuglängen
wie auch die zu fahrenden Geschwindigkeiten begrenzt.
-
Zur
Verminderung dieser Nachteile wurden verschiedene Lösungen aufgezeigt.
So kann die Bildung unerwünschter
längsdynamischer
Kräfte
durch eine Verlängerung
der Füll-
und Entlüftungszeiten
an den Bremszylindern reduziert werden. Dabei wird das Reaktionsverhalten
an allen Bremszylindern eines Zugverbandes bewusst abgeflacht, wodurch
sich die Reaktionszeiten entsprechend verlängern. Indem die Regelzeitkonstante
gegenüber
der Signallaufzeit auf diese Weise vergrößert wird, werden die sich
aufbauenden Bremskräfte
entlang des Zugverbandes damit zeitlich homogener verteilt. An Güterwagen
ist hierfür
eine Verstellmöglichkeit
vorhanden, die die Wahl zwischen einer Stellung G für eine lange
Reaktionszeit der Bremszylinder und einer Stellung P für eine kurze
Reaktionszeit vorsieht. Würde
für einen
Zugverband durchgehend die Stellung G verwendet, so erhielte man
einen verbesserten Bremsverlauf in Bezug auf die Bildung längsdynamischer
Kräfte.
Nachteilig ist indessen, dass sich hierdurch auch insgesamt die
sogenannte Bremsentwicklungszeit und damit der Bremsweg erheblich
verlängern.
Das grenzt die erreichbare Höchstgeschwindigkeit
wiederum drastisch ein.
-
Um
dennoch einigermaßen
kurze Bremswege bei gleichzeitig verminderten längsdynamischen Kräften zu
erhalten, ist auch bekannt, bei schweren Zugverbänden die ersten Wagen in der
Bremsstellung G zu fahren, während
gleichzeitig für
die restlichen Wagen die Bremsstellung P gewählt wird. Die volle Bremswirkung
stellt sich somit bei den ersten Wagen erst später gegenüber den hinteren Wagen ein
und der Zugverband wird dadurch gleichsam gestreckt gehalten. Die
damit allerdings noch immer – wenn
auch abgeschwächt – eintre tende
Minderung des Bremsvermögens
wird als Zugmasserestriktion bezeichnet.
-
Mit
dem Ziel, die Einflüsse
von Durchschlagszeiten und Bremsentwicklungszeiten weiter zu minimieren,
sind die pneumatischen Bremssysteme zu elektropneumatischen Bremsen
weiterentwickelt worden. Führerbremsventil
und Steuerventile arbeiten auch bei diesen Bremssystemen so, wie
bei reinen Druckluftbremsen. Beim Einleiten eines Brems- oder Lösevorganges
werden jedoch gleichzeitig auch Magnetventile betätigt, die
sich jeweils in jedem Wagen an der Hauptluftleitung befinden. Das
Ansteuern der Magnetventile erfolgt über getrennt vorhandene elektrische/elektronische
Signalleitungen, so dass eine Übertragung
von Steueranforderungen nicht mehr nur als Druckwelle entlang der
Hauptluftleitung erfolgen muss. Die Steuerventile können dadurch
nahezu gleichzeitig an jedem einzelnen Wagen mit der üblichen
Druckänderung
angesteuert werden. Damit auch beim Lösen kein Zeitverzug infolge
des Volumenstroms entlang der Hauptluftleitung zum Füllen der
Vorratsluftbehälter
entsteht, werden diese über
eine separate Hauptluftbehälterleitung
wieder aufgefüllt.
Elektro-pneumatische Bremsen zeichnen sich somit durch bessere Steuerbarkeit,
kürzere
Bremswege und verbessertes Verhalten bezüglich des Auftretens von längsdynamischen
Kräften
aus.
