DE102005056431B4

DE102005056431B4 - Einrichtung und Verfahren zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen

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Publication number: DE102005056431B4
Application number: DE200510056431
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Ing. Meyer zu Hörste; Thomas Dr. Strang
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-11-26
Filing date: 2005-11-26
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2025-11-27
Also published as: DE102005056431A1

Abstract

Einrichtung (1) zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen (μ) zwischen Rädern und Fahrwegen als Verhältnis der zwischen einer Tangentialkraft (F_T), die zwischen der Fahrwegfläche und der relativ hierzu gleitfähigen Auflagefläche eines Rades auftritt, zur vom Rad auf den Fahrweg ausgeübten Normalkraft (F_N) von Fahrzeugen, mit mindestens einem Radumdrehungssensor (3) zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl (n_An) mindestens eines Rades, einer Vortriebsermittlungseinheit (2) zur Bestimmung des tatsächlichen Vortriebs (Δd_t) des Fahrzeugs, die unabhängig von der Radbewegung ausgebildet ist, und einer Auswerteeinheit (4), die mit dem mindestens einen Radumdrehungssensor (3) und der Vortriebsermittlungseinheit (2) verbunden und zur Bestimmung eines aktuellen Längsschlupfes (s) in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen tatsächlichem Vortrieb (Δd_t) und aus den Raddrehzahlen (n_An) ermittelten scheinbaren Vortrieb (Δd_s) und zur Bestimmung einer ersten Reibungszahl (μ₁) aus dem aktuellen Längsschlupf (s) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) mit einer Antriebssteuerung für das Fahrzeug verbunden ist und aktuelle Grenzdrehmomente (M_AnGrenz) von der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen μ zwischen Rädern und Fahrwegen als Verhältnis der zwischen einer Tangentialkraft F_T, die zwischen der Fahrwegfläche und der relativ hierzu gleitfähigen Auflagefläche eines Rades auftritt, zur vom Rad auf den Fahrweg ausgeübten Normalkraft F_N von Fahrzeugen, mit mindestens einem Radumdrehungssensor zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl n_An mindestens eines Rades, einer Vortriebsermittlungseinheit zur Bestimmung des tatsächlichen Vortriebs Δd_t des Fahrzeugs, die unabhängig von der Radbewegung ausgebildet ist, und einer Auswerteeinheit, die mit dem mindestens einen Radumdrehungssensor und der Vortriebsermittlungseinheit verbunden und zur Bestimmung eines aktuellen Längsschlupfes s in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen tatsächlichem Vortrieb Δd_t und aus den Raddrehzahlen n_An ermittelten scheinbaren Vortriebs Δd_s und zur Bestimmung einer ersten Reibungszahl μ₁ aus dem aktuellen Längsschlupf s eingerichtet ist.
Zur Steuerung und Sicherung des Fahrzeugverkehrs ist es oftmals wünschenswert, die Reibungszahl zwischen Rad und Fahrweg zu kennen, um diese Information beispielsweise zur Ermittlung des aktuell zu erwartenden Bremsweges zu berücksichtigen.
Für den Eisenbahnverkehr sind Systeme der Eisenbahnleit- und sicherungstechnik bekannt, bei denen eine Reibungszahl (Reibbeiwert) zwischen Rad und Schiene vom Triebfahrzeugführer nach Augenschein ermittelt (geschätzt) und von Hand eingegeben wird. Dabei können zum Beispiel Wetterbeobachtungen in die Schätzung der Reibungszahl einfließen. Eine Anpassung der Reibungszahl im Verlauf der Fahrt ist nicht möglich, da ein eingegebener Wert – wenn überhaupt – nur im Stillstand verändert werden kann. Das Verfahren der Bestimmung der Reibungszahl ist aufgrund der erforderlichen Schätzung ungenau und basiert auf Erfahrungen. Hieraus resultiert die Gefahr von Irrtümern. Aufgrund der Spezifikationen herkömmlicher Eisenbahnleit- und sicherungssysteme ist nur die Eingabe von zwei Werten möglich für rutschig oder nicht rutschig („slippery”/”non slippery”).
