DE102014213011A1

DE102014213011A1 - Fahrstrategie für Triebzüge mit Mehrganggetriebe

Info

Publication number: DE102014213011A1
Application number: DE102014213011.5A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Reick; Kazutaka Iuchi
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) mit wenigstens zwei Antriebselementen und wenigstens einem schaltbaren Mehrganggetriebe, wobei das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe funktional einem Antriebselement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahranforderung und Umgebungsparameter erfasst und verarbeitet werden, und die wenigstens zwei Antriebselemente und das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe so angesteuert werden, dass durch eine Betriebspunktverschiebung des Betriebspunktes (Bxy, Byy) des dem wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebe zugeordneten Antriebselements erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrstrategie für Triebzüge mit Mehrganggetriebe, insbesondere elektrische Triebzüge, sogenannte Electrical-Multiple-Units (EMU).
Unter einem Triebzug ist in der Regel eine nicht trennbare Einheit aus mehreren Fahrzeugen/Zugsegmenten zu verstehen, wobei der Triebzug über einen fahrzeugeigenen Antrieb verfügt. Dabei können ein Fahrzeug/Zugsegment, mehrere Fahrzeuge/Zugsemente oder alle Fahrzeuge/Zugsegmente des Triebszugs jeweils über einen Antrieb verfügen. Neben elektrischen Triebzügen (EMU) existieren beispielsweise auch dieselbetriebene Triebzüge, sogenannte Diesel-Multiple-Units (DMU). Diese weisen einen oder mehrere fahrzeugeigene Diesel-Motoren anstatt der elektrischen Motoren in elektrischen Triebzügen (EMU) auf.
Die DE1177671B offenbart eine Antriebssteuerung für Schienentriebfahrzeuge, insbesondere für Drehgestelllokomotiven. Die Schienentriebfahrzeuge weisen dabei wenigstens einen umsteuerbaren Elektroantriebsmotor auf, welcher jeweils mit einem formschlüssigen Getriebe wirkverbunden ist. Insbesondere ist an jedem Drehgestell des Schienentriebfahrzeugs ein Elektroantriebsmotor mit einem formschlüssigen Getriebe angeordnet. Über einen Gangwähler wird an einem Schaltwerk aus zwei möglichen Gängen ein Gang vorgewählt. Mittels eines Schaltgeräts und eines Stellgeräts wird eine Kolbenstange derart betätigt, dass durch eine mit der Kolbenstange verbundene Schaltgabel eine drehfeste Verbindung mit dem gewünschten Übersetzungsverhältnis zwischen dem Elektroantriebsmotor und dem Abtrieb erfolgt. Dabei sind zwei paarweise miteinander in Eingriff stehende Zahnradpaare mit den Losrädern auf der Antriebswelle und den Festrädern auf der Abtriebswelle angeordnet. Zur Vermeidung einer Zugkraftunterbrechung werden die einzelnen Schaltgetriebe nicht gleichzeitig, sondern nacheinander geschaltet. Während eines solchen Schaltvorgangs wird dem Elektroantriebsmotor des gerade nicht schaltenden Schaltgetriebes für die Schaltdauer die gesamte Leistung zugeführt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrstrategie für Triebzüge mit Mehrganggetriebe vorzuschlagen, welche sich dadurch auszeichnet, dass in unterschiedlichen Fahrzuständen eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Antriebsstrangs des Triebzugs erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor. Dabei weist ein Triebzug wenigstens zwei Antriebselemente und wenigstens ein schaltbares Mehrganggetriebe auf, wobei das eine schaltbare Mehrganggetriebe funktional einem Antriebselement zugeordnet ist. In vorteilhafter Weise werden eine Fahranforderung und Umgebungsparameter erfasst und verarbeitet. Weiter werden die wenigstens zwei Antriebselemente und/oder das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe so angesteuert, dass mit oder ohne Betätigen des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes eine Betriebspunktverschiebung wenigstens eines Antriebselements erfolgt. Dabei kann entweder eine Ansteuerung eines oder mehrerer Antriebselemente bei gleicher Drehzahl mit einer anderen Leistung erfolgen, oder durch einen Gangwechsel liegt ein anderes Übersetzungsverhältnis vor, wodurch das dem schaltbaren Mehrganggetriebe zugeordnete Antriebselement mit einer anderen Drehzahl antreibt.
Auch ist in weiteren Ausgestaltungen denkbar, dass einzelne Antriebselemente von dem Triebstrang entkoppelt werden. Unter einem Entkoppeln ist dabei zu verstehen, dass das entkoppelte Antriebselement stillsteht und weder antreibt, noch durch einen Schubbetrieb angetrieben wird. Die Entkopplung kann beispielsweise durch eine Neutralstellung des jeweils zugeordneten schaltbaren Mehrganggetriebes oder durch ein zusätzlich vorgesehenes Schaltelement erfolgen. Dabei sind unter Schaltelementen insbesondere Kupplungen zu verstehen. Für die hier vorliegende Anwendung eignen sich in besonderer Weise formschlüssige Kupplungen, jedoch sind auch reibschlüssige Kupplungen denkbar.
