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Schaltuhgsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener
Fahrzeugachsen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Schlupfmessung angetriebener Fahrzeugachsen, besonders von Schienenfahrzeuger..
Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, aus der Schlupfmecsung unter Eliminierung
unterschiedlicher Treibraddurchmesser ein Schleudersignal zu bilden, aufgrunddessen
die technischen Voraussetzungen für einen automatischen :chleuder- und Gleitschutz
geschaffen werden.
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Die Anfahr- und Bremsmomente elektrischer Triebfahrzeuge sind heute
so hoch, daß der Haftwert zwischen Rad und Schiene oftmals nicht zu
schleudern dann, gebremste Achsen kommen zum Gleiten. Das-ist aus verschiedenen
Gründen unerwünscht: .Das übertragbare Moment zwischen Rad und Schiene sinkt nämlich
mit zunehmendem Schlupf, und bei größerem Schlupf tritt eine starke Rad- und Schienenabnutzung-auf,
wobei sich an den Rädern Flachstellen und in den Schienen Löcher bilden können.
Überdies- können bei starkem Schleudern Achsen und Fahrmotoren Drehzahlen annehmen,
die über den zulässigen Werten liegen und zu mechanischen Zerstörungen führen.
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Bisher ist es meist der Geschicklichkeit des Fahrzeugführers überlassen,
ein Durchdrehen bzw. Rutschen der Achsen zu-vermeiden. Neben der Beobachtung der
Motorstrommesser dienen ihm vor allem sein Gehör und Gefühl bei- der Erfassung des
Schleuder- oder-Gleitvorganges. Im Falle des Schleuderns oder Gleitens einer oder
mehrerer-Achsen kann der Fahrzeugführer als Gegenmaßnahme den Fahrschalterzurückstellen
und damit die Zug- oder Bremskraft verringern, beim- -Fahren, soweit vorhanden,
die "Schleuderschutzbremse" betätigen und damit durchrutschende Achsen wieder abfangen
oder den Haftwert zwischen Rad und Schiene durch Sandstreuen oder Anblasen der Schiene
mit PreBluft erhöhen.
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Beobachtungen und Messungen zeigten jedoch, daß ein Schleuder- oder
Gleitvorgang vom Fahrzeugführer oft erst sehr spät wahrgenommen werden kann, vor
allem,. wenn Achsen, deren Motorstrom dem Fahrzeugführer nicht angezeigt wird, plötzlich
und schnell durchdrehen. Ein gut arbeitender und schneller Schleuderschutz (im folgenden
soll
darunter auch der Gleitschutz verstanden werden) könnte somit
dem Fahrzeugführer wertvolle Hilfe bei der Bedienung der Maschine leisten, für einen
automatischen oder halbautomatischen Zugbetrieb ist er unerläßlich.
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Eine Reihe von Fahrzeugen wurde bisher schon mit Schleuderschutzeinrichtungen
ausgerüstet, bei denen sowohl die Erfassung des Schleuderns als auch die Maßnahmen
zu dessen Beseitigung je nach Hersteller und Fahrzeugart verschieden sind. Die Voraussetzung
für jeden sicher arbeitenden Schleuderschutz ist die möglichst genaue und schnelle
Ermittlung des Schlupfes zwischen Rad und Schiene.
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Zur Schlupfmessung sind mehrere Methoden bekannt: ,
Bei Reihenschlußmotoren
ist der Motorstrom IA ein Maß für die Drehzahl n, wenn die Ankerspannung UA vorgegeben
ist. Bei Vernachlässigung der Spannungsabfälle im Motor und unter Voraussetzung
eines linearen Zusammenhanges zwischen Motorstrom IA und Motorfluß dann der Motorstrom
der Drehzahl umgekehrt proportional, d.h. IA = k
Bei parallelgeschalteten, an der gleichen Spannung liegenden Reihenschlußfahrmotoren
verringert sich der Motorstrom der schlüpfenden Achse mit wachsendem Schlupf gegenüber
den anderen Motorströmen. Diese Stromdifferenz läßt sich als Schleudersignal aus-_werten.
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Dadurch, daß die Konstante k in der angeführten Beziehung zwischen
Ankerstrom und Drehzahl bei Motoren gleichen Typs um ca + 3 ,%
streuen
darf, sowie durch ungleiche Treibra.ddurchmesser (die einzelnen Achsen drehen sich
bei gleicher Fahrzeuggeschwindigkeit auch ohne Schlupf verschieden schnell) stellt
sich jedoch in normalen Betriebsfall schon eine Differenz zwischen den einzelnen
Motorströmen ein. Diese Stromdifferenz steht wegen der.gekrümmten Magnetisierungskennlnie
mit dem Motorstrom in einem nichtlinearen Zusammenhang und ist wegen des
~ Spannungsabfalls im Motor auch-von der Fahrgeschwindigkeit a.bhängig."Eine Kompensation
dieser natürlichen Differenz zwischen den einzelnen Motorströmen ist wegen ihrer
Ar-` beitspunktabhängigkeit praktisch nicht möglich. Damit können zur Schlupferfassung_nur
Motorstromdifferenzen ausgewertet werden, die eine gewisse Größe überschreiten.