-
Es
ist darüber
hinaus auch bekannt, Bremssysteme direkt elektronisch, beispielsweise über eine
vorhandene Datenkommunikation, anzusteuern. Auf diese Weise erhält man eine
vollständige
Trennung zwischen Signal- und Arbeitsmedium. Die Hauptluftleitung
dient dann nur für
die Füllfunktion
zur Versorgung der Vorratsluftbehälter.
-
Eine
weitere wesentliche Einflussgröße für das Entstehen
von längsdynamischen
Kräften
ist das Auftreten von Bremskraftunterschieden im Zugverband. Idealerweise
sollten die Bremskräfte
der einzelnen Wagen des Zugverbandes so eingestellt sein, dass diese
in einem gleichbleibenden Verhältnis
zum Lastzustand der Wagen stehen. Der Fachmann benutzt hierfür den Begriff
des Bremsgewichtes. Dieses kann als die Bremskraft eines Wagens
bezogen auf eine normierte Vergleichsverzögerung verstanden werden.
-
-
Damit
wird deutlich, dass das Bremsgewicht in der Dimension einer Masse
angegeben wird. Das Bremsgewicht repräsentiert somit gleichsam den
mittleren Bremskraftbeitrag der jeweiligen Fahrzeugbremsen aus einer
festgelegten Bewertungsgeschwindigkeit heraus.
-
Um
das Entstehen längsdynamischer
Kräfte
infolge von Bremskraftunterschieden zu minimieren, muss nun angestrebt
werden, jeweils die Bremskraftbeiträge der einzelnen Wagen über den
gesamten Zugverband so auszulegen, dass sich jedes Fahrzeug nach
Möglichkeit
selbst bremst und keine zusätzliche
Kraftübertragung über die
Kuppelstellen auftritt. Dies bedeutet, dass der Quotient aus Bremsgewicht
und Fahrzeugmasse für
alle Fahrzeuge im Zugverband nahezu der gleiche ist.
-
-
Mit
anderen Worten lässt
sich feststellen: jedes Fahrzeug erreicht durch seine eigenen Bremskraftbeiträge die gleiche
Verzögerung.
-
Es
ist deshalb insbesondere an Güterwagen
eine Anpassung an den Lastzustand erforderlich, da gerade hier große Schwankungen
hinsichtlich der Wagenmasse auftreten. Diese Anpassung kann stufenweise oder
kontinuierlich erfolgen. Bei der stufenweisen Anpassung, dem sogenannten
Lastwechsel, kann nur zwischen den Stellungen eines Wahlhebels für „leer" beziehungsweise „beladen" gewählt werden.
Die Einstellung der Bremskraft kann dementsprechend nur nach einer
sehr groben Orientierung am tatsächlichen
Lastzustand erfolgen.
-
Bei
der sogenannten automatischen Lastabbremsung wird dagegen eine selbsttätig geregelte
kontinuierliche Anpassung der Bremskraft an die Wagenmasse vorgenommen.
Sie ermöglicht über den
vorgesehenen Lastbereich des Wagens eine proportional zum Fahrzeuggewicht
ansteigende Bremskraft und somit einen annähernd konstanten Bremskraftbeitrag.
Die lastabhängige
Veränderung
der Bremskraft erfolgt auf verschiedenen Wegen.
-
Es
ist bekannt, den maximalen Bremszylinderdruck in Abhängigkeit
von einem lastabhängigen
Steuerdruck bis zu einem Grenzwert zu modifizieren. Außerdem ist
bekannt, einen Übersetzungsfaktor
in der Kinematik des Bremsgestänges
in Abhängigkeit
von der Beladung des Wagens zu verstellen. Nachteilig bei den bisher
bekannten Formen einer Anpassung der Bremskraft an die Wagenmasse
ist indessen der vergleichsweise hohe Aufwand, der bis hin zu signifikanten
Umstellungen an den Bremssystemen und das Fehlen einer Anpassmöglichkeit
an die im gesamten Zugverband vorliegenden Verhältnisse reicht, da die gewünschte Anpassung
nur innerhalb der Grenzen erfolgen kann, die das gewählte System
an dem Fahrzeug zulässt.