Bei den Antriebselementen handelt es sich in bevorzugter Weise um elektrische Maschinen. Es ist jedoch auch denkbar, andere Antriebselemente, beispielsweise Verbrennungsmotoren, vorzusehen.
Ein schaltbares Mehrganggetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang durch auswählen verschiedener Gangstufen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse darstellbar sind. Insbesondere sind hier Mehrganggetriebe mit zwei verschiedenen Gangstufen zu verstehen, es sind jedoch auch Anordnungen mit mehr als zwei Gangstufen denkbar. Insbesondere im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren, welche eine feste Drehrichtung aufweisen, können auch Mehrganggetriebe vorgesehen werden, durch welche eine Drehrichtungsumkehr darstellbar ist. Da elektrische Maschinen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren zwei gleichwertige Drehrichtungen aufweisen, ist eine Anordnung eines schaltbaren Mehrganggetriebes mit einer Richtungsumkehr im Zusammenhang mit der Verwendung einer elektrischen Maschine nicht erforderlich. Die Schaltbarkeit der Mehrganggetriebe kann dabei durch reibschlüssige Schaltelemente oder durch formschlüssige Schaltelemente realisiert werden.
Unter einer funktionalen Zuordnung eines schaltbaren Mehrganggetriebes zu einem Antriebselement ist zu verstehen, dass die Antriebsleistung des Antriebselements durch das funktional zugeordnete schaltbare Mehrganggetriebe übersetzt und auf die Räder übertragen wird.
Unter einer Fahranforderung ist ein gewünschter Fahrzustand zu verstehen. Dies kann bedeuten, dass eine Beschleunigung des Triebzugs erforderlich ist, eine Beibehaltung des Fahrzustands beziehungsweise der Geschwindigkeit des Triebzugs gewünscht wird, oder eine Reduzierung, beispielsweise durch Einleiten einer Bremsung, erforderlich ist. Die Fahranforderung kann dabei beispielsweise durch einen Bediener gewählt werden, jedoch ist auch denkbar, bei autonomer Fahrt eine in einem Speicher hinterlegte Fahranforderung abzurufen. Unter den Umgebungsparametern sind beispielsweise die aktuelle Triebzuggeschwindigkeit, Witterungsbedingungen, die Topographie (Steigung, Ebene, Gefälle), sowie der Streckenverlauf (Kurve, Geradeausfahrt, Gefahrenbereiche) zu verstehen. Die genannte Aufzählung ist nicht abschließend zu verstehen, unter den Umgebungsparametern sind in Ergänzung dazu beispielsweise auch fahrzeugspezifische Parameter, wie die Anzahl der Fahrzeuge/Zugsegmente, die Gesamtlänge des Triebzugs, das Gewicht beziehungsweise die Zuladung und das Gesamtgewicht des Triebzugs, die Betriebszustände der Antriebselemente und/oder der schaltbaren Mehrganggetriebe und viele weitere zu nennen.
Eine Betriebspunktverschiebung eines Motors beziehungsweise eines Antriebselements beschreibt dabei entweder eine Änderung der Drehzahl des Antriebselements in Abhängigkeit der Änderung der Leistung beziehungsweise der Last des Antriebselements oder eine Änderung der Leistung bei gleicher Drehzahl des Antriebselements. Insbesondere durch die Anpassung von Drehzahl und Leistung beziehungsweise Last wird eine Steigerung des Wirkungsgrads des Antriebselements beziehungsweise des Antriebsstrangs erreicht. Bei gleichbleibendem Fahrzustand, insbesondere bei gleichbleibender Fahrzeuggeschwindigkeit, können somit entweder unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse oder eine unterschiedliche Leistungs- oder Betriebspunkte der Motoren beziehungsweise Antriebselemente vorgesehen werden. Entsprechend eines weiteren Aspekts des Verfahrens wird in einem nachteiligen Fahrbetrieb des Triebzugs eine vorteilige Fahrstrategie ermittelt, sodass eine Betriebspunktverschiebung wenigstens eines Antriebselements durch einen Gangwechsel des jeweils zugeordneten Mehrganggetriebes erfolgt.