Die Genauigkeit der Schlupf erfassung auf-diesem Wege ist somit begrenzt,
sie liegt bei einem Schlupf von einigen km/h bzw. bei etwa 10 .. 20
g6 der jeweiligen Geschwindigkeit. Bei verschiedenen Motorschaltungen, z.B. Einzelspeisung
der Fahrmotoren mit Stromregelung, versagt diese Art der . Schlupferfassung von
vornherein.
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Beim Überschreiten des Haftwertes zwischen Rad und Schiene beginnt
sich die betroffene Achse zu beschleunigen. Praktisch unverzögert mit dieser Beschleunigung
tZitt eine Stromänderung
an dem zugehörigen Motor auf. An den anderen Motoren ändert sich dagegen der Motorstrom
nicht. Bei Schaltvorgängen und Spannungsänderungen am Fahrdraht sowie bei Geschwindigkeitsänderungen
des Fahrzeugs tritt an allen Fahrmotoren gleichzeitig eine Stromänderung
auf. Unterschiedliche Stromänderungsgeschwindigkeiten an den einzelnen Motoren lassen
sich zwar zur Schlupferfassung ausnutzen; auch hier läßt sich aber wegen der unvermeidbaren
Toleranzender einzelnen
Motoren erst ein Unterschied der Stromänderung
oberhalb einer gewissen Schwelle als Schlupfsignal auswerten:. Ein auftretender
Schlupf wird bei Anwendung dieser Meßmethode wohl praktisch urverzögert, d.h. schon
im Entstehen, erfaßt, aber-nur dann, wenn er sich mit einer diese Schwelle übersteigenden
Geschwindigkeit auf- ` baut. Ein einmal konstant anstehender Schlupf kann nicht
erfaßt werden.
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Bei verschiedenen Motorschaltungen, z.BReihenschaltung mehrerer Reihenschlußmotoren,
treten im Schlupffall an-den Fahrmotoren Spannungsdifferenzen auf, die 'wiederum
als Maß für' den Schlupf auswertbar sind. Aus den oben dargelegten Gründen ist aber
auch hier die Gbnauigkeit der Schlu.pferfassung auf einen Schlupf von-einigen km/h
bzw. etwa 10-g der jeweiligen .Fahrzeuggeschwindigkeit begrenzt. Ein Erfassen des
Schlupfes über ungleiche Motorspannungsänderungen
bei einzelnen Motoren ist zwar ebenfalls-möglich; aber diese Methode ist mit den
gleichen Vor- und Nachteilen behaftet wie die zuvor erläuterte Erfassung der Motorstromänderungen
Mit den bisher erwähnten Verfahren wird das Schlüpfen einer Achse indirekt erfaßt.
Genauer kann der Schlupf gemessen werden, wenn man in bekannter Weise den Achsdrehzahlen
direkt proportionale Größen miteinander vergleicht: Dazu.ist der Anbau eines Drehzahlgebers
an jeder, zu überwachenden Achse erforderlich, wobei als Drehzahlgeber Tachogeneratoren,
und zwar Gleichspannungs- oder mehrphasige Wechselspannungsgeneratoren, Verwendung
finden können (Drehzahlvergleich mit
f aohogeneratoren) . -Die Ausgangsspannung
guter Gleichspannungsgeneratoren besitzt _ eine geringe Welligkeit hoher Frequenz
und erreicht bei kleinen Maschinen Werte von 0',2 ... 0,4 V/Upm. Ohne Übersetzungsgetriebe,
direkt an die Achse gekuppelt, läßt sich eine Spannung von 1 ... GV je km/h
Fahrzeuggeschwindigkeit erzielen.
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-Die geringe Oberwelligkeit der Tachospannung erfordert-nur-wenig
Glä-ttungsaufwand.=Auftretender Schlupf kann somit-schnell erfaßt werden. Unterschiedliche
Treibraddurchmesser lassen sich auf ein-, fache Art durch Teilung der höheren Taahospannung
ausgleichen. De erreichbare Empfindlichkeit der Schlupfmessung wird durch- Znearität
und Temperaturgäng der Tachospannung bestimmt.. Mit.:handelsübliehen Tachogeneratoren
läßt sich ein Schlupf von 0,-5 j.:... 1 'l der: Maximalgeschwindigkeit erfassen.
