DE1663172B2

DE1663172B2 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen

Info

Publication number: DE1663172B2
Application number: DE19671663172
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Hofmann; Herbert Kueller; Heinz 8501 Kalchreuth Mersmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-12-20
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1975-07-24
Also published as: DE1663172A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anfahr- und Bremsmomente elektrischer Triebfahrzeuge sind heute so hoch, daß der Haftwert zwischen Rad und Schiene oftmals nicht zu ihrer Übertragung auf die Schiene ausreicht. Angetriebene Achsen schleudern dann, gebremste Achsen kommen zum Gleiten. Das ist aus verschiedenen Gründen Φ 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 Vertiefungen bilden können. Überdies können bei starkem Schleudern Achsen und Fahrmotoren Drehzahlen annehmen, die über den zulässigen Werten liegen und zu mechanischen Zerstörungen führen.

Bisher ist es meist der Geschicklichkeit des <>o fahrzeugführer überlassen, ein Durchdrehen bzw. Rutschen der Achsen zu vermeiden. Beobachtungen und Messungen zeigten, daß ein Schleuder- oder Gleitvorfang vom Fahrzeugführer oft erst sehr spät wahrge-•ommen werden kann, vor allem, wenn Achsen, deren Motorstrom dem Fahrzeugführer nicht angezeigt wird, plötzlich und schnell durchdrehen. Ein gut arbeitender tind 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.

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.

Zur Schlupfmessung sind mehrere Methoden bekannt:

Bei Reihenschlußmotoren ist der Motorstrom ein Maß für die Drehzahl, wenn die Ankerspannung vorgegeben ist. Bei Vernachlässigung der Spannungsabfälle im Motor und unter Voraussetzung eines linearen Zusammenhanges zwischen Motorstrom und Motorfluß ist dann der Motorstrom der Drehzahl umgekehrt proportional. Bei parallelgeschalteten, an der gleichen Spannung liegenden Reihens>.hlußfahrmotoren verringert sich der Motorstrom der schlüpfenden Achse mn wachsendem Schlupf gegenüber den anderen Motor strömen. Diese Stromdifferenz läßt sich als Schleuder signal auswerten.

Genauer kann der Schlupf gemessen werden, wenn man in bekannter Weise den Achsdrehzahlen direkt proportionale Größen miteinander vergleicht. Da/u ist der Anbau eines Drehzahlgebers an jeder zu überwachenden Achse erforderlich, wobei Hs Dreh7ahlgeber Tachogeneratoren, und zwar Gleichspannungs- oder mehrphasige Wechselspanmmgsgeneraioren. Verben dung finden können (Drehzahlvergleich mit Tachogenc raioren). Beim Vergleich der Achsdreh?ahlen erfolgt ein' Schlupfmeldung erst, nachdem sich ein gewisser Schlupf aufgebaut hat.

Wird hingegen die Winkelbeschleunigung der ein/einen Triebachsen als Schlupf-Kriterium verwendet, so wird der Schlupf schon im Entstehen erfaßt. 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 Schlupf vortäuschen. Deshalb darf ein Schlupfsignal erst bei Winkelbeschleunigungen abgegeben werden, die über den betriebsmäßig vorkommenden Werten liegen, oder die betriebsmäßig vorliegende 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 Winkeibeschleunigung verschiedener Achsen auch im ungestörten Fall wegen der dynamischen Unterschiede durch Drehgestellt- und Federbewegungen nicht völlig gleich ist. Beliebig kleine Winkelbeschleunigungen können somit nicht als Schlupfsignal ausgewerter werden. Ein Schlupf, der sich nur langsam aufbaut, kann nicht erfaßt werden, genauso wie ein gleichmäßig anstehender Schlupf unabhängig von seiner Höhe nicht gemessen werden kann.

