DE4137546C2 - Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit bei Schienenfahrzeugen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit bei SchienenfahrzeugenInfo
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Description
Es ist bekannt (EP 03 40 418), an Rädern bzw. Achsen von
Schienenfahrzeugen über ein Polrad und einen Impulsgeber
frequenzproportionale Signale zur Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit
zu gewinnen. Aufgrund dieser Signale wird in einem Antiblockiersystem
(ABS) die Fahrzeuggeschwindigkeit rechnerisch nachgebildet. Der
ermittelte Geschwindigkeitsverlauf differiert von der tatsächlichen
Fahrzeuggeschwindigkeit. Würden sich für eine längere Zeit bzw. einen
längeren Schienenwegabschnitt schlechte Haftreibungsbeiwerte zwischen
Rad und Schiene ergeben, so entsteht eine große Differenz zwischen der
absoluten Fahrzeuggeschwindigkeit und der durch Berechnung
nachgebildeten Fahrzeuggeschwindigkeit.
Es ist ferner ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit bekannt
(DE-A1 39 09 589), bei dem in Zeitabständen einerseits die Radgeschwindigkeit
(einzeln aufgehängter Räder) und andererseits Bremsdrücke oder
Bremsmomente bzw. Antriebsmomente gemessen werden. Aus den neuen Meßwerten
und den gespeicherten Meßwerten des vorhergehenden Auswertezeitpunktes
wird aufgrund einer angegebenen Beziehung ein Korrekturwert ermittelt,
um den der ermittelte Fahrzeuggeschwindigkeitswert des vorhergehenden
Auswertezeitpunktes korrigiert wird. Hier ist jedoch nicht
angegeben, wo der sogenannte Bremsdruck ermittelt wird, der bei Einzelrädern
gewöhnlich nur an den Bremsen jedes einzelnen Rades gemessen
werden kann.
Nach einem anderen bekannten Vorschlag (DE-A1 39 12 555) ist ein Verfahren
zur Bestimmung des Radschlupfes einzelner Räder eines Fahrzeugs
vorgeschlagen, wobei aus den ermittelten Werten des Radschlupfes weitere
Größen abgeleitet werden. Hierbei wird der Radschlupf bestimmt, indem
die Drehzahlen der Einzelräder ohne beaufschlagte Bremskraft und mit
beaufschlagter Bremskraft gemessen werden. Die Messung der Bremskraft,
die von der Bremsanlage auf dieses Rad ausgeübt wird, kann durch unmittelbare
Messung der Kraft an dem Bremssattel geschehen oder durch
Messung des auf den Radbremszylinder wirkenden Druckes, wobei allerdings
ein Fahrzeug-Geschwindigkeitsverlauf nicht erstellt wird. Außerdem steht
der durch menschliche Fußkraft erzeugte Bremsdruck im Belieben des
Fahrers. In dem bekannten Verfahren ist es nur möglich, einen stabilen
Bremsbereich dadurch zu ermitteln, daß die Radverzögerung unter einem
geeignet vorzugebenden Schwellwert bleibt, was im Zusammenhang mit der
Ermittlung des Radschlupfes steht.
Außerdem ist es bekannt (DE-A1 28 40 262), wovon die Erfindung ausgeht,
bei einer Einrichtung zur Steuerung pneumatischer oder elektropneumatischer
Bremsung von Schienenfahrzeugen für jeden einzelnen Wagen bei
vom Führerstand vorgegebenen Sollwerten und pro Drehgestell vorhandenen
Geschwindigkeitsgebern über einen Mikroprozessor die Bremszylinder aus
der Hauptluftleitung zu beaufschlagen. Generell können mit dem Mikroprozessor
zwei verschiedene Regelprinzipien verwirklicht werden. Es kann
auf konstanten Bremszylinderdruck entsprechend dem vorgegebenen Sollwert
geregelt werden, wobei der Sollwert noch modifizierbar ist, oder es kann
auf konstante Fahrzeugverzögerung (negative Beschleunigung) entsprechend
dem vorgegebenen Sollwert geregelt werden. Damit sind Reibwertschwankungen
der Bremsbeläge und Streckenneigungen ausgleichbar. Die damit
gegebenen Regelbereiche erfassen jedoch nicht den Haftreibungsbeiwert
zwischen Rad und Schiene. Eine Bremsung kann daher nicht in Abhängigkeit
der Änderung des Haftreibungsbeiwertes erfolgen, und somit ist eine
Berücksichtigung des stabilen Bremsbereiches nicht möglich. Die bekannte
Einrichtung sieht außerdem Sensoren für die Istwerte der Last, der
Achsgeschwindigkeiten und der Druckwerte für die Bremszylinder vor,
wobei der vermaschte Regelkreis für den Bremszylinderdruck im Mikroprozessor
geschlossen ist. Hierbei wird als Ergebnis jedoch der jeweilig
notwendige Bremzylinderdruck in Abhängigkeit von dem Bremssollwert von
Radgeschwindigkeit (Gleitschutzfunktion), Bremszylinderdruck und Last
errechnet und ein Stellsignal an Drei-Punkt-Magnetventile geliefert.