Nachteilig jedoch ist die Beegung jeder zu überwachenden Achse mit einem: Meßgeber,-
der noch dazu -empfindlich ist und oft gewartet werden muß (Kollektor, -Kohlebürsten,
Zager). .
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a Wartungsärmer ist eine mehrphasige Wechselstromtachomasohine, deren
Ausgangsspannung aber gleichgerichtet werden muß. Die dazu. -erforderlichen Halbleitergleichrichter
bedingen eine Nichtlnearität der Drehzahl-Spannungskennlinie bei kleinen Drehzahlen.
Wenn die Taohomaachine direkt an die Achse angekuppelt wird, gibt sie bis zu .einer
Geschwindigkeit ,von ca 1, kmjh keine -Spannung 'aberst' da-' r'-' über steigt die
Spannung mit ca 0,5 ... 1 V pro km/h. Außerdem-. . erfordert die höhere und niederfrequente
Welligkeit der Tachospannung
eine Glätturig, die die -Sohlupferfas_sung
verzögert; die Genauigkeit der Schlupferfassung entspricht etwa der, die sich bei
der Verwendung einer Gleichstromtachomasohine, ergibt.
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Wesentlich unempfindlicher' praktisch wartungsfrei und kleiner lassen
sich Digitelgeber bauen, die je Radumdrehung eine bestimmte feste Anzahl von Impulsen
abgeben. Die: Impulse jeder Achse können -in bekannter Weise je in einem Zähler
gezählt, die Zählerstände weg- oder zeitabhängig miteinander verglichen und-danach
die Zähler zurückgestellt werden. Auftretende-Unterschiede der Zählerstände sind
dann ein Maß für den Schlupf einer Achse (Drehzahlvergleich durch Impulszählung):
Die Erfassung des Schlupfes kann zwar grundsätzlich beliebig genau gemacht werden,
wenn die Zählerkapazität nur_groß genug ist: Mit wachsender Genauigkeit steigt jedoch
der Zeitverzug zwischen auftretendem. Schlupf und Schlupfsignal. Soll z. B. ein
Schlupf von 1 % der gerade anstehenden Geschwindigkeit erfaßt werden, so müssen
100 Impulse gezählt werden,- bis eine Meldung des Schlupfes erfolgt. Die Anzahl
äer Impulse pro Radumdrehung ist aber nicht beliebig stegerbar: Liefert ein Impulsgeber
z. B. je Radumdrehung 100 Impulse, so liegt zwischen auftretendem Schlupf und dessen
Meldung, eine volle Radumdrehung, wenn 1 %-Schlupf erfaßt werden soll..
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Beim Vexgleich der Achsdrehzahlen erfolgt eine chlupfmeidung erst,
nachdem sich ein gewisser Schlupf aufgebaut hat: Wird die Winkelbeschleunigung der
einzelnen Triebachsen als Schlupf-Kriterium verwendet,
- s.o wird
der Schlupf schon im Entstehen erfaBt. Auf` -jeder zu-überwachenden Achse muß dazu
ein Beschleunigungsgeber angebracht werden, im einfachsten Fall ein Tachogenerator,
dessen Ausgangsspannung differenziert wird. Winkelbeschleunigungen, wie sie beim
Fahren und Bremsen betriebsmäßig vorkommen, dürfen aber keinen Sohlupf vortäuschen.
Deshalb darf ein Schlupfsignal erst. bei Winkelbeschleunigungen abgegeben
werden, die über den betriebsmäßig vorkommenden Werten liegen, oder die betriebsmäßig
vorlie=. gerade Winkelbeschleunigung muß kompensiert werden" z. B. durch
den Vergleich der Beschleunigungen verschiedener Achsen.- Eine auftretende Beschleunigungsdifferenz
ist dann ein Maß für entstehenden Schlupf. Eine -restlose Kompensation ist jedoch
nicht möglich, da ,die Winkelbeschleunigung verschiedener Achsen auch im ungestörten
Fall wegen der dynamischen Unterschiede durch Drehgestell- und Federbewegungen:
nicht völlig gleich ist. Beliebig*kleine Winkelbesehleunigungen kÖnnen somit nicht
als Schiupfsignal ausgewertet werden. Ein-Schlupf, der sich nur langsam aufbaut,
kann nicht erfaßt werden, genauso wie auch ein gleichmäßig anstehender Schlüpf unabhängig
von seiner Höhe nicht gemessen werden kann.