Die zur Fortbewegung dienende Umfangskraft wird beispielsweise im Rad-Schiene-System vom Rad durch Reibschluss auf die Schiene übertragen. Die übertragende Reibkraft ist abhängig von der Radbelastung und vom Reibbeiwert, auch Reibungszahl μ genannt, zwischen Rad und Schiene. Die Reibungszahl μ ist eine für jede Werkstoffpaarung definierte Zahl, die nach Coulomb das Verhältnis zwischen zwei relativ zueinander gleitenden Flächen auftretenden Tangentialkraft F_t zur Normalkraft F_n, also zum Beispiel der übertragbaren Umfangskraft F_u und der Anpresskraft F_n im Rad-Schiene-System ausdrückt.
Für eine Werkstoffpaarung, bei der einer der beiden Werkstoffe ein Elastomer ist, gilt im Allgemeinen die Reibungszahl μ = 0,7. Bei Antrieben mit ruhigem und gleichmäßigem Lauf und einer der jeweiligen Umfangskraft angepassten Anpressung kann mit einer Reibungszahl bis μ = 0,9 gerechnet werden. Bei Einflüssen durch Schmutz, Feuchtigkeit oder Nässe fällt die Reibungszahl μ je nach Einwirkung ab. In ungünstigen Fällen werden nur noch Werte zwischen μ = 0,3 bis μ = 0,1 erreicht. Typische Reibungszahlen für eine trockene Schiene oder nasse Schiene mit Sand im Rad-Schiene-System betragen etwa 0,1 bis 0,3. Die Reibungszahl μ bei einer nassen Schiene ohne Sand beträgt etwa 0,01 bis 0,1.
Unter den spezifischen Randbedingungen der Eisenbahn treten hierbei besondere Effekte auf.
Die Reibungszahl μ liegt in den Bereichen 0,1 bis 0,7, da die Temperatur der Räder und Schienen in einem Bereich zwischen –20 und +70°C liegen können. Typische Werte liegen zwischen 0,1 bis 0,3 und üblicherweise zwischen 0,2 bis 0,25. Bei speziellen Lokomotivkonstruktionen kann der Wert bis 0,46 ansteigen.
Aufgrund äußerer Einflüsse wie Schnee, Eis, Regen, Nebel, Gras, Laub, Staub u. a. können sich die Reibungszahlen weiträumig verschlechtern oder auch nur kleinräumig, zum Beispiel auf Brücken reduziert sein. Durch bahntypische Einflüsse wie Öle, Fette o. ä. können in bestimmten Bereichen die Werte ebenfalls sehr gering werden. Baulich und bahnbetrieblich bedingt können lokale Erwärmungen (Weichenheizung) oder Abkühlungen (Brücken, Tunnel) auftreten. Hierdurch können in wetterlichen Grenzlagen extrem geringe Reibbeiwerte auftreten. Örtliche Verbesserungen können durch Sanden erreicht werden.
