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Elektropneumatischer Bremskraftregelkreis für Fahrzeuge, insbesondere
Schienenfahrzeuge Die Erfindung betrifft einen elektropneumatischen Bremskraftregel
kreis für Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, mit je einem das Druckverhalten
eines Bremszylinders überwachenden Belüftungs- und Entlüftungsmagnetventil, bei
dem die Magnetventile über eine elektrische Nachlaufsteuerung überwacht werden.
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Aus der DT-PS 1 100 672 ist bereits eine elektropneumatische Bremsanlage
für Schienenfahrzeuge bekannt geworden, bei der der Druck in einem Bremszylinder
über Be- bzw. Entlüftungsmagnetventile gesteuert wird, dadurch, daß diese Ventile
in ihrem Steuerungsverhalten von einer elektrischen jIachlaufsteuerung überwacht
sind.
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Hierbei sind zwei Spannungsteiler, die zusammen eine Wheatstone-Brücke
bilden, vorgesehen, deren einer handbetätigt ist (Sollwert des Druckes), während
der andere von einem federbelasteten, mit dem zu überwachenden Druck beaufschlagten
Kolben betätigt wird (Istwert des Druckes). In den Nullzweig der Brücke ist ein
polarisiertes bLelais geschaltet, über welches je nach Polarität der Differenzspannung
zwischen den Spannungsteilerabgriffen das Be- bzw. das Entlüftungsmagnetventil betätigt
wird.
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Das polarisierte Relais benötigt zum Umschalten eine gewisse Mindestspannung,
so daß hier jeweils ein Schwellwert überschritten werden muß. Außerdem weist das
Relais in seinem Schaltverhalten eine liysterese auf.
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Nachteilig an dieser Bremsanlage ist vor allem die durch die nachstellung
des Schiebewiderstandes und die Massenträgheit des polarisierten Relais bedingte
langsame Schaltgeschwindigkeit. Außerdem sind Schwellwerte und Ilysterese nicht
einstellbar und die Bremsanlage ist erschütterungsempfindlicb.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits ein elektropneumatischer
Umsetzer zur elektrischen Fernsteuerung pneumatiscer Druckgeber auf der Grundlage
einer Blolgesteuerung vorgeschlagen. Hierbei werden Druck-Ist-Wert und Druck-Soll-Wert
in Form von druckproportionalen Spannungswerten auf einen Differenzverstärker gegeben.
Die Spannungsdifferenz wird auf zwei getrennte 'l'rigger (positive und negative
Schwelle) ge;eben, deren Ausgänge verstärkt werden und dann jeweils das Be-bzw.
Entlüftungsmagnetventil steuern. Zur Erzielung hoher Schaltgeschwindigkeiten besteht
die Nachlaufsteuerung nur us elektronischen Bauelementen.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß zur Vermeidung von Überschwingungen
zusätzliche aufwendige Schaltungsmaßnahmen vorgesehen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher einen elektropneumatische Bremskraftregelkreis
der eingangs gennanten Art anzugeben des trotz hoher Empfindlichkeit und schnell
eingreifender Regelung ohne Auftreten von Überschwingungen mit weitgehend geringen
Geräteaufwand erstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, uaí3 eine eine Regelabweichung
darstellende Brückenspannung einer Wheatstonebrücke mit den Eingängen eines Differenzverstärkers
verbunden ist, daß der Differenzzerstärker mit zwei Komparatoren als Vorzeichendetektoren
verbunden ist und daß die Komparatoren über Verstärker mit Erregerwicklungen der
Belüftungs- und entlüftungsmagnetventile verbunden sind.
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weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind de-Unteransprüchen
zu entnehmen.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Prinzipbild eines elektropneumatischen Bremskraftregelkreises,
Fig. 2 ein Schaltbild der elektronischen Regelung und i"ig. 3 ein weiteres Schaltbild
der elektronischen Regelung.
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In lilig. 1 ist ein Bremskraftregelkreis in einem grundsätzlichen
Aufbau dargestellt.
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Ein Druckluftverbraucher 1, der z.B. ein Bremszylinder sein kann,
ist über ein Belüftungsmagnetventil 2 mit einem Druckluftbehälter 5 verbunden und
über ein Entlüftungsmagnetventil 4
mit der umgebenden Atmosphäre
verbunden. Der Druck in Inneren des Verbrauchers 1 wird durch einen Druckgeber 5
gemessen und in Form einer druckproportionalen elektrischen Spannung einem elektronischen
Regler 6 zugeführt. An einem weiteren Eingang ist der Regler 6 mit einem Sollwertgeber
7 verbunden, der eine elektrische Spannung abgibt, die dem Sollwert des Druckes
in dem Verbraucher 1. proportional ist. An zwei Augängen des Reglers 6 ist jeweils
eines der Magnetventile 2 bzw. 4 angeschlossen.