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In Anlehnung an den Drehzahlvergleich mit Tachogeneratören bzw. .
durch Impulszählung bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung zur
Ermittlung des Schlupfes angetriebener Fahrzeugachsen. Hierbei besteht die Erfindung
in der Verwendunduag von Differenzgattern zur-Bildüngder Differenzfrequenz geschwindigkeitsproportionaler
Impulsfolgefrequenzena welche von Impul gebern abgeleitet werden, die mit je einem
der Treibachsen gekuppelt Bind und ihre Signale in die Differenzgatter (DG)
eingeben" vun deren Ausgängen,
eine dem Drehzahlunterschied
proportionale Frequenz (&) abgeleitet wird. Diese Frequenz kann in weiteren
Differenzgattern mixt. :-einer fahrgeschwindigkeitsabhängigen Frequenz (f.1) verglichen
und einer Gedächtnisstufe (M 1).eingegeben-werden,.deren Ausgangs-Signal als Schleudersignal
ausgewertet wird.
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Auf weitere-Merkmale der Erfindung wird in der nachfolgenden-BeschreibU-ng
und in den Patentansprüchen iii Verbindung mit den Zeichnungen hingewiesen, welche-Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulichen. Die Drehzahl der Achsen wird auf digitalem Wege-
gemessen, wozu an jeder zu überwachenden Achse ein Impulagsber angebracht werden
muß. Bekannt ist hierzu eine mit der Triebachse rotierende Scheibe, die an ihrem
Umfang mit abwechselnd: gepoltenrDauermagneten besetzt ist. Die Dauermagnete bewegen
sich. an einem fest angebrachten Hallgenerator vorbei, der dabei.
eine annähernd sinusförmige.Spannung abgibt. Die Amplitude: der Spannung ist drehzahlunabhängig,
ihre Frequenz Ist der Drehzahl proportional. Durch- einen Impulsformer kann
die annähernd sinusförmige Spannung in eine Rebhteckspannung umgeformt werden.
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Anstelle einer solchen Anordnung kann auch = wie weiter bekannt ist
-.-einrückgekoppelter Oszillator, dessen Hcahfrequeuzschwingung bei Annäherung eines
Metallteiles durch die dann =vergrößerte Dämpfung der Schwngkreisspule abreißt,
verwendet werden. Duroh Gleichrichtung und Glättung der Schwingung erhält
man am Ausgang ein digitales Signal..Der Geber -ist klein und läßt sich leicht an
Stellen anbringen, an denen sich bei. der Drehung der Triebachse .
Metallteile
an ihm vorbei bewegen. Das Tann eine spezielle Zahnscl-eibe sein, die auf der Motorwelle
oder auf der Triebachse an gebracht ist, es können aber auch-die Zähne des auf der
Trieb= A " ``' achse sitzenden Großrades sein. Im letzteren Falle, is:t der Geber
im Radschutzkasten eingeschraubt und radial auf die Großradzähne gerichtet: -Wird
an jeder zu überwachenden Achse ein solcher Digitalgeber angebaut, so liefert dieser
eine Impulsfolge, deren Frequenz der jeweiligen Achsdrehzahl proportional
ist. Der Drehzahlvergleich verschiedener Achsen wird damit auf einen Frequenzvergleich
zurückgeführt. Dj.eser Frequenzvergleich erfolgt in einem Differenzgatter, das
zwei Eingänge für die Frequenzen f und fy und einen Ausgang. aufweist, an
dem eine Impulsfolge mit der Frequenz fz = fX = fy erscheint, wenn fX.-=>f ist.
Im umgekehrten. Fall, bei fxeffy, erscheint am Ausgang des-Differenzgatters kein
Signal. Beim sprunghaften Auftreten einer Drehzahldifferenz erscheint der
erste Impuls der. Differenzfrequenz mit einer mittleren Verzögerung von: etwa der
halben Periodendauer dieser Frequenz. Die Differenzfrequenz ist der Drehzahldifferenz
der verglichenen Achsen proportional. Der Drehzahlvergleich der zu überwachenden
Achsen kann auf verschiedene Weise erfolgen. -Ein Drehzahlunterschied zwischen jeweils
zwei Achsen nach Fig1 ermitteln. @.
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Die Impulsfolgen f1, f2 von den Achsen 1 und 2 werden dabei zwei.
Differenzgattern DG1 und DG 2 zugeführt, so daß eine der Drehzahldifferenz
der
beiden Achsen proportionale Frequenz bei f1?f2 am Ausgang des Differenzgatters 1
und bei f2<f1 am Ausgang-des Differenzgatters 2 erscheint. Unter der Voraussetzung,
daß.eine der beiden Achsen nicht schlüpft urd da:ß die Treibraddurchmesser beider
Achsen gleich groß sind, steht am Ausgang eines der beiden Differenzgatter eine-dem
Schlupf der anderen Achse exakt proportionale Frequenz zur Verfügung. Wenn beide
Achsen gleichmäßig schlüpfen, gibt keines der beiden Differenzgatter Ausgangsimpulse
ab:. Wenn. keine Laufachsen zum Drehzahlvergleich zur Verfügung stehen, also nur
Triebachsen miteinander verglichen werden können, ist die Möglichkeit eines gleichmäßigen
Schlupfes mehrerer Achsen nicht auszuschließen. Zwischen den betreffenden Achsen
ist dann auch kein Schlupf meßbar. Die: Wahrscheinlichkeit, daß ein Schlupf aus
diesem Grunde nicht erfaßt werden kann, wird aber verringert, wenn. mehr als zwei
Triebachsen in den Vergleich einbezogen werden. Ein Drehzahlunterschied zwischen
mehr als- zwei Achsen kann mit' einer Schaltung nach Fig. 2 gemessen werden. In
diesem Beispiel. werden die-. Drehzahlen von vier Achsen zyklisch miteinander verglichen.
