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Einrichtung zur selbsttätigen Funktionsregelung von Druckluftanlagen,
z. E. Druckluftbremsen Beim Betrieb von Druckluftanlagen, z. B. Bremsen, Steuerungen
usw., ist es sehr oft nötig, eine durch Luftdruck zu regelnde Größe konstant zu
halten oder nach einer bestimmten Funktion sich ändern zu lassen. Dies soll unabhängig
von äußeren Einflüssen, wie IZeibwertänderung der Bremsbacken, Beladungszustand
usw., geschehen. Diese Einflüsse verhindern häufig eine einwandfreie Erfüllung der
Regelaufgaben.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die die
Regelwirkung an der zu regelnden Größe selbst kontrolliert und Abweichungen von
der vorgeschriebenen Funktion automatisch ausgleicht.
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Im Eisenbahnbetrieb ergibt sich sehr oft die Notwendigkeit, einen
Zug aus hoher Geschwindigkeit in einer bestimmten Strecke bis zum Stillstand abzubremsen
(z. B. beim Einlaufen in den Bahnhof, Halten vor Signalen usw.). Da es dem Lokführer
nicht möglich ist, von vornherein den Bremszylinderdruck abzuschätzen, der notwendig
ist, den Zug auf der gewünschten Strecke mit konstanter Verzögerung zum Halten zu
bringen, müssen in den meisten Fällen durch mehrfaches Nachregulieren, meistens
durch Lösen der Bremsen und neues Wiederanbremsen, der Bremsweg und die Verzögerung
festgelegt werden. Hinzu kommt, daß der Reibungskoeffizient der Bremsbacken mit
fallender Geschwindigkeit stark anwächst. Es ergibt sich im allgemeinen ein Bremsvorgang,
wie er in den Fig. 2 und 3 skizziert ist.
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Wünschenswert ist eine gleichmäßige Bremsung mit konstanter Verzögerung,
bei der gemäß den Fig. 4 und 5 die Geschwindigkeit vom Anfangswert linear auf Null
abnimmt. Eine solche gleichmäßige Brem--=#._ing zu erreichen, ist aus den obigen
Gründen bis heute nicht möglich.
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Durch die Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen, durch die: ein
solcher gleichmäßiger Bremsverlauf durch automatische Steuerung erreicht wird. Im
Personenverkehr und bei der Beförderung empfindlicher Güter ist eine gleichmäßige
Verzögerung von größter Bedeutung: Eine konstant wirkende Verzögerung bei automatischer
Steuerung ist, wie Fig. 2 bis 5 zeigen, kleiner als die maximale Verzögerung bei
Handbedienung, wenn ein gleicher Bremsweg angenommen wird. Unter Zugrundelegung
einer gleichen maximalen Verzögerung läßt sich der Bremsweg verkürzen. Andererseits
ist es dadurch wieder möglich, die zulässige Fahrgeschwindigkeit ohne zusätzliche
Sicherungen im Signalwesen zu erhöhen, was wiederum zu einer Verkürzung der Fahrzeiten
führt.
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Die neue Einrichtung zum Steuern des Bremsvorganges bei Eisenbahnzügen
enthält auf dem Zuge angeordnete Regelorgane, die die Istverzögerung des Zuges an
die aus dem Bremsweg und der Zuggeschwindigkeit sich ergebende gleichförmige Sollverzögerung
selbsttätig angleichen.
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Nach der Erfindung werden bei Einrichtungen zur selbsttätigen Funktionsregelung
von Druckluftanlagen, z. B. Druckluftbremsen, Steuerungen usw., gegebene oder ermittelte
Ausgangsgrößen, z. B. bei Bremsen der Bremsweg und die Ausgangsgeschwindigkeit,
elektromechanisch zur Bildung eines Sollwertes der zu regelnden Größe, z. B. bei
Bremsen der der Verzögerung, in Beziehung gebracht; mit diesem Sollwert wird der
Istwert der zu regelnden Größe, z. B. der Verzögerung, verglichen, und Abweichungen
vom Sollwert werden durch Betätigung von Steuerorganen selbsttätig korrigiert.
