DE4333281A1 - Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder Bremskraft der Räder eines Fahrzeuges auf optimalen Kraftschluß - Google Patents
Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder Bremskraft der Räder eines Fahrzeuges auf optimalen KraftschlußInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder
Bremskraft der Räder eines Fahrzeuges, insbesondere der Treibradsätze eines
laufachsenlosen Schienentriebfahrzeuges auf optimalen Kraftschluß, wie es im
übrigen im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.
Die Leistungselektronik ermöglicht heute stufenlos regelbare Drehstrom-,
Gleichstrom- und Mischstromantriebe, die ein pendelndes Führen der
Räder/Radsätze von Schienentriebfahrzeugen in Bereichen eng um das jeweilige
Kraftschlußmaximum der Kraftschluß-Schlupfcharakteristik des Rad/Schiene-
Kontaktes gestatten.
Fig. 1 zeigt eine typische Kraftschluß-Schlupf-Kurve mit unterscheidbaren
Schlupfbereichen, wobei das Gebiet links des Maximums als stabil und rechts davon
als instabil gilt. Für ein pendelndes Führen der Räder/Radsätze um das Maximum
der Vollstrichkurve (entsprechend den durch Pfeile markierten Bereichen in Fig. 1)
sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden, die keine Messung der absoluten
Geschwindigkeit über Grund (z. B. mittels Laufachse oder Radar etc.) mehr
benötigen, sondern mit den gemessenen Drehzahlen der Treibradsätze auskommen.
So erfolgt in einem bekannten Verfahren z. B. ein fortgesetztes Steigern und wieder
Zurücknehmen der Antriebs-/Bremskraft, wobei das Überschreiten des Maximums
der Kraftschluß-Schlupf-Kurve durch eine einsetzende stärkere Beschleunigung
erkannt wird (z. B. DE-PS 34 07 309).
Bei einem anderen Verfahren dieser Art wird ein Steigern oder Zurücknehmen einer
eingeprägten Drehzahl bewirkt und das Überschreiten des Maximums der
Kraftschluß-Schlupf- Kurve an einem Absinken der Antriebs-/Bremskraft erkannt
(z. B. DE-PS 39 29 497).
Gemeinsam ist diesen Verfahren, den Schlupf nach herrschender Erkenntnis
möglichst klein zu halten, um dadurch größte Zugkraftausnutzung zu erreichen.
Die Praxis beweist jedoch, daß der so erzielbare Kleinst-Schlupf keine
Zugkraftverbesserung gegenüber größeren Schlupfwerten bringt, mit denen man vgl.
verschiedener Literatur die besten Zugkräfte lt. Messungen erreicht. Im Gegenteil,
die Zugkraftübertragung wird zeitweilig sogar verschlechtert, wobei sich die
Zugkraft auf den gestrichelten Kurvenverlauf in Fig. 1 absenkt.
Andererseits stellt erhöhter zulässiger Schlupf die Genauigkeit der Messung der
absoluten Geschwindigkeit in Frage.
Der Erfindung liegt eine durch die Praxis erhärtete Theorie zugrunde, nach der
durch gelegentliches Fahren mit größerem Schlupf im instabilen Bereich dem
Anschein nach eine Verbesserung der gesamten Kraftschluß-Schlupf-Charakteristik
zu höheren Kräften hin stattfindet, was offenbar durch Veränderung der
kontaktgebenden Radoberflächen erfolgt. Die Zugkraftübertragung folgt dann
wieder der Vollstrichkurve in Fig. 1.
Demnach reicht offenbar der bisher angestrebte geringe Schlupf, der eintritt, wenn
man im Kraftschlußmaximum fährt, ersichtlich nicht aus, um die Radlaufflächen
"griffig" zu halten, sondern führt im Gegenteil - wie z. B. reines Rollen - zu einem
Poliereffekt der Radreifenoberflächen. Das verschlechtert insbesondere bei
Vorhandensein von Fremdschichten (Wasser etc.) den Kraftschlußwert erheblich.
Praktische Versuche ergaben bei den genannten bekannten hochgenauen Verfahren
zuweilen unerklärliche Kraftschlußeinbrüche, zumindest auf nassen Schienen,
wodurch dann deutlich weniger Zugkraft ausgeübt werden konnte, als im Betrieb
mit größerem Radschlupf.
Um alle Radsätze generell auf einen gewollten Schlupf regeln zu können, braucht
man den Meßwert der Geschwindigkeit über Grund. Dies kann z. B. durch
Laufachsen oder Radargeräte geschehen. Lokomotiven haben jedoch heute keine
Laufachsen mehr, Radargeräte sind störanfällig und wartungsaufwendig.