Wesentlich unempfindlicher, praktisch wartungsfrei und kleiner lassen sich Digitalgeber 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 nach Ablauf einer bestimmten Zeit oder Fahrstrecke miteinander verglichen, danach die Zähler zurückgestellt werden und von neuem gezählt werden (s. z. B. Siemens-Zeitschrift, 1965, S. 6-"9 und Schweizer Patentschrift 3 96 972). Auftretende Unterschiede der Zählerstände sind ein Maß für den Schlupf einer Achse (Drehzahlvergleich durch Impulszählung). Die Erfassung des Schlupfes kann zwar grundsätzlich beliebig genau gemacht werden, wenn die Zahlerkapazität 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 mfissen 100 Impulse gezählt werden, bis eine Meldung des Schlupfes erfolgt

Die Anzahl der Impulse je Radumdrehung ist aber nicht beliebig steigerbar. Liefert ein Impulsgeber z. B. je Radumdrehung 100 Impulse, so liegt zwischen auftretendem Schlupf und dessen Meldung eine volle Radumdrehung, wenn l%Schlupf erfaßt werden soll. Unterschiedliche Radreifenabnutzung bringt einen geschwindigkeitsabhängigen Fehler, der jedoch dadurch kompensiert werden kann, daß Zählerstände verglichen werden, die entsprechend prozentual ver schoben sind. Hierzu ist es erforderlich, die Unterschiede der Treibraddurchmesser im Stillstand zu messen und entsprechend der Meßergebnisse die prozentuale Verschiebung vorzunehmen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnurg dieser Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die bei einer möglichst genauen und schnellen Ermittlung des Schlupfes eine Berücksichtigung unterschiedlicher Raddurchmesser auf einfachere Weise ermöglicht

Auf diese Weise ist eine Berücksichtigung unterschiedlicher Treibraddurchinesser bei einem Aufbau der gesamten Schaltungsanordnung aus wenigen einfachen Bauteilen möglich, wobei der Schlupf genau und nahezu unverzüglich sowie unabhängig vom Grad der Schlupfänderung erfaßt und auf jeweils unterschiedliche Treibraddurchmesser während der Fahrt genau abgestimmt werden kann, ohne daß die Durchmesser der Treibräder durch Messung ernuttel' ι werden brauchen

Die Verwendung von Differen/,v,auern ist bei digitalen Drehzahlrcgeieinrichtungen an sich bekannt (ETZA, 1962, S. 581 bis 387).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Die Drehzahl der Achsen wird auf digitalem Wege gemessen, wozu an jeder zu überwachenden Achse ein Impulsgeber angebracht wird. Bekannt ist hierzu eine mit der Triebachse rotierende Scheibe, die an ihrem Umfang mit abwechselnd gepolten Dauermagneten 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 Rechteckspannung umgeformt werden.

An Stelle eines derartigen Digitalgebers kann auch — wie weiter bekannt ist — ein rückgekoppelter Oszillator, dessen Hochfrequenzschwingung bei Annäherung eines Metallteiles durch die dann vergrößerte Dämpfung der Schwingkrrisspule abreißt, verwendet werden. Durch Gleichrichtung und Glättung der Schwingung erhält man am Ausgang ein digitales SignaL Ein solcher Digitalgeber ist klein und läßt sich leicht an Stellen anbringen, an denen sich bei der Drehung der Triebachse Metallteile an ihm vorbeibewegen.Das kann eine spezielle Zahnscheibe sein, die auf der Mctorwelle oder auf der Triebachse angebracht ist, es können aber auch die Zähne des auf der Triebachse sitzenden Großrades sein. Im letzteren Falle ist der Geber im Radschutzkasten eingeschraubt und radial auf die

ίο 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

is Achsen wird damit auf einen Frequenzvergleich zurückgeführt Dieser Frequenzvergleich erfolgt in einem Differenzgatter, das zwei Eingänge für die Frequenz /i und h und einen Ausgang aufweist, an dem eine Impulsfolge mit der Frequenz (z = /i - h erscheint, wenn Λ > /.· ist. Im umgekehrten Fail, bei /i «e h, erscheint am Ausgang des Differenzgatters kein Signal. Bei sprunghaften Auftreten einer Drehzahldiffe renz erscheint der erste Impuls der Differenzfrequen/ mit einer mittleren Verzögerung von etwa der halben

