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Verfahren zum Ermitteln der beim Bremsen zu berücksichtigenden Masse
von Schienenfahrzeugen Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zum Ermitteln
der beim Bremsen zu berücksichtigenden Masse (m) von Schienenfahrzeugen, deren beschleunigende
Antriebskraft (K) beim Anfahren annähernd konstant gehalten wird.
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Bei Personenzügen, insbesondere Stadt-Schnellbahnen, aber auch bei
Güterzügen ändert sich die Zugmasse bei jedem Bahnhofehalt durch Aus- und Zusteigen
von Fahrgästen, durch Auf- und Entladen von Gütern oder durch Abtrennen und Anhängen
von einzelnen Wagen.
Dadurch änd.ern sich die Werte der Beschleunigungen
dieser Züge. Schwere Züge benötigen bei gleicher Antriebskraft mehr Zeit, um auf
die gleiche Geschwindigkeit zu kommen, als leichte Züge. Verschieden lange Anfahrwege
sind jedoch unkritisch. Im Gegensatz dazu ist die Länge des jeweiligen Bremsweges
von großer Bedeutung. Wird die Bremskraft durch Muskelkraft aufgebracht, so bbrücksichtigt
der bremsende Mensch durch erhöhte Kraft oder früheres Auslösen der Bremsen eine
erhöhte Belastung seines Fahrzeuges. Da die Fahrgeschwindigkeiten immer größer wurden,
müssen jetzt die Bremsen durch Servoeinrichtungen betätigt werden, so z. B. durch
Luft- oder Flüssigkeitsdruck. Der Reibwert zwischen Rad und. Fahrbahn begrenzt jed.och
die möglichen Bremskräfte, die auf das Fahrzeug einwirken dUr-Cen. Durch entsprechendes
Einstellen der Bremskraft muß der Fahrzeugführer also ein Überbremsen der Räder
vermeiden, d. h. die Räder dürfen auf der Fahrbahn nicht gleiten. Aus Gründ,en
der Wirtschaftlichkeit, insbesondere aber bei allen Notbremsungen, wird ein möglichst
kurzer Bremsweg gefordert. Die Bremskraft muß also an jeder Achse entsprechendder
jeweiligen Achslast optimal eingestellt werden, da inebesond.ere bei Güterzügen
die Masse der einzelnen Wagen untereinand.er a-,4ch nicht annähernd gleich ist,
weil meistens beladene und unbeladene Wagen einen Zug bilden. Hierzu ist an jedem
Wagen ein Ventil mit zwei Stellungen ("Beladen" und "Unbeladen") vorhander, mit
dem die auf die Räder wirkende Bremskraft von Hand eingestel"4i.t wird.
Ferner
ist eine Einrich'tung bei Reisezugwagen bekanntl mit der die Masse jed:es einzelnen
Wagens beim Einstellen der Bremskraft berücksichtigt wird. Auch hier ist für jede
Achse ein Ventil vorgesehen, daß in Abhängigkeit von der Fed.erdurchbiegung der
jeweiligen Achse gesteuert wird. Dieses Ventil regelt die Bremskraft derartg daß
mit Zunahme der Federdurchbiegung die Bremskraft steigt. Dadurch soll die Verzögerung
auf immer gleichem Wert gehalten werden. Mit dieser Einrichtung kann zwar unabhängig
vom Beladungszustand ein immer gleicher Bremsweg eingehalten werden, jedoch kann
es nicht vermieden werden, daß die Räder mitunter auf den Schienen gleiten. Elektrisch
angetriebene Fahrzeuge mit entsprechend elektrischer Bremse benötigen keine lastabhängige
Regelung. Ein Überbremsen ist hierbei nicht möglich, da der die Bremokraft verursachende
Ankerstrom bei sinkender Motordrehzahl, z. B. bei beginnendem Gleiten der Räder,
abnimmt. Da Ankerstrom und Bremskraft'dIrekt proportional sind, läßt beim Gleiten
der Räder die Bremokraft sofort nach. Die unterschiedliche Bremsverzögerung meh;
oder weniger beladener Züge muß der Fahrzeugführer hierbei durch früheres oder späteres
Auslösen der -
Bremsen oder durch entsprechendes Einstellen der Bremakraft,
z. B. durch Ab- oder Zuschalten von Bremswiderständen, berücksichtigen. Die
Folge davon ist eine zusätzliche Belastung des Fahrzeugführers durch das Abschätzen
der Bremswege bzw. der , Bremokräfte bei unterschiedlichen Belastungen. Mit
diesen
bekannten Einrichtungen lassen sich außerdem automatische
Breinsvorgän ge bisher nicht realisieren, die eine Voraussetzung für vollautomatischen
Betrieb von Zügen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das die Nachteile
der bekannten Einrichtungen zum Berücksichtigen der abzubremsenden Masse vermeidet