Bei den Eisenbahnleit- und sicherungssystemen nach dem ETCS-Standard (Europan Train Control System) wird eine Distanz berechnet, in der ein Zug zum Stehen gebremst werden kann. Dieser Wert wird dann für die Überwachung der erlaubten Geschwindigkeit und der Punkte verwendet, an denen die Bremsungen beginnen müssen. Diese Distanz ist aber stark vom Reibbeiwert zwischen Rad und Schiene abhängig. Bei der herkömmlichen Eingabe des Reibbeiwertes durch den Triebfahrzeugführer ist das System prinzipiell unsicher. Zudem ist keine flexible Reaktion auf sich ändernde Werte, zum Beispiel auf einer Brücke oder durch einsetzenden Eisregen möglich. Diese im normalen Betrieb auftretenden Verringerungen oder Erhöhungen des Reibbeiwertes zum Beispiel durch Wetterumstände wie Regen, Schnee oder Nebel, durch Verunreinigungen wie Blätter, Gras oder Schmierstoffe auf der Schiene oder auch durch Einflüsse wie Vereisungen über Brücken und durch lokal aufsteigenden Nebel können nur durch das Fahrverhalten des Triebfahrzeugführers ausgeglichen, nicht aber bei der technischen Überwachung berücksichtigt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Einrichtung und ein verbessertes Verfahren zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen μ zwischen Rädern und Fahrwegen, insbesondere für Rad-Schiene-Systeme von Eisenbahnen zu schaffen, mit dem der Reibbeiwert fahrer- und infrastrukturunabhängig automatisch am Fahrzeug ermittelt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Die Aufgabe wird mit der Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Auswerteinheit mit einer Antriebssteuerung für das Fahrzeug verbunden ist und aktuelle Grenzdrehmomente von der Antriebssteuerung erhält, um eine zweite Reibungszahl μ₂ in Abhängigkeit von den aktuellen Grenzdrehmomentwerten zu bestimmen, und dass die Auswerteeinheit zur Korrelation der aus dem Längsschlupf und aus dem Grenzdrehmoment M_AnGrenz ermittelten Reibungszahlen μ₁, μ₂ miteinander eingerichtet ist, um die aktuelle Reibungszahl μ zu erhalten.
Es wird somit vorgeschlagen, den aktuellen realen Längsschlupf aus dem Vergleich des aus der Drehzahl der Räder ermittelten und durch den Längsschlupf verfälschten scheinbaren Vortriebs mit dem beispielsweise per Satellitennavigation ermittelten tatsächlichen Vortrieb zu bestimmen. Hierzu können die beispielsweise in Eisenbahnfahrzeugen ohnehin verfügbaren Messeinrichtungen genutzt werden, wie die sogenannte Odometrie (Radumdrehungsimpulsgeber) zur Ermittlung der Drehzahl der Räder sowie Satellitenortungsempfänger.
Vorteilhaft ist der zweikanalige Systemaufbau, bei dem zusätzlich noch eine direkte Messung der Reibungszahl erfolgt. Hierzu werden das aktuelle Drehmoment für mindestens ein Rad ermittelt und die Grenzdrehmomente beim Übergang zum Gleiten oder Schleudern mit einem absoluten Längsschlupf annährend von eins aus den aktuellen Drehmomenten bestimmt. Die aktuelle Reibungszahl wird dann in Abhängigkeit von dem Grenzdrehmoment bestimmt. Hierbei wird ausgenutzt, dass die beiden extremen Längsschlupfe beim Bremsen (Gleiten bei blockierten Rädern) und Antreiben (Schleudern im Stillstand) auftreten. An einem Rad, das (theoretisch) schlupffrei rollt, können hingegen keine Längsreibkräfte auftreten. Dies ist bei einer theoretischen Reibungszahl von μ = 1 der Fall. In diesem Zusammenhang wird also das Grenzdrehmoment ausgewertet, um die aktuelle Reibungszahl zu erhalten. Die kann beispielsweise nach der Formel μ = MAnGrenz/(FN·RAn)mit dem Grenzdrehmoment M_AnGrenz, der an dem jeweiligen Rad wirkenden Normalkraft F_N in Richtung Fahrweg und dem Radius R_An des jeweiligen Rades erfolgen.
Die Grenzdrehmomente M_AnGrenz können beispielsweise aus dem Übergang zu einer sprunghaften Änderung der Raddrehzahlen und einer gleichzeitigen Änderung des Drehmomentes ermittelt werden. Es ist aber auch denkbar, die Grenzdrehmomente aus Regelungsgrößen eines geregelten Antriebs für Räder, die auf das Erreichen des Grenzdrehmomentes ausgerichtet sind, zu bestimmen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Regelung beispielsweise moderner Eisenbahnantriebe üblicherweise auf das Grenzdrehmoment regelt, so dass das Grenzdrehmoment erreicht wird.
Bei ungeregelten Antrieben erfolgt die Abschätzung des Grenzdrehmomentes hingegen aus dem zeitlichen Verlauf der Drehmomente.