Es sind Verfahren bekanntgeworden, die ohne einen echten
Geschwindigkeitsmeßwert über Grund eine intermittierende Schlupfregelung
verwenden. Hierzu wird aus den Achsdrehzahlen und der hieraus ermittelten
Beschleunigung eine fiktive Geschwindigkeit über Grund errechnet, die dann als
Referenz für die Schlupfregelung Verwendung findet. Voraussetzung hierfür ist, daß
in nicht zu großen Abständen an wenigstens einem der Treibradsätze kurzzeitig die
Antriebskraft so weitgehend reduziert wird, daß sie mit Sicherheit wieder in den
Mikroschlupf im stabilen Schlupfbereich gesteuert wird. Mit diesem Radsatz wird
dann die fiktive Geschwindigkeit, die stets etwas abdriftet, wieder auf richtigen
Wert nachgestellt. Man muß allerdings hierbei in Abständen wiederkehrend den
weitgehenden Verlust der Antriebskraft mindestens dieses Treibradsatzes für eine
Zeit mindestens solange in Kauf nehmen, bis sie aus dem Schlupf wieder fast in den
Rollzustand zurückgekehrt ist. In Lokomotiven, in denen die Motoren nur
gruppenweise zu zweit gemeinsam gesteuert werden können, wären sogar zwei
Treibradsätze hiervon betroffen, so daß z. B. eine vierachsige Lokomotive kurzzeitig
um fast 50% ihrer Zugkraft reduziert werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannten Verfahren, mit denen man
ohne den Meßwert der Geschwindigkeit über Grund jeden Radsatz an der
Kraftschlußgrenze bei kleinstmöglichem Schlupf führen kann, für eine Verbesserung
des Rad-/Schiene-Kontaktes durch gezielt höheren Radschlupf geeignet zu machen.
Der Vorteil, ohne direkte Messung einen für signaltechnische Zwecke genügend
genauen Wert der absoluten Geschwindigkeit zu haben (bisher infolge des kleinen
Radschlupfes), soll dabei erhalten bleiben, ebenso die Sicherheit vor
unkontrolliertem Radschlupf (Allachsschleudern).
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Die Erfindung nutzt den Effekt, daß es zur Aufrechterhaltung eines besseren
Kraftschlusses offenbar nicht erforderlich ist, den erwähnten erhöhten Radschlupf
ununterbrochen aufrecht zu erhalten. Da es viele Sekunden bis zu einigen Minuten
dauert, bis ein aufgerauhter Radsatz - nach einer Fahrt mit erhöhtem Schlupf
wieder zurück auf den kleineren Optimalschlupf auf der Kraftschluß-/Schlupf-
Charakteristik gefahren - wieder geglättet ist, kann man diesen Radsatz in dieser
Zeit als Geschwindigkeitsnormal heranziehen und die übrigen Radsätze mit großem
Schlupf fahren lassen. Ein zeitweise mit dem (kleineren) Optimalschlupf gefahrener
Radsatz hat in dieser Zeit sogar den höchsten Kraftschluß, weil er dann auf dem
höchsten Niveau der durch den vorherigen Betrieb mit großem Schlupf angehobenen
Kraftschlußcharakteristik (Vollstrichkurve in Fig. 1) arbeitet, während die Radsätze
im Makroschlupf auf dem fallenden Ast der Charakteristik mit nicht mehr
maximalem Kraftschluß (gestrichelter Kurvenverlauf in Fig. 1) fahren.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich damit folgende Vorteile:
Die durch erhöhten Radschlupf noch erzielbaren Zugkraftgewinne sind voll
ausschöpfbar. Eine direkte Erfassung der Geschwindigkeit über Grund ist hierbei
nicht notwendig, trotzdem ist nach wie vor aus den Achsdrehzahlen eine
hinreichend genaue Geschwindigkeitsmessung möglich. Der Betrieb mit dem
erhöhten Schlupf kann frei wählbar eingerichtet werden. In den Fällen, wo der
zusätzliche Zugkraftgewinn für eine Fahrplaneinhaltung nicht notwendig ist (was
allerdings häufig der Fall sein wird), kann mit dem kleinen Optimalschlupf wie
bisher gefahren werden. Diese Betriebsweise führt dann zu einer im Verhältnis zur
erzielbaren Zugkraftreserve bisher nicht möglichen Minimierung des
Radverschleißes.
