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Einrichtung zur Erfassung des Schleuderns oder Gleitens Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung des Schleuderns oder Gleitens von
angetriebenen bzw. gebremsten Achsen in Schienentriebfahrzeugen mit wenigstens halbautomatischer
Steuerung, wobei mit jeder der zu überwachenden Achsen eine Tachomaschine gekuppelt
ist, von deren differenzierter Klemmenspannung eine Meldung oder ein Steuerkommando
abgeleitet ist.
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Für die Erfassung des Schleuderns bzw. Gleitens ist es bekannt, aus
dem Vergleich der Drehzahlen zweier Treibachsen ein Kriterium für eine Herabsetzung
der Zug- bzw. Bremskraft abzuleiten. Praktische Versuche haben jedoch ergeben, daß
die unterschiedlichen Raddurchmesser, die im allgemeinen bis 10 "/o differieren
können, eine genaue Bestimmung des Überganges von der rollenden zur gleitenden Reibung
nicht erlauben. Außerdem hat sich ergeben, daß im Bremsbetrieb die meist in verkreuzter
Bremsschaltung angeordneten Motoren beim Gleiten ziemlich exakt gleiche Drehzahlen
annehmen. Das aus dem Drehzahlvergleich gewonnene Kriterium für den Einsatz des
Schleuderns oder Gleitens ist demnach unsicher. Eine volle Ausnutzung der Haftreibung
ist auf diese Weise nicht möglich.
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Bei Fahrzeugen, bei denen neben den Treibachsen auch nicht angetriebene
Laufachsen vorhanden sind, läßt sich der Beginn für das Schleudern bzw. Gleiten
etwas besser erfassen, weil als Vergleichsnormal die Drehzahl einer der nicht angetriebenen
Laufachsen zur Verfügung steht. Eine Einrichtung zur Verhinderung des Schleuderns,
bei der eine Laufachse als Vergleichsnormal verwendet ist, befriedigt bereits in
vielen Fällen, der Aufwand für die Auslegung einer solchen Anlage ist jedoch verhältnismäßig
groß.
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Daneben ist auch schon ein Gerät zur selbsttätigen Auslösung von Schaltvorgängen
beim Überschreiten eines bestimmten Wertes der zeitlichen Änderung einer physikalischen
Größe, vorzugsweise der Drehzahl, zur Beeinflussung von Schleudervorgängen bei Schienentriebfahrzeugen
angegeben worden. Bei diesem Gerät ist in einem vorzugsweise von einem Wechselstromgeber
in Verbindung mit einem Gleichrichter gespeisten und mit einem Kondensator und einem
Steuerungsmittel versehenen Stromkreis ein Widerstand an den Gleichstromausgang
des Gleichrichters angeschlossen; das Steuerungsmittel ist so angeordnet, daß durch
dieses im stationären Zustand bei konstanter Drehzahl kein Strom, jedoch bei einerDrehzahländerung
ein Ausgleichsstrom fließt, der die Schaltvorgänge bewirkt. Das Gerät kann an bestehende
elektrische Meßanlagen angeschlossen werden, ohne daß die ursprüngliche Anzeige
beeinträchtigt wird. In einer anderen Anordnung zur Anzeige des Überbremsens eines
Schienenfahrzeuges mit Einzel-oder Mehrachsenantrieb wird eine der Geschwindigkeit
der gebremsten Achse entsprechende Spannung erzeugt und diese Spannung einem Meßglied
zugeführt, das auf den Differentialquotienten dieser Spannung anspricht. Das Meßglied
ist hierbei so ausgebildet, daß es nur auf den negativen Differentialquotienten
anspricht. Gegebenenfalls kann die Ansprechempfindlichkeit des Meßgerätes noch durch
zusätzliche Spannungseinflüsse veränderbar sein.
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Ferner ist es bekannt, für eine Schleuderanzeige als Meßglied ein
polarisiertes Anzeige- oder Steuergerät zu verwenden, das mit dem Fahrmotorstromkreis
induktiv und/oder kapazitiv so gekoppelt ist, daß es nur auf die zeitliche Minderung
einer der Geschwindigkeit der gebremsten Achse entsprechenden Spannung, d. h. auf
den negativen Differentialquotienten des Fahrmotors anspricht.
