DE3531653A1

DE3531653A1 - Antriebs- und bremseinrichtung fuer schienenfahrzeuge

Info

Publication number: DE3531653A1
Application number: DE19853531653
Authority: DE
Inventors: Fritz Prof Dr Ing Frederich
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1985-09-05
Filing date: 1985-09-05
Publication date: 1987-03-12

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebs- und Bremsregelung für Radfahrzeuge, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit angetriebenen und oder gebremsten Rädern oder Radsätzen, die mit schnell verstellbaren Antriebs- oder Bremseinrichtungen ausgestattet sind oder damit ausgerüstet werden können.

Antriebs- und Bremsregelungen, vor allem letztere, sind seit Jahrzehnten als Gleitschutzregler in Schienenfahrzeugen im Gebrauch oder werden in jüngerer Zeit als Antiblockiersysteme (ABS) in Kraftfahrzeugen angewendet. Seltener sind geregelte Antriebe.
Die meisten bekannten Regelungen verwenden als Regelgröße die Änderung der Raddrehzahl. Kraftschlußeinbrüche im Rad/Fahrbahn-Kontakt erlauben dem aufgeprägten Drehmoment, die Raddrehzahl mehr oder weniger schnell zu ändern. Diese Drehzahländerung des Rades wird gemessen und dem Regler zwecks geeigneter Anpassung des Drehmomentes zugeführt. Die Bremsregelung muß bei Kraftschlußeinbrüchen das anstehende Bremsmoment verringern; beim angetriebenen Rad muß das Antriebsmoment ebenfalls zurückgenommen werden, damit ein Drehschleudern des Rades verhindert wird.

Raddrehzahländerungen treten erst auf, wenn die träge Masse des Rades ihre Bewegungsenergie geändert hat, d. h. dem Rad durch den Antrieb Energie zugeführt oder über die Bremse Energie entzogen wurden. Zur Wiederherstellung des ursprünglichen oder eines neuen, nahe der ursprünglichen Raddrehzahl gelegenen Betriebszustandes muß die gesamte oder ein erheblicher Teil der für die gemessene Winkelbeschleunigung investierten Energie wieder kompensiert werden.

Die beschriebenen Vorgänge erfordern Zeit, während der das Rad nicht die für die bestmögliche Kraftschlußausnutzung erforderliche Radumfangsgeschwindigkeit hat. Die Folge sind verminderte Antriebs- und Bremsqualität.

Die bisherigen Regelungen sollen außerdem derart verbessert werden, daß einerseits eine möglichst gute Ausnutzung des zwischen Rad und Fahrbahn gerade vorhandenen Kraftschlusses und damit die Erzeugung möglichst hoher Antriebs- oder Bremskräfte ermöglicht oder daß andererseits bei örtlich und zeitlich wechselnden Kraftschlußverhältnissen eine gleichbleibende Zugkraft und eine verlustleistungsarme und verschleißreduzierende Längskrafterzeugung zwecks Materialschonung von Rad und Fahrbahn gestattet wird. Dazu muß sichergestellt sein, daß der Schlupf zwischen Rad und Fahrbahn die unbedingt erforderliche Mindestgröße möglichst selten überschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Signal für die Kraftschlußänderung im Rad/Fahrbahn-Kontakt zu finden, welches nicht auf der Drehzahländerung des Rades aufbaut.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung größtmöglicher Längskräfte im Rad/Schiene- Kontakt bei durch Witterungseinflüsse oder dergleichen wechselndem Kraftschluß zwischen Rad und Schiene das wirksame Antriebs- oder Bremsmoment in Abhängigkeit von der Achslagerlängskraft geändert wird, bevor eine Drehzahländerung eintritt.

Die Erfindung wird in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der mechanischen Zusammenhänge;

Fig. 2 die Früherkennung der Störung Δ F _x im Regelkreis und

Fig. 3 ein schematisches Ausführungsbeispiel für die Erfassung der Achslagerlängskraft.