-
Aus
der
DE 198 48 992
A1 und der zugehörigen
Folgeanmeldung gemäß der
DE 19848 995 A1 ist jeweils
ein gattungsgemäßes Bremssystem
bekannt, bei dem Daten von einer zentralen Steuereinheit zu lokalen
Steuereinheiten in den jeweiligen Fahrzeugen des Zugverbandes übermittelt
werden, wobei bei Einleiten einer Bremsung die lokalen Steuereinheiten
selbstständig
aufgrund dieser Daten die erforderliche Bremskraft ermitteln. Aufgabe
ist hierbei die gleichmäßige Verteilung
der Bremskräfte
innerhalb des Zugverbandes mit der Zielrichtung der Verschleißreduzierung
bei einer vorgegebenen Sollverzögerung.
Die an jeder Bremse einzustellenden Bremskräfte werden somit aufgrund der
von der zentralen Steuereinheit an die lokalen Steuereinheiten gemeldeten
Daten (System- und Betriebsdaten) für jede Bremsung aktuell neu
berechnet, und zwar in den lokalen Steuereinheiten.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren anzugeben,
mit dem bereits im Vorfeld, also schon vor Fahrtbeginn eine Anpassung
der Bremskräfte
an die Wagenmasse zur Harmonisierung von Bremskraftbeiträgen innerhalb
eines Zugverbandes zu schaffen, so dass der Aufbau längsdynamischer Kräfte bei
Abbremsvorgängen
minimiert wird.
-
Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Hauptanspruches
erfindungsgemäß gelöst, indem
während
einer Initialisierungsphase Daten zwischen den Bremssteuerrechnern
und dem zentralen Steuerrechner übermittelt
werden, und zu diesen übermittelten
Daten Angaben zu den Massen und zu den Bremsgewichten der einzelnen
Wagen gehören,
mit diesen Daten daraufhin eine Berechnung der Bremskraftbeiträge der einzelnen
Wagen erfolgt, und dass die Bremskraftbeiträge der Wagen auf ein einheitliches
Niveau angeglichen werden, indem diejenigen über einem angestrebten Mittelwert
liegenden Bremskraftbeiträge durch
Variation von Parametern mit Einfluss auf die Bremskraft des Wagens
reduziert werden.
-
Nach
einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltungsform
der Erfindung ist die solcherart vorgenommene Anpassung der Bremskraftanteile
auf dem Wege der Reduzierung von Bremskräften einzelner Wagen nur dann
durchzuführen,
wenn nach einer ebenfalls von dem zentralen Steuerrechner ausgeführten Zusammenfassung
der Bremskraftbeiträge
aller Wagen des Zugverbandes ausreichend Reserven bezüglich der
Gegebenheiten des zu befahrenden Streckenabschnittes verfügbar bleiben.
Diese Reserven werden insbesondere hinsichtlich eines zu ermittelnden
Anhalteweges definiert, der bestehenden Forderungen genügen muss.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
als wesentlicher Parameter zur Beeinflussung der Bremskraft eines
Wagens der maximale Bremszylinderdruck auf einen tieferliegenden
Wert eingestellt.
-
Die
wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass alle benannten
Nachteile an pneumatischen Bremssystemen gleichermaßen eliminiert
werden, da ein zeitgleiches Ansteuern der Bremssystem an jedem Wagen
eines Zugverbandes ebenso gewährleistet
wird, wie eine zweckmäßige Ansteuerung
unter Vermeidung des Auftretens längsdynamischer Kräfte infolge
nicht angepasster Bremskräfte.