Auch aufgrund der bekannten Einrichtung ist es daher nicht möglich, die
tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit zu errechnen und darauf aufbauend
den Gleitschutz einzustellen.
Schließlich fehlt es dem bekannten Vorschlag an Maßnahmen, die Fahrzeuggeschwindigkeit
bei ständig wechselnden Reibungsverhältnissen auch
ausreichend genau zu bestimmen. Die einem Bremszylinder zugeordneten
Magnetventile regeln lediglich den zu einer bestimmten Zeit gewünschten
Bremsdruck und lassen daher keinerlei Rückschlüsse über den jeweiligen
Zustand zwischen Rad und Schiene zu. Es kann somit vorkommen, daß die
Fahrzeuggeschwindigkeit erheblich von der Radachsen-Geschwindigkeit abweicht,
so daß die verminderte Radachsen-Geschwindigkeit beim Bremsen
einen nicht mehr annehmbaren Wert für die nachzubildende Fahrzeuggeschwindigkeit
liefert, die die Grundlage für ein blockierfreies
Bremsen unabhängig von besonders glatten Stellen zwischen Rad und
Schiene bildet.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, im
Hinblick auf wechselnde Haftreibungsbeiwerte zwischen Rad und Schiene
die Fahrzeuggeschwindigkeit genauer zu bestimmen.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß bei
schlechten oder sich plötzlich ändernden Haftreibungsbeiwerten zwischen
Rad und Schiene der Bremsweg trotzdem optimiert werden kann.
Nach weiteren Schritten ist vorgesehen, daß der für eine Radachse
ermittelte Haftreibungsbeiwert zur Mittelwertbildung gegenüber an
anderen Radachsen ermittelten Haftreibungsbeiwerten eingesetzt wird.
Diese Maßnahme gestattet, nur kurzzeitig oder auf sehr kurzen
Schienenwegabschnitten auftretende Änderungen der Haftreibungsbeiwerte
zu kompensieren. Bei solchen kurzzeitigen Systemstörungen wird daher der
gewünschte Druckabfall in einem hydraulischen oder pneumatischen
Regelkreis nicht aktiv.
Die Einrichtung zur Bestimmung der tatsächlichen
Fahrzeuggeschwindigkeit für Schienenfahrzeuge basiert auf
einem auf jeder Fahrzeugachse angeordneten Gebersystem (Polrad und
Impulsgeber) für die Achsgeschwindigkeit bzw. Achsverzögerung. Jeder
Achse ist außerdem ein Bremssystem mit Bremszylinder zugeordnet,
wobei das Gebersystem an einen eine nachgebildete Fahrzeuggeschwindigkeit
errechnenden Mikroprozessor angeschlossen
ist.
Hierbei ist es vorteilhaft, daß jedem Bremszylinder ein Auslaßventil
zugeordnet ist, dessen Magnetventilanschlüsse über den Mikroprozessor
steuerbar sind und daß jedem Bremszylinder ein Drucksensor mit
P-I-Wandler zugeordnet ist, der ebenfalls an den Mikroprozessor
angeschlossen ist,
der jeweils aus den Bremsdrücken Haftreibungsbeiwerte
ermittelt und für die Korrektur der errechneten Fahrzeuggeschwindigkeit
einsetzt.
Der gewünschte Effekt der Haftreibungsbeiwert-
Berücksichtigung kann somit schon durch die Zuordnung des Magnetventils
zu einem vorhandenen Bremssystem erzielt werden.