Am Rad, welches mit einer Längskraftschlußkraft im Radaufstandspunkt beaufschlagt wird, ist das mechanische Gleichgewicht der Längskräfte nur vorhanden, wenn eine gleich große, aber entgegengerichtete Kraft irgendwo wirkt. Dies ist die als Zugkraft- oder Bremskraft an der Lagerung des Rades auftretende Lagerlängskraft. Änderungen der Lagerkraftschlußkraft sind augenblicklich, unmittelbar in der Änderung der Lagerlängskraft wiederzufinden. Die Reaktion ist ohne jeden Zeitverzug schlagartig vorhanden und als Meßwert in der Radlagerung direkt abgreifbar.

Die an sich einfachen mechanischen Zusammenhänge sind in Fig. 1 als Prinzipskizze dargestellt. Es bedeuten im Beispiel:
M _y - das dem Rad aufgeprägte Antriebsmoment
F _x - die im Radaufstandspunkt wirksame Längskraftschlußkraft
A _x - die Lagerlängskraft an der Lagerung des Rades
r - der Halbmesser des Rades
R _y - das polare Massenträgheitsmoment des Rades um die y-Achse
u - die Radumfangsgeschwindigkeit
ω - die Winkelgeschwindigkeit des Rades
v - die Translationsgeschwindigkeit des Rades
- Längsbeschleunigung des Rades
- die zeitliche Änderung der Ramdumfangsgeschwindigkeit
- Winkelbeschleunigung des Rades

Für die Drehung des Rades gilt nach den Gesetzen der Mechanik der Momentensatz

R _y = M _y - F _x · r

daraus folgt bzw.

Die Winkelgeschwindigkeit ändert sich meßbar von ω ₀ auf ω ₁ nur in der Zeit T. In dieser Zeit erhöht sich die Bewegungsenergie des Rades um

Gleichfalls nach den Gesetzen der Mechanik gilt für die Längsbewegung des Rades der Schwerpunktsatz

m = F _x - A _x

daraus folgt

F _x = A _x + m

F _x ist direkt proportional der Achslagerlängskraft A _x korrigiert mit den Trägheitskräften m des Rades in Längsrichtung.

Fig. 2 zeigt die Früherkennung der Störung Δ F _x im Regelkreis, bestehend aus Regelstrecke und Regler. Die Längskraftschlußschwankung Δ F _x wird im Prozeß sofort erkannt und vom Regler in eine Verstellung des Antriebsmomentes M _y umgesetzt, bevor sich die Störung Δ F _x auf die Raddrehzahl und damit die Radumfangsgeschwindigkeit u auswirkt.

Fig. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel für die Erfassung der Achslagerlängskraft A _x und der evtl. erforderlichen Längsbeschleunigung des Rades wieder. Der zur Führung des Rades 1, das sich auf der Schiene 9 befindet, dienende Längslenker 2 ist am nicht näher dargestellten Wagenkasten 8 befestigt und mit einem Kraftschlußaufnehmer 3 bestückt, welche die Achslagerlängskraft messen. Am Radlagergehäuse 4 ist ein Beschleunigungsaufnehmer 5 angebracht. Er mißt die Längsbeschleunigung . Beide Signale werden über elektrische Leitungen 6 dem Regler 7 zugeführt. Über die Ausgangsleitung 10 werden Signale zur Beeinflußung des Antriebs- oder Bremsmomentes bzw. der Raddrehzahl übertragen.

Claims

1. Antriebs- und Bremsregelung für Radfahrzeuge, insbesondere für Schienenfahrzeuge mit angetriebenen und/oder gebremsten Rädern oder Radsätzen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung größtmöglicher Längskräfte im Rad/Schiene-Kontakt bei durch Witterungseinflüsse oder dergleichen wechselndem Kraftschluß zwischen Rad und Schiene das wirksame Antriebs- oder Bremsmoment in Abhängigkeit von der Achslagerlängskraft geändert wird, bevor eine Drehzahländerung eintritt.

2. Antriebs- oder Bremsregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Früherkennung von Kraftschlußänderungen im Rad/Schiene-Kontakt die Achslagerlängskraft gemessen und zur Antriebs- oder Bremsmomentenregelung bzw. Raddrehzahlanpassung verwendet wird.

3. Antriebs- und Bremsregelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Achslagerlängskraft auch die Längsbeschleunigung am Radlager gemessen und zur Antriebs- oder Bremsmomentregelung bzw. Drehzahlanpassung des Rades verwendet wird.