und Möglichkeiten zum Einsatz in vollautomatisch fahrenden Zügen gibt. Erfindungsgemäß
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß nach dem Anfahren mindestens zwei der Bewegungsgrößen
Weg, Zeit und Geschwindigkeit in an sich, bekannter Weise gemessen und diesen Größen
entsprechende Werte einem Rechner zugeführt werdeng der daraus nach den Grundgesetzen
der Dynamik K = m . b und der Kinematik
und
einen der Masse entsprechenden Wert errechnet und der gespeicherte Wert bedarfsweise
einem zweiten Rechner zugeführt wird, der daraus und aus Meßwerten der Bewegungsgrößen
Geschwindigkeit bzw.-Weg nach denselben Grundgesetzen einen Wert für die Bremskraft
bzw. für den Bremseinsatzpunkt errechnet und ein entsprechendes Einstellkennzeichen
für die Bremseinrichtung abgibt. Es ist beispielsweise möglich, beim Abbremsen aus
der gleichen Geschwindigkeit zum Erzielen eines gleichbleibenden Bremsweges durch
das Einstellkennzeichen eine bestimmte der Masse entsprechende Bremskraft einzustellen.
Vorteilhafter jedoch ist ein Konstanthalten der Bremskraft und ein Einstellen des
Bremsweges in Ab-
hängigkeit von der Plasse. Dabei läßt sich nämlich die Bremokraft
einmalig so einstellen, daß die Räder auch bei geringstmöglichem Gewicht der Fahrzeuge
nicht auf den Schienen gleiten. Nach einem Teilmerkmal. der Erfindung wird eine
der beiden Bewegungsgrößen vorgegeben und die andere Größe erst wirksamgeschaltet,
wenn die erste-Größe den vorgegebenen Wert erreIcht.
Ferner ist
es zweckmäßige zusätzlich einen Wert für dein Neigungswinkel der beim Anfahren durchfahrenen
Strecke d,em T,echengerät zuzuführen, das diesen beim Ermitteln der Masse berücksichtigt.
Hierdurch ist es möglich, auch beim Befahren von Streckenbereichen mit anderer Neigung-ein
dem Wert der Masse und. d.er jeweiligen Neigung genau entsprechend.es 4instellkennzeichen
zu erhalten, mit dem die Bremskraft bzw, d.gr Bremsweg eingestellt wird.. Zu diesem
Zweck wird. der Wert d.er vorn Rechengerät ermittelten Masse bis zum nächsten Anhalten
des Fahrzeuges gespeichert und beim Ableiten des E#notellkennzeichens für die Bremseinrichtung
die Streckenneigung auf d-er d-abei befahrenen Strecke berücksichtigt. Die Erfindung
ist anhand d.er Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein
Blockschaltbild. einer tung zum Errechnen der Masse und dementsprechend.en Einstellen
der Bremskraft, wenn d.er zum Abbremsen aus d.er gleichen Geschwind,igkeit erford.erliche
Bremsweg des Fahrzeuges unabhängig von d.essen Masse immer gleich lang sein soll.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zum Errechneil d.er Masse und des Bremsweges bei
der jeweiligen Geschwindigkeit, wenn die Bremskraft d.er Bremseinrichtung immer
gleich groß sein Ein Schalter 1 in Fig. 1 belegt ein Koinzidenzgatter
2 mit Potential, wenn der Antrieb des betreffenden Fahrzeuge
eingeschaltet
wird. Hält das Fahrzeug, so ist der andere Eingang des Koinzidenzgatters 2 über
die Leitung 3 mit Potential beaufschlagt. Im Augenblick des Einschaltens
des Antriebs gibt das Koinzid.erizgatter 2 infolged.essen.einen Impuls an ein Zeitglied
4, welches den Impuls für eine vorgegebene Zeit t verzögert. Nach Ablauf dieser
Zeit gelangt der Impuls zu einem Rechengerät 61, das aus einem ersten Rechner
6,einem Speicher 8 und einem zweiten Rechner 10
besteht* Den Rechnern
6 und 10 wird von einer Geechwindigkeitsmeßeinrichtung 5 dauernd
der Wert der gerade erreichten Geschwindigkeit v zugeführt. Der erste Rechner
6 ermittelt aus dem Wert der erreichten Geschwindigkeit v, dazu benötigten
Zeit t und. der während dieser nahezu konstanten Antriebs-'2aft K des Fahrzeugs
die Fahrzeugmasee m nach d.er Gleichung
Diese Gleichung ergibt sich aus dem Einsetzen des Wertes der Beschleunigung
in'die Gleichung
Da es sehr häufig vorkommt, daß Fahrzeuge auf Steigungen bzw. Gefällestrecken beschleunigen
müssene würd.e der Wert der errechneten Masse mehr oder weniger stark verfälscht
sein. Diesem Umstand wird. dadurch Rechnung getragen, daß ein Neigungsmeld.er
7 vorgesehen ist, der dem Rechner 6 den Wert der Neigung mitteilt.