Eine andere Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß das Auslaßventil aus
einem zusammengeschalteten Belüftungs- und einem Entlüftungsmagnetventil
besteht. Die besondere Gestaltung gestattet einen Druckaufbau oder einen
Druckabbau, wobei jeweils im Gegensinn eine automatische Sperre
entsteht.
Eine andere vorteilhafte Verbesserung besteht darin, daß das Belüftungs-
und das Entlüftungsmagnetventil mittels einer den Durchgangsweg und den
Entlüftungsweg verbindenden Leitung mit dem Bremszylinderanschluß
verbunden ist. Dadurch wird die jeweilige Sperre unmittelbar auf den
Bremszylinder übertragen.
Schließlich ist der Eingang des Drucksensors mit P-I-Wandler an die
verbindende Leitung und die Ausgänge des Drucksensors mit P-I-Wandler an
den Mikroprozessor angeschlossen. Dadurch kann die Haftreibungsbeiwert-
Berechnung leicht in bestehende Antiblockiersysteme integriert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schaltung für einen bei Schienenfahrzeugen üblichen
Gleitschutz mit dem integrierten System der
Haftreibungsbeiwert-Bestimmung und
Fig. 2 ein Schaltungsdetail, das jeder der Achsen 1 bis 4 in Fig. 1
zugeordnet ist,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Meßdiagramms zur Bestimmung des
Haftreibungsbeiwertes.
Aus einer Hauptluftleitung 1 wird ein Speicher 2 über ein Steuerventil 3
versorgt. Der Speicher 2 versorgt einen Bremszylinder 4 eines
Schienenfahrzeugs, das mit zwei Drehgestellen 5 und 6 ausgerüstet ist.
Jeder Bremszylinder 4 ist einer der Radachsen 7 zugeordnet. Auf jeder
Radachse 7 befinden sich Bremsscheiben 8 mit Bremsbackengestängen 9. An
einem Rad 10 einer Radachse 7 ist jeweils stirnseitig als ein
Gebersystem 11 ein Polrad 12 und ein Impulsgeber 13 angeordnet. Jedes
Gebersystem 11 ist mit einem Anschlußstecker 14 versehen. Sämtliche vier
Anschlußstecker 14 sind über Leitungen 15 und 16 mit einem Verteiler 17
und dieser über eine Klemmleiste 18 an einen Mikroprozessor 19
(Mikrocomputer) angeschlossen.
Die Klemmleiste 18 ist über einen Druckschalter 20 an die
Hauptluftleitung 1 angekoppelt. Über die Druckluftleitung 21 bzw. 22
wird jeder Bremszylinder 4 mit Druckluft versorgt. Zwischen die
jeweilige Druckluftleitung 21 bzw. 22 und einen Bremszylinder 4 ist über
eine flexible Zwischenleitung 23 jeweils ein Auslaßventil 24
geschaltet. Elektrische Magnetventilanschlüsse 25, 26 und 27 sind
jeweils über einen Klemmkasten 28 und über eine gemeinsame Steuerleitung
29 an den Mikroprozessor 19 geführt.
Das Auslaßventil 24 (Fig. 2) besteht aus einem Magnetventil MV1 und
einem Magnetventil MV2. Beide sind elektrisch durch die
Magnetventilanschlüsse 25, 26 und 27 aneinander gebunden. An jedem
Auslaßventil 24 ist ferner ein Drucksensor mit P-I-Wandler 30
vorgesehen.
Ein Teil des Auslaßventils 24 bildet ein Belüftungsmagnetventil 31 und
ein anderer Teil ein Entlüftungsmagnetventil 32. Das Belüftungs- bzw.
Entlüftungsmagnetventil 31, 32 ist mittels einer einen Durchgangsweg D
und einen Entlüftungsweg E verbindenden Leitung 33 ausgestattet. Diese
Leitung 33 führt jeweils zu einem Bremszylinderanschluß 34.
Der Eingang P des Drucksensors mit P-I-Wandler (Druck/Stromwandler) 30
ist druckseitig über die verbindende Leitung 33 angeschlossen und
elektronikseitig führen die Ausgänge 1 zu dem Mikroprozessor 19.