Der Übergang in den Schlupfbetrieb kann vom Triebfahrzeugführer frei gewählt
oder halbautomatisch etwa dadurch erfolgen, daß er durch Vorgabe von 100%
Zugkraft oder etwas weniger (beispielsweise <95%) entscheiden kann, ob mit oder ohne
großen Schlupf gefahren werden soll.
Durch längeres Verweilen oder dauerndes Betreiben des ersten Radsatzes im Zustand
größeren Schlupfes und/oder Einstellung eines besonders großen Schlupfes an
diesem Radsatz kann dessen bekannte Putzwirkung auf nassen Schienen ausgenutzt
werden.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden,
wenn alle Radsätze mit einem der bekannten Verfahren zur Regelung an der
Kraftschlußgrenze ohne Erfassung der Geschwindigkeit über Grund ausgerüstet
werden und zusätzlich eine nur wenig aufwendige Einrichtung zur Umschaltung in
den Betrieb mit geregeltem größeren Schlupf erhalten.
Ein Bespiel hierfür ist in der Fig. 2 dargestellt. Diese zeigt eine Anwendung der
Erfindung auf ein Verfahren, wie es in der bereits genannten DE-PS 34 07 309
aufgezeigt ist. Ergänzende Anordnungen, wie sie z. B. aus der DE-PS 38 37 908 oder
DE-PS 39 02 846 oder DE-PS 42 24 581 hervorgehen, haben auf die Wirksamkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens keinen Einfluß.
Die Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Regelung eines Treibradsatzes mit
einem wechselrichtergespeisten Drehstromfahrmotor. In einer Lokomotive mit
Einzelachssteuerung hat jeder einzelne Treibradsatz eine solche vollständige
Anordnung. In Lokomotiven mit Gruppensteuerung, beispielsweise Parallelschaltung
der beiden Motore eines Drehgestells, ist eine Anordnung gemäß der Fig. 2 beiden
Radsätzen des Drehgestells gemeinsam zuzuordnen, wobei als Ist-Drehzahl die
Drehzahl eines der Radsätze oder der Mittelwert beider verwendet wird.
In der Fig. 2 ist mit 1 ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Drehstromfahrmotor 2
speist. Die Achsdrehzahl wird z. B. von einer Tachometermaschine 3 (oder einem
Drehimpulsgeber mit Auswerter) erfaßt. An einen Eingang 4 ist der in der
Antriebsregelung gebildete abgeleitete Sollwert für die Schlupffrequenz fSsoll des
Motors gelegt. Am Anschluß 5 liegt anstelle einer echt gemessenen
Fahrzeuggeschwindigkeit über Grund eine Pseudo-Laufachsdrehzahl an, die in
einem Differenzbildner 6 mit der gemessenen Achsdrehzahl aus der
Tachometermaschine 3 verglichen wird. Die im Differenzbildner 6 ermittelte
Drehzahldifferenz wird in einen Multiplizierer 7 mit einem geeigneten, am
Anschluß 8 eingegebenen konstanten oder von Geschwindigkeit und/oder
zugkraftabhängigen Faktor bewertet. Der erhaltene Wert wird in einer
Subtraktionsstelle 9 vom Sollwert der Motorschlupffrequenz fSsoll abgezogen und
das Ergebnis als Drehmomentsollwert verwendet. In einem Summierer 10 wird als
Summe aus Achsdrehzahl frot und gewünschter Motorschlupffrequenz die
Wechselrichterfrequenz als Ständerfrequenz des Fahrmotors 2 gebildet.
Dem Anschluß 11 wird der Sollwert der erwarteten Beschleunigung bzw.
Verzögerung zugeführt, abgeleitet aus der Zug- bzw. Bremskraft und der
Fahrzeugmasse. In Lokomotiven ist hierfür die Anhängelast zu berücksichtigen, was
mit einer automatischen Adaptierung erfolgen kann. Dieser Sollwert wird in einem
Integrator 13, der als Pseudolaufachse fungiert, zu einem Drehzahlwert integriert.
Der Integrator 13 ist dabei so eingestellt, daß er um einen kleinen Toleranzbereich
schneller integriert, als es der wahren Fahrzeugbeschleunigung entspricht, so daß die
Pseudo- Laufachsdrehzahl der Fahrzeug-Istgeschwindigkeit langsam davonlaufen
würde. Der Integrator 13 erhält deshalb eine zusätzliche Rückführung über einen
Komparator 14, die Schaltstellen 15 und 16, sowie die Einweggleichrichter 17, 18
oder andere, jeweils nur Signale einer Polarität durchlassende Anordnungen, sowie
ein Additionsglied 12. Im Komparator 14 wird der Integratorausgang, d. h. die
Pseudo-Laufachsdrehzahl mit der Drehzahl einer wirklichen Achse verglichen.