Wenn bis zu drei Achsen gleichmäßig schlüpfen, erscheint am Ausgang@-enes der vier
Differenzgatter DG 1 - DG immer noch e ii-em Schlupf proportionale Frequenz.
Eine Radanpassung (El.-minierun ungleicher Raddurchmesser),wie später beschrieben,
läBt sich bei A yeser einfachen Schaltung jedoch nicht verwirk-. liehen. Ist eine
s@o)#e-he Korrektur erforderlich, und soll eire Vergleich der Drehzahl aller Achsen
realisiert-werden, so müssen -zwei. Differenzgetter--mehr engeeetzt werden,
z. B.- in einer Schaltung nach Fig. 3,
Steht ein der Drehzahldifferenz
verschiedener Achsen proportionaler Meßwert am Ausgang der Differenzgatter zur Verfügung,
so wird dieser zu einem Schleudersignal weiterverarbeitet. Da-jede Momentübertragung
mit einem geringen "Hutzsohlupf" verbunden ist/ und beim Durchfahren von Kurven
zwangsläufig ein gewisser Schlupf auftreten muß, darf nicht schon bei kleinstem
Schlupf ein Schleudersignal abgegeben werden.@Da die einzelnen Treibraddurchmesser
verschiedener Achsen niemals genau gleich sind, tritt deshalb eine geschwindigkeitsproportionale
Drehzahldifferenz zwischen verschiedenen Achsenauch ohne Schlupf auf.. Erst Meßwerte,
die diese betriebsmäßig vorkommenden Größen überschreiten, sollen aber als Schleudersignal
ausgeweitet werden. -Das Auswerteverfahren hängt von der Art der Fahrzeugsteuerung
ab: Bei Fahrzeugen mit gemeinsamer stufiger Steuerung (z. B. Stufensehaltwerk)@
aller Fahrmotoren wird man z. B. bei leichtem Schleudern eine Weiterschaltung der
Stufensteuerung verhindern und bei heftigerem Schleudern die Schleuderschutzbremse
oder den Sandstreuer betätigen, sowie die Zug- oder Bremskraft durch Zurückschalten
der Stufensteuerung verringern. Hierzu sind zwei digitale Signale, eines für "leichtes
Schreudern" 1 und eines für "heftiges Schleudern" h erforderlich. Eine Auswertung
dagegen, welche der Achsen schleudert, braucht nicht zu erfolgen. Die Schleudersignale
können rein digital erarbeitet weiden. Die Schaltung dazu ist für einen Drehzahlvergleich
von zwei Achsen in Fig: 4 dargestellt. Die Drehzahldifferenz zwischen den Achsen
wird in den Differenzgattern DG 1 und DG 2 gemessen und deren Ausgänge (f1 - f2
und f2 - f1) werden in der folgenden Norstufe'N zusammengefaßt. Am,
Ausgang
des Norgatters N erscheint eine dem Drehzahlanterechied der beiden Achsen proportionale:
Frequenz A f, unabhängig davon,. welche Achse die schnellere i$t..Diese Frequenz
/\ f wird in den Differenzgattern DG 3 und DG 4 mit einer niedrigen' von der Fahrgeschwindigkeit
abhängigen Frequenz-fsl verglichen. Wenn keine Achse schlüpft, .ist fs1=.@@f. Am
Ausgang des Differenzgatters DG 4 , erscheinen dann Impulse, die das nachgeschaltete
Gedächtnis M 1 löschen. Wenn der,Sohlupf einer Achse den durch die Frequenz f s1
dargestellten Schwellwert übersteigt @fs1), erscheinen am Ausgang des Differenzgatters
DG 3 Impulse. Am Ausgang des Gedächtnisses M 1 erscheint dann ein: Signal "leichtes
Schleudern't 1De Frequenz fs1.wird im Stillstand des Fahrzeuges so gewählt, daß
ein Radschlupf in der Größenordnung 0,1 mlsek ei,n Schleudersignal auslöst,
Mit wachsender Fahrzeuggeschwindigkeit muß die Vergleichsfrequenz f,1 soweit erhöht
werden, daB Drehzahlunterschiede, die sich durch unterschiedliche Triebraddurohmesser
ergeben,: nicht zur Schleudermeldung führen. Der.Zusammenhang zwischen Vergleichsfrequenz
f 1 und Fahrzeuggeschwindigkeit v_-ergibt sich aus der Beziehung _
Hierin bedeuten: fo Von den Drehzahlgebern abgegebene Impulsfrequenz bei Höohstgeschwndi
gkeit vo Fahrzeughöchstgesnhwindigkeit
v9 ' Im Stillstand zulässige
Schlupfgeschwindigkeit, bei der noch kein Schleudersignal erfolgen soll ,.d: Maximal
zulässige Druchme-sserdifferenz verschiedener Treibräder d min Kleinster zulässiger
Durchmesser der-Treibräder.