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Für Fahrzeuge, die neu in den Verkehr gebracht werden, genügen diese
bekannten Einrichtungen zur Erfassung des Schleuderns und Gleitens nicht mehr. Bei
diesen Fahrzeugen wird volle Ausnutzung der Reibungsgrenze beim Anfahren und Bremsen
verlangt, und gleichzeitig wird von diesen Fahrzeugen trotz ihres hohen Gewichtes
gefordert, daß deren Geschwindigkeit z. B. im innerstädtischen Verkehr den ständig
wechselnden Verkehrssituationen angepaßt werden kann. Diese Forderung bedingt die
Verwendung von sicher wirkenden Bremsen und Einrichtungen, die beim Auftreten eines
Gleitens bzw. Schleuderns die Steuerung selbsttätig so beeinflussen, daß die im
Zustand der gleitenden Reibung befindlichen Treibachsen wieder in den Zustand der
rollenden Reibung zurückgeführt werden. Hierzu sind schnell wirkende Meßeinrichtungen
zu verwenden,
die unmittelbar nach dem Auftreten eines Schleuderns
oder Gleitens das im Fahrrnotorkreis erzeugte Moment herabsetzen, und es sind Einrichtungen
erforderlich, die nach anschließendem Unterschreiten der Reibungsgrenze eine neuerliche
Erhöhung des erzeugten Momentes freigeben.
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Gerade dieser letzten Forderung genügen die bisher bekannten Einrichtungen
jedoch nicht in ausreichendem Maße, so daß unter Berücksichtigung all dieser Forderungen
in einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art zur Erfassung des Schleuderns oder
Gleitens von angetriebenen bzw. gebremsten Achsen in Schienentriebfahrzeugen mit
wenigstens halbautomatischer Steuerung erfindungsgemäß eine weitere Differenziereinrichtung
vorhanden ist, die den zweiten Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung
zur Gewinnung eines Steuersignals für das neuerliche Hochschalten der Steuereinrichtung
im Sinne einer Erhöhung der Kräfte zwischen Rad und Schiene bildet. Eine vorteilhafte
Weiterbildung dieser Erfindung ist darin zu sehen, daß der zweite Differentialquotient
an einem zusätzlichen RC-Glied abgegriffen ist und eine Sperrzelle parallel zu dessen
Widerstand so liegt, daß die beim Einsetzen eines Gleitvorganges auftretenden Signalspannungen
unterdrückt werden. Außerdem ist es vorteilhaft, daß das neuerliche Hochschalten
nach Auftreten eines Gleitens oder Schleuderns vom Verschwinden des vom zweiten
Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung nach dem Zurückschalten gebildeten
Steuersignals abhängig gemacht ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es erstmals möglich, nach
einem Schleudern oder Gleiten den Zeitpunkt des neuerlichen Hochschaltens nicht
mehr dem Ermessen des Fahrers zu überlassen, sondern ein physikalisch einwandfreies
Kriterium zu verwenden, das allen Anforderungen gerecht wird.
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Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben.
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In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Schaltungsbeispiel dargestellt.
Es sind handelsübliche Relais, Kondensatoren und Widerstände verwendet, doch arbeitet
die erfindungsgemäße Einrichtung wesentlich betriebssicherer und schneller, wenn
an Stelle mechanischer Relais kontaktlose Elemente Verwendung finden.
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Mit der zu überwachenden, nicht dargestellten Treibachse ist eine
Gleichstromtachomaschine T gekuppelt, deren Spannung U durch den Kondensator K1
differenziert wird. Der Differentialquotient dieser Spannung liegt am Widerstand
r1 an. Im Punkt b der Schaltung kann gegen Masse eine dem ersten Differentialquotienten
der Tachomaschine verhältnisgleiche Spannung abgenommen werden. Bei E ist die Schaltung
geerdet, um gegenüber der Fahrzeugmasse definierte Potentialverhältnisse zu bekommen.
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Von der zwischen Punkt b und Masse E abgenommenen Spannung ist die
Wicklung w1 des Relais R1 erregt, das bei seinem Ansprechen ein Zurückschalten der
Steuerung und damit eine Verringerung der zwischen Rad und Schiene wirkenden Kräfte
auslöst. Auf dem Relais R1 ist noch eine zweite Wicklung w." aufgebracht, die von
einer der Brems- oder Antriebsleistung proportionalen Spannung erregt ist, wodurch
für das Ansprechen des Relais R1 ein »gleitender Grenzwert« vorgegeben wird. Die
der Brems- oder Zugkraft proportionale Spannung wird an geeigneter Stelle der hier
ebenfalls nicht dargestellten Stark-Stromkreise des Fahrzeuges abgegriffen und über
die Klemmen 1 und 2 der vorliegenden Einrichtung zugeführt. Der Widerstand r4 dient
zur Anpassung der Wicklung wz, an die an den Klemmen 1 und 2 anliegende Gegenspannung.