Positive Differenz (d. h. die Pseudolaufachse läuft schneller) wird nur im
Betriebszustand "Fahren" (15 geschlossen) über Einweggleichrichter 17 an den
Integrator 13 gegeben und steuert dann die Pseudolaufachse herunter, bis diese mit
der Drehzahl der wirklichen Achse übereinstimmt. Negative Differenz (d. h.
Pseudolaufachse läuft langsamer) wird im Zustand "Bremsen" (16 geschlossen) über
Einweggleichrichter 18 an den Integrator 13 gegeben und steuert dann die
Pseudolaufachse aufwärts, bis Übereinstimmung mit der wirklichen Achse vorliegt.
Hierdurch wird der Integratorausgang, solange die wirkliche Achse rollt, nicht mehr
beschleunigt oder verzögert als das Fahrzeug. Die Drehzahlwerte stimmen überein,
und am Differenzbildner 6 treten keine Drehzahldifferenzen auf.
Bei auftretendem Radschlupf wird im Zustand "Fahren" die Achse letztlich stärker
beschleunigen als das Fahrzeug oder der Integrator. Der Integrator 13 kann jetzt
nicht über die Rückführung mitgenommen werden, weil Einweggleichrichter 17 ein
Signal negativer Polarität nicht durchläßt. Es entsteht am Differenzbildner 6 eine
Drehzahldifferenz, wie zwischen Treibachse und einer echten Laufachse.
Beim Bremsen kehrt sich die Polarität der Differenz um, wodurch das
Rückführungssignal über 16, 18 geleitet wird. Das an dem Differenzbildner 6
auftretende Drehzahldifferenzsignal steuert dann, wie zu den Bezugszeichen 1 bis 10
beschrieben, das Drehmoment und damit die Zug-/bzw. Bremskraft des Fahrmotors.
Jetzt hat z. B. die Pseudo-Laufachsdrehzahl bereits einen Wert erreicht, der nicht
mehr die Geschwindigkeit über Grund, sondern dem einer sich bereits mit einem
Schlupf auf der Schiene drehenden Achse entspricht, wie er zur Übertragung der
maximalen möglichen Zugkraft notwendig ist. Während der Entstehung dieses
Schlupfes, d. h. vom reinen Rollen der Treibachse an wird diese bereits kaum
meßbar stärker beschleunigt als das Fahrzeug. Der Integrator 13 kann bis dahin noch
der Achsdrehzahl folgen. Eine stärkere Beschleunigung der Treibachse setzt erst
dann ein, wenn der Schlupf des maximalen Reibwertes überschritten wird.
Ohne weitere Maßnahmen würde nun der Pseudo-Laufachsintegrator 13 frei
weiterlaufen, wobei die Pseudolaufachse auch allmählich gegenüber dem Fahrzeug
immer schneller wird. Die Treibachse würde ebenfalls immer größeren Schlupf
annehmen und schließlich ins Schleudern geraten.