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Die Wirkungsweise des Bremskraftregelkreises nach lig. 1 sei im folgenden
erläutert.
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Der gewünschte Druckwert wird automatisch oder von land an dem Sollwertgeber
'7 eingestellt. Dieser Sollwert wird in dem Regler 6 mit dem von dem Druckgeber
5 gelieferten Istwert verglichen. Hier sind nun 3 Bälle zu unterscheiden 1. Sollwert
= Istwert . (Bereich 2 in Fig. la) 2. Sollwert < Istwert (Bereich 1 in Fig. 1a)
3. Sollwert >Istwert (Bereich 3 in Fig. la).
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Je nach vorliegendem lall sind folgende Maßnahmen zu treffen.
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Fall 1: Druck konstant halten, Ventile 2 und 4 unerregt.
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Fall 2: Druck erhöhen, Ventil 2 erregt, Ventil 4 unerregt.
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hierbei wird Ventil 2 geöffnet, es strömt Druckluft von aei Behälter
3 zu dem Verbraucher 1, solange bis Fall 1 erreicht ist. Ventil 4 bleibt hierbei
ständig geschlossen.
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all 3: Druck absenken, Ventil 2 unerregt, Ventil 4 erregt.
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Hierbei wird Ventil 4 geöffnet, DruckluSt entweicht in die Umgebung,
der Druck sinkt solange bis Fall 1 erreicht ist..
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Ventil 2 bleibt hierbei ständig geschlossen.
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Zur Vermeidung von Regelschwingungen weist der Regler 6 die in Fig.
1a dargestellte Kennlinie auf.
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Die gestrichelt dargestellte Linie gibt den Spannungsverl@@ des Ausganges
4a wieder, die durchgezogene Linie den des @@@ ganges 2a. nur Vermeidung !on Schwingungen
.i-:t ein Bereich vorgesehen, in welchem beide Ventile nicht anprechen, obwohl eine
Regelabweichung (Us - UI) verliegt. Weiterhin weisen beide Kennlinien ein Hystereseverhalten
auf, das ebenfalls dazu dient, unnötigte Schwingungen zu vermeiden. Ein- bzw.
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Ausschaltschwellen und somit auch die Hysterese sind einstellbar,
so daß auch die Anforderungen an die Schalttempfindlichkeit erfüllt werden können.
ilatürlich muß auch hier beim Justieren wie bei jedem Regelkreis ein Kompromiss
zwischen Häufigkeit des Ansprechens und Ansprechempfindlichkeit geschlossen werden.
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In Sig. 2 ist ein Schaltbild des Reglers 6 dargestellt.
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Die Widerstände 3, 9, 10 und 11, 12, 13 bilden eine symmetrische Wheatstone-Brücke,
wobei der Widerstand 9 hier den Sollwertgeber 7 und der Widerstand 12 den Druckgeber
5 repräsentiert.
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Der Mittelabgriff des Widerstandes 9 ist mit dem nicht-invertieist
renden und der Mittelabgriff des Widerstandes 12 mit dem invertierenden Eingang
eines Operationsaverstärkers 14 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 14 ist-mit zwei Komparatoren
15 und 16 verbunden, die ihrerseits mit den Dreiberverstärkern 17 bzw. 18 verbunden
sind. Die- Treiberstärker 17 bzw. 18 sind mit den Spulen 19 bzw. 20 der Magnetventile
2 bzs 4. (Fig. 1) verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Weichen Istwert und
Sollwert voneinander ab, so stehen die Mittelabgriffe der Widerstände 9 und 11 nicht
symmetrisch zueinander und die Brückenspannung weist einen von @@11 verschiedenen
positiven oder negativen Wert auf. Diese Spachung wird in dem Differenzverstärker
14 verstärkt, so daß am dessen
Ausgang eine der Regelabweichung
Us - UI proportionale npasnung ansteht. Zur Trennung positiver und negativer Regelabweichungen
sind die beiden Komparatoren 15 bzw. 16 vorgesehen, wobei der Komparator 15 nur
bei positiver, der Komparator 16 nur bei negativer Regelabweichung anspricfit. Ansprechschwellwerte
und Hysterese sind hier den Komparatoren beigegeben. Liegt nun eine positive Regelabweichung
Us - UI>0 vor, d.h. Sollwert) Istwert, so spricht Komparator 15 an und über den
Treiber 17 wird die Spule 19 erregt, Ventil 2 öffnet sich, der Druck wird solange
erhöht bis die Regelabweichung zu Null wird. Liegt eine negative Regelabweichung
U5 - UI<0 vor, d.h. Sollwert <IstwertJ, so spricht Komparator 15 an und über
den Treiber 18 wird die Spule 20 erregt, Ventil 4 öffnet sich und der Druck wird
abgebaut, bis wiederum die Regelabweichung zu Null wird.