Unter einem nachteiligen Fahrbetrieb ist dabei insbesondere ein Fahrbetrieb mit einem geringen Wirkungsgrad in Bezug auf das Antriebselement/die Antriebselemente in Verbindung mit den diesen zugeordneten schaltbaren Mehrganggetrieben zu verstehen. Ein nachteiliger Fahrbetrieb kann sich jedoch auch dadurch ergeben, dass beispielsweise an einzelnen Fahrzeugrädern eine geringe beziehungsweise keine Traktion vorliegt. Des Weiteren kann sich ein nachteiliger Fahrbetrieb durch eine Überbeanspruchung beziehungsweise Überlastung einzelner oder mehrerer Antriebselemente beziehungsweise den diesen zugeordneten schaltbaren Mehrganggetrieben ergeben. Auch beispielsweise ein Ausfall eines oder mehrerer Antriebselemente beziehungsweise schaltbarer Mehrganggetriebe kann zu einem nachteiligen Fahrbetrieb führen. Unter einer vorteiligen Fahrstrategie ist dabei zu verstehen, dass ein Fahrbetrieb mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Fahranforderungen und Umgebungsbedingungen realisiert beziehungsweise eingestellt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Betriebspunktverschiebung an einem oder mehreren Antriebselementen erfolgen.
Entsprechend eines weiteren Aspekts des Verfahrens wird in einem nachteiligen Fahrbetrieb des Triebzugs eine vorteilige Fahrstrategie ermittelt, sodass eine Betriebspunktverschiebung wenigstens eines Antriebselements dadurch erfolgt, dass das Antriebselement mit einer anderen Leistung betrieben wird.
Das Verfahren ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Antriebselement von dem Antriebsstrang entkoppelt wird, sobald dessen Mitwirken aufgrund der aktuellen Fahrstrategie nicht erforderlich ist.
Unter dem Antriebsstrang ist dabei die Gesamtheit aus Antriebselementen, schaltbaren Mehrganggetrieben, sowie Achsen, Bremsen und Rädern eines Triebzugs zu verstehen. Vereinfacht ausgedrückt umfasst der Antriebsstrang sämtliche Elemente zwischen den Antriebselementen und den Rädern des Triebzugs, welche für ein Fahren beziehungsweise Bremsen und Anhalten des Triebzugs erforderlich sind.
Unter einem von dem Antriebsstrang entkoppelten Antriebselement ist zu verstehen, dass der Kraftfluss zwischen Antriebselement und Rad getrennt wird. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass das jeweils dem zu entkoppelnden Antriebselement zugeordnete schaltbare Mehrganggetriebe in eine Neutralstellung gebracht wird. Darüber hinaus ist auch denkbar, dass zwischen dem zu entkoppelnden Antriebselement und dem jeweiligen Rad des Triebzug eine Kupplung vorgesehen wird, welche in einem geöffneten Zustand den Kraftfluss zwischen dem Antriebselement und dem Rad unterbricht und in einem geschlossenen Zustand einen entsprechenden Kraftfluss zulässt. Es sind jedoch auch Anordnungen denkbar, bei denen die Schaltzustände der Kupplung im Verhältnis zu dem Kraftfluss entgegengesetzt zu der gerade beschriebenen Anordnung vorgesehen sind. Das Entkoppeln des Antriebselements von dem Antriebsstrang führt in vorteilhafter Weise dazu, dass Schleppmomente, welche sich negativ auf den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs auswirken, reduziert beziehungsweise gänzlich eingestellt werden.
Weiter vorteilhaft wird vorrangig ein Antriebselement entkoppelt, welches einen hohen Kühlbedarf aufweist. Hierfür ist jedoch erforderlich, dass aufgrund der aktuellen Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann.
Unter dem Kühlbedarf ist dabei zu verstehen, dass beispielsweise aufgrund einer integrierten Sensorik ein Temperaturanstieg in dem jeweiligen Antriebselement und/oder dem diesen zugeordneten schaltbaren Mehrganggetriebe erkannt wird und zur Prävention von Schädigung beziehungsweise zur Steigerung der Lebensdauer dieses Antriebselements beziehungsweise schaltbaren Mehrganggetriebes eine Entkopplung erfolgt.
Dabei sind verschiedenste Szenarien in der jeweiligen Fahrstrategie denkbar. Beispielsweise kann es zulässig sein, ein Antriebselement mit einem hohen Kühlbedarf zu entkoppeln, wenn eine Entkopplung und Verlagerung auf die anderen Antriebselemente bei der aktuellen Fahrstrategie beziehungsweise Fahranforderung ohne Einbußen auf den Fahrbetrieb realisierbar ist. Über einen entsprechenden Algorithmus in einem dazugehörigen Steuergerät könnte darüber hinaus eine Abwägung erfolgen, ob ein Entkoppeln zum Schutz des Antriebselements beziehungsweise des schaltbaren Mehrganggetriebes höherrangig zu bewerten ist, als Einbußen im Fahrbetrieb beziehungsweise umgekehrt. Somit wären auch Zustände denkbar, in denen eine Entkopplung eines Antriebselements erfolgt, obwohl dies mit Einbußen im Fahrbetrieb verbunden ist.