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Werden zwei Triebächsen miteinander verglichen, deren Raddurchmesser,den
maximal zulässigen'Unterschied aufweisen, erfolgt*die Schleudermeldung unabhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei der Schlupfgeschwindigkeit v s, wenn die kleinen
Räderschlüpfen. Im anderen Falle, beim Schlupf der großen Räder, muß der Schlupf
erst .einen Wert von
. v + vs erreichen, ehe ein Schleudersignal abgegeben wird.- Im ungünstigsten Falle
und bei der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs kann somit eine Schlupfgeschwindigkeit
von vs Max - 2 # vo + vs auftreten, ohne daß eine Schleudermeldung erfolgt.
Bei einer Differenz der Räddurchmesser von z.B. 2 ;6 und einer Fahrzeughöchstgeschwindigkeit
von 50 km/h ergibt sich eine Meßunsicherheit des Schlupfes von ca 2 km/h: Bei langsamen
Fahrzeugen, deren zulässige Raddurchmesserdifferenzen gering sind, läßt sich mit
dieser Erfassung ein wirksamer.Schleuderschutz erreichen. Bei schnellfahrenden Triebfahrzeugen
mit größeren möglichen Differenzen der Treibraddurchmesser müssen diese kompensiert
werden, wie später erläutert wird. Ebenso wie in den Differenzgattern DG 3 und DG
4 wird die Frequenz ,d fauch in den Differenzgattern DG 5 und DG 6 verglichen, jedoch
mit einer festen, geschwindigkeitsunabhängigen Frequenz f929 die höher ist
als
die Vergleichsfrequenz fei. Wenn.. f größer wird als f s2' erscheint am Gedächtnis
M 2 ein Signal "heftiges Schleuderne' h so lange,. bis A f wieder kleiner als fs2
wird. Das Signal "hef-` tiges Schleudern" h wird erst bei Drehzahldifferenzen von
einigen km/h gegeben. _ Bei einem Fahrzeug mit Einzelspeisung und stetiger Steuerbarkeit
der-Motoren, z.B. Strom- oder,Zugkraftregelung jedes Motors, läßt_ sich das Schleudern
einer Achse feinfühliger als im vorigen Beispiel und selektiver'beseitigßn, wenn
nur das Moment des schlaudernden Motors stetig verringert wird. Zur Momentverringerung
ist ein analoges Signal. erforderlich, das der Größe des Schlupfes oder deren Zeitintegral
proportional ist. Zur selektiven Beeinflussung der Motoren muß deshalb ein Kriterium
gebildet werden, aus dem, hervorgeht, welche Achse schleudert.: Eine Schaltung,
die diese Forderungen erfüllt, ist für-einen Drehzahlvergleich von vier Achsen in
Fig. --gezeigt.
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Die Drehzahlen der Achsen 1 bis 4 werden in den Differenzgattern DG
1 bis DG 4 zyklisch miteinander verglichen. Tritt z. B. am Ausgang des Gatters DG
1,eine Differenzfrequenz auf, so dreht sich-die Achse 1"sahneller-als die Achse-2.
Beim. Fahren bedeutet das ein Schleüce2:@-'der,* Achse
l e, beim Bremsen
ein Gleiten der. Achse 2. Im ersten,Fall-muß der Motor 1 und im zweiten Fall der
Motor 2 beeinflul3`twerden, -um den Schlupf zu beseitigen. Der den Differenzgatten:
nachgeschaltete elektronische Schalter ES: leitet die
Differenzimpulse
zur Weiterverarbeitung auf einen der Impuls:-. förmer IP 1 bis IF 4, der dem zu
beeinflussenden Motor zuge- _ ordnet ist. In dem Impulsformer werden die Differenzimpulse
zu -normierten Impulsen konstanter ,Amplitude und konstanter Impuls# dauer umgeformt,
so daß den nachgeschalteten Ihtegrerverstärkern Y1 - f4 mit jedem Impuls eine konstante
Strommenge. zugeführt wird. Der Mittelwert des-aus den Impulsformern gP in die Integrerververstärker
fließenden Stromea ist somit derDif-rerenzfreq@uenz und damit auch der Drehzahldifferenz
zwischen zwei Achsen proportional. Von. diesem Strom wird ein von der Konstantspannungsquelle
K gelieferter Strom abgezogen, der dem bei der .Anfahrt zugelassenen Sehlupf entspricht.