Bei der indirekten Ermittlung der Reibungszahl über den Vortriebsvergleich ist es vorteilhaft, wenn eine Bestimmung des aktuellen Längsschlupfs in Zeitintervallen durch Integration der Raddrehzahlen über das Zeitintervall und Berechnen des scheinbaren Vortriebs aus der Beziehung
mit dem Radius R_An des jeweiligen Rades erfolgt. Dabei wird die Drehzahl des Rades über einen Impulsgeber bestimmt, so dass sich der über den Umfang scheinbar zurückgelegte Weg in oben beschriebener Weise bestimmen lässt. Um aus den Impulsen des Impulsgebers die Drehzahl des Rades zu bestimmen, muss die Zahl der Impulse im Zeitintervall durch die exakt bekannte Zahl der Impulse des Impulsgebers pro Radumdrehung dividiert werden.
Aus der Differenz des scheinbar vom Rad zurückgelegten Weges und dem real zurückgelegten Weges ergibt sich der Schlupf. Hierfür ist es vorteilhaft, aus beiden Wegmessungen per zeitlicher Differenzierung die dazugehörigen Geschwindigkeiten zu bestimmen. Dies erfolgt durch zeitliches Differenzieren des für einen Zeitintervall tatsächlich bestimmten Vortriebs und des scheinbaren Vortriebs und Ermittlung des Längsschlupfes mit der Beziehung:
mit v_t als zeitlich differenzierter tatsächlicher Vortrieb und v_s als zeitlich differenzierter scheinbarer Vortrieb.
Der Zusammenhang zwischen Schlupf und Reibungszahl ist eine Konstante, die sich aus einem Kennfeld bestimmen lässt.
Die aus dem Längsschlupf und dem Grenzdrehmoment ermittelten Reibungszahlen werden miteinander korreliert, um eine aktuelle Reibungszahl zu erhalten. Als Korrelation kann eine Plausibilitätsprüfung vorgesehen sein. Damit ergibt sich ein diversitäres zweikanaliges System, das somit geeignet ist Sicherheitsverantwortung übernehmen zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Blockdiagramm einer Einrichtung zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen;
2 – Skizze eines Eisenbahnfahrzeugs mit der Einrichtung aus 1.
Die 1 lässt ein Blockdiagramm einer Einrichtung 1 zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen μ erkennen. Die Einrichtung 1 hat eine Vortriebsermittlungseinheit 2 in Form eines Satellitenortungsempfängers, um aus vom Satelliten ausgestrahlten, Zeitinformationen beinhaltenden Signalen die aktuelle Ortsposition zu bestimmen. Hierzu wird ein GNSS (Global Navigation Satellite System) eingesetzt. Neben dem heute bereits im Einsatz befindlichen Systemen GPS (Global Positioning System) und GLONASS kann dies zukünftig auch Galileo sein.
Mit der Vortriebsermittlungseinheit 2 wird der tatsächliche Vortrieb des Fahrzeugs unabhängig von der Radbewegung und dem Schlupf zwischen Rad und Fahrweg bestimmt. Weiterhin ist mindestens ein Radumdrehungssensor 3 zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl mindestens eines Rades vorgesehen. Der Radumdrehungssensor 3 sowie die Vortriebsermittlungseinheit 2 sind mit einer Auswerteeinheit 4 verbunden, um den aktuellen Längsschlupf aus der Differenz zwischen tatsächlichem Vortrieb Δd_t und dem aus den Raddrehzahlen mit dem mindestens ein Radumdrehungssensor 3 ermittelten scheinbaren Vortriebs Δd_s zu bestimmen. Die aktuelle Reibungszahl μ wird dann mit der Auswerteeinheit 4 aus dem aktuellen Längsschlupf bestimmt.
Beim Bremsen (Gleiten bei blockierten Rädern) und Antreiben (Schleudern im Stillstand) können zwei Extremzustände des Längsschlupfes s_x auftreten. An einem Rad, das (theoretisch) schlupffrei rollt, können hingegen keine Längsreibkräfte auftreten. Die theoretische Reibungszahl μ beträgt dann eins.
