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Bremskraftregelkreis Die Erfindung betrifft einen Bremskraftregelkreis
insbesondere für Schienenfahrzeuge mit Meßfühlern zur Ermittlung der Radgeschwindigkeit
und der Fahrzeuggeschwindigkeit und mit einem Vergleicher, in welchem aus den Meßfühlern
abgeleitete Signale miteinander verglichen werden, wobei das Ergebnis dieses Vergleiclles
einem Regler zugeführt wird, der auf ein Bremsventil einwirkt.
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Jede Einrichtung zur Verhinderung des Blockierens von i'ahrzeugrändern
enthält in irgendeiner Form einen Regelkreis. Auch ein "ungeregeltes" Bremssystem,
das von einem Fahrer bedient wird, kann als Regelkreis aufgefaßt werden, bei dem
die Bunktioncn eines Meßfühlers, eines Sollwertgebers, eines Vergleichers und eines
Reglers vom Fahrzeugführer übernommen werden.
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bei selbsttätigen Regelkreisen galt es bisher zu entseheident welche
physikalischen Größen gemessen und nach welchen Kriterien letztlich die Bremskraft
geregelt werden sollte. Hierzu wurde bei nahezu allen bekannten Systemen die Umdrehungsgeschwindigkeit
mindestens eines der Fahrzeugräder gemessen. Aus einem
solchen Geschwindigkeitssignal
wurde dann häufig ein Drehbeschleunigullgs- bzw. -verzögerungssignal abgeleitet.
tberschritt die Beschleunigung bzw. Verzögerung den bestimmten vorgegebenen Wert,
so setzte die Regelung ein. Der Regler bestand in diesem halle also aus einem Zweipunktregler
mit nur zwei Schaltzuständen.
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Derartige Systeme wurden im Laufe der Zeit immer mehr verfeinert,
wobei vorallem die einzelnen Auslösekriterien verfeinert wurden und inden gleichzeitig
mehrere Auslösekriterien nebeneinander ein Auslesen des Blockierschutzes verursachen
konnten.
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Aus Messungen ist bekannt, daß die größtmögliche Haftkraft wischen
Radoberfläche und Fahrbahn dann gegeben ist, wenn ein gewisser Schlupf zwischen
Rad und Fahrbahn vorhanden ist.
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Der Schlupf ist hiebei definiert als die Differenz zwischen tatsächlicher
Fahrzeuggeschwindigkeit (vFz) und der Umdrehungsgeschwindigkeit des jeweiligen Rades
(v@@@) bezogen auf die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit.
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Das Optimum der Haftkraft liegt etwa bei einem Sdupf zwischen 2 und
10 %, wobei der jeweilige Wert von den Randbedingungen, wie z.B. Oberflächenbeschaffenheit,
Feuchtigkeit usw., abhängig ist. Es bietet sich daher an, direkt den Schlupf als
Regelgröße zu wählen (vergl. Automobiltechnische Zeitschrift 77 (1975) Heft 1 Seite
14). Eine Ermittlung des Schlupfes setzt die Messung der tatsächlichen Zuggeschwindigkeit
voraus.
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Hier waren bisher beträchtliche Schwierigkeiten zu überwinden, da
weder im Automobilbau noch beim schienengebundenen Verkehr gestattet war, ein frei
laufendes Meßrad zur Ermittlung der tatsächlichen Zuggeschwindigkeit zu ber.;utzen.
Erst die inzwischen
entwickelten berührungslosen Meßverfahren, wie
z.B. Radar, Sonar oder auch optische Meßverfahrensowie auch Punktmeßverjahren, bei
denen die Schiene örtlich magnetisiert, erwärmt oder sonstwie markiert wird, ermöglichen
heute eine ausreichend genaue und mit vertretbarem Aufwand zu verwirklichende Messung
der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit. Da also bisher die tatsächliche Zuggeschwindigkeit
nicht ermittelt wurde und die Systeme daher alle mehr oder weniger ungenau arbeiten
mußten, wurde auch auf das Verhalten des eigentlichen Reglers kein besonderes Augenmerk
gerichtet. Üblich waren Zwei- oder Dreipunktregler, die dem Verhalten der Ein- bzw.
Auslaßventilen an den Bremszylindern angepaßt waren. Damit konnte jedoch der Bremsdruck
am einzelnen Rad nur sehr bedingt eingestellt werden, nämlich nur zwischen den Zuständen
"Druck erhöhen" "Druck konstant halten" und "Druck absenken". Auf Grund der Schwellwertcharakteristik
des Reglers war damit ein feines und schnelles Einstellen des Bremsdruckes nicht
möglich.
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Somit wurde auch die potentiell günstigste Haftkraft nur rein zufällig
ausgenfitzt.