Um dies zu verhindern, ist die Regelung so ausgelegt, daß der Radsatz oder die
Radsatzgruppe durch Reduzierung der Antriebskraft des Motors (FMot) (oder
Bremskraft beim Bremsen) über das Kraftschlußmaximum hinweg in den stabilen
Schlupfbereich zurückgeführt wird. Hierbei bilden die Elemente 19, 20, 21 eine
Umpolvorrichtung, die im Bremsbetrieb die Polarität des Drehzahldifferenzsignals
tauscht. Mit 22 ist eine Differenziervorrichtung bezeichnet, die die erste zeitliche
Ableitung des Drehzahldifferenzsignals d Δn/dt bildet. Mit 40 ist ein
Verzögerungsglied 1. Ordnung bezeichnet, das den Anstieg des Ausgangssignals von
Differenziervorrichtung 22 etwas verflacht. Der Ausgang des Verzögerungsgliedes 40
ist des weiteren über einen elektronisch betätigten Schalter 41 mit Ruhekontakt auf
eine Grenzwertstufe 43 geführt, die ein binäres Signal auf ein ODER-Gatter 44
ausgibt. Eine Rückführung führt auf ein Zeitglied 42, das nach Erreichen einer
Ansprechverzögerung den Schalter 41 öffnet und nach Ablauf einer weiteren
Verzögerungszeit diesen wieder schließt. Damit werden im Sinne einer
Prozeßüberwachung unerwünscht lange Signale ausgeschlossen. Der Ausgang des
ODER-Gatters 44 wirkt auf einen Schalter 31 und über einen Invertierer 45 auf den
Reset-Eingang eines 1. Zeitgliedes 46 mit Ausschaltverzögerung, das vom Ausgang
der Grenzwertstufe 43 gesetzt worden ist. Das 1. Zeitglied 46 stößt ein 2. Zeitglied
47 an, das eine Einschaltverzögerung aufweist. Über das 2. Zeitglied 47 wird ein
weiterer Schalter 48 betätigt, der den Ausgang einer Maximalwertauswahlstufe 51 an
einen Schmitt-Trigger 52 legt und diesen auslöst, wodurch ein weiteres Signal auf
ODER-Gatter 44 gelangen kann. Die Maximalwertauswahlstufe 51 erhält von der
Differenziervorrichtung 22 und einem nachgeschalteten Invertierer 49 einerseits ein
direktes Eingangssignal und andererseits über ein 2. Differenzierglied 50 ein
zusätzlich differenziertes Eingangssignal. Die Maximalwertauswahlstufe 51 läßt dabei
nur das Signal mit dem größeren Wert von beiden durch.
Wenn am Differenzbildner 6 eine Drehzahldifferenz erscheint, haben die Räder, wie
vorstehend beschrieben, den Schlupf auf den Schienen überschritten, der die größte
Kraftübertragung ermöglicht. Sie laufen in den instabilen Schlupfbereich ein, d. h.
mit noch größer werdendem Schlupf wird der Haftwert wieder kleiner. Der jetzt
größer werdende Drehmomentüberschuß beschleunigt die im Vergleich zur
Fahrzeugmasse nur kleine rotierende Masse des Radsatzes mit Fahrmotor relativ
schnell. Der Anstieg der Drehzahldifferenz wird von der Differenziervorrichtung 22
erfaßt und bringt über das Verzögerungsglied 40 (zur Ausfilterung kurzzeitiger
Störungen) und den Schalter 41 die Grenzwertstufe 43 zum Ansprechen. Deren
Ausgangssignal betätigt über das ODER-Gatter 44 den Schalter 31, wodurch ein aus
dem erwarteten Beschleunigungswert vom Anschluß 11 und einer dazu addierten
Konstanten (Additionspunkt 33) gebildetes und im Invertierer 34 invertiertes Signal
über die Zeitstufe 32 und das Additionsglied 12 am Eingang des Integrators 13
wirksam wird. Die Zeitstufe 32 läßt einen Teil des Signales sofort passieren, den
Rest mit einer Verzögerung erster Ordnung bis zur vollen Höhe ansteigen. Eine
Abfallverzögerung für das Signal enthält Zeitstufe 32 nicht, wie symbolisch
angedeutet. Der Integrator 13 wird dadurch langsamer und beginnt, sobald das
Zusatzsignal das direkte Signal übersteigt, in umgekehrter Richtung zu integrieren.
Die Pseudo-Laufachsdrehzahl wird damit kleiner. Hierdurch steigt zwar die
Drehzahldifferenz am Differenzbildner 6 zunächst noch schneller an, gleichzeitig
wird jedoch mit dem größeren Drehzahldifferenzsignal auch das Drehmoment des
Fahrmotors stärker reduziert. Die weitere Beschleunigung des Radsatzes hört
dadurch auf, der Radsatz beginnt sich wieder zu "fangen", d. h. in den stabilen
Schlupfbereich zurückzulaufen. Da sich hierbei die Radsatzdrehzahl wieder der
Pseudo-Laufachsdrehzahl nähert, wird auch das Drehzahldifferenzsignal am
Differenzbildner 6 wieder kleiner. Die Abwärtssteuerung des Integrators 13 über
den Schalter 31 muß jedoch noch so lange aufrechterhalten werden, bis der Radsatz
wieden den stabilen Schlupfbereich erreicht hat, d. h. über das Haftwert-Maximum
der Haftwert/Schlupfkurve zurückgelaufen ist. Andererseits würde das System im
instabilen Bereich verbleiben und schließlich doch ins Schleudern geraten.
