DE4137546C2 - Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit bei Schienenfahrzeugen - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit bei Schienenfahrzeugen

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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,
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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