Der Zusammenhang zwischen Längsschlupf und Radumdrehung kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden:
mit
wobei für die folgenden Betriebszustände folgendes gilt:

Rollen: v = R·ω s_x = 0

Antreiben: v < R·ω –1 < s_x < 0

Bremsen: v > R·ω 0 < s_x < 1

Gleiten: R·ω = 0 s_x = 1

Schleudern: v = 0 s_x = –1.
Hierbei ist v die gemessene oder bestimmte tatsächliche Geschwindigkeit des Fahrzeugs, R der bekannte Radius eines Rades des Fahrzeuges, ω die gemessene oder bestimmte Winkelgeschwindigkeit des Rades und s_x der zu bestimmende Längsschlupf.
Typischerweise wird nun der absolute Betrag des Längsschlupfes s_abs betrachtet, da die Verhältnisse in positiver wie negativer Richtung gleich sind. Hierbei gilt:
Zur indirekten Bestimmung des Längsschlupfes s_x wird aus dem Produkt der Raddrehzahl n_An und des Durchmessers R_An der Räder des Fahrzeugs und der scheinbar zurückgelegte Weg Δd_s ermittelt. Die Drehzahl n_An des Rades wird über einen Impulsgeber bestimmt, so dass sich der über den bekannten Umfang des Rades scheinbar zurückgelegte Weg nach der Gleichung:
bestimmen lässt. Hierbei ist n_odo die Zahl der Impulse des Impulsgebers im Zeitintervall t₀ bis t₁ und c_odo die Zahl der Impulse des Impulsgebers pro Radumdrehung. Diese ist exakt bekannt. Die Zahl der Impulse des Impulsgebers im Zeitraum t_o bis t₁ wird aus der Anzahl der Impulse n nach der Gleichung:
bestimmt. Aus der Differenz des scheinbar vom Rad zurückgelegten Weges, d. h. des scheinbaren Vortriebs Δd_s und dem mit dem Satellitenortungsempfänger für das Zeitintervall bestimmten real zurückgelegten Weges, d. h. dem tatsächlichen Vortrieb Δd_t, ergibt sich der Schlupf s_x. Hierfür werden aus beiden Wegmessungen per zeitlicher Differenzierung die dazugehörigen Geschwindigkeiten wie folgt bestimmt:
mit v_odo als scheinbare Geschwindigkeit und d_t1 – d_t0 als scheinbarer Weg im Zeitintervall zurückgelegter Weg, der per Odometrie bestimmt wird.
Die tatsächliche Geschwindigkeit V_GNSS wird mit dem Satellitenortungsempfänger nach der Formel bestimmt:
mit d_g1 – d_g0 als im Zeitintervall aus der Positionsdifferenz des Satellitenortungsempfängers ermittelter tatsächlich zurückgelegter Weg.
Der Schlupf ergibt sich dann zu
mit
Der Zusammenhang zwischen Schlupf und Reibungszahl μ ist eine Konstante, die sich aus einem Kennfeld bestimmen lässt. Dann ergibt sich der Reibbeiwert μ₁ zu:
Es ist zu beachten, dass bei sehr langen Distanzen der räumliche Abstand zwischen den Punkten x₀ und x₁ kürzer sein kann, als die tatsächlich gefahrene Distanz. In diesem Fall wird die gefahrene Distanz durch mehrere Zwischenmesspunkte (x₂...x_n) ergänzt, die der Postionsortungsempfänger liefert. Bedingt durch das integrative Messverfahren ergibt sich hierbei prinzipbedingt eine Mittelwertbildung. Die Güte des Verfahrens kann durch die Definition des Zeitintervalls t₀ bis t₁ optimiert werden.