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In Fig. 3 ist eine weitere Schaltung aes lleglers 6 dargestellt; diesmal
mit diskreten Bauelementen aufgebaut. Gleiche Bezugszeichen weisen auf in den anderen
Figuren dargestellte gleiche Teile hin.
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Die Widerstände 8, 9, 10 bzw. 11, 12, 13 bilden wieder die Wheatstone-Brücke.
Dem Widerstand 10 ist noch ein weiterer verstellbarer Widerstand 21 zum Feinabgleich
der Brücke parallelgeschaltet.
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Der Mittelabgriff des Potentiometers 9 ist mit der Basis eines Transistors
22 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand 23 mit Masse verbunden ist.
Entsprechend symmetrisch hierzu sind der Widerstand 12, der Transistor 22' und-dessen
Kollektorwiderstand 23' in gleicher Weise geschaltet. Die beiden Transistoren 22
und 22' sind somit zu einem Differeii'-verstärker zusammengeschaltet. Die beiden
Emitter der Transistoren 22 und 22' sind gemeinsam mit dem Kollektor eines Transistors
24 verbunden, welcher als Stromquelle für den Differenzverstärker dient.
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Über einen Emitterwiderstand 25 ist der Transistor 24 mit der Versorgungsspannung
verbunden. Über einen Spannungsteiler a@ Widerstand 26 und ein Potentiometer 27
mit deren Verbindungspunkt die Basis des Transistors 24 verbunden ist, wird der
Arbeitspunkt des Transistors 24 festgelegt.
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An dem Kollektor des Transistors 22 ist die Basis eines transistors
28 angeschlossen, der mit seinem Kollektorwiderstand 29 als Komparator geschaltet
ist. Zur Erzeugung der oben angegebenen erwünschten Schalt schwelle als auch der
Ilysterese ist die Kollektorspannung des Transistors 28 über eine: hochohmigen Widerstand
30 auf die Basis des Transistors 22 gekoppelt.
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Entsprechend symmetrisch ist ebenfalls über einen Widerstand der Transistor
22' mit dem Transistor 28' und dessen Kollektorwiderstand 29' gekoppelt. Die Kollektoren
der Transistoren 28 und 28' sind mit nicht dargestellten, bekannten Verstärkerschaltungen
als Treiber verbunden, die ihrerseits mit den Spulen der Magnetventile verbunden
sind.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist analog der nach Fig.
2, sofern man berücksichtigt, daß die Transistoren 22 und 22' samt ihren dazugehörigen
Widerständen den Differenzverstärker und die Transistoren 28 und 28' samt ihren
Widerständen die Komparatoren darstellen. Eine detaillierte Beschreibung der Wirkung
erübrigt sich daher.
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Abschließend soll noch auf die dem Fachmann bei Kenntnis der Erfindung
naheliegenden mannigfaltigen Variations- und Anwendungsmöglichkeiten hingewiesen
werden.
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bs ist klar, daß als Druckgeber jegliche Vorrichtung verwendet werden
kann, bei der unmittelbar oder auch mittelbar, z.B.
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über einen federbelasteten Kolben, der einen Abriff eines Schiebwiderstandes
verstellt, eine dem Druck proportionale elektrische Spannung geliefert wird.
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Ebenso können als Sollwertgeber vielfältige Vorrichtungen verwendet
werden. So siebt z.B. eine bevorzugte Anwendungsform vor, den Sollwert des Bremsdruckes
aus einem Blockierschutzgerät bekannter Bauart in orfl] einer elektrischen Spannung
abzuleiten. Auch der Einsatz von Druckgebern, Kraftgebern, Geschwindigkeits- oder
Beschleunigungsgebern und sonstigen Vorrichtungen, bei denen eine physikalische
Größe in eine elektrische Spannung umgewandelt wird, ist bei Kenntnis der vorliegenden
Erfindung dem fachmann nahegelegt.
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natürlich kann die Erfindung auch zur Bremskraftregelung in Kraftfahrzeugen
udn Flugzeugen eingesetzt werden. Auch die Drucküberwachung in Druckbehältern ist
ohne weiteres möglich.
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Auch ist die Erfindung natürlich nicht nur auf Druckluft beschränkt,
sondern kann ebenso in der Hydraulik ihre Anwendung finden.
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Patentansprüche