2s Periodendauer dieser Frequenz. Die Differenzfrequenz ist der Drehzahldifferenz der verglichenen Achsen proportional. Der Drehzahlvergleich der zu überwachenden Achsen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die Figur zeigt eine Schaltung für den Vergleich von

ίο zwei Achsen, mit der sich Durchmesserunterschiede der Treibradei ausgleichen lassen. Die Drehzahl beider Athvi: wird in den Differenzgattern Dd und DCn miteinander verglichen. Die Differenzfrequenz am Ausgang der Differenzgatter wird den Impulsformern

-^ JFi und JF2 zugeführt, die jeden ankommenden Impuls

in einen normierten Rechteckimpuls konstanter Höhe und Länge verwandeln. Der Impulsformer JFi gibt positive, der Impulsformer JFi negative Impulse ab.

Der Mittelwert des aus den Impulsformern JFi und

_4(J JFi auf den Eingang des Verstärkers V ι fließenden Stromes ist der Drehzahldifferenz der beiden Achsen proportional. Das Vorzeichen gibt an, ob die Achse 1 schneller (+) oder langsamer (-) als die Achse 2 ist. Sind die Treibraddurchmesser beider Achsen ungleich,

_4> trill also auch ohne Schlupf eine Drehzahidifferenz zwischen den beiden Achsen auf. so fließt ein Strom auf den Eingang des Verstärkers Vi, der der Achsdrehzahl und somit der Fahrgeschwindigkeit proportional ist. Bei Fahrzeuggeschwindigkeiten von 100 bis 200 km/h und

_So zulässigen Unterschieden der Treibraddurchmesser von 2 bis 4% ergibt sich mit der bis hierher beschriebenen Schaltung eine Unsicherheit der Schlupferfassung von 4 bis 16 km/h. Für einen wirksamen Schleuderschutz ist diese Genauigkeit unter Umständen nicht ausreichend.

_s^ Es ist daher eine Anpassung der Schlupfmessung an die unterschiedlichen Treibraddurchmessern für die einwandfreie Funktion des Schleuderschutzes vorgesehen. Hierzu wird der dem Verstärker Vi zugeführte Strom kompensiert durch einen entgegengerichteten, ebenfalls

„_i; der Achsdrehzahl proportionalen Strom, der von der drehzahlproportionalen Frequenz /Ί abgeleitet wird. Diese wird dem Impulsformer JFi zugeführt, der an das Potentiometer R\ zum Bezugspotential symmetrische Impulse abgibt. Im Verstärker Vi werden die Stromim-

(,_s pulse aus den Impulsformern /Fi bis JFi in eine Spannung umgeformt und geglättet. Die Verstärkerausgangsspannung Ua ist der Summe der Eingangsströme proportional.

Die genaue Einstellung des die Raddurchmesserdifferenz kompensierenden Stromwertes erfolgt bei einer möglichst hohen Fahrzeuggeschwindigkeit und bei stromlosen Fahrmotoren (damit ist gewährleistet, daß kein Rad schlüpft). Das Potentiometer /?i wird so lange verstellt, bis die Ausgangsspannung des Verstärkers Vi Null geworden ist. Eine selbsttätige Einstellung ist möglich, wenn das Potentiometer Ri 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 Ausgangsspannung vom Verstärker Vi Null geworden ist.

Da der Drehzahlvergleich beider Achsen rein digital erfolgt und nur der wenige Prozent der Drehzahl betragende Drehzahlunterschied auf analogem Weg 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% relativ zu den anderen, so ergibt sich eine Nullpunktverschiebung um nur 1% bezogen auf die jeweilige Fahrzeuggeschwindigkeit Diese unter ungünstigen Voraussetzungen auftretende Unsicherheit der Schlupferfassung ist für die einwandfreie Funktion des Schleuderschutzes ohne Bedeutung.