Die Funktionsweise des Verfahrens bzw. der Einrichtung ist folgende:
Ausgehend von einem der in einem Bremszylinder 4 mittels des
P-I-Wandlers 30 gemessenen Druckes P und des daraus gewonnenen
Stromsignals (I) und bei Auftreten einer kritischen Verzögerung einer
Achse, z. B. mehr als 1,6 m/sec2 Verzögerung, wird der momentane
Haftreibungsbeiwert zwischen Rad und Schiene bestimmt und der jeweils
ermittelte Haftreibungsbeiwert wird sodann für die Korrektur der
errechneten Fahrzeuggeschwindigkeit zugrundegelegt. Hierbei wird der für
eine Radachse 7 ermittelte Haftreibungsbeiwert zur Mittelwertbildung
gegenüber den an anderen Radachsen ermittelten Haftreibungsbeiwerten
eingesetzt. Mit den errechneten Haftreibungsbeiwerten wird die mittlere
Fahrzeugverzögerung 35 bestimmt und dementsprechend die der
tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit durch Berechnung nachgebildete
Fahrzeuggeschwindigkeit korrigiert. Es ist also möglich, in jedem
Augenblick der Bewegung des Fahrzeugs sich so nahe wie möglich an die
reale (absolute) Fahrzeuggeschwindigkeit rechnerisch anzunähern.
Bei Auftreten einer entsprechend verminderten Verzögerung an der
Radachse wird über den Mikrocomputer 19 verzögerungsfrei durch
Umschalten des Auslaßventils 24 von Druck D auf Entlüften E die
Bremskraft auf die jeweilige Achse vermindert, so daß ein Blockieren des
Rades vermieden wird.
Hierbei wird dem Prinzip nach wie folgt rechnerisch vorgegangen.
Aufgrund der nachstehenden Gleichung
P · µk · R = 103 · G′ · µs · y · R (1)
worin bedeuten:
P = Anpreßkraft eines Bremsklotzes
µk = Bremsklotz-Reibbeiwert
R = Radius des Rades (10)
G′ = Radlast
µs = Haftreibungsbeiwert Rad/Schiene
y = Haftwert-Beanspruchungsfaktor,
P = Anpreßkraft eines Bremsklotzes
µk = Bremsklotz-Reibbeiwert
R = Radius des Rades (10)
G′ = Radlast
µs = Haftreibungsbeiwert Rad/Schiene
y = Haftwert-Beanspruchungsfaktor,
besteht ohne Blockierung des Rades 10 ein Gleichgewicht zwischen
Bremsmoment und Drehmoment am Rad 10.
Die Gleichung (1) wird entsprechend der vorhandenen Zylinderabmessungen
und einem vorgegebenen Druck von 3 bar in einen Druckwert umgerechnet.
Würde der angenommene Haftwert in der Bremsberechnung unterschritten, so
entstünde ein Kraftüberschuß, der zu starker Verzögerung und
anschließender Blockierung der Achse führen würde. Versuche und
Messungen haben gezeigt, daß je nach Fahrzeugart und Bremseinrichtung,
z. B. einem Bremsdruck von 3 bar im Bremszylinder etwa ein
Haftreibungsbeiwert zwischen Rad und Schiene von 0,15 entspricht. Für
den Fall, daß dieser Druck in kurzer Zeit steil absinkt (Fig. 3), z. B.
auf 1,5 bar, so hat sich auch der zugrundegelegte Haftreibungsbeiwert
derart vermindert, daß dieser unter 0,15 sinkt. Das bedeutet nichts
anderes, als daß die Schiene streckenweise sehr "glatt" ist, z. B. durch
nasses Laub, Eis oder Schneereste o. dgl. bedeckt ist.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, entspricht der Fahrzeugverzögerung 35
an den vier Achsen eine Achsgeschwindigkeit 36a bis 36d. Wie nunmehr
deutlich dem Verlauf der vier tatsächlichen Achsgeschwindigkeiten 36a
bis 36d entnommen werden kann, differiert eine rechnerisch
nachgebildete Fahrzeuggeschwindigkeit 36′ an einer Stelle 38 des
Druckabfalls der vier Bremsdruckverlaufkurven 37a, 37b, 37c und 37d,
und zwar im Bereich 39, so daß dort der vorgeschlagene Korrekturfaktor
für den Haftreibungsbeiwert angesetzt werden muß. Auf der Grundlage des
jeweils sich rechnerisch ergebenden neuen Haftreibungbeiwertes wird
sodann die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit in das Bremsverfahren
eingebracht, wodurch sich auch bei glatten Schienen eine blockierfreie
Bremsung erzielen läßt.