Das Signal für das Zurückschalten wird an der Klemme 3 abgenommen, die vom Arbeitskontakt
5 des Relais R1 an Spannung gelegt wird. Die notwendige Hilfsspannung für die Erzeugung
des Kommandos »Zurückschalten« liefert eine besondere Spannungsquelle, die mit B
bezeichnet ist.
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Das neuerliche Hochschalten nach Beendigung eines Schleuderns bzw.
Gleitens wird aus dem Verlauf des zweiten Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung
abgeleitet. Zur Gewinnung des zweiten Differentialquotienten ist in Punkt b der
Schaltung ein weiteres RC-Glied, bestehend aus Kondensator K, und dem inneren Widerstand
der Erregerwicklung des Relais R., angeschlossen. In Punkt c liegt gegen Masse,
d. h. also an den Klemmen der Erregerwicklung des Relais R1, dann eine der Höhe
des zweiten Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung verhältnisgleiche
Spannung an. Der Arbeitskontakt 6 schließt die Klemme 4 an die Hilfsstromquelle
B an und gibt damit ein Signal, das das vorzeitige Aufschalten nach Wegfall des
Zurückschaltsignals bis zur Beendigung des Gleit-oder Schleudervorganges verhindert.
Damit das Relais R, nur anspricht, wenn die Spannung im Punkt c gegenüber der Masse
E positiv ist, ist der Erregerwicklung eine Diode 9 parallel geschaltet.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung
ist der Spannungsverlauf für ausgezeichnete Punkte dieser Schaltung in F i g. 2
in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
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F i g. 2 a zeigt die Klemmenspannung U der Tachomaschine T, in F i
g. 2 b ist der Verlauf des ersten Differentialquotienten der Klemmenspannung U dargestellt,
und in F i g. 2 c ist der Verlauf des zweiten Differentialquotienten wiedergegeben.
Außerdem ist zwischen F i g. 2 b und 2 c schematisch dargestellt, wann die Relais
R1 und R, schließen bzw. öffnen.
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Solange sich das Fahrzeug mit gleichbleibender Geschwindigkeit fortbewegt,
ist auch die Höhe der Klemmenspannung U unverändert, dies wird durch den ersten
Teil des Verlaufes der Spannung U dargestellt. Zur Zeit t1 soll die Bremsung einsetzen.
Die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und damit die Klemmenspannung U der Tachomaschine
T nimmt ab. Dieser Bereich der zunehmenden Bremskraft wird durch das Intervall ti-
t, dargestellt. Während dieses Intervalls ist der erste 1bifferentialquotient
der Klemmenspannung U ungleich Null und negativ (vgl. F i g. 2b). Die Größe des
ersten Differentialquotient wird, wie bereits ausgeführt, durch die Spannung im
Punkt b der Schaltung bestimmt. übersteigt der erste Differentialquotient seinen
durch die Bremskraft einerseits und durch die Reibungskraft andererseits vorgegebenen
Grenzwert, so ist das ein Kriterium dafür, wann das Gleiten einsetzt und die zwischen
Rad und Schiene wirkende Kraft verringert werden rnuß. Aus diesem Grunde ist auch
im Punkt b der Schaltung das Relais R, angeschlossen, welches das Zurückschalten
auslöst.
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Damit das Relais R1 unabhängig von der jeweiligen Stromstärke in den
Fahrmotoren stets bei etwa derselben Stärke des Schleuderns bzw. Gleitens anspricht,
ist auf dem Relais neben der vom ersten Differentialquotienten
der
Tachomaschinenspannung erregten Wicklung w1 eine weitere, entgegen der ersteren
magnetisierende Wicklung w2 vorhanden, die verhältnisgleich dem Strom in den Fahrmotoren
erregt ist. Dieser stellt aber ein Maß für die Größe der auf das Fahrzeug wirkenden
Beschleunigung bzw. Verzögerung dar, so daß die Erregung der Wicklung w2 von dem
Istwert der Beschleunigung bzw. Verzögerung des Fahrzeuges abhängig ist. Der Wirkung
der Wicklung w2 ist noch die der Rückholfeder im Relais R1 überlagert. Für die der
Wicklung w1 entgegenwirkenden Kräfte ergibt sich nach dem vorstehend Ausgeführten
eine Summenkurve S, die im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels den in F
i g. 2 b gezeigten Verlauf haben soll.