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Aufgabe der Erfindung war es, einen Bremskraftregelkreis der oben
angegebenen Art anzugeben, bei dem die Bremskraft so geregelt wird, daß die Haftkraft
zwischen Fahrzeugrädern und Untergrund im optimalen Bereich liegt, wobei die Regelung
sehr schnell einsetzen sollte, ohne dabei Überschwinger oder bleibende Regelabweichungen
zu zeigen. Weiterhin sollte der Regelkreis sowohl für Blockier als auch für Schleuderschutzeinrichtungen
verwendbar sein, nachträglich in bestehende Bremssysteme eingebaut werden können
als auch in seinem Aufbau den rauhen Bedingungen eines Fahrbetriebes angepaßt sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Regler ein stetiger Regler
ist, dessen Regelverhalten einer Reihenschaltung, bestehend aus PD- und PID-Regler
entspricht.
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Da eine so gewonnene Stellgröße nicht unmittelbar einem Magnetventil
zugeführt werden kann, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, daß der oder einem Pulsfrequenzmodu Ausgang des Reglers über einen Pulsbreitenmodulator/einem
lator kegelventil zur Druckbeeinflussung der Fahrzeugbremsen zugeführt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen
zu entnehmen und aus der Beschreibung ersichtlich, In den Zeichnungen sind weitere
Einzelheiten der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Bremskraftregelkreises
Fig; 2 ein Fahrdiagramm einer £remsun¢,r Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Schlupfreglers
Fig. 4 Regelkennlinien verschiedener Regler.
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Fig. 4a - PD-Regler Fig. 4b - PID-Regler i'ig. 4c - PD-Regler seriell
mit PID-Regler.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Bremskraftregelkreises.
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entspricht ganz allgemein dem Blockschaltbild eines in der Regelungstechnik
verwendeten Regelkreises. Als Fiihrungsgroße (w) dient die Sollgeschwindigkeit des
geregelten Fahrzeugrades; als Regelgröße x dient die Istgeschwindigkeit des Fahrzeugrades.
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Regelgröße x und Führungsgröße w werden einem Vergleicher 1 zugeführt
und dort zu einer Regelabweichung (xd) umgeformt, die einem Regler2zugeführt wird.
In dem Regler2wird aus der
Regelabweichung xd eine Stellgröße (y)
gebildet, die einer Regelstrecke 3,in diesem Falle einem Radbremszylinder, zugeführt
wird. Auf die Regelstrecke3können auch noch Störgrößen (z) einwirken. Über den Radbremszylinder
wird somit die Radgeschwindigkeit geregelt.
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In Fig. 2 ist das Fahrdiagramm einer Bremsung dargestellt.
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Es sind Fahrzeuggeschwindigkeit (vFz), Radgeschwindigkeit (vRad) und
Führungsgröße (w) in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
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Im ungebremsten Zustand tritt kein Schlupf auf, so daß Fahrzeug- und
Radgeschwindigkeit gleich groß sind. Die Führungsgröße ist auf einige Prozent Schlupf
eingestellt und somit niedriger als Fahrzeug- und Radgeschwindigkeit. Zum Zeitpunkt
t0 wird das Fahrzeug gebremst. Die Regelung setzt unverzüglich ein, da in diese,
Moment der Regler eingeschaltet ist und eine Regelabweichung feststellt. Das Rad
hatte ja noch keinen Schlupf und soll bei der Bremsung einen geringen Schlupf bekommen.
Unter der Annahme, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit nahezu linear abnimmt, wird die
Radgeschwindigkeit entlang der Führungsgröße heruntergeregelt, wobei anfänglich
kleinere Abweichungen zwischen Radgeschwindigkeit und Führungsgröße noch auftreten
können. Da die Führungsgröße in Prozenten der Fahrzeuggeschwindigkeit angegeben
ist, können auch niemals Flachstellen gefahren werden, da auch bei niedriger Geschwindigkeiten
ein Blockieren der er nicht auftreten kann. Im Einzelfalle kann te es sich jedoch
als zweckmäßig erweisell, im Bereich sehr kleiner Geschwindigkeiten (z.B. unter
10 km/h) den Regelkreis abzuschalten und hierbei ein Blockieren der Räder in Kauf
zu nehmen. Eine solche Einrichtung ist selbstverständlich sehr einfach in den bestehenden
Regelkreis einzubauen.
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In F Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Schlupfreglers dargestellt
bin Meßfühler 4 zur Ermittlung der tatsächlichen ii?ahrzeuggeschwindigkeit ist mit
einem Sollwertgeber 5 verbunden. Der Sollwertgeber
5 ist über einen
weiteren Sollwertgeber 6 verstellbar. Weiteriiin ist der Sollwertgeber 5 mit einem
Vergleicher 6 verbunden, welcher eingangsseitig noh mit einem Meßfühler 7 zur Ermittlung
der ltadgeschwindlgkeit verbunden ist. Der Ausgang des Vergleichers 6 ist mit einem
Regler 8 verbunden, welcher @einerseits über einen Impulsbreitenmodulator 9 mit
einem Magnetventil 10 verbunden ist.