Der Rechner 6 berücksichtigt dies wie folgt:
Der Rechner 6 addiert bzw. subtrahiert also nur den Teilwert der Beschleunigung,
der durch die Erdbeschleunigung g
auf der Gefällestrecke bzw. Steigung mit
dem Winkel « wirksam wird., zu bzw. von dem aus der Zeit t und der Geschwindigkeit
v errechneten Beschleunigungswert. Der Neigungsmeld.er 7 kann aus einem auf
dem Fahrzeug angeordneten Meßgerät oder aus einem Empfänger bestehen, der von an
der Strecke ortsfest angeord-neten Einrichtungen die jeweiligen Meldungen über die
Streckenneigung des gerade befahrenen Streckenbereichs empfängt und an den Rechner
6
weitergibt. Nachdem der Rechner 6 den Wert der Masse m errechnet
hat, ".,ird dieser Wert in einen Speicher 8 eingegebeng der von einer Bremsauslöseeinrichtung
9 abgefragt wird, wenn die Bremseausgelöst werden soll. Dann erst gibt der
Speicher 8 den w rt der Masse an den zweiten Rechner 10 weiterg dem
gleichzeitig von der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 5 der Wert der nun bestehenden
Geschwindigkeit und vom Neigungsmelder 7 der Wert der Neigung des nun gerade
befahrenen Streckenbereiche gemeldet werden. Das Endergebnis des Rechners
10 besteht aus dem Wert für die einzustellende Bremokraft BK in der Bremseinrichtung
11 und errechnet sich aus folgenden Gleichungen, in denen bv die Bremaverzögerung,
tv die Zeit vom Auslösen der Bremsen bis zum Stillstand des Fahrzeuge und av den
Bremsweg
bedeuten, der bei der Anordnung nach Fig. 1 voraussetzungsgemäß
konstant und vorgegeben sein soll.
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Aus (I): folgt (II): (III): (IV): (V): aus (III) und (V): aus (II)
und (III) und (V):
Da auch der Bremsvorgang häufig innerhalb einer Gefällestrecke bzw. Steigung mit
dem WinkelOC erfol-gtg wird vom Rechner 10
auch der jeweilige Wert der Neigung
des gerade befahrenen Streckenbereichs berücksichtigt. Deshalb ist vom Neigungsmelder
7 zum Rechner 10 ebenfalls eine Leitung vorgesehen, über die der Neigungswert
übertragen wird. Diesen Neigungswert erfaßt der Rechner 10 folgendermaßen:
Die ausgerechnete Bremskraft BK wird. nun in der Bremseinrichtung 11 eingestellt.
Somit kommt das Fahrzeug nach dem Bremsweg sv am vorausgesetzten Zielpunkt zum Stillstand.
Dabei erhält die Leitung 3 wieder ein entsprechendes Potential, das jetzt
den Informationsinhalt des Speichers 8 löscht. Beim folgenden Anfahren des
Fahrzeugs wird der Rechner 6 erneut zum Ermitteln des Massewertes wirksam
geschaltet, der sich
beim Halten in einem Bahnhof geändert haben
kann.