Um ein Ansprechen des Schleuderschutzes bei Drehzahldifferenzen, die sich aus `ungleichen
Raddurchmessern ergeben" zu verhindern, liefert der weitere Impulsformer IF 5 einen
Strom, der der Drehzahl der Achse 1 proportional ist. Dieser Strom wird ebenfalls
m Eingang der Integratoren subtrahiert. Die Integrierverstärker können nur eine
positive Spannung abgeben. Auf der negativen .Seite sind sie auf Null begrenzt,
Ein einzelner, aus einem der Impulsformer IF 1 bis IF 4 in den zugehörigen Integrierverstärker
fließender Stromimpuls verstellt dessen Ausgangsspannung in positiver Richtung,
aber nur so weit, daß die Schwellspannung derim Ausgang_liegendel# nicht dargestellten
Diode noch nicht üb erwunden.wird;.In der-Impulspahse stellt der aus dem Impulsformer
IF 5 und derKonstantapannungsquelle K eingespeiste Strom die Ausgansspannungauf
Null zurück, solange der Mittelwert dieses Stromes größer ist als der Mittelwert
der Stromimpulse*-'Erst wenn dieser
g Üer wirdv steigt die Ausgangsspannung
am Izitegrierverstärker. ro mit einer dem ausgewerteten Schlupf proportionalen.
Geschwindigkeit an. Mit dieser Spannung wird :der Strom- oder Momenten-Sollwert
der zugehörigen Fahrmotorregelungverringert und der Schlupf beseitigt. Ist er-beseitigt,
so wird der aus dem Impulsformer IF 5 und der Konstantspannungsguelle in den Integrierveretärker
eingespeiste Strom wieder größer, und dessen Ausgangsspannung wird langsam nach
Null zurückgeführt. Damit steigt auch das Motormoment wieder an. Für die Größe der*Ströme,
die von-der Konstantspannungsquelle und dem Impulsformer IF 5 geliefert werden,
gelten sinngemäß die.glei-Chen Werte wie bei der-digitalen Auswertung, Die -Unsicherheit-.dl.r
Schlupferfassung hat hier demnach die, gleiche Qröße., Hei Fahrzeuggeschwindigkeiten.
von 100 bis 200 km/h und zulässigen Untersohied.en der Treibratdurehmeeser von,
2 ... 4_%ergibt sich
quenz am Ausgang der Differanzgatter wird den Impulsformern IF
1 und IF 2 zugeführt, die jeden ommenden Impuls in einen normierten Rechteckimpulskonstanter
Höhe und Länge verwandeln. Der Im'ulsformer IF 1 gibt positive, der Impulsformer
IF 2 negative Impulse ab. Der Mittelwert des aus den Impulsformern IF
1 und IF@2 auf den Eingang des Verstärkers V 1 fließenden Stromes jC1 bzw.
-
`f2 ist der Drehzahldifferenz der beiden Achsen proportional. Das
Vorzeichen gibt an, ob die Achse 1 schneller (-@) oder langsamer (-@ als die Achse
2 ist. Sind Treibraddurchmesser beider-,Achsen ungleich, tritt also such ohne Schlupf
eine Drehzahldifferenz zwischen den beiden Achsen auf i_ so- fließt ein Strom auf
den Eingang des Verstärkers V 1 , der der Achsdrehzahl und somit der Fahrgeschwindigkeit
proportional ist. Dieser Strom wird kompensiettdurch einen entgegengerichteten,
ebenfalls der Achsdrehzahl propörtionalen Strom, der von der drehzahlproportionalen-.Frequenz
im schlupflosen Zustand beider Achsen
Wann der Faktor k2 richtig gewählt wird', ist die Ausgangs-Spannung UA des Verstärkers
v 1 im schlupflosen Zustand beider Achsen Null, ' Dazu muB
Wenn eine oder beide Achsen schlüpfen, wird_die Verstärker-$usgangsspannung
hierin bedeuten
| v Fahrgeschwindigkeit |
| f' bei der Fahrzeuggeschwindigke t v ohne Schlupf von Achse
1 |
| abgegebene Frequenz - |
| R Gegenkopplungewiderständ an- V - - |
| k1 Proportionalitätsfaktor zwischen Differenzfrequenz und |
| S rommittelwert i1 bzwe-2- |
| d "- --_ |
| 1 Treibraddurchmesser an Achse ' -. |
| d2 Treibraddurchmesser an Achse 2 > |
| v81 Schlupfgeschwindigkeit der Achse 1 |
| v82 Schlupfgesohwindigkeit der Achse 2 |
Die Ausgangsspannung des Verstärkers V 1 ist somit der Differenz der Sohlupfgesohwindigketen
beider Achsen streng proportional. Die genaue Einstellung des Proportionalitätsfaktors
k2 ist z: B. wie folgt möglicha Bei einer möglichst hohen Fahrzeuggeschwindigkeit
wird bei stromlosen Fahrmotoren (damit ist gewährleistet, daß kein Rad schlüpft)
das Potentiometer R1 so lange verstellt/ bis die Ausgangsspannung des Verstärkers
.V 1 Null geworden ist. Eine selbsttätige Einstellung von k2 ist möglich, wenn z.