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Zum Stand der Technik gehören Regelvorrichtungen, die in Abhängigkeit
von der Fahrgeschwindigkeit und vom Druck im Bremszylinder arbeiten, wobei die Druckluftzufuhr
zu einem Hilfsbremszylinder entweder durch ein elektrisch überwachtes Ventil derart
gesteuert wird, daß der Hilfszylinder nur dann in Tätigkeit tritt, wenn ein bestimmter
Druck im Hauptzylinder gleichzeitig mit einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit erreicht
ist oder wenn beim Vorhandensein eines Druckausgleichventils eine Druckdifferenz
zwischen Hauptbrems- und Hilfsbremszylinder vorhanden ist.
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Es ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung von Schalt- oder Regelvorgängen
unter Verwendung von zwei Pendeln bekannt, deren eines unter dem Einfluß einer Dämpfungsvorrichtung
od. dgl. steht. Die Relativbewegung der Pendel gegeneinander kann
bei
Bremseinrichtungen zur Beeinflussung des Erregerstromes einer Schienenbremse oder
zur Betätigung eines Bremszylinder-Entlüftungsventils beim Überschreiten einer Verzögerung
oder zum Zuschalten eines zweiten Bremszylinders benutzt werden.
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Wenn der Antrieb nicht in die neue Bremsregelung einbegriffen wird,
ergibt sich die Notwendigkeit, beim Auftreten von verzögernden Kräften, wie z. B.
Gegenwind, rollender Reibung, Steigungen und Kurvenfahrten, daß der Auslaufweg des
ungebremsten Fahrzeuges größer ist als der Sollbremsweg. Damit ergibt sich praktisch
eine untere Grenze der Geschwindigkeit, innerhalb der die Einrichtung nach der Erfindung
noch wirksam ist. Diese Grenze liegt bei etwa 30 km/h, also bei einer Geschwindigkeit,
unterhalb der die neue Einrichtung von vornherein aus der Betrachtung ausscheiden
kann.
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Andererseits muß gewährleistet sein, daß die an sich bekannte allgemein
übliche Bremseinrichtung derart dimensioniert ist, daß bei Gefällefahrten und maximal
wirkender Bremskraft das Fahrzeug ohne Bremsregelung unterhalb des Sollbremsweges
zum Stehen kommen kann.
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In einer Ausführungsform enthält diese Einrichtung einen Analogrechner.
Aus verschiedenen Ausgangsgrößen, die in Form von elektrischen Größen (Spannungen,
Ströme, Widerstände usw.) eingesteuert werden, errechnet der Analogrechner einen
Sollwert der zu regelnden Größe. Dieser Sollwert wird in Form einer elektrischen
Spannung geliefert. Der Istwert, d. h. der wirkliche Wert der zu regelnden Größe,
wird in eine ihm proportionale Spannung umgewandelt und mit dem Sollwert verglichen.
Der Vergleich von Sollwert und Istwert, der sich mechanisch meist nur sehr schwierig
durchführen läßt, kann hier durch einfachen Vergleich zweier elektrischer Spannungen
realisiert werden, wie dies der gestrichelt umrandete Teil in Fig. 1 zeigt. Bei
Brückenschaltung bewirkt die Differenz der angelegten Spannungen einen Strom in
den Brückenzweigen. Dieser läßt ein polarisiertes Relais ansprechen. Dadurch wird
mit Hilfe von Steuerorganen, z. B. Magnetventilen usw., je nach Stromrichtung in
der Brücke, der Druck in den für die Regelung maßgeblichen Teilen der Anlage erhöht
oder gesenkt. Somit werden Differenzen zwischen Sollwert und Istwert selbsttätig
korrigiert. Da sich der Sollwert unabhängig von äußeren Einflüssen einstellt, wird
auch der Istwert - von diesen Einflüssen unabhängig.