Durch die Reduktion längsdynamischer
Kräfte
im Zugverband während
des Bremsvorganges wird die Sicherheit im Fahrbetrieb erhöht, und
es werden insbesondere hohe thermische Beanspruchungen an den Bremssystemen
der Wagen vermieden, was einen verminderten Verschleiß zur Folge
hat. Außerdem
wird wegen der Reduzierung von Stossbelastungen der Fahrkomfort
im Personenverkehr erhöht
und eine verbesserte Ladungsschonung im Güterverkehr erreicht. Die einzelnen
Bremssysteme der Wagen können
gezielt und somit optimal eingesetzt werden.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden näher erläutert. Ein aus einem Triebfahrzeug
sowie n angekuppelten Wagen bestehender Zugverband verfügt über einen
Datenbus, der einen auf dem Triebfahrzeug installierten und als
Master konfigurierten zentralen Steuerrechner und an den Wagen installierte
Bremssteuerrechner miteinander verbindet. An diesem Zugverband wird über den
Datenbus eine Initialisierungsphase ausgeführt. Während dieser Initialisierungsphase
werden von den Bremssteuerrechnern die Massen mWg des
jeweils zugehörigen
Wagens festgestellt. Anschließend
erfolgt wagenspezifisch eine Übermittlung dieser
Massen mWg an den zentralen Steuerrechner
auf dem Triebfahrzeug. Außerdem
werden von den Bremssteuerrechnern die Bremsgewichte Bi aller
einzelnen Wagen festgestellt und ebenfalls wagenspezifisch an den
zentralen Steuerrechner übermittelt.
Aus diesen Werten kann nun wagenspezifisch der Quotient λWg aus
Bremsgewicht und Wagenmasse gebildet werden. Dieser Quotient – die Wagenbremshundertstel – charakterisiert
das Bremsvermögen
des Wagens.
-
Sind
die Mindestbremshundertstel zum Befahren einer Strecke gegeben,
wird in einem folgenden Verfahrensschritt die Streuung der einzelnen
Wagenbremshundertstel quantitativ bewertet.
-
Variieren
die ermittelten Bremshundertstel λ untereinander
soweit, dass bei Bremsvorgängen
ein Auftreten von erhöhten
längsdynamischen
Kräften
zu erwarten ist, so ist ein Entscheidungskriterium für den nächsten Verfahrensschritt
gefunden. In einem weiteren Verfahrensschritt lassen sich aus diesen
Werten die Bremshundertstel λ des
Zugverbandes als Quotient aus der Summe der Bremsgewichte und der
gesamten Masse des Zugverbandes bestimmen. Diese Größe charakterisiert
in einer dimensionslosen Form das Bremsvermögen des Zugverbandes und muss
zum Befahren von Strecken mindestens einen jeweils streckenspezifischen
Wert annehmen.
-
Dieses
Gesamtbremsvermögen
des Zugverbandes wird einem Vergleich mit dem erforderlichen Bremsvermögen für das Befahren
eines vorgesehenen Stre ckenabschnittes unterzogen, das insbesondere durch
Neigungen und Gefälle
dieses Streckenabschnittes sowie durch die Längen vorgeschriebener Anhaltewege
gekennzeichnet ist. Genügt
das ermittelte Gesamtbremsvermögen
des Zugverbandes den Anforderungen und bestehen überdies Reserven, so kann eine
Homogenisierung der Bremskräfte
FB der einzelnen Wagen vorgenommen werden.
Diese Homogenisierung wird ausgeführt, indem Wagen mit zu hohen
Bremshundertsteln λWg eine Reduzierung ihrer Bremskraft FB durch Umparametrieren ihres Wertes für den maximalen Bremszylinderdruck
erfahren. Dieser Wert für
den maximalen Bremszylinderdruck wird durch Umparametrierung an
allen Wagen mit zu hohen Abweichungen der ermittelten Bremshundertstel λ solange
geändert,
bis eine homogene Verteilung entlang des Zugverbandes erreicht ist,
wobei jedes Umparametrieren von Werten für den maximalen Bremszylinderdruck
mit einem Vergleich des sodann erhaltenen Gesamtbremsvermögens des
Zugverbandes gegenüber
dem erforderlichen Bremsvermögen
für die
zu befahrende Strecke verbunden wird.