Zur direkten Messung der Reibungszahl μ wird der Quotient des Grenzmomentes am Rad des Fahrzeugs und dem Produkt aus Radradius und Achslast wie folgt bestimmt
Hierbei ist M_AnGrenz das zu messende Grenzmoment an einer Achse An des Fahrzeuges und F_N die Normalkraft der Achse An. Die Normalkraft ist ein für Lokomotiven statischer, bekannter und für Triebwagen ein zu messender Wert. R_An ist der Radius der Räder an der Achse An. Hierbei handelt es sich um einen langsam veränderlichen Wert, der zum Beispiel aus Triebfahrzeugfahrereingaben bekannt ist. Es ist zu beachten, dass das aktuell gemessene Moment M_An normalerweise unterhalb des Grenzmomentes M_AnGrenz ist: MAn ≤ MAnGrenz.
Die Regelung moderner Bahnantriebe regelt üblicherweise beim Anfahren auf das Grenzmoment M_AnGrenz, so dass dieser Wert hier erreicht wird. Bei ungeregelten Antrieben ist die Bestimmung des Grenzmomentes M_AnGrenz aus dem zeitlichen Verlauf des aktuellen Moments M_An möglich:
unter der Bedingung:
Das heißt, dass sobald ein im Vergleich zum Beschleunigungsverhalten eines Eisenbahnfahrzeugs sprunghafter Anstieg der Drehzahl n mit einem gleichzeitigen Abfall des Moments M_An festgestellt wird, ist der Übergang zum Schleudern erreicht. Der maximale Wert des Momentes M_An unmittelbar vor dem Übergang entspricht dem Grenzmoment M_AnGrenz. Sinngemäß gilt das Gleiche für das Bremsen. Wenn hier ein sprunghafter Übergang der Drehzahl n_An zum Stillstand verbunden mit einem absinken des Momentes M_An erkannt wird, ist der Übergang zum Gleiten erfolgt. Es gilt:
unter der Bedingung:
Prinzipiell ist zu beachten, dass eine Mittelung über einen definierten Zeitraum t₀ bis t₁ erfolgen sollte, um zum einen durch das Messprinzip bedingte Rauschen auszufiltern und einen sinnvollen Wert für das Grenzmoment M_AnGrenz zu erhalten und zum anderen die Erkennung lokaler Abweichungen sicherzustellen. Eine Mittelung über einen Zeitraum von 10 bis 30 Sekunden hat sich als sinnvoll herausgestellt. Kürzere Zeitintervalle sind bei entsprechender Justierung möglich.
Der zeitliche Abstand, mit dem eine neue Reibungszahl μ bestimmt werden kann, wird technisch nur durch die verwendeten Filter zur Rauschunterdrückung begrenzt. Da ein Eisenbahnzug nicht auf Änderungen reagiert, die für eine Zeit kürzer als eine Sekunde anliegen, ist eine Bestimmung der Reibungszahl μ alle zehn Sekunden ausreichend.
Die entstehende Information über die Variation der Reibungszahl μ entlang der Strecke kann über die Überwachung der Bremskurve eines Eisenbahnfahrzeugs hinaus zu folgenden Zwecken verwendet werden:

– Bestimmung von ortspezifischen Maßnahmen zur Wartung und in Instandhaltung;
– Änderung des Betriebsprogramms an kritischen Stellen, wie z. B. die Entfernung von Brems- und Anfahrtspunkten oder Blocksignalen von oft vereisten Stellen, sowie Vermeidung von Bahnhofseinfahrsignalen auf Brücken.

Die 2 lässt eine Skizze eines Eisenbahnzuges erkennen, der mit einer Vortriebsermittlungseinheit 2 in Form eines Satellitenortungsempfängers ausgerüstet ist. Dieser ist mit der Auswerteeinheit 4 in Form einer Recheneinheit verbunden. Weiterhin wird mindestens mit einem Radumdrehungssensor 3 die Drehzahl mindestens eines Rades an mindestens einer Achse bestimmt. Zudem wird mit einem Drehmomentsensor 5 das aktuelle Moment an den Rädern ermittelt. In der Auswerteeinheit 4 werden diese Informationen mit weiteren fest gespeicherten Werten, wie Achslast, Beschleunigungskurven etc. in oben beschriebener Weise weiterverarbeitet. Das Ergebnis der Berechnung ist ein validierter Wert für die lokale Reibungszahl μ, der z. B. an ein ETCS-Fahrzeuggerät 6 weitergegeben werden kann. In dem ETCS-Fahrzeuggerät 6 kann dann in Abhängigkeit von der aktuellen Reibungszahl μ beispielsweise eine aktuelle Bremskurve bestimmt werden.