B. das Potentiometer R1 von einem Stellmotor angetrieben wird. Dieser wird immer
dann, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen Mindestwert überschreitet und gleichzeitig
das Motormoment so klein ist, daß kein Schlupf auftreten kann' so lange gesteuert,
bis die Ausgangsspannurg vom Verstärker V 1 Null geworden ist.
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Da der Drehzahlvergleich beider Achsen rein digital erfolgt und nur
der wenige Prozent der Drehzahl betragende Drehzahlunterschied auf analogem Wege
kompensiert wird, ist die erreichbare Nullpunktstabilität auch bei einem wenig stabilen
Analogteil sehr hoch. Beträgt der zu kompensierende Drehzahlunterschied z. B. 5
der Drehzahl und ändert sich die Höhe oder-Länge der Impulse aus einem der-drei
Impulsformer um 2 % relatv_z:u den anderen, so ergibt sich eine Nullpunktverschiebung
von 17%o bezogen auf die jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit. Diese unter ungünstigen
Voraussetzurigen
auftretende Unsicherheit der Sehlupferfassung
ist . für die einwandfreie Funktion des Schleuderschutzes ohne Bedeutung.
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Am Verstärker V 1.steht somit eine Spannung zur VerfügUng, die sehr
genau die' Schlupfdifferenz zweier Achsen abbildet. Die Weiterverarbeitung dieser
Spannung-zu-einer Größe,: die dem* Schleudern entgegenwirkt, kann digital oder analog
erfolgen, je nachdem, wie die Fahrzeugsteuerung beschaffen ist. Zur digitalen Auswertung
sind dem Verstärker z. B: zwei Grenzwertmelder T 1, . T 2 mit je zwei Ausgängen
nachgeschaltet. Der Grenzwertmelder T-1 spricht schon auf eine niedrige Spannung
an und meldet "leichtes Schleudern" 1, der andere Grenzwertmelder T 2 spricht erst
bei einer hohen Spannung an und meldet "heftiges Schleudern" h. Welcher der beiden
Grenzwertmelderausgänge Signal führt, hängt davon ab, ob f1 ----->f2 oder .f2 >
f1 ist. Damit ist die Möglichkeit gegeben, nicht nur ein Schlupfen überhaupt zu
erfassen, sondern such noch festzustellen,-welche der Achsen schlüpft.
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Zur Erläuterung der analogen Auswertung st in. Fig 6 eine Schaltung
gezeigt, die es bei Einzelsteuerung der Fahrmotoren ermögli.cht, das Schleudern
durch- einen selektiven Eingriff in die Regilung des Motors der schlüpfenden Achse
zu beseitigen. Dazu wird die negative Ausgangsspannung von V 1 in einem weiteren
Verstärker V'2 umgekehrt. Wenn die Drehzahl der Achse 1 größer ist als die der Achse
2, liegt an der Diode n2im umgekehrten Fall
an der Diode n'1 positive
Spannung. Ein elektronischer Schalter ES leitet.die jeweils positive Spannung auf
denjenigen der beiden Regelverstärker V 3 oder V 4, der den: schleudernden Motor
TM 1TM 2 beeinflußt. Die Verstärker V 3 und Y 4 erhalten zweckmäßig ein I- oder
PI-Verhalten.-Ein festeingespeister Strom Ik gewährleistet, daß ein Anspreohen erst
erfolgt, wenn der Schlupf eine gewisse Grenze Übersteigt (Schlupf bei Kurvenufahren
und leichter Schlupf, der nicht zum Schleudern führt, soll nicht erfaßt werden).
Die angegebene Anordnung gestattet eine sehr genaue und dennoch schnelle Erfassung
einer echlupfbedingten Drehzahldifferent zweier Achsen. Der Zeitverzug zwischen
auftretendem Schlupf_und dessen Registrierung beträgt angenähert etwa 1 biss 2 Perioden
der dem Schlupf proportionalen Frequenz. Der Zeitverzug ist somit der Höhe des Schlupfes
umgekehrt proportional, und unabhängig vonyder Höhe der Fahrzeuggeschwindigkeit.