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Diese Summenkurve S gibt der Einrichtung einen »gleitenden Grenzwert«
vor. Mit dem »gleitenden Grenzwert« wird der Beginn des Zurückschaltens und damit
der maximal zugelassene Grenzwert der Beschleunigung bzw. Verzögerung mit zunehmendem
Fahrmotorstrom in der Weise verschoben, daß die Ansprechempfindlichkeit dem jeweiligen
Schienenzustand angepaßt ist und das Zurückschalten stets bei derselben Stärke des
Gleitens einsetzt. So ergibt sich z. B. auf einem schmierigen Gleis, auf dem der
Reibwert zwischen Schiene und Rad niedrig ist, daß das Gleiten schon bei einem relativ
kleinen Strom in den Fahrmotoren einsetzt. Der »gleitende Grenzwert« ist dann auch
niedrig, und das Gleiten wird schon bei kleinen Werten, also frühzeitig, erfaßt.
Ist jedoch ein hoher Reibwert zwischen Schiene und Rad vorhanden, dann tritt ein
Gleiten erst bei hohen Werten des Fahrmotorstromes auf. Der »gleitende Grenzwert«
ist dann auch entsprechend hoch, d. h., daß das Fahrzeug mit hoher Verzögerung abgebremst
werden kann, ohne daß das Relais R1 anspricht.
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Zur Zeit t2 sei die Bremskraft so groß geworden, daß die Grenze des
Reibwertes erreicht ist und der Radsatz zu gleiten beginnt. Dieses Gleiten führt
zu einem plötzlichen Abfall der Klemmenspannung U (vgl. F i g. 2 a) was zwischen
t2 und ts eine stark ausgeprägte Spitze im Verlauf des ersten Differentialquotienten
erzeugt. Die Größe dieser Spitze kennzeichnet die Stärke des Gleitens, also die
Relativgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene. Das Relais R1 wird auf Grund des
Vorhergesagten ansprechen, sobald der von der Wicklung w1 erzeugte Fluß größer ist
als derjenige der Wicklung w2 zuzüglich der Wirkung der Rückholfeder. Dieses Ansprechen
des Relais R1 erfolgt zu der Zeit t3. Der Arbeitskontakt 5 veranlaßt daraufhin das
Zurückschalten. Gegebenenfalls können von dem Relais R, auch Sandstreuer betätigt
werden.
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Die Kraft zwischen Rad und Schiene wird infolge des Zurückschaltens
verringert, was sich durch den Abfall der Summenkurve S im Bereich t" -t., darstellt.
Infolge der herabgesetzten Kraft zwischen Rad und Schiene beginnt sich die betrachtete
Treibachse nach der Zeit t4 wieder zu fangen. Zur Zeit t5 ist das Gleiten so weit
abgeklungen, daß der von dem ersten Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung
in der Wicklung w. erzeugte Fluß kleiner geworden ist als die Summenwirkung des
vom Bremsstrom in der Wicklung yv2 erzeugten Flusses und der Rückholfeder. Das Relais
R1 fällt ab, die Steuerung bleibt auf der erreichten Stufe stehen.
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Zur Zeit t4, im Minimum des ersten Differentialquotienten der Tachomaschinenspannung,
geht der zweite Differentialquotient der Tachomaschinenspannung durch Null (vgl.
F i g. 2 c). Den zweiten Diffe= rentialquotient erfaßt das Relais R2, dem eine Sperrzelle
derart parallel geschaltet ist, daß der zweite Differentialquotient der Tachomaschinenspannung
das Relais R2 nur dann zum Ansprechen bringen kann, wenn die Spannung im Punkt c
gegenüber der Masse E positiv ist. Das Relais R2, das das Wiederaufschalten sperrt,
wird daher etwa zum Zeitpunkt t4 anziehen, also zu einer Zeit, da das Relais R,
noch nicht abgefallen ist. Nach dem Abfallen von R1 hält R2 die Steuerung so lange
fest, bis bei to der Gleitvorgang nahezu abgeschlossen ist. Zur Zeit to tritt nämlich
im Verlauf der Tachomaschinenspannung U (vgl. F i g. 2 a) ein Wendepunkt auf, von
dem ab die bei t" einsetzende Beschleunigung bzw. Verzögerung des Radsatzes wieder
abgebaut wird. Obwohl die Relativgeschwindigkeit zwischen Rad und Schiene zur Zeit
to noch nicht zu Null geworden ist, ist es dennoch vorteilhaft, das Weiterschalten
der Steuerung schon bei to freizugeben. Das Intervall zwischen to und dem kurz hinter
t; liegenden Ende des Ausgleichsvorganges ist so kurz, daß infolge der bis zum Anlauf
der Steuerung erforderlichen Schalthandlungen ein Weiterschalten erst eintritt,
wenn sich der Radsatz wieder gefangen hat.