Claims

Einrichtung (1) zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen (μ) zwischen Rädern und Fahrwegen als Verhältnis der zwischen einer Tangentialkraft (F_T), die zwischen der Fahrwegfläche und der relativ hierzu gleitfähigen Auflagefläche eines Rades auftritt, zur vom Rad auf den Fahrweg ausgeübten Normalkraft (F_N) von Fahrzeugen, mit mindestens einem Radumdrehungssensor (3) zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl (n_An) mindestens eines Rades, einer Vortriebsermittlungseinheit (2) zur Bestimmung des tatsächlichen Vortriebs (Δd_t) des Fahrzeugs, die unabhängig von der Radbewegung ausgebildet ist, und einer Auswerteeinheit (4), die mit dem mindestens einen Radumdrehungssensor (3) und der Vortriebsermittlungseinheit (2) verbunden und zur Bestimmung eines aktuellen Längsschlupfes (s) in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen tatsächlichem Vortrieb (Δd_t) und aus den Raddrehzahlen (n_An) ermittelten scheinbaren Vortrieb (Δd_s) und zur Bestimmung einer ersten Reibungszahl (μ₁) aus dem aktuellen Längsschlupf (s) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) mit einer Antriebssteuerung für das Fahrzeug verbunden ist und aktuelle Grenzdrehmomente (M_AnGrenz) von der Antriebssteuerung erhält, um eine zweite Reibungszahl (μ₂) in Abhängigkeit von den aktuellen Grenzdrehmomentwerten (M_AnGrenz) zu bestimmen, und dass die Auswerteeinheit (4) zur Korrelation der aus dem Längsschlupf (s) und aus dem Grenzdrehmoment (M_AnGrenz) ermittelten Reibungszahlen (μ₁, μ₂) miteinander eingerichtet ist, um die aktuelle Reibungszahl (μ) zu erhalten.
Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drehmomentsensor zur Ermittlung des aktuellen Drehmoments für mindestens ein Rad vorgesehen ist und die Auswerteeinheit (4) zur Ermittlung des aktuellen Grenzdrehmomentes (M_AnGrenz) aus dem Übergang zu einer sprunghaften Änderung der mit dem mindestens einen Radumdrehungssensor (3) gemessenen Radumdrehungen und gleichzeitigen Änderung des Drehmomentes für mindestens ein Rad eingerichtet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zur Bestimmung der zweiten Reibungszahl μ₂ nach der Formel: μ2 = MAnGrenz/(FN·RAn)mit dem Grenzdrehmoment M_AnGrenz, der an dem jeweiligen Rad wirkenden Normalkraft F_N in Richtung Fahrweg und dem Radius R_An des jeweiligen Rades eingerichtet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zur Bestimmung des aktuellen Längsschlupfes (s) in Zeitintervallen ([t₀, t₁]) durch Integration der Raddrehzahlen n_An über das Zeitintervall und Berechnung des scheinbaren Vortriebs (Δd_s) aus der Beziehung
mit dem scheinbaren Vortrieb Δd_s und dem Radius R_An des jeweiligen Rades eingerichtet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zum zeitlichen Differenzieren des für ein Zeitintervall ([t₀, t₁]) bestimmten tatsächlichen Vortriebs (Δd_t) und des scheinbaren Vortriebs (Δd_s) und Ermittlung des Längsschlupfes (s) mit der Beziehung
mit v_t als zeitlich differenzierter tatsächlicher Vortrieb (Δd_t) und v_s als zeitlich differenzierter scheinbarer Vortrieb (Δd_s) eingerichtet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) zur Bestimmung der ersten Reibungszahl (μ₁) als Produkt einer Konstanten (c) und dem Längsschlupf (s) eingerichtet ist, wobei die Konstante (c) einem Kennfeld entnehmbar ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zum Einbau in ein Eisenbahnfahrzeug und Übertragung der aktuellen Reibungszahl (μ) an eine Eisenbahnsteuerungseinrichtung vorgesehen ist.