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In Fig. 2 sind wie in Fig. 1 ein Schalter 1, ein Koinzidenzgatter
2, eine Leitung,3 und ein Zeitglied. 4 vorgesehen, die in der gleichen Weise zusammenarbeiten.
Das Rechengerät 62
enthält ebenfalls einen ersten Rechner 6 wie in
Fig. 1, aber einen Speicher 12 und einen zweiten Rechner 13 mit anderer
Funktion sowie einen Vergleicher 14. Der Speicher 12 für den vom Rechner
6 ermittelten Massewert m gibt diesen ständig an den zweiten Rechner
13. Dieser ermittelt fortlaufend unter Zugrundelegung der jeweiligen Fahrgeschwindigkeit
und gegebenenfalls des Wertes der Streckenneigung den erforderlichen Bremsweg sv
bei einer fest eingestellten Bremskraft BK. Der Bremsweg ergibt sich aus den nachstehenden
Gleichungen:
Bei zusätzlicher Berücksichtigung des Neigungswertes eines Streckenbereichs mit
dem Neigungswinkel« ergeben sich folgende Gleichungen:
Der Rechner 13 meld.et nun fortlaufend den errechneten
Wert für die Länge des Bremsweges sv dem Vergleicher 14, der außerdem fortlaufend
den Wert des Abstand.es bis zum nächsten Zielpunkt von einem Abstand.smelder
15 empfängt. Stellt der Vergleiiher 14 Übereinstimmung zwischen den beiden
gemeldeten Werten fest, so gibt er ein Einstellkennzeichen an die Bremseinrichtung
11 ab, die sofort die Bremsung einleitet. Bei immer gleicher Bremskräft BK
kommt dann das Fahrzeug nach dem Durchfahren des errechneten Bremsweges sv am Zielpunkt
zum Stillstand.. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt.
Beim ersten Beispiel wird die nach einer vorgegebenen konstanten Zeit t erreichte
Geschwindigkeit v gemessen und, daraus unter der Voraussetzung, daß der Bremsweg
sv -k:onstant sein soll, die Bremskraft BK errechnet. Beim w"#z,#-#.-en -.viel wird
ebenfalls nach der Zeit t die Geschwindigkeit v gemessen; jedoch wird- hier unter
der Voraussetzung immer gleicher Bremskraft BK der jeweils benötigte Bremsweg sv
errechnet. Bei diesen beiden Beispielen wird also zu einem immer gleichen Zeitpunkt
nach dem Anfahren die bis dahin erreichte Geschwindigkeit gemessen und für die Berechnung
zugrunde gelegt. Es ist jedoch auch möglich, die Zeit zu messen, die vergangen ist,
bis ein immer gleicher Geschwindigkeitswert erreicht ist. Außerd.em können anstelle
dieser beiden Bewegungsgrößen Zeit und Geschwindigkeit auch zwei andere Bewegungegrößent
z.
B. der Weg s, der in einer Zeit t od.er beim Erreichen der gleichen GeschwIndigkeit
v seit dem Anfahren zurückgelegt wurde, gemessen und. dem Re,chengerät angeboten
werd.en. Auch hierbei ist es möglich, eine Größe vorzugeben und die jeweils andere
Größe beim Erreichen des vorgegebenen Wertes für die erste Größe zu messen und.
dem Rechner 6 anzubieten. Bei allen diesen Verfahren ist es möglich, entweder
den Bremsweg sv vorzugeben und. die erforderliche Bremskraft BK zu bestimmen oder
die Bremskraft BK vorzugeben und den erforderlichen Bremsweg sv zu ermitteln. Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß unter Mitver"-,ndung
and,erweitig benötigter Geräte bei allen mit automatischer Steuerung versehenen
Fahrzeugen der Aufwand. zum Durchführen des Verfahrens recht klein ist und. daß
kein Eingriff in eine schon bestehende elektrische oder pneumatische Bremsanlage
erforderlich ist. _außerdem kann das'Verfahren der Feinstufigkeit schon bestehender
Bremsregelungen genügend genau angepaßt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu
sehen, daß gegebenenfalls auf die durch eine lastabhängige Federdurchbiegung eingestellte
Steuerung einer Luftbremse verzichtet und durch eine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitend.e Anlage ersetzt werden kann. 4 Patentansprüche 2 Figuren