Darüber hinaus ist es unabhängig davon auch denkbar, Antriebselemente zu entkoppeln, damit die jeweiligen Antriebselemente in dem Triebzug eine annähernd gleiche Laufleistung und somit eine ähnliche Lebensdauererwartung aufweisen. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Verschleiß aller Antriebselemente erreicht, was einem plötzlichen Versagen einzelner Antriebselemente präventiv entgegenwirkt.
Weiter wird bei dem Verfahren durch eine Steuer- und Regelungsvorrichtung das Gewicht des Triebzugs detektiert. Soweit aufgrund der aktuell vorliegenden Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann, wird vorrangig ein Antriebselement entkoppelt, in dessen Bereich der Triebzug in Relation zu anderen Bereichen des Triebzugs ein geringeres Gewicht aufweist.
Das Gewicht des Triebzugs kann dabei durch eine geeignete Sensorik in den Rädern, den Achsen und/oder der Federung beziehungsweise den Dämpfern des Triebzugs ermittelt werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Gewicht des Triebzugs über eine mit Sensoren versehene Messstrecke detektiert wird, wobei die Messstrecke in die Fahrstrecke des Triebzugs integriert ist und die Messergebnisse durch geeignete Übertragungsmittel beispielsweise eine Funk-Datenübertragung oder eine Datenübertragung mittels Schleifkontakten erfolgt.
Das Entkoppeln eines Antriebselements in einem Bereich des Triebzugs, welcher in Relation zu einem anderen Bereich ein geringeres Gewicht aufweist, bezweckt, dass insbesondere die Räder beziehungsweise Antriebselemente aktiv in den Fahrbetrieb eingreifen, welche eine hohe Traktion aufweisen. Hierdurch kann insbesondere der Verschleiß der Räder, sowie der Schienen, reduziert werden.
Weiter vorteilhaft wird durch eine Steuer- und Regelungsvorrichtung ein Radumfang der angetriebenen Räder des Triebzugs ermittelt. Soweit aufgrund der Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann, wird vorrangig ein Antriebselement entkoppelt, welches ein Rad oder ein Radpaar mit einem geringen Radumfang antreibt.
Durch diese Maßnahme kann positiv beeinflusst werden, dass sämtliche Räder beziehungsweise Radpaare des Triebzugs möglichst gleichmäßig verschleißen. Somit können die Wartungsintervalle des Triebzugs besser geplant werden, da einzelne Räder nicht unplanmäßig gewechselt werden müssen.
Der Radumfang der angetriebenen Räder des Triebzugs kann dabei durch eine mit Sensoren ausgestattete Messstrecke in der Fahrstrecke/Schiene vermittelt werden. Auch ein direktes oder indirektes Messen des Radumfangs der angetriebenen Räder ist ähnlich wie bei der direkten oder indirekten Messung bei Reifendruckkontrollsystemen denkbar. Dabei kann entweder eine Differenzdrehzahl zwischen einzelnen Rädern beziehungsweise Radpaaren Rückschluss auf einen geringeren Radumfang geben, oder auch die Messung einer Frequenz einer Schwingung in dem Rad ist möglich. Dabei ändert sich die Frequenz der eingeleiteten Schwingung in Abhängigkeit zu dem Radius und lässt somit ebenfalls einen Rückschluss auf den Radumfang beziehungsweise den Verschleiß des Rads oder des Radpaars zu.
Gerade bei Triebzügen beziehungsweise allgemein im Schienenverkehr stellt ein ungleichmäßiger beziehungsweise ein erhöhter Verschleiß von Rädern ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, welches durch die beschriebenen Verfahrensschritte reduziert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens kann bei Vorliegen eines bekannten Streckenprofils eine hinterlegte Fahrstrategie vorgewählt oder gewählt werden.
Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass insbesondere im spurgebundenen Verkehr der Fahrbetrieb von Triebzügen beziehungsweise Schienenfahrzeugen durch vergleichsweise weniger Einflussfaktoren gestört wird. So ist beispielsweise der Streckenverlauf weitgehend gleichbleibend. Auch individuelle Fahrmanöver wie beispielsweise ein Ausweichmanöver in einem Straßenfahrzeug, treten im spurgebundenen Verkehr nicht auf. Darüber hinaus können auch Steigungen und Gefälle beziehungsweise Gefahrenbereiche entsprechend hinterlegt werden. Unter Berücksichtigung der Parameter kann somit eine Fahrstrategie vorgewählt oder gewählt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise gezielt einzelne Antriebselemente entkoppelt oder zugeschaltet werden können, sowie, dass bezüglich einzelner oder mehrerer Antriebselemente eine Betriebspunktverschiebung erfolgt.
Weiter erfolgt zyklisch eine Verarbeitung der Fahranforderung und der Umgebungsbedingungen. Bei einer Änderung dieser Parameter erfolgt eine Anpassung der Fahrstrategie mit einer entsprechenden Ansteuerung der wenigstens zwei Antriebselemente und des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes.
