DE1663172C3 - Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen - Google Patents

Description

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 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 Fahrzeugführers überlassen, ein Durchdrehen bzw. Rutschen der Achsen zu vermeiden. Beobachtungen und Messungen zeigten, 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 halbautomatischer. Zugbetrieb i_M 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 Reihenschlußfahrmctoren verringert sich der Motorstrom der schlüpfenden Achse mit

wachsendem Schlupf gegenüber den anderen Motorströmen. Diese Stromdifferenz läßt sich als Schleudersignal auswerten.

Genauer kann der Schlupf gemessen werden, wenn man in bekannter Weise den Achsdrehzahlen direkt

-,ο 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 Tachogeneratoren). Beim Vergleich der Achsdrehzahlen erfolgt eine Schlupfmeldung erst, nachdem sich ein gewisser Schlupf aufgebaut hat.

Wird hingegen die Winkelbeschleunigung der einzelnen 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 Winkelbeschleunigung 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

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bekannter Weise je in einem Zähler gezählt, die Zählerstände nach Abiauf einer bestimmten Zeit oder Fahrstrecke miteinander verglichen, danach die Zähler zurückgestellt werden und von neuem _;;ezählt werden (ε. ζ. B- Siemens-Zciischrifl, 1965, S 549 und Schweizer Patentschrift 3 96 972). Auftretende Unterschiede der Zählerstände sind ein Maß für den Schlupf einer Achse (Drehzahlvergleich durch Impulszählun^). 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 Schlupf signal 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 der Impulse je Radumdrehung ist aber nicht beliebig steigerbar. Liefert ein Imp jlsgeber 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 kanu, daß Zählerstände verglichen werden, die entsprechend prozentual verschoben sind. Hierzu ist es erforderlich, die Unterschiede derTreibraddurchmesser im Stillstand zu messen und entsprechend der Meßergebnisse die prozentuale Verschiebung vorzunehmen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung 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 Treibraddurchmesser 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 ermittelt zu werden brauchen.

Die Verwendung von Differenzgattern ist bei digitalen Drehzahlregeleinrichtungen an sich bekannt (ETZ A, 1962, S. 381 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 Sche'be, 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 Annaherung eines Metallteiles durch die dann vergrößerte Dämpfung der Schwingkreisspule 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 Mctcrweüe oder auf der Triebachse angebracht ist, es können aber auch die Zähne des auf der Triebachse sitzenden Großrades sein. Im letzteren Falie ist 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. 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 f* = /1 - /h erscheint, wenn Λ > fi ist. Im umgekehrten Fall, bei h < h, erscheint am Ausgang des Differenzgauen; kein Signal. Bei 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 Drehzahivergleich der zu überwachenden Achsen kann auf verschiedene Weise erfolgen.

Die Figur zeigt eine Schallung für den Vergleich von zwei Achsen, mit der sich Durchmesserunterschiede der Treibräder ausgleichen lassen. Die Drehzahl beider Achsen wird in den Differenzgattern DCi und DG2 miteinander verglichen. Die Differenzfrequenz am Ausgang der Differenzgatter wird den Impulsformern /Fi und JF2 zugeführt, die jeden ankommenden Impuls in einen normierten Rechteckimpuls konstanter Höhe und Länge verwandeln. Der Impulsformer /Fi gibt positive,der Impulsformer JFi negative Impulse ab.

Der Mittelwert des aus den Impulsformern /Fi und JFi auf den Eingang des Verstärkers Vi 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, tritt also auch ohne Schlupf eine Drehzahldifferenz 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 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. Es ist daher eine Anpassung der Schlupfmessung an die unterschiedlichen Treibraddurchmessern für die einwandfreie Funktion des Sehleuderschutzes vorgesehen. Hierzu wird der dem Verstärker Vi zugeführte Strom kompensiert durch einen entgegengerichteten, ebenfalls der Achsdrehzahl proportionalen Strom, der von der drehzahlproporiionalen Frequenz /i abgeleitet wird. Diese wird dem Impulsformer JFi zugeführt, der an das Potentiometer Rs zum Bezugspotential symmetrische Impulse abgibt. Im Verstärker Vi werden die Stromimpulse 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 Stromwerles erfolgt bei einer möglichst hohen Fahrzeuggeschwindigkeit und bei stromlosen Fahrmotoren (damit ist gewährleistet, daß kein Rad schlüpft). Das Potentiometer R\ wird so lange verstellt, bis die Ausgangsspannung des Verstärkers Vi Null geworden ist. Eine selbsttätige Einstellung ist möglich, wenn das Potentiometer R\ 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 Ti, 72 mit je zwei Ausgängen nachgeschalleL Der Grenzwertmelder 7Ί spricht schon auf eine niedrige Spannung an und meldet »leichtes Schleudern« /, der andere Grenzwertmelder Ti spricht erst bei einer hohen Spannung an und meldet »heftiges Schleudern« h.

S Welcher beiden Grenzwertmelderausgänge Signal führt, hängt davon ab, ob Fi > h 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 V2 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 πι positive Spannung. Ein elektronischer Schalter ES leitet die jeweils positive Spannung auf denjenigen der beiden Regelverstärker V3 oder V4, der den schleudernden Motor TM\, TM2 beeinflußt. Die Verstärker V3 und Va erhalten zweckmäßig ein 1- 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 angenäheri etwa 1 bis 2 Perioden der dem Schlupf proportionaler Frequenz. Der Zeitverzug ist somit der Höhe des Schlupfes umgekehrt proportional und unabhängig vor der Höhe der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

IO Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Schlupfes angetriebener oder gebremster Fahrzeugachsen, bei der jeweils zwei Treibachsen drehzahlabhängige Impulsgeber zugeordnet sind, deren Ausgangssignale in Vergleichsglieder eingegeben werden, wobei unterschiedliche Treibraddurchmesser berücksichtigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Verglcichsglieder als Differenzgatter (DGi, DG2), das eine Differenzgatter (DG.) die positive (fi - />jt das zweite (DG2) die negative Drehzahldifferenz (fi - (2) erfaßt, daß die der positiven bzw. negativen Differenzfrequenz entsprechende Ausgangsgröße je einen Impulsformer (/Fi₁ JFi) 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 (Zi, k) über einen weiteren Impulsformer (JFi) abgeleiteter Stromwert dem Integrierverstärker (Vi) eingegeben werden, der die Stromimpulse in z< eine der Drehzahldifferenz entsprechende Steuer-Gleichspannung (Ua) umformt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgang des von einer der Eingangsfrequenzen (Zi, Zi) unmittelbar beaufschlagten Impulsformers (JFi) ein Potentiometer (R\) angeordnet ist, mit dem die Einstellung des die Raddurchmesserdifferenz kompensierenden Stromwerts bei einer möglichst hohen Fahrzeuggeschwindigkeit und bei stromlosen Fahrmotoren erfolgt, wobei das Potentiometer (Z?i) so lange verstellt wird, bis die Ausgangsspannung (Ua) des Integrierverstärkers f Vi^zu Null geworden ist.