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Bei komplizierten Vorgängen kann der Analogrechner, der bekanntlich
nach den Ohmschen Gesetzen bzw. Kirchhoffschen Regeln arbeitet, selbstverständlich
durch ein elektronisches Rechengerät ersetzt werden.
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Ein Anwendungsbeispiel für die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen
erläutert. Es zeigt Fig. 1 das Prinzip einer Steueranlage, Fig. 2 bis 5 Bremsdiagramme,
Fig. 6 das Schema einer Zielbremsanlage, Fig. 7 das Schema einer Anlage zur Steuerung
der Verzögerung auf Grund- von Bremsweg und Anfangsgeschwindigkeit.
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Bei Druckluftbremsen kann man aus der Anfangsgeschwindigkeit und einem
gewünschten Bremsweg die notwendige Verzögerung berechnen, um diesen Bremsweg einzuhalten.
Steuert man Anfangsgeschwindigkeit und Bremsweg in Form von geeigneten elektrischen
Größen in den Analogrechner ein, so kann man die Sollverzögerung als elektrische
Spannung abnehmen. Die wirkliche Verzögerung kann man nach Umwandlung in eine elektrische
Spannung damit vergleichen, und Abweichungen vom Sollwert können selbsttätig ausgeglichen
werden.
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Nach einerAusführungsform der Erfindung für die Bremsung von Eisenbahnzügen
enthält diese Einrichtung einen Analogrechner, der aus einer Spannung, die proportional
der Zuggeschwindigkeit ist, und Widerständen, die proportional dem Bremsweg sind,
eine Spannung formt, die als Maß für die Sollverzögerung dient. Die als Maß für
die Sollverzögerung dienende Spannung wird mit einer Spannung verglichen, die von
einem Potentiometer mittels einer auf die Istverzögerung des Zuges ansprechenden
Masse abgegriffen wird, derart, daß bei Verschiedenheit der genannten Spannungen
ein Relais anspricht, welches Magnetventile betätigt.
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Fig. 6 zeigt das Prinzip einer solchen Zielbremsanlage, die der Erfindung
entsprechend aus Regelorganen besteht; die die Bremsung automatisch auf konstante
Verzögerung regeln, so, daß der Zug nach einem gegebenen Bremsweg zum Stillstand
kommt: In den »auswertenden Teil« wird der Bremsweg und die Ausgangsgeschwindigkeit
gegeben. Als Maß für den Bremsweg kann z. B. eine Marke dienen, die eine bestimmte
bekannte Strecke vor dem Haltepunkt steht. Der Lokführer stellt dann diese Strecke
im auswertenden Teil ein. Als Maß für die Ausgangsgeschwindigkeit kann z. B. die
Spannung eines kleinen Generators dienen, der von den Rädern angetrieben wird. Seine
Spannung ist proportional der Drehzahl und hiermit auch proportional der Geschwindigkeit.
Der auswertende Teil errechnet aus den gegebenen Ausgangsgrößen (Bremsweg und Geschwindigkeit)
die Sollverzögerung. Diese Sollverzögerung wird in den »steuernden Teil« gegeben.
Dieser mißt die tatsächliche Verzögerung (Istverzögerung) und korrigiert Abweichungen
vom Sollwert durch Steuerung der Bremsanlage.
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Ein Ausführungsbeispiel zur Steuerung der Verzögerung von den Ausgangsgrößen
Bremsweg s und Anfangsgeschwindigkeit v., ist in den Fig. 1 und 7 dargestellt.
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Die notwendige Bremsverzögerung b5, die sich aus der Anfangsgeschwindigkeit
v. ergibt, um den Zug nach einem Bremsweg von .s Metern zum Stillstand zu bringen,
berechnet sich nach
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des auswertenden Teiles, der die Rechenoperation
nach Formel I ausführt und in eine Gleichspannung L14 als Maß für b, umsetzt. Mit
der Achse des Fahrzeuges ist ein kleiner Wechselstromgenerator 1 gekuppelt, der
eine der Geschwindigkeit des Fahrzeuges direkt proportionale Spannung U liefert.