Unter zyklisch ist dabei zu verstehen, dass in definierten, beispielsweise gleichmäßigen, Zeitabständen eine Verarbeitung der Fahranforderung und der Umgebungsbedingungen erfolgt. Dabei kann die Intervalllänge zwischen den Zyklen entsprechend der Fahranforderung variieren.
In vorteilhafter Weise befindet sich während eines Anfahrvorgangs das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe in einem Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis, wobei das diesem wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebe zugeordnete Antriebselement betrieben wird. Mit steigender Fahrgeschwindigkeit des Triebzugs erfolgt ein Gangwechsel des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes in einem Gang mit einem niedrigen Übersetzungsverhältnis.
Je nach Fahrstrategie beziehungsweise Fahranforderung kann es auch denkbar sein, dass mehrere oder alle schaltbaren Mehrganggetriebe sich in einem Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis befinden.
Durch das hohe Übersetzungsverhältnis kann das für das Anfahren erforderliche hohe Anfahrmoment bereitgestellt werden.
Bei einem Gangwechsel mehrerer schaltbarer Mehrganggetriebe in einen Gang mit einem niedrigen Übersetzungsverhältnis erfolgen die Gangwechsel der einzelnen schaltbaren Mehrganggetriebe sequenziell. In weiteren Ausführungen können die Gangwechsel der schaltbaren Mehrganggetriebe jedoch auch gleichzeitig erfolgen.
Unter sequenziell ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Gangwechsel der jeweiligen schaltbaren Mehrganggetriebe nicht alle gleichzeitig erfolgen. Dabei können die Gangwechsel einzelner schaltbarer Mehrganggetriebe auch gleichzeitig, zum Beispiel gruppenweise, erfolgen oder alle zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt. Hierdurch wird verhindert, dass die Zugkraft des Triebzugs unterbrochen wird. Einerseits trägt dies zu einer Erhöhung des Fahrkomforts bei, andererseits wird hierdurch der Wirkungsgrad erhöht, da insbesondere während eines Fahrbetriebs in einer Steigung eine Zugkraftunterbrechung dazu führen würde, dass des Triebzug aufgrund der Steigung verlangsamt, und nach einem gleichzeitigen Gangwechsel die Antriebselemente trotz Durchführung der Betriebspunktverschiebung in einem ungünstigen Wirkungsgradbereich betrieben würden. Es ist jedoch auch denkbar, einzelne schaltbare Mehrganggetriebe zu kopieren, das heißt, funktional zusammenzufassen. Auch hierdurch wird wirksam eine Zugkraftunterbrechung während eines Gangwechsels verhindert. Durch die Kopierung mehrerer schaltbarer Mehrganggetriebe kann in vorteilhafter Weise die Zeit minimiert werden, welche für absolut sequenzielle, das heißt streng nacheinander durchgeführte, Gangwechsel benötigt wird.
Gleiches gilt in umgekehrter Weise für eine Schaltung in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis während einer Fahrt in einem Gefälle. Auch hier wäre eine negative Auswirkung auf den Fahrkomfort spürbar, des Weiteren wäre ein Bremseinsatz notwendig, und auch eine Überlastung der Antriebselemente und/oder der schaltbaren Mehrganggetriebe wäre denkbar, wenn der Triebzug aufgrund des Gefälles während der Zugkraftunterbrechung weiter beschleunigt.
In vorteilhafter Weise wird bei einem Bremsvorgang durch die wenigstens zwei Antriebselemente ein Bremsmoment erzeugt. Zur Erhöhung des Bremsmoments erfolgt in vorteilhafter Weise ein Gangwechsel des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis. Dies setzt voraus, dass dieser Gang nicht bereits eingelegt ist. Durch den Gangwechsel in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis kann vorteilhaft ein höheres Bremsmoment bereitgestellt werden. Weiter muss ein entsprechender Gangwechsel in vorteilhafter Weise darüber hinaus zulässig sein. Hierunter ist zu verstehen, dass durch einen entsprechenden Gangwechsel weder technische Nachteile (beispielsweise eine unzulässige Drehzahl des Antriebselements), eine unzulässige Fahrsituation (zum Beispiel ein Blockieren der Räder, da ein zu hohes Bremsmoment eingeleitet wird) hervorgerufen werden.