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Im folgenden sei die Wirkungsweise dieses Schlupfreglers erläutert.
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In dem Sollwertgeber 5 wird die Führungsgröße (w) des Regelkreises
gebildet. hierbei wird ein vorgegebener Schlupfwert aus dem weiteren Sollwertteber
6 zusammen mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit aus dem Meßfühler 4 zu
der Führungsw = vFz (1-s0) gebildet. Setzt man in diese Gleichung für den Wert s0
die oben angegebene Definitionsgleichung des Schlupfes ein, so erhält man als Führungsgröße
den Sollwert rt der Radgeschwindigkeit. Dieser wird in dem Vergleicher 0 mit der
Istgeschwindigkeit des Rades verglichen. Als Regelabweichung (xd) erhält man die
Differenz zwischen Sollgeschwindigkeit des Rades und Istgeschwindigkeit des Rades,
die nunmehr dem Regler 8 zugeführt wird. Vorteilhafterweise hat nach der Erfindung
dieser Regler eine Kennlinie, die der Serienschaltung eines PD-Reglers mit einem
PID-Regler entspricht. Die Ausgangsgröße des Reglers 8 entspricht dem gewünschten
Bremsdruck. Da die üblichen in Fahrzeugen verwendaten Bremsventile, vornehmlich
Magnetventile, nicht stetig steuerbar sind, muß die Ausgangsgröße des Reglers 8
in eine impulsförmige Große umgewandelt werden. Dies geschieht über einen Impulsbreitenmodulator
9 oder auch einen Impulsfrequenzmodulator. Der Modulator erzeugt also eine Impulskette,
deren zeitliches Integral proportional der Eingangsgröße ist. Dies kann dadurch
geschehen, das eine Impulsserie konstanter Frequenz in ihrem Tastverhältnis verändert
wird (Impulsbreitemllodulation) oder auch dadurch,
daß eine Impulsserie
konstanter Impulsbreite in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge, also der Impulsfrequenz,
verändert wird.
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Das Magnetventil 10 wird nun von dieser Impulsserie so gesteuert,
daß sich als mittlerer Bremsdruck ein dem zeitlichen Integral dieser Steuerimpulse
proportionaler Druck und somit ein der Ausgangsgröße des Reglers 8 direkt proportionaler
Bremsdruck einstellt.
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Somit ist also im Ergebnis eine stetige Regelung des Bremsdruckes
ermöglicht.
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In Fig. 4 sind verschiedene Kennlinien von Reglern aufgezeichnet.
Fig. 4a zeigt den zeitlichen Verlauf einer Regelgröße x bei einem Sprung der Führungsgröße
w bei einem PD-Regler.
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Ctlarakteristisch für den PD-Regler ist die bleibende Regelabweichung
xw. In Fig. 4b sind die Kennlinien eines PDI-Reglers als Antwort auf einen Sprung
der Führungsgröße aufgezeigt.
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Charakteristisch für den PID-Regler sind die Überschwinger, wobei
jedoch die Regelabweichung nach dem Abklingen der schwinger zu IFull wird. Zur Vermeidung
der Nachteile (bleibende Regelabweichung bzw. Überschwinger) wird eine Serienschaltung
eines PD-Reglers mit einem PID-Regler vorgeschlagen. Fig. 4c zeigt die Kennlinien
einer solchen Regelschaltung. Charakterisch ist das Fehlen einer bleibenden Regelabweichung
als auch von Überschwingern. Ein derartiger Regler ist daher besonders für einem
Bremskraftregelkreis nach der Erfindung geeignet.
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Die Regelung ist somit sehr feinfühlig, setzt schnell ein und kann
im optimalen Bereich des Schlupfes gehalten werden.
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Als Magnetventile kommen sowohl Zweipunkt- als auch Dreipunktventile
infrage. Zweipunktventile können lediglich die Befehle "Druck erhöhen" oder "Druck
absenken" ausführen, während bei Dreipunktregelventilen zusätzlich der Befehl "Druck
halten" möglich ist. Daher haben Dreipunktventile den Vorteil eines geringeren Luftverbrauches
als auch eines gleichmäßigeren
Regelverhaltens, da zur Aufrechterhaltung
eines konstanten gewünschten Druckes keine Befehle gegeben werden müssen. Das Dreipunktregelventil
kommt somit dem idealen stetigen Ventil näher. Selbstverständlich ist es dem Fachmann
ohne weiteres gleich, den Bremskraftregelkreis nach der Erfindung allen üblichen
Magnetventilen anzupassen.
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Patent ansprüche