Die meisten handelsüblichen Achsgeneratoren liefern eine Wechselspannung, deren
Leistung nicht sehr groß ist. Die durch den Gleichrichter 2 in eine Gleichspannung
L'1 verwandelte Wechselspannung L,' muß somit zunächst verstärkt werden. Die Spannung
L'1 wird mit Hilfe des polarisierten Relais 3 mit einer an einem Potentiometer 5
einstellbaren Spannung U verglichen. Ist Ui = U2, so ist das Relais stromlos. Ist
verschieden von U2, so schaltet das Relais je nach der Stromrichtung den Servomotor
6 auf Rechts- oder Linkslauf. Der Motor verstellt das Potentiometer 5 so lange,
bis U.@= L ist.
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Das Relais wird damit stromlos und schaltet den Servomotor ab. Gleichzeitig
mit dem Potentiometer 5
werden auch das Po-tentiometer 8 und der
Regelwiderstand 10 verstellt. Das Potentiometer 8 hat eine quadratische Kennlinie.
Es ist so ausgelegt, daß U., proportional Uz" und dies wiederum proportional V02
ist. Ist die Spannung U3 proportional U22, ist U2 wiederum proportional Ui und dies
wiederum proportional v., so ist U3 proportional v.2. Die Spannung U, bewirkt in
den Widerständen R9, Rio und R11 einen Strom I:
k unverändert. Eicht man die Summe der WiderständeR9-f-Rio Rli so ist der Strom
T analog dem verlangten v proportional der Sollverzögerung bs. Der Widerstand R9
gestattet eine gewisse Einstellung des Brems- Ui T iderstand 11 kann eine dem Strom
weges. A Spannung U4 abgenommen werden, die Ausgangsgrößen dein Steuergerät zugeführt
wird. Der Widerstand ist vorgesehen, um die Ansprechzeit tü des steuernden mit der
pneumatischen Anlage auszugleichen. Die Ansprechzeit tu bewirkt eine Verlängerung
des Weise theoretischen Bremsweges um die Strecke sa = ta vo; sie muß durch eine
Vergrößerung der Verzögerung bs ausgeglichen werden.
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Lokführer: Die Spannung U4 ist also ein Maß für die verlangte diese
einmal festgestellt, schal-Sollverzögerung Null tet der auswertende Teil ab.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des steuernden Teiles, der vom
auswertenden Teil die Spannung U4 als Maß für die Sollverzögerung erhält und sie
mit der tatsächlichen Verzögerung, der Istverzögerung, vergleicht und sie beide
zu einer Regelgröße verarbeitet. Irrsteuernden Teil wird die am Widerstand 11 liegende
Spannung U4 verglichen mit der Span-. Diese wird von einem Pendel 12 auf denn nung
U k Potentiometer 13 abgegriffen. Der Pendelausschlag sind proportional und damit
auch die Spannung U liefert die Spander Istverzögerung hl. Die Induktionswirkung
nung am Potentiometer 13. Zu Beginn der Bremsung Zuges: ; kleiner als U4. Das polarisierte
Relais 14 (mit ist L Reisegeschwindigkeit Ruhelage und zwei Arbeitslagen) betätigt
dann k das Magnetventil 15. Dadurch wird so lange Luft in den Bremszylinder 17 eingesteuert,
bis die Istverzögerung dem Sollwert entspricht, also U5 = Lrl ist. Durch die zwar
geringe, aber nicht ganz vermeidbare Automatik Trägheit dieses pneumatischen Vorganges
wird die Bremsung etwas übersteuert. ES wird also IJ5 größer . Das Relais 14 betätigt
nun das Magnetventil als LT im Bremszylinder 17, 16 und senkt damit den ebis wiederum
LT5 = U4 wird. Durch wechselweises tätigender Magnetventile 15 und 16 werden
also im Verlauf der Bremsung Abweichungen vorn Sollwert konstant korrigiert. Wirken
äußere Einflüsse, wie z. B. Gegenwind, Kurvenfahrt, Steigung oder rollende Reibung,