Weiter erfolgt ein Gangwechsel mehrerer schaltbarer Mehrganggetriebe in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise sequenziell, soweit dieser Gang nicht bereits eingelegt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1: Eine schematische Darstellung zweier Wirkungsgrad-Isolinien in einem Diagramm in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistung;
2: Eine schematische Darstellung eines Triebzugs;
3: Eine zweite schematische Darstellung zweier Wirkungsgrad-Isolinien in einem Diagramm in Abhängigkeit von Drehzahl und Leistung.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Wirkungsgrad-Isolinie η_I und eine zweite Wirkungsgrad-Isolinie η_II. Dabei sind die Wirkungsgrad-Isolinien η_I, η_II in einem Diagramm dargestellt, wobei entlang der Abszisse die Drehzahl n des Antriebselements beziehungsweise der Antriebselemente und auf der Ordinate die Leistung P des Antriebselements beziehungsweise der Antriebselemente aufgetragen sind. In einem gemeinsamen Schnittpunkt der Abszisse und der Ordinate nehmen sowohl die Drehzahl n, als auch die Leistung P den Wert „0“ an. Beginnend an dem gemeinsamen Schnittpunkt der Abszisse mit der Ordinate nehmen sowohl die Drehzahl n, als auch die Leistung P zu. Auf der Abszisse ist darüber hinaus eine Drehzahl im Fahrbetrieb n_i aufgetragen, wobei die Drehzahl im Fahrbetrieb n_i > 0 ist. Entlang der Ordinate sind darüber hinaus, beginnend an dem Schnittpunkt der Abszisse mit der Ordinate, eine erste Leistung P₁ und eine zweite Leistung P₂ aufgetragen. Dabei gilt: P₁ > 0 und P₂ > P₁. Durch den Punkt der Drehzahl im Fahrbetrieb η_i verläuft eine gestrichelte Linie welche parallel zu der Ordinate angeordnet ist. Durch den Punkt der ersten Leistung P₁ verläuft eine gestrichelte Linie, wobei diese gestrichelte Linie parallel zu der Abszisse angeordnet ist. Durch den Punkt der zweiten Leistung P₂ verläuft ebenfalls eine gestrichelte Linie, wobei auch diese gestrichelte Linie parallel zu der Abszisse angeordnet ist. Ein erster Betriebspunkt B_yy wird durch den Schnittpunkt der Drehzahl im Fahrbetrieb n_i mit der ersten Leistung P₁ gebildet. Ein zweiter Betriebspunkt B_xy wird durch den Schnittpunkt der Drehzahl im Fahrbetrieb n_i mit der zweiten Leistung P₂ gebildet. Der erste Betriebspunkt B_yy befindet sich dabei auf der ersten Wirkungsgrad-Isolinie η_I. Der zweite Betriebspunkt B_xy ist auf der zweiten Wirkungsgrad-Isolinie η_II angeordnet.
Die Indizes bezüglich der Betriebspunkte B_xy, B_yy geben dabei an, wie viele Achsen der antreibbaren Achsen des Triebzugs aktuell durch Antriebselemente angetrieben werden. Dabei bedeutet dies für den ersten Betriebspunkt B_yy, dass alle antreibbaren Achsen des Triebzugs in diesem Fahrzustand durch Antriebselemente angetrieben werden. Hingegen ist im zweiten Betriebspunkt B_xy eine Anzahl x der antreibbaren Achsen y des Triebzugs angetrieben, wobei x < y ist.
In dem ersten Betriebspunkt B_yy werden alle Antriebselemente mit der Drehzahl im Fahrbetrieb n_i mit der ersten Leistung P₁ betrieben. Die Antriebselemente werden dabei mit dem ersten Wirkungsgrad η_I betrieben. Der erste Wirkungsgrad η_I weist dabei einen schlechteren Wirkungsgrad auf als der zweite Wirkungsgrad η_II, das heißt η_I < η_II.
Wird nun der Triebzug mit der ersten Leistung P₁ und der Drehzahl im Fahrbetrieb η_i betrieben, so geschieht dies im ersten Betriebsunkt B_yy. Um bei gleichen Fahrleistungen einen höheren Wirkungsgrad erzielen zu können, erfolgt eine Betriebspunktverschiebung von dem ersten Betriebspunkt B_yy hin zu dem zweiten Betriebspunkt B_xy. Dabei bleibt die Drehzahl im Fahrbetrieb η_i der Antriebselemente gleich. Dies führt dazu, dass die Antriebselemente und die Leistungselektronik nun mit der zweiten Leistung P₂ betrieben werden. Wie bereits durch den Index _xy angedeutet, können im Vergleich zu dem Betrieb in dem ersten Betriebspunkt B_yy im Betrieb in dem zweiten Betriebspunkt B_xy eine oder mehrere angetriebene Achsen entkoppelt, das heißt genauer deren Antriebselemente entkoppelt werden. Die Anzahl der zu entkoppelnden Achsen ergibt sich dabei aus der Differenz zwischen y und x. Zusammengefasst hat die Betriebspunktverschiebung zur Folge, dass die Antriebselemente zwar mit einer höheren Leistung (P2 > P1) betrieben werden, jedoch hat dies vorteilhaft zur Folge, dass durch das Entkoppeln einzelner Antriebselemente der Antriebsstrang des Triebzugs mit einem besseren Wirkungsgrad (hier η_II) betrieben werden kann.