Diesem Zweck dient der Schmitt-Trigger 52, der durch den Invertierer 49 für
negatives d(Δn)/dt, also Verringerung des Drehzahldifferenzsignals empfindlich ist
und sein Signal ebenfalls an das ODER-Gatter 44 abgibt. Er wird nach Ansprechen
der Grenzwertstufe 43 nach Ablauf des 2. Zeitgliedes 47 und des weiteren Schalters
48 wirksam. Über das 2. Differenzierglied 50 erhält der Schmitt-Trigger 52 mittels
der Maximalwertauswahlstufe 51 ein zusätzliches voreilendes Signal, wodurch er
schon ansprechen kann, bevor die Grenzwertstufe 43 wieder zurückgefallen ist.
Hierdurch wird eine Lücke im Ausgangssignal des ODER-Gatters 44 beim
Nulldurchgang des d(Δn)/dt Signals vermieden. Dies könnte auch - alternativ -
durch eine zusätzliche Abfallverzögerung der Grenzwertstufe 43 bei Wegfall der
Elemente 50 und 51 erreicht werden. Durch die Verzögerungszeit des 2. Zeitgliedes
47 kann der Schmitt-Trigger 52 erst ansprechen, wenn die Grenzwertstufe 43 um
diese Mindestzeit eingeschaltet hatte; dadurch bleiben kurzzeitige Störungen, die
keine wirklichen Schleuderansätze darstellen, hier ohne weitere Wirkung. Die
Rückfallzeit des 1. Zeitgliedes 46 sorgt dafür, daß der Schmitt-Trigger 52 während
einer angemessenen Dauer des negativen Drehzahldifferenz-Signals d(Δn)/dt wirksam
bleiben kann, wenn die Grenzwertstufe 43 schon wieder ausgeschaltet hat.
Damit erhält der Schmitt-Trigger 52 das Zusatzsignal für den Integrator 13 so lange
aufrecht, bis das (negative) d(Δn)/dt Signal wieder die Triggerschwelle unterschreitet.
Damit ist der Radsatz wieder in den stabilen Schlupfbereich zurückgeführt und wird
wieder zum nächsten Spiel beschleunigt. Strichpunktiert umrahmt sind in Fig. 2 die
zur Durchführung des Betriebes mit erhöhtem Schlupf zusätzlich benötigten
Einrichtungen hervorgehoben. Dazu gehört der Schalter 101, der für erhöhten
Schlupfbetrieb geöffnet wird, wodurch die Pseudo-Laufachse 13 nicht mehr in den
stabilen Schlupfbereich zurückgeführt werden kann. Ersatzweise kann dafür auch
die Verstärkung im Proportionalverstärker 34 herabgesetzt werden, wodurch das
Zusatzsignal am Integrator 13 kleiner wird, was zur Rückführung in den stabilen
Schlupfbereich dann nicht mehr ausreicht. Der Übergang in den größeren Schlupf
geht dann langsamer vor sich. Damit der Schlupf dieses Radsatzes nicht
unkontrolliert immer größer wird, wird er mit Hilfe der Funktionsgruppen 102 bis
106 von den übrigen Radsätzen kontrolliert, von denen mindestens einer nicht mit
erhöhtem Schlupf gefahren wird. Ohne die erfindungsgemäße Ergänzung wäre der
Eingang des Differenzverstärkers 14 mit der gemessenen Radsatzdrehzahl
verbunden, wodurch die Pseudo-Laufachse 13 nicht schneller werden kann als der
zugehörige Radsatz (im Betrieb "Fahren"; beim Bremsen umgekehrt). Für den
Betrieb mit erhöhtem Schlupf ist der Eingang des Differenzverstärkers 14 statt
dessen mit einer Minimalauswahl aus einem Auswahlglied 102 verbunden, das aus
der eigenen Radsatzdrehzahl, z. B. n1, und den übrigen Radsatzdrehzahlen, z. B. n2
bis n4, nur den Minimalwert über eine Minimalwertstufe 103 weiterleitet,
verbunden, wobei dieser Wert in einer Additionsstelle 105 noch um einen passend
gewählten Schlupfbetrag erhöht wurde. Hierdurch kann die Pseudo-Laufachse 13
nicht mehr an die eigene Radsatzdrehzahl anlaufen, wenn diese größer wird als die
Drehzahl eines nichtschlüpfenden Radsatzes zuzüglich des Schlupfbetrages Δnsoll.