Am Verstärker Vi steht somit eine Spannung zur Verfügung, die sehr genau die Drehzahldifferenz 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 7Ί. 7t mit je zwei Ausgängen nachgeschaltet Der Grenzwertmelder Γι spricht schon auf eine niedrige Spannung an und meldet »leichtes Schleudern« /, der andere Grenzwertmelder 72 spricht erst bei einer hohen Spannung an und meldet »heftiges Schleudern« h.

> Weichet beiden Grenzwertmelderausgänge Signal führt, hängt davon ab, ob Fi > k oder h > f\ ist. Damit ist die Möglichkeit gegeben, nicht nur ein Schlüpfen überhaupt zu erfassen, sondern auch noch festzustellen, welche der Achsen schlüpft.

ίο Zur Erläuterung der analogen Auswertung ist in der Figur eine Schaltung gezeigt die es bei Einzelsteuerung der Fahrmotoren ermöglicht das Schleudern durch einen selektiven Eingriff in die Regelung des Motors der schlüpfenden Achse zu beseitigen. Dazu wird die negative Ausgangsspannung von Vi in einem weiteren Verstärker Vi umgekehrt Wenn die Drehzahl der Achse 1 größer ist als die der Achse 2, liegt an der Diode m, im umgekehrten Fall an der Diode m positive Spannung. Ein elektronischer Schalter £5 leitet die jeweils positive Spannung auf denjenigen der beiden Regelverslärker Vj oder Vi, der den schleudernden Motor TMt, TMi beeinflußt. Die Verstärker V3 und Vt erhallen zweckmäßig ein I- oder Pi-Verhalten. Ein festeingespeister Strom Jk gewährleistet, daß ein Ansprechen erst erfolgt wenn der Schlupf eine gewisse Grenze übersteigt (Schlupf bei Kurvenfahren und leichter Schlupf, der nicht zum Schleudern führt, soll nicht erfaßt werden). Die angegebene Anordnung gestattet eine sehr genaue und dennoch schnelle Erfassung einer schlupfbedingten Drehzahldifferenz zweier Achsen. Der Zeitverzug zwischen auftretendem Schlupf und dessen Registrierung beträgt angenähert etwa 1 bis 2 Perioden der dem Schlupf proportionalen Frequenz. Der Zeitverzug ist somit der Höhe des Schlupfes umgekehrt proportional und unabhängig von der Höhe der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: ^

1. Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen, bei der je weils zwei Treibachsen drehzahlabtiängige Impulsgeber zugeordnet sind, deren Ausgangssignale in Vergleichsglieder eingegeben werden, wobei unterschiedliche Treibraddurchmesser berücksichtigt sind, dadurch gekennzeich- ic pet, daß bei Ausbildung der Vergleichsglieder als Differenzgatter (ZXJi, DGi\ das eine Differenzgatler {DG\) die positive (fi - />> das zweite (DG2) die negative Drehzahldifferenz (fi - h) erfaßt, daß die der positiven bzw. negativen Differenzfrequenz entsprechende Ausgangsgröße je einen Impulsformer (/Fi, ]Fi) zugeführt wird, von denen der eine positive, der andere negative Impulse ausgibt, daß der der Drehzahldifferenz der beiden Achsen proportionale Stromwert am Ausgang der impulsformer sowie ein die Raddurchmesserdifferenz kompensierender, aus einer der Eingangsfrequenzen (/i, /2) über einen weiteren Impulsformer (//⁷J) abgeleiteter Stromwert dem Integrierverstärker (Vi) eingegeben werden, der die Stromimpulse in eine der Drehzahldifferenz entsprechende Steuer-Gleichspannung ( Ua) umformt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgang des von einer der Eingangsfrequenzen (Λ, h) unmittelbar beaufschlag- ,3 ten Impulsformers (/Fi) ein Potentiometer (Ri) angeordnet ist, mit dem die Einstellung des die Raddurchmesserdifferenz kompensierenden Stromwerts bei einer möglichst hohen Fahrzeuggeschwindigkeit und bei stromlosen Fahrmotoren erfolgt. ^ wobei das Potentiometer (Äi) so lange verstellt wird, bis die Ausgangsspannung (Ua) des Integrierverstär kers f Vi,Jzu Null geworden ist.