Exemplarisch könnten in dem ersten Betriebspunkt B_yy zwölf von zwölf Achsen angetrieben sein. Dabei würde der Wirkungsgrad η_I der Antriebselemente und der Leistungselektronik 90% betragen. In dem zweiten Betriebspunkt B_xy wären beispielsweise fünf von zwölf Achsen angetrieben. Dabei würde der Antriebsstrang mit einem Wirkungsgrad η_II = 92% betrieben. In der exemplarischen Darstellung könnte die erste Leistung P₁ = 33 kW und die zweite Leistung P₂ circa 80 kW betragen. In dem gerade genannten Beispiel würden die Betriebspunktverschiebung und das Entkoppeln von sieben der zwölf angetriebenen Achsen dazu führen, dass eine Verlustleistung der Antriebselemente und der Leistungselektronik um circa 15% reduziert werden kann.
2 zeigt schematisch eine stark vereinfachte Darstellung eines Triebzugs 1. Der Triebzug 1 weist dabei in dieser Darstellung einen ersten Steuerwagen S1, einen zweiten Steuerwagen S2 und einen Mittelwagen M auf. Die Steuerwagen S1, S2 bilden in sich gegenüberliegender Anordnung das jeweilige Ende des Triebzugs 1. Der Mittelwagen M ist dabei zwischen den beiden Steuerwagen S1, S2 angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform weist der Triebzug 1 mit den Steuerwagen S1, S2 und dem Mittelwagen M drei Wagen beziehungsweise Electrical-Multiple-Units (EMU) auf. Je nach Anforderung können auch Triebzüge realisiert werden, die mehr als die drei genannten Wagen S1, S2, M aufweisen. Dabei wird der Triebzug in der Regel um weitere Mittelwagen M beliebig erweitert, wobei die weiteren Mittelwagen M ebenfalls zwischen den Steuerwagen S1, S2 angeordnet sind. Der erste Steuerwagen S1 weist dabei drei Fahrzeugachsen A1, A2, A3 auf. Der Mittelwagen M weist vier Fahrzeugachsen A4, A5, A6, A7 auf und der zweite Steuerwagen S2 weist drei Fahrzeugachsen A8, A9, A10 auf. Dabei ist an jedem Wagen S1, S2, M wenigstens eine Fahrzeugachse A1, A3, A4, A7, A8, A10 an einem Wagenende angeordnet. Dabei sind bei dem ersten Steuerwagen an dem Zugende zwei Fahrzeugachsen A1, A2 paarweise angeordnet, während an dem zuginneren Wagenende eine einzelne Fahrzeugachse A3 angeordnet ist. Bei dem Mittelwagen M sind jeweils zwei Achsen A4, A5 beziehungsweise A6, A7 an den jeweiligen Wagenenden paarweise angeordnet. An dem zweiten Steuerwagen sind an dem zuginneren Wagenende eine Fahrzeugachse A8 und an dem Zugende zwei Fahrzeugachsen A9, A10 paarweise angeordnet.
Die in 2 gewählte Darstellung zeigt einen Fahrzustand in dem einzelne Fahrzeugachsen A1, A2, A4, A5, A6, A7, A9, A10 angetrieben werden, während andere Fahrzeugachsen A3, A8 entkoppelt sind.
Abweichend zu der vorherigen Schilderung sind auch Fahrzustände mit abweichender Verteilung von entkoppelten und angetriebenen Fahrzeugachsen A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9, A10 denkbar. Weiter können auch anstatt einer Fahrzeugachse die einzelnen Räder mit einem Antriebselement und/oder mit einem schaltbaren Mehrganggetriebe verbunden sein.
Ebenfalls sind Anordnungen denkbar, bei denen einzelne Fahrzeugachsen, beispielsweise die Fahrzeugachsen A1, A3, A7 jeweils ein Antriebselement mit einem schaltbaren Mehrganggetriebe aufweisen, während die verbleibenden Fahrzeugachsen lediglich ein Antriebselement, jedoch kein schaltbares Mehrganggetriebe aufweisen.
3 zeigt eine zweite schematische Darstellung einer ersten Wirkungsgrad-Isolinie η_I und einer zweiten Wirkungsgrad-Isolinie η_II. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführung erfolgt die Betriebspunktverschiebung von B_n1 hin zu B_n2 dadurch, dass das Antriebselement mit der gleichen Leistung P1 bei unterschiedlichen Drehzahlen (n1, n2) betrieben wird. In Abhängigkeit von der vorliegenden Fahrsituation kann das Antriebselement somit durch einen Gangwechsel des dem wenigstens einen Antriebselement zugeordneten schaltbaren Mehrganggetriebes mit einem höheren Wirkungsgrad (η_I, η_II) betrieben werden. Dies kann dazu führen, dass ein weiteres Antriebselement entkoppelt werden kann, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Triebzugs weiter steigt.