Letztere Drehzahl nimmt jetzt die Pseudo-Laufachse 13 an. Der Radsatz kann dabei
nur so schnell werden, bis sich aus der Differenz dieser Pseudo-
Laufachsgeschwindigkeit mit der dem Kraftschluß auf der Schiene passenden
Drehmomentreduzierung ein Gleichgewichtszustand ergibt. Das ist der Fall bei etwas
größerer Differenz als Δvsoll, zu dem nicht im Schlupfbetrieb befindlichen Radsatz.
Δvsoll muß, dies berücksichtigend - passend bemessen werden.
Diese zusätzliche Anordnung kann auch im nichtschlüpfenden Betrieb des Radsatzes
(Schalter 101 geschlossen) eingeschaltet bleiben; dann ist die zugehörige
Radsatzdrehzahl kleiner als die der übrigen Radsätze +Δvsoll und die Anordnung
verhält sich so, als wäre die Radsatzdrehzahl wieder direkt mit dem "-"Eingang des
Differenzverstärkers 14 verbunden. Im Bremsbetrieb kehren sich die Polaritäten der
Differenzen um und es ist demgemäß vom Auswahlglied 102 der
Maximalwertausgang über Additionsstelle 106 (-Δvsoll) und Maximalwertstufe 104
wirksam.
Die Umschaltung auf den Betriebsmodus mit großem Schlupf kann allein durch
Ausschalten des Schalters 101 bewerkstelligt werden. Die Rückführung des
Radsatzes in den Zustand mit geringem Schlupf durch Schließen des Schalters 101
kann evtl. durch kurzzeitige Erhöhung der Verstärkung in dem Proportionalglied 34
beschleunigt werden. Dadurch wird die Reduzierung der erwarteten Beschleunigung
verstärkt und der Integrator 13 kann die Pseudo-Laufachsgeschwindigkeit schneller
in den stabilen Radschlupfbereich zurückführen.
Für eine Anordnung mit einem Drehzahlregler, der einem Radsatz die ständig
gesteigerte und wieder verminderte Drehzahl einprägt und einem Algorithmus, der
die Führungsgröße dieses Reglers in Abhängigkeit vom Überschreiten der
Kraftschlußgrenze (bzw. Unterschreiten der Antriebs-/Bremskraft) steuert - auch
Suchalgorithmus genannt - (z. B. DE-PS 39 29 497) kann die Umschaltung
folgendermaßen erfolgen:
Der Führungsgrößeneingang des Drehzahlreglers wird vom Suchalgorithmus abgetrennt und mit einer an einem der anderen nicht in den größeren Schlupf gesteuerten Radsätze gemessenen Drehzahl, der der Schlupfbetrag hinzuaddiert wurde, als Referenzgeschwindigkeit verbunden.
Der Führungsgrößeneingang des Drehzahlreglers wird vom Suchalgorithmus abgetrennt und mit einer an einem der anderen nicht in den größeren Schlupf gesteuerten Radsätze gemessenen Drehzahl, der der Schlupfbetrag hinzuaddiert wurde, als Referenzgeschwindigkeit verbunden.
Durch unterschiedliche Bemessung der schlupfbestimmenden Vorgabe Δvsoll kann
man die in den Schlupfbetrieb geschalteten Radsätze mit verschiedenen
Schlupfgeschwindigkeiten betreiben, beispielsweise, um durch besonders großen
Schlupf des vorauslaufenden Radsatzes die bekannte Putzwirkung auf nassen oder
fremdschichtbehafteten Schienen auszunutzen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Regelung der Antriebs- und/oder Bremskraft der Räder eines
Fahrzeuges, insbesondere der Treibräder eines laufachsenlosen
Schienentriebfahrzeugs, auf optimalen Kraftschluß, bei dem die Räder eng um das
Maximum der Kraftschluß-Schlupf-Charakteristik des Rad-Schiene-Kontaktes
pendelnd geführt werden, entweder durch fortgesetztes Steigern und
Wiederzurücknehmen der Antriebs-/Bremskraft, wobei das Überschreiten des
Maximums der Kraftschluß-Schlupf-Charakteristik, d. h. der Übergang in den
instabilen Schlupfbereich durch einsetzende stärkere Beschleunigung/Verzögerung
erkannt wird, oder durch Steigern und Zurücknehmen der Beschleunigung für eine
eingeprägte Drehzahl, wobei das Überschreiten des Maximums der Kraftschluß-
Schlupfcharakteristik d. h. der Übergang in den instabilen Schlupfbereich am
Absinken der Antriebs-/Bremskraft erkannt wird
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils nur ein Teil der Räder/Radsätze des Fahrzeuges auf optimalen
maximalen Kraftschluß geregelt wird, während die übrigen einer gewollten
Radschlupfregelung unterliegen, wobei die gemessene Radgeschwindigkeit/-