auf die Istverzögerung ein, wird durch die Regelung nur die notwendige Differenzbremskraft
eingesteuert, da beim Überschreiten der Sollverzögerung am Istwertgeber die Bremskraft
automatisch entsprechend vermindert eingesteuert wird. Analog wird bei beschleunigenden
Einflüssen, wie z. B. Gefällefahrt, eine raft erfolgen. Ein Blockieren Erhöhung
der Brems berbremsung kann durch zusätzlichen der Räder bei Einbau eines Gleitschutzreglers
vermieden werden. Wird an Stelle des vorgegebenen Bremsweges die Einstellung einer
bestimmten Verzögerung verlangt, so kann der auswertende Teil fortfallen. In den
steuernden Teil wird als U4 eine feste regelbare Spannung eingefügt, die der Sollverzögerung
entspricht. Die Wir ungsweise des steuernden Teiles bleibt sonst Die bisher übliche
pneumatische .Anlage mit Führerbremsventil, Steuerventil und Hilfsluftbehälter kann
unverändert bestehen bleiben, so daß es möglich ist, wahlweise mit der neuen »Zielbremse«
oder mit dem Führerbremsventil zu arbeiten. Ein zusätzlich eingebautes Umsteuerventil
18 sperrt bei elektrischer Betätigung (Zielbremse) die Leitung zum Steuerventil
19 und bei pneumatischer Betätigung die Leitung zu den Magnetventilen 15 und 16.
Sollte eine Anlage ausfallen, kann man also mit der anderen Weiterbremsen.
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In dem Ausführungsbeispiel ist für den auswertenden Teil eine Rechenmöglichkeit
erläutert, die aus den mechanischen Größen ,r und o, nachdem sie in elektrische
Größen R und umgewandelt wurden, eine elektrische Größe L 4 als Maß für die auszurechnende
Verzögerung bs liefert (Analogrechengerät). Es ist auch denkbar, die beiden s und
vo in elektrische Impulse umzuwandeln und die Formel I direkt durch elektronische
Rechengeräte auszuwerten oder aus den Ausgangsgrößen auf rein mechanische die Regelgröße
zu erhalten.
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Eine Abbremsung des Zuges kann der Erfindung entsprechend wie folgt
durchgeführt werden: 1. Durch den a) Der Führerbremshebel gibt die Verzögerung bs
an zwischen und dem zulässigen Maximalwert.
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Durch den »steuernden Teil« wird die Verzögerung konstant auf dem
eingestellten Wert gehalten. Der Bremsweg s ist hierbei abhängig von der Anfangsgeschwindigkeit
vo.
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b) Der Führerbremshebel gibt den Bremsweg s in Metern zwischen einem
Minimal- und einem Maximalwert an.
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Der »auswertende Teil« errechnet aus der gemesseeit vo und dem eingestellten
nen Anfangsgeschwindig Bremsweg s die Sollverzögerung bs, die dann durch den steuernden
Teil konstant gehalten wird.
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von einem Punkt P 2, Durch außerhalb des den Bahn-Der Zug läuft mit
t P vor hof an. An einem noch festzulegenden Pun der Haltestelle des Zuges sei ein
Impulsgeber am Gleiskörper befestigt.
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Durch Drücken einer Taste durch den Lobführer betriebsbereit gemacht.
Wird nun wird die P überfahren, verursacht der Impulsgeber die Messung der Anfangsgeschwindigkeit
vo. Der Abstand s von P bis zur Haltestelle ist bekannt. Der auswertende Teil errechnet
aus vo und s die Sollverzögerung bs, die notwendig ist, um den Zug an der Haltestelle
zum Stillstand zu bringen. Diese Sollverzögerung bs wird durch den steuernden Teil
gehalten.