In ABS-Systemen wird die Fahrzeuggeschwindigkeit - wie ausgeführt wird
- rechnerisch ermittelt. Treten über eine längere Zeit unterschiedliche
Haftwerte zwischen Rad und Schiene auf, so kann eine große Differenz
der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit und der errechneten
Fahrzeuggeschwindigkeit auftreten. Die Erfindung gestattet, unter
Berücksichtigung der angegebenen Schätzwerte von Bremsdruck und
Haftreibungsbeiwert den letzteren genauer zu ermitteln. Hierzu wird der
Druck im Bremszylinder mittels eines Drucksensors erfaßt und daraus in
Verbindung mit den Achsverzögerungen der weitaus genauere Reibbeiwert
zwischen Rad und Schiene abgeschätzt.
Mit dem so ermittelten Haftreibungsbeiwert kann die mittlere
Fahrzeugverzögerung ermittelt und entsprechend die errechnete
Ersatzgeschwindigkeit korrigiert werden.
Claims (6)
1. Verfahren zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit
bei Schienenfahrzeugen auf der Grundlage von fortlaufend
errechneten Geschwindigkeitswerten, wobei von einer Kombination
Polrad/Impulsgeber erzeugte frequenzproportionale
Achs-Geschwindigkeitssignale erfaßt und über einen Mikroprozessor
eine nachgebildete Fahrzeuggeschwindigkeit errechnet wird, wobei
ausgehend von einem in einem Bremszylinder gemessenen Druck und
einem diesem entsprechenden elektrischen Drucksignal und bei
Auftreten einer kritischen Verzögerung einer Radachse, d. h. bei
steilem Absenken des Druckes im Bremszylinder in kurzer Zeit, der
momentane Haftreibungsbeiwert zwischen Rad und Schiene bestimmt
wird und wobei mit den ermittelten Haftreibungswerten die
mittlere Fahrzeugverzögerung bestimmt und dementsprechend die der
tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit durch Berechnung
nachgebildete Fahrzeuggeschwindigkeit korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der für eine Radachse ermittelte Haftreibungsbeiwert zur
Mittelwertbildung gegenüber an anderen Radachsen ermittelten
Haftreibungsbeiwerten eingesetzt wird.
3. Einrichtung zur Bestimmung der tatsächlichen
Fahrzeuggeschwindigkeit für Schienenfahrzeuge mit auf einer
Fahrzeugachse (7) angeordnetem Gebersystem (11) für die
Achsgeschwindigkeit bzw. Achsverzögerung und jeder Radachse (7)
zugeordnetem Bremssystem mit Bremszylinder (4), wobei das
Gebersystem (11) an einen eine nachgebildete
Fahrzeuggeschwindigkeit errechnenden Mikroprozessor (19)
angeschlossen ist, wobei jedem Bremszylinder (4) ein Auslaßventil
(24) zugeordnet ist, dessen Magnetventilanschlüsse (25, 26, 27) über
den Mikroprozessor (19) steuerbar sind und wobei jedem
Bremszylinder (4) ein Drucksensor mit P-I-Wandler (30) zugeordnet
ist, der ebenfalls an den Mikroprozessor (19) angeschlossen ist,
der jeweils aus den Bremsdrücken Haftreibungsbeiwerte ermittelt und
für die Korrektur der errechneten Fahrzeuggeschwindigkeit
einsetzt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Auslaßventil (24) aus einem zusammengeschalteten
Belüftungs- und einem Entlüftungsmagnetventil (31, 32) besteht.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Belüftungs- und das Entlüftungsmagnetventil (31, 32) mittels
einer den Durchgangsweg (D) und den Entlüftungsweg (E) verbindenden
Leitung (33) mit dem Bremszylinderanschluß (34) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingang (P) des Drucksensors mit P-I-Wandler (30) an die
verbindende Leitung (33) und die Ausgänge (I) des Drucksensors mit
P-I-Wandler (30) an den Mikroprozessor (19) angeschlossen sind.
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