Verfahren zur automatischen Bestimmung von Reibungszahlen (μ) zwischen Rädern und Fahrwegen als Verhältnis der zwischen einer Tangentialkraft (F_T), die zwischen der Fahrwegfläche und der relativ hierzu gleitfähigen Auflagefläche eines Rades auftritt, zur vom Rad auf den Fahrweg ausgeübten Normalkraft (F_N) von Fahrzeugen, durch Messen der aktuellen Radrehzahlen (n_An) mindestens eines Rades, Ermitteln des tatsächlichen Vortriebs (Δd_t) des Fahrzeuges unabhängig von der Radbewegung, Bestimmen eines aktuellen Längsschlupfes (s) in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen dem tatsächlichen Vortrieb (Δd_t) und dem aus den Raddrehzahlen (n_An) bestimmtem scheinbaren Vortrieb (Δds), und Bestimmen einer ersten aktuellen Reibungszahl (μ₁) aus dem aktuellen Längsschlupf (s), gekennzeichnet durch Bestimmen einer zweiten Reibungszahl (μ₂) in Abhängigkeit eines Grenzdrehmomentes (M_AnGrenz) und Korrelieren der aus dem Längsschlupf (s) und aus dem Grenzdrehmoment (M_AnGrenz) ermittelten Reibungszahlen (μ₁, μ₂), um eine aktuelle Reibungszahl (μ) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch – Ermitteln des aktuellen Drehmomentes (M_An) für mindestens ein Rad, – Bestimmen von Grenzdrehmomenten (M_AnGrenz) beim Übergang zum Gleiten oder Schleudern mit einem absoluten Längsschlupf (s) von annähernd eins aus den aktuellen Drehmomenten (M_An).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch Bestimmen der zweiten Reibungszahl (μ₂) nach der Formel μ2 = MAnGrenz/(FN·RAn)mit dem Grenzdrehmoment M_AnGrenz, der an dem jeweiligen Rad wirkenden Normalkraft F_N in Richtung Fahrweg und dem Radius R_An des jeweiligen Rades.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Messen der Raddrehzahlen (n_An) und Ermitteln des Grenzdrehmomentes (M_AnGrenz) aus dem Übergang zu einer sprunghaften Änderung der Raddrehzahlen (n_An) und einer gleichzeitigen Änderung des Drehmomentes (M_An).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch Bestimmen des Grenzdrehmomentes (M_AnGrenz) aus Regelungsgrößen eines geregelten Antriebs für Räder, die auf das Erreichen des Grenzdrehmomentes (M_AnGrenz) ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch Bestimmen des aktuellen Längsschlupfs (s) in Zeitintervallen ([t₀, t₁]) durch Integration der Raddrehzahlen (n_An) über das Zeitintervall und Berechnen des scheinbaren Vortriebs (Δd_s) aus der Beziehung
mit dem Radius R_An des jeweiligen Rades.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, gekennzeichnet durch zeitliches Differenzieren des für ein Zeitintervall ([t₀, t₁]) bestimmten tatsächlichen Vortriebs (Δd_t) und des scheinbaren Vortriebs (Δd_s) und Ermittlung des Längsschlupfes (s) mit der Beziehung
mit v_t als zeitlich differenzierter tatsächlicher Vortrieb (Δd_t) und v_s als zeitlich differenzierter scheinbarer Vortrieb (Δd_s).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, gekennzeichnet durch Bestimmen der ersten Reibungszahl (μ₁) als Produkt einer Konstanten (c) und dem Längsschlupf (s), wobei die Konstante (c) einem Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Eisenbahnfahrzeug und der Fahrweg ein Schienenweg ist.