Drehzahl an den Rädern/Radsätzen mit optimalem Kraftschluß als
Referenzgeschwindigkeit dient, auf die nach Addition eines gewollten
Schlupfbetrages die Radgeschwindigkeit/-Drehzahl der übrigen Räder/Radsätze
geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine fortgesetzte, beispielsweise zyklische Vertauschung der Radsätze mit
erhöhtem und kleinem Schlupf erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere vorlaufende Radsätze mit erhöhtem Schlupf gefahren werden,
solange die Kraftschlußgrenze überschritten ist und mindestens einer der
nachlaufenden Radsätze zum Drehzahlvergleich mit kleinem Schlupf.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Betriebsmodus mit dem erhöhten Radschlupf vom Triebfahrzeugführer ein-
und ausschaltbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Betriebsmodus mit dem erhöhten Radschlupf sich automatisch einschaltet,
wenn nahezu der maximale Zugkraftsollwert (z. B. ≧ 95%) vorgegeben ist und/oder
die Regelung die Zugkraft wegen unzureichenden Kraftschlusses länger als eine
Mindestzeit um mehr als einen bestimmten Betrag (z. B. 10%) reduziert hat.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
für eine Anordnung mit einem Integrator als Pseudo-Laufachse, bei der jeweils die
Differenz der Ausgangsgröße des Integrators und der Drehzahl einer zugeordneten
Treibachse als Maß des Radschlupfes dient und zur Reduzierung des Antriebs- oder
Bremsmomentes ausgewertet wird und jeweils über die 1. zeitliche Ableitung der
Drehzahldifferenz der Übergang in den instabilen Schlupfbereich anhand der
einsetzenden stärkeren Beschleunigung erfaßt und beim Auslösen einer
Grenzwertstufe dem Integrator eine zusätzliche, dem zugeführten Sollwert für die
Beschleunigung oder Verzögerung entgegenwirkenden Eingangsgröße bis zum
Rücklauf in den stabilen Schlupfbereich aufgeschaltet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ausgewählten Räder/Radsätze dadurch in den Schlupfbetrieb geführt
werden, daß die Reduzierung der erwarteten Beschleunigung am Pseudo-
Laufachsintegrator 13 abgeschaltet oder auf einen kleinen Restbetrag vermindert
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß von den nicht in den Betrieb mit erhöhtem Schlupf gesteuerten Radsätzen oder
auch allen Radsätzen der Minimalwert (im Bremsbetrieb Maximalwert) der
Drehzahlen gebildet wird und daß dieser Wert ggf. gefiltert und um einen gewollten
Schlupfbetrag und/oder Toleranzbetrag des Raddurchmessers vermehrt (im
Bremsbetrieb vermindert) in einer Minimalauswahl mit der jeweils eigenen
Raddrehzahl (im Bremsbetrieb Maximalauswahl) als oberer (im Bremsbetrieb
unterer) Anlaufwert für den Pseudo-Laufachsintegrator 13 verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
für eine Anordnung mit Drehmomentregelung und überlagerter Drehzahlregelung,
bei der eine Auswertung des Drehmomentsollwertes mit Hilfe eines
Maximalwertspeichers und einer Suchlogik erfolgt, wobei bei Anstieg des
Drehmomentsollwertes der Maximalwertspeicher vom Drehmomentsollwert
mitgeführt und bei Abfall der zuletzt erreichte maximale Drehmomentsollwert im
Speicher erhalten bleibt und daß die Differenz zwischen dem Drehmomentsollwert
und dessen Maximalwert die Eingangsgröße für die Suchlogik bildet, die bei
Überschreitung eines Eingangsschwellwertes abwechselnd ein komplementäres
binäres Signal "Beschleunigungsfreigabe" oder "Beschleunigungsreduktion" ausgibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehzahlregler des in den erhöhten Schlupf zu steuernden Radsatzes von
seinem Suchalgorithmus abgetrennt wird und statt dessen die Drehzahl oder den
Drehzahlsollwert eines der anderen nicht in den erhöhten Schlupf gesteuerten
Radsätze oder deren Minimalwert, um einen gewollten Schlupfbetrag erhöht (im
Bremsbetrieb vermindert), als Drehzahlsollwert für den in den erhöhten Schlupf zu
steuernden Radsatz zugeführt erhält.
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