Bezugszeichenliste

1: Triebzug
A1: Fahrzeugachse
A2: Fahrzeugachse
A3: Fahrzeugachse
A4: Fahrzeugachse
A5: Fahrzeugachse
A6: Fahrzeugachse
A7: Fahrzeugachse
A8: Fahrzeugachse
A9: Fahrzeugachse
A10: Fahrzeugachse
B_xy, B_n2: Zweiter Betriebspunkt
B_yy, B_n1: Erster Betriebspunkt
M: Mittelwagen
n: Drehzahlantriebselement
n_i: Drehzahl im Fahrbetrieb
η_I: Erste Wirkungsgrad-Isolinie
η_II: Zweite Wirkungsgrad-Isolinie
P: Leistung
P₁: Erste Leistung
P₂: Zweite Leistung
S1: Erster Steuerwagen
S2: Zweiter Steuerwagen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1177671 B [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) mit wenigstens zwei Antriebselementen und wenigstens einem schaltbaren Mehrganggetriebe, wobei das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe funktional einem Antriebselement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fahranforderung und Umgebungsparameter erfasst und verarbeitet werden, und die wenigstens zwei Antriebselemente und das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe so angesteuert werden, dass eine Betriebspunktverschiebung des Betriebspunktes (B_xy, B_yy, B_n1, B_n2) des dem wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebe zugeordneten Antriebselements erfolgt.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachteiligen Fahrbetrieb durch eine Steuer- und Regelungsvorrichtung eine vorteilige Fahrstrategie ermittelt wird, so dass eine Betriebspunktverschiebung des Betriebspunktes (B_xy, B_yy) wenigstens eines Antriebselements durch einen Gangwechsel des jeweils zugeordneten Mehrganggetriebes erfolgt.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachteiligen Fahrbetrieb durch eine Steuer-und Regelungsvorrichtung eine vorteilige Fahrstrategie ermittelt wird, so dass eine Betriebspunktverschiebung des Betriebspunktes (B_n1, B_n2) eines Antriebselements dadurch erreicht wird, dass das wenigstens eine Antriebselement mit einer anderen Leistung betrieben wird.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Antriebselement von dem Antriebsstrang entkoppelt wird, sobald dessen Mitwirken aufgrund der aktuellen Fahrstrategie nicht erforderlich ist.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, soweit aufgrund der Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann, vorrangig ein Antriebselement entkoppelt wird, welches einen hohen Kühlbedarf aufweist.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuer- und Regelungsvorrichtung das Gewicht des Triebzugs (1) detektiert wird und dass, soweit aufgrund der Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann, vorrangig ein Antriebselement entkoppelt wird, in dessen Bereich der Triebzug (1) in Relation zu anderen Bereichen des Triebzugs (1) ein geringeres Gewicht aufweist.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuer- und Regelungsvorrichtung ein Radumfang der angetriebenen Räder des Triebzugs (1) ermittelt wird und dass, soweit aufgrund der Fahrstrategie wenigstens ein Antriebselement entkoppelt werden kann, vorrangig ein Antriebselement entkoppelt wird, welches ein Rad oder ein Radpaar mit einem geringen Radumfang antreibt.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekanntem Streckenprofil hinterlegte Fahrstrategien vorgewählt oder gewählt werden.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zyklisch eine Verarbeitung der Fahranforderung und der Umgebungsbedingungen erfolgt, und bei einer Änderung dieser Parameter eine Anpassung der Fahrstrategie mit einer entsprechenden Ansteuerung der wenigstens zwei Antriebselemente und des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes erfolgt.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich während eines Anfahrvorgangs das wenigstens eine schaltbare Mehrganggetriebe in einem Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis befindet, und dass das diesem wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebe zugeordnete Antriebselement betrieben wird, wobei mit steigender Fahrgeschwindigkeit des Triebzugs (1) ein Gangwechsel des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes in einen Gang mit einem niedrigen Übersetzungsverhältnis erfolgt.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Gangwechsel mehrerer schaltbarer Mehrganggetriebe in einen Gang mit einem niedrigen Übersetzungsverhältnis die Gangwechsel der einzelnen schaltbaren Mehrganggetriebe sequenziell erfolgen.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bremsvorgang durch die wenigstens zwei Antriebselemente ein Bremsmoment erzeugt wird, wobei zur Erhöhung des Bremsmoments ein Gangwechsel des wenigstens einen schaltbaren Mehrganggetriebes in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis erfolgt, soweit dieser Gang nicht bereits eingelegt ist und soweit dies zulässig ist.
Verfahren zum Betreiben von Triebzügen (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gangwechsel mehrerer schaltbarer Mehrganggetriebe in einen Gang mit einem hohen Übersetzungsverhältnis sequenziell erfolgt, soweit dieser Gang nicht bereits eingelegt ist.