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Für den Fall, daß eine Freigabe der Steuerung zur Zeit to zu früh
sein sollte, kann das Weiterschalten beispielsweise von dem Ablauf eines Zeitgliedes
abhängig gemacht werden, das zur Zeit to angestoßen wird. Auch ist es möglich, das
auf to folgende Minimum im Verlauf des zweiten Differentialquotienten bzw. den Nulldurchgang
des ersten Differentialquotienten für die Freigabe der Steuerung heranzuziehen.
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Werden zwei voneinander unabhängige Achsen gleichzeitig überwacht,
so kann die differenzierte Tachomaschinenspannung der einen Achse an Stelle der
der Brems- oder Zugkraft proportionalen Spannung verwendet werden, die der Wicklung
w2 des Relais R1 zuzuführen ist. Auf diese Weise wird dann ein Vergleich der Winkelbeschleunigungen
für die betrachteten Achsen erzielt, da der erste Differentialquotient der Tachomaschinenspannung
der Winkelbeschleunigung bzw. Winkelverzögerung der betrachteten Treibachse verhältnisgleich
ist.
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Eine andere Form der Vorgabe eines gleitenden Grenzwertes für das
Ansprechen des Relais R3 ist in F i g. 3 dargestellt, bei der die Bezeichnungen
der F i g. 1 sinngemäß gelten. Die Wicklung w1 des Relais R1 ist vom Arbeitskontakt
7 des Relais R3 überbrückt, das im Nebenschluß zum Ausgleichswiderstand w des im
allgemeinen verkreuzten Bremskreises gelegt ist. Dem Arbeitskontakt 7 ist noch eine
Sperrzelle 8 parallel geschaltet, die die Wicklung wl kurzschließt, solange die
Spannung im Punkt d gegenüber der Masse E positiv ist. Wann das Relais R3 den Arbeitskontakt
7 öffnet und damit den Kurzschluß für die Wicklung wl des Relais R1 aufhebt, wird
von der Spannung am Ausgleichswiderstand w bestimmt, der damit ein Signal für das
Erreichen der Grenze des Reibwertes vorgibt.
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Solange die Reibwertgrenze nicht erreicht ist, bleibt der Arbeitskontakt
7 geschlossen, so daß sich der Kondensator K3 sehr schnell entsprechend der im Punkt
b anliegenden Spannung mit geringer Zeitkonstante aufladen kann. Der Punkt d bleibt
dabei auf dem Potential der Masse E. Kommt jedoch das
Signal vom
Ausgleichswiderstand, so wird der Kurzschluß für die Wicklung w1 durch Ansprechen
des Relais R3 unterbrochen, und ein weiteres Ansteigen des ersten Differentialquotienten
der Tachomaschinenspannung bewirkt jetzt auch Anheben des Potentials im Punkt d,
von dessen Höhe ein Signal für den Beginn des Zurückschaltens mit Hilfe des Relais
R1 abgeleitet wird. Das Erreichen der Reibwertgrenze und damit das öffnen des Arbeitskontaktes
7 hängt vom Gleiszustand ab, es ist daher immer gewährleistet, daß der Grenzwert
kurz über der von Gleiszustand abhängigen maximalen Winkelverzögerung der Achse
liegt. Dadurch wird ein Gleitvorgang ebenfalls frühzeitig erkannt und abgefangen.
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Nach einer Weiterbildung des in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels
ist es auch möglich durch Ansprechen des Relais R3 das Weiterschalten sperren zu
lassen und erst bei Ansprechen vom Relais R1 ein Zurückschalten einzuleiten.
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Den Beginn des Wiederaufschaltens gibt in jedem Falle das in F i g.
3 nicht dargestellte Relais R2 an. Für die Verwendung der vorstehend beschriebenen
Einrichtung zur Überwachung eines Anfahrvorganges ist in F i g. 1 lediglich die
Sperrzelle 9 und die Wicklung w2 des Relais R1 und in F i g. 3 die Sperrzelle 8
umzupolen.